4. Разработка принципиальной схемы

В этой главе рассмотрены вопросы разработки открытого канала передачи информации в устройствах автоматизации производственных процессов. Приведены результаты исследования полупроводниковых лазерных излучателей, схемы передающей и приемной частей, результаты экспериментов по реализации открытого оптического канала связи.

Использование элементов оптоэлектроники для передачи информации известно достаточно давно и позволяет достичь высокой эффективности канала связи [3]. Некоторые технологические процессы требуют для передачи информации небольших расстояний ‑ от единиц до десятков метров, причем достаточно часто точки передачи и приема информации находятся в пределах прямой видимости.

В этом случае возможно создание открытого оптического канала связи, позволяющего не только снизить затраты на его организацию и монтаж, но и в ряде случаев эффективно решить проблемы электромагнитной совместимости и “развязки” сигнальных цепей, например в случае контроля параметров цепей, находящихся под высоким напряжением или в случае пространственного разделения точки передачи и приема информации препятствием, через которое невозможно проложить кабельную линию связи.

Вопрос создания открытого оптического канала связи для передачи технологической информации в настоящее время практически не изучен, что объясняется, в основном, отсутствием, до недавнего времени, достаточно эффективной элементной базы. В тоже время открытый оптический канал передачи информации уже много лет используется для управления бытовой техникой [2], что стимулировало развитие элементной базы до уровня достаточного для развития устройств пригодных для использования в управлении технологическими процессами.

Говоря об оптическом канале передачи информации, можно выделить следующие его составляющие: оптический передатчик, среду распространения, фотоприемник.

Оптический передатчик включает в себя схему формирования сигнала, схему контроля режимов работы оптического излучателя и сам оптический излучатель с необходимой оптической апертурой.

Схема формирования сигнала должна позволять управлять режимом работы оптического излучателя под воздействием информационного (модулирующего) сигнала, обеспечивая необходимые временные и энергетические характеристики.

Для передачи сигналов в открытом оптическом канале в настоящее время сформировалось два основных направления. Во-первых, это использование в качестве оптического излучателя инфракрасных светодиодов с длиной волны около 1 мкм, и, во-вторых, это использование инжекционных полупроводниковых лазеров инфракрасного и “красного” диапазонов длин волн. Использование указанных длин волн связано, в основном, со средой распространения, т.е. в случае открытого оптического канала ‑ с атмосферой, и имеющимися в ней так называемыми “окнами прозрачности”, где пространственное затухание сигнала невелико [1].

4.1. Разработка принципиальной схемы оптического передатчика

На логических элементах D1.1, D1.2, микросхемы серии К561, выполнен тактовый генератор по схеме симметричного мультивибратора, выходной сигнал которого подается через дифференцирующую цепь С3,R3, определяющую длительность выходного импульса, на первый вход схемы И, выполненной на элементе D1.4. При поступлении на другой вход этого же элемента информационного сигнала, на ее выходе формируется импульс большой скважности, который поступает на формирователь импульсов на транзисторах VT1...VT4 типа КТ316Б, с выхода которого импульсы, через токоограничивающий резистор R10, поступают на лазерный излучатель VD2. Диод VD1 служит для защиты лазерного излучателя от обратного напряжения, могущего возникнуть из-за перезаряда емкостей переходов транзисторов или наводок от работы технологического оборудования.

Питание на микросхему D1 подается на седьмой (“+” питания) и на четырнадцатый (“‑” питания) выводы. Благодаря применению КМОП ‑ микросхем и большой скважности импульсов, потребление передатчика от источника питания не превышает нескольких миллиампер, а импульсный ток через излучатель, определяющий дальность действия передатчика, ограничен резисторами R9, R10 на безопасном уровне. Минимальная длительность импульса на лазерном излучателе в описываемой схеме может быть достигнута величиной менее 0,1 мкс, что значительно лучше, чем возможности приемной части.

На рисунке 4.1 приведена схема оптического передатчика с использованием лазерного излучателя.

4.2. Расчет принципиальной схемы оптического передатчика

Для реализации тактового генератора, собранного по схеме симметричного мультивибратора, выбираем КМОП – микросхему К561ЛА7 [2]. Резисторы R1 и R2 в цепи обратной связи инверторов D1.1 и D1.2 выбираем типа С2-33-0,125-750 кОм ±5%. Известно, что период работы такого мультивибратора выражается формулой T=2,2RC. Частоту тактового генератора с учетом быстродействия приемного фотоэлемента выбираем в диапазоне от 2 до 3 кГц. Исходя из этого определяем период импульсов тактового генератора по формуле Т=1/f=1/2,5 кГц=0,4 кГц. Тогда емкость конденсатора С1 в плече мультивибратора будет равна: С=Т/2,2R=0,4*10³/2,2*750*10³=0,28*10^-9=280 пФ. Выбираем ближайший номинал по 5%-му ряду – 300 пФ.

