Fiberoptisk krets - sender og mottaker

Elektroniske signaler har blitt sendt ganske vellykket i flere tiår gjennom standard 'hardwire' -forbindelser, eller ved å bruke radiolenker av forskjellige slag som hadde mange ulemper.

På den annen side har fiberoptiske lenker, enten de brukes til lyd- eller videokoblinger over lange avstander, eller for å håndtere små avstander, gitt noen tydelige fordeler sammenlignet med de vanlige kablene.

Hvordan Fiber Optic fungerer

I fiberoptisk kretsteknologi brukes en optisk fiberkobling til å overføre digitale eller analoge data i form av lysfrekvens gjennom en kabel som har en sterkt reflekterende sentral kjerne.

Internt består den optiske fiberen av en meget reflekterende sentral kjerne, som fungerer som en lysstyring for å overføre lys gjennom den ved hjelp av kontinuerlige frem og tilbake refleksjoner over de reflekterende veggene.

Den optiske lenken inkluderer vanligvis en elektrisk frekvens til lysfrekvensomformerkrets, som konverterer digitale eller lydsignaler til lysfrekvens. Denne lysfrekvensen blir 'injisert' til den ene enden av den optiske fiberen gjennom en kraftig LED . Lyset får deretter bevege seg gjennom den optiske kabelen til det tiltenkte målet, hvor det mottas av en fotocelle og en forsterkerkrets som konverterer lysfrekvensen tilbake til den originale digitale formen eller lydfrekvensformen.

Fordeler med fiberoptikk

En stor fordel med fiberoptiske kretsforbindelser er deres perfekte immunitet mot elektrisk interferens og løssluppere.

Standard kabelkoblinger kan utformes for å redusere dette problemet, men det kan være mye utfordrende å fullstendig utrydde dette problemet.

Tvert imot bidrar de ikke-elektriske egenskapene til en fiberoptisk kabel til å gjøre elektrisk forstyrrelse uvesentlig, bortsett fra noen forstyrrelser som kan plukkes i mottakerenden, men dette kan også elimineres gjennom en effektiv skjerming av mottakerkretsen.

På samme måte forsvinner bredbåndssignaler som er dirigert over en vanlig elektrisk kabel ofte elektrisk forstyrrelse og forårsaker fastkjøring av radio- og fjernsynssignaler i nærheten.

Men igjen, i tilfelle av en fiberoptisk kabel, kan den virkelig vise seg å være helt blottet for elektriske utslipp, og selv om senderenhet muligens kan skru ut noe radiofrekvent stråling, er det ganske enkelt å legge den ved hjelp av grunnleggende screeningstrategier.

På grunn av dette plusspunktet har systemer som inneholder mange optiske kabler som arbeider sammen hverandre, ingen komplikasjoner eller problemer med kryssamtaler.

Selvfølgelig kan lys muligens lekke ut fra den ene kabelen til den neste, men fiberoptiske kabler er vanligvis innkapslet i en lyssikker ekstern hylse som ideelt sett forhindrer enhver form for lyslekkasje.

Denne sterke skjermingen i fiberoptiske koblinger sikrer en rimelig sikker og pålitelig dataoverføring.

En annen fordel er at fiberoptikk er fri for brannfareproblemer, siden ingen strøm eller høy strømstrøm er involvert.

Vi har også en god elektrisk isolasjon gjennom hele lenken for å sikre at komplikasjoner med jordløkker ikke kan utvikle seg. Gjennom passende overførings- og mottakskretser blir det godt egnet for fiberoptiske lenker til å håndtere betydelige båndbreddeområder.

Brede båndbreddekoblinger kan også opprettes gjennom koaksialkabler, selv om moderne optiske kabler vanligvis opplever reduserte tap sammenlignet med koaksialtyper i applikasjoner med bred båndbredde.

