Волоконно-оптический цифро-аналоговый преобразователь

Изобретение относится к средствам автоматики и вычислительной техники, например, в системе контроля объектов. Технический результат заключается в повышении надежности преобразователя за счет одностороннего расположения элементов приемного и излучающего каналов относительно мультиплексирующего элемента. Волоконно-оптический цифроаналоговый преобразователь содержит источник опорного напряжения 1, излучатель 2, передающий световод 3, оптический демультиплексор 4, первую группу световодов 5, группу фокусирующих граданов 6, оптические аттенюаторы на основе щелевых диафрагм 7-10, призму Порро 11, группу шторок 12, группу коллимирующих граданов 13, вторую группу световодов 14, оптический мультиплексор 15, приемный световод 16, фотоприемник 17, фотоусилитель 18, аналого-цифровой преобразователь 19. 4 ил.

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системе контроля энергонасыщенных объектов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является параллельный оптический цифроаналоговый преобразователь, содержащий источник опорного напряжения, излучатель, оптический демультиплексор, группу бинарных волоконно-оптических датчиков (БВОД), оптический мультиплексор, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) [Зеленский В.А., Гречишников В.М. Бинарные волоконно-оптические преобразователи в системах управления и контроля. - Самара: Самарский научный центр РАН, 2006. - 120 с., ил., с. 49-51].

Недостатком данного преобразователя является то, что передающие и приемные световоды расположены по разные стороны относительно чувствительных элементов БВОД, что приводит к увеличению габаритов устройства и уменьшению функциональных возможностей его применения.

В изобретении решается задача уменьшения габаритов устройства и повышения удобства эксплуатации преобразователя вследствие одностороннего расположения элементов приемного и излучающего каналов относительно мультиплексирующего элемента.

В известном параллельном оптическом цифроаналоговом преобразователе, содержащем источник опорного напряжения, излучатель, излучающий световод, оптический демультиплексор, группу БВОД на основе осевого рассогласования, оптический мультиплексор, фотоприемник, АЦП, причем один из выходов источника опорного напряжения соединен с входом излучателя, выход излучателя соединен с входом оптического демультиплексора. В предлагаемом волоконно-оптическом цифроаналоговом преобразователе четыре БВОД на основе осевого рассогласования заменены на четыре БВОД на основе щелевых диафрагм, каждый из которых имеет в своем составе фокусирующий градан, оптический аттенюатор на основе щелевой диафрагмы, независимую подвижную шторку, коллимирующий градан, введена прямоугольная призма Порро, фотоусилитель. Причем четыре выхода оптического демультиплексора соединены с соответствующими входами четырех фокусирующих граданов, выходы фокусирующих граданов соединены с соответствующими входами оптических аттенюаторов на основе щелевых диафрагм, выходы оптических аттенюаторов через технологический зазор оптически связаны с гипотенузной гранью призмы, в технологическом зазоре, для каждого оптического аттенюатора, установлена независимая подвижная шторка. Симметрично группе фокусирующих граданов относительно высоты, проведенной к основанию треугольной грани призмы, вплотную к гипотенузной грани призмы располагается группа из четырех коллимирующих граданов. Выходы коллимирующих граданов с помощью второй группы световодов связаны с входами оптического мультиплексора. Выход оптического мультиплексора с помощью приемного световода соединен с входом фотоприемника, выход которого соединен с первым входом фотоусилителя, второй вход фотоусилителя соединен со вторым выходом источника опорного напряжения, выход усилителя соединен с информационным входом АЦП, управляющий вход которого соединен с третьим выходом источника опорного напряжения, выход АЦП является выходом устройства.

На фиг. 1 показана функциональная схема преобразователя ВОЦАП; на фиг. 2 представлен набор оптических аттенюаторов на щелевых диафрагмах; на фиг. 3 представлено расположение фокусирующих и коллимирующих граданов относительно призмы Порро; на фиг. 4 показаны диаграммы, иллюстрирующие работу ВОЦАП.

