П Е Н З Е Н С К И Й _ Г О С У Д А Р С Т В Е Н Н Ы Й

У Н И В Е Р С И Т Е Т

К А Ф Е Д Р А << Р Т и Р Э С >>

 

О Т Ч Е Т

о преддипломной практике на тему

 

<< П Е Р Е Д А Т Ч И К _ О П Т И Ч Е С К И Й

С И Г Н А Л А _ Т Е Л Е В И З И О Н Н О Г О >>

 

Выполнил:

Федюков А. А.

 

Работа принята:

Джазовский Н. Б.

 

 

ПЕРЕДАТЧИК ОПТИЧЕСКИЙ СИГНАЛА ТЕЛЕВИЗИОННОГО

ВНИМАНИЕ! ПЕРЕДАТЧИК, СХЕМА КОТОРОГО ЗДЕСЬ ПРИВЕДЕНА ВНОСИТ БОЛЬШИЕ ИСКАЖЕНИЯ. ОПИСАНИЕ ПРИВОДИТСЯ ТОЛЬКО ДЛЯ ОЗНАКОМЛЕНЕИЯ. ПОТОРЕНИЕ ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ.

Во многом задача передачи телевизионного сигнала по волоконно-оптическим кабелям подобна задаче его магнитной записи и воспроизведения. Дело в том, что больщинство выпускаемых промышленностью фотодиодов имеют невысокое быстродействие. Для волоконно-оптических линий связи /ВОЛС/ предпочтительнее использовать так называемые pin-фотодиоды и лавинные фотодиоды, однако звери они редкие и стоят, видать, дорого. По имеющимся у автора сведениям для фотодиодов распространенных типов достижима ширина полосы частот 10MHz или немного более. Поэтому вполне возможным кажется использование опыта, накопленного в технике магнитной записи. Там в бытовых видеоманитофонах ширина полосы частот канала записи-воспроизведения порядка 4MHz, а в студийных магнитофонах - порядка 12MHz. Поскольку при полосе частот в 4MHz сигналы цветности записать сразу не удается, в бытовых видеомагнитофонах используют преобразования спектра видеосигнала: с высоких частот сигналы цветности переносят на низкие, а яркостный сигнал сдвигают в область более высоких частот. При этом из-за ограниченной полосы частот канала записи-воспроизведения происходит заметная потеря четкости. В студийных магнитофонах полоса частот достаточно широка и к таким ухищрениям прибегать не приходится. И в бытовых и в студийных видеомагнитофонах на ленту записывают сигнал с частотной модуляцией /ЧМ/. ЧМ используется узкополосная, поскольку канал записи-воспроизведения ограничивает спектр ЧМ, то в литературе по магнитной видеозаписи встречается термин "однополосная частотная модуляция". Вариант с преобразованием спектра сложнее, дороже, габаритные размеры таких устройств достаточно велики /например, платы видеомагнитофона "Электроника ВМ-12"/, невысокая четкость изображения ограничивает сферу применения подобных устройств. Поэтому более разумным мне кажется довести полосу частот до 12-15MHz и передавать частотно-модулированный сигнал подобный использованному в студийных видеомагнитофонах. При частотной модуляции на приемной стороне вместо системы АРУ /а для телевизионного сигнала - ключевой АРУ/ оказывается возможным применить ограничитель амплитуды.

Для повышения помехоустойчивости можно применить под'ем АЧХ в каскаде перед частотным модулятором передатчика /предыскажения/ и спад АЧХ каскада, сдедующего за частотным детектором на приемной стороне. Такой способ повышения помехоустойчивости нашел применение не только в магнитной видеозаписи.