Optiske kabler er vanligvis slanke og lette, og er også immune mot klimatiske forhold og flere kjemiske stoffer. Dette gjør det ofte mulig å bruke dem raskt i ugjestmilde omgivelser eller ugunstige scenarier der elektriske kabler, spesielt koaksialtyper ganske enkelt viser seg å være veldig ineffektive.

Ulemper

Selv om fiberoptikkrets har så mange fordeler, har disse også noen få sider.

Den tilsynelatende ulempen er at elektriske signaler ikke kan overføres direkte til en optisk kabel, og i flere situasjoner har kostnadene og problemene med de vitale koderen og dekoderkretsene en tendens til å bli ganske inkompatible.

En viktig ting å huske når du arbeider med optiske fibre er at de vanligvis har en spesifisert minste diameter, og når disse er vridd med en skarpere kurve, oppstår det fysiske skader på kabelen ved den bøyningen, noe som gjør den ubrukelig.

Den 'minimum bøye' radiusen som den vanligvis kalles i databladene, ligger vanligvis mellom omtrent 50 og 80 millimeter.

Konsekvensen av slike bøyninger i en vanlig kablet strømkabel kan ikke være noe, men for fiberoptiske kabler kan selv små tette bøyninger hindre forplantningen av lyssignalene og føre til drastiske tap.

Grunnleggende om fiberoptikk

Selv om det kan virke for oss at en fiberoptisk kabel rett og slett består av glassfilament dekket i en lyssikker ytre hylse, er situasjonen faktisk mye mer avansert enn dette.

I dag er glassfilamentet for det meste i form av et polymer og ikke egentlig glass, og standardoppsettet kan være som lagt ut i følgende figur. Her kan vi se en sentral kjerne med høy brytningsindeks og en ytre skjerming med redusert brytningsindeks.

Bryting der den indre filamentet og den ytre kledningen virker sammen, gjør det mulig for lett å krysse gjennom kabelen ved effektivt å hoppe over vegg til vegg hele veien gjennom kabelen.

Det er denne sprettingen av lyset over kabelveggene som gjør det mulig for kabelen å løpe som en lysstyring og bære belysningen jevnt rundt hjørner og kurver.

High Order Mode Light Propagation

Vinkelen lyset reflekteres med bestemmes av egenskapene til kabelen og lysets inngangsvinkel. I figuren ovenfor kan lysstrålen sees gjennom en 'høy ordre-modus' forplantning.

Lav forplantningsmodus Lys forplantning

Du vil imidlertid finne kabler med lys matet med en grunnere vinkel som får den til å sprette mellom kabelvegger med en betydelig vidvinkel. Denne lavere vinkelen gjør at lyset kan bevege seg i relativt større avstand gjennom kabelen på hver sprett.

Denne formen for lysoverføring kalles 'lav ordre-modus' forplantning. Den praktiske betydningen av begge disse modusene er at lysventuring via kabelen i høy ordre-modus må reise betydelig lenger enn sammenlignet med lys som forplantes i lav ordre modus. Dette flekker signaler levert ned kabelen reduserer frekvensområdet for applikasjonen.

Dette er imidlertid bare relevant i ekstremt brede båndbreddekoblinger.

Enkeltmodus kabel

Vi har også 'Singel modus' type kabler som bare er ment for å muliggjøre en enkelt formeringsmodus, men det er egentlig ikke nødvendig å bruke denne kabelformen med de relativt smale båndbreddeteknikkene som er beskrevet i denne artikkelen. Du kan videre komme over en alternativ type kabel som heter 'gradert indeks' kabel.

Dette ligner faktisk den trinnvise indekskabelen som er diskutert tidligere, selv om det eksisterer en progressiv transformasjon fra en høy brytningsindeks nær sentrum av kabelen til en redusert verdi nær den ytre hylsen.

Dette fører til at lyset passerer dypt over kabelen på ganske lignende måte som forklart tidligere, men med at lyset må gå gjennom en buet rute (som i følgende figur) i stedet for å forplantes gjennom rette linjer.

