Mạch sợi quang - Máy phát và Máy thu

Các tín hiệu điện tử đã được gửi đi khá thành công trong nhiều thập kỷ qua các kết nối 'dây cứng' tiêu chuẩn, hoặc bằng cách sử dụng các liên kết vô tuyến thuộc các loại khác nhau vốn có nhiều nhược điểm.

Mặt khác, các liên kết cáp quang, cho dù được sử dụng cho các liên kết âm thanh hoặc video trên phạm vi dài, hoặc để xử lý khoảng cách nhỏ, đã mang lại một số lợi thế khác biệt so với cáp có dây thông thường.

Cách hoạt động của sợi quang

Trong công nghệ mạch sợi quang, một liên kết sợi quang được sử dụng để truyền dữ liệu số hoặc dữ liệu tương tự ở dạng tần số ánh sáng thông qua một sợi cáp có lõi trung tâm phản xạ cao.

Bên trong, sợi quang bao gồm một lõi trung tâm có độ phản xạ cao, hoạt động giống như một đường dẫn ánh sáng để truyền ánh sáng qua nó bằng các phản xạ liên tục tới và xa qua các bức tường phản xạ của nó.

Liên kết quang thông thường bao gồm một mạch chuyển đổi tần số điện sang tần số ánh sáng, chuyển đổi tín hiệu âm thanh hoặc kỹ thuật số thành tần số ánh sáng. Tần số ánh sáng này được 'tiêm' vào một trong các đầu của sợi quang thông qua đèn LED mạnh mẽ . Sau đó, ánh sáng được phép truyền qua cáp quang đến điểm đến đã định, nơi nó được nhận bởi một tế bào quang điện và một mạch khuếch đại chuyển đổi tần số ánh sáng trở lại dạng kỹ thuật số ban đầu hoặc dạng tần số âm thanh.

Ưu điểm của sợi quang

Một ưu điểm chính của các liên kết mạch sợi quang là khả năng miễn nhiễm hoàn hảo của chúng đối với nhiễu điện và nhặt rác.

Các liên kết 'cáp' tiêu chuẩn có thể được thiết kế để giảm thiểu vấn đề này, tuy nhiên có thể sẽ rất khó khăn để loại bỏ hoàn toàn vấn đề này.

Ngược lại, các đặc tính không điện của cáp quang giúp làm cho nhiễu điện trở nên phi vật chất, ngoài một số nhiễu có thể được chọn ở đầu máy thu, nhưng điều này cũng có thể được loại bỏ thông qua một tấm chắn hiệu quả của mạch máy thu.

Tương tự như vậy, các tín hiệu băng thông rộng được định tuyến qua một cáp điện thông thường thường làm tiêu tan nhiễu điện gây nhiễu tín hiệu vô tuyến và truyền hình gần đó.

Nhưng một lần nữa, trong trường hợp cáp quang, nó thực sự có thể được chứng minh là hoàn toàn không có phát xạ điện và mặc dù thiết bị phát có thể tạo ra một số bức xạ tần số vô tuyến, việc bọc nó lại bằng các chiến lược sàng lọc cơ bản khá đơn giản.

Do điểm cộng này, các hệ thống kết hợp nhiều cáp quang hoạt động cùng nhau bên cạnh nhau không có phức tạp hoặc vấn đề với các cuộc đàm phán chéo.

Tất nhiên ánh sáng có thể bị rò rỉ từ cáp này sang cáp khác, nhưng cáp quang thường được bao bọc trong một lớp vỏ ngoài chống ánh sáng, điều này lý tưởng để ngăn chặn mọi hình thức rò rỉ ánh sáng.

Sự che chắn mạnh mẽ này trong các liên kết cáp quang đảm bảo truyền dữ liệu an toàn và đáng tin cậy.

Một ưu điểm khác là sợi quang không có các vấn đề nguy hiểm về hỏa hoạn vì không có điện hoặc dòng điện cao.

