Kĩ thuật viễn thông - Các bài thí nghiệm thông tin quang

ví dụ Lumen, đ−ợc dùng đối với tham số quang mà không sử dụng đối với các tham số bức xạ. Bằng việc chọn file FIBER C.I.E Standard Luminosity Function Radiometric quantities Photometric quantities Fillter 104 OPTIC COMMUNICATIONS HELP tr−ớc khi chọn các tham số bức xạ và tham số quang bạn có thể thấy một số trong các đơn vị đ−ợc dùng chung đối với các tham số bức xạ và các tham số quang. 2. Đơn vị dùng chung nào dùng để đo bức xạ (Radiant Emittance). Hãy thử sử dụng Unit Help a. àW/sr b. mW/cm2 c. cd/cm2 - Trong bài tập thứ nhất (3-1) bạn sẽ làm quen với các đặc tính của các nguồn quang trong bộ phát FIBER OPTIC TRANSMITTER. - Bài tập 3-2 giới thiệu một loạt các mạch điều khiển mà chúng đ−ợc sử dụng chung cả trong các bộ phát quang t−ơng tự và cả trong các bộ phát quang số. - Bài tập 3-3 tìm hiểu về các nguyên nhân gây ra suy hao ánh sáng trong các mối ghép nguồn quang-sợi quang của bộ phát. Cũng nh− trong các bài tr−ớc bạn sẽ dùng khối PHOTO TRANSISTOR, điện áp EMITTER để đo công suất quang t−ơng đ−ơng. 105 Các dụng cụ và thiết bị đo dùng trong bài này gồm: - Tấm đế FACET. - Bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS. - Đồng hồ vạn năng. - Nguồn nuôi 15Vdc (Nếu cần) - Oscilloscope 2 tia - Máy phát sóng chuẩn sine/xung 106 Bài tập 3-1: Nguồn quang Mục đích: Tìm hiểu về nguồn quang đ−ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin sợi quang để chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Tóm l−ợc: - Năng l−ợng điện từ phát ra từ một nguồn quang đi khỏi nguồn với một vận tốc cố định. Quá trình truyền này đ−ợc biết đến nh− một bức xạ. - Nguồn quang trong bộ phát FOT biến đổi năng l−ợng điện thành năng l−ợng điện từ. Bức xạ điện từ có thể d−ới dạng ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy. - Nguồn quang trong bộ phát FOT có thể là Led hoặc Laser. Led đ−ợc dùng với sợi quang đa mode, Laser và Led laser đ−ợc dùng đối với các sợi quang đơn mode. ƒ Laser- Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. ánh sáng Laser rất khác ánh sáng trắng tự nhiên về nhiều mặt. ánh sáng trắng phân kỳ theo khoảng cách. ánh sáng Laser không bị phân rã, nó giữ nguyên hình thể khi truyền đi xa. ánh sáng trắng đa mầu, còn laser thì đơn sắc. ánh sáng Laser là thứ ánh sáng đồng nhất, nhất quán (Coherent). ánh sáng có c−ờng độ mạnh hơn ánh sáng trắng. 107 ƒ Led trong bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS có một thấu kính cầu nhỏ để tập trung ánh sáng đ−a vào sợi quang. Trong mỗi tiếp giáp bán dẫn PN dòng điện chạy qua gây ra sự tái hợp của các điện tử và lỗ trống, quá trình này giải phóng năng l−ợng d−ới dạng các bức xạ nhiệt. Một tiếp giáp PN đ−ợc tạo từ loại vật liệu mà quá trình tái hợp của các điện tử và lỗ trống trên nó tạo nên các bức xạ photon hoặc ánh sáng. Nh− thế, Led phát quang khi tiếp giáp PN của nó dịch chuyển. Tuổi thọ −ớc tính của một nguồn quang có thể v−ợt xa 2000 giờ. Một nguồn quang đ−ợc xem nh− đã hết thời hạn sử dụng nếu công suất đỉnh đầu ra của nó giảm 50% so với giá trị đỉnh ban đầu. Trong các Led, sự giảm sút này gây ra do các khiếm khuyết tích lũy trong các cấu trúc PN. 1. Nếu công suất đỉnh ban đầu của một nguồn quang là 5 mW thì giá trị nào của công suất ra đỉnh cho thấy nó đã hết thời hạn sử dụng? a. 1 mW b. 2 mW c. 2.5 mW ƒ Khi khoảng cách giữa vật và nguồn quang lớn hơn ít nhất là 10 lần kích th−ớc của nguồn quang thì nguồn quang đố đ−ợc coi là nguồn điểm (điểm quang). Trong khái niệm t−ơng đối, nguồn điểm phải là P N 108 một đốm sáng rất nhỏ. ƒ Mật độ công suất ánh sáng (Ee) từ một điểm sáng giảm tỉ lệ với bình ph−ơng khoảng cách (Luật bình ph−ơng nghịch). Điều này có nghĩa là nếu khoảng cách từ một nguồn điểm tăng lên gấp đôi thì công suất ánh sáng đến cùng một đơn vị bề mặt chỉ còn 1/4 ƒ Có 4 đặc tính quan trọng của nguồn quang : Phổ, công suất , tốc độ và tính định h−ớng. Phổ - B−ớc sóng của nguồn quang cần phải t−ơng thích với các thành phần khác của hệ thống sợi quang. Phổ đỉnh đầu ra của nguồn quang ảnh h−ởng đến cả băng thông và độ dài hiệu dụng của hệ thống quang. - Độ rộng phổ nguồn quang hoặc sự không đồng nhất phổ tác động đến tán sắc màu bên trong sợi quang. 109 - Chiết xuất của một vật liệu thay đổi theo b−ớc sóng. Nếu ánh sáng qua sợi quang là ánh sáng đa màu (chứa nhiều b−ớc sóng) thì các b−ớc sóng khác nhau sẽ có trễ truyền dẫn khác nhau và sẽ tới đích tại đầu cuối sợi tại các thời điểm khác nhau. Tán sắc màu có thể gây méo tín hiệu quang - Một nguồn quang có phổ đỉnh đầu ra hoặc b−ớc sóng đỉnh mà nó đ−ợc xác định bởi nhà sản xuất. Đó chính là b−ớc sóng mà tại đó nguồn quang đạt hiệu suất cao nhất. - Phổ đầu ra của nguồn quang, nếu không đồng nhất (không đơn sắc) sẽ chứa các b−ớc sóng khác nhau. - Băng thông (phổ tần) của Led đ−ợc đặc tr−ng bởi Độ rộng toàn phần nửa cực đại (FWHM- Full width half maximum), hoặc bởi nửa giá trị đó đ−ợc gọi là phổ nửa độ rộng ∆λ1/2 - Phổ băng thông hoặc nửa băng thông đ−ợc xác định tại các điểm nửa công suất. - B−ớc sóng đỉnh của Led hồng ngoại trong bảng mạch là 940 nm. Sử dụng Unit Help để tìm phổ nửa băng thông (∆λ1/2) từ các dữ liệu đã cho của nhà sản xuất. 2. Phổ băng thông của Led hồng ngoại IRED là bao nhiêu? a. 25nm b. 50nm c. 100nm 3. Bộ phát FOT trên bảng mạch có b−ớc sóng đỉnh là 820 nm, độ rộng phổ là 45nm , Hai b−ớc sóng nào có công suất ra bằng nửa công suất ra đỉnh? a. 45 và 90 nm c. 797.5 và 842.5 nm b. 333 và 666 nm d. 775 và 865 nm Công suất - Công suất quang đầu ra phụ thuộc vào công suất điện đầu vào và hiệu suất của nguồn quang. 