Optiske fiberdimensjoner

Den typiske dimensjonen for optiske fiberkabler er 2,2 millimeter med en gjennomsnittlig dimensjon av den indre fiberen er rundt 1 millimeter. Du kan finne flere kontakter som er tilgjengelige for tilkoblinger på tvers av denne størrelsen på kabelen, i tillegg til en rekke systemer som kobles til like matchende kabler.

Et vanlig kontaktsystem inkluderer en 'plugg' som er installert på tuppen av kabelen og beskytter den mot 'kontaktterminalen, som vanligvis festes over kretskortet og har et spor for plass til fotocellen (som danner emitteren eller detektoren til det optiske systemet).

Faktorer som påvirker design av fiberoptisk krets

Et avgjørende aspekt som må huskes i fiberoptikk er topputgangsspesifikasjonene til emitteren fotocelle for lysbølgelengden. Dette må velges ideelt for å matche overføringsfrekvensen med passende følsomhet.

Den andre faktoren å huske er at kabelen vil bli spesifisert med bare et begrenset båndbreddeområde, noe som betyr at tapene må være minst mulig.

De optiske sensorene og senderne som vanligvis brukes i optiske fibre, er for det meste vurdert til å fungere på infrarød rekkevidde med størst effektivitet, mens noen kan være ment å fungere best med det synlige lysspekteret.

Fiberoptisk kabling leveres ofte med uferdige avslutningsender, noe som kan være veldig uproduktivt, med mindre endene er riktig trimmet og bearbeidet.

Vanligvis vil kabelen gi anstendige effekter når den er skåret i rett vinkel med en knivskarp modelleringskniv, og kutte kabelenden rent i en handling.

En fin fil kan brukes til å polere de skivede endene, men hvis du bare har kuttet endene, kan dette ikke bidra til å forbedre lyseffektiviteten betydelig. Det er avgjørende at kuttet er skarpt, skarpt og vinkelrett på kabeldiameteren.

Hvis skjæringen har en viss vinkel, kan det forringe effektiviteten på grunn av avvik i lysmatingen.

Designe et enkelt fiberoptisk system

En grunnleggende måte å starte for alle som ønsker å prøve ting med fiberoptisk kommunikasjon, er å opprette en lydkobling.

I sin mest elementære form kan dette inkludere en enkel amplitude-modulasjonskrets som varierer LED-sender lysstyrke i samsvar med lydinngangssignalets amplitude.

Dette vil forårsake en ekvivalent modulerende strømrespons over fotocellmottakeren, som vil bli behandlet for å generere en tilsvarende varierende spenning over en beregnet lastmotstand i serie med fotocellen.

Dette signalet vil bli forsterket for å levere lydutgangssignalet. I virkeligheten kan denne grunnleggende tilnærmingen komme med sine egne ulemper, den viktigste kan bare være en utilstrekkelig linearitet fra fotocellene.

Fravær av linearitet påvirker i form av et proporsjonalt nivå av forvrengning over den optiske lenken som senere kan være av dårlig kvalitet.

En metode som normalt gir betydelig bedre resultater er et frekvensmoduleringssystem, som i utgangspunktet er identisk med systemet som brukes i standard VHF radiosendinger .

Imidlertid er i slike tilfeller en bærerfrekvens på rundt 100 kHz involvert i stedet for den konvensjonelle 100 MHz som brukt i bånd 2 radiooverføring.

Denne tilnærmingen kan være ganske enkel, som vist i blokkdiagrammet nedenfor. Det demonstrerer prinsippet satt opp for en enveis lenke av dette skjemaet. Senderen er egentlig en spenningsstyrt oscillator (VCO), og som tittelen antyder, kan utgangsfrekvensen fra dette designet justeres gjennom en styrespenning.

Denne spenningen kan være lydinngangsoverføringen, og når signalspenningen svinger opp og ned, vil også VCOs utgangsfrekvens. EN lavpassfilter er innarbeidet for å avgrense lydinngangssignalet før det påføres VCO.

