АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА МОДУЛИРОВАННЫХ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована для измерения спектрального состава модулированных оптических сигналов.
Известен последовательный анализатор спектра для измерения спектрального состава электрических сигналов, содержащий входной усилитель, выход которого соединен с входом смесителя, гетеродин, выход которого соединен с входом смесителя и частотомера. К выходу смесителя подключен полосовой фильтр низких частот, выход которого соединен с регистрирующим устройством /1/.
Недостатком такого устройства является появление ошибок при измерении спектрального состава, связанных с работой смесителя. Смеситель осуществляет операцию перемножения исследуемого сигнала на гармонический сигнал гетеродина. Эта операция осуществляется с помощью транзистора с нелинейной проходной характеристикой. На выходе транзисторного смесителя спектр сигнала содержит комбинационные частоты, которые могут располагаться в спектре сигнала, что приводит к ошибкам при измерении спектра сигнала, для устранения которых приходится резко усложнять конструкцию анализатора /2/.
Другими недостатками известного устройства является высокая стоимость и сложность изготовления.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является последовательный анализатор спектра, содержащий в качестве входного усилителя и смесителя инвертирующий операционный усилитель, в котором последовательно с входом вместо сопротивления включен фоторезистор. Гетеродин соединен с источником света и частотомером /3/. Гетеродин также через источник света с помощью световода оптически соединен с фоторезистором. Выход инвертирующего операционного усилителя подключен к входу полосового фильтра низких частот, выход которого соединен с регистрирующим устройством.
Недостатком такого устройства является высокая стоимость и сложность устройства при использовании.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции и значительное снижение стоимости устройства без снижения точности устройства и возможности спектрального анализа модулированных по интенсивности оптических сигналов.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что анализатор спектра модулированных по интенсивности оптических сигналов, содержащий фоторезистор, к которому подключен последовательно амперметр магнитоэлектрической системы, перестраиваемый по частоте гетеродин (генератор со шкалой частот) подключен параллельно фоторезистору и амперметру. Источник модулированного по интенсивности света с помощью световода оптически соединен с фоторезистором.
На фиг.1 представлена схема анализатора спектра модулированных по интенсивности оптических сигналов, содержащего фоторезистор 1, последовательно с фоторезистором 1 включен амперметр магнитоэлектрической системы 3. Перестраиваемый гетеродин (генератор со шкалой частот) 2 включен параллельно фоторезистору 1 и амперметру 3. Источник модулированного по интенсивности света 4 с помощью световода 5 оптически соединен с фоторезистором 1, Ф - оптический сигнал.
Анализатор спектра работает следующим образом. Исследуемый оптический сигнал от источника света 4 по световоду 5 подается на фоторезистор 1. Гармонический сигнал частотой Q с перестраиваемого гетеродина 2 подается на фоторезистор 1 и включенный последовательно с ним амперметр 3. Оптический сигнал поступает по световоду 5 на фоторезистор 2. Проводимость фоторезистора изменяется в соответствии с оптическим сигналом. Рассмотрим математическую модель анализатора спектра оптических сигналов. Пусть оптический сигнал имеет вид:
где NΩ - наивысшая частота в спектре гармоник модулированного по интенсивности оптического сигнала. При расчете сигнала на выходе фоторезистора будем полагать, что постоянная времени фоторезистора удовлетворяет условию:
m
n
ω
π/τ
Подавая гармоническое напряжение с гетеродина - 2 на фоторезистор - 1 U=Ucost, получим выражение для тока на входе фоторезистора в случае не инжектирующих контактов, монополярной проводимости, при условии 2>>NΩ и однородной генерации свободных носителей в объеме:
где
k
k
n
n
m
m
n
n
0
t
0
n
m
ф
ω
U
a
S
l
R
R
I
=en
µ
U
S/l
I
k
k
=k
-
<
k
k
w - частота приложенного напряжения, I=χeaεФτµUS/l,  -частота высокочастотного сигнала,  - амплитуда переменного напряжения, e, µ, , β, τ - элементарный заряд, подвижность, коэффициент поглощения, квантовый выход и время жизни свободных носителей, n - равновесная концентрация электронов,  - площадь контактов, - расстояние между контактами фоторезистора, χ=1- ( - коэффициент отражения),  - темновой ток,  -фототок. Из выражения (3) следует, что фоторезистор может выполнять функцию анализатора спектра модулированных по интенсивности оптических сигналов. В случае Ω=ω на выходе фоторезистора появится постоянный ток, амплитуда которого будет пропорциональна амплитуде -ой гармоники исследуемого сигнала. При ∆ψΩω2π/γ, (γ - постоянная времени амперметра) на выходе фоторезистора появится низкочастотный ток с амплитудой пропорциональной -ой гармоники исследуемого модулированного по интенсивности оптического сигнала. Максимальное отклонение стрелки амперметра пропорционально амплитуде  - гармонике модулированного по интенсивности оптического сигнала. Частота гармоники определяется по шкале частот гетеродина.
