Оптический аналого-цифровой преобразователь Российский патент 2021 года по МПК G02F7/00 

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 когерентного излучения, источник напряжения, (К=М+1) - выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2^N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических инверторов, каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого является информационным входом оптического инвертора, и светодиод, соединенный параллельно с фотодиодом таким образом, что катод фотодиода подключен к аноду светодиода, выход которого является выходом оптического инвертора, и через последовательно соединенный резистор катод фотодиода подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора, соединенного с выходом источника напряжения; электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника когерентного 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 входам одноименных М оптических Y-объединителей, 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 оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены к информационным входам одноименных оптических инверторов, входы питания которых соединены с выходом источника напряжения, а выходы подключены ко входам М соответствующих 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 N-разрядный АЦП содержит источник когерентного излучения 1, K-выходной оптический разветвитель 2 (K=N+1), М оптических транспарантов 3_i (i=1…M, M=2^N-1, N - количество выходов АЦП), М оптических Y-объединителей 4_i, М оптических инверторов 5_i, электрооптический амплитудный модулятор 6, оптический фазовый модулятор 7, М - выходной оптический разветвитель 8, М N-выходных оптических разветвителей 9_i, N М-входных оптических объединителей 10_j, N фотоприемников 11_j (j=1…N), источник напряжения 12.

Входом устройства U является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 6.

Выход источника когерентного 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 3_i (i=1…М). Выходы оптических транспарантов 3_i подключены к первым входам оптических Y-объединителей 4_i.

(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 оптического фазового модулятора 7. Выход оптического фазового модулятора 7 подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя 8. Выходы М-выходного оптического разветвителя 8 подключены ко вторым входам М оптических Y-объединителей 4_i.

Выходы оптических Y-объединителей 4_i подключены к информационным входам оптических инверторов 5_i, входы питания которых соединены с выходом источника напряжения 12.

Выходы оптических инверторов 5_i подключены ко входам N-выходных оптических разветвителей 9_i. Выходы N-выходных оптических разветвителей 9_i подключены ко входам М-входных оптических объединителей 10_j (j=1…N) таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя 9_i на всех N выходах М-входных оптических объединителей 10_j формируется позиционный двоичный код числа «i» (за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходных оптических разветвителей 9_i и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей 10_j - определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей 9_i являются поглощающими (или отсутствуют)). Выходы М-входных оптических объединителей 10_j оптически связаны со входами одноименных фотоприемников 11_j. Выходы фотоприемников 11₁-11_N "D₁…D_N" являются выходами устройства.

Функциональная схема оптического инвертора 5, показана на фиг. 2.

Оптический инвертор 5_i содержит фотодиод 5_i1, светодиод 5_i2 и резистор 5_i3.

Вход фотодиода 5_i1 является информационным входом оптического инвертора 5_i. Фотодиод 5_i1 соединен параллельно со светодиодом 5_i2 таким образом, что катод фотодиода 5_i1 подключен к аноду светодиода 5_i2, выход которого является выходом оптического инвертора 5_i. Через последовательно соединенный резистор 5_i3 катод фотодиода 5_i1 подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора 5_i (т.к. фотодиод в режиме фотоприема работает в инверсном режиме), а анод фотодиода 5_i1 подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора 5_i, соединенного с выходом источника напряжения 12.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал с амплитудой М×K усл. ед. с выхода источника когерентного 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 3_i с коэффициентом передачи (i/M)/M при этом составляет i/M усл. ед.

Оптический сигнал с K-то 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 U_ВХ на выходе электрооптического амплитудного модулятора 6 формируется оптический сигнал с амплитудой U⋅М усл. ед., где U=U_ВХ/U_max (U<1), U_ВХ - текущее входное напряжение, U_max - максимальное входное напряжение (U_max=М усл. ед.).

С выхода электрооптического амплитудного модулятора 6 оптический сигнал поступает на вход оптического фазового модулятора 7. Пройдя оптический фазовый модулятор 7, оптический сигнал изменяет фазу на π и поступает на М-выходной оптический разветвитель 8. После прохождения М-выходного оптического разветвителя 8 оптический сигнал уменьшается по амплитуде в М раз и поступает на вторые входы М оптических Y-объединителей 4_i (i=1…M) с амплитудой U усл. ед.

Т.к. при сложении двух когерентных противофазных оптических сигналов происходит вычитание их амплитуд, то на выходе первого оптического Y-объединителя 4₁ амплитуда сигнала будет равна: (1/M)-U усл. ед., на выходе второго оптического Y-объединителя 4₂, соответственно: (2/M)-U усл. ед., на выходе i-го оптического Y-объединителя 4_i амплитуда сигнала будет равна: (i/M)-U усл. ед.