В волоконно-оптических системах связи для преобразования электрического сигнала в световой находят применение светоизлучающие диоды /CИД, LED/ и полупроводниковые лазеры. Эти приборы имеют много общего. Обычными для светодиодов являются рабочие токи порядка 10-20mA, для лазеров 50-100mA. Однако, поскольку лишь малая часть света от СИД, имеющего широкую диаграмму направленности излучения попадает в торец оптического волокна, имеющего диаметр порядка долей mm, рабочие токи светодиодов приходится доводить до 50mA и более. Поэтому можно сделать выводы, что с точки зрения источника электрического сигнала светодиоды и полупрооводниковые лазеры однотипны и что поскольку рабочие токи светоизлучающих приборов, применяемых в ВОЛС велики, то напрямую с частотного модулятора сигнал подать не удастся и приходится использовать усилитель.

Таким образом, вырисовывается следующая структурная схема передатчика :

Начнем с ЧМ. В радиотехнической литературе в основном описывается частотная модуляция гармоническим сигналом. Телевизионный сигнал синусоиду напоминает слабо, поэтому понятие среднего значения к немку применить сложно. Здесь лучше говорить об уровне синхноимпуьсов /УС/, уровне черного /УЧ/ и уровне белого /УБ/. В студийных видеомангитофонах УС соответствут частота порядка 7MHz, а УБ - порядна 10MHz. Эти значения примем за образец. Существует несколько вариантов построения частотного модулятора. Так распростраен способ, при котором используются два частотно-модулированных генератора /на один видеосигнал подается в положительной полярности, а на другой - в отрицательной/, работающих на частотах около 100MHz. С них сигналы подаются на смеситель, в котором возникают биения с относительно низкими частотами, подходящими для магнитной записи. Также распространено использование мультивибратора. Генераторы управлыемые напряжением /ГУН/ такого типа выпускаются в настоящее время в виде микросхем. Поскольку передатчик предполагается устанавливать вблизи телевизинной камеры, а в прикладном телевидении к габаритным размерам и температурному диапазону пред'являются повышенные требования, наилуцшим представляется использование микросхемы с мультивибратором, упраляемым по частоте.

Из выпускаемых промышленностью микросхем ГУН нам подходит 531ГГ1. При невысокой стоимости /порядка 5 р./ она может генрировать в широком диапазоне частот /от 1Hz до 60MHz/. Существенным ея недостатком является больщой потребляемый ток /до 150mA/, однако существует и маломощный вариант этой микросхемы. Схема частотного модулятора на 531ГГ1:

В микросхеме имеются два ГУН, из коих использован один. Второй ГУН использовать для каких-либо целей нежелательно. Дело в том, что ГУН находятся близко и между ними существуют сильные паразитные связи. Поэтому изготовитель не рекомендует использование обоих генераторов в режиме ГУН. Как оказалось в ходе проведенных автором изследований, имеет место явление синхнонизации и завата частоты. Так, например, емли один генератор работает на низкой частоте, а другой - на высокой /в моем опыте - 1MHz b 10MHz/, то период колебаний низкочастоного генератора менялся скачками, определяемыми периодом колебаний высокочастотного генератора. Избавиться от паразитных связей между генераторами не оказалось возможным.

Частота кодебаний ГУН задается присоединяемым к микросхеме конденсатором /выводы 12 и 13 "Ct "/. Электронное управление частотой можно осуществить при помощи выводов 1 "управление частотой /УЧ/" и 14 ''диапазон /Д/". При больших значениях напряжения на входе "Д" оказавается возможной частотная модуляция в более широкой полосе частот. Поэтому на вход "Д" было решено подать напряжение питания микросхемы, т. е., +5V. Для разных значений емкости частотозадающего кондесатора Ct были сняты зависимости частоты от напряжения упаравления частотой /УЧ/:

Из рассмотрения этого семейства кривых следует, что характеристика часстотного модулятора достаточно линейна в диапазоне 3-4V и для получения частоты порядка 10MHz требуется емкость порядка 30pF.

