Glasvezelcircuit - zender en ontvanger

Elektronische signalen worden al decennialang met succes verzonden via standaard 'hardwire'-verbindingen, of door verschillende soorten radioverbindingen te gebruiken die veel nadelen hadden.

Aan de andere kant hebben glasvezelverbindingen, of ze nu worden gebruikt voor audio- of videoverbindingen over grote afstanden, of voor kleine afstanden, een aantal duidelijke voordelen bieden vergeleken met de normale bedrade kabels.

Hoe glasvezel werkt

In de glasvezelcircuittechnologie wordt een optische vezelverbinding gebruikt voor het overdragen van digitale of analoge gegevens in de vorm van lichtfrequentie via een kabel met een sterk reflecterende centrale kern.

Intern bestaat de optische vezel uit een sterk reflecterende centrale kern, die werkt als een lichtgeleider om licht erdoorheen te sturen door middel van continue heen en weer reflecties over de reflecterende wanden.

De optische verbinding omvat normaal gesproken een frequentieomzettercircuit van elektrische frequentie naar licht, dat digitale of audiosignalen omzet in lichtfrequentie. Deze lichtfrequentie wordt 'geïnjecteerd' in een van de uiteinden van de optische vezel via een krachtige LED ​Het licht mag dan door de optische kabel naar de beoogde bestemming reizen, waar het wordt opgevangen door een fotocel en een versterkercircuit die de lichtfrequentie weer omzet in de originele digitale vorm of audiofrequentievorm.

Voordelen van glasvezel

Een groot voordeel van glasvezelcircuitverbindingen is hun perfecte immuniteit voor elektrische interferentie en verdwaalde pick-ups.

Standaard 'kabel'-koppelingen kunnen worden ontworpen om dit probleem te verminderen, maar het kan een grote uitdaging zijn om dit probleem volledig uit de wereld te helpen.

Integendeel, de niet-elektrische eigenschappen van een glasvezelkabel helpen elektrische interferentie immaterieel te maken, afgezien van enige storing die kan worden opgevangen bij de ontvanger, maar dit kan ook worden geëlimineerd door een effectieve afscherming van het ontvangercircuit.

Evenzo verdrijven breedbandsignalen die over een gewone elektrische kabel worden geleid, vaak elektrische storingen, waardoor radio- en televisiesignalen in de buurt worden verstoord.

Maar nogmaals, in het geval van een glasvezelkabel kan deze werkelijk volledig verstoken zijn van elektrische emissies, en hoewel de zendeenheid mogelijk radiofrequente straling uitstraalt, is het tamelijk eenvoudig om deze te omsluiten met behulp van elementaire afschermingsstrategieën.

Vanwege dit pluspunt hebben systemen met veel optische kabels die naast elkaar samenwerken geen complicaties of problemen met overspraak.

Natuurlijk kan licht van de ene kabel naar de andere weglekken, maar glasvezelkabels zijn meestal ingekapseld in een lichtdichte externe kous die idealiter elke vorm van lichtlekkage voorkomt.

Deze sterke afscherming in glasvezelverbindingen zorgt voor een redelijk veilige en betrouwbare gegevensoverdracht.

Een ander voordeel is dat glasvezel niet brandgevaarlijk is, aangezien er geen elektriciteit of hoge stroom in het spel is.

We hebben ook een goede elektrische isolatie over de hele verbinding om ervoor te zorgen dat complicaties met aardlussen zich niet kunnen ontwikkelen. Door geschikte zend- en ontvangstcircuits wordt het zeer geschikt voor glasvezelverbindingen om aanzienlijke bandbreedtebereiken aan te kunnen.

Verbindingen met een brede bandbreedte kunnen ook tot stand worden gebracht via coaxiale stroomkabels, hoewel moderne optische kabels doorgaans minder verliezen ondervinden in vergelijking met coaxiale typen in toepassingen met een grote bandbreedte.

Optische kabels zijn doorgaans dun en licht van gewicht, en ook immuun voor klimatologische omstandigheden en verschillende chemische stoffen. Hierdoor zijn ze vaak snel toe te passen in een onherbergzame omgeving of ongunstige scenario's waar elektrische kabels, met name coaxiale types, simpelweg zeer ondoelmatig blijken te zijn.