Chúng tôi cũng có cách ly điện tốt trong suốt liên kết để đảm bảo rằng các biến chứng với vòng nối đất không thể phát triển. Thông qua các mạch truyền và nhận thích hợp, nó trở nên rất phù hợp với các liên kết cáp quang để xử lý các dải băng thông đáng kể.

Các liên kết băng thông rộng cũng có thể được tạo ra thông qua cáp điện đồng trục, mặc dù cáp quang hiện đại thường giảm tổn thất so với loại đồng trục trong các ứng dụng băng thông rộng.

Cáp quang thường mỏng và nhẹ, đồng thời miễn nhiễm với điều kiện khí hậu và một số chất hóa học. Điều này thường xuyên cho phép chúng được áp dụng nhanh chóng trong môi trường xung quanh không thuận lợi hoặc các tình huống không thuận lợi mà cáp điện, cụ thể là các loại đồng trục trở nên rất kém hiệu quả.

Nhược điểm

Mặc dù mạch sợi quang có rất nhiều ưu điểm nhưng cũng có một số mặt yếu.

Nhược điểm rõ ràng là tín hiệu điện không thể truyền trực tiếp vào cáp quang, và trong một số trường hợp, chi phí và các vấn đề gặp phải với mạch mã hóa và giải mã quan trọng có xu hướng trở nên khá tương thích.

Một điều quan trọng cần nhớ khi làm việc với các sợi quang là chúng thường có đường kính nhỏ nhất được chỉ định và khi chúng bị xoắn với một đường cong sắc nét hơn sẽ làm phát sinh các hư hỏng vật lý đối với cáp tại chỗ uốn đó, khiến nó trở nên vô dụng.

Bán kính 'uốn cong tối thiểu' như nó thường được gọi trong bảng dữ liệu, thường nằm trong khoảng 50 đến 80 milimét.

Hệ quả của việc uốn cong như vậy đối với cáp nguồn có dây thông thường có thể không là gì, tuy nhiên đối với cáp quang, ngay cả những khúc cua nhỏ hẹp cũng có thể cản trở sự truyền tín hiệu ánh sáng dẫn đến suy hao nghiêm trọng.

Cơ bản về sợi quang

Mặc dù đối với chúng ta, có vẻ như một sợi cáp quang chỉ đơn giản là được tạo thành từ sợi thủy tinh được bao phủ bên trong một lớp vỏ ngoài chống ánh sáng, nhưng thực tế tình hình còn tiến bộ hơn rất nhiều.

Ngày nay, dây tóc thủy tinh chủ yếu ở dạng polyme chứ không phải thủy tinh thực tế, và tiêu chuẩn thiết lập có thể được trình bày trong Hình sau. Ở đây chúng ta có thể thấy một lõi trung tâm có chiết suất cao và một tấm chắn bên ngoài có chiết suất giảm.

Sự khúc xạ nơi dây tóc bên trong và lớp bọc bên ngoài tương tác giúp ánh sáng có thể đi xuyên qua cáp bằng cách nhảy xuyên tường này sang tường khác một cách hiệu quả trong suốt quãng đường đi qua cáp.

Chính sự dội sáng của ánh sáng xuyên qua thành cáp giúp cho cáp có thể chạy như một đường dẫn ánh sáng, chiếu sáng một cách mượt mà về các góc và các đường cong.

Truyền ánh sáng ở chế độ đặt hàng cao

Góc mà ánh sáng phản xạ được xác định bởi các đặc tính của cáp và góc đầu vào của ánh sáng. Trong hình trên, tia sáng có thể được nhìn thấy qua một 'chế độ đặt hàng cao' Lan truyền.

Truyền ánh sáng ở chế độ đặt hàng thấp

Tuy nhiên, bạn sẽ thấy các cáp có ánh sáng được cung cấp với góc nông hơn khiến nó bị dội lại giữa các thành cáp với một góc rộng đáng kể. Góc thấp hơn này cho phép ánh sáng truyền đi với khoảng cách tương đối lớn hơn qua dây cáp trên mỗi lần bật.

