Circuit cu fibră optică - emițător și receptor

Semnalele electronice au fost trimise cu succes de zeci de ani prin conexiuni standard „hard-wire” sau folosind legături radio de diferite tipuri care au avut multe dezavantaje.

Pe de altă parte, legăturile cu fibră optică, indiferent dacă sunt utilizate pentru legături audio sau video pe distanțe mari, sau pentru a face față distanțelor mici, au oferit unele avantaje distincte în comparație cu cablurile normale cablate.

Cum funcționează fibra optică

În tehnologia circuitelor cu fibră optică, o legătură cu fibră optică este utilizată pentru transferul de date digitale sau analogice sub formă de frecvență a luminii printr-un cablu care are un miez central foarte reflectant.

La nivel intern, fibra optică este formată dintr-un miez central foarte reflectorizant, care acționează ca un ghidaj de lumină pentru transferul luminii prin ea prin intermediul unor reflecții continue de-a lungul pereților săi reflectoare.

Legătura optică include în mod normal un circuit de conversie a frecvenței electrice la frecvența luminii, care convertește semnalele digitale sau audio în frecvența luminii. Această frecvență a luminii este „injectată” la unul dintre capetele fibrei optice printr-un LED puternic . Lumina este apoi lăsată să se deplaseze prin cablul optic până la destinația dorită, unde este recepționată de o fotocelulă și o circuit amplificator care convertește frecvența luminii înapoi la forma digitală originală sau la forma de frecvență audio.

Avantajele fibrelor optice

Un avantaj major al legăturilor de circuite din fibră optică este imunitatea lor perfectă la interferențele electrice și la ridicările rătăcite.

Legăturile standard prin cablu ar putea fi proiectate pentru a reduce această problemă, cu toate acestea poate fi foarte dificil să elimini complet această problemă.

Dimpotrivă, caracteristicile neelectrice ale unui cablu cu fibră optică ajută la transformarea imaterială a interferențelor electrice, în afară de unele perturbări care ar putea fi detectate la capătul receptorului, dar acest lucru poate fi eliminat și printr-o ecranare eficientă a circuitului receptorului.

În mod similar, semnalele de bandă largă direcționate pe un cablu electric obișnuit disipează perturbările electrice provocând blocarea semnalelor radio și de televiziune din apropiere.

Dar, din nou, în cazul unui cablu cu fibră optică, acesta se poate dovedi cu adevărat complet lipsit de emisii electrice și, chiar dacă unitatea emițătoare poate scoate radiații de frecvență radio, este destul de simplu să îl închidem utilizând strategii de screening de bază.

Datorită acestui punct plus, sistemele care încorporează multe cabluri optice care lucrează împreună unul lângă altul nu au complicații sau probleme cu discuțiile încrucișate.

Desigur, lumina s-ar putea scurge de la un cablu la altul, dar cablurile din fibră optică sunt de obicei încapsulate într-un înveliș exterior rezistent la lumină, care previne în mod ideal orice formă de scurgere a luminii.

Această protecție puternică în legăturile cu fibră optică asigură un transfer de date rezonabil și sigur.

Un alt avantaj este că fibra optică este lipsită de probleme de incendiu, deoarece nu implică curent electric sau curent mare.

De asemenea, avem o bună izolare electrică pe tot parcursul legăturii pentru a ne asigura că complicațiile cu buclele de pământ nu sunt în măsură să se dezvolte. Prin circuite de transmisie și recepție adecvate, acesta devine foarte potrivit pentru legăturile din fibră optică pentru a gestiona intervale substanțiale de lățime de bandă.

Legături largi cu bandă de bandă ar putea fi create și prin cabluri de putere coaxiale, deși cablurile optice moderne suferă de obicei pierderi reduse comparativ cu tipurile coaxiale în aplicații cu lățime de bandă largă.

Cablurile optice sunt de obicei subțiri și ușoare și, de asemenea, imune la condițiile climatice și la mai multe substanțe chimice. Acest lucru le permite frecvent să fie aplicate rapid în împrejurimi inospitaliere sau scenarii nefavorabile în care cablurile electrice, în special tipurile coaxiale, se dovedesc a fi foarte ineficiente.

