Разработка передающего оптоэлектронного модуля для интегрирования волоконно-оптического сегмента в существующую сеть предприятия

Рис. 4.1.1. - Упрощенная схема оптического передающего устройства

Схема термостабилизации (СТС) предназначена для обеспечения постоянства выходной мощности излучателя.

Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для обеспечения стабилизации средней мощности лазерного излучения.

Оптический излучатель выбирается исходя из данных в техническом задании (ТЗ). Окончательное решение о выборе той или иной марки излучателя принимается на основании соответствия технических характеристик прибора требуемой длине волны излучения, ширине спектра излучения и времени нарастания мощности оптического сигнала.

Вторым этапом является выбор транзистора в схеме прямого модулятора (МОД) и расчёт модулятора. Транзистор вбирают исходя из характеристик определённого на предыдущем этапе оптического излучателя, а именно тока накачки и порогового тока. При этом необходимо учитывать максимально допустимую мощность транзистора и его граничную частоту. Затем задаётся рабочая точка и производится расчёт элементов схемы модулятора.

На третьем этапе необходимо рассчитать согласующий усилитель (СУС). Здесь представляется целесообразным использование быстродействующего операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя напряжение - ток. Требуется правильно выбрать тип операционного усилителя в соответствии с требуемой верхней частотой и рассеиваемой мощностью, а также рассчитать элементы схемы преобразователя напряжение - ток.

Четвёртый этап - организация устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства (АРУ). Для этого будет использоваться фотодиод , подключенный к одному из полюсов направленного оптического ответвителя ОР и детектор АРУ, выполненный на интегральной схеме К175ДА1 (рис. 4.1.1).

Пятый этап - разработка схемы термостабилизации и источника питания для одноволоконного оптического передатчика.

3.2 Расчёт мощности излучения передатчика и выбор типа излучателя

Значение разности мощности на выходе оптического излучателя и на входе оптического приёмника должно превышать максимальное затухание, вносимое станционными и линейными сооружениями на участке передатчик - приёмник. Существующие в настоящее время приёмные оптические модули обеспечивают достаточно низкий уровень приёма. Приёмные устройства некоторых систем обеспечивают уровень приёма 0.01мквт (-50ДБ), в дальнейшем, для расчётов, будем использовать это значение как типовое.

Для проектируемой одноволоконной системы связи затухание участка составит:



где ов=5 ДБ/км - затухание сигнала на одном километре оптического волокна;

- затухание сигнала в устройстве объединения и разветвления сигналов;

- затухание сигнала в устройстве УССЛК;

, - затухание сигнала в разъемных и неразъемных соединителях;

- строительная длина оптического кабеля.

Тогда минимальный уровень мощности:

или:

где - уровень оптического сигнала на приёме.

То есть мощность излучения на выходе передающего модуля должна быть не менее 1.5 мвт. Кроме того, источник излучения по ТЗ должен работать на длине волны 1.5 мкм. Лазерный диод LaserMate Group, Inc.: 1550nm InGaAsP/InP MQW-DFB (LD) T15D -XYZ-WM-I наилучшим образом отвечает приведённым требованиям и имеет следующие характеристики:

· мощность излучения: Риз=2 мВт;

· длина волны излучения: =1.5 мкм;

· ширина спектра излучения: =1 нм;

· частота модуляции: Fмод=250 МГц;

· ток накачки: Iн=150 мА;

· пороговый ток: Iпор=40 мА.

3.3 Расчёт выходного каскада

При выборе транзистора будем руководствоваться следующими требованиями к его техническим характеристикам:

- постоянный ток коллектора не менее 150 мА;

- предельная частота усиления более 2 ГГц;

Приведённым требованиям удовлетворяет кремниевый n-p-n транзистор КТ660Б. Данный транзистор предназначен для применения в переключающих и импульсных устройствах, в цепях вычислительных машин, в генераторах электрических колебаний и имеет следующие электрические параметры:

- статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ при

- напряжение насыщения коллектор - эмиттер - напряжение насыщения коллектор - эмиттер при - напряжение насыщения база - эмиттер при - емкость коллекторного перехода при - обратный ток коллектора при ;

- обратный ток эмиттера при Предельные эксплуатационные данные:

- постоянное напряжение коллектор - база : 30 В;

- постоянное напряжение коллектор - эмиттер при - постоянное напряжение коллектор - эмиттер при 10мА: 25 В

- постоянное напряжение база-эмиттер : 5 В;

- постоянный ток коллектора : 800 мА;

- постоянная рассеиваемая мощность коллектора : 0.5 Вт.

Зададим режим работы транзистора (рабочую точку). Для выбора режима используется семейство выходных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером, параметром которых является ток базы (рис. 4.3.1).

Рис. 4.3.1. Семейство входных характеристик транзистора для схемы с общим эмиттером

При этом должно выполняться следующее условие для напряжения покоя коллектора: . Пусть (с учётом приведённого условия) . Поскольку для модуляции полупроводникового лазера необходим пороговый ток 40 мА, то, тогда ток покоя базы . Поскольку максимальный ток накачки лазера 120 мА, то максимальный ток коллектора составит , тогда . По входным характеристикам транзистора (рис. 4.3.1) определим напряжение базы покоя и амплитудное значение

Таким образом, режим работы транзистора определяется следующими параметрами:

- напряжение покоя коллектора: ;

- ток покоя коллектора: ;

- ток покоя базы: ;

- напряжение покоя базы: ;

- амплитуда тока базы: ;

- амплитуда напряжения на коллекторе: ;

- амплитуда тока коллектора: ;

- амплитуда напряжения на базе:

Задав режим работы транзистора, переходим к расчету элементов схемы модулятора (рис. 4.3.2). Здесь транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полупроводниковый лазер находится в цепи коллектора.

