ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК G02F7/00 

Описание патента на изобретение RU2744348C1

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники.

Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность.

Также известны АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - / М.: Радио и связь, 1990. - 176 с., рис. 7, 6], содержащие оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10-6 с.

Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь [патент РФ N 2177165, 2001 г.], содержащий оптический бистабильный элемент, оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифро-аналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Т.к. данный АЦП функционирует в циклическом режиме работы (по окончании временного интервала преобразования счетчик устанавливается в начальное состояние и поэтому преобразование всегда начинается с нуля), то его недостатком является низкое быстродействие.

Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов.

Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник оптического излучения, источник напряжения, К-выходной оптический разветвитель (К=М+1, M=2N-1, N - разрядность аналого-цифрового преобразователя), М оптических транспарантов, М оптических компараторов, электрооптический амплитудный модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника оптического излучения подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя, выходы которого от первого до М-го подключены ко входам одноименных оптических транспарантов, выходы которых подключены к первым информационным входам одноименных оптических компараторов, а (М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым информационным входам одноименных оптических компараторов, каждый из которых содержит три фотодиода, три светодиода, два резистора, входы первого и второго фотодиодов являются первым и вторым информационными входами оптического компаратора, первый и второй резисторы включены между положительным электродом входа питания оптического компаратора, соединенного с выходом источника напряжения, и катодами первого и второго фотодиодов, соответственно, аноды которых объединены и подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, первый и второй светодиоды включены параллельно и встречно, при этом анод первого светодиода и катод второго светодиода подключены к катоду второго фотодиода, а катод первого светодиода и анод второго светодиода подключены к катоду первого фотодиода, выходы первого и второго светодиодов оптически связаны со входом третьего фотодиода, который соединен параллельно и встречно с третьим светодиодом так, что катод третьего фотодиода и анод третьего светодиода подключены к положительному электроду входа питания оптического компаратора, а анод третьего фотодиода и катод третьего светодиода подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, выход третьего светодиода является выходом оптического компаратора, а выходы всех оптических компараторов подключены ко входам соответствующих М N-выходных оптических разветвителей, выходы которых подключены ко входам N М-входных оптических объединителей таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя на всех N выходах М-входных оптических объединителей формируется позиционный двоичный код числа «i» за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходного оптического разветвителя и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей (определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей являются поглощающими/отсутствуют), а выходы N М-входных оптических объединителей подключены ко входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства.

Функциональная схема оптического АЦП показана на фиг. 1.

Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник оптического излучения 1, K-выходной оптический разветвитель 2 (K=М+1, M=2N-1, N-количество выходов (разрядов) АЦП), М оптических транспарантов 3, (i=1…М), источник напряжения 4, М оптических компараторов 5i, электрооптический амплитудный модулятор 6, М-выходной оптический разветвитель 7, М N-выходных оптических разветвителей 8i N М-входных оптических объединителей 9j, N фотоприемников 10j (j=1…N).

Входом устройства U является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 6.

Выход источника оптического излучения 1 подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя 2. Выходы от 1-го до М-го K-выходного оптического разветвителя 2 подключены ко входам оптических транспарантов 3i (i=1…M). Выходы оптических транспарантов 3i подключены к первым информационным входам оптических компараторов 5i.

(М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя 2 подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора 6. Выход электрооптического амплитудного модулятора 6 подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя 7. Выходы М-выходного оптического разветвителя 7 подключены ко вторым информационным входам М оптических компараторов 5i.

Выход источника напряжения 4 подключен ко входам питания оптических компараторов 5i.

Выходы оптических компараторов 5i подключены ко входам N-выходных оптических разветвителей 8i. Выходы N-выходных оптических разветвителей 8i подключены ко входам М-входных оптических объединителей 9j (j=1…N) таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя 8i на всех N выходах М-входных оптических объединителей 9j формируется позиционный двоичный код числа «i» (за счет наличия /отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходных оптических разветвителей 8i и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей 9j - определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей 8i являются поглощающими (или отсутствуют)). Выходы М-входных оптических объединителей 9j оптически связаны со входами одноименных фотоприемников 10j. Выходы фотоприемников 101-10N "D1…DN" являются выходами устройства.