110 - Công suất quang đầu ra của nguồn quang ảnh h−ởng đến chiều dài cực đại của hệ thống quang sợi. Công suất ra của nguồn quang càng lớn cho phép khoảng cách truyền càng xa. Tốc độ - Tốc độ nguồn quang ảnh h−ởng đến băng thông của hệ thống quang sợi. Băng thông yêu cầu càng cao thì tốc độ tắt/mở của nguồn quang cũng cần phải càng nhanh hơn. Tốc độ của nguồn quang đ−ợc cho tr−ớc bởi nhà sản xuất trong các tham số thời gian quá độ (tr). Bằng phép tính gần đúng t−ơng đ−ơng sau có thể tìm băng thông: BWmax = 0.35/ tr 4. Led trong bảng mạch có thời gian qua độ 3ns. Hỏi băng thông cực đại gần đúng của phần phát (FOT) là bao nhiêu? a. Khoảng 1GHz b. 117MHz c. 12MHz d. khoảng 1MHz Định h−ớng - Kiểu đi của ánh sáng từ nguồn đến đích ảnh h−ởng đến tổng công suất có thể đ−a vào và truyền trong sợi quang. Góc của chùm, độ rộng của chùm tia sáng cần phải đ−ợc làm rõ để có thể xác định công suất bức xạ thực tế vào trong lòng sợi quang và đ−ợc truyền đi thực sự qua sợi quang. 111 - Một phần ánh sáng có thể không đ−a đ−ợc vào trong sợi quang và không đ−ợc truyền qua sợi quang vì chùm tia rộng hơn góc nhận của sợi quang. Điều kiện này đ−ợc coi là lệch khẩu độ số, kết quả gây ra suy hao công suất LOSSNA - Thêm vào đó một phần ánh sáng có thể không đ−a đ−ợc vào trong sợi quang và không đ−ợc truyền qua sợi quang còn vì độ rộng của chùm tia lớn hơn kích th−ớc vùng lõi của sợi quang, gây ra bức xạ ngoài vùng LOSSUI Các b−ớc Thực hành: Tr−ớc tiên xác định công suất vào của các nguồn quang trên bảng mạch: 1. Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp rơi trên trở R39: VR39 = Vdc 2. Xác định dòng qua trở R39: IR39 = mA 3. Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp rơi trên trở R40: VR40 = Vdc 4. Xác định dòng qua trở R40: IR40 = mA 5. Dùng đồng hồ vạn năng đo điện áp rơi trên trở R41: VR41 = Vdc 112 6. Xác định dòng qua trở R41: IR41 = mA Khi đo các điện áp rơi trên mỗi Led hãy nối que đo âm đồng hồ với đất (GND), que d−ơng của đồng hồ đo tại đầu d−ới của điện trở t−ơng ứng với Led đó 7. Đo điện áp rơi trên Led đỏ (RED) tại trở R39: Vf(RED) = Vdc 8. Xác định công suất vào của Led đỏ (RED): Pi(RED) = If(RED) x Vf(RED) = mW 9. Đo điện áp rơi trên Led xanh (GREEN) tại trở R40: Vf(GREEN) = Vdc 10. Xác định công suất vào của Led xanh (GREEN): Pi(GREEN) = If(GREEN) x Vf(GREEN) = mW 113 11. Đo điện áp rơi trên Led hồng ngoại (IRED) tại trở R41: Vf(IRED) = Vdc 12. Xác định công suất vào của Led hồng ngoại (IRED): Pi(IRED) = If(IRED) x Vf(IRED) = mW 13. So sánh công suất điện đầu vào của 3 Led trên. 14. Bạn có nhận xét gì về 3 Led này? a. Chúng có công suất vào t−ơng đ−ơng khác nhau. b. Chúng có cùng công suất vào. Tiếp theo chúng ta cùng xác định công suất ra t−ơng ứng của từng Led: 15. Dùng cáp sợi quang thủy tinh 1m (Ký hiệu “62.5/125”) để nối Led đỏ (RED) trên khối LIGHT EMITTING DIODES với phototransistor: 16. Trên khối PHOTO TRANSISTOR đặt cầu nối RANGE về vị trí LO. 17. Nối đồng hồ đo với điểm kiểm tra EMITTER và đặt chế độ đo mVdc. Que âm của đồng hồ nối đất (GND) 18. Đo điện áp Emitter của phototransistor: V(RED) = mVdc 114 19. Trên khối LIGHT EMITTING DIODES, chuyển đầu sợi quang từ Led đỏ (RED) sang Led xanh (GREEN). 20. Đo điện áp Emitter của phototransistor : V(GREEN) = mVdc 21. Đặt đồng hồ đo về thang đo Vdc. Chuyển đầu sợi quang từ Led xanh (GREEN) sang Led hồng ngoại (IRED) trên khối LIGHT EMITTING DIODES. 22. Đo điện áp Emitter của phototransistor : V(IRED) = mVdc Các gía trị tham khảo V(RED)= 112 mV V(GREEN) = 17 mV V(IRED)= 2 200 mV Các giá trị tham khảo cho trong bảng trên đây để định h−ớng cho các phép đo trong các mục này và các mục tiếp sau. Tuy nhiên, trong tính toán hãy sử dụng các kết quả đo đ−ợc thực tế trong các b−ớc tiến hành thí nghiệm. 23. Tháo bỏ các kết nối trên khối PHOTOTRANSISTOR. Đặc tính của phần tử cảm quang (phototransistor) không đồng nhất trên tất cả các b−ớc sóng. Vì thế bạn cần điều chỉnh lại kết quả đo của bạn đối với từng loại Led. B−ớc sóng đỉnh đặc tr−ng của từng loại Led trong bảng mạch là : λRED= 635 nm λGREEN= 565 nm λIRED= 940 nm 24. Chỉnh lại kết quả đo đối với led đỏ (RED): VC(RED)= V(RED) %50 %100 = V(RED) x 2= mV 25. Chỉnh lại kết quả đo đối với led xanh (GREEN): VC(GREEN)= V(GREEN) %30 %100 = mV 26. Chỉnh lại kết quả đo đối với led hồng ngoại (IRED): VC(IRED)= V(IRED) %85 %100 = mV 115 VC(RED)=224.0 mV VC(GREEN)=56.7 mV VC(IRED)= 2588mV Do có góc chùm rộng hơn nên các Led xanh và led đỏ còn bị suy hao công suất 50% (t−ơng đ−ơng –3dB) do lệch khẩu độ số. Vì thế, cần bù lại suy hao đó cho các led xanh và led đỏ bằng cách nhân đôi các kết quả vừa tìm đ−ợc. V’C(RED)= VC(RED)x2 = mV V’C(GREEN)= VC(GREEN)x2= mV Đối với Led hồng ngoại, do góc chùm của nó nhỏ hơn góc nhận của sợi quang nên không có suy hao khẩu độ số. Cũng không có suy hao do lệch vùng lõi đối với cả 3 Led vì vậy không cần chỉnh kết quả theo h−ớng này. Nh− vậy: V’C(RED)=448.0 mV V’C(GREEN)=113.3 mV V’C(IRED)= 2588mV Các giá trị điện áp này chỉ ra các mức công suất quang đầu ra t−ơng ứng của từng Led. Tr−ớc đây bạn đã thấy rằng công suất vào của các led là nh− nhau. 27. Công suất ra của các Led có giống nhau không? a. Giống nhau b. Không giống nhau Tỷ lệ giữa công suất ra và công suất vào của từng led tùy thuộc vào vật liệu bán dẫn đã đ−ợc sử dụng để tạo ra tiếp giáp PN. Sự khác nhau của các vật liệu đ−ợc dùng để phát ra ánh sáng có b−ớc sóng khác nhau. Ví dụ, Led hồng ngoại trong khối LIGHT EMITTING DIODES phát ra ánh sáng với b−ớc sóng khoảng 940nm, tiếp giáp PN của nó đ−ợc tạo từ Gallium Arsenide (GaAs) và có hiệu suất bức xạ vào khoảng 15%. Bạn cũng cần nhận thấy rằng trên bảng mạch, các loại Led khác nhau có thể có các hiệu suất bức xạ rất khác nhau V’C(RED)=448.0 mV V’C(GREEN)=113.3 mV V’C(IRED)= 2588mV Tiếp theo bạn sẽ so sánh các tỷ số các giá trị đã hiệu chỉnh (t−ơng ứng các công suất đầu ra) với các tỷ số của mỗi kiểu c−ờng độ bức xạ đ−ợc đ−a ra trong tài liệu của nhà sản xuất Led 28. Dùng các giá trị đã hiệu chỉnh xác định tỷ số công suất của Led đỏ với công suất của Led hồng ngoại theo dB PRRED/IRED= 10 lg(V’C(RED)/ V’C(IRED)) = -7.61 dB 29. Dùng các giá trị đã hiệu chỉnh xác định tỷ số công suất của Led xanh với công suất của Led hồng ngoại theo dB PRGREEN/IRED= 10 lg(V’C(GREEN)/ V’C(IRED)) = -14 dB 116 C−ờng độ phát sáng thông th−ờng (Ivtyp) của Led đỏ (RED) và Led xanh đ−ợc cho bởi nhà sản xuất là 45 mcd (milicandelas). Giá trị 45 mcd này là c−ờng độ phổ biến khi dòng đi qua là 20 mA. 30. Sử dụng đ−ờng cong