Circuit à fibre optique - émetteur et récepteur

Les signaux électroniques ont été envoyés avec succès pendant des décennies via des connexions «câblées» standard ou en utilisant des liaisons radio de différents types qui présentaient de nombreux inconvénients.

D'un autre côté, les liaisons par fibre optique, qu'elles soient utilisées pour des liaisons audio ou vidéo sur de longues distances, ou pour gérer de petites distances, offrent des avantages distincts par rapport aux câbles câblés normaux.

Comment fonctionne la fibre optique

Dans la technologie des circuits à fibre optique, une liaison à fibre optique est utilisée pour transférer des données numériques ou analogiques sous forme de fréquence lumineuse à travers un câble qui a un noyau central hautement réfléchissant.

En interne, la fibre optique est constituée d'un noyau central hautement réfléchissant, qui agit comme un guide de lumière pour transférer la lumière à travers elle au moyen de réflexions continues aller et retour sur ses parois réfléchissantes.

La liaison optique comprend normalement un circuit convertisseur de fréquence électrique en fréquence lumineuse, qui convertit les signaux numériques ou audio en fréquence lumineuse. Cette fréquence lumineuse est `` injectée '' à l'une des extrémités de la fibre optique via un LED puissante . La lumière est ensuite autorisée à voyager à travers le câble optique jusqu'à la destination prévue, où elle est reçue par une cellule photoélectrique et un circuit amplificateur qui convertit la fréquence lumineuse à la forme numérique originale ou à la forme de fréquence audio.

Avantages de la fibre optique

Un avantage majeur des liaisons de circuits à fibres optiques est leur parfaite immunité aux interférences électriques et aux capteurs parasites.

Les liaisons «câble» standard pourraient être conçues pour réduire ce problème, mais il peut être très difficile d'éradiquer complètement ce problème.

Au contraire, les caractéristiques non électriques d'un câble à fibre optique contribuent à rendre les interférences électriques immatérielles, en dehors de certaines perturbations qui pourraient être captées à l'extrémité du récepteur, mais cela peut également être éliminé grâce à un blindage efficace du circuit récepteur.

De la même manière, les signaux à large bande acheminés sur un câble électrique ordinaire dissipent souvent les perturbations électriques provoquant un brouillage des signaux de radio et de télévision à proximité.

Mais encore une fois, dans le cas d'un câble à fibre optique, il peut vraiment s'avérer totalement dépourvu d'émissions électriques, et même si l'unité émettrice peut éventuellement produire un rayonnement de fréquence radio, il est assez simple de l'enfermer en utilisant des stratégies de filtrage de base.

En raison de ce point positif, les systèmes intégrant de nombreux câbles optiques travaillant ensemble les uns à côté des autres n'ont pas de complications ou de problèmes d'intercommunication.

Bien sûr, la lumière peut éventuellement s'échapper d'un câble à l'autre, mais les câbles à fibres optiques sont généralement encapsulés dans une gaine externe étanche à la lumière qui empêche idéalement toute forme de fuite de lumière.

Ce blindage solide dans les liaisons par fibre optique garantit un transfert de données raisonnablement sûr et fiable.

Un autre avantage est que les fibres optiques sont exemptes de problèmes de risque d'incendie puisqu'aucune électricité ou flux de courant élevé n'est impliqué.

Nous avons également une bonne isolation électrique tout au long de la liaison pour nous assurer que les complications avec les boucles de terre ne peuvent pas se développer. Grâce à des circuits de transmission et de réception appropriés, il devient bien adapté aux liaisons à fibres optiques pour gérer des plages de bande passante substantielles.

Des liaisons à large bande passante pourraient également être créées via des câbles d'alimentation coaxiaux, bien que les câbles optiques modernes subissent généralement des pertes réduites par rapport aux types coaxiaux dans les applications à large bande passante.

Les câbles optiques sont généralement minces et légers, et également insensibles aux conditions climatiques et à plusieurs substances chimiques. Cela leur permet fréquemment d'être appliqués rapidement dans des environnements inhospitaliers ou dans des scénarios défavorables où les câbles électriques, en particulier les types coaxiaux, s'avèrent tout simplement très inefficaces.