Рассмотрим теперь предварительный усилитель видеосигнала. При разработке оптического передатчика предполагалось, что источник /телевизионная камера/ выдает стандартный телевизионный сигнал размахом 1V. Из рассмотрения семейства характеристик частотного модулятора следует, что при таком размахе разность между мгновенными значениями частоты УС и УБ может быть получена и без дополнительного усиления, однако ради повышения помехоустойчивости в системах с частотной модуляцией видеосигналом /в той же магнитной видеозаписи/ применяются предыскажения видеосигнала. Здесь нужно также отметить, что при узкополосной частотной модуляции ширина спектра определяется не значением модулирующего напряжения, а шириною его полосы частот. Поэтому увеличение напряжения, подводимого к частотному модулятору не будет вызывать расширения полосы частот ЧМ-сигнала /пока девиация не превысит ширины спектра модулирующего напряжения - тогда это будет широкополосная ЧМ с вытекающими из нее последствиями/.

Сейчас большинство выпускаемых промышленностью микросхем операционных /ОУ/ усилителей практически не могут работать на частотах порядка единиц мегагерц. У наиболее быстродействующих /например, 544УД2, имеющего частоту единичного усиления 15MHz/ имеет место значительное снижение коэффициента усиления. Получается, что использовать ОУ, предполагая их усиление бесконечно большим, как привыкла почтенная публика, не выйдет. Также нужно заметить, что на высоких частотах в усилителях могут иметь место значительные фазовые сдвиги, поэтому схема с ОУ может работать неустойчиво или самовозбуждаться. Поэтому было решено предварительный усилитель видеосигнала выполнить на транзисторах. В качестве исходной была использована схема, описанная А. М. Пилтакяном:

Как видно схема представляет собою двухкаскадный усилитель с непосредственной связью между каскадами. Через сопротивление R4 усилитель охвачен отрицательной обратной связью. Данная схема имеет ровную АЧХ в широкой полосе частот /ибо разрабатывалась она для телевизоров/. Режим данной схемы по постоянному току вызывает у меня сильные сомнения: на эмиттере транзистора Т2 при работе его в линейном режиме потенциал примерно тот же, что и на его базе, т.е. на коллекторе Т1. Значит, ток, протекающий через R4 будет отпирать Т1; ток, протекающий через R2 также будет отпирать Т1. В результате Т1 может оказаться открыт слишком сильно. Я вполне допускаю, что при каких-то условиях Пилтакяну и впрямь удалось добиться от данной схемы нормальной работы, однако мне это не удавалось, поэтому в базовую цепь Т1 пришлось внести изменения. Коррекция АЧХ была выполнена путем введения конденсатора в эмиттерную цепь транзистора Т2 . Ниже приводится измененная схема видеоусилителя:

На рисунке также показано подключение прибора Х1-19, применявшегося для исследования АЧХ. Схема показала себя достаточно устойчивой, однако при уменьшении сопротивления во входной цепи менее 1kW все же могло иметь место самовозбуждение. Сопротивление во входной цепи кажется разумным выбирать 3kW и выше, при длинных проводах от схемы до питающего ее выпрямителя нужно устанавливать блокировочный конденсатор. В этой схеме для коррекции АЧХ используется конденсатор СК . Для улучшения стабильности характеристик, уменьшения влияния разброса параметров радиодеталей и снижения вносимых усилителем искажений эмиттерное сопротивление транзистора Т2 составлено из двух частей, поэтому некоторая ООС сохраняется и на высоких частотах. АЧХ для разлиных значений СК , зарисованные с экрана Х1-19 показаны на рисунке:

Из рассмотрения характеристик следует, что емкость корректирующего конденсатора CК должна быть в диапазоне 650-1000pF. Дальнейшие исследования проводились при CK=660pF /два трубчатых конденсатора по 330pF параллельно/. Схема имеет тот недостаток, что сингнал ООС снимается с эмиттера, а не с коллктора Т2. Если нагрузка имеет емкостную составляющую, ее сопротивление на высоких частотах будет снижаться и, значит, при неизменной амплитуде тока коллектора Т2, амплитуда напряжения на нагрузке при увеличении частоты будкт снижаться. Влияние емкости нагрузки на форму АЧХ можно проиллюстрировать следующим семейством характеристик:

Как видно из рисунка, при емкость нагрузки вляет в основном на частотах, превышающих 6MHz, т.е. при емкости до 30pF форма АЧХ в полосе частот до 6MHz вполне удовлетворительна и от нагрузки зависит мало.