Функциональная схема оптического компаратора 5i показана на фиг. 2.

Оптический компаратор 5i содержит первый фотодиод 5i11, второй фотодиод 5i12 и третий фотодиод 5i13, первый светодиод 5i21, второй светодиод 5i22,третийсветодиод 5i23, первый резистор 5i31 и второй резистор 5i32.

Входы первого и второго фотодиодов 5i11 и 5i12 являются первым и вторым информационными входами оптического компаратора 5i.

Первый и второй резисторы 5i31, 5i32 включены между положительным электродом входа питания оптического компаратора 5i соединенного с выходом источника напряжения 4, и катодами первого и второго фотодиодов 5i11 и 5i12, соответственно (т.к. фотодиод в режиме фото приема работает в инверсном режиме). Аноды первого и второго фотодиодов 5i11 и 5i12 объединены и подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора 5i.

Схема включения первого и второго резисторов 5i31, 5i32, первого и второго фотодиодов 5i11 и 5i12 образует балансную мостовую схему.

Первый и второй светодиоды 5i21 и 5i22 включены параллельно и встречно и соединены с выходом балансной мостовой схемы таким образом, что анод первого светодиода 5i21 (катод второго светодиода 5i22) подключен к катоду второго фотодиода 5i12, а катод первого светодиода 5i21 (анод второго светодиода 5i22) подключен к катоду первого фотодиода 5i11. Выходы первого и второго светодиодов 5i21 и 5i22 оптически связаны со входом третьего фотодиода 5i13.

Третий фотодиод 5i13 соединен параллельно и встречно с третьим светодиодом 5i23 таким образом, что катод третьего фотодиода 5i13 (анод третьего светодиода 5i23) подключен к положительному электроду входа питания оптического компаратора 5i, а анод третьего фотодиода 5i13 (катод третьего светодиода 5i23) подключен к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора 5i, соединенного с выходом источника напряжения 4. Выход третьего светодиода 5i23 является выходом оптического компаратора 5i.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал с амплитудой М⋅K усл.ед. с выхода источника оптического излучения 1 поступает на вход K-выходного оптического разветвителя 2. Пройдя K-выходной оптический разветвитель 2, оптический сигнал уменьшается по амплитуде в K раз, и на каждом выходе K-выходного оптического разветвителя 2 амплитуда оптического сигнала становится равной М усл.ед. Амплитуда оптического сигнала на выходе оптического транспаранта 3i, имеющего коэффициент передачи (i/M)/M, при этом составляет i/M усл.ед.

Оптический сигнал с K-го выхода K-выходного оптического разветвителя 2 поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 6. При наличии на входе устройства и, следовательно, на управляющем входе электрооптического амплитудного модулятора 6, входного сигнала UBX на выходе электрооптического амплитудного модулятора 6 формируется оптический сигнал с амплитудой U⋅М усл.ед., где U=UBX/Umax(U<1), UBX - текущее входное напряжение, Umax - максимальное входное напряжение (Umax=М усл.ед.).

С выхода электрооптического амплитудного модулятора 6 оптический сигнал поступает на М-выходной оптический разветвитель 7. После прохождения М-выходного оптического разветвителя 7 оптический сигнал уменьшается по амплитуде в М раз и поступает на вторые входы М оптических компараторов 5i (i=1…М) с амплитудой U усл.ед.

Оптические сигналы, подаваемые на первый и второй информационные входы оптического компаратора 5i, поступают, соответственно, на первый и второй фотодиоды 5i11, 5i12, включенные с резисторами 5i31, 5i32 по балансной мостовой схеме.