Hình thức truyền ánh sáng này được gọi là 'chế độ đặt hàng thấp' Lan truyền. Ý nghĩa thực tế của cả hai chế độ này là ánh sáng truyền qua cáp ở chế độ bậc cao cần phải truyền đi xa hơn đáng kể so với ánh sáng được truyền ở chế độ bậc thấp. Điều này làm nhòe các tín hiệu được phân phối xuống cáp làm giảm dải tần của ứng dụng.

Tuy nhiên, điều này chỉ có liên quan trong các liên kết băng thông cực rộng.

Cáp chế độ đơn

Chúng tôi cũng có 'Chế độ đơn' loại cáp được thiết kế đơn giản để kích hoạt một chế độ truyền đơn, nhưng không thực sự bắt buộc phải sử dụng loại cáp này với các kỹ thuật băng thông tương đối hẹp được nêu chi tiết trong bài viết này. Bạn có thể bắt gặp thêm một loại cáp thay thế có tên 'chỉ số được phân loại' cáp.

Điều này trên thực tế khá giống với cáp chỉ số bước đã thảo luận trước đó, mặc dù tồn tại một sự chuyển đổi lũy tiến từ chỉ số khúc xạ cao gần tâm của cáp thành giá trị giảm gần với kiểu dáng bên ngoài.

Điều này làm cho ánh sáng đi sâu qua cáp theo cách khá giống như đã giải thích trước đó, nhưng với ánh sáng phải đi qua một tuyến đường cong (như trong Hình sau) thay vì được truyền qua các đường thẳng.

Kích thước sợi quang

Kích thước điển hình cho cáp quang là 2,2 mm với kích thước trung bình của sợi bên trong là khoảng 1 mm. Bạn có thể tìm thấy một số đầu nối có thể truy cập cho các kết nối trên kích thước cáp này, ngoài một số hệ thống kết nối với các cáp phù hợp như nhau.

Hệ thống đầu nối thông thường bao gồm một 'phích cắm' được lắp vào đầu cáp và bảo vệ nó vào đầu cuối 'ổ cắm' thường nằm ngoặc trên bảng mạch có một khe để chứa tế bào quang điện (tạo thành bộ phát hoặc bộ phát hiện của hệ thống quang học).

Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế mạch sợi quang

Một khía cạnh quan trọng cần được ghi nhớ trong sợi quang là thông số kỹ thuật đầu ra cao nhất của bộ phát tế bào quang điện đối với bước sóng ánh sáng. Điều này phải được lựa chọn lý tưởng để phù hợp với tần số truyền dẫn với độ nhạy thích hợp.

Yếu tố thứ hai cần nhớ là cáp sẽ được chỉ định với dải băng thông hạn chế, có nghĩa là tổn thất phải ở mức tối thiểu nhất có thể.

Các cảm biến và bộ phát quang học thường được sử dụng trong sợi quang hầu hết được đánh giá là hoạt động ở phạm vi hồng ngoại với hiệu quả tối đa, trong khi một số có thể hoạt động tốt nhất với quang phổ ánh sáng nhìn thấy.

Cáp quang thường được phân phối với các đầu cuối chưa hoàn thành, điều này có thể rất kém hiệu quả, trừ khi các đầu được cắt và làm việc thích hợp.

Thông thường, cáp sẽ mang lại hiệu quả tốt khi nó được cắt theo các góc vuông bằng một con dao tạo hình sắc như dao cạo, cắt sạch đầu cáp chỉ trong một thao tác.

Có thể dùng dũa mịn để đánh bóng các phần đầu đã cắt, nhưng nếu bạn chỉ cắt phần đầu, điều này có thể không giúp tăng cường đáng kể hiệu quả ánh sáng. Điều quan trọng là đường cắt phải sắc, sắc nét và vuông góc với đường kính cáp.

