Устройство для приема, усиления, предварительной обработки сигналов оптических каналов передачи данных в инфракрасном диапазоне
APPARATUS FOR RECEIVING, AMPLIFYING AND PRELIMINARY PROCESSING SIGNALS OF OPTICAL DATA CHANNELS IN THE INFRARED RANGE

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 съема и обработки сигналов с фотодиода - патент РФ на полезную модель №40554 «Устройство для съема и обработки сигналов с фотодиода», опубл. 10.09.2004 г. Бюл. № 25.
Устройство для съема и обработки сигналов с фотодиода, предназначено для предварительной обработки сигналов с фотодиодов. Оно содержит последовательно соединенные блоки в цепи каждого фотодиода: ТИУ, фильтр высоких частот, подавляющий сигнал от постоянной засветки фоном, дискретно-временные интеграторы на ОУ с включенным в цепь обратной связи ограничителем. Выходы ТИУ и выходы дискретно-временных интеграторов на ОУ подключены к входам коммутатора, который связан с электрической схемой управления. С выхода коммутатора сигналы фотодиодов, предварительно усиленные и отфильтрованные, поступают для дальнейшей обработки. Устройство позволяет оценивать характеристики больших сигналов, включая величину постоянной составляющей, используя выход ТИУ. За счет введения ограничителей в дискретно-временные интеграторы несколько расширен диапазон одновременно наблюдаемых сигналов. Недостатком устройства является то, что оно обладает небольшим быстродействием, не имеет функции амплитудного демодулирования сигнала, имеет небольшой динамический диапазон частот и небольшой диапазон длин волн обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи данных.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является 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.
Таким образом, основной технической задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно, возможность проводить обработку сигналов в широком оптическом диапазоне длин волн и широком динамическом диапазонах частот обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи данных и иметь возможность их амплитудного демодулирования.
Для решения указанной технической задачи в Устройство для усиления и предварительной обработки импульсов с инфракрасного фотодиода, содержащее ИК фотодиод, подключенный к блоку обработки сигнала, включающему операционный усилитель (ОУ) с резистором отрицательной обратной связи, включенным между выходом ОУ и его инверсным входом, фильтр верхних частот (ФВЧ), подключенный к выходу ОУ, причем ИК фотодиод подключен к инверсному входу ОУ через первый резистор,  были добавлены переключатель и стерео аудиоусилитель, а в блок обработки сигнала введены дополнительно первый, второй и третий конденсаторы, второй, третий, четвертый, пятый шестой и седьмой резисторы, второй канал обработки сигнала, причем в первый канал обработки сигнала были добавлены также амплитудный демодулятор и фильтр нижних частот (ФНЧ), а второй канал содержит ФВЧ и ФНЧ. ИК фотодиод подключен в обратном направлении (фотодиодный режим) и подключен ко входу ОУ не только через первый резистор, но и через первый конденсатор.
Выходы каналов обработки сигнала являются выходами блока обработки сигнала и подключены ко входам переключателя, выход которого подключен к первому входу стерео аудиоусилителя (СА), причем второй и третий конденсаторы включены параллельно и первыми выводами соединены с общей шиной источника питания, вторыми выводами соединены с катодом ИК фотодиода, и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с потенциальной шиной источника питания, анод ИК фотодиода также подключен к общей шине источника питания через седьмой резистор, третий и четвертый резисторы включены последовательно между потенциальной и общей шиной источника питания и общей точкой соединения подключены к положительному входу ОУ через пятый резистор.
ФВЧ первого канала обработки сигнала содержит конденсатор и резистор, соединенных последовательно, причем первый вывод конденсатора является его входом, а второй вывод резистора соединен с общей шиной источника питания, при этом первый вывод резистора является выходом ФВЧ первого канала обработки сигнала, который подключен ко входу амплитудного демодулятора первого канала обработки сигнала и к потенциальной шине источника питания через шестой резистор, выход амплитудного демодулятора первого канала обработки сигнала подключен ко входу ФНЧ первого канала обработки сигнала, состоящему из трех резисторов, включенных последовательно и двух конденсаторов, включенных между общими точками соединения резисторов ФНЧ первого канала обработки сигнала и общей шиной источника питания, причем первый вывод первого резистора ФНЧ первого канала обработки сигнала является входом ФНЧ первого канала обработки сигнала, а второй вывод третьего резистора ФНЧ первого канала обработки сигнала является выходом ФНЧ первого канала обработки сигнал и первого канала обработки сигнала.
Вход ФВЧ второго канала обработки сигнала подключен к выходу ОУ и содержит последовательно соединенные конденсатор и резистор, причем первый вывод конденсатора является входом ФВЧ второго канала обработки сигнала, второй вывод резистора подключен к общей шине источника питания, а общая точка соединения конденсатора с резистором является выходом ФВЧ второго канала обработки сигнала, который подключен ко входу ФНЧ второго канала обработки сигнала, состоящему из трех резисторов, включенных последовательно и трех конденсаторов, два из которых включены между общими точками соединения резисторов ФНЧ второго канала обработки сигнала и общей шиной источника питания, а третий конденсатор ФНЧ второго канала обработки сигнала подключен к общей шине источника питания и  второму выводу третьего резистора ФНЧ второго канала обработки сигнала, который является выходом ФНЧ второго канала обработки сигнала и выходом второго канала обработки сигнала.
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 подключен ко второму блоку обработки информации, выходы которого подключены ко входам второго переключателя, выход которого подключен ко второму входу стерео аудиоусилителя 4.
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, выполненный 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, 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 делителем напряжения выполненном на резисторе ФВЧ и шестом резисторе. 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 32 и второй 39 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, 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 амплитудного демодулятора 26 и к потенциальной шине источника питания через шестой резистор 19. 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.
Таким образом за счет подключения ИК фотодиода в фотодиодном режиме расширяется динамический диапазон частот, обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи данных.
Амплитудная демодуляция сигнала выполняется благодаря введению амплитудного демодулятора в канал обработки сигнала.
В результате добавления второго ИК фотодиода и блока обработки сигнала расширяется диапазон длин волн, обнаруживаемых сигналов оптических каналов передачи данных.