Падение напряжения в эмиттерной цепи должно удовлетворять условию:

где - напряжение питания модулятора.

Зададимся напряжением питания =15 В, тогда:

Сопротивление рассчитывается по формуле:



Рисунок 4.3.2. Принципиальная схема оптического модулятора

Ток делителя должен не менее, чем в 5…10 раз превосходить ток покоя базы:

Соотношение между напряжениием на эмиттерном сопротивлении и сопротивлении фильтра можно распределить по-разному. Для обеспечения более глубокой стабилизации режима лучше взять .

Пусть: , тогда сопротивление фильтра определяется следующим образом:

Падение напряжения на сопротивлении делителя равно сумме падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера и напряжении смещения на базе транзистора:



Тогда сопротивление делителя :

Аналогично найдём сопротивление :

Для схемы с эмиттерной стабилизацией напряжение питания распределяется между тремя резисторами выходной цепи (, , ), лазерным излучателем и транзистором:

где = 2 В - падение напряжения на полупроводниковом лазере;

- падение напряжения на сопротивлении в цепи коллектора.

Отсюда:

Тогда сопротивление в цепи коллектора равно:



3.4 Расчет согласующего усилителя

В качестве усилительного элемента предполагается использовать быстродействующий операционный усилитель, включенный по схеме преобразователя напряжение - ток (известной так же в качестве усилителя с комплексной крутизной передачи). Схема согласующего усилителя представлена на рис. 4.1.1 (функциональная группа СУС). Резистор , отбирающий ток, предназначен для обеспечения обратной связи на положительный входной зажим.

Значение сопротивления R5, определяется исходя из следующего условия:

где - сопротивление нагрузки усилителя.

Сопротивлением нагрузки усилителя является входное сопротивление прямого модулятора и равно параллельному соединению сопротивлений делителя Rд (из двух параллельно соединённых сопротивлений в цепи базы Rб' и Rб'') и входного сопротивления транзистора Rвхэ.

Сопротивление входа транзистора определяется следующим соотношением:



Сопротивление делителя:

Тогда сопротивление нагрузки усилителя равно:

Таким образом, сопротивление R5:

Амплитудное значение падения напряжения на сопротивлении :

Требуемый от схемы коэффициент усиления равен отношению амплитуды выходного напряжения (напряжение ДUR5) к амплитуде входного напряжения.

Поскольку на вход согласующего усилителя сигнал поступает с преобразователя кода, собранного на микросхемах серии КМДП с уровнями логического нуля и единицы соответственно 0.7 и 5 В, то амплитуда входного сигнала составит

.



Тогда коэффициент усиления схемы составит:

Обычно номиналы резисторов , и выбираются одинаковыми, при этом каждый из них должен превышать сопротивление не менее чем в 20 раз.

Примем в соответствии с этим условием следующие значения сопротивлений:

Сопротивление R2 задаёт коэффициент усиления схемы и определяется следующим образом:

В настоящее время создан ряд быстродействующих операционных усилителей (ОУ). Наилучшими качествами с точки зрения автора обладает операционный усилитель КР140УД11. Данный прибор выполнен по планарно-эпитаксиальной технологии с изолированным p-n переходом, имеет скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкс и частоту единичного усиления 15 МГц. Кроме того, за счёт оригинальной схемы ОУ отличается высокой стабильностью параметров во всём диапазоне питающих напряжений от ±5 до ±16 В.

Быстродействующие усилители менее устойчивы по сравнению с универсальными ОУ, поэтому для предотвращения генерации с схеме необходимо уменьшить паразитную ёмкость между выходом ОУ и его инвертирующим входом. Для уменьшения указанной ёмкости применяют внешние цепи коррекции, состав которых зависит от задачи, которую решает операционный усилитель. В нашем случае будем использовать стандартную схему частотной коррекции, предназначенную для увеличения скорости нарастания выходного напряжения.

3.5 Расчет устройства автоматической регулировки уровня оптического сигнала

Устройство автоматической регулировки уровня оптического сигнала на выходе передающего устройства должно обеспечивать стабилизацию средней мощности лазерного излучения. Устройство АРУ включает в себя следующие основные элементы (функциональная группа АРУ на рис. 4.1.1):

фотодатчик, детектор автоматической регулировки уровня и усилитель постоянного тока.

Следует обратить внимание на то, что чувствительность фотодиода в данном случае роли не играет, по этому при выборе типа фотодиода будем руководствоваться такими параметрами как надёжность и низкая стоимость.

В нашем случае, при использовании лазерного диода MQW-DFB laser diode T15D, производитель этого лазера предусмотрел, что при применении в различных устройствах, разработчики будут использовать метод стабилизации излучения основанный на обратной связи. И по этому конструкция уже содержит фотодатчик с оптическим ответвителем.