В состав волоконно-оптического цифроаналогового преобразователя входит источник опорного напряжения 1, один из выходов которого соединен с входом излучателя 2, соединенного передающим световодом 3 с оптическим демультиплексором 4 (фиг. 1). Выходы оптического демультиплексора с помощью первой группы световодов 5 соединены с четырьмя фокусирующими граданами 6. Оптическое излучение, направленное в фокус градана, на выходе преобразуется в параллельный поток оптической энергии той же мощности. Выходы фокусирующих граданов 6 оптически соединены со входами оптических аттенюаторов 7-10, выполненных на основе щелевых диафрагм (см. фиг. 2), причем коэффициенты K₀-K₃ аттенюаторов 7-10 изменяются в виде ряда $$\frac{1}{2^n}$$ , при этом K₀=1, $$K_1=\frac{1}{2}$$ , $$K_2=\frac{1}{4}$$ , $$K_3=\frac{1}{8}$$ . Достигается это различными соотношениями S_i/S₀, где S_i и S₀ - площади прозрачных участков в диафрагмах с порядковым номером i и 0. Причем площади прозрачных участков S_i находятся в соотношении S_i=S₀2^-i, где S₀ - площадь отверстия диафрагмы в старшем разряде; i - номер разряда. На расстоянии? равном величине технологического зазора h_Т, от выходов оптических аттенюаторов расположена гипотенузная грань прямоугольной призмы Порро 11. В технологическом зазоре для каждого фокусирующего градана установлена независимая подвижная шторка 12, которая либо полностью выводится из зазора, либо вводится в него, полностью перекрывая поток оптического излучения. Группа из четырех коллимирующих граданов 13, расположенная симметрично группе фокусирующих граданов относительно плоскости высоты треугольной грани призмы Порро 11, установлена вплотную к гипотенузной грани призмы. Выходы коллимирующих граданов 13 с помощью второй группы световодов 14 связаны с входами оптического мультиплексора 15. Выход оптического мультиплексора с помощью приемного световода 16 соединен с входом фотоприемника 17, выход которого соединен с первым входом фотоусилителя 18, второй вход которого соединен со вторым выходом источника опорного напряжения 1, выход фотоусилителя соединен с информационным входом АЦП 19, управляющий вход которого соединен с третьим выходом источника опорного напряжения 1, выход АЦП 19 является выходом устройства.

Призма Порро 11 (см. фиг. 3,а) представляет собой изделие из стекла в форме прямой призмы с равнобедренным прямоугольным треугольником в основании. Световые потоки входят со стороны гипотенузной грани призмы, дважды испытывают полное внутреннее отражение от катетных граней и выходят через гипотенузную грань. Поскольку свет входит в призму и выходит из нее перпендикулярно поверхности, призма не является дисперсионной. Диаметры излучающих и приемных граданов равны d_ГЛ. Высота каждой независимой шторки h_ШТ=d_ГЛ. Чтобы обеспечить возможность независимого перемещения каждой шторки в «поле зрения» соответствующего фокусирующего градана, необходимо чтобы оси симметрии соседних фокусирующих граданов находились на расстоянии 2d_ГЛ. Технологический зазор между выходом оптических аттенюаторов и гипотенузной гранью призмы равен h_Г. Чтобы световой поток с выхода оптического аттенюатора попал на вход соответствующего коллимирующего градана, необходимо расположить группу коллимирующих граданов симметрично группе фокусирующих граданов относительно высоты треугольника, лежащего в основании призмы. Ввиду особенностей строения призмы (в основании призмы лежит прямоугольный равнобедренный равносторонний треугольник), учитывая законы геометрической оптики (равенство углов падения и отражения световых лучей), световые потоки входят в призму перпендикулярно ее гипотенузной грани, испытывают полное внутреннее отражение от катетной грани призмы, параллельно плоскости гипотенузной грани поступают на вторую катетную грань, где также испытывают полное внутреннее отражение, и перпендикулярно гипотенузной грани выходят из призмы и поступают в соответствующий коллимирующий градан. Расстояния между соседними излученными световыми потоками одинаковы и равны расстояниям между центрами фокусирующих граданов 2d_ГЛ. Расстояния между соседними принятыми световыми потоками также одинаковы и равны расстояниям между центрами коллимирующих граданов 2 d_ГЛ. Таким образом, оптические пути световых потоков, формируемых всеми БВОД, внутри призмы Порро равны между собой. Оптический путь каждого светового потока внутри призмы до оси симметрии SF (для случая n-разрядного ВОЦАП, см. фиг. 3,б) равен а+(n-1)b+с. Причем величина а равна оптическому пути светового потока фокусирующего градана нулевого разряда до его отражения от первой катетной грани призмы. Величина b равна 2d_ГЛ, т.е. расстоянию между центрами соседних фокусирующих граданов. Очевидно, что при увеличении оптического пути светового потока каждого следующего фокусирующего градана до отражения от первой катетной грани призмы на величину b на такую же величину уменьшается и оптический путь данного светового потока от отражения от первой катетной грани до оси симметрии SF. Этой особенностью объясняется наличие множителя (n-1). Величина с равна расстоянию от нижнего края фокусирующего градана (n-1)-разряда до оси симметрии SF. Полный оптический путь каждого светового потока внутри призмы (для случая n-разрядного ВОЦАП) соответственно равен 2 [a+(n-1)b+c]. Это определяет возможность формирования весовых коэффициентов за счет применения щелевых диафрагм, у которых площади прозрачных участков S находятся в соотношении S_i=S₀2^-i, где S₀ - площадь отверстия диафрагмы в старшем разряде; i - номер разряда. На выходе оптического мультиплексора формируется оптический квантованный сигнал, пропорциональный входному оптическому коду.

