Реферат: Разработка фотоприемного устройства волоконно-оптической системы передачи информации (ВОСПИ)

Необходимое значение ОС: F = 1 + S · Rэос

Коэффициент усиления усилителя без ОС (К) должен быть достаточным для обеспечения заданного значения К, при требуемой величине F:

По номиналу RЭОС(R10) = 22(Ом), тогда требуется глубина местной обратной связи равной:

         F = 1 + 0,2 · 2,2 = 5,5

Цепь Г – образных RC фильтров в цепи питания используется из условия выполнения двух требований:

·       Минимальные потери напряжения источника питания;

·       Обеспечение устранения самовозбуждения из-за паразитной обратной связи между каскадами на сопротивлении питающих проводов и внутренним сопротивлением источника питания;

4.3           Расчет частотных характеристик цепи усилителя.

Определим граничную частоту усиления ФПУ. Коэффициент усиления К цепи, как функцию передачи информации линейной цепи, представить в операторной форме [9]:

где U2(p) – напряжение на выходе фотоприемного устройства

U1(p) – напряжение на нагрузке ФД т.е. на комплексном сопротивлении по переменному току, действующему между базой входного транзистора и общим проводом.

         К(р) – общий коэффициент усиления всех каскадов ФПУ, кроме выходного.

         Jф – фотопоток сигнала

         Zвх,F – входное сопротивление ФПУ при действии общей ОС, охватывающей первых 2 каскада:

         В нашем случае К(р) = К1(р) · К2(р) и К(р) = К1 · К2 = К2, так как

К1 = 1 и усиление этих каскадов можно считать в нашем частотном диапазоне постоянным.

         Тогда при использовании формулы Блеймана, найдем Zвх,F:

            [7]

         Fкз = 1;      Fxx = 1 + кβ(р) , где

В результате получим:

1+ B0 · K = F0 – глубина местной гальванической обратной связи.

В0 – коэффициент передачи по петле обратной связи.

         Частота верхнего среза для входных каскадов ФПУ (первого и второго) при действии ООС равна:

Определим напряжение шумов на выходе ФПУ:

         I = IRГ + Iб + Iд0 = 50мкА + 20мкА + 180мкА = 0,25мА

Чтобы пренебречь шумами измерительного приемника, которые в полосе частот 20 кГц составляет 0,5 мкВ, увеличим напряжение шумов на выходе ФПУ в 3 раза:

4.4. Оптимизация характеристик цепи ПУ

( при помощи программы моделирования электрических цепей Fastmean).

Программы моделирования электрических цепей (такие как OrCAD PSPICE, Micro-Cap, Electronics Workbench) во многих задачах обеспечивают удовлетворительный анализ переходного процесса. Однако в некоторых случаях расчет занимает очень много времени и точность может быть значительно ниже, чем необходимо, так как множество точек переходного процесса необходимо вычислить с помощью традиционной процедуры интегрирования.

В программе FASTMEAN используются новые решения матричных рекуррентных уравнений. Этот алгоритм совершенно отличается от обычно используемых в программах. Вместо отдельных точек функции переходного процесса вычисляются коэффициенты разложения в ряд Тейлора в матричной форме. Это позволяет найти значение функции для любого момента времени внутри заданного шага, который может быть больше (в сотни, тысячи раз и более), чем обычный шаг в широко используемых программах. В некоторых случаях, переходный процесс во всем временном интервале может быть рассчитан за один шаг.

Увеличение числа членов разложения в ряд Тейлора вместо увеличения числа маленьких шагов позволяет существенно уменьшить время расчета и, в то же время, увеличить его точность. Однако, максимальное число членов ряда Тейлора ограничено возможностями современного компьютера и составляет 70-80 членов. Вычисление большего числа членов может привести к большей ошибке, чем ожидается, или к совершенно неверному результату (при вычислении более 100 членов), но это происходит не по вине метода, а из-за ограниченности разрядной сетки компьютера и, следовательно, из-за ошибок округления.