Т.е. схема лазерного диода MQW-DFB laser diode (LD) T15D имеет следующий вид:

Рис. 4.5.1 - Схема лазерного диода T15D



Рассчитаем среднее значение напряжения, поступающего на вход детектора АРУ. Для этого определим среднюю оптическую мощность, попадающую на фотодиод VD1.2:

где = 2,43 дБ - средняя мощность оптического сигнала на выходе излучателя;

= 2 дБ - затухание оптического разветвителя.

Тогда фототок, протекающий в цепи VD1.2 под действием :

где - монохроматическая токовая чувствительность используемого фотодиода.

Среднее значение напряжения на входе микросхемы равно среднему значению падения напряжения на сопротивлении в цепи фотодиода:

где = 200 Ом.

В качестве детектора АРУ и усилителя постоянного тока предполагается использование интегральной схемы К175ДА1. Её основные характеристики:

- напряжение питания: = 6 В;

- коэффициент передачи АРУ: = 20

- верхняя граничная частота: = 65 МГц.

Значение напряжения на выходе микросхемы:



Далее рассчитаем сопротивление в цепи эмиттера , служащее для введения напряжения обратной связи, поступающего с устройства АРУ. Для этого зададимся глубиной обратной связи 10 Дб ( = 3), и определим сквозную крутизну эмиттерного тока :

где - среднее значение статического коэффициента передачи транзистора.

Тогда сопротивление в цепи эмиттера:

Следовательно:

Пусть падение напряжения на сопротивлении фильтра , тогда значение напряжения АРУ на сопротивлении :

Для сохранения ранее рассчитанного режима работы транзистора при введении АРУ необходимо уменьшить величину сопротивления :



Тогда:

Сопротивление фильтра равно:

3.6 Расчёт схемы термостабилизации

При повышении температуры энергетическая характеристика лазерного диода смещается. Для обеспечения стабильности работы излучателя, в схему лазерного излучателя необходимо ввести систему термостабилизации, цель которой, обеспечивать стабилизацию рабочей точки излучателя при отклонениях температуры.

Рис. 4.6.1. Схема температурной стабилизации одноволоконного оптического передатчика

На рис. 4.6.1 представлена принципиальная схема термостабилизации одноволоконного оптического передатчика. Эта схема построена из следующих составных частей:

- генератор стабильного тока(ГСТ);

- температурный датчик(диод);

- усилитель;

В генераторе стабильного тока ток через транзистор VT2, при равенстве сопротивлений R1 и R2, одинаков с током через VT1 и не зависит от сопротивления нагрузки коллекторной цепи VT2.

В правую ветвь включен диод VD у которого ВАХ при различных показаниях температуры имеет следующий вид, представленный на рисунке 4.6.2.

Рис. 4.6.2. ВАХ термодатчика

Так как ток проходящий через VD имеет постоянное значение и не зависит от температуры то при изменении температуры VD с t1 до t2 - изменяется напряжение на нём. Это обстоятельство и даёт нам возможность управлять выходным напряжением усилителя.

Рассчитаем основные элементы схемы:

Пусть ток =1мА и сопротивления и равны по 1кОм.

Тогда:

Падение напряжения составит 0.6В.

Найдём значение сопротивления :



выберем из справочника КТ337А. VD выбираем КД102A.

В качестве усилителя возьмём операционный усилитель К544УД1 включенный по классической схеме. Питание ОУ двух полярное 15В.

Диаппазон изменения должен составлять не менее 0,15 В при изменении температуры от 10С до 40С. При этом изменение UVD составляет 18мВ (0,6мВ/К по справочным характеристикам). Тогда коэффициент усиления по напряжению должен составлять:

Принимаем значение R6=10кОм, тогда:

Таким образом напряжение на выходе ОУ будет прямо пропорционально зависеть от падения напряжения на VD, которое в свою очередь имеет зависимость от температуры термодатчика.



Рис. 4.6.3. Зависимость выходного напряжения ОУ от температуры термодатчика

Начального значение будет регулироваться переменным сопротивлением =1,5кОм.

3.7 Расчёт источника питания одноволоконной оптической системы передачи

В составленной схеме оптического передатчика имеем следующие номинальные напряжения питания: +6В, +15В, -15В. Необходимо разработать блок питания для одноволоконного оптического передающего устройства и рассчитать основные его элементы.

Найдём токи потребляемые передатчиком для разных номинальных напряжений.

Для Uн= +6В:

В цепи АРУ микросхема К175ДА1 потребляет 3мА.

Возьмём ток нагрузки на выходе БП равным 20мА, т.е. с небольшим запасом. ІН(+6)=20мА

Для Uн= -15В:

В цепи входного усилителя микросхема К140УД11 потребляет 5мА

В цепи температурного стабилизатора К544УД1 потребляет 7мА.

Примем ток нагрузки ІН(-15)=20мА

Для Uн= +15В:

В цепи входного усилителя микросхема К140УД11 потребляет 10мА

В цепи температурного стабилизатора К544УД1 потребляет 7мА и на транзисторах - 2мА.

Оптический модулятор потребляет 200 мА.

Примем ток нагрузки ІН(+15)=250 мА

Исходные даннные:

На выходе БП должно быть +6В, +15В, -15В при токах нагрузки соответсвенно 20мА, 250мА и 20мА.

На рисунке 4.7.1 представлена электрическая схема предполагаемого блока питания.