Dezavantaje

Deși circuitul cu fibră optică are atât de multe avantaje, acestea au și câteva laturi negative.

Dezavantajul aparent este că semnalele electrice nu pot fi transferate direct într-un cablu optic și, în mai multe situații, costurile și problemele întâmpinate cu codificatoarele vitale și circuitele decodificatoare tind să devină destul de incompatibile.

Un lucru crucial de reținut în timp ce lucrați cu fibrele optice este că acestea au în mod obișnuit un diametru minim specificat, iar atunci când acestea sunt răsucite cu o curbă mai ascuțită, se produc deteriorări fizice ale cablului la acea curbă, făcându-l inutil.

Raza de „îndoire minimă”, așa cum este denumită în mod normal în fișele tehnice, este de obicei între aproximativ 50 și 80 de milimetri.

Consecința unor astfel de îndoiri într-un cablu de rețea normal cablat nu ar putea fi nimic, totuși pentru cablurile de fibră optică chiar și îndoirile mici strânse pot împiedica propagarea semnalelor luminoase care duc la pierderi drastice.

Baza de fibră optică

Deși ni se poate părea că un cablu de fibră optică este pur și simplu format din filament de sticlă acoperit într-un înveliș exterior rezistent la lumină, situația este de fapt mult mai avansată decât aceasta.

În zilele noastre, filamentul de sticlă este în cea mai mare parte sub formă de polimer și nu de sticlă propriu-zisă, iar configurarea standard poate fi așa cum este prezentată în figura următoare. Aici putem vedea un nucleu central având un indice de refracție ridicat și un ecran exterior cu indice de refracție redus.

Refracția în care interacționează filamentul interior și placarea exterioară face posibilă trecerea luminii prin cablu, sărind eficient de la un perete la altul prin cablu.

Această săritură a luminii de-a lungul pereților cablurilor face posibilă funcționarea cablului ca un ghidaj de lumină, purtând iluminarea ușor în colțuri și curbe.

Propagarea luminii în modul High Order

Unghiul la care se reflectă lumina este determinat de proprietățile cablului și de unghiul de intrare al luminii. În figura de mai sus, raza de lumină poate fi văzută trecută printr-o „modul de comandă înaltă” propagare.

Mod de comandă redusă Propagarea luminii

Cu toate acestea, veți găsi cabluri cu lumină alimentate cu un unghi mai mic, ceea ce îl face să sară între pereții cablurilor cu un unghi considerabil larg. Acest unghi mai mic permite luminii să se deplaseze la o distanță relativ mai mare prin cablu la fiecare săritură.

Această formă de transfer de lumină este denumită „modul de comandă redusă” propagare. Semnificația practică a acestor două moduri este că lumina care se aventurează prin cablu în modul de comandă înaltă trebuie să se deplaseze considerabil mai departe în comparație cu lumina care se propagă în modul de comandă scăzută. Acest lucru marchează semnale livrate pe cablu reducând gama de frecvență a aplicației.

Cu toate acestea, acest lucru este relevant doar în legăturile de lățime de bandă extrem de largi.

Cablu single mode

De asemenea, avem „Mod unic” tip cabluri care sunt destinate pur și simplu pentru a permite un singur mod de propagare, dar nu este cu adevărat necesar să se utilizeze această formă de cablu cu tehnicile de lățime de bandă comparativ înguste detaliate în acest articol. Puteți întâlni în continuare un alt tip de cablu numit „index gradat” cablu.

De fapt, acest lucru este destul de similar cu cablul index cu trepte discutat mai devreme, deși există o transformare progresivă de la un indice de refracție ridicat în apropierea centrului cablului la o valoare redusă aproape de manșonul exterior.

Acest lucru face ca lumina să treacă adânc peste cablu într-un mod destul de similar, așa cum s-a explicat mai devreme, dar lumina trebuie să parcurgă un traseu curbat (ca în figura următoare) în loc să fie propagată prin linii drepte.

Dimensiunile fibrelor optice

Dimensiunea tipică pentru cablurile de fibră optică este de 2,2 milimetri, dimensiunea medie a fibrei interioare fiind de aproximativ 1 milimetru. Puteți găsi mai mulți conectori accesibili pentru conexiuni pe această dimensiune de cablu, pe lângă o serie de sisteme care se conectează la cabluri care se potrivesc în mod egal.