Математические основы этих решений разработаны проф. Артымом А. Д. и проф. Филиным В. А. (Россия, г.Санкт-Петербург, Государственный Университет Телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, кафедра Теории Электрических Цепей). Впоследствии, проф. Артым, проф. Филин и их коллеги разработали совершенно новую программу и применили ее для

решения серьезных практических задач. Данная версия FASTMEAN предназначена для привлечения внимания специалистов и научных коллективов ВУЗов, интересующихся проблемами анализа сложных переходных процессов в цепях (также с переключениями), которые трудно рассчитать с большой точностью и скоростью традиционными методами.

На панели инструментов есть 3 группы элементов: Основные, Источники и Активные. Выберите одну из них, и появится окно с доступными элементами. Выберите нужный нажатием на соответствующую кнопку и поместите его на схему щелчком левой кнопки мыши. После того, как вы закончили добавлять элемент, нажмите правую кнопку мыши или соответствующую кнопку в окне.

Вы можете легко изменить параметры элемента, дважды щелкнув на нем мышью и введя необходимые значения в окне диалога. Вы можете вращать и отображать элемент: выделите его и нажмите нужную кнопку на панели инструментов. Используйте команды Вырезать(Ctrl+X), Копировать(Ctrl+C), Вставить(Ctrl+V) для работы с буфером обмена. Когда Вы выделяете элементы и нажимаете Вырезать или Копировать, программа помещает их в буфер обмена, используя свой формат, и как точечный рисунок, так что Вы можете использовать изображение схемы в других приложениях.

Вы можете соединить элементы проводами с помощью мыши, перетаскивая указатель от одного вывода к другому. Чтобы соединить более двух проводов вместе, используйте Соединитель (группа Основных элементов). Можно подтащить провод от вывода к другому проводу - программа автоматически соединит их, добавив Соединитель.

Чтобы изменить масштаб, используйте команды: Увеличить масштаб(Ctrl++) и Уменьшить масштаб(Ctrl+-).

После того, как Вы создали схему, ее можно сохранить, используя команды меню Файл.

Группы элементов: Основные, Источники и Активные элементы (линейные модели).

Основная группа включает :

Резистор. Параметры: сопротивление(R) в омах

         Индуктивность. Параметры: индуктивность(L) в Гн; начальные условия(НУ) в А.

         Конденсатор. Параметры: емкость(C) в Ф; начальные условия(НУ) в В

         Унистор. Параметры: крутизна(S) в См

         Идеальный трансформатор. Параметры: коэффициент трансформации(n)

         Соединитель. Для соединения более двух проводов вместе.

         "Земля". Для обозначения нулевого узла. Вы должны присоединить "Землю" к схеме, чтобы выполнить анализ.

Группа источников включает :

Источник напряжения. Параметры:

         Тип источника - постоянный, гармонический или меандр

                   В зависимости от типа источника доступны различные параметры.

                   Для постоянного: напряжение(U0) в В

                   Для гармонического: амплитуда(U0) в В; частота(f) в Гц; начальная фаза(phi0) в градусах; Время окончания радиоимпульса в сек (по выбору)

                   Для меандра: частота(f) в Гц; длительность в %; напряжение(U0) в В; смещение в В

         Источник тока. Параметры:

Тип источника - постоянный или гармонический

                   В зависимости от типа источника доступны различные параметры.

                   Для постоянного: ток(I0) в А

                   Для гармонического: амплитуда(I0) в А; частота(f) в Гц; начальная фаза(phi0) в градусах; Время окончания радиоимпульса в сек (по выбору)

         Источник тока управляемый напряжением (ИТУН). Параметры: проводимость(g) в См

         Источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН). Параметры: коэффициент управления(k) в В/В

Источник тока управляемый током (ИТУТ). Параметры: коэффициент управления(h) в А/А

         Источник напряжения управляемый током (ИНУТ). Параметры: сопротивление(r) в омах

         Гиратор. Параметры: крутизна(Sg) в См

Группа активных элементов включает :

Лампа. Параметры: крутизна(S) в См; внутреннее сопротивление(Ri) в омах.

         Биполярный транзистор n-p-n типа. Параметры: коэффициент передачи тока(alpha); омическое сопротивление эмиттера(Re); омическое сопротивление коллектора(Rc); омическое сопротивление базы(Rb);

         Идеальный операционный усилитель(ОУ). Параметры: коэффициент усиления(k) в В/В

Для всех элементов, кроме резистора, за положительное направление отсчета тока принимается направление от узла с большим номером к узлу с меньшим номером.

