ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА ОДНОПОЛЯРНЫХ СИГНАЛОВ С ПЕРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДОЙ

Полезная модель относится к области вычислительной и телеграфной техники, в частности к оптоэлектронным устройствам, обеспечивающим прием и регистрацию длительности однополярных сигналов, передаваемых по длинным физическим линиям.
Предлагаемое устройство может быть использовано в качестве входного устройства в телеграфном терминальном оборудовании документального обмена, позволяющим обеспечивать передачу информации по линейным физическим цепям сигналами постоянного тока одного направления в однополюсном режиме [ГОСТ Р 51026-97. Цепи внешние оконечных установок документальной электросвязи (стр.4, п.6.3), ГОСТ 25830-83. Цепи внешние телеграфных буквопечатающих стартстопных аппаратов пятиэлементного кода].
2
Известно оптоэлектронное входное устройство, предназначенное для приема однополярных телеграфных сигналов с переменной амплитудой [Авторское свидетельство СССР №587624, М. Кл. Н03К 17/78 «Оптоэлектронное входное устройство», опубл. 05.01.78, Бюл. №1].
Известное устройство содержит три оптоэлектронные пары светодиод-фотодиод, транзисторный ключ, аналоговый блок памяти и линейный усилитель и позволяет регистрировать однополярные сигналы относительно уровня, значение которого устанавливается автоматически, в зависимости от амплитуд однополярных сигналов.
Недостатком известного устройства является низкое быстродействие переключения уровня регистрации при изменении амплитуд принимаемых сигналов, следствием чего является снижение точности регистрации таких сигналов и ограничение функциональных возможностей устройства (низкая точность регистрации длительностей сигналов, передаваемых по коммутируемой телеграфной сети).
Кроме того, при воздействии на известное устройство дестабилизирующих факторов (температура и радиация), существенно ухудшается стабильность устанавливаемого уровня регистрации из-за неполной идентичности температурных и радиационных коэффициентов передачи тока у различных оптоэлектронных пар светодиод-фотодиод, вследствие чего ухудшается точность регистрации длительности однополярных сигналов.
2
Известно также оптоэлектронное устройство для приема однополярных сигналов с переменной амплитудой [Авторское свидетельство СССР №711687, М. Кл. Н03К 17/78 «Оптоэлектронное входное устройство», опубл. 25.01.80, Бюл. №3], выбранное в качестве ближайшего аналога (прототипа), содержащее две входные клеммы, первая из которых подключена ко второму выводу первого светодиода, оптически связанного с первым фотодиодом, первый вывод которого соединен с шиной питания, а второй соединен со входом транзисторного ключа и первым выводом второго фотодиода, оптически связанного со вторым светодиодом, первый вывод которого подключен к первому выводу постоянного резистора, третий фотодиод, первый вывод которого соединен с шиной питания, а второй подключен ко входу аналогового блока памяти, выход которого соединен с первым входом линейного усилителя, запоминающий конденсатор аналогового блока памяти включен между выходами разрядного ключа, вход которого соединен с выходом формирователя одиночных импульсов, вход которого подключен к точке соединения выходной шины устройства с выходом транзисторного
ключа, переменный резистор, первый вывод которого объединен со вторым выводом второго фотодиода и общей шиной.
Кроме того, в прототипе содержится третий светодиод, оптически связанный с третьим фотодиодом и включенный последовательно с первым светодиодом между его первым выводом и второй входной клеммой, при этом второй вывод второго светодиода соединен с шиной питания, а второй вывод постоянного резистора подключен к выходу линейного усилителя.
В известном оптоэлектронном устройстве повышено быстродействие изменения уровня регистрации однополярных сигналов при изменении их амплитуды, что обеспечило более широкие функциональные возможности устройства.
Недостатком прототипа, как и первого аналога, является недостаточно высокая точность регистрации длительности однополярных сигналов в условиях воздействия значительных уровней радиации и большого перепада температур. При воздействии дестабилизирующих факторов в разной степени изменяются не только коэффициенты передачи тока у различных оптоэлектронных пар (что не обеспечивает полной компенсации изменений фототоков), но и изменяются прямые напряжения на светодиодах, что особенно касается второго светодиода. Изменение прямого напряжения на втором светодиоде приводит к изменению тока через него, что напрямую связано со стабильностью уровня регистрации сигналов (значение тока через второй светодиод, оптически связанного со вторым фотодиодом, в основном определяет значение уровня регистрации).
