1. Nadajnik światłowodowy Nadajnik światłowodowy jest jednym z

1. Nadajnik światłowodowy
Nadajnik światłowodowy jest jednym z bloków światłowodowego systemu
transmisyjnego. Przetwarza sygnał elektryczny na sygnał optyczny. Jakość transmisji w dużej
mierze zależy od parametrów sygnału optycznego, który jest uwarunkowany parametrami
elementów elektronicznych i elektrooptycznych. Nadajnik światłowodowy charakteryzują
następujące parametry:
a) moc sygnału optycznego – wraz z czułością odbiornika decyduje o zasięgu działania,
b) pasmo przenoszenia – decyduje o przepływności systemu,
c) szerokość widmowa źródła optycznego – decyduje o paśmie łącza optycznego.
Kluczowym elementem nadajnika jest dioda. Stosowane są dwa rodzaje diod:
a) dioda
LED
–
zasada
działania
podobna
jak
w
typowych
diodach
elektroluminescencyjnych z tą różnicą, że konstrukcja diody umożliwia pracę na
wyższych częstotliwościach, posiada węższe widmo emitowanej fali, lepsze
ukierunkowanie wiązki światła co pozwala na lepsze sprzężenie optyczne ze
światłowodem,
b) diody laserowe – obecnie coraz częściej stosowane ze względu na dużo lepsze
parametry w stosunku do LED (moc wyjściowa kilkaset krotnie większa, bardzo
wąskie widmo promieniowania).
W nadajniku laboratoryjnym zastosowano diodę LED. Do ważniejszych charakterystyk diody
zaliczamy zależność prądowo-napięciową, charakterystykę widmową oraz zależność mocy
wyjściowej w funkcji prądu diody.
Przykładowe charakterystyki przedstawiono na rysunkach 1, 2, 3.
I f [mA]
100
Pe
(jedn. wzgl)
1
0,5
1,2 2,2
U f [V]
825 850 875
Rys.1 Charakterystyka prądowo –
napięciowa If = f(Uf)
λ [nm]
Rys.2 Charakterystyka widmowa
Pe = f(λ)
2
Pe
20
16
12
7
3
20
40
60
80 100
Ιφ [mA]
Rys.3 Zależność emitowanej mocy Pe od prądu diody
Istotną cechą diod LED jest proporcjonalność mocy nadawanej do prądu
przepływającego przez diodę i stosunkowo mały wpływ temperatury na prace diody. Zatem
znając zmiany czasowe prądu sterującego diodą można z dużym przybliżeniem określić
zmiany mocy sygnału optycznego, co zostało wykorzystane w badanym nadajniku.
Podstawowym problemem występującym w nadajnikach jest konieczność przełączania
stosunkowo dużych prądów (kilkadziesiąt do kilkuset mA) sterujących diodą z dużą
częstotliwością (kilkadziesiąt MHz do kilkudziesięciu GHz). Wymaga to układów
o specjalnych konstrukcjach.
Wyróżniamy dwa typy układów sterujących:
a) układ szeregowy – włączenie tranzystora powoduje przepływ prądu przez diodę
(ograniczonego przez rezystor R) i świecenie diody. Wyłączenie tranzystora odcina
przepływ prądu i wygasza diodę.
b) układ równoległy – gdy tranzystor jest w stanie zatkania, prąd przepływa przez diodę
(świeci). Włączenie tranzystora powoduje zwarcie diody i przepływ prądu przez
tranzystor (dioda zostaje wygaszona)
3
2. Schemat blokowy nadajnika i opis układu pomiarowego
+5V
R2
3
2
1
WE
TTL
Układ sterowania diodą
R1
Line
Driver
P2
74140
C
4
P1
Układ blokady
R3
Rys.2. Schemat układu nadajnika światłowodowego do transmisji
sygnałów cyfrowych.
Układ sterujący przetwarza sygnał TTL na sygnał prądowy bezpośrednio sterujący
diodą nadawczą. Sterowanie odbywa się w układzie szeregowym. Poziom logicznej „1” na
wejściu układu powoduje świecenie diody, a logiczne „0” wygasza ją.
Rezystory R2 (22Ω) i R3 (500Ω) ograniczają prąd diody w czasie impulsu do około
120 mA. Rezystor pomiarowy R2 umożliwia pomiar tego prądu (rys. 4).
If
[mA]
100
U2
U1
U f [V]
Rys. 5 Wstępna polaryzacja diody i zakres napięcia sterującego.
4
Rezystor R3 włączany przez przełącznik P1 służy do wymuszenia wstępnej polaryzacji
diody. Brak prądu wstępnej polaryzacji wymaga zmian napięcia sterującego w zakresie U1
(rys.5) Przepływ prądu wstępnie polaryzującego diodę przesuwa jej punkt pracy umożliwiając
zmniejszenie zakresu napięcia sterującego do wartości U2. Mniejszy skok napięcia to także
krótszy czas przełączania.