đã cho, tìm c−ờng độ phát sáng hiệu chỉnh (Iv) đối với Led đỏ (RED). Dòng điều khiển Led trên bảng mạch IfRED= 17.2 mA, Typ RED =80%. IvRED= IvTyp x Typ RED= 45 mcd x 0.8 = 36mcd 31. Sử dụng đ−ờng cong đã cho, tìm c−ờng độ phát sáng hiệu chỉnh (Iv) đối với Led xanh (GREEN). Dòng điều khiển Led trên bảng mạch IfGREEN= 15.6 mA, Typ GREEN =75%. IvGREEN= IvTyp x Typ GREEN = 45 mcd x 0.75 = 34mcd Led hồng ngoại trên bảng mạch có c−ờng độ tỏa sáng (bức xạ) Ie(typ) là 36 mW/sr (miliwatt per steradian) C−ờng độ tỏa sáng – Radiant intensity- Ie là một tham số vô tuyến. Tuy thế, công suất ra của hai Led ánh sáng nhìn thấy trên bảng mạch đ−ợc chỉ ra cùng các tham số quang, c−ờng độ phát sáng Iv. Để chuyển đổi c−ờng độ phát sáng sang c−ờng độ tỏa sáng sử dụng công thức : Ie = Iv/ηv Cần phải sử dụng hiệu quả phát sáng thông dụng v(typ) cho bởi nhà sản xuất của các Led ánh sáng nhìn thấy (v – visible) v(RED)= 145 lumens/watt v(GREEN)= 595 lumens/watt ηv(RED)= 145 lm/watt ηv(GREEN)= 595 lm/watt Dòng điểu khiển mA 5 10 15 20 25 30 0.5 1.5 1.0 2.0 C−ờng độ phát sáng t−ơng đối chuẩn hóa tại 20 mA C −ờ ng đ ộ Typ RED=80% Typ GREEN=75% 117 32. Led nào trong hai Led ánh sáng nhìn thấy (đỏ và xanh) có c−ờng độ bức xạ Ie cao hơn đối với cùng công suất điện đầu vào? Sử dụng công thức Ie = Iv/ηv Iv(RED)= 36 mcd ηv(RED)= 145 lm/watt Iv(GREEN)=34 mcd ηv(GREEN)= 595 lm/watt a. Led đỏ (RED) b. Led xanh (GREEN) 33. Xác định c−ờng độ bức xạ của Led đỏ trên bảng mạch: Cho: Iv(RED)= 36 mcd ηv(RED)= 145 lm/watt Iv(GREEN)=34 mcd ηv(GREEN)= 595 lm/watt Tính: Ie(RED) = Iv(RED)/ηv(RED) = 36 /145 = 248 àW/sr 34. Xác định c−ờng độ bức xạ của Led xanh trên bảng mạch: Cho: Iv(RED)= 36 mcd ηv(RED)= 145 lm/watt Iv(GREEN)=34 mcd ηv(GREEN)= 595 lm/watt Tính: Ie(GREEN) = Iv(GREEN)/ηv(GREEN) = 34 /595 = 57 àW/sr C−ờng độ bức xạ của các Led trên bảng mạch là Ie(RED) =248 àW/sr, Ie(GREEN) =57 àW/sr và Ie(IRED) = 3600 àW/sr. 35. Sử dụng các giá trị −ớc tính của công suất ra hãy xác định tỷ lệ công suất của Led đỏ với Led hồng ngoại tính theo dB: PR RED/IRED = 10 lg (Ie(RED)/Ie(IRED)) = 10 lg (248/3600) = -11.6 dB 36. Sử dụng các giá trị −ớc tính của công suất ra hãy xác định tỷ lệ công suất của Led xanh với Led hồng ngoại tính theo dB: PR GREEN/IRED = 10 lg (Ie(GREEN)/Ie(IRED)) = 10 lg (57/3600) = -17.9 dB 37. Trong mục 28 và 29 chúng ta cũng nhận đ−ợc các tỷ lệ PR RED/IRED và PR GREEN/IRED bằng thực nghiệm, hãy so sánh chúng với các giá trị −ớc tính tìm thấy trong các mục 35 và 36. Xem phần trợ giúp UNIT HELP, bằng cách so sánh c−ờng độ tối thiểu cho bởi nhà sản xuất và tham số c−ờng độ thông dụngđối với từng Led, bạn sẽ thấy đ−ợc khoảng dung sai cho phép đối với các kết quả của bạn. 38. Các tỷ số công suất nhận đ−ợc theo hai cách trên có giống nhau không?. a. Có b. Không 118 Tóm l−ợc: ƒ Một nguồn quang chuyển hóa điện năng thành quang năng. ƒ Công suất ra của nguồn quang đ−ợc tạo ra từ công suất điện đầu vào biểu thị hiệu suất bức xạ của nguồn quang. ƒ Nguồn quang b−ớc sóng khác nhau có thể có các hiệu suất bức xạ khác nhau ƒ Đối với cùng công suất đầu vào, công suất quang đầu ra của các nguồn quang có thể rất khác nhau. ƒ Các tham số vô tuyến và các tham số quang của nhà sản xuất nguồn quang dùng để phân loại các đặc tính quang. ƒ Các tham số quang (Photometric parameters) đ−ợc sử dụng chỉ đối với các nguồn ánh sáng nhìn thấy. ƒ Các đơn vị đo đối với các tham số nguồn quang có thể chuyển đổi thành các đơn vị khác. ƒ Bốn đặc tính cơ bản của nguồn quang là: Phổ , công suất , tốc độ, và định h−ớng. 119 Các câu hỏi trắc nghiệm: 1. Tại sao Led hồng ngoại IRED phát công suất lớn nhất 3600 àW/sr mặc dù nó ít nhìn thấy nhất?. a. Nó hiệu quả quang nhất nh−ng ít hiệu quả vô tuyến. b. Nó hiệu quả vô tuyến nhất nh−ng ít hiệu quả quang. c. Nó có hiệu quả phát sáng thấp nhất. d. Nó có công suất vào lớn nhất. 2. Tại sao c−ờng độ phát sáng của Led đỏ và Led xanh giống nhau cả khi c−ờng độ bức xạ của chúng khác nhau? a. Led đỏ hiệu quả quang nhất nh−ng ít hiệu quả vô tuyến b. Led xanh hiệu quả vô tuyến nhất nh−ng ít hiệu quả quang. c. Mắt ng−ời nhạy cảm nhất với ánh sáng xanh a. Mắt ng−ời nhạy cảm nhất với ánh sáng đỏ. 3. Đặc tính nào ít quan trọng nhất đối với một nguồn quang? a. Mầu c. Băng thông b. C−ờng độ. d. Trở kháng 4. Đơn vị đo nào không phải là số đo vô tuyến của công suất? a. Watt c. àW/sr b. lm/W d. mW/sr 5. Khi so sánh hai mức công suất trong sợi quang bạn có thể dùng: a. Hoặc là tỷ số thực P1/P2 hoặc tỷ số đó tính theo dB b. Chỉ tỷ số P1/P2 c. Chỉ tỷ số tính theo dB d. Không phải các điều trên. 120 Bài tập 3-2 : mạch điều khiển Mục đích: - Tìm hiểu các loại mạch sử dụng để giao tiếp tín hiệu t−ơng tự và tín hiệu số với nguồn quang. Thuyết minh: - Phần phát của hệ thống quang cần phải có một mạch điện gọi là mạch điều khiển để điều khiển chuyển đổi tín hiệu điện đầu vào thành tín hiệu quang của nguồn quang. - Tín hiệu vào của mạch điều khiển có thể đa dạng: DC, AC, xung. - Công suất, tốc độ là các đặc tính quan trọng của một mạch điều khiển trong thành phần bộ phát - Ngoại trừ việc sinh nhiệt, mạch điều khiển cần dùng một l−ợng công suất điện đủ lớn để làm nguồn quang phát xạ sao cho công suất quang tạo ra đủ mạnh theo yêu cầu của hệ thống. - Mạch điều khiển cũng cần có tốc độ đủ cao để truyền tín hiệu với méo tối thiểu. - Có hai kiểu mạch điều khiển cơ bản th−ờng d−ợc sử dụng trong thành phần phần phát của một hệ thống quang: Mạch nối tiếp và mạch song song. - Đặc điểm chung nhất của các mạch điều khiển là chúng đều dùng transistor để điều khiển dòng qua phần tử phát của nguồn quang. - Mạch điều khiển kiểu nối tiếp có phần tử tích cực (Transistor) mắc nối tiếp với phần tử quang (Led). - Mạch điều khiển kiểu song song (điều khiển ngắn mạch) có phần tử tích cực (Transistor) mắc song song với phần tử quang (Led). VCC VCC Mạch điều khiển kiểu nối tiếp Mạch điều khiển kiểu song song 121 Mạch điều khiển kiểu nối tiếp là một chuyển mạch điện áp đơn giản. Nó chỉ cho dòng cung cấp đi qua khi Led mở. Vì thế mạch này là loại mạch tiết