Nadelen

Hoewel glasvezelcircuits zoveel voordelen hebben, hebben deze ook een paar keerzijde.

Het duidelijke nadeel is dat elektrische signalen niet rechtstreeks in een optische kabel kunnen worden overgebracht, en in verschillende situaties zijn de kosten en problemen die zich voordoen met de vitale encoder- en decodercircuits nogal incompatibel.

Een cruciaal ding om te onthouden bij het werken met optische vezels is dat ze gewoonlijk een gespecificeerde kleinste diameter hebben, en wanneer deze met een scherpere kromming worden gedraaid, ontstaat er fysieke schade aan de kabel bij die bocht, waardoor deze onbruikbaar wordt.

De 'minimale buigradius' zoals deze normaal gesproken in de datasheets wordt genoemd, ligt typisch tussen ongeveer 50 en 80 millimeter.

Het gevolg van dergelijke bochten in een normale bedrade netsnoer kan gewoon niets zijn, maar voor glasvezelkabels kunnen zelfs kleine scherpe bochten de verspreiding van de lichtsignalen belemmeren, wat leidt tot drastische verliezen.

Basis van glasvezel

Hoewel het ons misschien lijkt dat een glasvezelkabel simpelweg bestaat uit glasfilament dat is bedekt met een lichtdichte externe kous, is de situatie in feite veel geavanceerder dan dit.

Tegenwoordig heeft het glasfilament meestal de vorm van een polymeer en niet van echt glas, en de standaardopstelling kan zijn zoals weergegeven in de volgende afbeelding. Hier kunnen we een centrale kern zien met een hoge brekingsindex en een buitenste afscherming met een verminderde brekingsindex.

Refractie waar de binnenste gloeidraad en de buitenmantel samenwerken, maakt het mogelijk om licht door de kabel te bewegen door efficiënt van muur tot muur te springen, helemaal door de kabel.

Het is dit weerkaatsen van het licht over de kabelwanden dat het mogelijk maakt dat de kabel als een lichtgeleider loopt en de verlichting soepel over hoeken en bochten draagt.

High Order Mode Light Voortplanting

De hoek waaronder het licht wordt gereflecteerd wordt bepaald door de eigenschappen van de kabel en de invalshoek van het licht. In de bovenstaande afbeelding is de lichtstraal te zien door een 'hoge orde modus' voortplanting.

Lichte voortplanting in lage-orde-modus

U zult echter kabels met licht vinden die met een kleinere hoek worden aangevoerd, waardoor ze met een aanzienlijk brede hoek tussen kabelwanden stuiteren. Door deze lagere hoek kan het licht bij elke stuitering op relatief grotere afstand door de kabel reizen.

Deze vorm van lichtoverdracht wordt genoemd 'lage orde modus' voortplanting. De praktische betekenis van beide modi is dat licht dat via de kabel in de hoge-orde-modus komt, aanzienlijk verder moet reizen in vergelijking met licht dat wordt voortgeplant in de lage-orde-modus. Dit vervaagt signalen die langs de kabel worden afgegeven, waardoor het frequentiebereik van de toepassing wordt verminderd.

Dit is echter alleen relevant bij verbindingen met extreem brede bandbreedte.

Single Mode-kabel

We hebben ook de 'Enkele modus' type kabels die eenvoudig zijn bedoeld om een ​​enkele voortplantingsmodus mogelijk te maken, maar het is niet echt vereist om een ​​kabel van deze vorm te gebruiken met de relatief smalle bandbreedtetechnieken die in dit artikel worden beschreven. U kunt verder een ander soort kabel tegenkomen met de naam 'beoordeelde index' kabel.

Dit is in feite vrij gelijkaardig aan de eerder besproken getrapte indexkabel, hoewel er een geleidelijke transformatie bestaat van een hoge brekingsindex nabij het midden van de kabel naar een verminderde waarde nabij de buitenste kous.

Dit zorgt ervoor dat het licht diep over de kabel gaat op een vergelijkbare manier als eerder uitgelegd, maar waarbij het licht een gebogen route moet doorlopen (zoals in de volgende afbeelding) in plaats van zich voort te planten door rechte lijnen.

