Оптический аналого-цифровой преобразователь
OPTICAL ANALOGUE-TO-DIGITAL CONVERTER

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники.
Известны различные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), обеспечивающие преобразование аналогового сигнала в двоичный код, построенные на основе использования электронных функциональных элементов [У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М: Мир, 1983]. Недостатками данных АЦП являются низкое быстродействие, уменьшающееся с ростом разрядности АЦП, и большая сложность.
-6
Также известны АЦП на основе волноводных модуляторов типа Маха-Цендера [Семенов А.С. и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - /М.: Радио и связь, 1990. - 176 с., рис. 7, 6], содержащие оптический бистабильный элемент и обеспечивающие преобразование электрического входного сигнала в код Грея. Недостатками данных АЦП являются: невозможность преобразования входного аналогового сигнала в позиционный двоичный код, низкое общее быстродействие АЦП, обусловленное необходимостью использования в оконечном каскаде электронных элементов (фотодетектора, усилителя, компаратора) с суммарным временем срабатывания ≥10 с.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является оптический аналогово-цифровой преобразователь [патент РФ N 2177165, 2001 г.], содержащий оптический бистабильный элемент, оптический генератор тактовых импульсов, оптический объединитель, два оптических волновода, группу оптических Y-разветвителей, оптический двоичный счетчик, оптический усилитель, оптический цифро-аналоговый преобразователь, оптический компаратор, оптический Y-разветвитель обратной связи и оптический элемент задержки. Время преобразования в данном АЦП прямо пропорционально его выходному коду и периоду следования импульсов. Т.к. данный АЦП функционирует в циклическом режиме работы (по окончании временного интервала преобразования счетчик устанавливается в начальное состояние и поэтому преобразование всегда начинается с нуля), то его недостатком является низкое быстродействие.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов.
Поставленная задача возникает при создании быстродействующих устройств обработки информации в системах управления и связи, обеспечивающих обработку информации в гигагерцовом диапазоне.
N
Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник когерентного излучения, (К=М+1)-выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических бистабильных элементов (ОБЭ) первой группы, М ОБЭ второй группы, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников; выход источника когерентного излучения подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя, выходы которого от первого до М-го подключены ко входам одноименных оптических транспарантов, выходы которых подключены к первым входам одноименных М оптических Y-объединителей, а (М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам одноименных ОБЭ первой группы, первые выходы которых подключены ко входам соответствующих ОБЭ второй группы, при этом вторые выходы ОБЭ первой группы и первые выходы ОБЭ второй группы являются поглощающими, а вторые выходы ОБЭ второй группы подключены ко входам М соответствующих N-выходных оптических разветвителей, выходы которых подключены ко входам N М-входных оптических объединителей таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя на всех N выходах М-входных оптических объединителей формируется позиционный двоичный код числа «i» за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходного оптического разветвителя и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей (определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей являются поглощающими/отсутствуют), а выходы N М-входных оптических объединителей подключены ко входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства.
Функциональная схема АЦП показана на фиг. 1.
i
i
i
M+i
i
j
j
N
N-разрядный АЦП содержит источник когерентного излучения 1, K-выходной оптический разветвитель 2 (K=N+1), М оптических транспарантов 3 (i=1…М, M=2-1, N-количество выходов АЦП), М оптических Y-объединителей 4, М ОБЭ 5 первой группы, М ОБЭ 5 второй группы, электрооптический амплитудный модулятор 6, оптический фазовый модулятор 7, М-выходной оптический разветвитель 8, М N-выходных оптических разветвителей 9, N М-входных оптических объединителей 10, N фотоприемников 11 (j=1…N).
i
Оптические бистабильные элементы (ОБЭ) 5 (i=1…2M) осуществляют передачу оптического сигнала со входа на первый (прямой) выход, если амплитуда входного оптического сигнала больше или равна заданному пороговому значению. В противном случае передача оптического сигнала осуществляется на второй (инверсный) выход.
i
M+i
i
M+i
Порог ОБЭ первой группы 5 (i=1…М) равен N-1/2M усл. ед., а порог ОБЭ второй группы 5 равен N+1/2M усл. ед., при этом поглощающими являются вторые (инверсные) выходы ОБЭ первой группы 5 и первые (прямые) выходы ОБЭ второй группы 5.
Входом устройства U является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 6.
i
i
i
Выход источника когерентного излучения 1 подключен ко входу K-выходного оптического разветвителя 2. Выходы от 1-го до М-го K-выходного оптического разветвителя 2 подключены ко входам оптических транспарантов 3 (i=1…М). Выходы оптических транспарантов 3 подключены к первым входам оптических Y-объединителей 4.
i
i
i
M+i
i
M+i
M+i
i
i
j
i
j
i
j
i
j
j
1
N
1…
N
(М+1)-й выход K-выходного оптического разветвителя 2 подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора 6. Выход электрооптического амплитудного модулятора 6 подключен ко входу оптического фазового модулятора 7. Выход оптического фазового модулятора 7 подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя 8. Выходы М-выходного оптического разветвителя 8 подключены ко вторым входам М оптических Y-объединителей 4. Выходы оптических Y-объединителей 4, подключены ко входам ОБЭ первой группы 5. Первые выходы первой группы ОБЭ 5 подключены ко входам ОБЭ второй группы 5. Вторые выходы ОБЭ первой группы 5 и первые выходы ОБЭ второй группы 5 являются поглощающими. Вторые выходы ОБЭ второй группы 5 подключены к входам N-выходных оптических разветвителей 9. Выходы N-выходных оптических разветвителей 9 подключены ко входам М-входных оптических объединителей 10 (j=1…N) таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя 9 на всех N выходах М-входных оптических объединителей 10 формируется позиционный двоичный код числа «i» (за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходных оптических разветвителей 9 и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей 10 - определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей 9 являются поглощающими (или отсутствуют)). Выходы М-входных оптических объединителей 10 оптически связаны со входами одноименных фотоприемников 11. Выходы фотоприемников 11-11 “DD” являются выходами устройства.