kiệm công suất nguồn cung cấp nh−ng lại gây đột biến nguồn. Trong khi đó mạch điều khiển kiểu song song lại là một chuyển mạch dòng đơn giản. Nó chỉ cho dòng qua nó khi Led tắt. Vì thế mạch này tạo một tải cố định đối với nguồn cung cấp. Do tạo tải cố định nên nó làm giảm các đột biến nguồn cung cấp và vì thế làm cho mạch làm việc ổn định hơn. Tốc độ chuyển mạch của hai loại mạch này có thể đ−ợc cải thiện nhờ các linh kiện phụ thêm vào nh− đ−ợc chỉ ra trên các hình bên. Những thay đổi trên làm cho các điện dung mặt ghép của các Led và Transistor đ−ợc nạp đầy tr−ớc khi Led chuyển sang trạng thái mở (phát quang). Kỹ thuật đó đ−ợc biết đến nh− ph−ơng pháp chuẩn bị tr−ớc cho trạng thái mở (định thiên) (Pre-bias, Priming) của Led. Bạn có thể cải thiện băng thông cực đại của các mạch điều khiển này hoàn toàn bằng việc thêm vào các mạch RC- tăng dòng nh− chỉ ra trên hình tiếp theo. Dạng sóng đầu ra đ−ợc cải thiện bởi bù dòng thuận bằng các mạch RC tạo dòng đỉnh. Độ rộng băng lớn nhất có thể đạt đ−ợc khi chọn đ−ợc các giá trị R, C tối −u cho dòng đỉnh. VCC Mạch điều khiển kiểu nối tiếp Mạch điều khiển kiểu song song VCC 122 Mạch điều khiển số dùng cổng logic để đóng/mở transistor. Một số họ logic nh− TTL, CMOS, ELC có thể dùng làm mạch điều khiển. Đây là một mạch điều khiển trong khối DIGITAL TRANSMITTER trên bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS. 1. Mạch điều khiển này thuộc loại nào? a. Nối tiếp c. Nối tiếp có bù đỉnh b. Song song d. Song song có bù đỉnh 2. Mạch điều khiển này có phải loại tiền định (định thiên tr−ớc) không? a. Có b. Không Khối ANALOG TRANSMITTER trên bảng mạch sử dụng một bộ khuếch đại đệm trong mạch điều khiển của nó. Mạch này giống nh− một bộ chuyển đổi điện áp/dòng điện. Nó cũng sử dụng phản hồi. Phản hồi này giúp cho điện áp trên đầu vào của bộ khuếch đại và dòng điện qua Led có một t−ơng quan ổn định. Một tín hiệu điện áp AC trên đầu vào sẽ tạo ra một dòng AC qua Led và nó sẽ điều chế công suất phát của nguồn quang. Các thao tác thực hành : Tr−ớc tiên xác định công suất vào của từng Led thuộc phần phát FOT của hệ thống quang số: 1. Tắt nguồn cung cấp của tấm đế tr−ớc khi cắm các cầu nối +5V, -5V về vị trí DIGITAL trên khối POWER SUPPLY. Sau đó bật cấp nguồn trở lại. 123 2. Nối DIGITAL TRANSMITTER với khối FIBER OPTIC TRANSMITTER bằng cách chuyển các cầu nối hai đầu CATHODE và ANODE về vị trí DIGITAL. 3. Sử dụng một cầu nối để đặt mức logic thấp LOW tại jack DATA IN bằng cách nối jack DATA IN với điểm đất (GND) trong khối POWER SUPPLY. Với mức logic thấp tại jack DATA IN thì Led sẽ đóng hay mở? a. Mở b. Đóng Các điểm kiểm tra D-OUT và E cho phép thực hiện các phép đo đối với Led một cách thuận tiện. 4. Đặt đồng hồ đo về chế độ đo VDC và nối que d−ơng của nó với điểm DATA OUT còn que đo âm với EMITTER để đo điện áp tiền định trên Led. VF(off) = VDC 124 5. Nếu không áp dụng tiền định (Diode D bị ngắn mạch) trong mạch điều khiển này, điện áp nào rơi trên Led khi nó đóng? a. Cùng giá trị giống nh− khi có tiền định, VF(off) b. Gần giống điện áp bão hòa của Transistor VCE c. Gần bằng điện áp nguồn nuôi. 6. Dùng một cầu nối để đặt mức logic cao HIGH tại jack DATA IN bằng cách nối jack DATA IN với jack HIGH trong khối POWER SUPPLY. Mức này sẽ làm mở Led. 7. Đo điện áp rơi trên Led trên khối FIBER OPTIC TRANSMITTER. VF(on) = VDC 8. Để xác định dòng qua Led hãy đo điện áp trên R16 (47Ω) bằng cách dùng đồng hồ đo điện áp giữa điểm EMITTER với đất GND. VR16 = 1.72 VDC 9. Tính dòng qua trở R16 IR16 = 1.72 mA Các giá trị tham khảo : VF(on) = 1.57 VDC , IF(on) = 36.6 mA. Các giá trị này dùng để tham khảo tại mục này và các mục tiếp sau. Tuy vậy, khi tính toán phải dùng các giá trị đo thực tế 10. Xác định công suất vào cho Led của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER: PIN = 1.72 mW D 125 Theo số liệu do nhà sản xuất cung cấp thì công suất đỉnh đầu ra khi dòng thuận IF = 60 mA thông th−ờng là -16 dBm hay bằng 25.1 àW. T−ơng ứng khi : IF(on) = 36.6 mA thì P0(60 mA) =25.1 àW 11. Sử dụng đ−ờng cong tỉ số công suất (PR) do nhà sản xuất FOT cung cấp để xác định công suất ra trên bảng mạch. POUT = PR x P0= 1.72 mW (P0 là công suất ra khi IF = 60 mA) Bây giờ chúng ta làm quen với các mức công suất của mạch điều khiển số. Hãy xem xét tốc độ chuyển mạch của mạch điều khiển số. Chúng ta sẽ sử dụng tín hiệu nhịp tại jack DATA IN của khối DIGITAL TRANSMITTER để chuyển mạch tắt/mở FOT một cách liên tục. 12. Bỏ mức logic HIGH khỏi điểm kiểm tra DATA IN. 13. Dùng cầu nối màu đen (có một đầu kẹp và một đầu cắm đơn) để nối jack DATA IN tới điểm cung cấp nhịp kiểm tra (TP1-CLK) trên khối RS-232 INTERFACE. 14. Nối đầu đo CH1 của oscilloscope tới jack DATA IN và đầu CH2 tới jack DATA OUT 15. Tần số của tín hiệu nhịp CLK đo đ−ợc trên CH1 là bao nhiêu? a. 0.5 MHz b. 1 MHz c. 2 MHz 126 Các khoảng thời gian quá độ lên, xuống của tín hiệu DOUT chỉ ra băng thông khả dụng của mạch điều khiển. 16. Thời gian quá độ lên, xuống của tín hiệu DOUT trên CH2 cũng giống của tín hiệu vào DIN trên CH1. a. Đúng b. Sai 17. Dùng sợi quang thủy tinh 1m nối FOT với FOR. 18. Đặt các cầu nối 2 đầu trên khối FIBER OPTIC RECEIVER về vị trí DIGITAL. 19. Chuyển đầu đo CH1 của oscilloscope đến jack D-OUT trên khối DIGITAL TRANSMITTER và chuyển CH2 đến jack D-IN của khối DIGITAL RECEIVER. Đảo cực CH2 (Invert) để khử sự đảo pha của tín hiệu trên FIBER OPTIC RECEIVER. Tín hiệu trên điểm kiểm tra DATA IN cho thấy công suất thu đ−ợc của tín hiệu đã đ−ợc phát đi bởi tín hiệu quang đầu ra của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER. 20. Hãy so sánh các s−ờn lên, s−ờn xuống của tín hiệu điều khiển Led trên CH1 với của tín hiệu đầu ra trên CH2 khối FIBER OPTIC RECEIVER. Chúng có giống nhau không? a. Có b. Không. 