Nếu đường cắt có một số góc có thể làm giảm hiệu quả nghiêm trọng do độ lệch góc của nguồn cấp ánh sáng.

Thiết kế một hệ thống cáp quang đơn giản

Một cách cơ bản để bắt đầu cho bất kỳ ai muốn thử mọi thứ với truyền thông cáp quang là tạo một liên kết âm thanh.

Ở dạng cơ bản nhất của nó, nó có thể bao gồm một mạch điều chế biên độ đơn giản làm thay đổi Máy phát LED độ sáng phù hợp với biên độ của tín hiệu âm thanh đầu vào.

Điều này sẽ gây ra phản ứng dòng điện điều biến tương đương trên bộ thu tế bào quang điện, phản ứng này sẽ được xử lý để tạo ra điện áp thay đổi tương ứng trên điện trở tải được tính toán mắc nối tiếp với tế bào quang điện.

Tín hiệu này sẽ được khuếch đại để cung cấp tín hiệu đầu ra âm thanh. Trong thực tế, cách tiếp cận cơ bản này có thể có những nhược điểm riêng của nó, vấn đề chính có thể chỉ đơn giản là sự không đủ tuyến tính từ tế bào quang.

Sự vắng mặt của tuyến tính ảnh hưởng dưới dạng một mức độ méo tương ứng trên liên kết quang học mà sau đó có thể có chất lượng kém.

Một phương pháp thường mang lại kết quả tốt hơn đáng kể là hệ thống điều tần, về cơ bản giống với hệ thống được sử dụng trong tiêu chuẩn Chương trình phát thanh VHF .

Tuy nhiên, trong những trường hợp như vậy, tần số sóng mang khoảng 100 kHz được tham gia thay vì 100 MHz thông thường như được sử dụng trong truyền dẫn vô tuyến băng tần 2.

Cách tiếp cận này có thể khá đơn giản, như được hiển thị trong sơ đồ khối bên dưới. Nó thể hiện nguyên tắc được thiết lập cho liên kết một chiều của biểu mẫu này. Máy phát thực sự là một bộ tạo dao động điều khiển bằng điện áp (VCO), và như tiêu đề cho thấy, tần số đầu ra từ thiết kế này có thể được điều chỉnh thông qua điện áp điều khiển.

Điện áp này có thể là đầu vào truyền âm thanh, và khi điện áp tín hiệu dao động lên xuống, tần số đầu ra của VCO cũng vậy. A bộ lọc thông thấp được kết hợp để tinh chỉnh tín hiệu đầu vào âm thanh trước khi nó được áp dụng cho VCO.

Điều này giúp giữ cho các 'tiếng huýt sáo' không được tạo ra do các nốt nhịp giữa bộ dao động điều khiển điện áp và bất kỳ tín hiệu đầu vào tần số cao nào.

Thông thường, tín hiệu đầu vào chỉ bao phủ dải tần số âm thanh, nhưng bạn có thể tìm thấy nội dung méo ở tần số cao hơn và tín hiệu vô tuyến nhận được từ hệ thống dây và tương tác với tín hiệu VCO hoặc sóng hài xung quanh tín hiệu đầu ra của VCO.

Thiết bị phát có thể đơn giản là một đèn LED được điều khiển bởi đầu ra VCO. Để có kết quả tối ưu, đèn LED này thường là loại công suất cao của đèn LED . Điều này đòi hỏi sử dụng giai đoạn đệm trình điều khiển để vận hành nguồn LED.

Giai đoạn tiếp theo này là một multivibrator monostable mà phải được thiết kế như một loại không thể kích hoạt lại.

Điều này cho phép giai đoạn tạo ra xung đầu ra thông qua các khoảng thời gian được xác định bởi mạng định thời C / R độc lập với thời lượng xung đầu vào.

Dạng sóng hoạt động

Điều này cung cấp một tần số dễ dàng nhưng hiệu quả chuyển đổi điện áp, có dạng sóng như được mô tả trong hình sau giải thích rõ ràng mô hình hoạt động của nó.

