МНОГОКАНАЛЬНАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ СИНХРОННОГО ЗАПУСКА РЕГИСТРАТОРОВ
MULTI-CHANNEL FIBER OPTIC SYSTEM FOR SYNCHRONOUS STARTING OF RECORDERS

Изобретение относится к области регистрации импульсных сигналов, а именно к многоканальным системам регистрации электрических параметров электрофизических установок, например, ускорителей электронов.
Для контроля работы электрофизической установки требуется синхронизированная регистрация электрических сигналов с пространственно разнесенных датчиков, подверженных воздействию электромагнитных помех. Поэтому необходимо обеспечить помехоустойчивый синхронный запуск регистраторов (осциллографов). Для обеспечения помехоустойчивости применяют волоконно-оптическую связь.
Известно многоканальное волоконно-оптическое устройство для синхронного запуска осциллографов (см. патент CN №102072979 от 26.10.2010, Multi-point synchronous triggering system and method in VFTO (Very Fast Transient Overvoltage) measurement, опубликован 25.05.2011), содержащее передающий блок, включающий в себя один формирователь электрических импульсов на основе транзистора, подключенный к нескольким оптическим передатчикам на основе светодиодов, соединенным параллельно, фотоэлектрические приемники и регистраторы, причем каждый фотоэлектрический приемник соединен с передающим блоком оптическим волокном. Разветвление производится на выходе общего для всех светодиодов формирователя электрических импульсов.
Недостатком данного многоканального волоконно-оптического устройства для синхронного запуска осциллографов является использование в составе оптических передатчиков светодиодов. имеющих ограниченное быстродействие (более 1,5 нс), зависящее от экземпляра светодиода и его температуры.
Известна многоканальная волоконно-оптическая система для синхронного запуска регистраторов (патент на изобретение №2456547 от 18.03.2011. Многоканальная волоконно-оптическая система для синхронного запуска регистраторов, опубликован 20.07.2012). содержащая по крайней мере один канал, включающий передающий блок, приемный блок и регистратор, причем каждый приемный блок соединен с передающим блоком оптическим волокном одинаковой длины. Заявленная система содержит несколько формирователей электрических импульсов и несколько оптических передатчиков (по числу каналов). Каждый передающий блок выполняет функцию преобразования из электрического в оптический сигнал. Функция демультиплексирования происходит на входах передающих блоков. Каждый формирователь электрических импульсов соединен с соответствующим оптическим передатчиком, а каждый приемный блок включает в себя фотоэлектрический приемник. Оптические передатчики выполнены на основе светодиодов.
Недостатками данной многоканальной волоконно-оптической системы для синхронного запуска регистраторов является ограниченное быстродействие оптических передатчиков на основе светодиодов, а также то, что в системе демультиплексированные сигналы проходят в каждом канале дополнительный путь через формирователи передающих блоков, подвергаясь временным искажениям.
Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является создание помехоустойчивой многоканальной волоконно-оптической системы для синхронного запуска регистраторов с минимальным разбросом момента срабатывания запуска регистраторов.
Достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение синхронности запуска регистраторов с субнаносекундной точностью за счет укорочения переднего фронта пускового импульса и высокой стабильности задержки в оптическом волокне. Кроме того, заявляемое изобретение дает возможность экономного использования технических средств в передающем блоке.
Для достижения технического результата в многоканальной волоконно-оптической системе для синхронного запуска регистраторов, содержащей передающий блок с формирователем электрических импульсов и оптическим передатчиком, приемные блоки и регистраторы, где каждый приемный блок соединен с передающим блоком оптическим волокном одинаковой длины, при этом передающий блок выполняет функцию преобразования из электрического в оптический сигнал, а каждый приемный блок, соединенный с соответствующим регистратором, включает в себя фотоэлектрический приемник, новым является то, что передающий блок включает в себя оптический разветвитель для мультиплексирования сигнала, при этом формирователь электрических импульсов, оптический передатчик, оптический разветвитель соединены между собой последовательно, причем оптический передатчик выполнен на основе суперлюминесцентного диода или полупроводникового лазера (устройства с использованием вынужденного излучения), формирователь электрических импульсов выполнен на основе спусковой схемы с субнаносекундным быстродействием, а фотоэлектрический приемник также имеет субнаносекундное быстродействие.