Для всех элементов за положительное направление отсчета напряжения принимается направление от узла с меньшим номером к узлу с большим номером.

Замечание. Принимается, что нулевой узел имеет наибольший номер.

Программа показывает сообщение об ошибке в следующих случаях:

"Схема физически некорректна", если Ваша схема некорректна (например, 2 источника тока, 2 индуктивности или индуктивность и источник тока, соединенные последовательно).

"Ошибка: Источник напряжения соединен параллельно с конденсатором";

"Ошибка: 2 источника напряжения соединены параллельно";

"Ошибка: 2 конденсатора соединены параллельно", если соединить параллельно 2 источника напряжения, 2 конденсатора или конденсатор и источник напряжения.

"… : элемент закорочен", если элемент закорочен. Так как он не влияет на токи или напряжения в цепи, его следует убрать.

"… : элемент не соединен", если элемент разомкнут. Вы можете избежать этого сообщения, присоединив выводы элемента к Соединителям, но только в том случае, если это будет физически корректно (так можно сделать с резистором, но нельзя с индуктивностью).

"Добавьте землю к Вашей схеме.", если в схеме нет земли. Вы должны присоединить землю к схеме, чтобы выполнить анализ.

         Эквивалентная схема приведена на рис. 4.4.

5. Конструктивная разработка фотоприемного устройства.

         Разработка конструкции ФПУ проводится с целью получения требуемых технических характеристик устройства самым целесообразным способом с точки зрения техники и экономики.

         В результате выбрана следующая конструкция: устройство размещается во фрезерованном латунном корпусе размерами    

70×55×30 мм, что обеспечивает прочность конструкции, надежную экранировку от помех и наводок, играет роль теплоотвода.

         На современном этапе развития РЭА монтируют на печатных платах, что дает возможность механизировать и автоматизировать процесс сборки РЭА, повышает ее надежность, облегчает ремонт, обеспечивает повторяемость монтажа от образца к образцу.

         Электрическая схема размещается на плате, которая изготавливается из листового электроизоляционного материала с наклеенной с одной стороны медной фольгой.

         Процесс выделения токоведущих проводников осуществляется путем травления в специальных растворах. Необходимая топология печатной платы задается рисунком лакового слоя , наносимого на фольгу и предохраняющая отдельные ее участки (будущие токоведущие дорожки) от соприкосновения с реагентом.

         Схема выполняется по гибридно-пленочной технологии .

Сопротивления напыляются, а полупроводниковые приборы и емкости выполняются навесными. Для изоляционного основания выберем стеклотекстолит , как достаточно прочный в механическом плане и имеющий низкую проводимость в электрическом плане материал.

         Толщина платы 2,5 мм, что достаточно для получения механической жесткости готовой печатной платы и ее размеров. Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода радио детали, что обеспечивает возможность свободной установки радио элементов. Отверстия на плате располагаются таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не менее толщины платы. Иначе эта перемычка не будет иметь

достаточной механической прочности. Контактные площадки, к которым будут припаиваться выводы высокочастотных транзисторов, необходимо делать прямоугольными.

         Разводка печатных проводников делается таким образом , чтобы они имели минимальную длину. При разработки усилителя, работающего на частотах выше 100 МГц необходимо предусматривать максимальное удаление друг от друга входных и выходных радиоэлементов. Такая технология изготовления позволяет снизить трудоемкость сборки усилителя, повысить срок службы.

         Фотодиод и высокочастотные контакты находятся в уплотнительных отверстиях в стенках корпуса.

         Готовая печатная плата устанавливается в корпусе, который наглухо закрывается жестяной крышкой. Стык пропаивается, что обеспечивает надежную защиту от наводок и помех. На этом корпусе также установлен проходной конденсатор, обеспечивающий ввод в конструкцию питающего напряжения.

         Топология блока приведена в приложении 3, где тонкими линиями изображены перемычки, выполненные золотой проволокой.

6. Обеспечение безопасности жизнедеятельности.

6.1 Анализ характеристик объекта проектирования ,трудовой

деятельности человека , производственной среды.

