Лабораторный макет и экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика частоты вращения. Блок формирования сигналов. Часть I

Юрова О.В., , Зуев В.Д. ЛАБОРАТОРНЫЙ МАКЕТ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ. БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ. ЧАСТЬ I

В статье описывается разработка блока формирования сигналов. Производится выбор комплектующих, наиболее полно соответствующих требованиям по улучшению характеристик датчика.

Разработана измерительная установка (ИУ) для экспериментальных исследований волоконно-оптического датчика частоты вращения (ВОДЧВ), приведенная на рисунке 1, принцип действия которой рассмотрен в статье [1].

При разработке ИУ стояла задача выбора компонентной базы электрической схемы. Сложность решаемой задачи обусловлена низким уровнем сигнала, поступающего на приемник излучения (фотодиод) светового сигнала с оптического волокна (ОВ), несущего информацию об измеряемой частоте вращения.

Одним из основных элементов схемы является блок формирования сигналов (БФС).

Перед разработкой усилителя, входящего в блок формирования сигналов, необходимо было определить приблизительный уровень информативного сигнала с фотодиода. Ожидаемый уровень фототока в ВОДЧВ мал, и его трудно измерить непосредственно. Для определения уровня фототока разработана схема электрическая принципиальная установки для определения рабочего значения фототока, приведенная на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная установки для определения рабочего значения фототока

Светодиод BL1 запитывается от стабилизированного источника 5В через токоограничительный резистор R1. При R1=4 3 Ом ток через светодиод приблизительно равен 80 мА. Излучение по ОВ длинной не менее 2м подводится к фотодиоду BL2, включенному в фотогальваническом режиме (без подачи запирающего смещения), и преобразуется в фототок 1ф [2]:

i ф=^ф ,

где S - токовая чувствительность фотодиода; Ф - световой поток, поступающий на фотодиод.

На операционном усилителе (ОУ) DA1 и резисторе R3 собран преобразователь «ток - напряжение». Конденсатор С1 обеспечивает устойчивость преобразователя (отсутствие самовозбуждения), а симметрирующий резистор R2 компенсирует влияние входных токов ОУ на сдвиг нулевого уровня выходного сигнала Овых. Поскольку ожидаемый уровень фототока мал, использован ОУ с малыми входными токами (не более 50 нА). Выходное напряжение преобразователя определяется выражением

ивых = IgiR1‘

При включении установки получили ивых^3,5 В.

Так как в ВОДЧВ излучение из подводящего оптического волокна (ПОВ) попадает на зеркальные участки светомодулирующего диска, отражается и затем по второму, отводящему оптическому волокну подводится к фотодиоду, то следует ожидать дополнительного ослабления потока излучения, воспринимаемого фотодиодом. Поэтому в схему 2 были введены отводящее оптическое волокно и зеркало. В качестве зеркала использовалась стеклянная полоска с внешним напылением алюминия и последующей полировкой. Положение зеркала относительно общего торца волоконно-оптического кабеля изменяли путем удаления или приближения, добиваясь получения максимального выходного сигнала преобразователя «ток - напряжение».

Максимальный полученный сигнал составил 12 мВ, что соответствует фототоку 1ф =7• 10 9 .

По сравнению с первым экспериментом значение фототока уменьшилось примерно в 300 раз и сравнимо с обратными токами фотодиода. Примерно такого же уровня будут сигналы с фотодиода в ВОДЧВ.

В процессе предварительных экспериментов было определено, что из существующих источников излучения для ВОДЧВ наилучшим образом подходят ИК-светодиоды, а в качестве приемников излучения фотодиоды. В нашем случае выбраны светодиод типа 3Л107Б и фотодиод ФД25 6.

Свето- и фотодиоды имеют некоторый диапазон, в пределах которого могут находиться их параметры [3]. В справочниках обычно приводятся нижние значения диапазона (не менее, не хуже и т.д.). А при проектировании схемы для правильного выбора подстроечного элемента, компенсирующего при настройке схемы разброс параметров, желательно знать и верхнее значение диапазона. Поэтому было проведено определение относительной эффективности для партии из десяти светодиодов и десяти фотодиодов по схеме, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема установки для определения относительной эффективности свето- и фотодиодов В экспериментальную установку введен дополнительный усилитель переменного напряжения, а зеркало заменено на светомодулирующий диск от лентопротяжного механизма ПЭВМ ИСКРА - 240. Диск приводится во вращение двигателем постоянного тока, обороты которого регулируются изменением питающего напряжения. При вращении диска световой поток модулируется, и на фотодиод воздействуют импульсы излучения. На выходе БА1 будут импульсы напряжения, амплитудой 10...15 мВ, которые усиливаются примерно в 620 раз усилителем на микросхеме БА2.

Амплитуда выходных импульсов близка к 10 В. Сигналы с такой амплитудой удобно наблюдать на экране осциллографа.

Измерения производятся при частоте световых импульсов равной 1 кГц, на которой еще не сказываются частотные ограничения примененных операционных усилителей. Светомодулирующий диск содержит 3 6 зеркальных участков, поэтому скорость его вращения п должна быть равна 1666,6.

Требуемая скорость устанавливается путем наблюдения за импульсной последовательностью на экране осциллограф. При этом добиваемся периода следования импульсов примерно равного 1 мс.

Оценка относительной эффективности светодиодов. При неизменном фотодиоде поочередно меняем в схеме светодиоды и для каждого светодиода по экрану осциллографа измеряем амплитуду выходных импульсов

ивых.амп, результаты заносим во вторую графу таблицы 2. По формуле 1ф д = иеых /(620 *1,5 -106) определяем

токи фотодиода, соответствующие различным образцам светодиодов, и результаты заносим в третью графу таблицы 1.

Таблица 1 - Экспериментальные данные для оценки относительной эффективности свето- и фотодиодов

Номера образцов Для светодиодов Для фотодиодов

Амплитуда выходного сигнала, В Ток фотодиода, нА Амплитуда выходного сигнала, В Ток фотодиода, нА

1 5 5,3 10 10,7

2 6 6,4 10 10,7

3 6 6,4 12,5 13,4

4 4 4,3 10 10,7

5 3 3,2 7,5 8

6 10 10,7 10 10,7

7 10 10,7 15 16,1

8 8 8,6 7,5 8

9 6 6,4 10 10,7

10 6 6,4 15 16,1

Среднее значение 6,4 6,87 10,75 11,51

Очевидно, что чем выше эффективность светодиода, тем большую амплитуду будут иметь выходные импульсы.

По полученным результатам наивысшую относительную эффективность имеют светодиоды №6 и №7, а самую низкую - светодиод №5. Диапазон изменения эффективности составляет примерно 7 0 % от максимального значения (или примерно трехкратный от минимального).

При оценке относительной эффективности фотодиодов в качестве образцового источника излучения используем светодиод №7. При неизменном светодиоде поочередно меняем фотодиоды и записываем в четвертую графу таблицы 1 соответствующие значения амплитуды выходных импульсов. По вышеприведенной формуле определяем соответствующие токи фотодиодов и результаты заносим в пятую графу таблицы 1.

По данным таблицы, наивысшую эффективность имеют фотодиоды №7 и №10, а самую низкую - фотодиоды №5 и №8. Диапазон изменения эффективности составляет 50 % от максимального значения (или примерно двухкратный от минимального). Как видно из таблицы 1, в зависимости от сочетания конкретных образцов свето- и фотодиодов, амплитуда фототока может изменяться примерно от 3,2 до 16,1 нА, т.е. в 5 раз.

В нашем распоряжении имелись также фотодиоды других типов. Поэтому были проведены сравнительные испытания их относительной эффективности. А также эффективности светодиодов АЛ106А и АЛ107Б, используемых в качестве светодиодов.

Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты испытаний фотодиодов различных марок_________________________________________

№ образца Тип фотодиода Амплитуда выходного сигнала, В Ток, нА Примечание

1 ФД25 6 10 10,7 Небольшие шумы

2 ФД25К 6 6,4

3 ФД25К 6 6,4

4 ФД6Г 10 10,7 Сигнал сильно искажен шумами

5 ФД6Г 4,5 4,5

6 ФД3 7,5 8

7 ФД3 7 7,3

8 ФД8К 5 5,3 Небольшие шумы

9 ФД8К 7 7,3

10 АЛ10 6А 0,5 0,53 Шумов практиче ски нет, чистый сигнал

11 АЛ10 6А - -

12 3Л107Б 3 3,2

13 АЛ107Б 2 2,1

В качестве образцового источника излучения при испытаниях использовался светодиод №7.