21. Tháo bỏ các đấu nối trên bảng mạch. Mạch bù dòng đỉnh làm cho Led cải thiện thời gian phản ứng với sự tăng tức thời của dòng qua mạch tại thời điểm mở Led. Mạch bù dòng đỉnh đ−ợc tạo bởi tụ điện C24 bắt đầu làm ngắn mạch trở R16 sao cho chỉ còn trở R15 đ−ợc mắc nối tiếp với Led. C24 nạp, dòng qua Led giảm. Khi C24 nạp đầy thì cả R15 và R16 sẽ hạn chế dòng qua Led chỉ bằng khoảng một nửa dòng ban đầu. 127 22. Tính thời gian cần để tụ C24 nạp đầy (5 lần hằng số thời gian) tCHG = 5 x (R15//R16)x C24 R15 = 47Ω ; R16 = 47Ω ; (R15//R16) = 23.5Ω ; C24 = 100 pF. Tính tCHG = 5 x 23.5 x 10 -10 (s) = 11.75 ns Tiếp theo, xác định công suất vào của Led thuộc phần phát FOT trong hệ thống thông tin quang t−ơng tự. 23. Tắt nguồn tấm đế tr−ớc khi cắm lại các cầu nối +5V và - 5V trên khối nguồn POWER SUPPLY về vị trí ANALOG . Sau khi cắm lại các cầu nối +5V và - 5V trên khối nguồn POWER SUPPLY về vị trí ANALOG, bật cấp nguồn trở lại cho tấm đế. 24. Nối bộ điều khiển ANALOG TRANSMITTER đến phần phát FOT bằng các chuyển các cầu nối 2 vị trí CATHODE và ANODE về vị trí ANALOG. Bây giờ Led đ−ợc nối giữa điểm kiểm tra T-OUT của khối ANALOG TRANSMITTER và đất (GND). 128 25. Đặt đồng hồ về thang đo VDC. Que âm nối với điểm đất (GND), que d−ơng đo tại điểm T-OUT để đo điện áp trên Led (VF(q)). VF(q) = 1.54 VDC 26. Tháo bỏ cầu nối CATHODE– ANALOG. Chuyển đồng hồ về thang đo dòng DC 200 mA để đo dòng qua cầu nối này. - Que âm đồng hồ đặt ở vị trí ANALOG - Que d−ơng đồng hồ đặt ở vị trí FOT 27. Dòng qua Led đo đ−ợc là : IF(q) = 28.9 mA Ký hiệu q trong VF(q) và IF(q) dùng đối với trạng thái tĩnh. Điều này có nghĩa là các giá trị điện áp, dòng điện đối với một mạch trong trạng thái tĩnh, không có tín hiệu ac. 28. Xác định công suất vào tĩnh đối với Led của khối FIBER OPTIC TRANSMITTER : PIN = mW 129 29. Tháo bỏ đồng hồ khỏi cầu CATHODE và lắp lại cầu nối này về vị trí ANALOG. 30. Nối máy phát sóng chuẩn vào jack T-IN của khối ANALOG TRANSMITTER. 31. Đ−a đầu đo CH1 của oscilloscope tới jack T-IN. 32. Đặt máy phát sóng chuẩn tạo tín hiệu hình sin, 1 Vp-p, 10 KHz, quan sát bằng CH1 của oscilloscope. Tín hiệu này sẽ qua tụ C13 (4.7 àF) đến đầu vào của bộ chuyển đổi điện áp/dòng điện U5 (chân 3). Vi mạch U6 trong mạch phản hồi giữ ổn định tại đầu vào của bộ khuếch đại. Sự thay đổi này t−ơng ứng với điện áp trên Led. 33. Chuyển đầu đo CH1 của oscilloscope từ jack T-IN sang điểm bên trái của tụ điện C13 (4.7 àF). 34. Quan sát trên CH1 tín hiệu tại điểm đo này cũng có biên độ và tần số nh− tín hiệu vào tại T-IN? a. Đúng b. Sai 35. Chuyển đầu đo CH1 của oscilloscope đến đầu trên của trở R9 (22Ω). Đây là điểm đầu ra của vi mạch U5 (chân 8). 130 36. Đo biên độ tín hiệu ra trên CH1: VOUT = mVp-p 37. Đ−a đầu đo CH2 của oscilloscope tới jack T-OUT. Đấy là đầu kia của trở R9 (22Ω) và tín hiệu tại đó là tín hiệu ac qua Led của phần phát FOT. 38. Đo biên độ tín hiệu trên CH2: VLED = mVp-p 39. Xác định biên độ tín hiệu VR9 trên trở R9 (22Ω) bằng cách lấy hiệu của VOUT và VLED VR9 = VOUT - VLED= mVp-p 40. Xác định dòng điện tín hiệu qua R9 đối với tín hiệu đầu vào 1Vp-p tại T-IN IR9 = VR9/22Ω = mA Dòng qua trở R9 làm thay đổi dòng tĩnh của Led IF(q). 131 Dòng qua Led tỉ lệ với công suất quang đầu ra. VI Là biên độ điện áp vào tại chân 3 của vi mạch U5. Đ−ờng cong chỉ ra chức năng chuyển đổi điện áp/dòng điện của mạch điều khiển. IF(q)= 28.9 mA IR9= 29.5 mAp-p 41. Xác định đỉnh d−ơng của dòng qua Led IF(+) (IF(q)= 28.9 mA, IR9= 29.5 mAp-p) IF(+)=IF(q)+ IR9/2 = mAp 42. Xác định đỉnh âm của dòng qua Led IF(-) (IF(q)= 28.9 mA, IR9= 29.5 mAp-p) IF(-)=IF(q)- IR9/2 = mAp 43. IF(+) = 43.67 mAp. Xác định đỉnh d−ơng của tỉ số công suất PR(+) PR(+) = p 44. IF(-) = 14.13 mAp. Xác định đỉnh d−ơng của tỉ số công suất PR(-) PR(-) = p 45. PR(+)= 0.713p, PR(-) = 0.195p. Xác định đỉnh tới đỉnh của tỉ số công suất PR PR = p-p Cũng giống đối với mạch điều khiển số, bạn có thể sử dụng tỉ số PR để xác định công suất ra của bộ phát FOT . 46. P0(60 mA)= 25.1àW, PR= 0.518. Xác định công suất ra POUT của FOT trên bảng mạch. POUT = PR x P0(60 mA) = àWp-p 47. Tháo bỏ tất cả các đấu nối trên bảng mạch. 132 Tóm l−ợc: ƒ Mạch điều khiển là một thành phần của phần phát (FOT) trong hệ thống thông tin quang. ƒ Công suất và tốc độ chuyển mạch là các đặc tính quan trọng của mạch điều khiển. ƒ Hai kiểu mạch điều khiển cơ bản là kiểu nối tiếp và kiểu song song. ƒ Các mạch tiền định và dòng đỉnh cải thiện băng thông của một mạch điều khiển. 133 Các câu hỏi kiểm tra: 1. Mạch điều khiển có thể điều khiển những gì trong các liệt kê sau đây: a. Dòng qua FOT. b. Công suất bức xạ của FOT c. Tốc độ chuyển mạch. d. Tất cả các điều trên. 2. Các giá trị thời gian lên, thời gian xuống của một tín hiệu biểu thị tham số nào của mạch điều khiển? a. Biên độ. b. Băng thông. c. Công suất. d. Không phải các điều trên. 3. Tín hiệu lớn nhất nào có thể đ−a vào đầu vào của một mạch điều khiển t−ơng tự mà không làm méo tín hiệu quang đầu ra từ Led? a. 0.5 Vp-p c. 1.5 Vp-p b. 1.0 Vp-p d. 2.0 Vp-p 4. Kiểu mạch nào sau đây không phải là kiểu mạch điều khiển cơ bản? a. Nối tiếp c. Song song b. Delta d. Ngắn mạch 5. Hai kỹ thuật nào đ−ợc sử dụng để tăng tốc độ chuyển mạch của một mạch điều khiển số? a. Đỉnh cố định và tiền định b. Tiền định và dòng đỉnh c. Constant-biasing and prepeaking (lệch cố định và đỉnh tr−ớc) d. Không phải các kỹ thuật nêu trên 134 Bài tập 3-3 : giao tiếp nguồn quang-sợi quang Mục đích: - Tìm hiểu các nguyên nhân gây tổn hao tại các tiếp giáp nguồn quang và sợi quang. Thuyết minh: - Tiếp giáp nguồn quang-sợi quang trong phần phát (FOT) của hệ thống quang là một giao tiếp quang và cơ giữa một nguồn quang (Led hoặc Laser) và một đầu của sợi quang. - Hàng loạt các yếu tố ảnh h−ởng đến quá trình làm thế nào để ánh sáng đ−ợc đ−a vào bên trong sợi quang một cách tốt nhất. - Suy hao quang tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang đ−ợc hiểu nh− tổn thất ghép. Những nguyên nhân sau đây tạo nên tổn thất ghép tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang: ƒ Lệch trục ghép (Không đồng trục, không thẳng hàng) ƒ Lệch vùng lõi (Không t−ơng thích về tiết diện vùng lõi) ƒ Lệch khẩu độ số ƒ Phản xạ Fresnel ƒ Bề mặt hoàn thiện kém (Bề mặt tiếp giáp nguồn quang, sợi, bộ tách) Lệch trục ghép Nguồn quang và sợi quang cần đ−ợc