Учебный прибор по оптике

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sj)s G 09 В 23/22

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1010643 (21) 4921247/12 (22) 25.03.91 (46) 23.10.92. Бюл. % 39 (72) В.И.Дикарев, Б.В.Кромский и В.В.Федоров (56) Авторское свидетельство СССР

М 1010643, кл, G 09 В 23/22, 1979. (54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ОПТИКЕ (57 Сущность изобретения: устройство со. Ы„„1770974 А2 держит; 1 основание (1), 1 осветитель (2), 1 объект с вибратором (3, 4), 2 фотопреобразователя (5, 21). 2 осциллографа (6, 22), 1 источник питания (7), 3 генератора сложных сигналов (8, 9, 10), 2 переключателя (11, 12), 3 умножителя (13, 15, 17), 3 полосов ых фильтра (14, 16, 18), 1 ячейку Брэгга (19, 1 линзу (20). 2-19-20-21-22, 19-(3.4)-5-f -7-4-22, (8.9,10)-11-12, 11-13-14-12. 12-15-16-12, 1217-18-12. 12-19. 4 ил.

1770974 л 3 5 3 2 (p(t)=О.<,<л,л,<л, л, - л), тель 12 соединен с выходами переключателя11иполосовыхфильтров14, При работе в первом режиме генератор 8

16 и 18. На пути распространения дифраги- 50 формирует ФМн-2 сигнал руемой части пучка света ячейки Брэгга 19

U<(t) = Часов(2л 1, + p<(t) + р,),0 л (Т,, установлена линза 20, в фокальной плоскости которой установлен фотопреобразователь 21, соединенный с осциллографом 22, который подключен к источнику питания 7.

Все блоки прибора установлены на основа- нии 1. где V<, 4, Тс, р — амплитуда, несущая частота, длительность и начальная Фаза сигнала;

p<(t) = 0 z — манипулируемая составляющая фазы сигнала, отображающая закон фазовой манипуляции. причем у (t = const

В последние годы широкое применение находит акустооптическая обработка радиосигналов. При этом п:новной особенноИзобретение относится к учебным приборам по оптике. Известен учебный прибор по оптике, содержащий основание, осветитель, объект с вибратором, фотопреобразователь. осциллограф и источник питания, Недостатком известного устройства являются невысокие дидактические возможности.

Целью изобретения является повышение дидактических возможностей, На фиг,1 представлена структурная схема прибора; на фиг.2 — вид возможных осциллограмм; на фиг,3 — взаимное расположение силовых частот сложных сигналов с многократной частотной модуляцией: на фиг.4 —, закон изменения фазы частотно-манипулированного (ЧМн) сигнала изображен, . Учебныч1 прибор по оптике содержит основания 1, осветитель 2, объект 3 вибратором 4, первый фотопреобразователь 5, первый осциллограф 6, источник питания 7, первый генератор 8 сложных фазоманипулированных (ФМн) сигналов, второй генератор 9 сложных частотно-манипулированных (ЧМн) сигналов, третий генератор 10 сложных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), первый и второй переключатели 11 и 12, умножитель 13. первый полосовой фильтр 14, второй умножитель 15, второй полосовой фильтр 16, умножитель

17, третий полосовой фильтр 18, ячейку

Брэгга 19, линзу 20, второй фотопреобразователь 21 и второй осциллограф 22, Причем на пути распространения пучка света от осветителя 2 последовательно установлены ячейка Брэгга 19, объект 3 с вибратором 4 и фотопреобразователь 5, соединенный с осциллографом 6, который подключен к источнику питания 7. Генератор 8, 9 и 10 сложных сигналов через переключатель 11 соединен с двумя входами умножителя 13, к выходу которого последовательно подключены полосовой фильтр 14, умножитель 15, полосовой фильтр 16, умножитель 17 и паласовой фильтр 18. Пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 19 через переключа5

45 стью акустооптической обработки радиосигналов пространственная двумерная оптических сигналов, в связи " чем возможности обработки радиосигналов в оптическом диапазоне оказываются существенно шире, чем в радиодиапэзоне, где радиосигнал имеет временную одномерность.

Указанная особенность наглядно демонстрируется предлагаемым прибором.

Прибор работает следующим образом.