Рис. 4.7.1. Блок питания одноволоконной оптической системы передачи

3.8 Выбор стабилизаторов напряжения

Для получения стабильного постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор. Расчет позволит выбрать все элементы стабилизатора, исходя из заданного выходного напряжения и максимального тока нагрузки . Однако оба эти параметра не должны превышать параметры уже рассчитанного выпрямителя. А если это условие нарушается, тогда сначала рассчитывают стабилизатор, а затем - выпрямитель и трансформатор питания.

Так как потребляемая схемой мощность небольшая, в качестве стабилизатора возьмем специально предназначенную микросхему КР142ЕН5, обеспечивающую выходное напряжение + 6В и ток в нагрузке до 1А. Данная микросхема обеспечивает коэффициент пульсаций на выходе примерно 0.03. Для нормальной работы напряжение на входе микросхемы должно быть не менее 10 Вольт, поэтому конденсатор выбираем на рабочее напряжение 25В и емкостью 1000мкФ. VD20 обеспечивает индикацию. Стабилизатор включен по типовой схеме. .

Для выходного напряжения питания 15В целесообразно взять микросхему стабилизатора КР142ЕН6А (DA4), обеспечивающую выходное напряжение 15В при токах в нагрузке до 300мА. Для нормальной работы микросхемы, напряжение на входах должно составлять 20В, поэтому конденсаторы и выбираем на рабочее напряжение 25В и ёмкостью 1000мкФ. Стабилизатор DA4 включен по типовой схеме включения и его основные элементы имеют значения: ; .

3.9 Расчёт диодных выпрямителей

Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме, о выборе его элементов здесь и пойдет речь.

При расчете выпрямителя нужно правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на выходе диодного моста (или входе следующих цепей) Uвых VD и потребляемый ток IН.

Рассчитаем диодный выпрямитель для Uн= +6В. Исходными данными будут



Uвых VD = 10В и .=20мА.

Определим переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

где - коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по таблице 4.9.1.

Таблица 4.9.1

Зависимость коэффициентов В и С от тока нагрузки

Коэффициент	Ток нагрузки, А
	0.1	0.15	0.2	0.25	0.3	0.35
В	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3
С	2,4	2,3	2,2	2,15	2,1	2

По току нагрузки определяем максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

где - коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 4.9.1).

Подсчитываем обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

Для уменьшения габаритов печатной платы целесообразно использовать диодную сборку КЦ407А (DA6) , у которой значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения превышают расчетные. Определяем емкость конденсатора фильтра:

Выбираем конденсатор фильтра 1000мкФ Х 25Вольт.

Так же по аналогии расчитываем выпрямительные диоды и ёмкости фильтров для стабилизатора на 15В:

С12=С11=1000мкФ х 25В, и выбираем диодную сборку КЦ412А (DA7).

3.10 Расчет трансформатора

Зная необходимое напряжение на вторичной обмотке () и максимальный ток нагрузки (IН), трансформатор рассчитывают в такой последовательности:

Определяем значение тока, текущего через вторичные обмотки трансформатора ІІ и ІІ':

Определим мощность, потребляемую выпрямителем от вторичных обмоток трансформатора:



Подсчитываем мощность трансформатора:

Определяем значение тока, текущего в первичной обмотке:

где - напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

Исходя из полученных расчётных данных выбираем из справочника трансформатор питания типа ТПП261-127/220-50.

3.11 Расчёт ёмкостей в схеме оптического передающего устройства

3.11.1 Расчёт эмиттерной ёмкости

Ёмкость эмиттера Сэ определяется значением сквозной крутизны эмиттерного тока и периодом повторения импульсов в информационном сигнале. Поскольку скорость передачи проектируемого устройства 2 Гбит/с, то частота HDB сигнала на входе преобразователя кода FHDB=2ГГц. Поскольку в линейном коде СМI длительность импульсов в два раза короче, чем в HDB сигнале, то частота модулирующего сигнала

.

Отсюда период следования импульсов:



Тогда ёмкость эмиттера:

3.11.2 Расчёт разделительной ёмкости

Разделительная ёмкость СP должна вносить минимальные искажения во фронт импульсов. Для этого постоянная времени цепи должна удовлетворять условию:

где = T = 0.25нс - длительность импульса (для сигнала CMI равна периоду сигнала).

Тогда значение разделительной ёмкости:

где - сопротивление нагрузки согласующего усилителя (входное сопротивление прямого модулятора).

- выходное сопротивление согласующего усилителя:

где = 300 Ом - выходное сопротивление операционного усилителя.

3.11.3 Расчёт ёмкостей фильтров

Ёмкость фильтра в цепи модулятора СФ определим по формуле:

где = 10% - подъём плоской вершины импульса.

Значение ёмкости фильтра в цепи АРУ найдем по следующей формуле:

где - частота среза фильтра.

3.12 Номиналы элементов схемы

Номиналы резисторов и конденсаторов схемы определяются в соответствии с существующими стандартными номиналами, выпускаемыми промышленностью.

Таким образом, в схеме модулятора имеем следующие номиналы элементов:

R10=5.6кОм; С2=10пФ;

R11=1.8кОм; С4=0,068мкФ;

R13=33Ом; С5=100мкФ;

R14 =10Ом; С3=0,022мкФ;

R12=33Ом;

R9=22Ом.