Optische vezelafmetingen

De typische afmeting voor optische vezelkabels is 2,2 millimeter met een gemiddelde afmeting van de binnenste vezel van ongeveer 1 millimeter. U kunt verschillende connectoren vinden die toegankelijk zijn voor verbindingen over deze kabeldiameter, naast een aantal systemen die kunnen worden aangesloten op even bijpassende kabels.

Een normaal connectorsysteem omvat een 'plug' die op het uiteinde van de kabel wordt geïnstalleerd en deze vastzet aan de 'socket'-aansluiting die gewoonlijk over de printplaat wordt gehaakt met een sleuf voor het opnemen van de fotocel (die de zender of de detector vormt van het optische systeem).

Factoren die van invloed zijn op het ontwerp van glasvezelcircuits

Een cruciaal aspect dat in de glasvezel moet worden onthouden, zijn de specificaties van de piekuitgang van de zender fotocel voor de lichtgolflengte. Dit moet idealiter worden geselecteerd om de transmissiefrequentie met de juiste gevoeligheid te matchen.

De tweede factor om te onthouden is dat de kabel wordt gespecificeerd met een beperkt bandbreedtebereik, wat betekent dat de verliezen zo min mogelijk moeten zijn.

De optische sensoren en zenders die normaal in optische vezels worden gebruikt, zijn meestal geschikt om te werken bij de infrarood bereik met de grootste efficiëntie, terwijl sommige misschien bedoeld zijn om het beste te werken met het zichtbare lichtspectrum.

Glasvezelkabels worden vaak geleverd met onafgewerkte uiteinden, wat erg onproductief kan zijn, tenzij de uiteinden op de juiste manier zijn bijgesneden en bewerkt.

Meestal levert de kabel fatsoenlijke effecten wanneer deze in een rechte hoek wordt gesneden met een vlijmscherp modelleermes, waarbij het uiteinde van de kabel in één handeling netjes wordt gehakt.

Een fijne vijl kan worden gebruikt om de gesneden uiteinden te polijsten, maar als je de uiteinden pas net hebt afgeknipt, helpt dit misschien niet om de lichtefficiëntie aanzienlijk te verbeteren. Het is van cruciaal belang dat de snede scherp en scherp is en loodrecht op de kabeldiameter staat.

Als het snijden een bepaalde hoek heeft, kan de efficiëntie ernstig verslechteren als gevolg van een afwijking in de hoek van de lichttoevoer.

Een eenvoudig glasvezelsysteem ontwerpen

Een eenvoudige manier om te beginnen voor iedereen die dingen met glasvezelcommunicatie wil uitproberen, is het maken van een audiolink.

In zijn meest elementaire vorm kan dit een eenvoudige amplitudemodulatieschakeling omvatten die de LED-zender helderheid in overeenstemming met de amplitude van het audio-ingangssignaal.

Dit zou een equivalente modulerende stroomrespons veroorzaken over de fotocelontvanger, die zou worden verwerkt om een ​​overeenkomstig variërende spanning te genereren over een berekende belastingsweerstand in serie met de fotocel.

Dit signaal zou worden versterkt om het audio-uitgangssignaal te leveren. In werkelijkheid kan deze fundamentele benadering zijn eigen nadelen hebben, de belangrijkste kan eenvoudigweg een onvoldoende lineariteit van de fotocellen zijn.

Het ontbreken van lineariteit beïnvloedt in de vorm van een evenredig niveau van vervorming over de optische verbinding, die vervolgens van slechte kwaliteit kan zijn.

Een methode die normaal gesproken aanzienlijk betere resultaten oplevert, is een frequentiemodulatiesysteem, dat in wezen identiek is aan het systeem dat in standaard wordt gebruikt VHF-radio-uitzendingen ​

In dergelijke gevallen is er echter sprake van een draaggolffrequentie van ongeveer 100 kHz in plaats van de conventionele 100 MHz zoals gebruikt in band 2 radiotransmissie.

Deze benadering kan vrij eenvoudig zijn, zoals weergegeven in het onderstaande blokschema. Het toont het principe aan dat is ingesteld voor een eenrichtingslink van dit formulier. De zender is eigenlijk een spanningsgestuurde oscillator (VCO), en zoals de titel suggereert, zou de uitgangsfrequentie van dit ontwerp kunnen worden aangepast via een stuurspanning.

