ดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส์และเส้นใยนำแสง

ดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส์และเส้นใยนำแสงมีเรื่องที่น่าสนใจดังนี้

ในปัจจุบันนี้มีการกล่าวถึงการสื่อสารแบบต่าง ๆ มากมาย ไม่ว่าจะเป็นการสื่อสารผ่านดาวเทียม การสื่อสารผ่านเส้นใยนำแสง การสื่อสารแบบซูเปอร์ไฮเวย์ การสื่อสารผ่านสายเคเบิลใต้น้ำ การสื่อสารด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ฯลฯ ผู้ฟังที่เป็นประชาชนทั่วไปจะเข้าใจว่าการสื่อสารแบบต่าง ๆ เหล่านี้ก็คือการส่งข้อมูลหรือข้อความผ่านทางเส้นทางต่าง ๆ ที่กล่าวมาแล้วซึ่งเป็นความเข้าใจที่ถูกต้องในระดับหนึ่ง แต่ในรายละเอียดนั้นมีความหมายมากกว่านี้

บางคนอาจสงสัยว่าข้อมูลหรือข้อความนั้นสามารถส่งได้อย่างไร โดยเฉพาะการส่งในระยะทางที่ไกลมาก เช่น ข้ามจังหวัด ข้ามประเทศ หรือแม้แต่การส่งข้ามทวีป ก่อนอื่นจะขอยกตัวอย่างการส่งข้อมูลที่เป็นเสียงนั่นคือโทรศัพท์ ขณะที่เราพูดโทรศัพท์นั้น คลื่นเสียงหรือสัญญาณเสียงที่ออกจากปาก จะไปทำให้แผ่นไดอะแฟรมของไมโครโฟน ที่อยู่ในตัวกระบอกโทรศัพท์สั่น (ดูรูปที่ 1 ประกอบ) เมื่อแผ่นไดอะแฟรมสั่นจะมีผลทำให้มีสัญญาณไฟฟ้าออกมาจากไมโครโฟน ถ้าเราเอาเครื่องมือชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ออสซิลโลสโคป(Oscilloscope) ดูรูปของสัญญาณ ทั้งสองชนิดจะพบว่ามีลักษณะเหมือนกัน เราเรียกสัญญาณไฟฟ้าที่ออกมาจากไมโครโฟนนี้ว่า เป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอก (analog) ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้าเมื่อเทียบกับเวลาจะมีค่าต่อเนื่องกัน และมีรูปร่างเหมือนสัญญาณต้นฉบับ 

รูป ที่ 1

ร่างกายมนุษย์สามารถส่งสัญญาณแบบต่อเนื่องหรือแบบอะนาลอก ได้หลายวิธี เช่นการพูด เสียงที่พูดออกมานั้นทั้งความถี่และความดังของเสียงจะเปลี่ยนแปลงแบบต่อเนื่อง การเคลื่อนไหวส่วนต่าง ๆ ของร่างกายก็เป็นแบบต่อเนื่อง การรับรู้ก็เช่นกัน เราได้ยินเสียงที่มีการเปลี่ยนแปลงแบบต่อเนื่อง มองเห็นภาพที่มีความเข้มของแสงเปลี่ยนแปลงแบบต่อเนื่อง มองเห็นภาพที่มีความเข้มของแสงเปลี่ยนแปลงแบบต่อเนื่องการสัมผัสที่รับรู้ได้จากแรงกดที่ผิวหนังก็เป็นแบบต่อเนื่อง แต่ที่กล่าวมานี้เป็นการรับรู้ในการดำรงชีวิตแบบปกติเท่านั้น ถ้ามีเหตุการณ์บางอย่างที่ผิดปกติเกิดขึ้น การรับรู้จะไม่เป็นแบบต่อเนื่องนั่นคือมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมาก เช่น เสียงปืน เสียงประทัด เสียงระเบิด ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันของอากาศอย่างรวดเร็ว การรับรู้ของหูจะเป็นแบบฉับพลันอาจทำให้แก้วหูฉีกขาดได้ การมองเห็นฟ้าผ่าหรือแสงแฟลชถ่ายรูปก็ทำให้ตารับรู้ความเข้มแสงอย่างฉับพลัน ทำให้ตาพร่า ที่ยกตัวอย่างเหล่านี้ก็เพื่อให้ผู้อ่านได้นึกภาพของการเปลี่ยนแปลงแบบต่อเนื่องหรือแบบอะนาลอก ในขอบเขตปกติ กับการเปลี่ยนแปลงแบบฉับพลันว่าเป็นอย่างไร 