Un sistem normal de conector include un „conector” care este instalat pe vârful cablului și îl protejează de terminalul „priză” care se fixează de obicei peste placa de circuite având un slot pentru găzduirea fotocelulei (care formează emițătorul sau detectorul de sistemul optic).

Factorii care afectează proiectarea circuitelor cu fibră optică

Un aspect crucial care trebuie reținut în fibra optică este specificațiile de ieșire de vârf ale emițătorului fotocelula pentru lungimea de undă a luminii. Aceasta trebuie selectată în mod ideal pentru a potrivi frecvența de transmisie cu sensibilitatea adecvată.

Al doilea factor de reținut este că cablul va fi specificat doar cu o gamă limitată de lățime de bandă, ceea ce înseamnă că pierderile trebuie să fie cât mai mici posibil.

Senzorii optici și emițătoarele utilizate în mod normal în fibrele optice sunt în mare parte evaluate pentru a funcționa la domeniul infraroșu cu o eficiență maximă, în timp ce unele pot fi destinate să funcționeze cel mai bine cu spectrul luminii vizibile.

Cablurile cu fibră optică sunt livrate frecvent cu capete de terminare neterminate, care ar putea fi foarte neproductive, cu excepția cazului în care capetele sunt tăiate și lucrate corespunzător.

În mod obișnuit, cablul va oferi efecte decente atunci când este tăiat în unghi drept cu un cuțit de modelat ascuțit, tăind capătul cablului curat într-o singură acțiune.

Un fișier fin poate fi folosit pentru a lustrui capetele tăiate, dar dacă tocmai ați tăiat capetele, acest lucru nu poate ajuta la îmbunătățirea semnificativă a eficienței luminii. Este crucial ca tăierea să fie ascuțită, clară și perpendiculară pe diametrul cablului.

Dacă tăierea are un unghi poate deteriora grav eficiența datorită devierii unghiului de alimentare cu lumină.

Proiectarea unui sistem simplu de fibră optică

O modalitate de bază de a începe pentru oricine dorește să încerce lucrurile cu comunicații cu fibră optică ar fi crearea unui link audio.

În forma sa cea mai elementară, aceasta poate include un circuit simplu de modulare a amplitudinii care variază Transmițător cu LED luminozitate în conformitate cu amplitudinea semnalului de intrare audio.

Acest lucru ar provoca un răspuns de curent de modulare echivalentă în receptorul fotocelulei, care ar fi procesat pentru a genera o tensiune care variază corespunzător pe un rezistor de sarcină calculat în serie cu fotocelula.

Acest semnal ar fi amplificat pentru a furniza semnalul de ieșire audio. În realitate, această abordare fundamentală poate veni cu propriile sale dezavantaje, cea mai importantă poate fi pur și simplu o liniaritate insuficientă din fotocelule.

Absența liniarității afectează sub forma unui nivel proporțional de distorsiune pe legătura optică care poate fi ulterior de proastă calitate.

O metodă care oferă în mod normal rezultate semnificativ mai bune este un sistem de modulare a frecvenței, care este practic identic cu sistemul utilizat în standard Emisiuni radio VHF .

Cu toate acestea, în astfel de cazuri este implicată o frecvență purtătoare de aproximativ 100 kHz în loc de 100 MHz convențional, așa cum este utilizat în transmisia radio pe banda 2.

Această abordare poate fi destul de simplă, așa cum se arată în diagrama bloc de mai jos. Acesta demonstrează principiul stabilit pentru o legătură unidirecțională a acestui formular. Transmițătorul este de fapt un oscilator controlat de tensiune (VCO) și, după cum sugerează titlul, frecvența de ieșire din acest design ar putea fi ajustată printr-o tensiune de control.

Această tensiune poate fi transmisia de intrare a sunetului și, pe măsură ce tensiunea semnalului oscilează în sus și în jos, la fel și frecvența de ieșire a VCO. A filtru lowpass este încorporat pentru a rafina semnalul de intrare audio înainte de a fi aplicat la VCO.

