RU2744348C1

RU2744348C1 - Оптический аналого-цифровой преобразователь

Info

Publication number: RU2744348C1
Application number: RU2020113778A
Authority: RU
Inventors: Наталья Геннадьевна Вовченко; Владислав Валерьевич Каменский; Сергей Викторович Соколов; Евгений Николаевич Тищенко; Михаил Борисович Стрюков
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2021-03-05

Abstract

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники. Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник оптического излучения, К-выходной оптический разветвитель (K=М+1, M=2^N-1, N - разрядность аналого-цифрового преобразователя), М оптических транспарантов, источник напряжения, М оптических компараторов, электрооптический амплитудный модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 2 ил.

Description

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.

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^-6 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.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство введены источник оптического излучения, источник напряжения, К-выходной оптический разветвитель (К=М+1, M=2^N-1, N - разрядность аналого-цифрового преобразователя), М оптических транспарантов, М оптических компараторов, электрооптический амплитудный модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника оптического 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 информационным входам одноименных оптических компараторов, 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 М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым информационным входам одноименных оптических компараторов, каждый из которых содержит три фотодиода, три светодиода, два резистора, входы первого и второго фотодиодов являются первым и вторым информационными входами оптического компаратора, первый и второй резисторы включены между положительным электродом входа питания оптического компаратора, соединенного с выходом источника напряжения, и катодами первого и второго фотодиодов, соответственно, аноды которых объединены и подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, первый и второй светодиоды включены параллельно и встречно, при этом анод первого светодиода и катод второго светодиода подключены к катоду второго фотодиода, а катод первого светодиода и анод второго светодиода подключены к катоду первого фотодиода, выходы первого и второго светодиодов оптически связаны со входом третьего фотодиода, который соединен параллельно и встречно с третьим светодиодом так, что катод третьего фотодиода и анод третьего светодиода подключены к положительному электроду входа питания оптического компаратора, а анод третьего фотодиода и катод третьего светодиода подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, выход третьего светодиода является выходом оптического компаратора, а выходы всех оптических компараторов подключены ко входам соответствующих М 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 оптического АЦП показана на фиг. 1.

Оптический аналого-цифровой преобразователь содержит источник оптического излучения 1, K-выходной оптический разветвитель 2 (K=М+1, M=2^N-1, N-количество выходов (разрядов) АЦП), М оптических транспарантов 3, (i=1…М), источник напряжения 4, М оптических компараторов 5_i, электрооптический амплитудный модулятор 6, М-выходной оптический разветвитель 7, М N-выходных оптических разветвителей 8_i N М-входных оптических объединителей 9_j, N фотоприемников 10_j (j=1…N).

Входом устройства U является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 6.

Выход источника оптического 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 (i=1…M). Выходы оптических транспарантов 3_i подключены к первым информационным входам оптических компараторов 5_i.

(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 М-выходного оптического разветвителя 7. Выходы М-выходного оптического разветвителя 7 подключены ко вторым информационным входам М оптических компараторов 5_i.

Выход источника напряжения 4 подключен ко входам питания оптических компараторов 5_i.

Выходы оптических компараторов 5_i подключены ко входам N-выходных оптических разветвителей 8_i. Выходы N-выходных оптических разветвителей 8_i подключены ко входам М-входных оптических объединителей 9_j (j=1…N) таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя 8_i на всех N выходах М-входных оптических объединителей 9_j формируется позиционный двоичный код числа «i» (за счет наличия /отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходных оптических разветвителей 8_i и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей 9_j - определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей 8_i являются поглощающими (или отсутствуют)). Выходы М-входных оптических объединителей 9_j оптически связаны со входами одноименных фотоприемников 10_j. Выходы фотоприемников 10₁-10_N "D₁…D_N" являются выходами устройства.

Функциональная схема оптического компаратора 5_i показана на фиг. 2.

Оптический компаратор 5_i содержит первый фотодиод 5_i11, второй фотодиод 5_i12 и третий фотодиод 5_i13, первый светодиод 5_i21, второй светодиод 5_i22,третийсветодиод 5_i23, первый резистор 5_i31 и второй резистор 5_i32.

