Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор принципов построения и примеры применения МСПИ в системах управления и контроля 12
1.1 Примеры применения МСПИ в системах управления и контроля 12
1.2 Обзор и сравнительный анализ принципов построения МСПИ 16
1.2.1 ВОЦАП на основе активных модуляторов 18
1.2.1.1 ВОЦАП со спектральным уплотнением каналов 18
1.2.1.2 Устройства на основе магнитооптических модуляторов 25
1.2.1.3 Устройства на основе фазовых модуляторов 25
1.2.2 МСПИ на основе пассивных модуляторов 26
1.3 Обзор принципов построения регулируемых оптических аттенюаторов...28
1.3.1 Регулируемые оптические аттенюаторы на основе осевого смещения световодов с применением упругих элементов 29
1.3.2 Регулируемый оптический аттенюатор на основе осевого смещения с помощью резьбовых соединений 33
1.3.3 Магнитоуправляемый регулируемый оптический аттенюатор 34
1.3.4 Регулируемый оптический аттенюатор на основе бокового смещения 35
Выводы по главе 1 36
2 Принципы построения МСПИ на основе ВОЦАП и устройств на их основе 38
2.1 Обобщенная структурная схема МСПИ на основе ВОЦАП 38
2.2 Обобщенная математическая модель МСПИ на основе ВОЦАП с суммированием весовых коэффициентов 39
2.3 Математическая модель обобщенной функциональной схемы МСПИ на основе АЦП параллельного преобразования 45
2.4 МСПИ на основе моноволоконных световодов и ЭНВ в виде набора щелевых диафрагм и растров 49
2.5 Секционированный МСПИ на основе малоразрядных ВОЦАП 52
2.6 МСПИ на основе призмы Порро 55
2.7 Преобразователь угол-код с МСПИ на основе призмы Порро 57
2.8 Волоконно-оптический преобразователь угол-код на двух МСПИ 60
2.9 Математическая модель ОЦПУ на основе двух МСПИ 65
2.10 Конструкция регулируемого ЭНВ с эксцентрично вращающимся экраном 67
2.11 Математическая модель регулируемого элемента назначения веса с вращающимся экраном 69
2.12 Математические модели элементов назначения веса ВОЦАП 76
2.12.1 Математическая модель аттенюатора на основе осевого рассогласования световодов 76
2.12.2 Аттенюатор на основе щелевых диафрагм 80
Выводы по главе 2 83
3 Исследование метрологических характеристик МСПИ 85
3.1Общая классификация доминирующих погрешностей преобразования 85
3.2 Анализ требований к погрешности весовых коэффициентов ЭНВ 86
3.3 Методика расчета допустимых инструментальных погрешностей изготовления ЭНВ 89
3.4 Анализ погрешности, вносимой аналоговой частью электронного блока 93
3.5 Оценка достоверности преобразования МСПИ 96
3.6 Методики автокоррекции погрешностей МСПИ 100
3.6.1Методика автокоррекции статической погрешности МСПИ 100
3.6.2 Методика коррекции динамической погрешности МСПИ 106
3.7 Методика оптимального выбора конструктивных параметров МСПИ 110
Результаты и выводы по главе 3 117
4 Конструктивные и схемотехнические особенности разработанных МСПИ 120
4.1 МСПИ на основе ЭНВ с переменными зазорами между жгутовыми световодами 120
4.2 Конструктивные особенности бинарного преобразователя перемещений на основе ЭНВ с переменной площадью диафрагмы 123
4.3 Конструкция «весового» переключателя оптических сигналов для МСПИ на основе планарного ответвителя с двоичным коэффициентом деления 125
4.4 Конструкция ЭНВ на основе вращающегося экрана 127
4.5 Экспериментальная установка для исследования ЭНВ с переменным коэффициентом передачи 130
4.6 Схемотехнические особенности МСПИ 133
4.6.1 Принципиальная схема МСПИ с коррекцией динамической погрешности 133
4.6.2 Описание функциональной схемы и конструкции макетного образца МСПИ 134
4.6.3 Принципиальная схема макетного образца МСПИ 136
4.7 Технические характеристики разработанных МСПИ 140
Результаты и выводы по главе 4 142
Основные результаты и выводы по работе 144
Перечень сокращений 146
Список литературы 148
Приложения 162
Приложение А – Принципиальная схема экспериментального образца МСПИ 162
Приложение Б – Акт о внедрении результатов кандидатской диссертации в ООО «Научно-производственный центр «Самара» 163
Приложение В – Акт о внедрении результатов диссертационного исследования в учебный процесс 164
- ВОЦАП со спектральным уплотнением каналов
- Волоконно-оптический преобразователь угол-код на двух МСПИ
- Методика оптимального выбора конструктивных параметров МСПИ
- Принципиальная схема макетного образца МСПИ
Введение к работе
Актуальность. Одной из доминирующих тенденций развития элементной базы систем управления является все более широкое использование волоконно-оптических датчиков (ВОД), которые, благодаря высокой помехозащищенности, электрической нейтральности, низкой химической активности и информационной безопасности, все более успешно конкурируют с датчиками на традиционных физических эффектах. Об этом свидетельствуют данные Европейского консорциума по фотонным датчикам (EPIC), согласно которым прогнозируется двукратное увеличение мирового рынка ВОД в период с 2013 по 2019г.г.
Среди ведущих мировых фирм, занимающихся разработкой и продвижением ВОД в промышленность, следует выделить американские фирмы Sensuron, Pepperl+ Fuchs North America , Prime Photonics, Intelligent Fiber Optic Systems, а также Avago Technologies (Сингапур), Второй университет Неаполя (Италия) Optosensing (Неаполь, Италия), Photline Technologies (Франция), а также российские научно-образовательные и производственные организации, входящие в консорциум по квантовым технологиям на базе ИТМО.
Одним из перспективных направлений развития ВОД является разработка мультисенсорных преобразователей информации (МСПИ), предназначенных для многоточечного контроля конечных положений объектов управления в 2D и 3D пространствах. Входными сигналами таких МСПИ являются бинарные оптические сигналы, формируемые оптическими переключателями при механическом контакте с реперными точками рабочего пространства. Примерами таких объектов являются исполнительные механизмы робототехнических комплексов, работающих «по упорам», автоматы для лазерной и дуговой сварки и резки металлов, устройства тепловой защиты объектов, станки с ЧПУ, системы механизации крыла ЛА, задвижки нефте- и газопроводов, конвейеры и др.).
Разработка МСПИ происходит на различных технологических платформах, основанных на использовании решеток Брэгга, рассеянного излучения, методов интерферометрии, а также волоконно-оптических цифро-аналоговых преобразователей (ВОЦАП). Для формирования входных бинарных сигналов ВОЦАП используются различные физические эффекты, такие как магнитный, термомеханический, электрохромный, магнитооптический, электрооптический и ряд других. (труды С.В. Варжеля, Ю.В. Гуляева, Е.М. Дианова, С.А. Матюнина, Р. Джексона, Дж. Фрайдена, Э. Удда, J.H. Hong , C.M. Verber, I.A. Galton, Y-K. Chen, А Leven, P.A. Baginski, S.Ch. Tseng, T.U. Kawasaki, B.L. Uhlhorn, C. Okawara, H. Hogan. J.P Yao).
Общим недостатком известных конструкций МСПИ является сложность и высокая стоимость вторичной аппаратуры, а также необходимость использования в зоне измерения цепей электропитания для формирования бинарных электрических сигналов, что лишает их принципиальных преимуществ, свойственных электрически пассивным волоконно-оптическим преобразователям с вынесенным на заданное расстояние электронным блоком.
Ряд новых возможностей улучшения технико-экономических показателей МСПИ открывает использование в их составе электрически нейтральных ВОЦАП с параллельной структурой (работы В.Г. Домрачева, В.М. Гречишникова, В.А. Зеленского, Л.Н.Коломийца О.А. Кулиш, Г.И. Леоновича, Г.К. Маковца, Т.И. Мурашкиной, В.И. Попова, Ф.Г. Геокчаева, В.Б. Смолова), в которых в качестве первичных преобразователей используются микромеханические переключатели оптических логических сигналов. время срабатывания которых лежит в диапазоне от 0,1 до десятков
миллисекунд. Конструктивная простота, низкая удельная стоимость сенсорного канала и технологичность таких МСПИ позволяет эффективно использовать их в системах управления, в которых быстродействие датчиковой аппаратуры не имеет решающего значения. Основной проблемой при создании таких устройств является сложность точной установки весовых коэффициентов из-за больших погрешностей деления и суммирования «взвешенных» оптических сигналов с использованием многополюсных разветвителей. Погрешности серийных образцов оптических разветвителей могут достигать 5-10%, в то время как погрешности весовых коэффициентов даже у 4-х разрядного ВОЦАП не должны превышать 1,5%. Указанное обстоятельство ограничивает информационную емкость таких МСПИ на уровне 2-3 бит, а следовательно, и возможности их практического использования.
Однако в известных работах рассмотрены, в основном, вопросы построения МСПИ на основе гибридных ВОЦАП, использующих в своем составе элементы различной физической природы. При этом вопросы создания МСПИ на платформе электрически пассивных ВОЦАП не получили должного отражения в известных публикациях. На основании изложенного тема диссертационной работы, посвященная разработке, теоретическому и экспериментальному обоснованию методов, технических и программных средств повышения достоверности, информационной емкости и расширению функциональных возможностей применения МСПИ на основе пассивных ВОЦАП представляется актуальной, имеющей важное значение для науки и практики.
Область исследований – мультисенсорные преобразователи (МСПИ) бинарной информации на основе ВОЦАП с параллельной структурой.
Объект исследований - методы и технические средства улучшения экплуатационных характеристик МСПИ и устройств на их основе.
Цель работы - увеличение информационной емкости, повышение достоверности и расширение функциональных возможностей применения МСПИ на основе электрически пассивных ВОЦАП с параллельной структурой.
Для достижения поставленной цели работе было необходимо решить следующие задачи:
1.Обзор и сравнительный анализ принципов построения ВОЦАП и МСПИ на их основе.
2.Разработка математической модели МСПИ на основе электрически пассивных ВОЦАП с параллельной структурой.
3.Разработка конструкции и математической модели регулируемого элемента назначения весовых коэффициентов повышенной точности.
4.Разработка методик оценки достоверности и анализа статической и динамической погрешности МСПИ
5.Разработка методик повышения информационной емкости и достоверности за счет автокоррекции статической и динамической погрешностей МСПИ.
4.Расширение функциональных возможностей применения МСПИ путем использования их в качестве новых конструктивных элементов цифровых преобразователей угла.
7.Изготовление и экспериментальные исследования макетного образа МСПИ. Научной новизной обладают следующие результаты диссертации: -математическая модель МСПИ на основе пассивных ВОЦАП с параллельной структурой, в которой отражены процессы преобразования информации в их оптических, фотоэлектрических и электронных функциональных элементах [3, 17];
-математическая модель регулируемого элемента назначения весовых коэффициентов на основе эксцентрично вращающегося круглого экрана, отображающая характер изменения
коэффициента передачи ЭНВ в зависимости от угла поворота экрана, коэффициента передачи микрочервячной передачи, эксцентриситета и соотношения радиусов экрана и градиентной цилиндрической линзы [7, 13];
-методики оценки достоверности с учетом количества разрядов и числа циклов испытаний, расчета и автокоррекции статических и динамических погрешностей с учетом требований к допустимой погрешности МСПИ [1, 8, 9, 14].
-принципы построения и обобщенные математические модели оптоэлектронных цифровых преобразователей угла с использованием МСПИ на основе призмы Порро, малоразрядных волоконно-оптических цифро-аналоговых секций и метода «двойной щетки», учитывающие особенности энерго-информационных преобразований в их аналоговых, аналого-цифровых и цифровых функциональных элементах [2, 5, 10-12, 15-20].
Методы исследований
При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, аналитической геометрии, Булевой алгебры, элементы теории геометрической оптики, теории погрешностей. В процессе моделирования и проведения численных экспериментов на ПК использовались пакеты программ MathCad, C#, Java, «Компас 3D».
Достоверность полученных теоретических результатов и выводов подтверждена результатами численного моделирования и экспериментальных исследований макетных образцов ВОЦАП, ЭНВ и МСПИ в целом, созданных с использованием разработанных схемотехнических, конструктивных и программных средств увеличения информационной емкости и повышения достоверности МСПИ.
Реализация результатов работы
Разработанные принципы построения, конструкции и математические модели МСПИ и соответствующее программное обеспечение нашли применение:
-в ООО «Научно-производственный центр «Самара» в процессе проектирования и конструктивно-технологической отработки пожаро-, взрывобезопасных элементов контроля исполнительных механизмов системы управления объектами транспортировки нефти;
-в учебном процессе Самарского университета по дисциплине «Схемотехника волоконно-оптических устройств».
Практическая значимость результатов диссертации
Практическая значимость полученных результатов заключается в:
-создании макетного образца 10- разрядного МСПИ с использованием 3D технологий и учебного лабораторного стенда для исследования метрологических характеристик элементов МСПИ на жгутовых световодах;
-разработке схемотехнических и программных средств увеличения информационной емкости и достоверности преобразования МСПИ;
-разработке конструкций регулируемого оптического аттенюатора и оптических переключателей, которые могут быть использованы не только в МСПИ, но и как самостоятельные устройства в технике систем оптической связи и дистанционного мониторинга состояния единичных объектов.
На защиту выносятся:
-математическая модель МСПИ на основе пассивных ВОЦАП с параллельной структурой;
-математическая модель регулируемого элемента назначения весовых коэффициентов на основе микрочервячной передачи и эксцентрично вращающегося круглого экрана;
-принципы построения и математические модели оптоэлектронных цифровых преобразователей угла со встроенными МСПИ;
-методики оценки достоверности, расчета и автокоррекции статических и динамических погрешностей МСПИ;
-результаты разработки и экспериментальных исследований макетного образца 10-разрядного МСПИ и ВОЦАП на жгутовых световодах.
Апробация материалов диссертации проводилась на следующих научно- технических конференциях: IX Международной научно-практической конференции «Наука в информационном пространстве», Днепропетровск, 2013 г.; XVII Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем М.Ф. Решетнева, «Решетневские чтения», Красноярск, 2013 г.; LXV Молодежной научной конференции, посвящённой 50-летию первого выхода человека в открытый космос, Самара,
2015 г.; Международном симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2015 г.;
Международном симпозиуме «Надежность и качество», Пенза, 2016 г.; LXVI Молодежной
научной конференции, посвящённой 55-летию первого полёта человека в космос, Самара,
2016 г.; V-ой Международной молодежной научной школе-конференции «Современные
проблемы физики и технологий», Москва, 2016 г.; XLII Международной молодёжной
научной конференции «Гагаринские чтения – 2016», Москва, 2016г.; Международной
научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии» (ПИТ
2016), Самара, 2016 г.; XIII Международной научно-технической конференции «Актуальные
проблемы электронного приборостроения» АПЭП – 2016, Новосибирск, 2016г.;
Перспективные разработки науки и техника 2016, Пшемысль, 2016 г.; I Международной
научной конференции «Проблемы получения, обработки и передачи измерительной
информации», Уфа, 2017 г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 26 научных работах, в том числе 9 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 из которых входят в международные наукометрические базы WOS и Scopus. По результатам исследования получено четыре патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы, трех приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка, 10 таблиц.
ВОЦАП со спектральным уплотнением каналов
Такие устройства используют широкий спектр излучаемых длин волн, которые селективно направляются в зону модуляции излучения (например, зона измерения), а затем одновременно передаются по одному световоду к регулирующему устройству [66, 78].
Оконечное устройство представляет собой селектор длин волн, каждая из которых несет информацию о значении своего параметра. В таких устройствах обеспечивается высокая развязка каналов, однако при этом необходимо применять излучатели со строго фиксированным спектральным составом излучения, использовать спектрально-селективные ответвители и другие спектральные элементы. При использовании широкоспектральных источников основными элементами , определяющими качество таких систем, являются селективные фильтры (призмы, зеркала, интерференционные фильтры и т.д.). Современные элементы волоконно-оптической техники позволяют реализовать до 10-15 спектральных каналов при длине оптического канала до 1 км [73, 82].
Примеры ВОЦАП на различных видах модуляции [78, 83, 108] представлены в таблице 1.1. ВОЦАП на основе спектральной модуляции [8] (см. поз. 1 табл. 1.1) работает следующим образом. Источник 1 генерирует широкоспектральный оптический сигнал UИ , содержащий шесть различных длин волн (длина волны от A до F). Оптический сигнал UИ усиливается с помощью усилителя 2. В оптическом разветвителе 3 сигнал UИ делится на
- N равных оптических потоков, мощность каждого из них . Каждый
- N оптический поток включает в себя волны той же длины, которые представлены в оптическом сигнале Uи. Оптические потоки поступают на входы электрически управляемых оптических фильтров длины волны 4-6. Примером устройства с электрически управляемым спектром может служить электрооптический управляемый светофильтр [11], выполненный на кристалле из ниобата лития и клиновидного элемента с электрически управляемым двулучепреломлением. С помощью напряжения управления спектр сигнала входного световода разлагается в пространстве в плоскости перпендикулярной входу волноводного канала. Перемещая спектр с использованием электрооптических элементов, можно с высокой точностью совместить нужную спектральную составляющую с входом оптического канала. Управляющий сигнал на оптические фильтры поступает с блока управления 7. Таким образом, множество волн, присутствующих в конкретных оптических пучках, может быть изменено (например, уменьшено), что может привести к различным сочетаниям оптических сигналов РВых1 - РВыхН . Модифицированные оптические сигналы РВых1 - РВыхН включают в себя световые волны, имеющие только ту длину, которая получилась после прохождения через механизм оптического фильтра, связанного с соответствующими расщепляющими оптическими путями. Модифицированные оптические сигналы Рвых1 - РвыхН проходят через оптический мультиплексор 8, где объединяются в аналоговый оптический сигнал РВых.
ВОЦАП (см. поз. 2 табл. 1.1) также построен на основе спектральной модуляции [2]. ВОЦАП работает следующим образом. Лазер 1, который соединен с разветвителем 2, генерирует лазерный луч. Разветвитель 2 разделяет луч лазера на п пучков, соответствующих N оптическим модуляторам 4-6. Оптические модуляторы 4 - 6 обмениваются данными с цифровым электронным источником сигнала 3 (генератором импульсных кодов, работающим синхронно с часами лазера). Цифровой электронный источник сигнала 3 генерирует n сигналов, соответствующим n значащим битам разрешения, управляющими сигналами, подаваемыми на оптические модуляторы 4-6. Каждый оптический модулятор принимает соответствующий сигнал, соответствующий определённому значению бита разрешения. Сигналы с оптических модуляторов 4-6 поступают на сумматор 7, фотоприемник 8 и далее на ФНЧ 9.
ВОЦАП (см. поз. 3, табл. 1.1), на основе спектральной модуляции [5] работает следующим образом. Луч источника света 1, мощностью Р0 проходит через группу светоделителей 2, коэффициент прохождения каждого светоделителя 0,5. Мощность первого отраженного луча 0, второго 0 и т.д. до последнего отраженного луча, мощность которого 0, где N - число каналов ВОЦАП. Далее отраженные лучи с выходов светоделителей поступают на соответствующие электрооптические модуляторы света 3, например ячейки Поккельса. Управляющими сигналами оптических модуляторов 3 являются бинарные сигналы x1...xN. При отсутствии соответствующего бинарного сигнала соответствующий модулятор 3 свет не пропускает, при наличии - пропускает, причем вес этого сигнала соответствует номеру луча. Далее все отраженные модулированные пучки объединяются в линзе 4, и поступают на фотодетектор 5, на выходе которого образуется электронный аналоговый выходной сигнал, соответствующий цифровому входному коду. При наличии бинарного сигнал x0...xN_1 световой пучок проходит через набор светоделителей. Коэффициент передачи каждого светоделителя равен величине, обратной количеству электронных цифровых входных сигналов. Светоделители расположены последовательно, по направлению светового луча, так, что отраженная часть пучка утяжеляется пропорционально весу, вложенному в двоичное число, соответствующее его светоделителю. Отраженная часть луча от каждого расщепителя луча модулируется отдельно в ответ на входной цифровой электронный сигнал для места в цифровом количестве, соответствующем его светоделителю. Отраженные участки луча от каждого расщепителя объединяются, и объединенный луч формируется с помощью детектора, обеспечивающего электронный выходной сигнал, который является аналоговым эквивалентом цифрового сигнала.
Волоконно-оптический преобразователь угол-код на двух МСПИ
Одна из первых разработок преобразователя угол-код на основе параллельного ВОЦАП представлена в [12]. Несмотря на очевидные преимущества преобразователя, его практическая реализация связана с рядом трудностей. Так, вследствие существования фронтов сигналов при переходе от одного элемента кодовой маски к другому, возникает погрешность неоднозначности считывания при переходе от одной кодовой комбинации к другой. В известном преобразователе данная проблема решается путем использования специальной дорожки на кодовой маске и введением дополнительного канала, состоящего из фотоприемника, усилителя и компаратора. Однако в практическом плане такой способ устранения неоднозначности крайне неудобен из-за того, что формирование управляющего сигнала осуществляется по максимуму вспомогательного сигнала, значение которого нестабильно, что приводит к случайным флуктуациям длительности управляющего импульса и снижению эффективности данной схемы устранения неоднозначности.
Чтобы избежать этого, предлагается способ устранения неоднозначности, основанный на использования двух ВОЦАП, линии считывания которых смещены друг относительно друга на один квант, и аналого-цифровой обработки сигналов ВОЦАП в АЦП [16, 26, 54]. Выбор текущего значения кода в старших разрядах осуществляется с помощью сигнала с дополнительной дорожки, которая является младшим разрядом кода. По существу предлагаемый способ представляет собой модификацию хорошо известного метода «двойной щетки» [77]. Преобразователь угол-код на основе двух параллельных МСПИ, реализованный по указанному способу приведен на рисунке 2.10.
В состав преобразователя [16] входит излучатель 1, оптический демультиплексор 2, две группы коллимирующих граданов 3, 4, излучающий световод 5, приемный световод 6, вал 7, кодовая маска 8, считывающий диск 9, два параллельных ВОЦАП 10, 11, общий оптический кабель 12, фотоприемники 13, 14, 15, усилители 16, 17, 18, пороговое устройство 19, ключ 20, генератор тактового сигнала 21, АЦП 22, промежуточные регистры 23, 24, элемент НЕ 25, регистр 26.
Кодовая маска 8 представлена на рисунке 2.11. Дорожка, соответствующая младшему разряду, располагается ближе к внешнему краю, а старшим – к центру кодовой маски. Считывающие элементы диска 9 расположены таким образом, что младшему разряду соответствует один считывающий элемент (см. рисунок 2.11,а), а каждому старшему по два, расположенных через определенный интервал (см. рисунок 2.11,b,c). Интервал между рядами считывающих элементов b и c равен одному кванту младшего разряда. Считывающий элемент а располагается на линии симметрии рядов считывающих элементов b и c.
Преобразователь работает следующим образом. Излучатель 1 создает направленное оптическое излучение, которое с помощью передающего оптического волокна подводится к оптическому демультиплексору 2. В оптическом демультиплексоре происходит деление мощности этого излучения на семь равных потоков: три для первого ВОЦАП, три для второго и один управляющий. Первые три световых потока поступают в фокусы первой группы граданов 3. На выходе граданов световые потоки увеличивается по площади, но уменьшается по плотности, мощность каждого потока при этом остается неизменной. Закрепленная на валу 7 кодовая маска 8 модулирует потоки оптической мощности, кодируя тем самым угловое положение вала 7. Пройдя через опережающий ряд считывающих элементов b, оптические потоки первой группы граданов воспринимаются первым ВОЦАП. Аналогично вторые три световых потока с выходов оптического демультиплексора 2 поступают в фокусы второй группы граданов 4 и, пройдя через ряд отстающих считывающих элементов с, воспринимаются вторым ВОЦАП.
В ВОЦАП происходит назначение веса каждому световому потоку в соответствии с законом 2 1 и формирование общего оптического сигнала, несущего информацию о значении разрядных цифр по каждой кодовой дорожке. Оптические сигналы с выходов первого и второго ВОЦАП с помощью световодов общего оптического кабеля 12 воспринимаются соответствующими фотоприемниками 13, 14, затем усиливаются на соответствующих усилителях 16, 17 и поступают на соответствующие информационные входы ключа 20, управляющий сигнал которого поступает с генератора тактового сигнала 21.
Ключ попеременно замыкается таким образом, что в первый полупериод с выхода ключа на вход АЦП 22 поступает сигнал с усилителя 16, а во второй полупериод с усилителя 17 (см. рисунок 2.12,/?,с). Далее с выхода АЦП сигнал записывается в промежуточные регистры 23 и 24. Управляющий сигнал промежуточных регистров 23, 24 поступает с генератора тактового сигнала 21, причем на регистр 23 управляющий сигнал поступает непосредственно с генератора тактового сигнала 21, а на регистр 24 через элемент НЕ 25.
Оптический сигнал с выхода 5 оптического демультиплексора 2 проходит через отверстия кодового и считывающего дисков, соответствующих младшему разряду двоичного кода и воспринимается приемным световодом 6, который направляет его на вход фотоприемника 15 и далее на вход усилителя 18 (рисунок 2.12 U18 ). Сигнал с усилителя 18 поступает на вход порогового устройства 19, где происходит преобразование сигнала в последовательность прямоугольных импульсов (рисунок 2.12, U19 ), которая является управляющей для регистра 26 и одновременно формирует младший разряд на выходе устройства.
Сигналы с выходов промежуточных регистров 23, 24 поступают на соответствующие информационные входы регистра 26 таким образом, если с разрядной дорожки младшего разряда считывается код «0», то сигнал для других разрядов снимается с опережающего ряда считывающих элементов, а если с разрядной дорожки младшего разряда считывается код «1», то сигнал для других разрядов снимается с отстающего ряда считывающих элементов. Выходным сигналом регистра 26 являются сигналы соответствующие трем страшим разрядам двоичного кода, младшему разряду соответствует сигнал с выхода порогового устройства 19.
Методика оптимального выбора конструктивных параметров МСПИ
Одними из наиболее ответственных элементов МСПИ, определяющими общий энергетический баланс их волоконно-оптической схемы, являются оптические разъемные соединители (РОС). Стандартные РОС, серийно выпускаемые отечественными и зарубежными производителями [121, 123] для оптических систем связи, состоят из оптической розетки и двух наконечников с установленными в них передающими приемными световодами. Наконечники присоединяются к розетке с помощью резьбового, байонетного или иных типов креплений. Такие РОС обладают низкими энергопотерями, однако их габариты не всегда отвечают требованиям их конструктивной интеграции с малогабаритной датчиковой аппаратурой. В связи с этим возникает задача создания специализированных малогабаритных РОС, а также методов их оптимального проектирования с учетом заданного уровня энергопотерь. В качестве критерия оптимизации чаще всего используется минимум стоимостного функционала, отображающего зависимость суммарных затрат СЕ на изготовление РОС с учетом зависимостей стоимости изготовления Сг от значения конструктивного параметра хг [70]. Типовая зависимость Сг(хг) имеет вид РОС, например, потери ввода излучения от источника в центральный световод оптического демультиплексора с использованием стандартного оптического разъема, погонные потери, определяемые длиной световода, которая задана в техническом задании на изготовление МСПИ и ряд других.
Типовая зависимость В(хг) приведена на рисунке 3.15,б. Как видно из рисунков 3.15,а и 3.15,б, зависимости С(х.) и В(хг.)описывают взаимно противоречивые тенденции: увеличение аргумента этих функций приводит к уменьшению стоимости изготовления и увеличению энергетических потерь и наоборот.
Таким образом, задача оптимизации сводится к отысканию таких значений xt, при которых обеспечивается компромисс между стоимостью изготовления устройства и потерями, вносимыми отдельными конструктивными факторами.
В общем случае суммарные энергопотери определяются большим числом факторов, поэтому расчет оптимальных значений влияющих факторов сводится к поиску условного экстремума функции многих переменных хг. Как видно их приведенных графиков, функции Сг (хг) и В(хг) непрерывны вместе со своими частными производными в диапазоне изменения аргумента, что позволяет использовать для решения оптимизационной задачи метод множителей Лагранжа [41]. Рассмотрим методику расчета оптимальных значений xt, предусматривающую обеспечение требуемого значения Вдоп при минимальном значении стоимости изготовления Ф. Как известно, для последовательной схемы включения оптических элементов МПИ суммарные энергетические потери равны сумме потерь от влияния отдельных факторов: где Д-энергетические потери, вносимые /- тым фактором, т-число таких факторов.
Следует отметить, что точное нахождение экстремума функционала (3.35) требует знания конкретных параметров входящих в него выражений для стоимости С(хг) и энергопотерь В(хг), которые можно получить, например, экспериментально. Однако в этом случае значения этих параметров для конкретных элементов в значительной степени зависят от применяемого технологического, контрольно-измерительного оборудования и материалов, что приводит к существенному разбросу параметров зависимостей С(хг) и5(х). К такому же эффекту приводит неточность рекомендуемых различными авторами математических формул для расчета энегопотерь, полученных с определенными допущениями и ограничениями [40]. Поэтому точное решение задачи оптимизации представляется малореальным.
Однако для случая малых отклонений оптико-механических параметров элементов хг от номинальных (нулевых) значений, таких как осевые, боковые, радиальные зазоры, несоответствие диаметров, апертур световодов в соединениях и др., справедливо ввести следующие допущения
Полученные с учетом введенных допущений значения xt, строго говоря, являются квазиоптимальными. Однако принятые допущения, с одной стороны, позволяют существенно упростить решение задачи, а с другой -корректно применить полученные результаты для нахождения оптимальных значений факторов, определяющих одноименные виды потерь.
С учетом принятых допущений стоимостной функционал (3.35) можно представить в виде
Принципиальная схема макетного образца МСПИ
Для макетирования МСПИ с использованием оптических разветвителей использован одномодовый лазерный диод LDI-1310-FP-1.25G-20/100, обеспечивающий в непрерывном режиме выходную мощность 20 мВт на длине волны 1310 нм [90, 92]. Мощность источника выбиралась исходя из обеспечения необходимого для уверенной обработки в электронной схеме уровня оптического сигнала, поступающего на вход ВОЦАП с минимальным весовым коэффициентом. Например, для 10-разрядного ВОЦАП эта мощность без учета сопутствующих энергопотерь равна: Рmin = р Рмт = Рлд /10 210 = 20/10240 = 2мкВт.