Désavantages

Bien que le circuit à fibre optique présente de nombreux avantages, ceux-ci présentent également quelques inconvénients.

L'inconvénient apparent est que les signaux électriques ne peuvent pas être transférés directement dans un câble optique et, dans plusieurs situations, le coût et les problèmes rencontrés avec les circuits codeur et décodeur vitaux ont tendance à devenir tout à fait incompatibles.

Une chose cruciale à retenir lorsque vous travaillez avec des fibres optiques est qu'elles ont généralement un diamètre le plus petit et que lorsqu'elles sont tordues avec une courbe plus nette, cela entraîne des dommages physiques au câble à ce coude, ce qui le rend inutile.

Le rayon de «courbure minimum», comme on l'appelle normalement dans les fiches techniques, est généralement compris entre 50 et 80 millimètres environ.

La conséquence de tels courbures dans un câble secteur câblé normal pourrait être rien, mais pour un câble à fibre optique, même de petits courbures serrées peuvent entraver la propagation des signaux lumineux conduisant à des pertes drastiques.

Basique de la fibre optique

Bien qu'il puisse nous sembler qu'un câble à fibre optique est simplement composé de filament de verre recouvert d'une gaine externe étanche à la lumière, la situation est en fait beaucoup plus avancée que cela.

De nos jours, le filament de verre est principalement sous la forme d'un polymère et non de verre réel, et la configuration standard peut être telle que présentée dans la figure suivante. Ici, nous pouvons voir un noyau central ayant un indice de réfraction élevé et un blindage externe avec un indice de réfraction réduit.

La réfraction où le filament intérieur et le revêtement extérieur interagissent permet à la lumière de traverser le câble en sautant efficacement d'un mur à l'autre tout au long du câble.

C'est ce rebondissement de la lumière à travers les parois du câble qui permet au câble de fonctionner comme un guide de lumière, transportant l'éclairage en douceur dans les coins et les courbes.

Propagation de la lumière en mode d'ordre élevé

L'angle auquel la lumière est réfléchie est déterminé par les propriétés du câble et l'angle d'entrée de la lumière. Dans la figure ci-dessus, le rayon lumineux peut être vu à travers un 'mode d'ordre élevé' propagation.

Propagation de la lumière en mode d'ordre bas

Cependant, vous trouverez des câbles dont la lumière est alimentée avec un angle moins profond, ce qui le fait rebondir entre les parois du câble avec un angle considérablement large. Cet angle inférieur permet à la lumière de voyager à une distance relativement plus grande à travers le câble à chaque rebond.

Cette forme de transfert de lumière est appelée 'mode d'ordre bas' propagation. L'importance pratique de ces deux modes est que la lumière s'aventurant via le câble dans le mode d'ordre élevé doit se déplacer sensiblement plus loin que la lumière qui se propage dans le mode d'ordre inférieur. Cela macule les signaux transmis le long du câble, réduisant la plage de fréquences de l'application.

Cependant, cela n'est pertinent que dans les liaisons à bande passante extrêmement large.

Câble monomode

Nous avons également le «Mode unique» câbles de type qui sont destinés simplement à activer un mode de propagation unique, mais il n'est pas vraiment nécessaire d'utiliser une telle forme de câble avec les techniques de bande passante relativement étroite détaillées dans cet article. Vous pouvez en outre rencontrer un autre type de câble nommé «index gradué» câble.

Ceci est en fait assez similaire au câble à indice étagé discuté précédemment, bien qu'il existe une transformation progressive d'un indice de réfraction élevé près du centre du câble à une valeur réduite près de la gaine extérieure.

Cela fait passer la lumière à travers le câble d'une manière assez similaire à celle expliquée précédemment, mais la lumière doit passer par un trajet courbe (comme sur la figure suivante) au lieu d'être propagée par des lignes droites.

Dimensions de la fibre optique

La dimension typique des câbles à fibres optiques est de 2,2 millimètres avec une dimension moyenne de la fibre intérieure d'environ 1 millimètre. Vous pouvez trouver plusieurs connecteurs accessibles pour les connexions sur cette taille de câble, en plus d'un certain nombre de systèmes qui se connectent à des câbles également correspondants.