ขณะที่เราพูดโทรศัพท์จะมีสัญญาณไฟฟ้าที่เป็นแบบอะนาลอก ออกมาจากไมโครโฟนที่กระบอกพูด สัญญาณไฟฟ้านี้จะถูกส่งไปตามสายไฟฟ้าจนมาถึงผู้ฟัง สัญญาณไฟฟ้าจะถูกลำโพงเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณเสียงให้ผู้ฟังได้ยิน และในทำนองเดียวกันเราก็ได้ยินคู่สนทนาพูดด้วย ในแบบเรียนต่าง ๆ กล่าวถึงการสื่อสารในลักษณะเช่นนี้เพื่อให้นักเรียนเข้าใจได้ง่ายไม่ได้กล่าวถึงรายละเอียดว่ามีตัวแปรอื่นใดเข้ามารบกวนการส่งข้อมูลหรือข้อความในระหว่างการสื่อสาร 

ในสภาพความเป็นจริงสายไฟฟ้าที่เป็นสายทองแดงหรือโลหะผสมอื่นใด จะมีความต้านทานไฟฟ้าอยู่ ยิ่งสายยาวมากเท่าไรความต้านทานไฟฟ้าก็จะยิ่งเพิ่มขึ้นเท่านั้น เมื่อเราพูดโทรศัพท์สัญญาณไฟฟ้าที่ออกมาจะถูกความต้านทานของสายไฟฟ้าที่ยาวมากทำให้ขนาดของสัญญาณไฟฟ้าลดลง กว่าจะถึงผู้ฟังปลายสายก็ไม่อาจทำให้ลำโพงทำงานได้ ถ้าเป็นการสื่อสารข้ามจังหวัดขนาดของสัญญาณไฟฟ้าก็จะยิ่งน้อยลงอีกและถ้าเป็นการสื่อสารข้ามทวีปจะเป็นเช่นไร


รูปที่ 2

เมื่อเป็นเช่นนี้วงจรขยายสัญญาณไฟฟ้าจึงเข้ามามีบทบาทสำคัญในการสื่อสาร ก่อนที่ขนาดของสัญญาณไฟฟ้าจากผู้พูดจะลดลงต่ำเกินไป ก็จะต้องมีการขยายสัญญาณไฟฟ้า จากนั้นจึงส่งต่อไปอีก ถ้าผู้ฟังหรือผู้รับอยู่ห่างจากผู้พูดมากเท่าไร จำนวนครั้งของการขยายสัญญาณไฟฟ้าก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น นั่นคือในระบบการสื่อสารต้องมีสถานีขยายสัญญาณไฟฟ้าอยู่เป็นระยะ (ดูรูปที่ 3 ประกอบ) ในสมัยที่ใช้สายไฟฟ้าอย่างเดียวนั้นสถานีขยายสัญญาณไฟฟ้าหรือที่เรียกว่า repeater นั้นจะอยู่ค่อนข้างใกล้กัน เพราะความต้านทานไฟฟ้าของสายไฟมีค่ามากต้องมีการขยายบ่อยครั้ง ต่อเมื่อมีการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ การส่งสัญญาณหรือการสื่อสารด้วยวิธีนี้ก็ไม่ต้องใช้สายไฟฟ้าแล้ว แต่ก็ต้องมีการขยายสัญญาณไฟฟ้าอยู่เช่นเดียวกัน เพราะการสูญเสียพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นวิทยุในอากาศยังมีอยู่ ดังที่เราเห็นมีการติดตั้งสถานีไมโครเวฟของแต่ละจังหวัดเพื่อส่งสัญญาณต่อ ๆ กันไป


รูปที่ 3

การนำดาวเทียมมาใช้ในการสื่อสารช่วยให้การรับการส่งสัญญาณไฟฟ้าเป็นไปได้สะดวกขึ้นเพราะรัศมีการทำงานของดาวเทียมนั้นครอบคลุมพื้นที่ได้มากกว่าการส่งด้วยวิธีอื่น แต่ก็มิได้หมายความว่าไม่ต้องใช้การขยายสัญญาณไฟฟ้า เราลองพิจารณาการส่งสัญญาณไฟฟ้าจาก สถานีส่งที่ภาคพื้นดินขึ้นไปยังดาวเทียม ขณะที่ส่งนั้นต้องผ่านชั้นบรรยากาศซึ่งทำให้พลังงานของคลื่นลดลงเป็นผลให้ขนาดของสัญญาณไฟฟ้าลดลงไปด้วย ดังนั้นเราจึงต้องมีเครื่องขยายสัญญาณไฟฟ้าที่ดาวเทียม เพื่อให้สัญญาณไฟฟ้ามีกำลังสูงพอที่จะส่งกลับลงมายังสถานีรับภาคพื้นดินหรือที่จานรับสัญญาณ เมื่อพิจารณาที่สถานีรับภาคพื้นดิน หรือที่จานรับสัญญาณก็ต้องมีเครื่องขยายสัญญาณไฟฟ้าก่อนจะเข้ากระบวนการทางอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อให้ผู้ฟังได้เห็นหรือได้ยินข้อความหรือข้อมูลจากสถานีส่ง 