Пример конкретного выполнения.
-7
Проведен эксперимент по спектральному анализу прямоугольных импульсов света (скважностью g=2) с частотой следования импульсов 100 Гц. В качестве фотоприемника использовался фоторезистор на основе кристаллов кремния марки БНЛ-1 с графитовыми контактами. Гетеродином являлся перестраиваемый генератор Г3-109, в качестве амперметра использовался гальванометр магнитоэлектрической системы М-95. Источником света являлся- ИК светодиод марки АЛ 106 В, питание которого осуществлялось прямоугольными импульсами напряжения частотой 1кГц при скважности равной 2 от генератора Г6-34. Постоянная времени светодиода составляла ~1·10c. Предварительно спектральный состав гармоник световых импульсов был измерен с помощью анализатора спектра СК4-56. В качестве регистрирующего устройства световых импульсов использовался фотоумножитель (ФЭУ-62), сигнал с которого подавался на анализатор спектра СК4-56. Амплитуды гармоник импульсов света вплоть до девятой соответствовали разложению в ряд Фурье меандра со скважностью
-6
5
3
k
k
τ
τ
τ
2. Постоянная времени фотопроводимости, равная 5·10 с., была определена из кривой затухания фототока. Следовательно, инерционные свойства фоторезистора не могли влиять на величину амплитуды гармоник с частотой до 20 кГц. Измерения проводились следующим образом: при выполнении условия Ω-ω<<2π/γ, указатель гальванометра начинал совершать медленные колебания. Измерялось максимальное отклонение показания гальванометра пропорциональное амплитуде -ой гармоники исследуемого сигнала. Приведен спектральный состав меандра с g=2, полученный в результате разложения в ряд Фурье. Вплоть до девятой гармоники в пределах точности прибора М-95 наблюдается совпадение с точностью, соответствующей точности измерения прибора 0.5%. Следовательно, фоторезистор, питаемый переменным напряжением, может быть использован для спектрального анализа гармоник модулированного по интенсивности оптического сигнала. Нелинейные искажения при регистрации прямоугольных импульсов света незначительны в случае, если частота следования импульсов значительно меньше 1/, где  - постоянная времени фоторезистора. В нашем случае 1/=2·l0Гц, что значительно больше частоты 9-ой гармоники, равной 9-10 Гц. Если анализируемый сигнал имеет форму, отличную от меандра, то исключить нелинейные искажения можно за счет применения фоторезистора с линейной люксамперной характеристикой.
Достоинством устройства является дешевизна и простота изготовления. Данный прибор может быть использован в учебных и научных целях.
Источники информации:
1. (Мирский Г.Я. «Электронные измерения», М.: Радиосвязь, 1986 г.).
2. (С.И.Баскаков Радиотехнические цепи и сигналы. М. Высшая школа.-2000 г., с.289).
3. Патент на полезную модель №58725.