NL8000170A

NL8000170A - Fiber-optische signaalconditioneringsschakeling.

Info

Publication number: NL8000170A
Application number: NL8000170A
Authority: NL
Original assignee: Deere & Co
Priority date: 1979-01-12
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1980-07-15
Also published as: ES487624A1; MX147151A; CA1144243A; AU5366979A; GB2043882B; AR241150A1; FR2446567A1; IT1143102B; JPS5596686A; AU531618B2; FR2446567B1; DE2905734A1; US4317232A; DK12680A; BE881113A; ZA80174B; DE2905734C2; AR241150A2; GB2043882A; IT8047570A0

Description

v *' *

«Λ V

-1- ΓΊί.ΙοΑΠνίέί

Aanvrager: Deere & Company, Moline, Illinois, Verenigde Staten van Amerika Korte aanduiding: Fiber-optische signaalconditioneringsschakeling.

De uitvinding heeft betrekking op een elektro optische inrichting 5 voor het in beide richtingen overdragen van gegevens in de vorm van lichtsignalen via een optische geleider, in het bijzonder voor elektronische inrichtingen om te gebruiken in beweegbare inrichtingen zoals voertuigen, welke een optische zender omvat, welke wordt bestuurd door een elektrische schakeling en een optische ontvanger verbonden met een schakeling 10 voor het omzetten van de optische signalen in elektrische signalen.

In het algemeen heeft de uitvinding betrekking op een optische gegevensverbindin©3chakelingen in het bijzonder op een schakeling welke ge-bbuik maakt van een enkele licht emitterende diode voor zowel zend—als ont-vanginformatie.

15 Fiber-optische technologie heeft geresulteerd in het uitgebreide gebruik van fiber-optische lichtpijpen of -bundels voor het overdragen van gegevens. De over te zenden informatie wordt omgezet van elektrische e-nergie in lichtenergie, welke daarna wordt overgedragen via een fiber-optische bundel naar een ontvanger waar de lichtenergie wordt omgezet in e-20 lektrische energie. Fiber-optische bundels worden gekozen voor gegevens-verbindingen in plaats van afgeschermde kabels vanwege meerdere redenen, waaronder de ruisimm.iteit met betrekking tot elektromagnetische interferentie en de grote overdrachtsnelheid. Vergeleken met afgeschermde kabels bezitten fiber-optische bundels een grotere sterkte en flexibiliteit, een 25 grote betrouwbaarheid en minder verbindingsklemproblemen geassociëerd met signalen met een laag niveau.

Voor lichtcommunicatie tussen twee of meer ldcaties worden een zendinrichting, zoals een licht emitterende diode (LED) en een afzonderlijke licht ontvang-inrichting gebruikt voor de omzetting tussen licht-30 en elektrische energie. Vaak wordt een andere fiber-optische bundel gebruikt voor het zenden in een bepaalde inrichting dan welke wordt gebruikt voor het zenden in de tegenovergestelde richting. \0p elke lokatie zijn twee optische koppelorganen vereist, een voor het koppelen van de lichtuifc-gangvan de LED met een bundel en één voor het koppelen van het licht van de 35 bundel met de verwerkingschakelingen van de ontvanger Wanneer een enkele fiber-optische bundel of pijp wordt gebruikt, wordt elk uiteinde van de bundel of pijp gebruikelijk gesplitst, teneinde het koppelen met de afzonderlijke zend- en ontvanginrichtingen in de schakeling®! op elke lokatie te vergemakkelijken. Gebruikmakend van afzonderlijke zend- en ontvanginrichtingen en η n 1 7i) -2- ?1130ïJF/ig vergroot het aantal optische koppelaars en vaak -het aantal fiber-optische bundels welke ziji vereist voor gegevensverbinding, resulteren! in de vergroting van het volume en de kosten van het systeem.