ที่กล่าวมาทั้งหมดก็เพื่อให้ผู้อ่านได้เข้าใจถึงความหมายของสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอกและความจำเป็นที่ต้องมีการขยายสัญญาณไฟฟ้าตามสถานีต่าง ๆ และที่เครื่องรับของผู้ฟังก่อนที่จะเข้าสู่การสื่อสารแบบดิจิตอล (digital) เพราะเราจำเป็นต้องเข้าใจการสื่อสารแบบอะนาลอกเสียก่อน เนื่องจากสัญญาณแบบอะนาลอก เป็นสัญญาณที่เราคุ้นเคยหรือประสบอยู่ตลอดเวลา 

การส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอกนั้นมีปัญหามากมาย ดังที่จะกล่าวต่อไปนี้

ผู้อ่านบางท่านอาจจะเคยอัดเสียงจากเทปต้นฉบับลงเทปเปล่า เพื่อเก็บไว้ (คิดว่าไม่ได้อัดเพื่อขายต่อ เพราะกฏหมายสิขสิทธิ์ได้ออกมาใช้แล้ว) จะขอเรียกเทปต้นฉบับว่า F1 เพื่อให้คล้ายกันกับเรื่องกฏของเมนเดล ในวิชาชีววิทยา ส่วนเทปที่นำมาอัดต่อนั้นเรียกว่า F2 ถ้าเราพิจารณาคุณภาพของเสียงของเทป F2 นั้นจะพบว่ามีคุณภาพสู้ของ F1 ไม่ได้ และถ้านำเอา F2 เป็นต้นฉบับสำหรับอัดต่อไปก็จะได้เทป F3 ซึ่งคุณภาพของเทป F3 นี้จะลดลงมาก อาจจะฟังแทบไม่รู้เรื่องเลยเพราะมีสัญญาณรบกวนแทรกเข้ามามาก และถ้าเรายังอัดเช่นนี้ต่อไปอีกสองสามรุ่น เทปรุ่นสุดท้ายจะฟังไม่รู้เรื่อง คือไม่ทราบว่าอัดมาจากไหน ยิ่งเป็น การอัดสัญญาณวีดิทัศน์จะเห็นความแตกต่างของคุณภาพได้ชัด ภายในการอัดเพียงสองรุ่นเท่านั้น


รูปที่ 4

ทำไมจึงเป็นเช่นนี้ เพราะการอัดหรือ copy สัญญาณไฟฟ้านั้นมีสัญญาณรบกวนเข้ามามาก สัญญาณรบกวนนี้เป็นสัญญาณไฟฟ้าเหมือนกัน ทำให้สัญญาณไฟฟ้าในรุ่น F1 หรือ F3 มีคุณภาพลดลง ในทางสื่อสารหรือทางอิเล็กทรอนิกส์หมายความว่าอัตราส่วนของสัญญาณไฟฟ้าต่อสัญญาณรบกวนลดลง (S/N S=signal N=noise) เครื่องขยายสัญญาณไฟฟ้าที่มีคุณภาพสูงต้อง มีสัญญาณรบกวนน้อยที่สุด แต่ในระบบอะนาลอก ไม่สามารถขจัดสัญญาณรบกวนออกได้ถ้าระบบการสื่อสารใช้แบบอะนาลอก สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกจะมีสัญญาณรบกวนแทรกเข้ามาทุกครั้งที่ผ่านสถานี repeater ดังนั้นเมื่อถึงปลายทางสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จะไม่ชัดเจนเหมือนต้นฉบับ (ดูรูปที่ 4 ประกอบ) 

 