đồng chỉnh chính xác với nhau để giảm thiểu tổn hao. Lệch trục ghép là do trục ghép bị dịch chuyển sang một bên làm cho một phần ánh sáng bị đi chệch khỏi đầu sợi quang. Lệch góc ghép làm cho trục ghép bị lệch đi một góc làm cho một phần ánh sáng bị đi ra khỏi vùng góc nhận của sợi quang. Bảng mạch sử dụng các connector sợi quang tiêu chuẩn kiểu ST, nó làm giảm thiểu các tổn hao do lệch trục ghép. 135 Lệch kích th−ớc ghép Ghép lệch kích th−ớc (không t−ơng thích về tiết diện ghép) có thể gây ra tổn thất công suất, gọi là tổn thất do phát xạ không tiếp nhận. Nếu nguồn quang tạo chùm sáng đ−ờng kính D1 tại đầu sợi quang lớn hơn so với đ−ờng kính lõi D2 của sợi quang thì không phải tất cả chùm sáng đều đ−ợc ghép vào sợi quang. Tổn thất do ghép lệch kích th−ớc đ−ợc xác định bởi tỉ số giữa hai đ−ờng kính: LOSSUI = 20 lg(D1/D2) dB Khi tăng cự ly giữa nguồn quang và sợi quang có thể làm tăng đ−ờng kính chùm sáng tại đầu sợi quang. 1. Nếu khoảng cách ghép giảm thì tổn thất LOSSUI sẽ: a. Tăng b. Giảm Lệch khẩu độ số Lệch khẩu độ số có thể gây ra tổn thất công suất, gọi là tổn thất khẩu độ số (NA LOSS). 136 Nếu khẩu độ số NA1 của nguồn quang lớn hơn khẩu độ số NA2 của sợi quang thì không phải toàn bộ ánh sáng phát ra từ nguồn quang đều đ−ợc tiếp nhận vào sợi quang. Khẩu độ số của nguồn quang có thể đ−ợc xác định bằng việc sử dụng góc chùm θB. NA1= sinθB Khẩu độ số của sợi quang có thể đ−ợc xác định bằng việc sử dụng góc nhận của nó θA. NA2= sinθA Tổn hao do ghép lệch khẩu độ số LOSSNA có thể đ−ợc xác định theo biểu thức: LOSSNA = 20lg(NA1/NA2) khi NA1>NA2 Nếu khẩu độ số của nguồn quang nhỏ hơn hoặc bằng khẩu độ số của sợi quang thì LOSSNA = 0 trên tiếp giáp nguồn quang-sợi quang, nghĩa là không gây tổn hao do lệch khẩu độ số. 2. Sợi quang thủy tinh đ−ợc trang bị cùng bảng mạch có góc nhận là θA = 16o. Khẩu độ số của sợi thủy tinh đó là bao nhiêu? (Tính theo NA2= sinθA) a. 0.139 b. 0.275 c. 0.287 d. 0.961 137 phản xạ fresnel Phản xạ Fresnel là phản xạ ánh sáng từng phần xảy ra bởi sự thay đổi chiết xuất trên đ−ờng truyền ánh sáng. Phản xạ Fresnel gây ra tổn thất công suất, gọi là tổn thất phản xạ (LOSSR). Độ phản xạ p gây ra bởi sự thay đổi chiết xuất từ môi tr−ờng vật chất ban đầu với chiết xuất η1 đến môi tr−ờng vật chất thứ hai với chiết xuất η2 có thể xác định theo biểu thức sau: p = [(η2-η1)/ (η2+η1)]2 Tổn thất công suất do Phản xạ Fresnel có thể đ−ợc xác định theo biểu thức: LOSSR = 10lg(1-p) dB Hoàn thiện bề mặt kém Bề mặt của thấu kính nguồn quang và đầu sợi quang cần đ−ợc giữ gìn cho thật sạch sẽ và nhẵn, phẳng để giảm thiểu suy hao ánh sáng. Bụi và bẩn trên các bề mặt có thể làm chắn lấp từng phần của đ−ờng truyền. Các lỗi trên bề mặt nguồn quang và đầu sợi quang nh− các vết trầy x−ớc, các khiếm khuyết cơ học có thể làm lệch h−ớng truyền của các tia sáng. Để xác định Tổng suy hao công suất tại mối ghép nguồn quang-sợi quang, bạn chỉ cần cộng các suy hao đã tìm trên đây: LOSSC = LOSSUI + LOSSNA + LOSSR + LOSSF 138 Nghĩa là tổng suy hao công suất tại mối ghép nguồn quang-sợi quang là tổng các suy hao gây ra do ghép lệch trục, lệch kích th−ớc mà chúng làm cho tia sáng không thể đi vào lõi sợi quang, suy hao do lệch khẩu độ số làm cho một phần ánh sáng v−ợt ra ngoài góc nhận của sợi quang, suy hao do Phản xạ Fresnel khi có thay đổi về chiết xuất, hoặc suy hao do khuyết tật bề mặt, do bụi bẩn tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang. Các nguyên nhân suy hao mối ghép đó cũng đ−ợc diễn giải giống nh− tại mối ghép trên tiếp giáp sợi quang-bộ tách quang. Một mét cáp sợi quang thủy tinh gây suy hao ánh sáng không quá 0.003 dB. L−ợng suy hao này có thể bỏ qua trong các b−ớc thực hành sau. Tr−ớc tiên bạn dùng phototransistor để đo công suất t−ơng đ−ơng tại đầu cuối của sợi quang thủy tinh 1m loại 62.5/125 khi nó nối với FOT hoặc Led IRED (Led hồng ngoại) Các thao tác thực hành : 1. Trên khối PHOTO TRANSISTOR đặt cầu nối RANGE về vị trí HI. 139 2. Đặt đồng hồ đo về thang đo VDC và nối nó với điểm đo EMITTER, âm đồng hồ đấu đất (GND). 3. Tắt nguồn cung cấp của tấm đế tr−ớc khi cắm các cầu nối +5V, -5V trên khối POWER SUPPLY về vị trí ANALOG. Sau khi đã cắm xong các cầu nối này, bật cấp nguồn trở lại cho tấm đế. 4. Nối mạch điều khiển ANALOG TRANSMITTER với khối FIBER OPTIC TRANSMITTER bằng cách đặt các cầu nối hai đầu CATHODE và ANODE về vị trí ANALOG. 5. Dùng sợi quang thủy tinh 1m loại 62.5/125 nối FOT với khối PHOTO TRANSISTOR. 6. Đo mức điện áp tại emitter (điểm đo EMITTER) của phototransistor. FOT = 1 VDC 7. Chuyển đầu sợi quang phía FOT sang Led hồng ngoại (IRED) của khối LIGHT EMITTING DIODES. Đầu kia của sợi quang vẫn nối với phototransistor. 8. Chuyển cầu nối RANGE về vị trí LO. 9. Đo mức điện áp tại emitter (điểm đo EMITTER) của phototransistor. IRED = 0.3 VDC (IRED = 2.200 VDC) 10. Chia giá trị này cho 100 để bù chênh lệch giữa mức LO và mức HI, khi đó IRED = 0.003 VDC 140 Đặc tuyến phổ của phototransistor gần giống đối với FOT với b−ớc sóng IRED nên việc bù phổ là không cần thiết. FOT = 0.770 VDC IRED = 0.022 VDC Các giá trị trên đ−ợc cho để tham khảo, định h−ớng trong mục này và các mục sau. Tuy nhiên, trong các tính toán, bạn cần sử dụng các giá trị đo thực tế. 11. Sử dụng các giá trị t−ơng ứng để xác định sự khác nhau về công suất đối với hai loại nguồn quang: ∆P = 10 lg(FOT/IRED) = 25 dB 12. Tính tổn thất LOSSUI do lệch kích th−ớc tại tiếp giáp FOT-sợi quang thủy tinh theo biểu thức sau: LOSSUI = 20 lg(D1/D2) dB LOSSUI (FOT/glass)= 13 dB D−ới đây là đ−ờng kính của các nguồn và sợi quang đ−ợc trang bị cùng bảng mạch thí nghiệm: D1(FOT) = 290 àm, D1(IRED) = 4000 àm, D2(glass) = 62.5 àm, D2(plastic) = 908 àm 13. Tính tổn thất LOSSUI do lệch kích th−ớc tại tiếp giáp IRED-sợi quang thủy tinh theo biểu thức sau: LOSSUI = 20 lg(D1/D2) dB LOSSUI (IRED/glass)= 37 dB D1(FOT) = 290 àm, D1(IRED) = 4000 àm, D2(glass) = 62.5 àm, D2(plastic) = 908 àm 14. Cho khẩu độ số của một vài loại nguồn quang và sợi quang trong bảng mạch thí nghiệm: NA1(FOT) = 0.49, NA1(IRED) = 