В схеме согласующего усилителя:

R1=R3=R4=180кОм; R7=50кОм;

R2=120Ом; R8=27кОм;

R5=10Ом; R20=3кОм;

R6=27кОм; С1=0.01мкФ;

В схеме устройства АРУ:

R15=220Ом;

R16=22Ом; С10=0,1мкФ;

С6=0,1мкФ; С8=0,1мкФ;

С7=0,1мкФ; С9=0,1мкФ;

В схеме температурной стабилизации:

R25=R26=1кОм;

R27=13кОм;

R28=1,44кОм;

R29=15кОм;

R30=10кОм;

R31=100кОм;

R32=100Ом;

В схеме блока питания:

R40=750 Ом;

C11=C12=C19= 1000 мкФ;

C13=C14=C15=C16= 0,1 мкФ;

C17=C18=C20=C21= 2,2 мкФ;

Остальные:

К140УД11(), К175ДА1(), К544УД1(), КР142ЕН6А(),

КР142ЕН5(), КЦ407А(), КЦ412А(),

T1D(), КД102A(), АЛ102А(),

КТ660Б(), КТ337А(2шт) (, ),

ТПП 261-127/220-50().

Окончательный вариант принципиальной схемы оптического передающего устройства и блока питания приведён на рисунках 4.12.1 и 5.1.1.



Рис. 4.12.1. Принципиальная схема передающего устройства одноволоконной оптической системы передачи



4. Компоновка устройства в виде отдельного блока

4.1 Размещение элементов и разработка топологии печатной платы

При размещении элементов на печатной плате необходимо руководствоваться следующими принципами:

Длинна соединений между элементами должна быть минимальной.

Необходимо максимально разнести наиболее термочувствительные элементы схемы и тепловыделяющие элементы, за исключением термодатчиков, специально предназначенных для обнаружения изменения температуры тепловыделяющих элементов схемы.

Для обеспечения наибольшей механической прочности платы необходимо равномерно (с точки зрения массы) разместить элементы на поверхности печатных плат.

Элементы стабилизаторов должны находится на максимальном удалении (расстоянии) от входных сигнальных цепей для увеличения помехозащищённости устройства.

Для удобства монтажа однотипные ЭРЭ рекомендуется размещать группами.

Рассчитаем необходимые размеры печатной платы.

В конструкции разрабатываемого блока присутствуют два устройства: источник питания и передающее устройство. Целесообразно разместить эти устройства на разных печатных платах.

Тогда площадь занимаемая всеми ЭРЭ в передающем устройстве рассчитываем по формуле:

где - площади, занимаемые резисторами, конденсаторами, диодами, транзисторами, интегральными микросхемами и разъемами соответственно.

Рассчитаем эти площади:

где - количество резисторов

С2-23-0.125, С2-23-1, СП3-19А в схеме соответственно.

Тогда:

Аналогично находим площади, занимаемые остальными элементами:

Тогда:

Необходимую площадь печатной платы рассчитываем по формуле:

где коэффициент заполнения платы, для профессиональной передающей аппаратуры

Тогда:

В соответствии с требованиями технического задания ширина платы должна быть не более 100мм. Тогда находим необходимую длину печатной платы:

Значит, максимальный размер печатной платы для передающего устройства составляет 100х110мм.

Найдём площадь, занимаемую всеми ЭРЭ в источнике питания:

где - площади, занимаемые резисторами, конденсаторами, диодами, диодными сборками и разъемами соответственно. Рассчитаем эти площади:



Тогда:

Необходимую площадь печатной платы источника питания рассчитываем по формуле:

В соответствии с требованиями технического задания ширина платы должна быть не более 80мм. Тогда находим необходимую длину печатной платы:

Значит, максимальный размер печатной платы для источника питания составляет 80х40 мм.

Таким образом, максимальный размер блока составляет 100х150 мм. Графически размеры и расположения элементов в блоке изображены на рис. 5.1.1.

Рис. 5.1.1. Печатная плата и расположение элементов



По конструкции печатные платы делятся на типы:

· односторонние

· двусторонние

· многослойные

Для данного изделия необходимо использовать двустороннюю печатную плату с металлизированными монтажными и переходными отверстиями. Несмотря на высокую стоимость, двусторонние печатные платы с металлизи-рованными отверстиями характеризуются высокими коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединения вывода навесного элемента с проводящим рисунком платы и позволяет уменьшить габаритные размеры платы за счет плотного монтажа навесных элементов.

Двухсторонние платы с дискретными элементами, микросхемами, имеющими штыревые и планарные выводы, при средней насыщенности поверхности печатной платы навесными элементами, относятся к 3-му классу точности по ГОСТ 23751-86. Основные конструктивные параметры печатных плат, соответствующих этому классу точности, приведены в таблице 5.1.1.

Таблица 5.1.1

Основные конструктивные параметры печатных плат

Наименование параметра	Значение
Минимальное значение номинальной ширины проводника t, мм.	0,25
Номинальное расстояние между проводниками S, мм.	0,25
Гарантийный поясок на наружном слое , мм.	0,10
Отношение диаметра отверстия к толщине платы	>0.33
Допуск на отверстие с металлизацией при диаметре меньше 1мм , мм.	+0.05, -0.10
Допуск на ширину проводника , мм.	+0.03, -0.05
Допуск на расположение отверстий , мм.	0.08
Допуск на расположение контактных площадок, мм.	0.20
Допуск на расположение проводников , мм.	0.05



Плата относится ко второму классу плотности печатного рисунка, который характеризуется следующими значениями параметров:

расстояние между проводниками 0.25мм;

разрешающая способность 2.0 линий на 1 мм;

Шаг координатной сетки выберем 1.25мм. Для второго класса плотности рабочее напряжение не должно превышать 30В, ток по печатному проводнику, при толщине фольги 50мкм, не должен превышать 250мА. Электрический режим блока не превышает этих требований.

