光纖傳輸演示教具的設(shè)計(jì)與制作*

劉 斌，呼延玲

（昌吉學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

光纖傳輸演示教具的設(shè)計(jì)與制作*

劉 斌，呼延玲

（昌吉學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

光纖被廣泛應(yīng)用在日常生活的通信、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為人類日常生活不可或缺的一種技術(shù)，但光纖傳輸?shù)倪^程以及原理都是人們看不見也摸不著的，很難用語言解釋。設(shè)計(jì)和制作光纖傳輸演示教具，將不可見的轉(zhuǎn)化為人們能夠感受到的信號(hào)，可以很好地向人們解釋光纖傳輸?shù)脑砑斑^程。文章采用文獻(xiàn)研究和實(shí)驗(yàn)研究法，設(shè)計(jì)和制作了光纖傳輸演示教具，通過演示直觀地向?qū)W生展現(xiàn)光纖傳輸?shù)倪^程，有助于學(xué)生對(duì)光纖通信的直觀認(rèn)識(shí)和理解。

光纖傳輸；演示教具；設(shè)計(jì)；制作

一、光纖簡介

1.光纖、光纖的優(yōu)點(diǎn)及用途

光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具，微細(xì)的光纖封裝在塑料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。

光纖的優(yōu)點(diǎn)有：頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、保真度高、工作性能可靠、成本不斷下降。

光纖的用途:多股光導(dǎo)纖維做成的光纜可用于通信，它的傳導(dǎo)性能良好，傳輸信息容量大，一條通路可同時(shí)容納數(shù)十人通話；可以同時(shí)傳送數(shù)十套電視節(jié)目，供自由選看。光導(dǎo)纖維內(nèi)窺鏡可導(dǎo)入心臟和腦室，測量心臟中的血壓、血液中氧的飽和度、體溫等。用光導(dǎo)纖維連接的激光手術(shù)刀已在臨床應(yīng)用，并可用作光敏法治癌。光導(dǎo)纖維可以把陽光送到各個(gè)角落，還可以進(jìn)行機(jī)械加工。計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、汽車配電盤等也已成功地用光導(dǎo)纖維傳輸光源或圖像。光纖在生活中應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊环N技術(shù)。[1]

2.光纖傳輸系統(tǒng)的分類

按傳輸類型分類，光纖傳輸可以分為模擬光纖傳輸系統(tǒng)和數(shù)字光纖傳輸系統(tǒng)。按光波長和光類別可以分為短波長多膜光纖通信系統(tǒng)和長波長光纖通信系統(tǒng)，其中長波長光纖通信系統(tǒng)又可以分為1.31um的多膜光纖通信系統(tǒng)、1.31um的單膜光纖通信系統(tǒng)和1.55um單膜光纖通信系統(tǒng)。

3.光纖傳輸?shù)脑?/p>

光纖傳輸?shù)脑硎窃诎l(fā)送端首先要把傳送的信息(如聲音或圖像)變成電信號(hào)，然后由光發(fā)射機(jī)把電信號(hào)調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度(頻率)變化而變化，并通過光纖發(fā)送出去；在接收端，光接收機(jī)檢測到光信號(hào)把它變換成電信號(hào)，然后再通過放大器放大后，進(jìn)行解調(diào)再恢復(fù)成原始信號(hào)。模擬光纖傳輸系統(tǒng)原理見圖1。

二、光纖傳輸演示教具的設(shè)計(jì)

通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)關(guān)于光纖通信原理的試驗(yàn)箱有很多，但都是大中專院校通信及相關(guān)專業(yè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，對(duì)于中小學(xué)生及大眾來說都過于專業(yè)，作為光纖傳輸原理通識(shí)教育的教具都不合適，而且價(jià)格過于昂貴?；诖?，筆者利用身邊的廢舊物品，再加上一點(diǎn)電路知識(shí)和技術(shù)，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)能夠直觀演示光纖傳輸過程的教具。

1.光纖傳輸演示教具設(shè)計(jì)思路

該演示教具為了方便演示，選擇常見的MP3播放器和手機(jī)作為音源，通過3.5毫米耳機(jī)接口與發(fā)射端相連接。接收端連接一個(gè)小喇叭。主體部分由發(fā)射端、接收端、光導(dǎo)纖維三個(gè)部分組成（見圖2），發(fā)射端是對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行聲光轉(zhuǎn)換，接收端是對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測和接收并且進(jìn)行信號(hào)放大后再送到揚(yáng)聲器。發(fā)射端和接收端之間由光導(dǎo)纖維 （一截干凈的輸液管）連接。為了獲得較好的信號(hào)傳輸效果，在輸液管里裝滿水（注：因?yàn)檩斠汗苤醒b滿水不能有氣泡，因此此步驟應(yīng)在水中操作），并將發(fā)光二極管和光敏二極管套裝在輸液管的兩頭。當(dāng)音源接通發(fā)光二極管發(fā)光后，就通過輸液管將光信號(hào)傳送到另一頭，光敏二極管接收到光信號(hào)后將信號(hào)傳送到接收電路進(jìn)行處理，然后送到音箱，還原出聲音信號(hào)，完成整個(gè)傳輸過程。