Acest lucru ajută la menținerea „fluierelor” heterodine departe de a fi produse din cauza notelor de ritm între oscilatorul controlat de tensiune și orice semnal de intrare de înaltă frecvență.

De obicei, semnalul de intrare va acoperi doar gama de frecvențe audio, dar este posibil să găsiți conținut de distorsiune la frecvențe mai mari, iar semnalele radio să fie preluate de la cablare și să interacționeze cu semnalul VCO sau armonicele din jurul semnalului de ieșire al VCO.

Dispozitivul emitent care poate fi pur și simplu un LED este acționat de ieșirea VCO. Pentru un rezultat optim, acest LED este în mod normal un tip LED de putere mare . Acest lucru necesită utilizarea unei etape tampon driver pentru acționarea alimentării cu LED-uri.

Următoarea etapă este o multivibrator monostabil care trebuie să fie proiectat ca un tip nereclanșabil.

Acest lucru permite etapei să genereze impulsuri de ieșire prin intervale determinate de rețeaua de sincronizare C / R, care este independentă de durata impulsului de intrare.

Forma de undă operațională

Aceasta oferă o conversie de frecvență ușoară, dar eficientă, la tensiune, având forma de undă așa cum este prezentată în figura următoare, explicând clar modelul său operațional.

În Figura (a) frecvența de intrare generează o ieșire de la monostabil cu un raport de spațiu de 1 până la 3, iar ieșirea este în stare înaltă pentru 25% din timp.

Tensiunea medie de ieșire (așa cum este prezentată în interiorul liniei punctate) este ca rezultat 1/4 din starea de ieșire HIGH.

În Figura (b) de mai sus putem vedea că frecvența de intrare a fost mărită de două ori, ceea ce înseamnă că obținem impulsuri de ieșire de două ori mai mari pentru un interval de timp specificat cu un raport de spațiu de marcare de 1: 1. Acest lucru ne permite să obținem o tensiune medie de ieșire care este de 50% din starea de ieșire HIGH și o magnitudine de 2 ori mai mare decât în ​​exemplul anterior.

În termeni simpli, monostabilul nu numai că ajută la convertirea frecvenței în tensiune, dar permite în plus conversiei să obțină o caracteristică liniară. Ieșirea de la monostabil singură nu poate construi un semnal de frecvență audio, cu excepția cazului în care este încorporat un filtru low-pass care asigură stabilizarea ieșirii într-un semnal audio adecvat.

Problema principală cu această metodă simplă de conversie de frecvență la tensiune este că este necesară o atenuare de nivel superior (în esență 80 dB sau mai mare) la frecvența minimă de ieșire a VCO pentru a putea crea o ieșire stabilizată.

Dar, această metodă este într-adevăr simplă și de încredere în alte considerații și, împreună cu circuitele moderne, poate să nu fie dificil să proiectăm o etapă de filtrare de ieșire cu o precizie adecvată caracteristică tăiată .

Un nivel mic de semnal de purtător excedentar la ieșire poate să nu fie prea critic și ar putea fi ignorat, deoarece purtătorul este, în general, la frecvențe care nu se încadrează în domeniul audio și, prin urmare, orice scurgere la ieșire va fi inaudibilă.

Circuitul emițătorului cu fibră optică

Întreaga diagramă a circuitului transmițătorului cu fibră optică poate fi văzută mai jos. Veți găsi multe circuite integrate potrivite pentru a funcționa ca VCO, împreună cu multe alte configurații construite folosind piese discrete.

Dar pentru o tehnică cu cost redus, este utilizat pe scară largă NE555 devine opțiunea preferată și, deși este cu siguranță ieftină, vine totuși cu o eficiență de performanță destul de bună. Poate fi modulată în frecvență prin integrarea semnalului de intrare la pinul 5 al IC-ului, care se conectează cu divizorul de tensiune configurat pentru a crea limitele de comutare 1/3 V + și 2/3 V + pentru IC 555.

În esență, limita superioară este mărită și scăzută, astfel încât timpul consumat pentru condensatorul de sincronizare C2 pentru a comuta între cele două intervale ar putea fi crescut sau scăzut în mod corespunzător.