Использование волоконно-оптических линий связи гальванически изолирует регистраторы друг от друга. Использование одного формирователя с оптическим передатчиком на основе субнаносекундных (менее 1 нс) суперлюминесцентного диода или полупроводникового лазера вместо нескольких формирователей со светодиодными излучателями с быстродействием в единицы не позволяет экономить технические средства и уменьшить временной разброс момента срабатывания запуска регистраторов. Применение формирователя электрических импульсов, выполненного на основе спусковой схемы, например, на лавинном транзисторе позволяет сформировать субнаносекундный фронт токового импульса накачки излучателя (суперлюминесцентного диода или полупроводникового лазера). Для обеспечения преобразования оптического сигнала в электрический с субнаносекундным быстродействием в каждом приемном блоке фотоэлектрический приемник выполняется на основе быстродействующих PIN-фотодиодов.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет запускать несколько регистраторов с разбросом менее 1 нс.
На Фиг. 1 приведена структурная схема многоканальной волоконно-оптической системы для синхронного запуска регистраторов, где:
1 - передающий блок;
2 - приемный блок;
3 - регистратор;
4 - оптическое волокно;
5 - спусковая схема;
6 - оптический разветвитель;
7 фотоэлектрический приемник;
8 - PIN-фотодиод.
На Фиг. 2 представлен вариант спусковой схемы передающего блока одного из каналов многоканальной волоконно-оптической системы для синхронного запуска регистраторов, где:
9 - разделительно-дифференцирующий конденсатор;
10 - разрядный резистор;
11 - лавинный транзистор;
12 - накопительный конденсатор;
13 - зарядный резистор;
14 - оптический передатчик на основе суперлюминесцентного диода или полупроводникового лазера;
15 - оптический кабель.
Многоканальная волоконно-оптическая система для синхронного запуска регистраторов содержит передающий блок 1, приемные блоки 2 и регистраторы 3. Каждый приемный блок 1 соединен с передающим блоком 2 оптическим волокном 4 одинаковой длины. Передающий блок 1 выполняет функцию преобразования из электрического в оптический сигнал. Каждый приемный блок 2. соединенный с соответствующим регистратором 3, включает в себя фотоэлектрический приемник 7 на основе PIN-фотодиода 8. Передающий блок включает в себя один формирователь электрических импульсов на основе спусковой схемы 5, оптический передатчик 14 и оптический разветвитель 6, соединенные между собой последовательно при помощи оптического кабеля 15. Оптический передатчик 14 выполнен на основе суперлюминесцентного диода.
Многоканальная волоконно-оптическая система для синхронного запуска регистраторов работает следующим образом (см. фиг. 1). На вход передающего блока 1 (см. фиг. 1) подается пусковой импульс, вызывающий срабатывание спусковой схемы 5. Спусковая схема 5 вырабатывает импульс тока с субнаносекундным фронтом, который идет на оптический передатчик 14. Световой сигнал от оптического передатчика через оптический кабель 15 поступает па вход оптического разветвителя 6, где демультиплексируется. Группа оптических сигналов с выхода разветвителя подается по персонализированным оптическим волокнам 4 на приемные блоки 2, где преобразуется в электрические сигналы, поступающие каждый на свой регистратор 3.
В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достижения технического результата был изготовлен и испытан в лабораторных условиях двухканальный макет волоконно-оптической системы для синхронного запуска регистраторов (осциллограф LeCroy WM-8500A с полосой 5 ГГц), выполненный по приведенным на чертежах схемам.
Макет был собран с применением двух фотоэлектрических приемников 7 на основе PIN-фотодиодов 8 типа ФД271-Д с цепью обратного смешения 50 В. Оптический передатчик 14 был выполнен на основе суперлюминесцентного диода типа ИЛПН-301-1. Использовался оптический разветвитель CE-2-1x2-1.31-50/50-SC/SC; SC фирмы ООО «Оптед». Система собиралась с применением патчкордов 62,5 мкм ST/ST и переходов SC/ST. Спусковая схема - формирователь импульсов тока (от 0.7 до 1 А) субнаносекундной длительности была выполнена на лавинных транзисторах 11 типа BSY34 и служила для накачки суперлюминесцентного диода. Пусковой импульс подавался через разделительно-дифференцирующий конденсатор 9 на базу лавинного транзистора 11, вызывая лавинный пробой. Накопленный на конденсаторе 12 заряд коммутировался на суперлюминесцентный диод, генерируя в последнем импульсный ток с субнаносекундным фронтом. После прохождения импульса резисторы 10 и 13 возвращали схему (заряд на конденсаторах) в исходное состояние. Питание каждого приемного блока 2 осуществлялось от порта USB соответствующего регистратора 3.
Проведенные испытания показали осуществимость заявляемого устройства, причем была достигнута синхронность запуска в 0,3 нс.