На печатной плате имеются элементы с диаметром выводов =0.8мм (построечные резисторы, конденсаторы, диоды, трансформаторы), а также =0.5мм (конденсаторы, резисторы, микросхемы и т.д.).

Выбираем диаметр монтажных площадок:

где значения параметров взяты из таблицы 5.1.1.



5. Использование устройств в волоконно-оптической корпоративной системе передачи данных

В данном разделе будет рассматриваться применение спроектированного оптоэлектронного модуля в конкретной корпоративной системе передачи данных малой организации. Выберем общее количество сотрудников: 30 человек.

В качестве типа сети, целесообразно использовать "звезду". Топология типа "звезда" представляет собой наиболее производительную структуру, так как каждый компьютер соединяется отдельным сегментом кабеля с передающим модулем.

Основным преимуществом такой сети является её устойчивость к сбоям, возникающим вследствие неполадок на отдельных ПК или из-за повреждения сетевого кабеля.

На рисунке 6.1 изображена топология сети предприятия.

Рис. 6.1. - Топология сети предприятия

На рисунке 6.2 изображено расположение пользователей в корпоративной системе передачи данных. Передающий оптоэлектронный модуль связан с каждым из локальных серверов, каждый локальный сервер в свою очередь объединяет 6 рабочих станций. Число пользователей в сети - 36.



Рис 6.2. Расположение пользователей в сети

Важнейшей характеристикой обмена информацией в локальных сетях является скорость передачи данных.

Скорость передачи спроектированного модуля составляет 2 Гбит/сек. Рассчитаем скорость передачи каждому абоненту:



6. Расчет технико-экономических показателей передающего оптоэлектронного модуля

6.1 Выбор наилучшего элемента излучения для передающего оптоэлектронного модуля волоконно-оптической системы передачи данных методом анализа иерархий

Технико-экономическим обоснованием при проектировании радиотехнической аппаратуры является обоснование выбора того или иного варианта схемы, конструкции и т. п. с технической и экономической сторон.

В данной работе обоснование эффективности проектного решения происходит путем сравнения проектируемого устройства с существующими вариантами его реализации. Для этой цели из всех параметров, характеризующий устройство с точки зрения его технических и экономических показателей, выбираются наиболее существенные, из которых формируется набор критериев для выбора оптимального варианта. Для параметров, участвующих в сопоставлении, применяется метод "нормализации", позволяющий сопоставить параметры, различные по своей сути. Так как проектируемые устройства разные, то и степени влияния для каждого из их параметров бывает различными, поэтому учитывается "вес" (значимость) показателей при проведении сравнений с помощью весовых коэффициентов. Данный метод носит название - метод анализа иерархий (МАИ).

Метод анализа иерархий был предложен ученым Т. Саати в 70-x годах 20 века для моделирования многокритериальных задач принятия решений. Метод анализа иерархий является систематической процедурой для иерархического представления элементов, определяющих суть любой проблемы.

Суть метода заключается в декомпозиции проблемы на все более простые составляющие части и дальнейшей обработке последовательности суждений лица (или лиц), принимающего решение, по парным сравнениям. Эти суждения затем выражаются численно. МАИ включает процедуры синтеза множественных суждений, получения приоритетности критериев и нахождения альтернативных решений.

Полученные таким способом численные значения являются численными оценками интенсивности взаимовлияния элементов иерархии, на основе которых оцениваются степени предпочтительности альтернатив относительно главной цели.

Решение проблемы в этом случае есть процесс поэтапного установления приоритетов.

6.2 Этапы определения приоритетов

· Определение проблемы;

· Построение иерархии;

· Построение множества матриц попарных сравнений;

· Определение локальных приоритетов;

· Определение согласованности суждений;

· Определение глобальных приоритетов сравниваемых альтернатив;

· Анализ результатов и выбор наилучшего варианта;

· Выше говорилось, что существует три наиболее используемых типа излучателей;

· Использование светоизлучающего диода;

· Использование лазерного диода

· Использование лазерного диода Фабри-Перо

Сформулируем критерии, по которым будем оценивать выбор излучателя:

· Сложность реализации;

· Мощность;

· Диаграмма направленности;

· Ширина спектра;

· Срок службы;

· Эффективность;

· Стоимость;

В таблице 7.2.1 приведены все показатели качества, характеризующие каждый из типов излучателей.

Таблица 7.2.1

Показатели качества схем построения ГТП

№ №	Показатели сравнения	Вид излучателя
		1.Светоизлучающий диод	2. Лазерный диод	3. Диод Фабри-Перо
1	Сложность реализации	просто	умеренно сложно	умеренно сложно
2	Мощность	средняя	высокая	средняя
3	Диаграмма направленности	достаточно широкая	узкая	средняя
4	Ширина спектра	достаточно широкая	узкая	широкая
5	Срок службы	умеренный	долгий	долгий
6	Эффективность	средняя	высокая	выше среднего
7	Стоимость	дешево	достаточно дорого	умеренно

Выбор оптимального излучателя для передеющего оптоэлектронного модуля.

На основе проведенных технико-экономических расчетов можно сделать вывод, что лазерный диод, по сравнению с светоизлучающим диодом и диодом Фабри-Перо, имеет больший глобальный приоритет, равный 0.421, т.е. по выдвинутым критериям сравнения лазерный диод превосходит светоизлучающий и диод Фабри-Перо.

Таким образом, в качестве излучателя для передающего оптоэлектронного модуля целесообразно использовать лазерный диод.

6.3 Расчет надёжности передающего оптоэлектронного модуля

Надежность свойство технического устройства или изделия выполнять свои функции в пределах допустимых отклонений в течение определенного промежутка времени.

Надежность аппаратуры (узлов, блоков, приборов и т.д.) является одним из важнейших качественных параметров любой техники связи, так как от этого зависит качество предоставляемых услуг, а, следовательно, спрос на них, доходы и прибыль предприятия. Надежность всего устройства зависит от надежности входящих в него отдельных элементов.

Количественными показателями надежности любой РЭА (радиоэлектронной аппаратуры) являются такие величины, как наработка на отказ, или среднее время безотказной работы, и вероятность безотказной работы за время t - P(t). Среднее время безотказной работы ТН - среднее значение наработки ремонтируемого изделия между отказами.

Вероятность безотказной работы P(t) - это вероятность того, что в пределах указанного периода времени t отказ устройства не возникнет:

где - время наработки, с,

N - количество деталей,

- интенсивность отказов.

Для определения параметров Тн и P(t) необходимо знать интенсивность отказов каждого типа элементов, использованных в устройстве. Интенсивность отказа Л - характеризует частоту отказа. Под Л понимается вероятность отказа неремонтируемого изделия в единицу времени после данного момента времени. Данные об интенсивности отказов элементов, входящих в схему передающего оптоэлектронного модуля, необходимые для расчета Тн и P(t) приведены в таблице 7.3.1.1.

Таблица 7.3.1.1

Данные интенсивности отказов элементов

Наименование элементов	Количество элементов, шт.	Интенсивность отказов
		Единицы , 1/час	Общая, 1/час
Транзистор	3	0.2	0.6
Интегральная микросхема (ИС)	7	0.02	0.14
Диод	2	0.14	0.28
Резистор	26	0.04	1.04
Конденсатор	21	0.05	1.05
Трансформатор	1	0.5	0.5
Лазер полупроводниковый	1	0.3	0.3
Пайка	300	0.01	3
Итого

Интенсивность отказов при пайке взята , поскольку проектируемый приемник профессиональный и поэтому качество пайки будет проверено многократно.

Рассчитаем среднее время среднее время безотказной работы. При постоянной интенсивности отказов средняя наработка до отказа (математическое ожидание наработки устройства до первого отказа) представляет собой экспоненциальную характеристику надежности (с учетом того, что в процессе работы осуществляется профилактическая замена изделий, исключающая износовые отказы).

При экспоненциальном законе надежности время наработки на отказ равно среднему времени наработки до отказа, т.е.:

где - суммарная интенсивность отказов.

Рассчитаем вероятность безотказной работы за время:

где - поправочный коэффициент, учитывающий условия эксплуатации.

- время наработки,

Получаем вероятность безотказной работы в течение суток:

Эксплуатационные свойства систем с позиции надежности характеризуются коэффициентом готовности устройства и коэффициентом технического использования.

Коэффициент готовности определяется вероятностью того, что устройство окажется работоспособным в произвольный момент времени:

- время восстановления за период эксплуатации.

Принимаем часа, тогда:

Коэффициент простоя:



Определим коэффициент технического использования , как отношение наработки системы за период эксплуатации к сумме наработки на отказ, времени простоя из-за всех ремонтов и времени технического обслуживания системы за период эксплуатации.

где - время простоя из-за ремонтных работ, принимаем ТПР = 2 часа,

Тогда:

Расчет себестоимости передающего оптоэлектронного модуля

Для расчета себестоимости изготовленного модуля воспользуемся методикой укрупненного расчета. Данные необходимые для расчета себестоимости покупных деталей и изделий, приведены в таблице 7.3.2.1.

Таблица 7.3.2.1

Данные для расчета себестоимости покупных деталей и изделий

№	Наименование	Цена за 1 шт., руб	Количество	Общая стоимость, руб	Поставщик (источник цен)
Резисторы
1	С2-23 0.125Вт, 1%, 180 Ом, Резистор пленочный	3.7	15	55.5	Чип и Дип
2	MO-100 (С2-23) 1 Вт, 1 Ом, 5%, Резистор металлооксидный	2.1	9	18.9	Чип и Дип
3	3329H-1-101LF (СП3-13а), 100 Ом, Резистор подстроечный	6	2	72	Чип и Дип
8	КД102А, Диод выпрямительный	8	1	18	Чип и Дип
9	АЛ102АМ, Светодиод красный	5.2	1	5.2	Чип и Дип
Конденсаторы и индуктивности
4	К10-17А М47 6.8пФ, 20%, Конденсатор керамический выводной	5	18	270	Чип и Дип
5	ECAP (К50-35 мини), 0.47мкФ, 50 В, 4х7мм, Конденсатор электролитический алюминиевый миниатюрный	1.4	3	4.2	Чип и Дип
Микросхемы
10	к140уд11	35	1	135	ЭлектроРадиоКомплект
11	К175ДА1	78	1	378	ЭлектроРадиоКомплект
12	К544УД1	28	1	128	ЭлектроРадиоКомплект
13	КР142ЕН5	5	1	25	ЭлектроРадиоКомплект
14	КР142ЕН6А	8	1	138	ЭлектроРадиоКомплект
1	КЦ412А, Диодный мост	6	1	46	ЭлектроРадиоКомплект
5	КЦ407А, Диодный мост 400В 500мА	0	1	30	ЭлектроРадиоКомплект
Транзисторы
6	КТ660Б Транзистор биполярный	4	1	14	Чип и Дип
7	КТ337А Транзистор биполярный	9	2	18	Чип и Дип
Диоды
1	3A538A	6	8	208	Чип и Дип
Трансформаторы
2	ТПП 261-127/220-50 Трансформатор	55	1	355	ООО "ТЕХПРИБОР"
Лазер полупроводниковый
3	1550nm InGaAsP/InP MQW-DFB laser diode (LD) T15D -XYZ-WM-I	01	1	501	LaserMate Group
Итого:	2427.9

