Оптический аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники. Заявленный оптический аналого-цифровой преобразователь включает источник когерентного излучения, (K=М+1)-выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических бистабильных элементов (ОБЭ) первой группы, М ОБЭ второй группы, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников. Выход источника когерентного 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 входам одноименных М оптических Y-объединителей, 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 оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам одноименных ОБЭ первой группы, первые выходы которых подключены ко входам соответствующих ОБЭ второй группы. Вторые выходы ОБЭ первой группы и первые выходы ОБЭ второй группы являются поглощающими, а вторые выходы ОБЭ второй группы подключены ко входам М соответствующих 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. Технический результат - повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 1 ил.

 

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 когерентного излучения, (К=М+1)-выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических бистабильных элементов (ОБЭ) первой группы, М ОБЭ второй группы, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников; выход источника когерентного 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 входам одноименных М оптических Y-объединителей, 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 оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам одноименных ОБЭ первой группы, первые выходы которых подключены ко входам соответствующих ОБЭ второй группы, при этом вторые выходы ОБЭ первой группы и первые выходы ОБЭ второй группы являются поглощающими, а вторые выходы ОБЭ второй группы подключены ко входам М соответствующих 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 АЦП показана на фиг. 1.

N-разрядный АЦП содержит источник когерентного излучения 1, K-выходной оптический разветвитель 2 (K=N+1), М оптических транспарантов 3i (i=1…М, M=2N-1, N-количество выходов АЦП), М оптических Y-объединителей 4i, М ОБЭ 5i первой группы, М ОБЭ 5M+i второй группы, электрооптический амплитудный модулятор 6, оптический фазовый модулятор 7, М-выходной оптический разветвитель 8, М N-выходных оптических разветвителей 9i, N М-входных оптических объединителей 10j, N фотоприемников 11j (j=1…N).

Оптические бистабильные элементы (ОБЭ) 5i (i=1…2M) осуществляют передачу оптического сигнала со входа на первый (прямой) выход, если амплитуда входного оптического сигнала больше или равна заданному пороговому значению. В противном случае передача оптического сигнала осуществляется на второй (инверсный) выход.

Порог ОБЭ первой группы 5i (i=1…М) равен N-1/2M усл. ед., а порог ОБЭ второй группы 5M+i равен N+1/2M усл. ед., при этом поглощающими являются вторые (инверсные) выходы ОБЭ первой группы 5i и первые (прямые) выходы ОБЭ второй группы 5M+i.

Входом устройства U является управляющий вход электрооптического амплитудного модулятора 6.

Выход источника когерентного 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 3i (i=1…М). Выходы оптических транспарантов 3i подключены к первым входам оптических Y-объединителей 4i.

(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 оптического фазового модулятора 7. Выход оптического фазового модулятора 7 подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя 8. Выходы М-выходного оптического разветвителя 8 подключены ко вторым входам М оптических Y-объединителей 4i. Выходы оптических Y-объединителей 4, подключены ко входам ОБЭ первой группы 5i. Первые выходы первой группы ОБЭ 5i подключены ко входам ОБЭ второй группы 5M+i. Вторые выходы ОБЭ первой группы 5i и первые выходы ОБЭ второй группы 5M+i являются поглощающими. Вторые выходы ОБЭ второй группы 5M+i подключены к входам N-выходных оптических разветвителей 9i. Выходы N-выходных оптических разветвителей 9i подключены ко входам М-входных оптических объединителей 10j (j=1…N) таким образом, что при наличии оптического сигнала на входе i-го N-выходного оптического разветвителя 9i на всех N выходах М-входных оптических объединителей 10j формируется позиционный двоичный код числа «i» (за счет наличия/отсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходных оптических разветвителей 9i и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей 10j - определенные оптические разветвления N-выходных оптических разветвителей 9i являются поглощающими (или отсутствуют)). Выходы М-входных оптических объединителей 10j оптически связаны со входами одноименных фотоприемников 11j. Выходы фотоприемников 111-11N “D1…DN” являются выходами устройства.

Устройство работает следующим образом.

Оптический сигнал с амплитудой М⋅K усл. ед. с выхода источника когерентного 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 3i с коэффициентом передачи (N+i/M)/М при этом составляет N+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 UBX на выходе электрооптического амплитудного модулятора 6 формируется оптический сигнал с амплитудой U⋅M усл. ед., где U=UBX/Umax (U<1), UBX - текущее входное напряжение, Umax - максимальное входное напряжение (Umax.=М усл. ед.).