Trong hình (a) tần số đầu vào tạo ra đầu ra từ monostable với tỷ lệ không gian dấu 1 đến 3 và đầu ra ở trạng thái cao trong 25% thời gian.

Điện áp đầu ra trung bình (như được mô tả bên trong đường chấm chấm) là kết quả của 1/4 trạng thái CAO đầu ra.

Trong hình (b) ở trên, chúng ta có thể thấy rằng tần số đầu vào đã tăng lên hai lần, có nghĩa là chúng ta nhận được nhiều xung đầu ra hơn hai lần trong một khoảng thời gian xác định với tỷ lệ không gian đánh dấu là 1: 1. Điều này cho phép chúng ta nhận được điện áp đầu ra trung bình bằng 50% trạng thái đầu ra CAO và cường độ gấp 2 lần so với ví dụ trước.

Nói một cách dễ hiểu, monostable không chỉ giúp chuyển đổi tần số thành điện áp, mà nó còn cho phép chuyển đổi để có được đặc tính tuyến tính. Chỉ riêng đầu ra từ monostable không thể xây dựng tín hiệu tần số âm thanh, trừ khi kết hợp bộ lọc thông thấp để đảm bảo rằng đầu ra được ổn định thành tín hiệu âm thanh thích hợp.

Vấn đề chính đối với phương pháp chuyển đổi tần số thành điện áp đơn giản này là mức suy giảm cao hơn (về cơ bản là 80 dB hoặc cao hơn) ở tần số đầu ra tối thiểu của VCO để có thể tạo ra đầu ra ổn định.

Tuy nhiên, phương pháp này thực sự đơn giản và đáng tin cậy trong các vấn đề khác, và cùng với các mạch hiện đại, có thể không khó để thiết kế một giai đoạn lọc đầu ra có độ chính xác thích hợp cắt bỏ đặc tính .

Một mức tín hiệu sóng mang thặng dư rất nhỏ trên đầu ra có thể không phải là quá quan trọng và có thể bị bỏ qua, bởi vì sóng mang thường ở các tần số không nằm trong dải âm thanh và bất kỳ sự rò rỉ nào ở đầu ra cũng sẽ không nghe được.

Mạch phát quang

Toàn bộ sơ đồ mạch phát cáp quang có thể được xem dưới đây. Bạn sẽ tìm thấy nhiều mạch tích hợp phù hợp để làm việc như VCO, cùng với nhiều cấu hình khác được xây dựng bằng cách sử dụng các bộ phận rời rạc.

Nhưng đối với một kỹ thuật chi phí thấp, NE555 trở thành lựa chọn ưu tiên, và mặc dù nó chắc chắn rẻ nhưng đi kèm với hiệu suất hoạt động khá tốt. Nó có thể được điều chế tần số bằng cách tích hợp tín hiệu đầu vào vào chân 5 của IC, kết nối với bộ phân áp được cấu hình để tạo ra các giới hạn chuyển mạch 1/3 V + và 2/3 V + cho IC 555.

Về cơ bản, giới hạn trên được tăng và giảm để thời gian tiêu thụ cho tụ điện định thời C2 chuyển đổi giữa hai phạm vi có thể tăng hoặc giảm tương ứng.

Tr1 có dây như một người theo dõi emitter giai đoạn đệm cung cấp dòng truyền động cao cần thiết để chiếu sáng tối ưu đèn LED (D1). Mặc dù bản thân NE555 có dòng điện 200 mA tốt cho đèn LED, trình điều khiển dòng điện được điều khiển riêng biệt cho đèn LED cho phép thiết lập dòng điện LED mong muốn một cách chính xác và thông qua một phương pháp đáng tin cậy hơn.

R1 được đặt để cố định dòng điện LED ở khoảng 40 miliampe, nhưng vì đèn LED được BẬT / TẮT ở tốc độ 50% chu kỳ làm việc cho phép đèn LED chỉ hoạt động với 50% định mức thực tế là khoảng 20 miliampe.