Из таблицы 7.3.2.1 видно, что сумма, затраченная на покупку деталей составляет 2427.9 рублей.

С учетом транспортно - заготовительных расходов, которые составляют 5% стоимости покупных изделий, стоимость покупных деталей составит:

На основе типовой структуры прямых затрат на производство аналогичной аппаратуры известны удельный вес на основные материалы =10%, на заработанную плату , покупные изделия и детали . Определим величины производственных затрат на основные материалы и основную заработную плату производственных рабочих.

Стоимость основных материалов:

Затраты на заработную плату:

Рассчитаем заработную плату с учетом страхового взноса 30%:



Суть методики укрупненного расчета себестоимости заключается в том, что полная себестоимость изготовления оборудования складывается из ряда составляющих, находящихся друг к другу в определенном соотношении. Этими составляющими являются: прямые затраты (покупные изделия и детали П, основная заработная плата производственных рабочих З, основные и вспомогательные материалы М); косвенные расходы, внепроизводственные расходы). Исходя из этого, полная себестоимость передающего оптоэлектронного модуля С вычисляется по формуле:

где - коэффициент, учитывающий величину накладных расходов (цеховых и общезаводских);

- коэффициент, учитывающий величину внепроизводственных расходов.

Для предприятий , ;

Получаем полную себестоимость: С = 5564.32 рубля.

Определим первоначальную цену изделия Ц:

где - уровень рентабельности составляет 15%, тогда Ц = 6398.97 рублей.



Заключение

В дипломной работе дан обзор существующих современных технологий волоконно-оптических линий связи. Приведена характеристика принципов построения одноволоконных ВОЛС, их физических и технических особенностей, подробно рассказано о такой важной составляющей, как волоконно-оптический кабель, проведен сравнительный анализ существующих на рынке передающих оптоэлектронных модулей, рассмотрены принципы их построения и работы.

Разработана принципиальная схема оптического передающего устройства и рассчитаны её основные узлы. В качестве оптического излучателя выбран лазерный излучатель 1550nm InGaAsP/InP MQW-DFB laser diode (LD) T15D -XYZ-WM-I. В схеме применены полупроводниковые интегральные схемы отечественного производства, что отвечает современным требованиям проектирования аппаратуры связи.

Проведено моделирование и компоновка устройства в виде отдельного блока.

Даны примерная организация и оптимальный вариант типа сети для наилучшей работы спроектированного передающего оптоэлектронного модуля.

Сделано технико-экономическое обоснование разработки с расчетом основных показателей.

Разработанное передающее устройство рассчитано на работу в корпоративной системе передачи данных. Передающий оптоэлектронный модуль связан с каждым из локальных серверов, каждый локальный сервер в свою очередь объединяет 6 рабочих станций, таким образом данное устройство может обслуживать до 36 пользователей.



Список использованных источников

1. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 272 с.

2. Бурдин В.А. Основы моделирования кусочно-регулярных волоконно-оптических линий передачи сетей связи - М.: Радио и связь, 2002. - 312 с.

3. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи. - М.: ЛЕСАРарт, 2003. - 288 с.

4. Хухрянский Ю.П. Волновая оптоэлектроника - Воронеж, ВГТУ, 2003. - 160с.

5. Останков А.В., Пастернак Ю.Г. Волоконно-оптические линии связи - Воронеж, ВГТУ, 2005. - 112с.

6. Волоконно-оптическая техника: современное стостояние и перспективы. / Сб. Статей под ред. Дмитриева С.А и Слепова Н.Н. - М.: ООО "Волоконно-оптическая техника", 2005. - 576 с.

7. Оптические кабели связи росийского производства. Справочник. - М.: Эко-Трендз, 2003. - 288 с.

8. Мальке Г., Ге6ссинг П. Волоконно-оптические кабели. Изд. второе, пер. и доп., пер. с нем. Краева А. - Новосибирск: Лингва-9, 2001. - 345 с.

9. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. - М.: Компания Сайрус Системс, 1999. - 672 с.

10. Гитин В.Я., Кочановский Л.Н. Волоконно-оптические системы передачи. - М.: Радио и связь, 2003. - 127 с.

11. Семенов А.Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях связи. - М.: Компьютер-Пресс, 1998. - 302 с.

12. Семенов А.Б. Проектирование и расчет структурированных кабельных систем и их компонентов. - М.: АйТи-ДМК Пресс, 2003. - 480 с.

13. ГОСТ 26814-86. Кабели оптические. Методы измерения параметров.

Размещено на Allbest.ru