0.259, NA2(glass) = 0.275, 141 NA2(plastic) = 0.47. Tính suy hao LOSSNA tại tiếp giáp FOT/sợi quang thủy tinh theo biểu thức sau: LOSSNA = 20lg(NA1/NA2) khi NA1>NA2 LOSSNA(FOT/glass) = 5 dB 15. Tính suy hao LOSSNA tại tiếp giáp IRED/sợi quang thủy tinh theo biểu thức LOSSNA = 20lg(NA1/NA2) khi NA1>NA2 LOSSNA(IRED/glass) = 0 dB 16. Tính độ phản xạ do thay đổi chiết xuất từ môi tr−ờng không khí với η1=1 sang lõi sợi quang thủy tinh với η2=1.492 p = [(η2-η1)/ (η2+η1)]2 p (air/glass) = 0.04 17. Tính suy hao do Phản xạ Fresnel LOSSR tại tiếp giáp không khí-lõi sợi quang thủy tinh theo biểu thức: LOSSR = 10lg(1-p) LOSSR(air/glass) = 0,177 dB Các giá trị tham khảo: Tại tiếp giáp FOT/glass Tại tiếp giáp IRED/glass LOSSUI = 13.3 dB LOSSUI = 36.1 dB LOSSNA = 5.0 dB LOSSNA = 0 dB LOSSR = 0.2 dB LOSSR = 0.2 dB LOSSF = 0.5 dB LOSSF = 0.5 dB 18. Tổng các suy hao công suất trên sẽ là suy hao tổng tại các tiếp giáp. Tính suy hao tổng LOSSC tại tiếp giáp IRED/glass LOSSC = LOSSUI + LOSSNA + LOSSR + LOSSF LOSSC (IRED/glass) =37.7 dB 19. Tổng các suy hao công suất trên sẽ là suy hao tổng tại các tiếp giáp. Tính suy hao tổng LOSSC tại tiếp giáp FOT/glass LOSSC = LOSSUI + LOSSNA + LOSSR + LOSSF = 19 dB 142 Bây giờ chúng ta sẽ xác định công suất ra từ cáp sợi quang thủy tinh 1m kiểu 62.5/125 khi nó đ−ợc nối với bộ phát (FOT) và khi nó đ−ợc nối với Led hồng ngoại (IRED) Công suất ra đỉnh của bộ phát (FOT) đ−ợc cho sẵn đối với cáp sợi quang thủy tinh 1m loại 62.5/125, bao gồm cả suy hao tổng của tiếp giáp giữa chúng: Maximum output power : -14 dBm (39.81àW) Typical output power : -16 dBm (25.12àW) Minimum output power : -19 dBm (12.59àW) Tuy nhiên, các giá trị này đ−ợc cung cấp bởi nhà sản xuất bộ phát khi dòng điện chạy qua là 60 mA, tại nhiệt độ môi tr−ờng 25oC Đo xác định dòng qua bộ phát: 20. Tháo bỏ cầu nối CATHODE khỏi vị trí ANALOG 21. Đặt đồng hồ đo về thang đo 200mADC và nối nó thay cho cầu nối CATHODE vừa tháo ra (que d−ơng vào lỗ giữa của cầu CATHODE, âm đồng hồ nối với lỗ jack ANALOG) 22. Đo dòng thuận qua FOT IF(q) IF(q) = 27 mA Nhà sản xuất đ−a ra công suất đỉnh tại dòng qua bộ phát 60mA thông th−ờng là -16dBm (25.12àW) 23. T−ơng tự trong bài tập 2 để chuẩn theo dòng qua bộ phát FOT thực tế, từ đó tìm công suất đầu ra cho bộ phát thì cần sử dụng đ−ờng cong tỉ lệ công suất đã cho bởi nhà sản xuất sau đó tính công suất ra theo công 143 thức: Po (FOT) = PR x Po(60mA) Po (FOT) =10.57 àW 24. Đơn vị dBm là đơn vị đo công suất tham chiếu 1mW tính theo dB. Nghĩa là tỉ số công suất ra với 1 mW tính theo dB. Công thức chuyển đổi sang đơn vị dBm nh− sau: Po (FOT) = 10 lg(Po (FOT)/1mW)= -19.76 dBm Nếu Po (FOT) = 11.4 àW = 0.0114 mW thì : Po (FOT) = 10 lg(0.0114mW/1mW) = 19.4 dBm Bảng sau cho thấy công suất đỉnh đầu ra tại đầu cuối sợi quang thủy tinh 1m loại 62.5/125, khi dòng thực tế qua bộ phát t−ơng tự (ANALOG TRANSMITTER) thông th−ờng IF(q) = 28.9 mA Maximum output power : -17.4 dBm (18.1àW) Typical output power : -19.4 dBm (11.4àW) Minimum output power : -22.4dBm (5.7àW) 25. Bạn đã tính công suất ra của bộ phát FOT, Po(FOT), nó có ở trong khoảng của các giá trị đã cho trên đây không? a. Đúng b. Sai Nhà sản xuất đã cung cấp các tham số đặc tr−ng đối với Led hồng ngoại, bao gồm công suất bức xạ thông dụng θE (Tổng công suất quang đầu ra) khoảng 2àW tại dòng tải tiêu chuẩn 20mA. 26. Để xác định dòng tải thực tế qua Led hồng ngoại (IRED) hãy đo điện áp rơi trên trở R41 VR41 = 3 VDC 27. Xác định dòng qua trở R41 IR41 = 16.7 mA Dòng qua Led IRED trên bảng mạch gần với 20mA để đảm bảo chắc chắn rằng Led này có công suất bức xạ đầu ra khoảng 2àW θE (20mA) = 2mW 144 28. Chuyển đổi công suất bức xạ của IRED từ àW sang đơn vị dBm θE (20mA) = 10 lg(θE (20mA)/ 1mW) = 10 lg2 = +3 dBm Vậy θE (20mA) = 2mW hoặc +3 dBm 29. Để xác định công suất ra hồng ngoại tại đầu ra của sợi quang thủy tinh 1m loại 62.5/125, phải lấy công suất ra của Led IRED trừ tổng suy hao trên tiếp giáp IRED/glass theo biểu thức sau: Po (IRED) = θE (20mA) - LOSSC (IRED/glass) = dB trong đó LOSSC(IRED/glass) = LOSSUI + LOSSNA + LOSSR + LOSSF LOSSC(IRED/glass) = 36.1 + 0 + 0.2 + 0.5 = 36.8 dB Po (IRED) = +3 dBm – 36.8 dB = -33.8 dBm 30. Để chuyển đổi sang đơn vị àW, dựa vào công thức: Po(dBm) = 10 lg(Po(mW)/ 1mW) nên Po(àW) = 10Po(dBm)/10 +3 = àW Đối với Led hồng ngoại Po(IRED) = 0.4àW, còn bộ phát Po(FOT) = 11.4àW Nh− thế: Công suất ra của Led hồng ngoại Po(IRED) = 0.4àW hay –33.8 dBm Công suất ra của bộ phát Po(FOT) = 11.4àW hay –19.4 dBm Đó là những công suất ra tính đ−ợc đối với bộ phát và Led hồng ngoại khi chúng đóng vai trò là nguồn quang đ−ợc nối qua cáp ra là một sợi quang thủy tinh loại 62.5/125 dài 1 m. Công suất ra này đã tính đến suy hao tổng tại tiếp giáp Led hoặc bộ phát với sợi quang. 31. Sử dụng các giá trị đã tính đ−ợc để xác định chênh lệch công suất (∆P) giữa hai loại nguồn quang đó: ∆P = 10 lg(Po(FOT)/Po(IRED))= dB ∆P(Đo đ−ợc) = 15.4 dB ∆P(Tính đ−ợc) = 14.4 dB 32. So sánh chênh lệch công suất tính đ−ợc và đo đ−ợc. 33. Chúng có giống nhau không? a. Có b. Không 145 34. Quan sát mức điện áp trên EMITTER của phototransistor bằng đồng hồ đo và từ từ rút connector của sợi quang ra khỏi Led hồng ngoại (IRED). 