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 ali, 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 unkcji prądu diody. Przykładowe charakterystyki przedstawiono na rysunkach 1, 2,. I 100 [ma] Pe 1 (jedn. wzgl) 0,5 1,2 2,2 U [V] 825 850 875 λ [nm] Rys.1 Charakterystyka prądowo napięciowa I = (U ) Rys.2 Charakterystyka widmowa Pe = (λ) 2
Pe 20 16 12 7 Ι [ma] 20 40 60 80 100 φ Rys. 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)
2. Schemat blokowy nadajnika i opis układu pomiarowego +5V 1 2 R 2 WE TTL Układ sterowania diodą Line Driver 74140 P 2 R 1 4 C P 1 Układ blokady R Rys.2. Schemat układu nadajnika światłowodowego do transmisji sygnałów cyrowych. 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 R 2 (22Ω) i R (500Ω) ograniczają prąd diody w czasie impulsu do około 120 ma. Rezystor pomiarowy R 2 umożliwia pomiar tego prądu (rys. 4). I 100 [ma] U1 U2 U [V] Rys. 5 Wstępna polaryzacja diody i zakres napięcia sterującego. 4
Rezystor R włączany przez przełącznik P 1 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 R 1 (przełącznik P 2 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. pośredni pomiar prądu diody, - p.p.4 obserwacja sygnału układu blokady.. 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. ) 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 ). 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 ) 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.. Dla czterech kombinacji stanów przełączników P 1 i P 2 : a) P 1 o P 2 o, b) P 1 on P 2 o, c) P 1 o P 2 on, d) P 1 on P 2 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.), 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.). 6