Конденсаторы С1 и С2 принимаем в соответствии с расчетом типа К10-17-М47-300 пФ ±5%. Резисторы R3 и R4, служащие для привязки входов логической микросхемы, выбираем равными R1 и R2. диод VD1, служащий для увеличения быстродействия оптического излучателя и его защиты выбираем типа КД510А [7]. Резисторы R9 и R10, служащие для ограничения токов оптического излучателя и входных транзисторов, выбираем исходя из предельного тока в цепи 47 Ом. Суммарная мощность, рассеимаеваимая на этих резисторах не превышает величины P_∑=E_пит²/R_∑=5²/(47+47)=0,27 Вт. Исходя из этого выбираем резисторы R9 и R10 типа С2-33-0,125-47 Ом ±5%.

Ток в излучателе принимаем равным 20 мА. Транзисторы VT1…VT4 выбираем из обеспечения необходимой крутизны фронтов на тактовой частоте типа КТ316Б [7]. Их параметры следующие:

h21=40-120	Iк=30 мА
Uкэ=10 В	Ск=3 пФ
Uкб=10 в	Рмакс=150 мВт

h₂₁ – средний коэффициент усиления по току, который принимаем равным 50. Напряжение источника питания складывается из следующих величин: Е_пит=U_R6+U_бэ2+U_бэ3+I_зад*R10+U_изл, где U_R6 – падение напряжения на резисторе R6; U_бэ2=U_бэ3=0,7 В – падение напряжения на переходе база-эмиттер транзисторов VT2 и VT3; U_изл – напряжение на излучающем светодиоде, равное 2 В. Исходя из этой формулы определяем падение напряжения на резисторе R6: U_R6= Е_пит-U_изл-U_бэ2-U_бэ3-I_зад*R10=5-2-0,7-0,7-20*10^-3*47=0,6 В. Зная падение напряжения на резисторе R6 определяем его сопротивление: R6=U_R6*h₂₁²/I_вых=0,6*50²/20*10^-3=75*10³=75 кОм

I_R6=U_R6/R6=0,6/75*10³=8*10^-6 А

Определяем рассеимаевую мощность резистора как

P_R6=U_R6*I_R6=0,6*8*10^-6=4,8*10^-6 Вт

Выбираем резистор R6 типа С2-33-0,125-75 кОм ±5%. Резистор R7, осуществляющий привязку базы транзистора VT4, выбираем аналогично. Определяем ток базы транзистора VT1 как I_б1=I_R6/h₂₁=8*10^-6/50=0,16*10^-6 А.

Тогда сопротивление резистора R5 будет равно:

R5=(E_пит-2U_бэ)/k_н*I_б1=(5-2*0,7)/3*0,16*10^-6=7,5*10⁶ Ом

Учитывая малую мощность рассеивания резистора R5 принимаем его типа С2-33-0,125-7,5 Мом ±5%. Блокировочные конденсаторы выбираем конденсатор С4 типа К10-17-Н30-0,01 мкФ, а конденсатор С5 типа К53-19-16В-10 мкФ.

4.3. Разработка принципиальной схемы оптического приемника

Учитывая, что фотоприемник предназначен для открытого оптического канала в нем использована типовая схема компенсации светового фона [4], выполненная на транзисторах VT1...VT3, постоянные времени интегрирующих цепей которой были согласованы с рабочими параметрами оптического передатчика и свойствами приемного фотодиода VD1.

На транзисторах VT4...VT7 выполнен широкополосный усилитель импульсов, позволяющий работать с импульсами длительностью менее 0,1 мкс. Быстродействие оптического приемника определяет быстродействие всего канала оптической связи из-за значительной постоянной времени, образованной емкостью фотодиода VD1, резистором R2 и большим внутренним сопротивлением стабилизатора тока на транзисторе VT1. При снижении этой постоянной времени за счет уменьшения резистора R2 значительно снижается чувствительность фотоприемника, а, следовательно, и дальность действия всего канала оптической связи.

Экспериментально установлено, что при использовании в качестве VD1 фотодиода типа ФД24 не следует использовать в канале связи импульсы длительностью менее 5 мкс. Так же экспериментально установлено, что, не смотря на справочные данные фотодиодов типа ФД320, ФД263, ФД-3 и других, широко применяемых в телевизионных системах инфракрасного управления, согласно которым нижняя граница принимаемого излучения находится на уровне 0,4 мкм, они мало чувствительны к лазерному излучению красного цвета с длиной волны 0,64 мкм.

Схема оптического фотоприемника для приема лазерного излучения представлена на рисунке 4.3.

