Учебный прибор по оптике

 

Сущность изобретения: устройство содержит основание 1, осветитель 2, вибратор 4, фотопреобразователи 5, 21, 29, осциллографы 6, 22, 30, источник 7 питания, генераторы сложных сигналов 8-10, переключатели 11 и 12, умножители 13, 15, 17, полосовые фильтры 14, 16, 18, ячейки Брэгга 19 и 24, линзы 20 и 26, диафрагмы 25 и 27, оптический клин 28. 4 ил.

Изобретение относится к учебным приборам по оптике и может быть использовано для изучения методов и средств при обработке сложных радиосигналов.

Известен учебный прибор по оптике, содержащий основание, осветитель, на пути распространения пучка света которого последовательно установлены первая ячейка Брэгга, объект с вибратором и первый фотопреобразователь, к выходу которого подключен первый осциллограф, три генератора сложных сигналов, к выходам которых через первый переключатель последовательно подключены первый умножитель, первый полосовой фильтр, второй умножитель, второй полосовой фильтр, третий умножитель и третий полосовой фильтр, при этом выходы первого, второго и третьего полосовых фильтров через второй переключатель подключены к пьезоэлектрическому преобразователю первой ячейки Брэгга, на пути распространения дифрагируемой части пучка света первой ячейки Брэгга установлена первая линза, в фокальной плоскости которой размещен второй фотопреобразователь, к выходу которого подключен второй осциллограф, вторые входы вибратора первого и второго осциллографов соединены с выходом источника питания [1] Недостатками известного устройства являются невысокие дидактические возможности устройства.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

На фиг. 1 представлена структурная схема прибора; на фиг. 2 вид возможных осциллограмм; на фиг. 3 взаимное расположение символьных частот сложных сигналов с многократной частотной манипуляцией; на фиг. 4 закон изменения фазы частотно-манипулированного (ЧМН) сигнала.

Учебный прибор по оптике содержит основание 1, осветитель 2, объект 3 с вибратором 4, первый фотопреобразователь 5, первый осциллограф 6, источник 7 питания, первый генератор 8 сложных фазоманипулированных (ФМН) сигналов, второй генератор 9 сложных частотно-манипули- рованных (ЧМН) сигналов, третий генератор 10 сложных частотномодулированных (ЧМ) сигналов, первый 11 и второй 12 переключатели, первый умножитель 13, первый полосовой фильтр 14, второй умножитель 15, второй полосовой фильтр 16, третий умножитель 17, третий полосовой фильтр 18, первую ячейку Брэгга 19, первую линзу 20, второй фотопреобразователь 21, второй осциллограф 22, третий переключатель 23, вторую ячейку Брэгга 24, первую диафрагму 25, вторую линзу 26, вторую диафрагму 27, оптический клин 28, третий фотопреобразователь 29 и осциллограф 30. Причем на пути распространения пучка света от осветителя 2 последовательно установлены ячейка Брэгга 19, ячейка Брэгга 24, объект 3 с вибратором 4 и фотопреобразователь 5, соединенный с осциллографом 6, который подключен к источнику 7 питания. Генераторы 8-10 сложных сигналов через переключатель 11 соединены с двумя входами умножителя 13, к выходу которого последовательно подключены полосовой фильтр 14, умножитель 15, полосовой фильтр 16, умножитель 17 и полосовой фильтр 18. Пьезоэлектрические преобразователи ячеек Брэгга 19 и 24 через переключатели 23 и 12 соединены с выходами переключателя 11 и полосовых фильтров 14, 16 и 18. На пути распространения дифрагируемой части пучка ячейки Брэгга 19 установлена линза 20, в фокальной плоскости которой размещен фотопреобразователь 21, соединенный с осциллографом 22, который подключен к источнику 7 питания. На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки Брэгга 24 последовательно установлены диафрагма 25, линза 26, диафрагма 27 и оптический клин 28. В фокальной плоскости линзы 26 размещен фотопреобразователь 29, соединенный с осциллографом 30, который подключен к источнику 7 питания. Все блоки прибора установлены на основании 1.