Если амплитуда оптического сигнала на выходе оптического Y-объединителя 4_i будет равна 0, то фотодиод 5_i1 будет закрыт и напряжение на светодиоде 5_i2 будет максимальным (равным напряжению питания). На выходе светодиода 5_i2 формируется оптический сигнал, поступающий далее на вход N-выходного оптического разветвителя 9_i.

Если амплитуда оптического сигнала на выходе оптического Y-объединителя 4_i будет больше 0, то фотодиод 5_i1 откроется и напряжение на светодиоде 5_i2 будет ниже его порога срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и, следовательно, на входе N-выходного оптического разветвителя 9_i будет равен 0.

Так, при U=1/M амплитуда оптического сигнала с выхода первого оптического Y-объединителя 4₁ будет равна (1/M)-U=0 усл. ед., поэтому на фотодиод 5₁₁ поступит оптический сигнал с амплитудой 0 усл. ед. Фотодиод 5₁₁ будет закрыт, напряжение на светодиоде 5₁₂ будет выше порога его срабатывания (максимальным), на выходе светодиода 5₁₂ будет сформирован оптический сигнал, который поступит на вход N-выходного оптического разветвителя 9₁.

Амплитуда оптического сигнала с выхода второго оптического Y-объединителя 4₂ будет равна (2/M)-U=1/М усл. ед., на фотодиод 5₂₁ поступит оптический сигнал с амплитудой 1/М усл. ед. Фотодиод 5₂₁ будет открыт и напряжение на светодиоде 5₂₂ будет ниже порога его срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 9₂ будет равен 0.

Амплитуда оптического сигнала с выхода оптического Y-объединителя 4_М будет равна (М-1)/М усл. ед., оптический сигнал с амплитудой (М-1)/М усл. ед. поступит на фотодиод 5_М1. Фотодиод 5_М1 будет открыт и напряжение на светодиоде 5_М2 будет ниже порога его срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 9_M также будет равен 0.

Таким образом, при U=1/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 9₁.

При U=i/M амплитуда оптического сигнала с выхода i-го оптического Y-объединителя 4, будет равна (i/M)-U=0 усл. ед., поэтому на фотодиод 5_i1 поступит оптический сигнал с амплитудой 0 усл. ед. Фотодиод 5_i1 будет закрыт и напряжение на светодиоде 5_i2 будет выше его порога срабатывания. Следовательно, оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 9_i будет равен 1.

При этом амплитуды оптических сигналов с выходов (i±1)-го оптических Y-объединителей 4_i±1 будут равны усл. ед. Эти оптические сигналы поступят на фотодиоды 5_(i±1)1, которые будут открыты и, следовательно, напряжение на светодиодах 5_(i±1)2 будет ниже порога их срабатывания - оптические сигналы на входах N-выходных оптических разветвителей 9_i±1 будут равны 0.

Таким образом, при U=i/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 9_i.

Так как ко входам М-входных оптических объединителей 10₁…10_N подключены только те выходы N-выходных оптических разветвителей 9₁…9_M, которые позволяют сформировать двоичный код числа «i», то в результате оптические сигналы появятся только на выходах М-входных оптических объединителей 10₁…10_N, соответствующих позиционному двоичному коду числа «i». Оптические сигналы с выходов М-входных оптических объединителей 10₁…10_N поступают далее на входы фотоприемников 11₁…11_N, формируя на выходе АЦП позиционный двоичный код {D₁,...,D_N}, 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) и фотоприемников (100 пс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне. Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник когерентного излучения, источник напряжения, (К=М+1) - выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2^N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических инверторов, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников. Причем каждый инвертор содержит резистор, фотодиод, вход которого является информационным входом оптического инвертора, и светодиод, соединенный параллельно с фотодиодом таким образом, что катод фотодиода подключен к аноду светодиода, выход которого является выходом оптического инвертора, и через последовательно соединенный резистор катод фотодиода подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора, соединенного с выходом источника напряжения. Технический результат - повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 2 ил.

Оптический аналого-цифровой преобразователь, включающий источник когерентного излучения, источник напряжения, (К=М+1) - выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2^N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических инверторов, каждый из которых содержит резистор, фотодиод, вход которого является информационным входом оптического инвертора, и светодиод, соединенный параллельно с фотодиодом таким образом, что катод фотодиода подключен к аноду светодиода, выход которого является выходом оптического инвертора, и через последовательно соединенный резистор катод фотодиода подключен к положительному электроду входа питания оптического инвертора, а анод фотодиода подключен к отрицательному электроду входа питания оптического инвертора, соединенного с выходом источника напряжения; электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника когерентного излучения подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя, выходы которого от первого до М-го подключены к входам одноименных оптических транспарантов, выходы которых подключены к первым входам одноименных М оптических Y-объединителей, 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 к входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен к входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены к информационным входам одноименных оптических инверторов, входы питания которых соединены с выходом источника напряжения, а выходы подключены к входам М соответствующих N-выходных оптических разветвителей, выходы которых подключены к 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 к входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства.