Учебный прибор по оптике Советский патент 1992 года по МПК G09B23/22 

сл

с

VI

XI О Ю v|

4

ГО

t

Изобретение относится к учебным приборам по оптике. Известен учебный прибор по оптике, содержащий основание, осветитель, объект с вибратором, фотопреобразователь, осциллограф и источник питания.

Недостатком известного устройства являются невысокие дидактические возможности.

Целью изобретения является повышение дидактических возможностей.

На фиг,1 представлена структурная схема прибора; на фиг.2 - вид возможных осциллограмм; на .фиг.З - взаимное расположение силовых частот сложных сигналов с многократной частотной модуляцией; на фиг.4 -.закон изменения фазы частотно-манипулированного (ЧМн) сигнала изображен.

Учебный, прибор по оптике содержит основания 1, осветитель 2, объект 3 вибратором 4, первый фотопреобразователь 5, первый осциллограф 6, источник питания 7, первый генератор 8 сложных фазоманипу- лированных(ФМн)сигналов, второй генератор 9 сложных частотно-манипулированных (ЧМн) сигналов, третий генератор 10 сложных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), первый и второй переключатели 11 и 12, умножитель 13. первый полосовой фильтр 14, второй умножитель 15, второй полосовой фильтр 16, умножитель 17. третий полосовой фильтр 18, ячейку Брэгга 19, линзу 20, второй фотопреобразователь 21 и второй осциллограф 22. Причем на пути распространения пучка света от осветителя 2 последовательно установлены ячейка Брэгга 19, объект 3 с вибратором 4 и фотопреобразователь 5, соединенный с осциллографом б, который подключен к источнику питания 7. Генератор 8, 9 и 10 сложных сигналов через переключатель 11 соединен с двумя входами умножителя 13, к выходу которого последовательно подключены полосовой фильтр 14, умножитель 15, полосовой фильтр 16, умножитель 17 и полосовой фильтр 18. Пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 19 через переключатель 12 соединен с выходами переключателя 11 и полосовых фильтров 14, 16 и 18. На пути распространения дифрагируемой части пучка света ячейки Брэгга 19 установлена линза 20. в фокальной плоскости которой установлен фотопреобразователь 21, соединенный с осциллографом 22, который подключен к источнику питания 7. Все блоки прибора установлены на основаНИИ 1.

В последние годы широкое применение находит акустооптическая обработка радиосигналов. При чтом основной особенностью акустооптической обработки радиосигналов пространственная двумерная оптических сигналов, в связи с чем возможности обработки радиосигналов в

оптическом диапазоне оказываются существенно шире, чем в радиодиапазоне, где радиосигнал имеет временную одномерность.

Указанная особенность наглядно де0 монстрируется предлагаемым прибором. Прибор работает следующим образом. При включении осветителя 2, в качестве которого могут быть использованы лазер и коллиматор, пучок света проходит через

5 ячейку Брэгга 19 и объект 3. Последний вызывает интерференцию, в результате чего световой пучок пространственно перераспределяется и некоторая часть его попадает на фотопреобразователь 5. При подаче на0 пряжения от источника питания 7 вибратор 4 приводит объек-. 3 в колебательное движение, синхронно с движением луча индикатора 6 по экрану и в различные моменты времени на фотопреобразователь 5 попада5 ют различные части пространственно перераспределенного объектом 3 светового пучка. На экране осциллографа б возникает картина пространственного распределения энергии в световом пучке, например, для

0 явления интерференции.

При постановке переключатели 11 в первое положение I подключается генератор 8 сложных (ФМн) сигналов, который может работать в трех режимах. В первом

5 режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с бинарной фазовой манипуляцией (ФМн-2) y)k(t) 0, л. Во втором режиме генератор 8 формирует сложный сигнал с двукратной фазовой манипуляцие/i (ФМн4) (pk(t) 0, у , ж, ту я. В третьем режиме

генератор 8 формирует сложный сигнал с трехкратной фазовой манипуляцией (ФМн- 8) 5

оf% Э J

0,д , -цЛ , Л , Л , Ј Л , ц Л.

При работе в первом режиме генеэатор 8 0 формирует ФМн-2 сигнал

Uc(t) Уссоз 2л fct + ipk(t) + ipdO 5.t TC,

где Vc, fc, Tc, pc - амплитуда, несущая 5 частота, длительность и начальная Фаза сигнала;

(t) 0,я - манипулируемая составляющая фазы сигнала, отображающая закон фазовой манипуляции, причем k(t} const

Если переключатель 11 переводится во второе положение II, то к устройству подключается генератор 9 сложных ЧМн сигналов, который также работает в трех режимах. В первом режиме генератор 9 формирует сигнал с минимальной частотной манипуляцией (ФМн-2) (фиг.За)

Uc(t) Vc л fcpt + (f(i) + фс. TC,

где f(i) - изменяющаяся во времени фазовая функция (фиг.4);

, f + f2

fcp -х-- - средняя частота сигнала, 1

f 1 fcp- 4tn

символьные частоты.

f2

В этом случае на выходе полосового фильтра 14 образуется ЧМн сигнал с индексом девиации частоты h 1. Причем его спектр трансформируется в две спектральные составляющие на частотах 2fi и 2fa (фиг.2о).. На выходе полосового фильтра 16 образуются две спектральные составляющие на частотах 4fi и 4fj (фиг 2п), а на выходе полосового фильтра 18 образуются две спектральные составляющие на частотах 8f 1 и 8т2(фиг.2р).

Если генератор 9 переводится во второй режим, то на его выходе образуется сложный сигнал с дуобинарной частотной манипуляцией (ЧМн-3). В этом случае на выходах полосовых фильтров 16 и 18 образуются три спектральные составляющие ка частотах 4fi, 4fcp, 4f2 (фиг.2у) и 8fi. 8fCp, 8f2 (фиг.2ф), т.s. сплошной спектр трансформируется в три спектральные составляющие. На выходе умножителя 13 спектр ЧМн-3 сигнала трансформируется в другой сплошной спектр, поскольку h 1 (фиг.2т).

Если генератор 9 переводится в третий режим, то на его выходе формируется сложный сигнал со скруглением (ЧМн-5). На выходе умножителя 17 спектр ЧМн-5 сигнала трансформируется в пять спектральных лепестков с пиковыми значениями на частотах 8fi, 8f3, 8fCp. 8f4. 8f2 (фиг.2ш). На выходах умножителей 13 и 15 сплошной спектр ЧМн- 5 сигнала трансформируется в другие сплошные спектры, так как в этих случаях h 1 (фиг.Зц.ч).

Если переключатель 11 переводится в третье III положение, то к устройству подключается ЛЧМ генератор 10, на выходе которого формируется сигнал Uc(t) Vc- cos(2 TTfct 4 .т; т2 - /v) 0 t Тс. где

„ Afg

у скорость изменения зстспы вчут- I с

ри импульса;

Affl - девиация частоты.

На выходе перемножителя 13 ЛЧМ сигнал

0

5

0

5

0

0

lM(t) Vi -cos(4 yrfct + 2.7Г yt2 + 2 0 t TL,

который выделяется полосовым фипыром 14. Так как длительность Тс ЛЧМ сигнала на основной и удвоенной частотах одинакова то увеличение у в де раза происходит зз счет увеличения в два раза девиации частоты Атд. Из этого следует ,что шмрикаспемоа ЛЧМ сигнала на удвоенной частоте Ат; в два раза больше его ширины на основной частоте Afc( Af2 2 Afc) (фиг.2э).

Аналогично на выходах перемножите- лей i5 и 17 ширинэ спектра ЛЧМ сигнала увеличивается в четыре и восемь раз ( 4 Afc, Afs 8 Afc), (фиг.2 ю, ч). Это обстоятельстве и является признаком распознавания ЛЧМ сигнала.

Таким образом прибор по сравнению с. прототипом обеспечивает наглядчую демонстрацию акустооптическои ог- сгбогки сложных радиосигналов, возможность трансформации радпод апазона Р оптический диапазон чеоез промежуточный акустический аналог; возможность прсобраз.о- в&ния амплитудных, частот-s и ОКЭЗОВУХ различий радиосигналов, в пространственные различия оптических сигналов EOSMOV- ность параллельной, одновременные и практически мгновенной обарсот г, бгль- шого количества радиосигналов: возможность свертки спектра спорных радиосигналов, м трансформации его в отдельные спектральные составляющие

5

5

Формула изобретения Учебный прибор по оптике по авт.св. № 1010643 отличающийса тем что с целью расширения дидактических возможностей, он снабжен генераторами сложных сигналов, переключателями, последовательно включенными умножителями и полосовыми фильтрами, ячейкой Брзгга, линзой 0 и дополнительными фотопреобразовзтелем и осциллографом, при этом ВЫХОДУ генераторов сложных сигналов соединены с первым выводом первого переключателя, первый, второй и третий выводь, второго переключателя связаны с входами умножителей, а выходы полосовых фильтрсч подключены соответственно к второму, третьему и четвертому выводам старого переключателя, пятый вывод которого связан.

при k Гп t (k+1) rn и может изменяться скачком при rn, т.е. на границах между

элементарными посылками (,2N-1);

rnN - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью TC( тп). Этот сигнал переключатель 11 поступает на два входа умножителя 13, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ui(t) Vi -cos(4 jrfct + 2 pc), 0 t TC,

где Vi kVc2;

К - коэффициент передачи умножителя.

Так как 2 pk(t) 0,2 п, то в указанном напряжении фазовая манипуляция уже отсутствует. Напряжение выделяется полосовым фильтром 14 и поступает на два входа умножителя 15, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

L)2(t) U2 -cos(8 rfct + А рс), 0 t TC,

где V2 I kVi2

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 16 и поступает на два входа умножителя 17, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

Ua(t) V3-cos(16jrfct + 8 рс), 0 t TC,

где V3 - kV22.

Это напряжение выделяется полосовым фильтром 18.

При постановки переключателя 12 в первом положение 1 ФМн-2 сигнал поступает на пьезоэлектрический преобразователь ячейки Брэгга 19.

Пучок света от осветителя 2 проходит через ячейку Брэгга 19 и дифрагирует на акустических колебаниях, возбужденных ФМн-2 сигналом. На пути распространения дифрагируемой части пучка света, а дифрагирует приблизительно 1/10 часть основного пучка света, установлена линза 20, формирующая пространственный спектр сложного ФМн-2 сигнала, В фокальной плоскости линзы 20 установлен фотопреобразователь 21, соединенный с осциллографом 22,

Ячейка Брэгга 19 состоит из звукопро- вода м возбуждающей гиперзвук пьезоэлектрической пластины, выполненный из кристалла ниобата лития соответственно X и Y - 35° среза. Это обеспечивает автоматическую подстройку по углу Брегга и работу ячейки в широком диапазоне частот

Ширина спектра ФМн-2 сигнала Afc определяется длительностью Гц элементарных

посылок (Afc r). Тогда как ширина спектра

Јп

второй Af2, четвертой Afy и восьмой Afp, гармоник определяется длительностью Тс сигнала ( Af2 Af4 Afe т--). Следовательно.

i с

при умножении фазы на два. четыре и восемь спектр ФМн-2 сигнала сворачивается

в N раз( Ј м)и трансфермируется в одиночные спектральные составляющие. Это обстоятельство и является признаком распознавания сложного ФМн-2 сигнала.

При установке переключателя 12 в первое положение 1 на экране осциллографа 22 визуально наблюдается амплитудный спектр ФМн-2 сигнала (фиг.2а) При переключении переключателя в положения II. Ill и IV на экране осциллографа 22 визуально

наблюдаются одиночные спектральные составляющие (фиг.26. в. г).

Если генератор 8 переводится во второй режим, то на его выходе формируется ФМн4 сигнал y3k(t) 0, -п , л , п л В этом случае

на выходе полосового фильтра 14 образуется ФМн-2 сигнал

35

(t) 0, я. 2 я Зл-3

а на выходе полосовых фильтров 16 и 18 образуются соответствующие гармонические напряжения U2(t) и lb(t), при нахождении переключателя 12 в положении I или II

на экране осциллографа 22 наблюдаются спектры ФМн-4 или ФМн-2 сигналов (фиг.2д, е), а при переключении переключателя 12 в положения III и IV на экране осциллографа 22 наблюдаются одиночные

спектральные составляющие (фиг.2ж, з).

Если генератор 8 переводится Е; третий режим, то на его выходе формируется ФМн-8

сигнал{ к(г)0,5, Ј , |я,л . |л , ;jл, |ж.

На выходах полосовых фильтров 14 и Т6 образуются ФМн-4 и ФМн-2 сигналы, а на выходе полосового фильтра 18 образуется гармоническое напряжение U3(t). В этом случае на экране осциллографа 22 при I. II и

ц) положениях переключателя 12 наблюдаются спектры ФМн-8, ФМн-4 и ФМн-2 сигналов (фиг.2 и,к,л), а при iV положении переключателя 12 наблюдается одиночная спектральная составляющая (фиг 2м).

электрически с ячейкой Брэгга, расположенной на оптической оси между осветителем и объектом с вибратором, ячейка Брэгга

оптически связана с линзой, в фокальной первым выводом второго переключателя, а плоскости которой установлен дополни- 5 выход источника питания связан с вторым тельный фотопреобразователь, соединен- входом дополнительного осциллографа.

хЈ

W

&

$

&

и

W

к

и

Щ

5to

Фиг;2 .

ный выходом с первым входом дополнительного осциллографа, причем второй вывод первого переключателя соединен с

чЗ

Жч-2

6

вин-4

вМч-8

м

ЧМч-2

п

ЧМн-3

ЧМн-5

Л ЧМ

$

а

№

гМи

Л

; 4т

Ј ilV

-+L 4uJ

/;ЛЛ

«W . / / / ;

//

« /j /5 /2 Фи$.3

-№

Редактор Т.Иванова

Фае Л

Составитель В.Федоров Техред М.Моргентал

Wft-2 /

Л

Ј ilV

4uJ

-J /

Корректор Н.Бучок