Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном диапазоне Российский патент 2021 года по МПК H03K3/02 H04B10/69 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для обнаружения оптических каналов передачи информации в широком диапазоне длин волн ИК излучения и широком динамическом диапазоне несущих частот, как с амплитудной модуляцией, так и без нее.

Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне предназначено для приема, усиления, предварительной обработки и обнаружения сигналов каналов передачи данных в ИК диапазоне, в том числе АМ каналов, за счет усиления и предварительной обработки сигналов с ИК фотодиодов, направленных на источник излучения. При этом сигналы каждого ИК фотодиода усиливаются и предварительно обрабатываются отдельными блоками обработки сигнала, а затем усиливаются аудиоусилителем для звукового оповещения.

Известно устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода – патент РФ на изобретение №2703823 «Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода», опубл. 22.10.2019 г. Бюл. № 30.

Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода содержит ИК фотодиод, подключенный к блоку обработки сигнала. Блок обработки сигнала включает первый операционный усилитель (далее – первый ОУ) с резистором отрицательной обратной связи, включенным между выходом первого ОУ и его инверсным входом, второй операционный усилитель (далее – второй ОУ) с вторым резистором отрицательной обратной связи и конденсатором, включенным между выходом второго ОУ и его инверсным входом и подключенным к выходу первого ОУ через фильтр верхних частот (ФВЧ), который состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора ФВЧ. Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода содержит также коммутатор, входы которого соединены с выходами первого и второго ОУ. Вход управления коммутатора подключен к электрической схеме управления. ИК фотодиод подключен к входу первого ОУ через дополнительный первый резистор. Кроме того, ФВЧ дополнен третьим резистором, размещенным между конденсатором и резистором ФВЧ, причем общая точка их соединения связана через дополнительно введенную нелинейную цепь с выходом второго ОУ. Нелинейная цепь выполнена в виде транзистора, эмиттер которого подключен к общей точке соединения третьего резистора и резистора ФВЧ, а база связана с выходом второго ОУ через четвертый резистор. Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода может содержать n ИК фотодиодов, подключенных к n блокам обработки сигналов, n выходы которых подключены к компаратору. Недостатком устройства является то, что оно обладает небольшим быстродействием, не имеет функции амплитудного демодулирования сигнала, имеет небольшой динамический диапазон частот, обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи данных.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне – патент РФ на изобретение № 2731528 «Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода», опубл. 03.09.2020 г. Бюл. № 25.

Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне содержит ИК фотодиод, включенный в фотодиодном режиме и подключенный к блоку обработки сигнала, блок обработки сигнала, переключатель и стерео аудиоусилитель. Блок обработки сигнала содержит операционный усилитель (ОУ) с резистором в цепи отрицательной обратной связи, три конденсатора и семь резисторов, два канала обработки сигнала, подключенных к выходу ОУ, состоящих из последовательно соединенных фильтров верхних частот (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) (один канал при этом выполняет амплитудную демодуляцию сигнала и содержит амплитудный демодулятор, включенный между ФВЧ и ФНЧ). Выходы каналов обработки сигнала являются выходами блока обработки сигнала и подключены ко входам переключателя, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя (СА). Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном диапазоне может содержать два ИК фотодиода, подключенных к двум блокам обработки сигналов.

Недостатком устройства является то, что при нестабильности питающего напряжения (разрядки элементов питания и т.п.) уровень напряжения на входе диода амплитудного демодулятора будет меняться, что приведет к зависимости чувствительности устройства от напряжения источника питания.

Таким образом, основной технической задачей предлагаемого изобретения является повышение стабильности амплитудного демодулирования амплитудно модулированных сигналов в первом канале обработки сигнала.

Для решения указанной технической задачи в Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода, содержащее ИК фотодиод, включенный в фотодиодном режиме и подключенный к блоку обработки сигнала, блок обработки сигнала, переключатель и стерео аудиоусилитель, причем блок обработки сигнала содержит операционный усилитель (ОУ) с резистором в цепи отрицательной обратной связи, три конденсатора и семь резисторов, два канала обработки сигнала, подключенных к выходу ОУ, состоящих из последовательно соединенных фильтров верхних частот (ФВЧ) и нижних частот (ФНЧ), причем первый канал при этом выполняет амплитудную демодуляцию сигнала и содержит амплитудный демодулятор, включенный между ФВЧ и ФНЧ, выходы каналов обработки сигнала являются выходами блока обработки сигнала и подключены ко входам переключателя, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя (СА), был добавлен стабилизатор напряжения, состоящий из стабилитрона и резистора, причем вход стабилизатора напряжения является его выходом, а первый вывод резистора стабилизатора напряжения соединен с катодом стабилитрона стабилизатора напряжения и через шестой резистор с потенциальной шиной источника питания. Анод стабилитрона стабилизатора напряжения соединен с общей шиной источника питания. Второй вывод резистора стабилизатора напряжения соединен со выходом стабилизатора напряжения и входом амплитудного демодулятора.

Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне работает следующим образом. Световое излучение поступает на ИК фотодиод, который включен в фотодиодном режиме. Включение ИК фотодиода в фотодиодном режиме имеет ряд преимуществ:

- большая чувствительность к мощности ИК излучения;

- большое внутреннее сопротивление фотодиода, что позволяет использовать соизмеримое с ним внутреннее сопротивление усилительного тракта;

- отсутствие необходимости в больших, по сравнению с фотогальваническим (ФГ) режимом, коэффициентах усиления усилительного тракта;

- большее быстродействие ИК фотодиода вследствие значительного приложенного напряжения питания, которое ускоряет образовавшиеся при облучении носители тока;

- больший, по сравнению с ФГ режимом, спектральный диапазон работы;

- выходной сигнал линеен в широком динамическом диапазоне длин волн ИК излучения.

Для стабилизации приложенного напряжения к катоду ИК фотодиода подключены второй и третий конденсаторы. Приложенное к ИК фотодиоду напряжение является обратным и задается с помощью второго и седьмого резисторов. Выходной сигнал с ИК фотодиода подается на отрицательный вход ОУ через конденсатор (который отсекает постоянную составляющую напряжения, приложенного к ИК фотодиоду) и первый резистор, который вместе с резистором отрицательной обратной связи задает необходимый коэффициент усиления ОУ. На положительный вход ОУ подается потенциал, заданный делителем напряжения, выполненным на последовательно соединенных третьем и четвертом резисторах, причем подается он через пятый резистор. ОУ включен по схеме преобразования тока в напряжение. Усиленный ОУ сигнал поступает на два канала обработки сигнала. Первый канал содержит ФВЧ, стабилизатор напряжения, амплитудный демодулятор и ФНЧ. ФВЧ предназначен для уменьшения влияния низкочастотных колебаний, вызванными помехами, генерируемыми бытовыми электроприборами. Амплитудный демодулятор выполняет амплитудную демодуляцию сигнала, при этом необходимый потенциал на входе диода задается стабилизатором напряжения выполненном на стабилитроне и резисторе. Стабилитрон, включенный последовательно с шестым резистором между потенциальной и общей шиной питания, стабилизирует уровень напряжения на первом выводе резистора стабилизатора напряжения, благодаря чему демодуляция сигнала, поступающего на амплитудный демодулятор, выполняется относительно заданного уровня напряжения, независимо от напряжения источника питания. ФНЧ устраняет высокочастотные шумы. Аналогичным образом работает и второй канал обработки сигнала, который содержит ФВЧ и ФНЧ. Он осуществляет только фильтрацию сигнала, уменьшая низкочастотные и высокочастотные помехи. Для звукового оповещения, обработанный сигнал подается на стерео аудиоусилитель. При этом выбор сигнала (амплитудно демодулированный или нет) осуществляется с помощью переключателя.

Для расширения оптического диапазона длин волн работы устройства в него может быть добавлен второй ИК фотодиод, второй блок обработки сигнала и второй переключатель. Обработанный сигнал второго блока обработки сигнала может быть подан на второй вход стерео аудиоусилителя. Таким образом можно обнаруживать одновременно два оптических канала передачи данных, разнесенных в оптическом диапазоне по частоте.

На Фиг. 1 показана схема устройства для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне.

Предлагаемое устройство (Фиг. 1) содержит ИК фотодиод 1, подключенный к блоку обработки сигнала 2 выходы которого подключены ко входам переключателя 3, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя 4. Блок обработки сигнала 2 содержит операционный усилитель 5 (ОУ) с резистором отрицательной обратной связи 6, включенным между выходом ОУ и его инверсным входом, первый 15, второй 12 и третий 13 конденсаторы, первый 7, второй 8, третий 16, четвертый 17, пятый 18 шестой 19 и седьмой 14 резисторы, первый и второй каналы обработки сигнала. ИК фотодиод включен в фотодиодном режиме. Его анод подключен к общей шине источника питания через седьмой резистор 14, а к отрицательному входу ОУ 5 через первый конденсатор 15 и первый резистор 7, включенные последовательно. Катод ИК фотодиода 1 подключен к потенциальной шине источника питания через второй резистор 8 и к общей шине питания через второй 12 и третий 13 конденсаторы, включенные параллельно. Третий резистор 16 и четвертый резистор 17 включены последовательно между потенциальной и общей шиной источника питания и задают необходимое смещение питания, подаваемое на положительный вход ОУ 5 через пятый резистор 18. Операционный усилитель 5 включен по схеме преобразователя тока в напряжение и осуществляет усиление полезного сигнала, полученного с ИК фотодиода 1. Коэффициент усиления задается первым резистором 7 и резистором обратной связи 6. Выход ОУ 5 подключен ко входу первого канала обработки сигнала и входу второго канала обработки сигнала.

Первый канал обработки сигнала содержит фильтр верхних частот (ФВЧ) 9, стабилизатор напряжения 49, амплитудный демодулятор 26 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 32. Вход первого канала обработки сигнала является входом ФВЧ 9, который включает в себя конденсатор 10 и резистор 11, соединенных последовательно, причем первый вывод конденсатора 10 является входом ФВЧ 9, а второй вывод резистора 11 соединен с общей шиной источника питания, при этом первый вывод резистора 11 является выходом ФВЧ 9, который подключен ко входу стабилизатора напряжения 49. Вход стабилизатора напряжения 49 является его выходом и подключен к потенциальной шине источника питания через последовательно соединенные резистор 48 и шестой резистор 19, при этом первый вывод резистора 48 соединен с катодом стабилитрона 47, анод которого соединен с общей шиной источника питания. Второй вывод резистора 48 соединен со выходом стабилизатора напряжения и входом амплитудного демодулятора 26. Амплитудный демодулятор 26, состоит из диода 23, резистора 24 и конденсатора 25, причем, анод диода 23 является входом амплитудного демодулятора 26, а катод подключен через резистор 24 к общей шине источника питания и через конденсатор 25 к выходу амплитудного демодулятора 26. Выход амплитудного демодулятора 26 подключен ко входу ФНЧ 32, состоящему из трех резисторов 27, 29 и 31, включенных последовательно и двух конденсаторов 28 и 30, включенных между общими точками соединения резисторов 27, 29 и 31 и общей шиной источника питания, причем первый вывод резистора 27 является входом ФНЧ 32, а второй вывод резистора 31 является выходом ФНЧ 32 и выходом первого канала обработки сигнала.

Второй канал обработки сигнала содержит фильтр верхних частот (ФВЧ) 22 и фильтр нижних частот (ФНЧ) 39. Вход второго канала обработки сигнала является входом ФВЧ 22, который включает в себя конденсатор 20 и резистор 21, соединенных последовательно, причем первый вывод конденсатора 20 является входом ФВЧ 22, а второй вывод резистора 21 соединен с общей шиной источника питания, при этом первый вывод резистора 21 является выходом ФВЧ 22, который подключен ко входу ФНЧ 39, состоящему из трех резисторов 33, 35 и 37, включенных последовательно и трех конденсаторов 34, 36 и 38, причем первый вывод резистора 33 является входом ФНЧ 39, а конденсаторы 34 и 36 включены между общими точками соединения резисторов 33, 35 и 37 и общей шиной источника питания, конденсатор 38 подключен к общей шине источника питания и второму выводу резистора 37, который является выходом ФНЧ 39.

Выходы первого и второго канала обработки сигнала являются выходами 40 и 41 блока обработки сигнала 2 и подключены к первому и второму входу переключателя 3, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя 4.

Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне может содержать два ИК фотодиода, два блока обработки информации и два переключателя. В таком случает второй ИК фотодиод 42 подключен ко второму блоку обработки информации 43, выходы 44 и 45 которого подключены ко входам второго переключателя 46, выход которого подключен ко второму входу стерео аудиоусилителя 4.

Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне имеет широкий динамический диапазон частот, обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи данных за счет подключения ИК фотодиода в фотодиодном режиме.

Амплитудная демодуляция сигнала выполняется благодаря наличию амплитудного демодулятора в канал обработки сигнала.

Введение в устройство стабилизатора напряжения перед амплитудным демодулятором делает независимым чувствительность устройства от напряжения источника питания.