Входы первого и второго фотодиодов 5_i11 и 5_i12 являются первым и вторым информационными входами оптического компаратора 5_i.

Первый и второй резисторы 5_i31, 5_i32 включены между положительным электродом входа питания оптического компаратора 5_i соединенного с выходом источника напряжения 4, и катодами первого и второго фотодиодов 5_i11 и 5_i12, соответственно (т.к. фотодиод в режиме фото приема работает в инверсном режиме). Аноды первого и второго фотодиодов 5_i11 и 5_i12 объединены и подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора 5_i.

Схема включения первого и второго резисторов 5_i31, 5_i32, первого и второго фотодиодов 5_i11 и 5_i12 образует балансную мостовую схему.

Первый и второй светодиоды 5_i21 и 5_i22 включены параллельно и встречно и соединены с выходом балансной мостовой схемы таким образом, что анод первого светодиода 5_i21 (катод второго светодиода 5_i22) подключен к катоду второго фотодиода 5_i12, а катод первого светодиода 5_i21 (анод второго светодиода 5_i22) подключен к катоду первого фотодиода 5_i11. Выходы первого и второго светодиодов 5_i21 и 5_i22 оптически связаны со входом третьего фотодиода 5_i13.

Третий фотодиод 5_i13 соединен параллельно и встречно с третьим светодиодом 5_i23 таким образом, что катод третьего фотодиода 5_i13 (анод третьего светодиода 5_i23) подключен к положительному электроду входа питания оптического компаратора 5_i, а анод третьего фотодиода 5_i13 (катод третьего светодиода 5_i23) подключен к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора 5_i, соединенного с выходом источника напряжения 4. Выход третьего светодиода 5_i23 является выходом оптического компаратора 5_i.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал с амплитудой М⋅K усл.ед. с выхода источника оптического 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_i, имеющего коэффициент передачи (i/M)/M, при этом составляет i/M усл.ед.

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_BX на выходе электрооптического амплитудного модулятора 6 формируется оптический сигнал с амплитудой U⋅М усл.ед., где U=U_BX/U_max(U<1), U_BX - текущее входное напряжение, U_max - максимальное входное напряжение (U_max=М усл.ед.).

С выхода электрооптического амплитудного модулятора 6 оптический сигнал поступает на М-выходной оптический разветвитель 7. После прохождения М-выходного оптического разветвителя 7 оптический сигнал уменьшается по амплитуде в М раз и поступает на вторые входы М оптических компараторов 5_i (i=1…М) с амплитудой U усл.ед.

Оптические сигналы, подаваемые на первый и второй информационные входы оптического компаратора 5_i, поступают, соответственно, на первый и второй фотодиоды 5_i11, 5_i12, включенные с резисторами 5_i31, 5_i32 по балансной мостовой схеме.

При равенстве оптических сигналов, подаваемых на фотодиоды 5_i11, 5_i12, их сопротивление будет одинаковым, потенциалы на их катодах будут равны, напряжение между катодами (на выходе балансного моста), подаваемое на первый и второй светодиоды 5_i21, 5_i22, будет равно 0 - первый и второй светодиоды 5_i21, 5_i22 излучать свет не будут. Фотодиод 5_i13 будет закрыт и напряжение на светодиоде 5_i23 будет максимальным (равным напряжению питания). На выходе светодиода 5_i23 формируется оптический сигнал 1, поступающий далее на вход N-выходного оптического разветвителя 8_i.

Рассмотрим случай, когда оптические сигналы, подаваемые на первый и второй фотодиоды 5_i11, 5_i12, не равны. Пусть на фотодиод 5_i11 подается оптический сигнал с большей амплитудой, чем на фотодиод 5_i12, тогда потенциал на катоде фотодиода 5_i11 станет меньше (в результате уменьшения его сопротивления), чем потенциал на катоде фотодиода 5_i12. Сформированная при этом разность потенциалов приводит к протеканию тока через первый светодиод 5_i21, на выходе которого формируется оптический сигнал (второй светодиод 5_i21 при этом закрыт). При поступлении оптического сигнала фотодиод 5_i13 откроется и напряжение на светодиоде 5_i23 будет ниже его порога срабатывания. Оптический сигнал на его выходе и, следовательно, на входе N-выходного оптического разветвителя 8_i будет равен 0.