С выхода электрооптического амплитудного модулятора 6 оптический сигнал поступает на вход оптического фазового модулятора 7. Пройдя оптический фазовый модулятор 7, оптический сигнал изменяет фазу на π и поступает на М-выходной оптический разветвитель 8. После прохождения М-выходного оптического разветвителя 8 оптический сигнал уменьшается по амплитуде в М раз и поступает на вторые входы М оптических Y-объединителей 4i (i=1…M) с амплитудой U усл. ед.

Т.к. при сложении двух когерентных противофазных оптических сигналов происходит вычитание их амплитуд, то на выходе первого оптического Y-объединителя 41 амплитуда сигнала будет равна: (N+1/M)-U усл. ед., на выходе второго оптического Y-объединителя 42, соответственно: (N+2/M)-U усл. ед., на выходе i-го оптического Y-объединителя 4i амплитуда сигнала будет равна: (N+i/M)-U усл. ед.

Для того, чтобы оптический сигнал прошел с выхода оптического Y-объединителя 4i через оба ОБЭ: 5i и 5M+i, его амплитуда должна быть больше порога срабатывания ОБЭ 5i и меньше порога срабатывания ОБЭ 5M+i. При любом U данное условие будет выполняться только для одной пары ОБЭ 5i и 5M+i и, соответственно, только на одном входе N-выходного оптического разветвителя 9, появится оптический сигнал.

Так, при U=1/M амплитуда оптического сигнала с выхода первого оптического Y-объединителя 41 больше порога срабатывания ОБЭ 51:

(N+1/M)-U=N>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал с амплитудой N усл. ед. пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5M+1. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5M+1 меньше порога его срабатывания N<N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его второй выход и далее - на вход N-выходного оптического разветвителя 91.

Амплитуда оптического сигнала с выхода второго оптического Y-объединителя 42 больше порога срабатывания ОБЭ 52 : (N+2/M)-U=N+1/M>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5M+2. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5M+2 больше порога его срабатывания N+1>N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его первый выход, который является поглощающим.

Амплитуда оптического сигнала с выхода оптического Y-объединителя 4М больше порога срабатывания ОБЭ 5М : N+(M-1)/M>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 52M. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 52M также больше порога его срабатывания N+N-1>N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его первый выход, который является поглощающим.

Таким образом, при U=1/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 91.

При U=i/M амплитуда оптического сигнала с выхода i-го оптического Y-объединителя 4i больше порога срабатывания ОБЭ 5i:

(N+i/M)-U=N>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал с амплитудой N усл. ед. пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5M+i. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5M+i меньше порога его срабатывания N<N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его второй выход и далее - на вход N-выходного оптического разветвителя 9i.

При этом амплитуда оптического сигнала с выхода (i-1)-го оптического Y-объединителя 4i-1 меньше порога срабатывания ОБЭ 5i-1 : (N+(i-1)/M)-U=N-1/M<N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его второй выход, который является поглощающим.

Также в данном случае амплитуда оптического сигнала с выхода (i+1)-го оптического Y-объединителя 4i+1 больше порога срабатывания ОБЭ 5i+1 : (N+(i+1)/M)-U=N+1/M>N-1/2M усл. ед., поэтому оптический сигнал пройдет на его первый выход и поступит на вход ОБЭ 5M+i+1. Так как амплитуда оптического сигнала на входе ОБЭ 5M+i+1 больше его порога срабатывания: N+1/M>N+1/2M усл. ед., то оптический сигнал пройдет на его первый выход, который является поглощающим.

Таким образом, при U=i/M на входе устройства оптический сигнал будет только на входе N-выходного оптического разветвителя 9i.

Так как ко входам М-входных оптических объединителей 101…10N подключены только те выходы N-выходных оптических разветвителей 91…9М, которые позволяют сформировать двоичный код числа «i», то в результате оптические сигналы появятся только на выходах М-входных оптических объединителей 101…10N, соответствующих позиционному двоичному коду числа «i». Оптические сигналы с выходов М-входных оптических объединителей 101…10N поступают далее на входы фотоприемников 111…11N, формируя на выходе АЦП позиционный двоичный код {D1,…,DN}, 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) и фотоприемников (100 пс), что позволяет производить преобразование сигналов в гигагерцовом диапазоне.