При использовании в схеме 12-разрядного АЦП, шаг квантования по входному напряжению которого будет равен 120 мкВ. Произведение чувствительности фотоприемника на коэффициент преобразования фототока в напряжение должно быть равно 60, что легко реализуется на практике. Настройка коэффициентов передачи ЭНВ осуществляется путем измерения напряжения на выходе фотоусилителя с помощью прецизионного мультиметра Agilent 34401 А, обеспечивающего измерение постоянного напряжения с основной погрешностью 0,0015% После настройки ЭНВ червячное колесо, диаметр которого 9 мм, и связанный с ним экран фиксируется установочным винтом или компаундом под контролем значения весового коэффициента.
Лазер снабжен волоконным выходом стандарта FC. Диод устанавливается в контактную панель на плате драйвера типа 1310FP. Принципиальная схема драйвера приведена на рисунке 4.19. Управление выходной мощностью осуществляется с помощью потенциометра RV1 по цепи , состоящей из операционного усилителя U7 и составного транзистора
В схеме драйвера предусмотрены каналы стабилизации режима излучения по выходной мощности и длине волны. Для стабилизации мощности используется встроенный фотодиод, включенный последовательно с коллектором составного транзистора.
Стабилизация длины волны излучения осуществляется использованием ячейки Пельтье, управляемой сигналом встроенного терморезистора и микросхем U2 и U3 [95-98].
Как показали экспериментальные исследования нестабильность по длине волны не превосходит 0,1%, а мощности излучения 0,02 %, что отвечает требования применения данного излучателя в МСПИ.
Для надежного функционирования лазерного модуля необходимо обеспечить его защиту от повреждения статическим электричеством в процессе сборке, используя антистатический коврик.
Принципиальная схема экспериментального образца МСПИ приведена в приложении А. Выходные оптические сигналы с выходов ВОЦАП подаются на фотоприемные модули VD1 и VD2 (PDI-80-2G-K), сигналы с которых подаются на преобразователи фототока в напряжение DA1.1 и DA1.2 (микросхемы OPA2320AIDGKT TI VSSOP8), коэффициенты усиления которых задаются резисторами R3 и R4. Выходы преобразователей тока подключены к аналоговому коммутатору S1.1, управляемому тактовым сигналом с микроконтроллера DD1. Коммутатор осуществляет поочередное подключение выходов микросхем DA1.1 и DA1.2 к входу дифференцирующего устройства, выполненного на микросхеме DA2 (LM211DG ONS SOIC-8), конденсаторе С1 и резисторе R5. Частота сигнала управления Для исключения динамической погрешности частота коммутации каналов (50кГц). выбирается намного больше частоты срабатывания датчиков (1Гц). Выходной сигнал дифференцирующего устройства выпрямляется в двухполупериодном выпрямителе на двух операционных усилителях DA3 и DA4. После выпрямления сигнал подается на ноль-орган DD2 (микросхема LM211DG ONS SOIC-8) [82, 83]. Выход коммутатора S1.1 и компаратора DD2 подключены ко входу второго аналогового коммутатора S1.2, выход которого подключен ко входу АЦП микроконтроллера STM32F100RBT6BTR фирмы STMicroelectronics. Выбор микроконтроллера обусловлен следующими причинами [50]:
- малый ток ток потребления - не более 10 мА;
- используется один источник питания 3.3 В;
- хорошее отношение цена/качество. На 2017 год его цена составляет всего 505 рублей.
Целесообразность использования данного микроконтроллера обусловлена еще и тем, что он имеет в своем составе интегрированный 12-разрядный АЦП, обладает достаточно высоким быстродействием (24МГц), а также JTAG-интерфейс, с помощью которого осуществляется заливка ПО и контроль производственных дефектов изготовления печатного модуля. Данный контроллер обладает необходимым количеством портов для подключения периферийных устройств. Микроконтроллер выводит информацию через 10 портов ввода-вывода на светодиоды HL1…HL10. Для согласования по току светодиоды подключены к микроконтроллеру через резисторы R14…R23 с номиналом 330 Ом.
Программное обеспечение микроконтроллера разработано в соответствии с алгоритмом, представленном на рисунке 3.11.
Фотография макетного образца МСПИ в целом представлена на рисунке 4.20.