Pogingen een conditioneringsschakeling te verschaffen met een en-5 kele vaste stof inrichting voor zowel zend- als ontvanginformatie van een lichtoverdragend medium, zoals een fiber-optische bundel, ziji tot nu toe in het algemeen niet succesrijk geweest. Halfgeleiderinrichtingen welke een adequate lichtuitgang verschaffen voor het zenden hebben gebruikelijk een zeer lage stroomuitgang na ontvangst van een lichtsignaal. Stabiliteits-10 «problemen zijn tegengekomen, omdat de ingang na- ontvangst van licht in het algemeen zeer laag i3. De ingangsverschuivingsstroom van de gebruikte versterker is een belangrijke beperkende factor. Het lage ingangssignaal vereist eveneens een versterker met een zeer grote versterkingsf actor en met goede stabiliteitskarakteristieken. Bovendien dient de ingangsverster-Ί5 ker een grote zwaaisnelheid te hebber} teneinde een adequate bandbreedte te verschaffen voor de overdracht van de signalen.

Een schakeling is noodzakelijk, welke die hiervoor genoemde problemen opheft met betrekking tot zowel zend- als ontvanginformatie onder gebruikmaking van een enkele vaste stof inrichting.

20 Het is dan ook een doel van de uitvinding een schakeling te ver schaffen voor zowel zend- als' ontvanglichtsignaLen onder gebruikmaking van een enkele halfgeleiderinrichting gekoppeld met het lichtoverdragende medium.

Het is verder een doel van de uiivinding een fiber-optische sig-25 naalconditioneringsschakeling te verschaffen welke gebruikt maakt van slechts één licht· emitterende diode voor zowel het zenden als het ontvangen van gegevens.

Nog een ander doel van de uitvinding is het verschaffen van een fiber-optische signaalconditioneringsschakeling voor zowel het zenden van 30 lichtinformatie als het ontvangen van lichtinformatie van een fiber-optische lichtpijp of -bundel, welke slechts enkele optische koppelinrichting vereist.

De uitvinding beoogt de hierboven genoemde bezwaren klevende aan-de stand van de techniek op te heffen en ten minste een van de hierboven 35 opgesomde doelen te verwezelijken en voorziet daartoe in een inrichting van de in de aanhef genoemde soort welke is gekenmerkt, doordat een enkel licht uitzendend halfgeleiderelement (14) optisch is gekoppeld met de optische gèleiüer (10), welk halfgeleiderelement dusdanig is ingericht tussen de twee klemmen (16, 18) van een signaalconditioneringsschakeling (12) 8000170 -3- 2113CF/JF/ig '· · r dat, wanneer een stroom met een polariteit wordt verschaft, deze licht uitzendt en wanneer lichtinval optreedt, deze een stroom opwekt met een tweede polariteit, vloeiend tussen de twee klemmen (18 en 18), dat een versterker (20) verbonden met de twee klemmen (16, 18) van het halfgeleider-5 element uitgangssignalen (45Vr) opwekt, welke evenredig zijn met de ontvangen lichtsignalen en dat een stroomvoedingsschakeling in serie is verbond® met het halfgeleiderelement (14), waarin is voorzien voor het selectief sturen van het vloeien van een stroom naar het halfgeleiderelement .en voor het opwekken van optische signalen.

10 De uitvinding zal nu gedetailleerd worden beschreven aan de hand van de tekening omvattende een enkele figuur, figuur 1, welke een gedetailleerd schema is van een schakeling volgens de uitvinding.

Een fiber-optische btndd. of'licltftjp is in zijn algemeenheid aangegeven met het verwijzingsdjfer 10, welke fiber-optische bundel of lichtpijp is in-15 gericht voor het overdragen van lichtsignalen in beide richtingen tussen een zender oritvangerschakeling of signaalconditioneringsschakeling 12 aan een uiteinde van de bundel en een soortgelijke inrichting aan het andere uiteinde. De conditioneringsschakelips: 12 omvat een enkele licht emitterende diode (LED) 14 optisch gekoppeld met de_fiber-optische bundel 10. Een 20 conventionele optische koppelinrichting kan worden gebruikt.

De LED- 14 is verbeelden *tussen klemmen 16 en 18 van de schakeling welke op hun beurt zijn verbonden met respectievelijk de negatieve en positieve ingangsklem van een operationele versterker 20. Bij voorkeur is de versterker 20 een bi-FET.operationele versterker met een zeer grote ingangs-25 impedantie en lage differentiële ingangsstroom alsmede een zeer snelle zwaaisnelheid. Verbonden tussen de uitgangsklem 22 en de negatieve ingang van versterker 20 is een terugkoppelweerstand 24. Een condensator 26 verschaft stabilisering voor de versterker 20. Vermogen aan de versterker ’wordt toegevoerd over lijn 28, welke is verbonden met voedingsbron V1. De 30 schakeling 12 is geaard via leiding 29.