Аналогично, если на фотодиод 5_i11 подается оптический сигнал с меньшей амплитудой, чем на фотодиод 5_i12, то потенциал на катоде фотодиода 5_i11 станет больше, чем потенциал на катоде фотодиода 5_i12. Сформированная при этом разность потенциалов приводит к протеканию тока через второй светодиод 5_i22, на выходе которого формируется оптический сигнал (первый светодиод 5_i21 при этом закрыт). Фотодиод 5_i13 открывается, напряжение на светодиоде 5_i23 будет ниже его порога срабатывания, оптический сигнал на его выходе и на входе N-выходного оптического разветвителя 8_i будет равен 0.

Таким образом, при равных амплитудах оптических сигналов на информационных входах оптического компаратора 5_i амплитуда оптического сигнала на его выходе будет равна 1, а при разных амплитудах оптических сигналов - равна 0.

В результате, при наличии сигнала U=i/M амплитуды оптических сигналов будут равны только на первом и втором входах i-го оптического компаратора 5_i (i/M=i/M) и поэтому только на выходе оптического компаратора 5_i будет сформирован оптический сигнал 1, который поступит на вход N-выходного оптического разветвителя 8_i.

При этом амплитуды оптических сигналов на выходах остальных оптических компараторов 5₁, …, 5_i-1, 5_i+1, …, 5_M (а, следовательно, и на входах N-выходных оптических разветвителей 8₁, …, 8_i-1, 8_i+1, …, 8_M) будут равны 0.

Так как ко входам М-входных оптических объединителей 9₁…9_N подключены только те выходы N-выходных оптических разветвителей 8₁…8_M, которые позволяют сформировать двоичный код числа «i», то в результате оптические сигналы появятся только на выходах М-входных оптических объединителей 9₁…9_N, соответствующих позиционному двоичному коду числа «i». Оптические сигналы с выходов М-входных оптических объединителей 9₁…9_N поступают далее на входы фотоприемников 10₁…10_N, формируя на выходе АЦП позиционный двоичный код {D₁, …, D_N}, 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), светодиодов и фотоприемников (100 пс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.

Claims

Оптический аналого-цифровой преобразователь, включающий источник оптического излучения, источник напряжения, К-выходной оптический разветвитель (К=М+1, M=2^N-1, N - разрядность аналого-цифрового преобразователя), М оптических транспарантов, М оптических компараторов, электрооптический амплитудный модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников, выход источника оптического 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 информационным входам одноименных оптических компараторов, 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 М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым информационным входам одноименных оптических компараторов, каждый из которых содержит три фотодиода, три светодиода, два резистора, входы первого и второго фотодиодов являются первым и вторым информационными входами оптического компаратора, первый и второй резисторы включены между положительным электродом входа питания оптического компаратора, соединенного с выходом источника напряжения, и катодами первого и второго фотодиодов, соответственно, аноды которых объединены и подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, первый и второй светодиоды включены параллельно и встречно, при этом анод первого светодиода и катод второго светодиода подключены к катоду второго фотодиода, а катод первого светодиода и анод второго светодиода подключены к катоду первого фотодиода, выходы первого и второго светодиодов оптически связаны со входом третьего фотодиода, который соединен параллельно и встречно с третьим светодиодом так, что катод третьего фотодиода и анод третьего светодиода подключены к положительному электроду входа питания оптического компаратора, а анод третьего фотодиода и катод третьего светодиода подключены к отрицательному электроду входа питания оптического компаратора, выход третьего светодиода является выходом оптического компаратора, а выходы всех оптических компараторов подключены ко входам соответствующих М 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.