Преобразователь работает следующим образом.

Напряжение с первого выхода источника опорного напряжения задает ток накачки излучателя 2 и, соответственно уровень оптической мощности на его выходе, излучатель 2 создает направленное оптическое излучение, которое с помощью передающего световода 3 подводится к оптическому демультиплексору 4. В оптическом демультиплексоре происходит деление мощности этого излучения на четыре равных потока. Каждый поток с помощью одного из световодов 5 первой группы поступает в фокус градана 6 и на выходе последнего увеличивается по площади, но уменьшается по плотности. Мощность каждого потока при этом остается неизменной. Далее каждый световой поток через соответствующий оптический аттенюатор 7-10 получает свой весовой коэффициент в соответствии с рядом, причем $$\frac{1}{2^n}$$ , при этом K₀=1, $$K_1=\frac{1}{2}$$ , $$K_2=\frac{1}{4}$$ , $$K_3=\frac{1}{8}$$ , таким образом происходит кодировка входного кода ВОЦАП. Далее каждый световой поток (при условии, если соответствующая шторка 12 выведена из зазора) поступает на входной торец, являющийся гипотенузной гранью призмы Порро 11, внутри призмы каждый световой поток дважды испытывает полное внутреннее отражение от катетных граней, выходит из призмы через гипотенузную грань и попадает на входной торец соответствующего коллимирующего градана 13. С помощью второй группы световодов 14 оптические потоки с выходов коллимирующих граданов поступают в оптический мультиплексор 15, где промодулированные потоки складываются и с помощью приемного световода 16 воспринимаются фотоприемником 17. В фотоприемнике 17 оптическое излучение преобразуется в пропорциональный ему электрический сигнал. Фотоусилитель 18 усиливает этот сигнал, обеспечивая полный динамический диапазон для АЦП 19, уровень опорного напряжения которого задается с помощью напряжения с третьего выхода источника опорного напряжения 1. С помощью напряжения со второго выхода источника опорного напряжения 1 в фотоусилителе 18 происходит сдвиг уровней квантования ЦАП относительно уровней квантования АЦП (см. фиг. 4) таким образом, что:

где i=1,2,…,n, U_ОП - опорное напряжение фотоусилителя, m=2ⁿ - число уровней квантования,.

Благодаря этой манипуляции избавляемся от инструментальной погрешности АЦП. Код с выхода АЦП 19 является выходным кодом ВОЦАП.

Волоконно-оптический цифроаналоговый преобразователь, содержащий источник опорного напряжения, излучатель, передающий световод, оптический демультиплексор, группу БВОД, приемный световод, оптический мультиплексор, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, причем один из выходов источника опорного напряжения соединен с входом излучателя, выход излучателя соединен с входом оптического демультиплексора, отличающийся тем, что БВОД выполнены на основе щелевых диафрагм и каждый БВОД имеет в своем составе фокусирующий градан, оптический аттенюатор на основе щелевых диафрагм, независимую шторку, коллимирующий градан, введены прямоугольная призма Порро, усилитель, причем четыре выхода оптического демультиплексора соединены с соответствующими входами четырех фокусирующих граданов, выходы четырех фокусирующих граданов соединены с соответствующими входами оптических аттенюаторов на основе щелевых диафрагм, выходы которых оптически связаны с гипотенузной гранью призмы Порро, которая находится на расстоянии технологического зазора h_Т, необходимого для расположения в нем независимых подвижных шторок, симметрично относительно высоты, проведенной к основанию треугольной грани призмы, вплотную к гипотенузной грани призмы, располагаются входы группы из четырех коллимирующих граданов, выходы которых соединены с входами оптического мультиплексора, выход которого соединен с входом фотоприемника, выход фотоприемника соединен с первым входом фотоусилителя, второй вход которого соединен со вторым выходом источника опорного напряжения, выход фотоусилителя соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя АЦП, управляющий вход которого соединен с третьим выходом источника опорного напряжения, коэффициенты пропускания К₀-К₃ оптических аттенюаторов изменяются в соответствии с рядом 1/2ⁿ, диаметры фокусирующих и коллимирующих граданов d_гл равны высоте подвижной шторки h_шт, расстояние между осями симметрии соседних фокусирующих граданов равно 2d_гл.