Прибор работает следующим образом.

При включении осветителя 2, в качестве которого могут быть использованы лазер и коллиматор, сколлимированный пучок света проходит через ячейки Брэгга 19 и 24 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 вибратор 4 приводит объект 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 объекта 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 I к устройству подключается генератор 8 сложных (ФМН) сигналов, который может работать в трех режимах. В первом режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн-2) [ϕ_к/(t) 0, π] Во втором режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с двукратной фазовой манипуляцией (ФМн-4) [ϕ_к/(t) 0, π/2, π 3/2 π] В третьем режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с трехкратной фазовой манипуляцией (ФМн-8).

[ ϕ_к(t) 0, π/4, π /2, 3/4 π, π, 5/4 π, 3/2 π 7/4 π] При работе в первом режиме генератор 8 формирует ФМн-2 сигнал U_c(t) V_c ˙ cos[2 π f_ct + + ϕ_к(t) + ϕ_c] 0 ≅ t ≅ T_c, где V_c, f_c, T_c, ϕ_c амплитуда, несущая частота, длительность и начальная фаза сигнала; ϕ_к(t) 0, π манипулируемая составляющая фазы сигнала, отображающая закон фазовой манипуляции, причем ϕ_к(t) const при К τ_и < t < (К+1) τ_и и может изменяться скачком при t к τ_и, т.е. на границах между элементарными посылками (К 1,2,N-1).

τ_u, N длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с N ˙τ_u).

Этот сигнал через переключатель 11 поступает на два входа умножителя 13, на выходе которого образуется гармоническое напряжение U₁(t) V₁ ˙cos(4 π f_ct + 2 ϕ_c), 0 ≅ t≅ T_c, где V₁ 1/2 KV_c²; К коэффициент передачи умножителя.

Так как 2 ϕ_к(t) 0,2π, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение U₁(t) выделяется полосовым фильтром 14 и поступает на два входа умножителя 15, на выходе которого образуется гармоническое напряжение U₂(t) V_c ˙cos(8 π f_ct + 4 ϕ_c), 0 ≅ t ≅ T_c, где V₂ 1/2 KV₁²
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 16 и поступает на два входа умножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
U₃(t) V₃˙ cos(16π f_ct + 8 ϕ_c), 0 ≅ t ≅ T_c, где V₃ 1/2 KV₂²
Это напряжение выделяется полосовым фильтром 18.

При постановке переключателей 12 и 23 в первое положение I 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 фотопреобразователь 21, соединенный с осциллографом 22.

Ячейка Брэгга 19 (24) состоит из звукопровода и возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненной из кристалла ниобата лития соответственно Х и Y-35^о среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брэгга и работу ячейки в широком диапазоне частот.

Ширина спектра ФМн-2 сигнала Δ f_c определяется длительностью τ_uэлементарных посылок ( Δ f_c 1/ τ_u).

Тогда как ширина спектра второй Δ f₂ четвертой Δ f₄ и восьмой Δ f₈ гармоник определяется длительностью Т_с сигнала ( Δf₂ Δ f₄Δ f₈= 1/Tc). Следовательно, при умножении фазы на два, четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается в N раз
( Δf_c/ Δf₂ Δf_c/Δf₄ Δ f_c/Δ f₈ N) и трансформируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания сложного ФМн-2 сигнала.

При установке переключателей 12 и 23 в первое положение I на экране осциллографа 22 визуально наблюдается амплитудный спектр ФМн-2 сигнала (фиг. 2а, I). При переключении переключателя 12 в положения II, III и IV на экране осциллографа 22 визуально наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.2а, II, III, IV).