Устройство работает следующим образом.
i
Оптический сигнал с амплитудой М⋅K усл. ед. с выхода источника когерентного излучения 1 поступает на вход K-выходного оптического разветвителя 2. Пройдя K-выходной оптический разветвитель 2, оптический сигнал уменьшается по амплитуде в K раз, и на каждом выходе K-выходного оптического разветвителя 2 амплитуда оптического сигнала становится равной М усл. ед. Амплитуда оптического сигнала на выходе оптического транспаранта 3 с коэффициентом передачи (N+i/M)/М при этом составляет N+i/M усл. ед.
BX
BX
max
BX
max
max.
Оптический сигнал с K-го выхода K-выходного оптического разветвителя 2 поступает на информационный вход электрооптического амплитудного модулятора 6. При наличии на входе устройства и, следовательно, на управляющем входе электрооптического амплитудного модулятора 6, входного сигнала U на выходе электрооптического амплитудного модулятора 6 формируется оптический сигнал с амплитудой U⋅M усл. ед., где U=U/U (U<1), U - текущее входное напряжение, U - максимальное входное напряжение (U=М усл. ед.).
i
С выхода электрооптического амплитудного модулятора 6 оптический сигнал поступает на вход оптического фазового модулятора 7. Пройдя оптический фазовый модулятор 7, оптический сигнал изменяет фазу на π и поступает на М-выходной оптический разветвитель 8. После прохождения М-выходного оптического разветвителя 8 оптический сигнал уменьшается по амплитуде в М раз и поступает на вторые входы М оптических Y-объединителей 4 (i=1…M) с амплитудой U усл. ед.
1
2
i
Т.к. при сложении двух когерентных противофазных оптических сигналов происходит вычитание их амплитуд, то на выходе первого оптического Y-объединителя 4 амплитуда сигнала будет равна: (N+1/M)-U усл. ед., на выходе второго оптического Y-объединителя 4, соответственно: (N+2/M)-U усл. ед., на выходе i-го оптического Y-объединителя 4 амплитуда сигнала будет равна: (N+i/M)-U усл. ед.
i
i
M+i
i
M+i
i
M+i
Для того, чтобы оптический сигнал прошел с выхода оптического Y-объединителя 4 через оба ОБЭ: 5 и 5, его амплитуда должна быть больше порога срабатывания ОБЭ 5 и меньше порога срабатывания ОБЭ 5. При любом U данное условие будет выполняться только для одной пары ОБЭ 5 и 5 и, соответственно, только на одном входе N-выходного оптического разветвителя 9, появится оптический сигнал.
1
1
Так, при U=1/M амплитуда оптического сигнала с выхода первого оптического Y-объединителя 4 больше порога срабатывания ОБЭ 5:
M+1
M+1
1
(N+1/M)-U=N>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал с амплитудой N усл. ед. пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5 меньше порога его срабатывания N<N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его второй выход и далее - на вход N-выходного оптического разветвителя 9.
2
2
M+2
M+2
Амплитуда оптического сигнала с выхода второго оптического Y-объединителя 4 больше порога срабатывания ОБЭ 5 : (N+2/M)-U=N+1/M>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5 больше порога его срабатывания N+1>N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его первый выход, который является поглощающим.
М
М
2M
2M
Амплитуда оптического сигнала с выхода оптического Y-объединителя 4 больше порога срабатывания ОБЭ 5 : N+(M-1)/M>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5 также больше порога его срабатывания N+N-1>N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его первый выход, который является поглощающим.
1
Таким образом, при U=1/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 9.
i
i
При U=i/M амплитуда оптического сигнала с выхода i-го оптического Y-объединителя 4 больше порога срабатывания ОБЭ 5:
M+i
M+i
i
(N+i/M)-U=N>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал с амплитудой N усл. ед. пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5 меньше порога его срабатывания N<N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его второй выход и далее - на вход N-выходного оптического разветвителя 9.
i-1
i-1
При этом амплитуда оптического сигнала с выхода (i-1)-го оптического Y-объединителя 4 меньше порога срабатывания ОБЭ 5 : (N+(i-1)/M)-U=N-1/M<N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его второй выход, который является поглощающим.
i+1
i+1
M+i+1
M+i+1
Также в данном случае амплитуда оптического сигнала с выхода (i+1)-го оптического Y-объединителя 4 больше порога срабатывания ОБЭ 5 : (N+(i+1)/M)-U=N+1/M>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5 больше его порога срабатывания: N+1/M>N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его первый выход, который является поглощающим.
i
Таким образом, при U=i/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 9.
1
N
1
М
1
N
1
N
1
N
1
N
Так как ко входам М-входных оптических объединителей 10…10подключены только те выходы N-выходных оптических разветвителей 9…9, которые позволяют сформировать двоичный код числа «i», то в результате оптические сигналы появятся только на выходах М-входных оптических объединителей 10…10, соответствующих позиционному двоичному коду числа «i». Оптические сигналы с выходов М-входных оптических объединителей 10…10 поступают далее на входы фотоприемников 11…11, формируя на выходе АЦП позиционный двоичный код {D,…,D}, являющийся двоичным аналогом входного сигнала U.
Таким образом, при подаче на вход устройства аналогового напряжения U на выходе устройства формируется соответствующий позиционный двоичный код. Быстродействие данного АЦП определяется в основном временем срабатывания электрооптического амплитудного модулятора (5-10 нс) и фотоприемников (100 пс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.