Un système de connecteur normal comprend une `` fiche '' qui est installée sur la pointe du câble et la protège à la borne `` prise '' qui se fixe généralement sur la carte de circuit imprimé ayant une fente pour recevoir la cellule photoélectrique (qui forme l'émetteur ou le détecteur de le système optique).

Facteurs influant sur la conception de circuits à fibre optique

Un aspect crucial dont il faut se souvenir dans la fibre optique est les spécifications de sortie de crête de l'émetteur photocellule pour la longueur d'onde lumineuse. Celui-ci doit être idéalement sélectionné pour correspondre à la fréquence de transmission avec une sensibilité appropriée.

Le deuxième facteur à retenir est que le câble sera spécifié avec seulement une plage de bande passante limitée, ce qui signifie que les pertes doivent être aussi minimales que possible.

Les capteurs et émetteurs optiques normalement utilisés dans les fibres optiques sont pour la plupart conçus pour fonctionner au portée infrarouge avec la plus grande efficacité, tandis que certains peuvent être conçus pour fonctionner au mieux avec le spectre de la lumière visible.

Les câbles à fibre optique sont souvent livrés avec des extrémités de terminaison non finies, ce qui pourrait être très improductif, à moins que les extrémités ne soient correctement coupées et travaillées.

En règle générale, le câble fournira des effets décents lorsqu'il est tranché à angle droit avec un couteau à modeler tranchant comme un rasoir, coupant l'extrémité du câble proprement en une seule action.

Une lime fine peut être utilisée pour polir les extrémités tranchées, mais si vous venez de couper les extrémités, cela peut ne pas aider à améliorer considérablement l'efficacité lumineuse. Il est essentiel que la coupe soit nette, nette et perpendiculaire au diamètre du câble.

Si la coupe a un certain angle, cela peut gravement détériorer l'efficacité en raison de la déviation de l'angle de l'alimentation lumineuse.

Conception d'un système de fibre optique simple

Une façon de base de commencer pour quiconque cherche à essayer des choses avec des communications par fibre optique serait de créer un lien audio.

Dans sa forme la plus élémentaire, cela peut inclure un simple circuit de modulation d'amplitude qui fait varier le Émetteur LED luminosité en fonction de l'amplitude du signal d'entrée audio.

Cela provoquerait une réponse de courant modulant de manière équivalente à travers le récepteur de cellule photoélectrique, qui serait traitée pour générer une tension variant en conséquence à travers une résistance de charge calculée en série avec la cellule photoélectrique.

Ce signal serait amplifié pour fournir le signal de sortie audio. En réalité, cette approche fondamentale peut avoir ses propres inconvénients, le principal pouvant être simplement une linéarité insuffisante des photocellules.

L'absence de linéarité affecte sous la forme d'un niveau proportionné de distorsion à travers la liaison optique qui peut être par la suite de mauvaise qualité.

Une méthode qui offre normalement de meilleurs résultats est un système de modulation de fréquence, qui est fondamentalement identique au système utilisé en standard Émissions radio VHF .

Cependant, dans de tels cas, une fréquence porteuse d'environ 100 kHz est impliquée au lieu des 100 MHz conventionnels utilisés dans la transmission radio en bande 2.

Cette approche peut être assez simple, comme indiqué dans le diagramme ci-dessous. Il démontre le principe mis en place pour un lien unidirectionnel de ce formulaire. L'émetteur est en fait un oscillateur commandé en tension (VCO), et comme le titre l'indique, la fréquence de sortie de cette conception pourrait être ajustée via une tension de commande.

Cette tension peut être la transmission d'entrée du son, et à mesure que la tension du signal oscille de haut en bas, la fréquence de sortie du VCO en sera de même. UNE filtre passe bas est incorporé pour affiner le signal d'entrée audio avant qu'il ne soit appliqué au VCO.

Cela permet d'éviter que les «sifflets» hétérodynes ne soient produits à cause des notes de battement entre l'oscillateur commandé en tension et les signaux d'entrée haute fréquence.