Dòng điện đầu ra có thể được tăng hoặc giảm bằng cách điều chỉnh giá trị R1 bất cứ khi nào cần thiết.

Các thành phần cho điện trở máy phát sợi quang (tất cả 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Tụ điện
C1 = 220µ 10V điện
Tấm gốm C2 = 390pF
C3 = 1u 63V bầu
C4 = tấm gốm 330p
C5 = 4n7 lớp polyester
C6 = 3n3 lớp polyester
C7 = 470n lớp polyester
Chất bán dẫn
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = xem văn bản
Điều khoản khác
Ổ cắm giắc cắm 3.5mm SK1
Bảng mạch, vỏ, pin, v.v.

Mạch thu quang

Sơ đồ mạch thu sợi quang sơ cấp có thể thấy ở phần trên của sơ đồ bên dưới, mạch lọc đầu ra được vẽ ngay bên dưới mạch thu. Đầu ra của máy thu có thể được kết hợp với đầu vào của bộ lọc thông qua một đường màu xám.

D1 tạo thành diode dò , và nó hoạt động trong cài đặt phân cực ngược trong đó khả năng chống rò rỉ của nó giúp tạo ra một loại điện trở phụ thuộc ánh sáng hoặc hiệu ứng LDR.

R1 hoạt động giống như một điện trở tải, và C2 tạo ra liên kết giữa tầng dò và đầu vào bộ khuếch đại đầu vào. Điều này tạo thành một mạng liên kết điện dung hai giai đoạn trong đó hai giai đoạn hoạt động cùng nhau trong phát chung chế độ.

Điều này cho phép tăng điện áp tổng thể vượt trội lớn hơn 80 dB. cho rằng tín hiệu đầu vào khá mạnh được cung cấp, điều này cung cấp dao động điện áp đầu ra đủ cao ở chân thu Tr2 để đẩy multivibrator monostable .

Loại thứ hai là loại CMOS tiêu chuẩn được xây dựng bằng cách sử dụng một vài cổng NOR 2 đầu vào (IC1a và IC1b) với C4 và R7 hoạt động giống như các phần tử định thời. Một vài cổng còn lại của IC1 không được sử dụng, mặc dù đầu vào của chúng có thể được nhìn thấy được nối với đất trong nỗ lực ngăn chặn việc chuyển mạch sai các cổng này do bị lạc.

Đề cập đến tầng lọc được xây dựng xung quanh IC2a ​​/ b, về cơ bản nó là hệ thống lọc bậc 2/3 (18 dB mỗi quãng tám) với các thông số kỹ thuật thường được sử dụng trong mạch phát . Chúng được nối thành chuỗi để thiết lập tổng cộng 6 cực và tốc độ suy giảm chung là 36 dB mỗi quãng tám.

Điều này cung cấp độ suy giảm xấp xỉ 100 dB của tín hiệu sóng mang trong dải tần số tối thiểu của nó và tín hiệu đầu ra có mức tín hiệu sóng mang tương đối thấp. Mạch cáp quang có thể xử lý điện áp đầu vào cao tới 1 volt RMS mà không có biến dạng nghiêm trọng và giúp làm việc với mức tăng điện áp đơn nhất cho hệ thống.

Các thành phần cho bộ thu và bộ lọc sợi quang

Điện trở (tất cả 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 đến R15 10k (giảm 6)
Tụ điện
C1 = 100µ10V điện phân
C2 = 2n2 polyester
C3 = 2n2 polyester
C4 = 390p gốm
C5 = 1µ 63V điện phân
C6 = 3n3 polyester
C7 = 4n7 polyester
C8 = 330pF gốm
C9 = 3n3 polyester
C10 = 4n7 polyester

Chất bán dẫn
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 tắt)
D1 = Xem văn bản
Điều khoản khác
Đầu nối SK1 = 25 chiều D
Vỏ, bảng mạch, dây, v.v.