Tr1 este conectat ca un adept emițător Etapa tampon care furnizează curentul mare de acționare necesar pentru iluminarea optimă a LED-ului (D1). Deși NE555 în sine are un curent bun de 200 mA pentru LED, un driver separat de curent controlat pentru LED permite stabilirea curentului LED dorit într-un mod precis și printr-o metodă mai fiabilă.

R1 este poziționat pentru a fixa curentul LED-ului la aproximativ 40 miliamperi, dar din moment ce LED-ul este pornit / oprit la o rată de 50%, ciclul de funcționare permite LED-ului să funcționeze cu doar 50% din valoarea nominală, care este de aproximativ 20 miliamperi.

Curentul de ieșire poate fi mărit sau micșorat prin ajustarea valorii R1 ori de câte ori acest lucru poate fi considerat necesar.

Componente pentru rezistențe emițătoare cu fibră optică (toate 1/4 wați, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Condensatoare
C1 = 220µ 10V elect
C2 = 390pF placă ceramică
C3 = 1u 63V elect
C4 = 330p placă ceramică
C5 = strat de poliester 4n7
C6 = 3n3 strat de poliester
C7 = 470n strat de poliester
Semiconductori
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = vezi text
Diverse
Priză SK1 de 3,5 mm
Circuit, carcasă, baterie etc.

Circuitul receptorului cu fibră optică

Diagrama primară a circuitului receptorului cu fibră optică poate fi văzută în secțiunea superioară a diagramei de mai jos, circuitul filtrului de ieșire este desenat chiar sub circuitul receptorului. Ieșirea receptorului poate fi văzută împreună cu intrarea filtrului printr-o linie gri.

D1 formează dioda detector , și funcționează în setarea inversă a polarizării, în care rezistența la scurgere ajută la crearea unui fel de rezistență dependentă de lumină sau efect LDR.

R1 funcționează ca un rezistor de sarcină, iar C2 creează o legătură între etapa detectorului și intrarea amplificatorului de intrare. Aceasta formează o rețea conectată capacitiv în două etape în care cele două etape funcționează împreună în emițător comun modul.

Acest lucru permite un câștig superior de tensiune totală mai mare de 80 dB. dat fiind că este furnizat un semnal de intrare destul de puternic, acesta oferă o oscilație de tensiune de ieșire adecvată la pinul colectorului Tr2 pentru a împinge multivibrator monostabil .

Acesta din urmă este un tip CMOS standard construit folosind câteva porți NOR cu 2 intrări (IC1a și IC1b) cu C4 și R7 funcționând ca elemente de sincronizare. Celelalte câteva porți ale IC1 nu sunt utilizate, deși intrările lor pot fi văzute agățate de pământ într-un efort de a opri comutarea falsă a acestor porți din cauza ridicării rătăcite.

Referindu-ne la etapa de filtrare construită în jurul IC2a ​​/ b, este fundamental un sistem de filtrare de ordinul 2/3 (18 dB pe octavă) cu specificații utilizate în mod obișnuit în circuite emițătoare . Acestea sunt unite în serie pentru a stabili un total de 6 poli și o rată generală de atenuare de 36 dB pe octavă.

Aceasta oferă aproximativ 100 dB de atenuare a semnalului purtător în intervalul său minim de frecvență și un semnal de ieșire cu un nivel relativ scăzut al semnalului purtător. Circuitul cu fibră optică poate face față tensiunilor de intrare de până la 1 volt RMS aproximativ fără distorsiuni critice și poate ajuta la lucrul cu câștig de tensiune marginal mai mic decât unitatea pentru sistem.

Componente pentru receptorul și filtrul cu fibră optică

Rezistoare (toate 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 la R15 10k (6 off)
Condensatoare
C1 = 100µ10V electrolitic
C2 = 2n2 poliester
C3 = 2n2 poliester
C4 = 390p ceramică
C5 = 1µ 63V electrolitic
C6 = 3n3 poliester
C7 = poliester 4n7
C8 = 330pF ceramică
C9 = 3n3 poliester
C10 = poliester 4n7

Semiconductori
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 off)
D1 = Vezi textul
Diverse
SK1 = conector D cu 25 căi
Carcasa, placa de circuit, fir etc.