Deze spanning kan de geluidsingangstransmissie zijn, en als de signaalspanning op en neer oscilleert, zal de uitgangsfrequentie van de VCO dat ook doen. EEN laagdoorlaatfilter is opgenomen om het audio-ingangssignaal te verfijnen voordat het wordt toegepast op de VCO.

Dit helpt om te voorkomen dat de heterodyne 'fluitjes' worden geproduceerd als gevolg van beatnoten tussen de spanningsgestuurde oscillator en eventuele hoogfrequente ingangssignalen.

Meestal dekt het ingangssignaal alleen het audiofrequentiebereik, maar u kunt vervormingsinhoud vinden bij hogere frequenties, en radiosignalen die worden opgepikt van de bedrading en interageren met het VCO-signaal of harmonischen rond het uitgangssignaal van de VCO.

Het uitzendende apparaat dat eenvoudigweg een LED kan zijn, wordt aangestuurd door de VCO-uitgang. Voor een optimaal resultaat is deze LED normaal gesproken een hoog wattage type LED ​Dit vereist de gebruik van een driverbufferstap voor het bedienen van de LED-voeding.

Deze volgende fase is een monostabiele multivibrator die moet zijn ontworpen als een niet-hertriggerbaar type.

Dit stelt de trap in staat om uitgangspulsen te genereren door middel van intervallen zoals bepaald door het C / R-timingnetwerk dat onafhankelijk is van de duur van de ingangspuls.

Operationele golfvorm

Dit zorgt voor een gemakkelijke maar effectieve frequentie-naar-spanningsomzetting, waarbij de golfvorm zoals weergegeven in de volgende afbeelding duidelijk het operationele patroon verklaart.

In figuur (a) genereert de ingangsfrequentie een uitgang van de monostabiel met een 1 tot 3 mark-spatie-verhouding, en de uitgang bevindt zich gedurende 25% van de tijd in de hoge toestand.

De gemiddelde uitgangsspanning (zoals afgebeeld binnen de stippellijn) is als resultaat 1/4 van de uitgang HOOG.

In figuur (b) hierboven kunnen we zien dat de ingangsfrequentie is verdubbeld, wat betekent dat we twee keer meer uitgangspulsen krijgen voor een gespecificeerd tijdsinterval met een mark-space ratio van 1: 1. Dit stelt ons in staat om een ​​gemiddelde uitgangsspanning te krijgen die 50% van de HOGE uitgangstoestand is, en 2 keer groter dan in het vorige voorbeeld.

In eenvoudige bewoordingen helpt de monostabiel niet alleen om frequentie om te zetten in spanning, maar het maakt ook de conversie mogelijk om een ​​lineaire karakteristiek te krijgen. De output van de monostabiele alleen kan geen audiofrequentiesignaal opbouwen, tenzij een laagdoorlaatfilter is ingebouwd die ervoor zorgt dat de output wordt gestabiliseerd tot een goed audiosignaal.

Het primaire probleem met deze eenvoudige methode van frequentie-naar-spanningsomzetting is dat een hogere demping (in wezen 80 dB of hoger) vereist is bij de minimale uitgangsfrequentie van de VCO om een ​​gestabiliseerde uitgang te kunnen creëren.

Maar deze methode is heel eenvoudig en betrouwbaar in andere overwegingen, en samen met moderne circuits is het misschien niet moeilijk om een ​​uitgangsfiltertrap te ontwerpen met een passend nauwkeurige afgesneden kenmerk ​

Een klein niveau van overtollig draaggolfsignaal op de uitgang is misschien niet al te kritisch en zou kunnen worden genegeerd, omdat de draaggolf zich over het algemeen op frequenties bevindt die niet binnen het audiobereik vallen, en eventuele lekkage aan de uitgang als gevolg daarvan onhoorbaar zal zijn.

Glasvezelzendercircuit

Het volledige schakelschema van de glasvezelzender is hieronder te zien. U zult veel geïntegreerde schakelingen vinden die geschikt zijn om te werken als VCO, samen met vele andere configuraties die zijn gebouwd met afzonderlijke onderdelen.

Maar voor een goedkope techniek wordt het veel gebruikt NE555 wordt de voorkeursoptie, en hoewel het zeker goedkoop is, wordt het toch geleverd met een redelijk goede prestatie-efficiëntie. Het kan frequentie-gemoduleerd worden door het ingangssignaal te integreren met pin 5 van de IC, die wordt verbonden met de spanningsdeler die is geconfigureerd om de 1/3 V + en 2/3 V + schakellimieten voor de IC 555 te creëren.