При включении осветителя 2, в качестве которого могут быть использованы лазер и коллиматор, пучок света проходит через ячейку Брэгга 19 и объект 3. Последний вызывает интерференцию, в результате чего световой пучок пространственно перераспределяется и некоторая часть его попадает на фотопреобразователь 5. При подаче напряжения от источника питания 7 вибратор

4 приводит объек. 3 в колебательное движение, синхронно с движением луча индикатора 6 по экрану и в различные моменты времени на фотопреобразователь 5 попадают различные части пространственно перераспределенного объектом 3 светового пучка. На экране осциллографа 6 возникает картина пространственного распределения энергии в световом пучке, например, для явления интерференции, При постановке переключателя 11 в первое положение 1 подключается генератор 8 сложных (ФМн) сигналов, который может.работать в трех режимах. В первом режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с бинарной фазовой маниг уляцией (ФМн-2)(рф) = 0, л). Во втором режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с двукратной фазовой манипуляциел (ФМн4)(p(t) = О,,л, л). В гретьем режиме л 3 генератор 8 формирует сложный сигнал с трехкратной фазовой манипуляцией (ФМн1770974 символьные частоты

Если переключатель 11 переводится во

Второе положение II, то к устройству подключается генератор 9 сложных ЧМн сигналов, который также работает в трех режимах. В первом режиме генератор 9 формирует сигнал с минимальной частотной манипуляцией (ФМн-2) (фиг.3а) Uc(t) = Vc соз(2 л fcpt — ср(1) + pc), 0 ò Тс, где гф) — изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг.4); 7 +12

1ср =- †-- — средняя частота сигнала, 2 1 1 = fcp

4г, 1 2 = fcp+

4 Гл

В этом случае на выходе полосового фильтра 14 образуется ЧМн сигнал с индексом девиации частоты h = 1, Причем его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fli и 2f2 (фиг.2о)., Ha выходе полосового фильтра 16 образуются две спектральные составляющие на частотах 4f1 и 4f2 (фиг.2п), а на выходе полосового фильтра 18 образуются две спектральные составляющие на частотах Bf1 и Bf2 (фиг.2р).

Если генератор 9 переводится во второй режим, то на его выходе образуется сложный сигнал с дуобинарной частотной манипуляцией (ЧМн-3). В этом случае на выходах полосовьгх фильтров 16 и 18 образуются три спектральные составляющие на частотах 4f1. 4fcp. 4f2 (фиг.2у) и Bf1. Bfcp, 8f2 (фиг.2ф), т.е. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие.

На выходе умножителя 13 спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h < 1 (фиг.2т).

Если генератор 9 переводится в третий режим, то на его выходе формируется сложный сигнал со скруглением (ЧМн-5), На выходе умножителя 17 спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах

811, 8f3, 8fcp, Bf4, Sf2 (фиг,2ш). На выходах умножителей 13 и 15 сплошной спектр ЧМн5 сигнала тра сформируется s другие сплошные спектры, так как в этих случаях

h < 1 (фиг.2ц,ч).

Если переключатель 11 переводится в третье III положение, то к устройству подключается ЛЧМ генератор 10, на выходе котОРОгО фоРмиРУетсЯ сигнал Uc(t) = Чс

COS(2 Л1,t - .Т;1 — pc). 0

40, — 9 j = — = 9 — скорость изменения -эстоть, Внутiñ ри импульса;

Жд — девиация частоты, На выходе перемно>кителя 13 обра"-уется

Л IM сигнал

04(1) = V1 сов(4 л1ст+ 2л ) т + 2 р,>, 0 t «Tc который выделяется полосовым фильтром

14. Так как длительность Тс ЛЧМ си нала на основной и удвоенной частотах Одинакова. то увеличение ) в двл раза происходит за счет увели ения в два раза девиации астоты Мд. Из этого следует, что ширина c:ïå;TDB

ЛЧМ сигнала на удвоенной частоте Ж2 B два раза больше его ширины на основной частоте Afсc(Af2 = 2 ЖД (фиг.2э).

Аналогично на выходах перемно>кителей !5 и 17 ширина спектра ЛЧМ сигнала увеличивается в четыре и восемь раз (Af4 =

4 Мс, 6Й 8 Ь|с), (фиг.2 io я). Это обстоятельство и является признака распознавания ЛЧМ сигнала.

Таким образом прибор по ср= нони o c прототипом обеспечивает наглядну о демонстрацию акустоопти -,еской О . О"-:áoòêè

CflO>KHbiX РдДИОСИ Г нэпов: ЗОЗМ O> к НОСТЬ трансформации радиод:;апазона В ОгггическиЙ диапазон через i iooi " ежуточный ак} стический аналОг; Возможнссть преобразоВания амплитудных, частот ь:х и I1азовых различий радиосигналов в грос-.;..анственные различ11я оптических сигналов: возможность паоаплельной, Одновременный и практически мгновенной обарбот н большого количества радиосигналов: возможность свертки спектра сложных радиосигналов и трансформации pro В огдельные спектральные составляющие.