En règle générale, le signal d'entrée ne couvrira que la plage de fréquences audio, mais vous pouvez trouver un contenu de distorsion à des fréquences plus élevées et des signaux radio captés par le câblage et interagissant avec le signal ou les harmoniques du VCO autour du signal de sortie du VCO.

Le dispositif émetteur qui peut être simplement une LED est piloté par la sortie VCO. Pour un résultat optimal, cette LED est normalement un type de LED haute puissance . Cela nécessite le utilisation d'un étage de tampon pilote pour faire fonctionner l'alimentation LED.

Cette prochaine étape est un multivibrateur monostable qui doit être conçu comme un type non redéclenchable.

Cela permet à l'étage de générer des impulsions de sortie à travers des intervalles tels que déterminés par le réseau de synchronisation C / R qui est indépendant de la durée de l'impulsion d'entrée.

Forme d'onde opérationnelle

Cela fournit une conversion de fréquence en tension facile mais efficace, la forme d'onde illustrée dans la figure suivante expliquant clairement son schéma opérationnel.

Sur la figure (a), la fréquence d'entrée génère une sortie du monostable avec un rapport espace-repère de 1 à 3, et la sortie est à l'état haut pendant 25% du temps.

La tension de sortie moyenne (telle qu'illustrée à l'intérieur de la ligne en pointillé) correspond à 1/4 de l'état de sortie HIGH.

Dans la figure (b) ci-dessus, nous pouvons voir que la fréquence d'entrée a été multipliée par deux, ce qui signifie que nous obtenons deux fois plus d'impulsions de sortie pendant un intervalle de temps spécifié avec un rapport d'espace de marque de 1: 1. Cela nous permet d'obtenir une tension de sortie moyenne qui est de 50% de l'état de sortie HIGH, et 2 fois plus de magnitude que l'exemple précédent.

En termes simples, le monostable aide non seulement à convertir la fréquence en tension, mais il permet également à la conversion d'obtenir une caractéristique linéaire. La sortie du monostable seule ne peut pas créer un signal de fréquence audio, à moins qu'un filtre passe-bas ne soit incorporé qui garantit que la sortie est stabilisée en un signal audio approprié.

Le problème principal avec cette méthode simple de conversion de fréquence en tension est qu'une atténuation de niveau plus élevé (essentiellement 80 dB ou plus) est nécessaire à la fréquence de sortie minimale du VCO pour pouvoir créer une sortie stabilisée.

Mais, cette méthode est vraiment simple et fiable dans d'autres considérations, et avec les circuits modernes, il peut ne pas être difficile de concevoir un étage de filtre de sortie ayant une précision appropriée. caractéristique de coupure .

Un niveau minuscule de signal de porteuse excédentaire sur la sortie peut ne pas être trop critique et pourrait être ignoré, car la porteuse est généralement à des fréquences qui ne sont pas dans la plage audio, et toute fuite à la sortie sera par conséquent inaudible.

Circuit d'émetteur à fibre optique

Le schéma complet du circuit de l'émetteur à fibre optique peut être vu ci-dessous. Vous trouverez de nombreux circuits intégrés adaptés pour fonctionner comme VCO, ainsi que de nombreuses autres configurations construites à l'aide de pièces discrètes.

Mais pour une technique à faible coût, le NE555 devient l'option préférée, et même si elle est certainement bon marché, elle offre néanmoins une efficacité de performance assez bonne. Il peut être modulé en fréquence en intégrant le signal d'entrée à la broche 5 de l'IC, qui se connecte au diviseur de tension configuré pour créer les limites de commutation 1/3 V + et 2/3 V + pour l'IC 555.

Essentiellement, la limite supérieure est augmentée et diminuée de sorte que le temps consommé par le condensateur de synchronisation C2 pour commuter entre les deux plages puisse être augmenté ou diminué en conséquence.

Tr1 est câblé comme un émetteur suiveur étage tampon qui fournit le courant d'entraînement élevé nécessaire pour éclairer de manière optimale la LED (D1). Bien que le NE555 lui-même dispose d'un bon courant de 200 mA pour la LED, un pilote séparé contrôlé par le courant pour la LED permet d'établir le courant LED souhaité de manière précise et par une méthode plus fiable.