In wezen wordt de bovengrens verhoogd en verlaagd, zodat de tijd die de tijdcondensator C2 nodig heeft om tussen de twee bereiken te schakelen, overeenkomstig kan worden vergroot of verkleind.

Tr1 is bedraad als een zender volger buffertrap die de hoge aandrijfstroom levert die nodig is om de LED (D1) optimaal te verlichten. Hoewel de NE555 zelf een goede 200 mA stroom voor de LED heeft, maakt een afzonderlijke stroomgestuurde driver voor de LED het mogelijk om de gewenste LED-stroom op een precieze manier en via een betrouwbaardere methode vast te stellen.

R1 is gepositioneerd om de LED-stroom vast te zetten op ongeveer 40 milliampère, maar aangezien de LED AAN / UIT wordt geschakeld met een snelheid van 50% inschakelduur, kan de LED werken met slechts 50% van de werkelijke waarde, wat ongeveer 20 milliampère is.

De uitgangsstroom kan worden verhoogd of verlaagd door de R1-waarde aan te passen wanneer dit nodig wordt geacht.

Componenten voor glasvezeltransmitterweerstanden (alle 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4 k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100.000
R8 = 100.000
Condensatoren
C1 = 220µ 10V elect
C2 = 390 pF keramische plaat
C3 = 1u 63V elect
C4 = 330p keramische plaat
C5 = 4n7 polyesterlaag
C6 = 3n3 polyesterlaag
C7 = 470n polyesterlaag
Halfgeleiders
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = zie tekst
Diversen
SK1 3,5 mm jack-aansluiting
Printplaat, behuizing, batterij, enz

Glasvezelontvangercircuit

Het schakelschema van de primaire glasvezelontvanger is te zien in het bovenste gedeelte van het onderstaande diagram, het uitgangsfiltercircuit is net onder het ontvangercircuit getekend. De output van de ontvanger is verbonden met de input van het filter door een grijze lijn.

D1 vormt het detector diode , en het werkt in de omgekeerde bias-instelling waarin de lekweerstand helpt om een ​​soort lichtafhankelijke weerstand of LDR-effect te creëren.

R1 werkt als een belastingsweerstand en C2 creëert een link tussen de detectortrap en de ingang van de ingangsversterker. Dit vormt een tweetraps capacitief gekoppeld netwerk waarbij de twee fasen samen functioneren in de gemeenschappelijke zender modus.

Dit zorgt voor een superieure algehele spanningsversterking van meer dan 80 dB. aangezien een vrij krachtig ingangssignaal wordt geleverd, biedt dit een voldoende hoge oscillatie van de uitgangsspanning op de Tr2-collectorpin om de monostabiele multivibrator ​

Dit laatste is een standaard CMOS-type gebouwd met behulp van een paar NOR-poorten met 2 ingangen (IC1a en IC1b) met C4 en R7 die werken als timingelementen. De andere een paar poorten van IC1 worden niet gebruikt, hoewel hun ingangen aan de aarde vastzitten in een poging om het onjuist schakelen van deze poorten als gevolg van een verdwaalde pick-up te stoppen.

Verwijzend naar een filtertrap gebouwd rond IC2a ​​/ b, het is in wezen een 2 / 3e orde (18 dB per octaaf) filtersysteem met specificaties die algemeen worden gebruikt in de zendercircuits ​Deze worden in serie samengevoegd om een ​​totaal van 6 polen en een algemene dempingssnelheid van 36 dB per octaaf te creëren.

Dit biedt ongeveer 100 dB verzwakking van het draaggolfsignaal in het minimale frequentiebereik en een uitgangssignaal met relatief lage draaggolfsignaalniveaus. Het glasvezelcircuit kan omgaan met ingangsspanningen tot wel 1 volt RMS, ongeveer zonder kritische vervorming, en helpt om te werken met iets minder dan een spanningsversterking voor het systeem.

Componenten voor glasvezelontvanger en filter

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

Halfgeleiders
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 stuks)
D1 = Zie tekst
Diversen
SK1 = 25-polige D-connector
Case, printplaat, draad, etc.