Целью полезной модели является повышение точности регистрации длительности однополярных сигналов с переменной амплитудой в расширенном диапазоне воздействия температурных и радиационных факторов путем повышения точности установки и стабильности поддержания уровня регистрации.
В основу предлагаемой полезной модели поставлена задача сведения к минимуму влияния дестабилизирующих факторов на точность автоматического выбора и поддержания уровня регистрации однополярных сигналов с переменной амплитудой в процессе их приема.
Основой для решения поставленной задачи является повышение степени идентичности изменения проводящих свойств первого и третьего фотодиодов при действии дестабилизирующих факторов и исключение влияния изменений прямого напряжения на втором светодиоде на ток через него, а, соответственно, и через второй фотодиод.
Поставленная цель и решение поставленной задачи достигаются тем, что в оптоэлектронном устройстве для приема однополярных сигналов с переменной амплитудой, содержащем две входные клеммы, первая из которых подключена ко второму выводу первого светодиода, оптически связанного с первым фотодиодом, первый вывод которого соединен с шиной питания, а второй соединен со входом транзисторного ключа и первым выводом второго фотодиода, оптически связанного со вторым светодиодом, первый вывод которого подключен к первому выводу постоянного резистора, третий фотодиод, первый вывод которого соединен с шиной питания, а второй подключен ко входу аналогового блока памяти, выход которого соединен с первым входом линейного усилителя, запоминающий конденсатор аналогового блока памяти включен между выходами разрядного ключа, вход которого соединен с выходом формирователя одиночных импульсов, вход которого подключен к точке соединения выходной шины устройства с выходом транзисторного ключа, переменный резистор, первый вывод которого объединен со вторым выводом второго фотодиода и общей шиной, вторые выводы постоянного и переменного резисторов объединены, выход линейного усилителя подключен ко второму выводу второго светодиода, первый вывод которого соединен со вторым входом линейного усилителя, при
этом третий фотодиод оптически подключен к первому светодиоду, первый вывод которого соединен со второй входной клеммой.
Для улучшения корреляции характеристик первого и третьего фотодиодов, оптически связанных с первым светодиодом, целесообразно выполнять их конструктивно в структуре дифференциального оптрона.
Для исключения влияния изменений прямого напряжения на втором светодиоде на ток через него, а, соответственно, и на стабильность уровня регистрации, необходимо линейный усилитель выполнять на основе операционного усилителя, неинвертирующий вход которого является первым входом линейного усилителя, второй вход которого является инвертирующим входом операционного усилителя, выход которого является выходом линейного усилителя.
Для обеспечения высокой точности выбора и поддержания уровня регистрации сигналов, необходимо, чтобы аналоговый блок памяти имел малое время записи информации, обеспечивал высокую точность записи и длительное время хранения информации при больших периодах следования принимаемых сигналов. Предъявленные требования в наиболее полной мере могут быть выполнены в аналоговом блоке памяти, который содержит два операционных усилителя, переменный резистор, запоминающий конденсатор и диод, первый вывод которого объединен с инвертирующим и неинвертирующим входами соответственно первого и второго операционных усилителей и первым выводом запоминающего конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине непосредственно, а через переменный резистор соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, являющимся входом аналогового блока памяти, выход которого является точкой объединения выхода и инвертирующего входа второго операционного усилителя, при этом второй вывод диода подключен к выходу первого операционного усилителя.
При длительных периодах следования однополярных сигналов с переменной амплитудой, необходимо обеспечить условия для минимального разряда запоминающего конденсатора в блоке памяти за счет токов утечки через выключенный разрядный ключ. Для этого целесообразно разрядный ключ выполнять на полевом транзисторе с изолированным затвором и индуцированным каналом, при этом выводы канала (сток, исток) являются выходами ключа, а его вход является затвором полевого транзистора.
Одной из самых простых реализации формирователя одиночных импульсов является выполнение его в виде дифференцирующей цепи.
Для улучшения компенсационных свойств цепи, состоящей из первого фотодиода (входящего в состав дифференциального диодного оптрона) и второго фотодиода, оптически связанного со вторым светодиодом, целесообразно вторые светодиод и фотодиод выполнять в структуре диодного оптрона.
Предлагаемая полезная модель представлена на чертеже.