De uitgangsklem 22 is via een koppelcondensator 30 verbonden met de negatieve ingangsklem 32 van een vergelder ^34. De negatieve ingangsklem 32 is verbonden met de aarde via serieweerstanden 36 en 38 en een weerstand 40 verbindt de positieve ingangsklem 42 van de vergelijker 34 35 met de klem 44 tussen de serieweerstanden. De uitgangsklem 45 van de vergelijker 34 is verbonden met de positieve ingang: 42 via een weerstand 46. Een lyn 48 verbindt de vergelijker 34 met een voedingsbron V2. Een weerstand 50 is verbonden tussen de klemmen 44 en 18. De klem 18 is verbonden via een weerstand 52 met de voedingalijn 28. Een Zener -4- 21130/JF/ig diode 54 is verbonden tussen de klem 18 en de aarde.

De collector van een NPN- transistor 56 is verbonden met de klem 16t De emitter van de transistor 56 is via een diode 58 met de aarde verbonden. Een weerstand 60 verbindt eveneens de emitter met de voedingslijn -48.

5 Een weerstand 62 verbindt de basis van de transistor 56 met de aarde. De basis is eveneens via een weerstand 64 verbonden met de ingangsklem Vt.

Een condensator 66 is verbonden tussen de voedingsüji 28 en aarde en eai condensator 68 is verbonden tussen de voedingslijn 48 en aarde voor . het verschaffen van filtering voor de lijnen.

^ Voor de bespreking van de werking van de zendrao&is van de signaal- conditioneringsschakeling 12 wordt voor nu aangenomen dat er_geen moduErei de spanning aanwezig is op de ingangsklem Vt. Zenerdiode 54 handhaaft het niveau van de spanningsklem 18 op een niveau beneden de spanning op de voe-dingslijn 28, by voorkeur rond 3,8 Volt. Wezenlijk is dat er geen stroom ^ in de licht* emitterende diode 14 vloeit, zodat de klem 16 op ongeveer dezelffle spanning is. De weerstand 62 houdt de basis van de transistor 56 op of nabij aarde en geen stroom vloeit van de collector naar de emitter. Een positief zendsignaal toegevoerd aan de ingangsklem Vt heeft tot gevolg dat de transistor 56 aan-schakeld, stroomtrekkend van de klem 18 via de LED 14 en 20 via.de transistor 56 en diode 58 naar aarde. De stroom door de LED 14 wordt dus geschakeld door de transistor 56 wanneer het ingangssignaal op Vt variëert voor het moduleren van de lichtuitgang van de LED. De variërerde lichtuitgang is gekoppeld met de fiber-optische bundel 10 voor overdracht aan een ontvanger aan het tegenoverliggende uiteinde van de bundel.

25 Voor werking in de ontvangmodus wordt voor nu aangenomen dat van de bundel 10 geen_licht invalt op de LED, de positieve ingangsklem 18 van de operationele versterker 20 wordt gehouden op de zend spanning van rond 3,8 Volt. Wezenlijk is dat er op dit moment geen iroom vloeit door . de LED en de negatieve ingangsklem 16 van de versterker.20 op ongeveer hetzelfde niveau zal zijn als de positieve ingangsklem 18. Het uitgangsniveau op klem 22 is eveneens ongeveerhetzelfde. De positieve en de negatieve ingangsklem van de vergelder 34 zijn gekoppeld via de weerstanden 40 en 36 met de klem 44 welke wordt gehouden op spanning beneden de Zener-spanning op klem 18 door de spanningsdeler bestaande uit weerstanden 35 50 en 38 verbonden tussen klem 18 en aarde. De positieve en negatieve klemmen van de vergelijker 34 worden dus op hetzelfde niveau gehouden en de weerstand 46 verschaft hysterese voor het voorkomen van oscillaties voor nu aannemend dat de uitgang 45 van de vergelijker 34 op een laag niveau is, zal de uitgang laag blijven totdat een negatief signaal wordt gekoppeld via de 8000170 -5- 21130 /JF/ig 5 condensator 30 met de negatieve ingang 32.