Формула изобретения

Учебный прибор по оптике по авт.св, N.

1010643. о т л и ч а ю щ и Й с я тем. что с целью расширения дидактических возможностей, он снабжен генераторами сложных сигналов, переключателями, последовательно включенными умножителями и полосовыми фильтрами, ячейкой Брзгга, линзой и дополнительными фотопреобразователем и осциллографом, при этом вь,ходь. генераторов сложных сигналов соединень с первым выводом первого переключателя, первый, BTopoN и третий выводы Втooolo переключателя связаны с входами умножителей, а выходы полосовых фильтров подключены соответ-твенно к Второму, третьему и четвертому выводам Второго переключателя, пятый вывод которого oâÿçëH

1770974

f p(t) = О, л. 2 л, Зл), 35

55 при k т,< t < (k+1) zп и может изменяться скачком при t=k t>, т.е, на границах между элементарными посылками (К=1,2,...,N-1); тпN — длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тс(Тс=й гп)

Этот сигнал переключатель 11 поступает на два входа умно>кителя 13, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U 1(т) = \/1 сов(4 л1 т + 2 p), 0

К вЂ” коэффициент передачи умножителя.

Так как 2 pc(t) - 0,2 7г, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение выделяется полосовым фильтром 14 и поступает на два входа умножителя 15, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ug(t) = Ог cos(8 А 1 + 4 p ), О t

1 а

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 16 и поступает на два входа умножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Оз(1) = Чз сов(16 т fct + 8 pc). О <с <Т, где Чз=.— Юг . г

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 18, При постановки переключателя 12 в первом положение 1 ФМн-2 сигнал поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 19.

Пучок света от осветителя 2 проходит через ячейку Брэгга 19 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных

ФМн-2 сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света, а дифрагирует приблизительно 1/10 часть основного пучка света, установлена линза 20, формирующая пространственный спектр сложного ФМн-2 сигнала, В фокальной плоскости линзы 20 установлен фотопреобраэователь 21, соединенный с осциллографом

22

Ячейка Брэгга 19 состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненный из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y — 35 среза. Это обеспечивает автомати5

30 ческую подстройку по углу Брегга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала hfc определяется длительностью т элементарных

=l посылок(ЙХс = — ). Тогда как ширина спектра гп второй /Мг, четвертой hf< и восьмой hfdf гармоник определяется длительностью Т, сиг1 нала (Л г = hf< = Л1в == — ). Следовательно.

Тс при умножении фазы на два. четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала "сворачивается в N раз(- - - = = - = N) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания сложного ФМн-2 сигнала.

При установке переключателя 12 в первое положение 1 на экране осциллографа 22 визуально наблюдается амплитудный спектр ФМн-2 сигнала (фиг.2а). При переключении переключателя в положения (1, III и 1\/ на экране осциллографа 22 визуально наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.26. в. г).

Если генератор 8 переводится во второй режим, то на его выходе формируется ФМнЛ 3

4 сигнал (y<(t) = О,, т, т л j. В этом случае на выходе полосового фильтра 14 осразуется ФМн-2 сигнал а на выходе полосовых фильтров 16 и 18 образуются соответствующие га рмонические напряжения U2(t) и Ug(t), при нахождении переключателя 12 в положении! или II на экране осциллографа 22 наблюдаются спектры ФМн-4 или ФМн-2 сигналов (фиг.2д, е), а при переключении переключателя 12 в положения III и И на экране осциллографа 22 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.2ж, з).

Если генератор 8 переводится в третий режим, то на его выходе формируется ФМн-8 сигнал f +t) = О 4 1 g д л л 4 л, ту 7т 1 л), лл 3 5; 2

На выходах полосовых фильтров 14 и 16 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 18 образуется гармоническое напряжение Uz(t). В этом случае на экране осциллографа 22 при I. II u

lll положениях переключателя 12 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов (фиг.2 и,к,л). à при iV положении переключателя 12 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг,2м).

1770974

Жч-2

В н-4

ЧМн-2 Вн-3 электрически с ячейкой Брэгга, расположенной на оптической оси между осветителем и обьектом с вибратором, ячейка Брэгга оптически связана с линзой, в фокальной плоскости которой установлен дополнительный фотопреобразователь, соединенный выходом с первым входом дополнительного осциллографа. причем второй вывод первого переключателя соединен с первым выводом второго переключателя. а

5 выход источника питания связан с вторым входом дополнительного осциллографа.

ЧМн-б

Щ ла

1770974

Редактор Т.Иванова

Заказ 3743 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 J(3 у

Jl

«3У

2 еф

Составитель В.Федоров

Техред М.Моргентал Корректор Н,Бучок