Równoległe połączenie kondensatora C z rezystorem R1 (przełącznik P2 – włączony) tworzy
układ rezonansowy, który poprawia stromość zboczy sygnału sterującego.
Układ blokady wyłącza diodę, kiedy częstotliwość sygnału na wejściu zmniejszy się poniżej
ustalonej wartości progowej. Wyłączenie również wystąpi przy braku sygnału sterującego.
Celem działania układu blokady jest wydłużenie eksploatacyjnego okresu pracy diody
nadawczej.
Na płycie czołowej nadajnika zostały wyprowadzone sygnały z ważniejszych punktów
pomiarowych (p.p.) i są to:
-
p.p.1 – obserwacja sygnału wejściowego,
-
p.p.2 – obserwacja przebiegu na wyjściu układu sterującego,
-
p.p.3 – pośredni pomiar prądu diody,
-
p.p.4 – obserwacja sygnału układu blokady.
3. Przebieg ćwiczenia
1) Podłączyć wyjście generatora na jeden z kanałów oscyloskopu. Przebieg mierzonego
sygnału obserwować z uwzględnieniem składowej stałej. Przełącznikami generatora
dokonać odpowiednich ustawień, aby uzyskany sygnał spełniał następujące parametry:
a) Wybrać typ generowanego sygnału – prostokątny,
b) Napięcia w przedziale
: 0 ÷ 5V
(wejście nadajnika obsługuje bramka TTL)
c) Częstotliwość sygnału
: 2 MHz
2) Do gniazda WE nadajnika doprowadzić sygnał z generatora. W celu obserwacji sygnału
wejściowego należy połączyć p.p.1 z oscyloskopem. Kształt sygnału rejestrowany z p.p.1
może się różnić od sygnału mierzonego bezpośrednio z generatora. Wyjaśnij czym te
różnice są spowodowane.
3) Narysuj zaobserwowany przebieg z zaznaczeniem wartości napięć. Wyznacz czas zmian
napięcia na zboczu narastającym i opadającym (10%-90% amplitudy sygn.). Wyznacz
szybkość zmian napięcia narastającego/opadającego wyrażoną w V/s.
4) Przełącz oscyloskop do p.p.2 i powtórz czynności z punktu 3).
5) Przełącz oscyloskop do p.p.1 i zmień typ generowanego sygnału w generatorze na
piłokształtny. Pozostałe parametry sygnału pobudzającego pozostają niezmienione.
5
Dokonaj pomiaru tak jak to wykonano w punkcie 3) dla sygnału w p.p.1 i w p.p.2,.
Porównaj uzyskane rezultaty pomiaru z wartościami uzyskanymi przy poprzednim
pobudzeniu nadajnika.
Podaj jaki typ układu elektronicznego zastosowano w układzie sterującym?
6) Przełącz generator do pobudzenia sygnałem prostokątnym. Podłączyć oscyloskop do
p.p.3. Dla czterech kombinacji stanów przełączników P1 i P2:
a)
b)
c)
d)
P1 – off
P1 – on
P1 – off
P1 – on
P2 – off,
P2 – off,
P2 – on,
P2 – on.
Wyznacz:
a) wartości napięć z uwzględnieniem składowej stałej dla stanu wysokiego
(logiczne „1”) i niskiego (logiczne „0”) sygnału pobudzającego,
b) prąd płynący przez diodę nadawczą w poszczególnych stanach sygnału
pobudzającego,
c) czas narastania/opadania napięcia oraz szybkość zmian (V/s),
d) średnią moc optyczną we włóknie światłowodowym (pomiar miernikiem mocy
optycznej).
Wyjaśnij wpływ na kształt sygnału sterującego diodą nadawczą spowodowany
włączaniem poszczególnych obwodów.
7) Odłącz generator pobudzający od nadajnika. Wyznacz wartość prądu płynącego przez
diodę oraz moc optyczną przez nią emitowaną przy włączonej wstępnej polaryzacji.
Uzasadnij celowość stosowania wstępnej polaryzacji diody.
8) Zmierzone poziomy mocy optycznej na wyjściu nadajnika przelicz na Waty.
9) Zbadaj działanie układu blokady zmieniając częstotliwość sygnału generatora począwszy
od 5kHz i mierząc napięcie z uwzględnieniem składowej stałej w p.p.4.
Obserwując sygnał w p.p.4 zmniejszaj częstotliwość sygnału generatora do momentu
wystąpienia krótkich impulsów. Ich wystąpienie oznacza włączenie układu blokady. Czas
trwania impulsu jest czasem włączenia układu blokady. Dla następujących czasów
włączenia układu blokady: 10µs, 50µs i 100µs wyznacz:
a) czas świecenia diody nadawczej (należy obserwować sygnał w p.p.3),
b) średnią moc optyczną emitowaną przez diodę nadawczą.
10) Podaj wartość częstotliwości sygnału generatora, przy której zanika modulacja diody
nadawczej (zanik modulacji zauważysz obserwując przebieg w p.p.3).
6