В дальнейшем режим схемы по постоянному току был установлен таким образом, чтобы на выходе усилителя постоянная составляющая напряжения была 3.5V /для обеспечения нормальной работы частотного модулятора/. Полученная таким образом схема предварительного видеоусилителя с напряжениями в узлах пиведена на рисунке:

Напряжения, указанные на схеме измерялись ампервольтомметром типа Ц20. Поскольку в справочниках сведения о входной емкости и сопротивлении микросхемы частотного модулятора 531ГГ1 отсутствуют, были проведены дополнительные исследования. Оказалось, что входное сопротивление у нее весьма велико и на режим предварительного видеоусилителя заметного влияния не оказывает. Влияние входной емкости микросхемы можно оценить по следующим характеристикам, зариованным при ненагруженном выходе видеоусилителя и при подключенной микросхеме:

Как видно из рисунка, входная емкость частотного модулятора очень мала и почти не влияет на АЧХ видеоусилителя в рабочей полосе частот. Недостатком примененной схемы видеоусилителя является наличие разделительного конденсатора С1 у него на входе, что приводит к разрыву по постоянному току. Но применение разделительного конденсатора позволяет питать усилитель от одного источника, что весьма желательно. Для восстановления постоянной составляющей на приемной стороне может быть использована цепочка фиксации.

Для усиления мощности колебаний, вырабатываемых частотным модулятором используется усилитель сетодиода. Рассмотрим предъявляемые к нему требования. Выходной ток микросхемы 531ГГ1 не должен превышать 20mA, в то время как cветодиоды и полупроводниковые лазеры, применяемые в ВОЛС работают с токами 50-100mA. Было решено делать усилитель с линейной амплитудной характеристикой. Такая схема имеет по сравнению с усилителем, работающим в ключевом режиме имеет следующие преимушества:

- поскольку транзистор не насыщается, отпадают проблемы с рассасыванием заряда из базовой области и, значит, улучшаются частотные свойства. Становится возможным использование транзисторов с относительно низкой граничной частотой.

- появляется возможность сделать АЧХ усилителя с подъемом на высоких частотах чтобы хотя бы частично скомпенсировать завал АЧХ, вносимый фотодиодом и иже с ним усилителем фототока.

- в усилителе с линейной амплитудной характеристикой удастся избежать нежелательного взаимодействия между компонентами усиливаемого сигнала /при необходимостиможно будет к ЧМ видеосигналу подмешивать дополнительные сигналы/.

Отдельно следут заметить, что поскоьку микросхема 531ГГ1 представляет собою автогенератор типа мультивибратора, то, по идее, должна вырабатываь прямоугольные импульсы и, следовательно, можно вести речь о частотно-импульсной модуляции /ЧИМ/. Однако поскольку фронты импульсов в схеме "скругляются" /за счет существующих в ней паразитных емкостей, снижения усилительных свойств тразисторов на высоких частотах/, то вполне подходит и понятие частотной модуляции /ЧМ/.

Первоначально светодиод предполагалось использовать в обычной для него схеме включения, т.е. питать через гасящее сопротивление от генератора, характеристиками близкого к источнику напряжения /как в цепях индикации/. Схема такого варианта усилителя светодиода приведена на рисунке:

Схема проектировалась для получения как можно большего напряжения на нагрузке /светодиод последовательно с сопротивлением/. Для темостабилизации каскада в эмиттерной цепи транзистора использовалась лампа накаливания. На мой взляд такой способ стабилизации рабочей точки каскадов усиления напряжения позволяет получить КПД больший, чем у каскада с сопротивлением в эмиттерной цепи при той же стабильности. При увеличении силы тока, протекающего через транзистор нить лампы нагревается, ее сопротивление увеличивается и каскад оказывается охвачен более глубокой обратной связью. Надеюсь, что от такой схемы удастся добиться эффекта типа автоматической регулировки усиления.