В наличие второго ИК фотодиода и блока обработки сигнала расширяет диапазон длин волн, обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к средствам обработки сигналов фотоприемников. Технический результат заключается в повышении эффективности обнаружения оптических каналов передачи данных. Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне содержит ИК фотодиод, включенный в фотодиодном режиме и подключенный к блоку обработки сигнала, блок обработки сигнала, переключатель и стерео аудиоусилитель. Блок обработки сигнала содержит операционный усилитель (ОУ) с резистором в цепи отрицательной обратной связи, три конденсатора и семь резисторов, два канала обработки сигнала, подключенных к выходу ОУ, состоящих из последовательно соединенных фильтров верхних частот (ФВЧ) и нижних (ФНЧ) (один канал при этом выполняет амплитудную демодуляцию сигнала и содержит амплитудный демодулятор со стабилизатором напряжения, включенные между ФВЧ и ФНЧ). Выходы каналов обработки сигнала являются выходами блока обработки сигнала и подключены ко входам переключателя, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя (СА). 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном диапазоне, содержащее инфракрасный фотодиод, подключенный в обратном направлении (фотодиодный режим) к блоку обработки сигнала, выходы которого подключены ко входам переключателя, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя, причем блок обработки сигнала содержит операционный усилитель с резистором отрицательной обратной связи, включенным между выходом операционного усилителя и его инверсным входом, первый, второй и третий конденсаторы, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой резисторы, первый и второй каналы обработки сигнала, причем анод инфракрасного фотодиода подключен к общей шине источника питания через седьмой резистор, а к отрицательному входу операционного усилителя через первый конденсатор и первый резистор, включенные последовательно, а катод инфракрасного фотодиода подключен к потенциальной шине источника питания через второй резистор и к общей шине питания через второй и третий конденсаторы, включенные параллельно, третий и четвертый резистор включены последовательно между потенциальной и общей шиной источника питания и подключены через пятый резистор к положительному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко входам первого канала обработки сигнала, включающего фильтр верхних частот, амплитудный демодулятор, фильтр нижних частот, и второго канала обработки сигнала, включающего фильтр верхних частот и фильтр нижних частот, причем фильтр верхних частот первого канала обработки сигнала содержит конденсатор и резистор, соединенные последовательно, причем первый вывод конденсатора фильтра верхних частот первого канала обработки сигнала является его входом, а второй вывод резистора фильтра верхних частот первого канала обработки сигнала соединен с общей шиной источника питания, при этом первый вывод резистора фильтра верхних частот первого канала обработки сигнала является его выходом, амплитудный демодулятор первого канала обработки сигнала содержит диод, резистор и конденсатор, причем анод диода амплитудного демодулятора первого канала обработки сигнала является его входом, а катод подключен через резистор амплитудного демодулятора первого канала обработки сигнала к общей шине источника питания и через конденсатор амплитудного демодулятора первого канала обработки сигнала к его выходу, который подключен ко входу фильтра нижних частот первого канала обработки сигнала, состоящему из трех резисторов, включенных последовательно, и двух конденсаторов, включенных между общими точками соединения резисторов фильтра нижних частот первого канала обработки сигнала и общей шиной источника питания, причем первый вывод первого резистора фильтра нижних частот первого канала обработки сигнала является его входом, а второй вывод третьего резистора фильтра нижних частот первого канала обработки сигнала является его выходом и выходом первого канала обработки сигнала, вход фильтра верхних частот второго канала обработки сигнала содержит последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем первый вывод конденсатора фильтра верхних частот второго канала обработки сигнала является его входом, второй вывод резистора фильтра верхних частот второго канала обработки сигнала подключен к общей шине источника питания, а общая точка соединения конденсатора с резистором является выходом фильтра верхних частот второго канала обработки сигнала, который подключен ко входу фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала, состоящему из трех резисторов, включенных последовательно, причем первый вывод первого резистора фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала является входом фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала, и трех конденсаторов, два из которых включены между общими точками соединения резисторов фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала и общей шиной источника питания, а третий конденсатор фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала подключен к общей шине источника питания и второму выводу третьего резистора фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала, который является выходом фильтра нижних частот второго канала обработки сигнала и выходом второго канала обработки сигнала, выходы обоих каналов обработки сигнала являются выходами блока обработки сигнала и подключены ко входам переключателя, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя, отличающееся тем, что выход фильтра верхних частот первого канала обработки сигнала подключен ко входу стабилизатора напряжения первого канала обработки сигнала, который является его выходом и подключен к потенциальной шине источника питания через последовательно соединенные резистор стабилизатора напряжения первого канала обработки сигнала и шестой резистор, при этом первый вывод резистора стабилизатора напряжения первого канала обработки сигнала соединен с катодом стабилитрона стабилизатора напряжения первого канала обработки сигнала, анод которого соединен с общей шиной источника питания, а второй вывод резистора стабилизатора напряжения первого канала обработки сигнала соединен с его выходом.

2. Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном диапазоне по п.1, отличающееся тем, что первый канал обработки сигнала содержит амплитудный демодулятор, состоящий из диода, резистора и конденсатора, причем анод диода является входом амплитудного демодулятора, а катод подключен через резистор к общей шине источника питания и через конденсатор к выходу амплитудного демодулятора.

3. Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном диапазоне по п.1, отличающееся тем, что содержит два инфракрасных фотодиода, два блока обработки сигнала, два переключателя, выходы которых подключены к первому и второму входу стерео аудиоусилителя соответственно.