При равенстве оптических сигналов, подаваемых на фотодиоды 5i11, 5i12, их сопротивление будет одинаковым, потенциалы на их катодах будут равны, напряжение между катодами (на выходе балансного моста), подаваемое на первый и второй светодиоды 5i21, 5i22, будет равно 0 - первый и второй светодиоды 5i21, 5i22 излучать свет не будут. Фотодиод 5i13 будет закрыт и напряжение на светодиоде 5i23 будет максимальным (равным напряжению питания). На выходе светодиода 5i23 формируется оптический сигнал 1, поступающий далее на вход N-выходного оптического разветвителя 8i.

Рассмотрим случай, когда оптические сигналы, подаваемые на первый и второй фотодиоды 5i11, 5i12, не равны. Пусть на фотодиод 5i11 подается оптический сигнал с большей амплитудой, чем на фотодиод 5i12, тогда потенциал на катоде фотодиода 5i11 станет меньше (в результате уменьшения его сопротивления), чем потенциал на катоде фотодиода 5i12. Сформированная при этом разность потенциалов приводит к протеканию тока через первый светодиод 5i21, на выходе которого формируется оптический сигнал (второй светодиод 5i21 при этом закрыт). При поступлении оптического сигнала фотодиод 5i13 откроется и напряжение на светодиоде 5i23 будет ниже его порога срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и, следовательно, на входе N-выходного оптического разветвителя 8i будет равен 0.

Аналогично, если на фотодиод 5i11 подается оптический сигнал с меньшей амплитудой, чем на фотодиод 5i12, то потенциал на катоде фотодиода 5i11 станет больше, чем потенциал на катоде фотодиода 5i12. Сформированная при этом разность потенциалов приводит к протеканию тока через второй светодиод 5i22, на выходе которого формируется оптический сигнал (первый светодиод 5i21 при этом закрыт). Фотодиод 5i13 открывается, напряжение на светодиоде 5i23 будет ниже его порога срабатывания, оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 8i будет равен 0.

Таким образом, при равных амплитудах оптических сигналов на информационных входах оптического компаратора 5i амплитуда оптического сигнала на его выходе будет равна 1, а при разных амплитудах оптических сигналов - равна 0.

В результате, при наличии сигнала U=i/M амплитуды оптических сигналов будут равны только на первом и втором входах i-го оптического компаратора 5i (i/M=i/M) и поэтому только на выходе оптического компаратора 5i будет сформирован оптический сигнал 1, который поступит на вход N-выходного оптического разветвителя 8i.

При этом амплитуды оптических сигналов на выходах остальных оптических компараторов 51, …, 5i-1, 5i+1, …, 5M (а, следовательно, и на входах N-выходных оптических разветвителей 81, …, 8i-1, 8i+1, …, 8M) будут равны 0.

Так как ко входам М-входных оптических объединителей 91…9N подключены только те выходы N-выходных оптических разветвителей 81…8M, которые позволяют сформировать двоичный код числа «i», то в результате оптические сигналы появятся только на выходах М-входных оптических объединителей 91…9N, соответствующих позиционному двоичному коду числа «i». Оптические сигналы с выходов М-входных оптических объединителей 91…9N поступают далее на входы фотоприемников 101…10N, формируя на выходе АЦП позиционный двоичный код {D1, …, DN}, являющийся двоичным аналогом входного сигнала U.

Таким образом, при подаче на вход устройства аналогового напряжения U на выходе устройства формируется соответствующий позиционный двоичный код. Быстродействие данного АЦП определяется в основном временем срабатывания электрооптического амплитудного модулятора (5-10 нс), светодиодов и фотоприемников (100 пс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.