Dette bidrar til å holde heterodynene 'fløyter' borte fra å bli produsert på grunn av slagnoter mellom den spenningsstyrte oscillatoren og eventuelle høyfrekvente inngangssignaler.

Vanligvis vil inngangssignalet bare dekke lydfrekvensområdet, men du kan finne forvrengningsinnhold ved høyere frekvenser, og radiosignaler blir plukket opp fra ledningene og samhandler med VCO-signalet eller overtoner rundt VCOs utgangssignal.

Den emitterende enheten som ganske enkelt kan være en LED drives av VCO-utgangen. For optimalt resultat er denne LED normalt en høy effekt type LED . Dette nødvendiggjør bruk av et driverbufferstadium for drift av LED-strømmen.

Denne neste fasen er en monostabil multivibrator som må utformes som en ikke-utløpbar type.

Dette gjør det mulig for trinnet å generere utgangspulser gjennom intervaller som bestemt av C / R-tidsnettverket som er uavhengig av inngangspulsens varighet.

Operasjonell bølgeform

Dette gir en enkel, men effektiv frekvens til spenningskonvertering, med bølgeform som vist i figuren nedenfor, forklarer klart dets operasjonsmønster.

I figur (a) genererer inngangsfrekvensen en utgang fra den monostabile med 1 til 3 mark-rom-forhold, og utgangen er i høy tilstand i 25% av tiden.

Gjennomsnittlig utgangsspenning (som vist innenfor den stiplede linjen) er som et resultat 1/4 av utgangen HØY tilstand.

I figur (b) ovenfor kan vi se at inngangsfrekvensen har blitt økt med to ganger, noe som betyr at vi får to ganger flere utgangspulser for et spesifisert tidsintervall med et markeringsforhold på 1: 1. Dette gjør at vi kan få en gjennomsnittlig utgangsspenning som er 50% av HØY utgangstilstand, og 2 ganger større størrelse enn forrige eksempel.

Enkelt sagt hjelper den monostabile ikke bare å konvertere frekvens til spenning, men gjør det i tillegg mulig at konverteringen får en lineær karakteristikk. Utgangen fra den monostabile alene kan ikke bygge et lydfrekvenssignal, med mindre det er innarbeidet et lavpassfilter som sikrer at utgangen stabiliseres til et riktig lydsignal.

Det primære problemet med denne enkle metoden for konvertering av frekvens til spenning er at det kreves en høyere demping (i det vesentlige 80 dB eller høyere) ved den minste utgangsfrekvensen til VCO for å kunne skape en stabilisert utgang.

Men denne metoden er veldig enkel og pålitelig av andre hensyn, og sammen med moderne kretser er det kanskje ikke vanskelig å designe et utgangsfiltrertrinn med en passende presis avskåret karakteristikk .

Et lite nivå av overskuddsbærersignal på utgangen er kanskje ikke for kritisk og kan ignoreres, fordi transportøren vanligvis har frekvenser som ikke ligger innenfor lydområdet, og eventuell lekkasje ved utgangen vil som et resultat være uhørbar.

Fiberoptisk senderkrets

Hele kretsdiagrammet for fiberoptisk sender kan sees nedenfor. Du vil finne mange integrerte kretser som passer til å fungere som VCO, sammen med mange andre konfigurasjoner bygget med diskrete deler.

Men for en billig teknikk mye brukt NE555 blir det foretrukne alternativet, og selv om det absolutt er billig, kommer det likevel med ganske god ytelseseffektivitet. Det kan frekvensmoduleres ved å integrere inngangssignalet til pin 5 på IC, som kobles til spenningsdeleren konfigurert for å opprette 1/3 V + og 2/3 V + -brytergrensene for IC 555.

I hovedsak økes og reduseres den øvre grensen slik at tiden som brukes for tidskondensatoren C2 til å veksle mellom de to områdene, kan økes eller reduseres tilsvarende.