         Фотоприемное устройство является модулем приемной  части волоконно-оптической системы передачи. Надежность и безопасность работы этого устройства очень важна. ФПУ  устанавливается в стойку оконечного оборудования, или в подземном, в качестве ретрансляторов.

         Нормальное функционирование ФПУ обеспечивается в диапазоне температур от -30ºС до +30ºС , относительной влажности  от 20% до 99%,атмосферным давлением от 400 до 900 мм.рт.ст. Питающие  напряжения  равно +12В. Электропитание ФПУ осуществляется на оконечной станции от стабилизированного источника постоянного напряжения, подключенного к трехфазной, четырехпроходной с заземленной нейтрально 380/220 В, 50Гц Конструктивно, устройство размещается в фрезерованном латунном корпусе 70х55х30мм,что обеспечивает прочность конструкции. Масса устройства около 300г.

         Трудовая деятельность человека при работе с устройством заключается либо в изготовлении, настройке , либо в ремонте .

         Все эти виды деятельности являются алгоритмизированными. Настройка и ремонт производятся при использовании испытательного стенда (при настройке возможно применение слесарного инструмента ).

         Все работы с устройством производятся в закрытом помещении, либо на специально оборудованных рабочих местах, снабженных вытяжной вентиляцией , для удаления вредных, для здоровья человека паров свинца, возникающих при пайке, либо на автоматических линиях.

         Освещение  рабочего места искусственное  или совмещенное. В связи с тем, что питающие напряжения равны -12В и +12В, человек при работе с ними опасному воздействию не подвержен.

         Особенностью технического процесса являются малые размеры элементов устройства.

         Для ремонта и настройки ФПУ требуются следующие инструменты и приборы:

·       Паяльник 42В, пинцет, отвертка, узкогубцы;

·       Источник монохроматического света с длиной волны 1,3 мкм, модулируемый по интенсивности в диапазоне

до 1 ГГц;

·       Измеритель комплексных коэффициентов передачи Р4-11;

·       Ампервольтметр В7-22;

·       Осциллограф С7-13;

·       Измеритель оптической мощности;

·       Стабилизированный источник питания, присоединенный у шине зануления в одной точке.

Для обеспечения здоровых условий труда работающих по настройке и ремонту необходимо определить параметры окружающей среды, воздействующей на человека, необходимые мероприятия для обеспечения безопасных условий труда, мероприятий по обеспечению пожарной безопасности.

6.2. Мероприятия по эргономическому обеспечению.

         ФПУ работает в автоматическом режиме. В связи с этим вводятся следующие меры по обеспечению труда в процессе ремонта :

         - на поверхности печатной платы нанесены позиционные обозначения элементов;

         - выделенные контрольные точки для быстрого определения неисправного узла по характерным параметрам сигнала;

         - конструкция выполнена в легко доступной форме, крышки экранов легко отпаиваются, открывая доступ к элементам ФПУ.

Простота схемного решения усилителя фотоприемника , удобная компоновка элементов на плате и соответствующая маркировка элементов сокращают время отыскания неисправностей и регулировки ремонтируемого изделия, не перегружая внимание регулировщика по чтению ремонтируемой схемы. Незначительное напряжение питания устройства и токи снижают опасность подведения действием электрического тока на ремонтника.

         Все перечисленные факторы позволяют быстро , без ошибок найти неисправность и отрегулировать фотоприемное устройство специалистом четвертого разряда.

         В зону рабочего места настройщика входят: стол ,стул и стеллаж. Конструктивно стол выполнен из гнутых по форме стальных труб, облицованных деревом и пластиком. Стол имеет секции общей вентиляции, а также секции электропроводки с колодками – зажимами для подключения измерительных приборов. Большие удобства дают выдвижные ящики стола с левой стороны от оператора , в них хорошо хранить различные элементы и к ним обеспечивается быстрый и легкий доступ (особенно, если они находятся в неглубоких ячейках). Стеллаж располагается над столом на высоте 300 мм, где устанавливается блок питания В5-12. Генератор сигналов расположен слева на столе, а справа помещается паяльник и инструмент, необходимый при настройке и регулировке ремонтируемого блока.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8