'Wanneer licht van de buutte! 10 wordt overgedragen naar de overgang van de LED 14, vloeit stroom van klem 16 naar klem 18. Daardoor is klem 16 op een iets hogere spanning dan klem 18»hetgeen resulteert in een toenemen-5 de spanning ^an de ^ uitgangsklem 22. De afneming in spanning wordt bepaald door de hoeveelheid lichtinval* op LED 14 en door de versterkings-factor van •’de schakeling, welke afhankelijk is van de terugkoppelweerstand 24. De resulterende afneming inspanning aan de uitgangsklem 22 is via de condensator 30 gekoppeld aan de negatieve ingangsklem 32 van de vergelij-10 ker 34. Het uitgangsniveau op lijn 45 gaat naar het hoge, of logischeéén-niveau, hetgeen de ontvangst aangeeft van een logisch signaal over de bundel 10. Wanneer licht niet langer wordt ontvangen door LED» 14, keert klem 16 terug naar ongeveer hetzelfde niveau als klem' j 18 en de uiigang op. klem 22 neemt toe totHet niveau van ζφι evenwichtstoestand. Deze spanningstoene-15ming is gekoppeld van de klem 22 via de condensator 30 met de negatieve ingang van de vergelijker 34 en het niveau op de uitgang 45 keert terug naar j' het lage of logische nul-niveau.

De weerstand 60, welke is verbonden tussen de voedingsbron V2 en de emitter van transistor 56 en de diode 58 verschaffen een sperinstelling 20 voor de transistor 56 gedurende de ontvangstmodus. Deze instelling verzekert '’dat er een minimale LED -stroom vloeit door de transistor 56, maar terwijl de schakeling werkt in de ontvangmodus.

In de getoonde uitvoeringsvorm wordt de V1-voedingsspanning gehandhaafd op ,een niveau van ongeveer 8 volt en het V2' niveau wordt gehand-25 haafd op ongeveer 5 Volt. De schakeling is in het bijzonder nuttig voor ge-gevensverbindingen op mobiele apparatuur aangezien deze kan werken met een enkele positieve voedingsbron, zoals een 12 Volt.-.’accu welke gebruikelijk wordt gevonden in ; auto’s.

De schakeling 12 is dusdanig, .aangepast aan de enkele licht emit te-rende diode* .14, dat deze effectief is voor het overdragen van informatie in de vorm van licht alsmede het ontvangen van informatie van de pijp cf het medium 10. Zoals duidelijk is aan de hand van hierboven gegeven beschrij. ving verminderd de uitvindirghet aantal optische verbindingsorganen en fiber-optische bundels of lichtpijpen en vereenvoudigd deze aanzienlijk de implementering van neen optische gegevensverbinding tussen lokaties, ver-Jkleint deze de onkosten en het volume van het systeem terwijl de betrouwbaarheid ervan wordt vergroot* 0ΠΠΠ1 7(1 -6- 21130/JF/ig

Een lijst van componenten voor de voorkeursuitvoeringsvormen is als- volgt: weerstanden .

5 24 5,1 Ma 36,40 20K Ka 38,50 2,2 Ka 46,60 1,1'Μβ 52 120 λ 62,64 1,5 κα 10 condensatoren

26 10 pP

30 0,1 K

66 0,02 pF

geïntegreerde schakelingen 15; 20 CA 3160 34 74 C 909 diodes

14 LED 55 CF

20 54 1N4729 58 1N4148 transistor..