Tr1 er kablet som en emitter følger buffertrinn som leverer den høye drivstrømmen som kreves for optimal belysning av LED (D1). Selv om NE555 i seg selv har en god 200 mA strøm for LED, tillater en separat strømstyrt driver for LED å etablere ønsket LED-strøm på en presis måte og gjennom en mer pålitelig metode.

R1 er posisjonert for å fiksere LED-strømmen til omtrent 40 milliampere, men siden LED-en er slått PÅ / AV med en hastighet på 50% driftssyklus, kan LED-en bare arbeide med 50% av den faktiske vurderingen, som er omtrent 20 milliampere.

Utgangsstrømmen kan økes eller reduseres ved å justere R1-verdien når dette kan føltes nødvendig.

Komponenter for fiberoptiske motstandere (alle 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensatorer
C1 = 220µ 10V valgt
C2 = 390pF keramisk plate
C3 = 1u 63V valgt
C4 = 330p keramisk plate
C5 = 4n7 polyesterlag
C6 = 3n3 polyesterlag
C7 = 470n polyesterlag
Halvledere
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = se tekst
Diverse
SK1 3,5 mm stikkontakt
Kretskort, koffert, batteri osv

Fiberoptisk mottakerkrets

Det primære fiberoptiske mottakerkretsdiagrammet kan sees i den øvre delen av diagrammet nedenfor, utgangsfilterkretsen er tegnet like under mottakerkretsen. Mottakerens utgang kan sees sammen med filterets inngang gjennom en grå linje.

D1 danner detektordiode , og det fungerer i omvendt forspenningsinnstilling der dens lekkasjemotstand hjelper til med å skape en slags lysavhengig motstand eller LDR-effekt.

R1 fungerer som en lastmotstand, og C2 oppretter en kobling mellom detektorstrinnet og inngangsforsterkerinngangen. Dette danner et to-trinns kapasitivt koblet nettverk der de to trinnene fungerer sammen i vanlig emitter modus.

Dette gir en overlegen total spenningsforsterkning større enn 80 dB. gitt at et ganske kraftig inngangssignal leveres, gir dette en tilstrekkelig høy utgangsspenningssvingning ved Tr2-samlerpinnen for å skyve monostabil multivibrator .

Sistnevnte er en standard CMOS-type bygget ved hjelp av et par 2-inngangs-NOR-porter (IC1a og IC1b) med C4 og R7 som fungerer som tidselementer. Den andre et par porter av IC1 brukes ikke, selv om deres innganger kan sees hekta til jorden i et forsøk på å stoppe falsk bytte av disse portene på grunn av bortkommen plukking.

Med henvisning til filtertrinn bygget rundt IC2a ​​/ b, er det i grunn et 2 / 3. ordens (18 dB per oktav) filtersystem med spesifikasjoner som ofte brukes i senderkretser . Disse er slått sammen i serie for å etablere totalt 6 poler og en generell dempningshastighet på 36 dB per oktav.

Dette gir omtrent 100 dB demping av bæresignalet i sitt minste frekvensområde, og et utgangssignal med relativt lave bærersignalnivåer. Fiberoptisk krets kan håndtere inngangsspenninger så høye som 1 volt RMS omtrent uten kritisk forvrengning, og bidra til å jobbe med marginalt mindre enn enhetsspenningsforsterkning for systemet.

Komponenter for fiberoptisk mottaker og filter

Motstander (alle 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 til R15 10k (6 av)
Kondensatorer
C1 = 100µ10V elektrolytisk
C2 = 2n2 polyester
C3 = 2n2 polyester
C4 = 390p keramikk
C5 = 1µ 63V elektrolytisk
C6 = 3n3 polyester
C7 = 4n7 polyester
C8 = 330pF keramikk
C9 = 3n3 polyester
C10 = 4n7 polyester

Halvledere
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 av)
D1 = Se tekst
Diverse
SK1 = 25-veis D-kontakt
Kasse, kretskort, ledning osv.