2.發(fā)射端的電路圖

由于3.5毫米耳機(jī)接口發(fā)送的電信號(hào)較弱，故在發(fā)射端使用了一個(gè)放大電路，電路原理如圖3所示，當(dāng)音樂開始后將音頻信號(hào)發(fā)送到LM386，信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED，發(fā)光二極管發(fā)出的光信號(hào)隨著音頻的強(qiáng)弱發(fā)生閃爍。發(fā)射端的放大電路與接收端的放大部分電路一致，這樣可以減少設(shè)計(jì)的時(shí)間，因此：1端懸空，2端接耳機(jī)的一端，3端接耳機(jī)另一端并接地。

3.接收端的電路圖

接收端電路原理如圖4所示，發(fā)光二極管發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)光導(dǎo)纖維傳送到接收部分的光敏二極管D，D將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)C1送到前置放大極，經(jīng)Q(9014)放大，滑動(dòng)變阻器RK控制送到LM386，經(jīng)功率放大后，推動(dòng)喇叭發(fā)出聲音。

4.元件的選擇

LED采用高亮度的紅色發(fā)光二極管，光敏二極管D選擇亮阻盡量小、暗阻盡量大的，因?yàn)榘l(fā)射端設(shè)計(jì)了放大電路，因此聲音源可以是MP3、手機(jī)等。其他元件包括：

10u電解電容9個(gè)；

2200p電容2個(gè)；

電阻200K 1個(gè)，330K 1個(gè)，2.2K 1個(gè)；

滑動(dòng)變阻器10K 2個(gè)；

三極管 9014 1個(gè)，LM386集成塊2個(gè)；

電池3節(jié)，開關(guān)、喇叭各1個(gè)。

三、光纖傳輸演示教具的制作和演示

1.制作

依據(jù)前面的設(shè)計(jì)思路，按以下步驟進(jìn)行制作（見圖5）：

（1）考慮到簡易、方便操作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠直觀反應(yīng)光纖傳輸?shù)脑?，進(jìn)行教具的整體設(shè)計(jì)。

（2）在仿真軟件（EWB或PROTEL）中畫出各部分的電路圖，并對(duì)其封裝進(jìn)行修改。

（3）將電路圖轉(zhuǎn)化為PCB圖，根據(jù)電路圖將PCB圖中的元件進(jìn)行擺放，這也是在制作電路板前最重要的一步。一般情況下，電路板的大小因與元件成正比，但考慮到我們做的是教具，因此可以將電路板適當(dāng)?shù)胤糯?，方便操作和觀察。

（4）將布好的 PCB圖打印到轉(zhuǎn)印紙上，再用熱轉(zhuǎn)印機(jī)將圖轉(zhuǎn)印到覆銅板上，再將覆銅板放在三氯化鐵溶液中進(jìn)行腐蝕。

（5）將腐蝕好的電路板打孔，取一段20cm～30cm的醫(yī)用輸液管，注滿水，兩端分別用直徑為5mm的發(fā)光二極管和光敏二極管直接封住，為了不使管內(nèi)留有氣泡，整個(gè)過程可在水中完成。最后將元器件安插焊接好。

2.演示

將聲音源打開，發(fā)光二極管就開始閃爍，同時(shí)接收部分的喇叭發(fā)出悅耳的音樂 (如果有雜音，可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器減少雜音)。因?yàn)樾畔⑹强抗鈧鬏數(shù)模赃@時(shí)只要將輸液管捏扁，聲音就會(huì)消失或因受到阻塞而減弱。但在彎折輸液管時(shí)，只要曲率不太大，便能保證光傳導(dǎo)的全反射，卻感覺不到聲音的任何變化。通過實(shí)驗(yàn)也可以告訴人們保護(hù)光纖的常識(shí)。

結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)并制作了光纖傳輸演示教具，此教具的制作和操作過程相對(duì)簡單，實(shí)驗(yàn)過程能夠讓人們直觀地了解到光纖傳輸?shù)倪^程及原理，希望本文能夠?yàn)閹熒谱鞴饫w傳輸演示教具提供一定的參考。

[1]光纖的發(fā)明和應(yīng)用[EB/OL].http://ddlx.snnu.edu.cn/History.asp?id=22&bh=72.

[2]李靖.一種用激光傳送聲音信號(hào)的方法[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010，（9）.

[3]王瑞.巧做物理演示實(shí)驗(yàn)兩則[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010，（9）.

G482

B

1673-8454（2012）06-0065-03

*昌吉學(xué)院教研課題項(xiàng)目：新疆普通高中通用技術(shù)裝備應(yīng)用研究項(xiàng)目的階段成果（編號(hào)：10jyyb010）；新疆維吾爾自治區(qū)質(zhì)量工程建設(shè)項(xiàng)目：通用技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心階段建設(shè)成果（新教高[2010]50號(hào)）。

（編輯：魯利瑞）

國家社會(huì)科學(xué)基金教育學(xué)青年課題“我國高職院校學(xué)生學(xué)習(xí)能力評(píng)價(jià)及培養(yǎng)研究”（CJA110159）、全國教育科學(xué)規(guī)劃教育部重點(diǎn)課題“網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下適應(yīng)性遠(yuǎn)程考試系統(tǒng)的實(shí)證研究”（GFA111016）、山西省研究生教育改革研究重點(diǎn)課題“農(nóng)村教育碩士信息化教育策略研究”（20112029）、山西省2011年高等學(xué)校特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（教育技術(shù)學(xué)）、山西師范大學(xué)“十二五”重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（教育學(xué)）。