Похожие патенты RU2744348C1

название год авторы номер документа
Оптический аналого-цифровой преобразователь 2020
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
  • Погорелов Вадим Алексеевич
  • Шаталов Андрей Борисович
  • Гашененко Игорь Николаевич
RU2745592C1
Оптический аналого-цифровой преобразователь 2018
  • Манин Александр Анатольевич
  • Чадов Тимофей Александрович
  • Каменский Владислав Валерьевич
  • Соколов Сергей Викторович
RU2706454C1
Оптический аналого-цифровой преобразователь 2021
  • Соколов Сергей Викторович
  • Манин Александр Анатольевич
RU2756462C1
ОПТИЧЕСКИЙ Д-КОНЪЮНКТОР НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2435192C1
Оптоэлектронный селектор минимальных двоичных чисел 2021
  • Соколов Сергей Викторович
  • Манин Александр Анатольевич
RU2751984C1
ОПТИЧЕСКИЙ АЛГЕБРАИЧЕСКИЙ ОБЪЕДИНИТЕЛЬ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2435191C1
Оптоэлектронный компромиссный сумматор 2016
  • Акперов Имран Гурру Оглы
  • Ковалев Сергей Михайлович
  • Крамаров Сергей Олегович
  • Лукасевич Виктор Иванович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Суханов Андрей Валерьевич
RU2646366C1
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПРОМИССНЫЙ СУММАТОР 2016
  • Альбеков Адам Умарович
  • Вовченко Наталья Геннадьевна
  • Полуботко Анна Александровна
  • Соколов Сергей Викторович
  • Суханов Андрей Валерьевич
  • Тищенко Евгений Николаевич
RU2665262C2
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДЕФАЗЗИФИКАТОР 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2439652C1
ОПТИЧЕСКИЙ ГРАНИЧНЫЙ ДИЗЪЮНКТОР НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ 2010
  • Аллес Михаил Александрович
  • Соколов Сергей Викторович
  • Ковалев Сергей Михайлович
RU2432598C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 744 348 C1

Реферат патента 2021 года ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники. Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник оптического излучения, К-выходной оптический разветвитель (K=М+1, M=2N-1, N - разрядность аналого-цифрового преобразователя), М оптических транспарантов, источник напряжения, М оптических компараторов, электрооптический амплитудный модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 744 348 C1

Оптический аналого-цифровой преобразователь, включающий источник оптического излучения, источник напряжения, К-выходной оптический разветвитель (К=М+1, M=2N-1, N - разрядность аналого-цифрового преобразователя), М оптических транспарантов, М оптических компараторов, электрооптический амплитудный модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника оптического излучения подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя, выходы которого от первого до М-го подключены ко входам одноименных оптических транспарантов, выходы которых подключены к первым информационным входам одноименных оптических компараторов, а (М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым информационным входам одноименных оптических компараторов, каждый из которых содержит три фотодиода, три светодиода, два резистора, входы первого и второго фотодиодов являются первым и вторым информационными входами оптического компаратора, первый и второй резисторы включены между положительным электродом входа питания оптического компаратора, соединенного с выходом источника напряжения, и катодами первого и второго фотодиодов, соответственно, аноды которых объединены и подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, первый и второй светодиоды включены параллельно и встречно, при этом анод первого светодиода и катод второго светодиода подключены к катоду второго фотодиода, а катод первого светодиода и анод второго светодиода подключены к катоду первого фотодиода, выходы первого и второго светодиодов оптически связаны со входом третьего фотодиода, который соединен параллельно и встречно с третьим светодиодом так, что катод третьего фотодиода и анод третьего светодиода подключены к положительному электроду входа питания оптического компаратора, а анод третьего фотодиода и катод третьего светодиода подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, выход третьего светодиода является выходом оптического компаратора, а выходы всех оптических компараторов подключены ко входам соответствующих М N-выходных оптических разветвителей, выходы которых подключены ко входам N М-входных оптических объединителей таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя на всех N выходах М-входных оптических объединителей формируется позиционный двоичный код числа «i» за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходного оптического разветвителя и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей (определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей являются поглощающими/отсутствуют), а выходы N М-входных оптических объединителей подключены ко входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2744348C1

US 6525682 B2, 25.02.2003
WO 2008152642 A1, 18.12.2008
US 8618966 B2, 31.12.2013.

RU 2 744 348 C1

Авторы

Вовченко Наталья Геннадьевна

Каменский Владислав Валерьевич

Соколов Сергей Викторович

Тищенко Евгений Николаевич

Стрюков Михаил Борисович

Даты

2021-03-05Публикация

2020-04-03Подача