Оптический аналого-цифровой преобразователь, включающий источник когерентного излучения, (K=М+1)-выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов (M=2N-1, N - разрядность преобразователя), М оптических Y-объединителей, М оптических бистабильных элементов (ОБЭ) первой группы, М ОБЭ второй группы, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников; выход источника когерентного 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 входам одноименных М оптических Y-объединителей, 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 оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам одноименных ОБЭ первой группы, первые выходы которых подключены ко входам соответствующих ОБЭ второй группы, при этом вторые выходы ОБЭ первой группы и первые выходы ОБЭ второй группы являются поглощающими, а вторые выходы ОБЭ второй группы подключены ко входам М соответствующих 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах контроля и управления подвижными объектами. Техническим результатом является повышение надежности преобразователя за счет использования метода граничного сканирования для выявления дефектов монтажа основного микроконтроллера на уровне отдельных контактов, а также реализация диагностики измерительных каналов ОЦПУ на уровне отдельных функциональных элементов.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и оптическим устройствам обработки информации. Оптический нановычислитель в системе остаточных классов состоит из двух оптических наноусилителей, нановолоконного оптического объединителя, оптического вычитающего наноустройства и оптического порогового наноустройства.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники. Оптический наносумматор по модулю два содержит два входных оптических нановолокна, две телескопические нанотрубки - внутреннюю и внешнюю, оптический нановолоконный Y-разветвитель и оптический нановолоконный объединитель.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники. Оптический нанорегистр состоит из источника постоянного оптического сигнала, двух N-выходных нановолоконных оптических разветвителей, N телескопических нанотрубок, N нановолоконных оптических Y-разветвителей, N нановолоконных оптических объединителей.

Изобретение относится к системе контроля энергонасыщенных объектов. Техническим результатом является повышение достоверности устройства сбора информации за счет коррекции динамической погрешности преобразования и исключения неоднозначности преобразования.

Изобретение относится к средствам преобразования оптических сигналов и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств.

Яркомер // 2549605
Изобретение относится к светоизмерительной технике и касается яркомера. Яркомер содержит непрозрачный светофильтр, прикрепленный к пьезоэлементу, который подключен к выходу делителя частоты, объектив, пирамидальный зеркальный октаэдр с четырьмя наружными зеркальными поверхностями и четыре дисковых фотоприемника, каждый из которых имеет по два фотоприемных сектора.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации цифровых изображений.

Изобретение относится к функциональным кодоимпульсным устройствам, преобразующим один двухпозиционный код двоичной системы счисления в другой вид той же системы счисления.

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемопередающих устройств.

Изобретение относится к специализированной вычислительной технике и может быть использовано при создании быстродействующих устройств обработки информации и вычислительной техники. Заявленный оптический аналого-цифровой преобразователь включает источник когерентного излучения, -выходной оптический разветвитель, М оптических транспарантов, М оптических Y-объединителей, М оптических бистабильных элементов первой группы, М ОБЭ второй группы, электрооптический амплитудный модулятор, оптический фазовый модулятор, М-выходной оптический разветвитель, М N-выходных оптических разветвителей, N М-входных оптических объединителей, N фотоприемников. Выход источника когерентного 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 входам одноименных М оптических Y-объединителей, а -й выход K-выходного оптического разветвителя подключен к информационному входу электрооптического амплитудного модулятора, управляющий вход которого является входом устройства, а выход подключен ко входу оптического фазового модулятора, выход которого подключен ко входу М-выходного оптического разветвителя, выходы которого подключены ко вторым входам одноименных М оптических Y-объединителей, выходы которых подключены ко входам одноименных ОБЭ первой группы, первые выходы которых подключены ко входам соответствующих ОБЭ второй группы. Вторые выходы ОБЭ первой группы и первые выходы ОБЭ второй группы являются поглощающими, а вторые выходы ОБЭ второй группы подключены ко входам М соответствующих 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 наличияотсутствия соответствующих связей между оптическими разветвлениями N-выходного оптического разветвителя и оптическими ответвлениями М-входных оптических объединителей, а выходы N М-входных оптических объединителей подключены ко входам одноименных фотоприемников, выходы которых являются N-разрядным выходом устройства. Технический результат - повышение быстродействия преобразования в позиционный двоичный код электрических аналоговых сигналов. 1 ил.

Наверх