Если генератор 8 переводится во второй режим, то на его выходе формируется ФМн-4 сигнал [ϕ_к(t)=0,π/2,π,3/2π]
В этом случае на выходе полосового фильтра 14 образуется ФМн-2 сигнал [ ϕ_к(t)= 0,π,2π,3π] а на выходе полосовых фильтров 16 и 18 образуются соответствующие гармонические напряжения U₂(t) и U₃(t). При нахождении переключателя 12 в положении I или II на экране осциллографа 22 наблюдается ФМн-2 и ФМн-4 сигналов (фиг.2б, I, II), а при переключении переключателя 12 в положении III или IV на экране осциллографа 22 наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.2б, III, IV).

Если генератор 8 переводится в третий режим, то на его выходе формируется ФМн-8 сигнал [ϕ_к(t) 0, π /4, π /2, 3/4 ππ 5/4π 3/2 π 7/4 π]
На выходах полосовых фильтров 14 и 16 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 18 образуется гармоническое напряжение U₃(t). В этом случае на экране осциллографа 22 при I, II и III положениях переключателя 12 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов (фиг.2в, I, II, III), а при IV положении переключателя 12 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг.2в, IV).

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 (ЧМн-2) (фиг.3а)
U_c(t) V_c ˙cos[2 π f_cpt+ ϕ (t)+ ϕ_c]
0 ≅ t ≅ T_c, где ϕ (t) изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг.4);
f_cp f₁ + f₂/2 средняя частота сигнала,
f₁ f_cp 1/4 τ_u
символьные частоты
f₂ f_cp + 1/4 τ_u
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 2 f₂ и 2 f₂ (фиг.2г, III). На выходе полосового фильтра 16 образуются две спектральные составляющие на частотах 4 f₁ и 4 f₂ (фиг.2г, III). А на выходе полосового фильтра 18 образуются две спектральные составляющие на частотах 8 f₁ и 8 f₂(фиг.2г, IV).

Если генератор 9 переводится во второй режим, то на его выходе образуется сложный сигнал с дуобинарной частотой манипуляцией (ЧМн-3). В этом случае на выходах полосовых фильтров 16 и 18 образуются спектральные составляющие на частотах 4 f₁, 4 f_cp, 4 f₂ (фиг.2д, III) и 8 f₁, 8 f_ср, 8 f₂ (фиг. 2д, IV), 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.2д, II).

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 формируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8 f₁, 8 f₃, 8 f_cp, 8 f₄, 8 f₂ (фиг.2е, IV). На выходах умножителей 13 и 15 сплошной спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как в этих случаях h < 1 (фиг.2е, II, III).

Если переключатель 11 переводится в третье положение III, то к устройству подключается генератор 10 сложных (ЧМ) сигналов, который работает в двух режимах.

В общем случае сложный ЧМ сигнал описывается следующим выражением
U_c(t) V_c ˙ cos(2 π f_ct + πγ t^j + ϕ_c),
0 ≅ t ≅ T_c, где V_c, f_c, T_c, ϕ_c амплитуда, начальная частота, длительность и начальная фаза сигнала;
γ=Δ f_g/T_c скорость изменения частоты внутри импульса;
j 2, 3 в зависимости от вида частотной модуляции. На выходах полосовых фильтров 14, 16 и 18 в этом случае образуются следующие напряжения:
U₄(t) V₁ ˙cos(4 π f_ct + 2 πγ t^j + 2ϕ_c ),
U₅(t) V₂ ˙cos(8 π f_ct + 4 πγ t^j + 4ϕ_c ),
U₆(t) V₃ ˙cos(16 π f_ct + 8 πγ t^j + 8 ϕ_c),
0 ≅ t ≅ T_c.

Так как длительность Т_с ЧМ сигнала на основной второй, четвертой и восьмой гармониках частоты одинакова, то увеличение γ в две, четыре и восемь раз происходит за счет увеличения в два, четыре и восемь раз девиации частоты Δ f_g. Из этого следует, что ширина спектра ЧМ-сигнала на второй Δf₂, четвертой Δ f₄ и восьмой Δ f₈ гармониках частоты в два, четыре и восемь раз больше его ширины fc на основной гармонике ( Δf₂ 2Δfc, Δf₄ 4Δf_c, Δf₈ 8Δf_c).