4.4  Расчет принципиальной схемы оптического приемника

Учитывая достаточно высокую скорость передачи информационного сигнала в оптическом канале выбираем транзисторы VT1…VT3 типа КТ3102Б, VT5…VT7 типа КТ316Б, VT4 типа КП303Г. Ток рабочей точки транзистораVT3 выбираем равным 2 мА, тогда I_э2=I_б3=I_r3/h_{21 VT3}. При среднем коэффициенте усиления по току h₂₁ транзистора VT3 равном 100 получаем: I_б3=2*10^-3/100=2*10^-5 А. Сопротивление резистора R3 значительно больше входного сопротивления каскада на транзисторе VT3, равное 1 МОм. Аналогично выбираем резистор R2, служащий для привязки базы транзистора VT2 при отсутствии светового излучения. Учитывая малую рассеимаевую мощность в этом каскаде, принимаем их типа С2-33-0,125-1МО м ±5%. Напряжение на базе транзистора VT1 принимаем 1В, ток коллектора в номинальном режиме работы равным 0,1 мА и равным току резистора R1, а напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1 0,7 В. Тогда падение напряжения на резисторе R1 будет равно:

U_R1=U_б1-U_бэ1=1-0,7=0,3 В

Сопротивление резистора R1 равно: R1=U_R1/I_R1=0,3/0,1*10^-3=3*10³ Ом=3кОм. Мощность, рассеимаевая на резисторе R1 равна:

P_R1=U_R1*I_R1=0,3*0,1*10^-3=0,03*10^-3 Вт

Резистор R1 выбираем типа С2-33-0,125-3 кОм ±5%

Для линейности усиления выбираем потенциал на коллекторе транзистора VT2 равным половине напряжения источника питания:

U_к2=0,5Е_пит=2,5 В. Напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT3 выбираем 1 В. Тогда сопротивление резистора R6 будет равно:

R6=0,5E_пит/I_к3=0,5*5/2*10^-3=1,25*10³ Ом=1,25 кОм

Падение напряжения на резисторе R6 равно:

U_R6=I_к3*R6=2*10^-3*1,25*10³=2,5 В

Мощность, рассеимаевая на резисторе R6, равна:

P_R6=I_к3²*R6=(2*10^-3)²*1,25*10³=5*10^-3 Вт=5 мВт

Выбираем резистор R6 типа С2-33-0,125-1,2 кОм ±5%

Для создания отрицательной обратной связи, улучшающей температурную стабильность усилителя, принимаем падение напряжения на резисторе R7 равным 0,3 В. Тогда сопротивление резистора R7 будет равно:

R7=U_R7/I_к3=0,3/2*10^-3=0,15*10³=150 Ом

Мощность, рассеимаевая на резисторе R7, равна:

P_R7=I_к3²*R7=(2*10^-3)²*150=600*10^-6 Вт

Принимаем резистор R7 типа С2-33-0,125-150 Ом ±5%. Падение напряжения на резисторе R5 равно:

U_R5=E_пит-U_R6-U_кэ3-U_R7-U_б1=5-2,5-1-0,3-1=0,2 В

Сопротивление резистора R5 равно:

R5=U_R5/I_к2=0,2/2*10^-3=100 Ом

Ток базы транзистора VT1 равен I_б1=I_к1/h₂₁=0,1*10^-3/100=0,1*10^-5 А. Тогда сопротивление резистора R4 будет равно:

R4=U_б1/(I_к3-I_б1)»U_б1/I_к3=1/2*10^-3=0,5*10³=500 Ом

Мощность, рассеимаевая на резисторе R4, равна:

P_R4=I_к3²*R4=(2*10^-3)²*500=2*10^-9 Вт

Выбираем резистор R4 типа С2-33-0,125-510 Ом ±10%

Емкость конденсатора выбираем из условия С1*R4>Т_имп или же С1>Т_имп/R4. Т_имп/R4=400/500=0,8*10^-6Ф. Принимаем емкость конденсатора С1 равной 1 мкФ и выбираем конденсатор типа К10-17. Сопротивление резистора R8 принимаем равным сопротивлению резистора R4. Емкость конденсатора С2 выбираем из условия R8*C2»0,1Т_имп,т.е.С2=0,1Т_имп/R8=0,1*400/500=0,08*10^-6 Ф. Принимаем емкость конденсатора С2 равной 0,1 мкФ и выбираем конденсатор типа К10-17.

Расчет остальной части схемы аналогичен и является типовым [1], поэтому, учитывая ограниченный объем пояснительной записки, расчет не приводится, а результаты расчетов приведены в перечне элементов.

4.5. Экспериментальное исследование разработанных схем

При модулировании схем оптического канала связи были сняты следующие осциллограммы, отражающие принцип работы схем и приведенные на лист 4.

Первая осциллограмма оптического передатчика снята на выходе встроенного генератора, собранного по схеме симметричного мультивибратора.

Вторая осциллограмма показывает импульсы информационного сигнала.

Третья осциллограмма снята на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ, на первый вход которого поступает сигнал со встроенного генератора, а на второй вход поступает сигнал от источника дискретной информации.

Четвертая осциллограмма снята на выходе оптического передатчика и на ней отображен закодированный информационный сигнал.

Первая осциллограмма оптического приемника снята на входе этого приемника и на ней отображен входящий информационный сигнал. Кроме информационного сигнала на осциллограмме виден фон, создаваемый световым потоком.

Вторая осциллограмма снята после выхода предварительного усилителя оптического приемника.

Третья осциллограмма снята на выходе оптического приемника. На ней показан усиленный информационный сигнал, но уже без светового фона, т.к. в схеме оптического приемника предусмотрен компенсатор светового фона.