R1 est positionné pour fixer le courant de la LED à environ 40 milliampères, mais comme la LED est allumée / éteinte à un taux de cycle de service de 50%, elle permet à la LED de fonctionner avec seulement 50% de la valeur nominale réelle, soit environ 20 milliampères.

Le courant de sortie peut être augmenté ou diminué en ajustant la valeur R1 chaque fois que cela peut être jugé nécessaire.

Composants pour résistances d'émetteur à fibre optique (tous 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47 000
R4 = 10k
R5 = 10 000
R6 = 10k
R7 = 100 000
R8 = 100 000
Condensateurs
C1 = 220µ 10V élire
Plaque en céramique C2 = 390pF
C3 = 1u 63V élire
C4 = plaque en céramique 330p
C5 = couche de polyester 4n7
C6 = couche de polyester 3n3
C7 = couche de polyester 470n
Semi-conducteurs
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = voir texte
Divers
Prise jack 3,5 mm SK1
Circuit imprimé, boîtier, batterie, etc.

Circuit récepteur à fibre optique

Le schéma du circuit du récepteur à fibre optique primaire peut être vu dans la section supérieure du schéma ci-dessous, le circuit du filtre de sortie est dessiné juste en dessous du circuit du récepteur. La sortie du récepteur peut être vue jointe à l'entrée du filtre par une ligne grise.

D1 forme le diode de détection , et il fonctionne dans le réglage de polarisation inverse dans lequel sa résistance de fuite aide à créer une sorte de résistance dépendante de la lumière ou d'effet LDR.

R1 fonctionne comme une résistance de charge et C2 crée un lien entre l'étage du détecteur et l'entrée de l'amplificateur d'entrée. Cela forme un réseau à liaison capacitive à deux étages où les deux étages fonctionnent ensemble dans le émetteur commun mode.

Cela permet un gain de tension global supérieur supérieur à 80 dB. étant donné qu'un signal d'entrée assez puissant est fourni, cela offre une oscillation de tension de sortie suffisamment élevée au niveau de la broche du collecteur Tr2 pour pousser le multivibrateur monostable .

Ce dernier est un type CMOS standard construit en utilisant un couple de portes NOR à 2 entrées (IC1a et IC1b) avec C4 et R7 fonctionnant comme des éléments de synchronisation. Les deux autres portes de IC1 ne sont pas utilisées, bien que leurs entrées puissent être vues accrochées à la terre dans le but d'arrêter la fausse commutation de ces portes en raison d'une prise parasite.

En ce qui concerne l'étage de filtre construit autour de IC2a ​​/ b, il s'agit essentiellement d'un système de filtre d'ordre 2/3 (18 dB par octave) avec des spécifications couramment utilisées dans le circuits d'émetteur . Ceux-ci sont réunis en série pour établir un total de 6 pôles et un taux d'atténuation général de 36 dB par octave.

Cela offre environ 100 dB d'atténuation du signal de porteuse dans sa plage de fréquence minimale, et un signal de sortie avec des niveaux de signal de porteuse relativement bas. Le circuit à fibre optique peut traiter des tensions d'entrée aussi élevées que 1 volt RMS environ sans distorsion critique, et aider à travailler avec un gain de tension légèrement inférieur à l'unité pour le système.

Composants pour récepteur et filtre à fibre optique

Résistances (toutes 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47 000
R9 = 47 000
R10 à R15 10k (6 off)
Condensateurs
C1 = 100µ10V électrolytique
C2 = polyester 2n2
C3 = polyester 2n2
C4 = céramique 390p
C5 = 1µ 63V électrolytique
C6 = polyester 3n3
C7 = polyester 4n7
C8 = 330pF céramique
C9 = polyester 3n3
C10 = polyester 4n7

Semi-conducteurs
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 off)
D1 = Voir le texte
Divers
SK1 = connecteur D 25 voies
Boîtier, circuit imprimé, fil, etc.