Как указывалось выше, у АЧХ усилителя светодиода желательно получить под'ем с целью компесации завала, вносимого фотодиодом, светодиодом и другими элементами. Было решено добиваться под'ема на частоте 15MHz по отношению к частотам 5 ..10 MHz примерно в 3 раза. Как видно из рисунка /см. ниже/ наиболее подходящая АЧХ получется при емкости корректирующего конденсатора в эмиттерной цепи порядка 1 nF.

На частотах ниже 5MHz, не входящих в полосу частот ЧМ сигнала я стремился получить завал АЧХ по соображениям подавления помех /например, фона 50Hz/. Этот завал обеспечивается разделительным конденсатором в базовой цепи транзистора. АЧХ каскада при разных емкостях этого конденсатора показаны на рисунке:

По этому семейству характеристик была выбрана емкость разделительного конденсатора 68pF. Ниже представлена результирующая АЧХ каскада.

Можно заключить, что каскад, собранный по приведенной выше схеме показал себя вполне работоспособным, однако выявился и ряд его не недостатков. Прежде всего нужно обратить внимание на снижение коэффициента усиления на высоких частотах, вызванное эффектом Миллера /влиянием паразитной емкости между коллектором и базой транзистора/. Как известно, это явление наиболее проявляется в каскадах с большим коэффициентом усиления напряжения. Получается, что для более эффективного использования усилительных свойств транзистора и получения ровной или поднимающейся на высоких частотах АЧХ коэффициент усиления по напряжению надобно ограничить. Чтобы также уменьшить влияние нелинейности вольтамперной характеристики /ВАХ/ СИД, лучше усилитель делать типа управляемого источника тока. В результате мы приходим к следующей схеме усилителя светодиода:

Здесь приведена схема, собранная при макетировании /светодиод заменен сопротивлением 10W /. При такой схеме транзистор оказывается нагружен на сравнительно небольшое сопротивление светодиода /порядка десятков W / и усилние по напряжению невелико. Таким образом удается ослабить влияние эффекта Миллера. Как и в предыдущей схеме характеристики каскада на высоких частотах корректируются конденсатором в цепи эмиттера. На рисунке приведено семейство характеристик при использовании конденсаторов различной емкости. Также обозначен и тип конденсаторов, пскольку конденсаторы разных типов на высоких частотах по-разному влияют на АЧХ.

Как видно из рисунка перегиб АЧХ получется очень резкий и желательно поднять усиление на участке 5 .. 10 MHz. Для этого корректирующая цепочка требуется более сложная. Элементы Rea и Cea формитуют под'ем АЧХ в области 5 .. 10 MHz. Ниже приведены характеристики каскада при емксти 1000pF /максимум АЧХ на частоте около 15 MHz/, 5000pF / максимум АЧХ на частоте около 15 MHz / и сложной цепи коррекции.

С целью подавления колебаний с частотами ниже полосы частот ЧМ сигнала подбирался также разделительный конденсатор в базовой цепи . АЧХ каскада для разных емкостей этого конденсатора представлены на рисунке.

Из рассмотрения этого семейства характеристик выбрана емкость разделительного конденсатора 68pF.

В результате получается следующая схема усилителя светодиода:

Сопротитвление R11 установленно из соображений, чтобы выходной ток микросхемы частотного модулятора не превышал допустимого. Сопротивление R14 слоужит для контроля работы схемы. Его верхний по схеме вывод заземлени по переменному току через конденсатор C11. Таким образом в точке "Контр." получается падение напряжения, пропорциональное протекающему через светодиод току.

 

Общая схема передающего устройства:

 

В заключение отчечу, что по приведенной схеме был изготовлен и опробован оптический передатчик. В ходе его испытаний выяснилось, что модулятор при частотах модулирующего сигнала более 2MHz вносит значительные искажения. Ведется разработка передатчика с модулятором на микросхеме 1005ХА4, который сможет обеспечить качественную модуляцию в широкой полосе частот видеосигнала.

Hosted by uCoz