Следовательно, на экране осциллографа 22 при последовательном переводе переключателя 12 в положение II, III, IV наблюдаются амплитудные спектры ЧМ-сигналов, ширина которых в два, четыре и восемь раз больше ширины спектра Δ f_c и исходного ЧМ-сигнала (фиг.2ж). Это обстоятельство и является признаком распознавания ЧМ-сигнала.

Для определения вида частотной модуляции оператор переводит переключатель 23 во второе положение II, при котором генератор 10 через переключатели 11, 12 и 23 подключается к пьезоэлектрическому преобразователю ячейки Брэгга 24, на пути распространения дифрагируемой части пучка света которой последовательно установлены диафрагма 25, линза 26, диафрагма 27 и оптический клин 28. В фокальной плоскости линзы 26 размещен фотопреобразователь 29, соединенный с осциллографом 30.

Оптический клин 28 представляет собой маску, имеющую вид прозрачного равнобедренного треугольника на непрозрачном фоне. Прозрачность оптического клина изменяется по линейному закону вдоль оси ОХ, расположенной перпендикулярно дифрагированному пучку света. За счет диафрагм 26 и 27 размер апертуры выбран так, чтобы максимально локализовать в пространстве мгновенный спектр анализируемого ЧМ-сигнала. При этом ячейка Брэгга 24, диафрагмы 25 и 27, линза 26, оптический клин 28 и фотопреобразователь 29 образуют акустооптический демодулятор ЧМ-сигналов, на выходе которого образуется напряжение, пропорциональное закону частотной модуляции анализируемого сигнала.

В первом режиме (j 2) генератор 10 формирует сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), который визуально наблюдается на экране осциллографа 30 (фиг.3з, I, II, III).

Во втором режиме (j 3) генератор 10 формирует сигнал с квадратичной частотной модуляцией (КЧМ), который наблюдается на экране осциллографа 30 (фиг. 2з, IV).

Таким образом, предложенный прибор обеспечивает расширение дидактических возможностей устройства. Это достигается за счет распознавания вида частотной модуляции анализируемого сигнала.

Формула изобретения

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ОПТИКЕ, содержащий осветитель, оптически связанный через ячейку Брэгга с последовательно расположенными размещенным на вибраторе объектом и первым фотопреобразователем и с последовательно установленными в направлении распространения дифрагируемой части пучка света ячейки Брэгга линзой и размещенным в ее фокальной плоскости вторым фотопреобразователем, источник питания, соединенный выходом с входом вибратора и первыми входами первого и второго осциллографов, связанных вторыми входами с выходами соответствующих первого и второго фотопреобразователей, генераторы сложных сигналов, соединенные выходами через первый переключатель с последовательно включенными первым полосовым фильтром, вторым умножителем, вторым полосовым фильтром, третьим умножителем и третьим полосовым фильтром и первым выводом второго переключателя, подключенного вторым, третьим и четвертым выводами к выходам соответствующих полосовых фильтров и связанного дополнительно первым, вторым и третьим выводами с вторыми входами соответствующих умножителей, отличающийся тем, что он снабжен третьими переключателем и осциллографом, дополнительной ячейкой Брэгга, установленной на оптической оси между основной ячейкой Брэгга и объектом, и последовательно расположенными в направлении распространения дифрагируемой части пучка света дополнительной ячейки Брэгга первой дифрагмой, дополнительной линзой, второй диафрагмой, оптическим клином и третьим фотопреобразователем, размещенным в фокальной плоскости дополнительной линзы и соединенным выходом с первым входом третьего осциллографа, второй вход которого дополнительно соединен с выходом источника питания, причем пятый вывод второго переключателя связан с первым выводом третьего переключателя, второй и третий выводы которого подключены к входам пьезоэлектрических преобразователей основной и дополнительной ячеек Брэгга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4