MPS 3392 25 -CONCLUSIES- 8000170

Claims

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het halfge· leiderelement een licht- emitterende diode is (14).
3. Inrichting Volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de twee ingangen van een operationele versterker (20) zijn verbonden met de twee klemmen (16,18) van het halfgeleiderelement (14).
4. Inrichting met één ~yof meer van de conclusies 1 tot en met 3 met het kenmerk, dat een elektrische stroombron (V1) en een elektronisch schakelotgaan (56) in serie zijn verbonden met het halfgeleiderelement (14).
5. Inrichting, in het bijzonder volgens conclusies 1 en 2,’ het kenmerk, dat de lichtem$teerde diode? (14) gekoppeld met een lichtge-30 leidende vezelbundel (10)of dergelijk' !is geassocieerd met signaalzend-schakèling (γι, γ2 54,56) voor het toevoeren van een moduleerbare elektrische stroom via de licht_ emitteerde diode (14) en voor het opwekken van adequaatgemoduleerde lichtsignalen en met een signaalontvangschakeling (20,34, Vr) voor het opwekken van logische uitgangssignaal overeenko-35 mend met de ontvangen lichtsignalen.
6. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat de signaalzendschakeling een stroombron (V1) «v ' «i -8- 21130/JF/ig omvat en een elektronische aan- en uitschakelaar (56) verbonden in serie met de diode (14) en dat de schakelaar (56) is geassocieerd met een gren-delorgaan (58,60) voor het voorkomen van stroomiek via de diode (14) in de uitstand van de schakelaar (56). 5 7- Inrichting volgens één of meer van de conclusies 1 tot en met 6, met het kenmerk, dat de signaalontvangsschakeling een operationele versterker (20) omvat met twee ingangen verbonden met de twee klemmen (16,18) van de diode (14) en een vergelijker (34)» waarvan een ingang via een condensator (30) is verbonden met de uitgang (22) van/de operationele ver- 10 sterker (20) en waarvan de uitgang (45) het logische elektrische gegevens-signaal verschaft, overeenkomend met het ontvangen lichtsignaal.
8. Inrichting volgens conclusie 6 of 7, -met het kenmerk, dat de vergelijker (34) een terugkoppelschakeling (46) omvat voor het verschaffen van een hysterese tussen uitgang (45) en ingang (42)·.
9. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat de stroom tussen de twee klemmen (16, 18) van het . licht uitzendende element (14) in de ene richting vloeit gedurende de zend-werking en in de tegenovergestelde richting gedurende de ontvangwerking en dat de versterker (20) van de ontvangschakeling met een grote verster- 20 kingsfactor is verbonden met een positieve ingang aan de ene klem (18) en met de negatieve ingang aan de andere klem (16) van het element (14).
10. Inrichting volgens êèn of meer van de conclusies 1 tot en met 9, met het kenmerk, dat de operationele versterker (20) verbonden met de twee klemmen (16,18) van het licht uitzendende element een grote ingangsimpedan- 25 tie heeft en een kleine differentiële ingangsstroora tussen de twee klemmen (16, 18).
11. Inrichting volgens conclusie 9 of 10, met het kenmerk, dat de ene klem (18) van het licht’uitzendende element (14) is verbonden . met een bij voorkeur positieve spanningsbron (vi, 28) en dat de andere klem (16) 30 is verbonden met een schakelorgaan (56) ingericht om gemodeleerd te worden door de gegevenssignalen welke dienen te worden / gezonden dóór het sturen van de stroom vloeiend door het licht uitzendende element (14).
12. Inrichting volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat het schakelorgaan een transistor (56) omvat, waarvan de collector is verbonden met 35 de klem (16) van het lichtuitzendende element (14) en waarvan de basis verbonden met de ingangslijn (Vt) ’ van de elektrische gegevenssignalen» welke dienen te worden overgezonden, terwijl de emitter via een diode (58) en parallelle schakelingweerstand 60 is verbonden met een verdere spanningsbron (V2) Welke dient voor de instelling. nnn o 170 - < Y' -9- 21130/Jr/ig
13. Inrichting volgens één of meer van de conclusies 9 tot en met 12, met het kenmerk, dat de versterker (20) is voorzien van een terug-koppelschakeling (24) tussen de uitgangsklem (22) en bij voorkeur de negatieve ingang (16) van de versterker.
14. Inrichting volgens %'en of meer van de conclusies 7 tot en met 13, met het kenmerk, dat de vergelijker (34) met de negatieve ingang (32) .capacitief is gekoppeld met de ingang van de versterker (20) en dat de uitgang (45) van de vergelijker (34) via een terugkoppelschakeling (46) is verbonden met de positieve ingang (42) van de vergelijker. 10 Eindhoven, 7 januari 1980. 8000170