35. Công suất ghép từ nguồn quang sang sợi quang sẽ thay đổi nh− thế nào nếu tăng khoảng cách giữa chúng? a. Tăng b. Giảm c. Không đổi 36. Tháo các đấu nối trên bảng mạch. 146 Tóm l−ợc - Mối ghép nguồn quang-sợi quang trong phần phát FOT là một giao tiếp quang và cơ giữa nguồn quang và một đầu sợi quang. - Suy hao quang tại mối ghép có thể do nhiều nguyên nhân: Lệch trục ghép, chênh lệch về kích th−ớc, lệch khẩu độ số, do Phản xạ Fresnel hoặc do bề mặt tiếp xúc có khuyết tật hay có bụi bẩn. - Tổng suy hao tại mối ghép nguồn quang-sợi quang là tổng các suy hao do các nguyên nhân trên tạo ra đ−ợc quy về 4 đại l−ợng chính : LOSSUI- do các nguyên nhân cơ khí, LOSSNA- do lệch khẩu độ số, LOSSR- do Phản xạ Fresnel và LOSSF- do bề mặt kết cuối. Các suy hao này tính theo dB. - Nếu vùng lõi của chùm sáng tại đầu sợi quang nhỏ hơn hoặc bằng vùng lõi của sợi quang thì không gây ra suy hao do lệch kích th−ớc. - Nếu khẩu độ số của nguồn quang nhỏ hơn hoặc bằng khẩu độ số của sợi quang thì cũng không gây ra suy hao do lệch khẩu độ số. - Các mối ghép nguồn quang-sợi quang đ−ợc thiết kế sao cho giảm thiểu đ−ợc các nguyên nhân gây các suy hao tiếp giáp trên. 147 Các câu hỏi kiểm tra 1. Dựa vào biểu thức LOSSC = LOSSUI + LOSSNA + LOSSR + LOSSF và các b−ớc thực hành, cho biết nguồn quang nào trong bảng mạch thí nghiệm có LOSSC lớn nhất khi ghép với sợi quang thủy tinh? a. FOT (Bộ phát) c. Led Green (Led xanh) b. Led IRED (Led hồng ngoại) d. Led Red (Led đỏ) 2. Mối ghép FOT-to-glass (Bộ phát-sợi quang thủy tinh) hiệu quả hơn so với mối ghép IRED-to-glass (Led hồng ngoại-sợi quang thủy tinh) do suy hao nào của nó thấp hơn? a. LOSSUI c. LOSSF b. LOSSR d. Công suất ra của IRED 3. Tổn thất LOSSUI do lệch kích th−ớc tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang đ−ợc tính theo biểu thức sau: LOSSUI = 20 lg(D1/D2) dB cho D1(FOT) = 290 àm, D1(IRED) = 4000 àm, D2(glass) = 62.5 àm, D2(plastic) = 908 àm. Tính tổn thất LOSSUI tại tiếp giáp FOT/plastic (nguồn quang-sợi quang nhựa) a. 5.3 dB c. 21.2 dB b. 10.6 dB d. Không gây ra LOSSUI 4. Tổn thất LOSSNA do lệch khẩu độ số tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang đ−ợc tính theo biểu thức sau: LOSSNA = 20lg(NA1/NA2) khi NA1>NA2 cho NA1(FOT) = 0.49, NA1(IRED) = 0.259, NA2(glass) = 0.275, NA2(plastic) = 0.47. Tính suy hao LOSSNA tại tiếp giáp FOT/plastic (nguồn quang-sợi quang nhựa) LOSSNA(FOT/plastic) a. 0.20 dB c. 0.50 dB b. 0.36 dB d. 0.65 dB 5. Suy hao tổng tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang đ−ợc xác định theo biểu thức LOSSC = LOSSUI + LOSSNA + LOSSR + LOSSF cho LOSSUI = 20 dB, LOSSNA = 5.0 dB, LOSSR = 0.3 dB, LOSSF = 1.2 dB. Suy hao tổng nào đ−ợc diễn giải qua các suy hao trên? a. 6.5 dB c. 26.5 dB b. 13.5 dB d. 53.0 dB 148 Kiểm tra bài 3 1. Đặc tính nào của một nguồn quang ít quan trọng nhất trong các đặc tính sau: a. Mầu c. Băng thông b. C−ờng độ d. Trở kháng 2. Tham số nào không đ−ợc sử dụng đối với một nguồn quang : a. Bức xạ (Radiometric) c. Biểu đồ điện (Electrographic) b. Quang (Photometric) d. Không phải các tham số trên 3. Đặc tính nào là không quan trọng đối với một nguồn quang ? a. Công suất. c. Định h−ớng. b. Tốc độ d. Không phải các điều trên. 4. Mạch điều khiển của bộ phát điều khiển những gì ? a. Dòng thuận qua Led. c. Tốc độ chuyển mạch. b. Công suất bức xạ. d. Tất cả các tham số trên. 5. Các tham số thời gian s−ờn lên, s−ờn xuống của một tín hiệu ra biểu thị tham số nào của mạch điều khiển? a. Biên độ. c. Công suất . b. Băng thông. d. Không phải các điều trên. 6. Những kỹ thuật nào đ−ợc sử dụng để tăng tốc độ chuyển mạch của một mạch điều khiển số? a. Đỉnh cố định và tiền định (Constant-peaking and Pre-biasing) b. Tiền định và dòng đỉnh(Pre-biasing and Current-peaking) c. Nhịp cố định và đỉnh tr−ớc (Constant-biasing and pre-peaking) d. Không phải các kỹ thuật nêu trên 7. Thành phần nào sau đây không thuộc phần phát (FIBER OPTIC TRANSMITTER)? a. Mạch điều khiển . c. Nguồn quang. b. Giao tiếp nguồn quang-sợi quang . d. Sợi quang. 149 8. Tổn thất LOSSUI do lệch kích th−ớc tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang đ−ợc tính theo biểu thức sau : LOSSUI = 20 lg(D1/D2) dB cho D1=316 àm, D2 = 100 àm, NA1 = 0.5, NA2 = 0.28, p = 0.04. Tính tổn thất LOSSUI tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang này. a. 0 dB c. 10 dB b. 5 dB d. 15 dB 9. Bạn xác định suy hao tổng tại tiếp giáp nguồn quang-sợi quang nh− thế nào? a. Cộng các suy hao LOSSUI, LOSSNA, LOSSR và LOSSF b. Trừ các suy hao LOSSUI, LOSSNA, LOSSR và LOSSF c. Ghép (Multiply) các suy hao LOSSUI, LOSSNA, LOSSR và LOSSF d. Lấy trung bình các suy hao LOSSUI, LOSSNA, LOSSR và LOSSF 10. Kiểu ghép nối nào đ−ợc minh họa trên giao tiếp nguồn quang-sợi quang d−ới đây? a. Lệch kích th−ớc (UI) b. Lệch khẩu độ số (NA) c. Suy hao Phản xạ Fresnel. d. Không suy hao. 150 Bài 4 phần thu FIBER OPTIC RECEIVER. Mục đích: Nhận biết và tìm hiểu các thành phần của phần thu trong một hệ thống quang. Kiến thức cơ bản: ƒ Một bộ thu quang gồm bộ tách quang, tiếp giáp sợi quang-bộ tách, và một mạch đầu ra. ƒ Tiếp giáp sợi quang-bộ tách cho phép ánh sáng từ sợi quang chiếu vào bộ tách quang. ƒ Bộ tách quang chuyển đổi tín hiệu quang thu đ−ợc từ sợi quang thành tín hiệu dòng điện. ƒ Mạch đầu ra biến đổi tín hiệu ra của bộ tách quang thành dạng t−ơng thích với các thành phần khác của hệ thống. ƒ Trong hệ thống sợi quang, bộ tách quang th−ờng là một photodiode hoặc phototransistor. Cả hai loại thiết bị này đều sử dụng công suất ánh sáng để điều khiển dòng của chúng (photocurrent). ƒ Một photodiode là một diode bán dẫn PN hoặc PIN đ−ợc thiết kế đặc biệt. ƒ Khi năng l−ợng bức xạ đ−ợc hấp thụ vào một photodiode phân cực ng−ợc thì một số electron bị kích thích đủ để trở thành các phần tử mang dòng. Các phần tử mang dòng này làm tăng photocurrent tỷ lệ với công suất quang. ƒ Sự phân cực ng−ợc trên tiếp giáp base- collector trong phototransistor tác động cũng giống trong photodiode. Khi base đ−ợc chiếu sáng nó cho phép photocurrent đi vào base của transistor. Dòng qua 151 transistor khuếch đại (β) lần dòng base photocurrent. Nh− thế dòng collector cũng tỷ lệ với công suất bức xạ. 1. Các bộ chuyển đổi ánh sáng này có điểm gì chung? a. Cả hai đều đ−a ra ánh sáng. b. Cả hai đều có dòng khuếch đại đi qua. c. Cả hai đều cho phép dòng photocurrent. d. Cả hai đều có tiếp giáp base-collector. ƒ Công suất bức xạ từ sợi quang đ−ợc chuyển đến bộ tách quang bởi một tiếp giáp sợi – bộ tách. Tiếp giáp sợi – bộ tách này có thể làm suy hao công suất bức xạ khi tiếp cận bộ tách quang. Sự suy hao gây ra bởi : lệch khẩu độ số, phát xạ không tiếp nhận, và phản xạ Fresnel. Light Light Photodiode Phototransistor 152 Các thiết bị và dụng cụ cần dùng cho bài thí nghiệm: - Tấm đế - Bảng mạch FIBER OPTIC COMMUNICATIONS - Nguồn 15Vdc - Đồng hồ vạn năng - Oscilloscope - Máy phát sóng chuẩn, sine.