Германиевые фотодиоды имеют достаточно высокую чувствительность, но их сигнал сильно зашумлен. При их использовании необходимо применять дополнительные меры по фильтрации сигнала.

Кремниевые фотодиоды ФД25К и ФД8К имеют вполне приемлемую чувствительность, но по сравнению с германиевыми, шумовые характеристики их значительно лучше, получаемый сигнал значительно чище, менее искажен, форма импульсов ближе к прямоугольной.

Светодиоды, используемые в качестве фотодиодов, имеют самую низкую чувствительность, причем один из светодиодов АЛ106А вообще не реагировал на сигнал, возможно, вследствие его малого уровня. Зато сигнал от светодиода АЛ107Б был самый чистым, практически не зашумленным. Форма импульсов близка к трапециидальной со скругленными углами.

Фотодиоды ФД256, как показали эксперименты, имеют наивысшую чувствительность при шумах, сравнимых с шумами других кремниевых приборов. Кроме того, эти фотодиоды имеют значительно большее быстродействие по сравнению с другими исследованными фотодиодами [3].

Таким образом, эксперименты подтвердили необходимость выбора фотодиодов типа ФД256.

Как показано ранее, импульсы фототока, получаемые от фотодиода, могут иметь амплитуду порядка 3 нА, зависящую от качества полировки торцов оптоволокна и зеркальных полос светомодулирующего диска, расстояния между торцом оптического кабеля и светомодулирующим диском, а также разброса коэффициентов преобразования свето- и фотодиодов. А для надежной работы порогового устройства, поступающие на него импульсы должны иметь амплитуду не менее 0,5.1 В. Т. е. усилитель должен обеспечивать коэффициент усиления порядка 20000 (86 дБ).

Полоса рабочих частот усилителя (0,4..80)-103 Гц и соответственно, необходимая площадь усиления: 20000-80000 = 1, 6-109 Гц. Такой усилитель невозможно построить на одном ОУ, поэтому возникает задача оптимизации, уменьшения числа корпусов используемых микросхем и уменьшения общего числа навесных радиоэлементов.

Эксперименты показали целесообразность использования ОУ типа К1401УД1. Он обеспечивает широкую полосу пропускания (250 кГц) без дополнительных элементов частотной коррекции (в отличие от ОУ 153УД6).

Необходимо ограничить амплитуду выходного сигнала на уровне 1.1,5 В.

Было предложено и опробовано несколько вариантов схем ограничения выходного напряжения. Наилучшие результаты показала схема, приведенная на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема двухстороннего ограничения выходного напряжения токоразностного усилителя Пороговое устройство, смонтированное по схеме, показанной на рисунке 14, показало хорошие характеристики, полностью удовлетворяющие необходимым требованиям. На вход устройства подавали гармонический сигнал с амплитудой 1 В, частоту сигнала изменяли от 300 Гц до 150 кГц. На выходе получали импульсный сигнал прямоугольной формы (меандр). При указанной на рисунке 4 нагрузке длительности фронта и среза импульсов не превышали 0,5 мкс.

Более подробно информация об операционном усилителе и пороговом устройстве изложена в статье «Лабораторный макет и экспериментальные исследования волоконно-оптического датчика частоты вращения. Блок формирования сигналов. Часть II».

Рисунок 4 - Схема порогового устройства

Литература

1. Волоконно-оптический датчик частоты вращения / Юрова О.В. симпозиума «Надежность и качество».- Пенза: ИИЦ 2 0 0 9 г.

2. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение дательский дом "Додэка - XXI", 2001.

Мышев В.В. // Труды международного

2-е изд., испр. и доп. - М.: Из-

3. Современные линейные интегральные микросхемы и их применения: Пер. с англ. Под общ. Ред. М.В.

Гальперина. - М.: Энергия, 1980.

4. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы:

Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомедова, - М: РиС,

1989.