Оптоэлектронное устройство для приема однополярных сигналов с переменной амплитудой содержит первую и вторую входные клеммы 1 и 2 соответственно, клемма 1 подключена ко второму выводу первого светодиода 3, оптически связанного с первым фотодиодом 4, первый вывод которого соединен с шиной 5 питания, а второй соединен со входом транзисторного ключа 6 и первым выводом второго фотодиода 7, оптически связанного со вторым светодиодом 8, первый вывод которого подключен к первому выводу постоянного резистора 9, третий фотодиод 10, первый вывод которого соединен с шиной 5 питания, а второй подключен ко входу аналогового блока 11 памяти, выход которого соединен с первым входом линейного усилителя 12, запоминающий конденсатор 13 блока 11 памяти включен между выходами разрядного ключа 14, вход которого соединен с выходом формирователя 15 одиночных импульсов, вход которого подключен к точке соединения
выходной шины 16 устройства с выходом транзисторного ключа 6, переменный резистор 17, первый вывод которого объединен со вторым выводом второго фотодиода 7 и общей шиной 18, вторые выводы постоянного и переменного резисторов соответственно 9 и 17 объединены, выход линейного усилителя 12 подключен ко второму выводу второго светодиода 8, первый вывод которого соединен со вторым входом линейного усилителя 12, при этом третий фотодиод 10 оптически подключен к первому светодиоду 3, первый вывод которого соединен со второй входной клеммой 2.
Первый фотодиод 4, оптически связанный с первым светодиодом 3, к которому оптически подключен третий фотодиод 10, представляют собой структуру дифференциального диодного оптрона 19.
Линейный усилитель 12 представляет собой операционный усилитель 20, неинвертирующий вход которого является первым входом линейного усилителя 12, второй вход которого является инвертирующим входом операционного усилителя 20, выход которого является выходом линейного усилителя 12.
Аналоговый блок 11 памяти содержит диод 21, первый вывод которого объединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 22, неинвертирующим входом второго операционного усилителя 23 и первым выводом запоминающего конденсатора 13, второй вывод которого подключен к общей шине 18 непосредственно, а через переменный резистор 24 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя 22, являющимся входом аналогового блока 11 памяти, выход которого является точкой объединения выхода и инвертирующего входа второго операционного усилителя 23, при этом второй вывод диода 21 подключен к выходу первого операционного усилителя 22.
Разрядный ключ 14 может быть выполнен на полевом транзисторе 25 с изолированным затвором и индуцированным каналом, выводы
которого (сток и исток) являются выходами ключа 14, а его вход является затвором полевого транзистора 25.
Формирователь 15 одиночных импульсов может являться дифференцирующей цепью (как показано на чертеже).
При использовании в устройстве дифференциального диодного оптрона 19, целесообразно оптически связанные второй светодиод 8 и второй фотодиод 7 конструктивно выполнять в виде диодного оптрона 26.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
При отсутствии входного сигнала на входных клеммах 1 и 2 (стартовая посылка) ток через светодиод 3 и оптически связанные с ним фотодиоды 4 и 10 не протекает, поэтому на вход транзисторного ключа 6 и вход блока 11 памяти ток не поступает. При этом на выходе блока 11 сигнал отсутствует, и на первом входе линейного усилителя 12 - нулевой потенциал. В исходном состоянии линейный усилитель 12 отрегулирован так (за счет внутренних цепей смещения нуля), что в его выходной цепи протекает небольшой ток покоя. Этот ток протекает через светодиод 8, поэтому фотодиод 7, оптически связанный со светодиодом 8, находится в вентильном (фотогальваническом) режиме и обеспечивает запирающее (отрицательное) напряжение на входе транзисторного ключа 6. Ключ 6 надежно закрыт, и на его выходе (и на шине 16 устройства) низкий уровень напряжения. В результате этого формирователь 15 выключен, а разрядный ключ 14 закрыт, что исключает шунтирование запоминающего конденсатора 13 в блоке памяти 11.
При поступлении на входные клеммы 1 и 2 входного однополярного сигнала (стоповая посылка) через светодиод 3 и оптически связанные с ним фотодиоды 4 и 10 начинает протекать ток (фотодиоды 4 и 10 включены в фотодиодном режиме). Когда ток через светодиод 3 достигнет значения, соответствующего порогу включения транзисторного ключа 6, определяемого в этом случае током покоя линейного усилителя
12 и протекающего через светодиод 8, транзисторный ключ 6 включается и на шине 16 появляется высокий уровень напряжения. При этом формирователь 15 формирует короткий одиночный импульс, который включает на короткое время разрядный ключ 14, шунтирующий конденсатор 13. Если к этому моменту времени запоминающий конденсатор 13 аналогового блока 11 памяти был заряжен до какого-то напряжения, то в течении малого времени (значительно меньшего длительности принимаемого сигнала) заряд запоминающего конденсатора 13 будет сброшен через открытый разрядный ключ 14. После этого разрядный ключ 14 выключается и исключает шунтирование запоминающего конденсатора 13 на весь период приема однополярного сигнала.
После выключения ключа 14 сразу же начинается заряд запоминающего конденсатора 13 выходным током операционного усилителя 22, так как к этому моменту времени на неинвертирующий вход операционного усилителя 22 поступает напряжение с резистора 24, через который протекает нарастающий ток фотодиода 10, обусловленный увеличивающейся амплитудой входного сигнала.
При достижении входным сигналом максимального значения заряд запоминающего конденсатора 13 заканчивается и на нем устанавливается напряжение, пропорциональное амплитуде входного однополярного сигнала. Это напряжение через операционный усилитель 23, работающий в режиме повторителя напряжения, с высокой точностью передается на первый вход линейного усилителя 12, в результате чего в его выходной цепи, а, следовательно, и в цепи светодиода 8 устанавливается ток, пропорциональный напряжению на запоминающем конденсаторе 13. Ток, протекающий через светодиод 8, определяет порог срабатывания транзисторного ключа 6, а, следовательно, и уровень регистрации однополярных сигналов оптоэлектронным устройством.
При уменьшении амплитуды однополярного входного сигнала (начало формирования стартовой посылки) уменьшается ток через светодиод 3, а, следовательно, и через фотодиоды 4 и 10. Уменьшение тока через фотодиод 10 приведет к уменьшению напряжения на входе блока 11 памяти (за счет уменьшения падения напряжения на резисторе 24). Однако на выходе блока 11 напряжение будет сохранять свое значение, которое установилось при максимальном значении амплитуды однополярного входного сигнала (в это время исключается разряд запоминающего конденсатора 13). Когда уменьшающийся ток через фотодиод 4 достигнет значения, которое может быть ответвлено через фотодиод 7 (определяется током светодиода 8), транзисторный ключ 6 выключится и на его выходе (а также шине 16) установится низкий уровень напряжения, соответствующий приему стартовой посылки. При этом состояния формирователя 15 одиночных импульсов и разрядного ключа 14 не изменяются (они выключены).
Поскольку в устройстве при приеме каждого однополярного сигнала в момент достижения им уровня регистрации (при нарастании амплитуды) происходит сброс заряда запоминающего конденсатора 13, то уровень регистрации последующего однополярного сигнала всегда будет пропорционален амплитуде предыдущего однополярного сигнала.
Возможность использования в устройстве дифференциального оптрона 19 позволяет существенно повысить степень идентичности передаточных характеристик от светодиода 3 к фотодиодам 4 и 10 [Носов Ю.Р. «Оптоэлектроника». М., «Сов. радио», 1977, (стр.153)], что в свою очередь обеспечивает существенное повышение точности поддержания выбранного соотношения между амплитудой однополярных сигналов и значением уровня их регистрации при действии дестабилизирующих факторов.
Включение светодиода 8 в цепь отрицательной обратной связи линейного усилителя 12, значительно уменьшает влияние изменения
прямого напряжения на светодиоде 8 на точность поддержания автоматически выбранного уровня регистрации однополярных сигналов. Включение диода 21 в цепь отрицательной обратной связи усилителя 22 исключает влияние прямого напряжения на диоде 21 на точность запоминания конденсатором 13 амплитудного значения однополярного сигнала [Ленк Дж. «Электронные схемы: Практическое руководство». Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, (стр.293-294)].
С целью обеспечения возможности установки больших времен хранения аналогового блока 11 памяти, диод 21 должен выбираться с минимально возможным обратным током. Этой же цели служит операционный усилитель 23, выполняющий роль буфера с высоким входным сопротивлением, а также полевой транзистор 25 с индуцированным каналом.
Переменный резистор 24 в блоке 11 позволяет задать работу фотодиода 10 на наиболее линейном участке его характеристики. Переменный резистор 17 позволяет установить заданное соотношение между уровнем регистрации однополярных сигналов и их амплитудными значениями (в телеграфии это соотношение выбирается, как правило, равным 0,5).
Таким образом, в оптоэлектронном устройстве для приема однополярных сигналов с переменной амплитудой, существенно повышена точность регистрации длительности таких сигналов в расширенном диапазоне действия дестабилизирующих факторов, так как сведено к минимуму влияние этих факторов на точность автоматического выбора и поддержания уровня регистрации.
Предложенное устройство с улучшенными характеристиками может быть использовано с высокой эффективностью в автоматизированных системах передачи дискретной информации, работа которых происходит в жестких условиях эксплуатации.