เมื่อการสื่อสารแบบอะนาลอก มีปัญหาเกิดขึ้นเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาที่เกิดจากสัญญาณรบกวน ก่อนที่จะเข้าสู่รายละเอียดของการสื่อสารแบบดิจิตอลนั้น ขอยกตัวอย่างการใช้งานสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล ที่ทุกคนคุ้นเคย เพียงแต่ยังนึกไม่ถึงเท่านั้น นั่นก็คือการ copy โปรแกรมคอมพิวเตอร์ ไม่ว่าแผ่นโปรแกรมที่เป็นต้นฉบับนั้นจะเป็นรุ่น F1 F2 F10 หรือ F50 ผลที่ได้นั้นโปรแกรมยังมีลักษณะเหมือนต้นฉบับทุกประการเพราะถ้าไม่เหมือนแม้แต่เพียงข้อมูลเดียว โปรแกรมก็ไม่สามารถทำงานได้ เราอาจกล่าวได้ว่าการ copy โปรแกรมคอมพิวเตอร์ ซึ่งเป็นการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลนั้น แผ่นโปรแกรมเป็นรุ่น F1000 จะเหมือนกับรุ่น F1 เสมอ (การถ่ายทอดกรรมพันธุ์ทาง DNA หรือ ทาง chromosome ของสิ่งมีชีวิตนั้น จะคล้ายกับการถ่ายทอดแบบดิจิตอล โอกาสที่จะผิดพลาดมีน้อยมาก แต่ถ้าผิดขึ้นมาจะกลายเป็นเรื่องใหญ่ นั่นคือเกิดการกลายพันธุ์ (mutation) แล้วผู้เขียนอาจเขียนเรื่องฟิสิกส์กับชีววิทยา หรือคอมพิวเตอร์กับสิ่งมีชีวิต ในอนาคตอันใกล้)

ถึงตอนนี้ท่านผู้อ่านคงเข้าใจแล้วว่าการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลนั้น ดีกว่าการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอก อย่างไร และเข้าใจเหตุผลว่าทำไมการสื่อสารจึงเลือกใช้แบบดิจิตอล ต่อไปนี้ทุกท่านคงพร้อมแล้วที่จะเข้าสู่รายละเอียดของการสื่อสารแบบดิจิตอลในเชิงวิชาการ

บางคนอาจจะสงสัยว่าทำไมต้องมีสัญญาณรบกวนด้วย เราจะแยกหรือขจัดออกได้อย่างไร สัญญาณรบกวนนี้เกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติ เช่น ผลของอุณหภูมิ (thermal noise) วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงกว่าศูนย์องศาเคลวินสามารถส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ทั้งสิ้น ผลภายในอุปกรณ์เองเช่น ในตัวทรานซิสเตอร์ ไดโอด ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุไอซี (integrated circuit) แม้แต่สายไฟหรือลายทองแดงของแผ่นวงจรไฟฟ้า สามารถผลิตความถี่หรือรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากที่อื่น รวมทั้งคุณภาพของการออกแบบวงจรไฟฟ้าก็มีส่วนทำให้ปริมาณสัญญาณรบกวนมากน้อยต่างกัน โดยสรุปสัญญาณรบกวนมีอยู่ตลอดเวลา ขึ้นอยู่กับว่าเราสามารถกรองออกจากสัญญาณไฟฟ้าเดิมได้แค่ไหน ตัวอย่างที่สังเกตได้ชัดเจนคือการรับสัญญาณโทรทัศน์ ถ้าเสาอากาศคุณภาพดีและการติดตั้งหันไปทิศทางที่ถูกต้องภาพที่ได้จะชัดเจน มิฉะนั้นจะได้ภาพที่มีเม็ดสีปะปน เม็ดสีปนอยู่คือสัญญาณรบกวนนั่นเอง ยิ่งผู้รับอยู่ไกลจากสถานีส่งมากเท่าไร ขนาดของสัญญาณที่ต้องการจะลดลงส่วนสัญญาณรบกวนจะเพิ่มขึ้น ในบางท้องที่ไม่อาจรับสัญญาณโทรทัศน์ได้เลย เพราะมีแต่สัญญาณรบกวน

เมื่อเราใช้ออสซิลโลสโคป ดูรูปคลื่นของสัญญาณไฟฟ้าแบบอะนาลอก จะเป็นดังรูปที่ 4 และรูปที่ 5 ก., ข.


รูปที่ 5
เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 1 สัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 5 ก.
เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 2 สัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 5 ข.

เราจะเห็นได้ชัดเจนว่าการสื่อสารแบบอะนาลอกนั้นมีสัญญาณรบกวนแทรกอยู่มาก ต่อไปจะพิจารณาการสื่อสารแบบดิจิตอล สัญญาณแบบดิจิตอลนั้น จะมีค่าของความต่างศักย์ไฟฟ้าเพียง 2 ค่าเท่านั้น คือ HIGH (อาจใช้เลข 1 หมายถึง 5 โวลต์) และ LOW (อาจใช้เลข 0 หมายถึง 0 โวลต์) แต่ในทางปฏิบัติให้ 0-1.5 โวลต์ เป็น LOW และ 3.5-5 โวลต์ เป็น HIGH เพื่อประโยชน์ในการแยก noise ออกจาก signal เพราะถ้าขนาดสัญญาณของ noise นั้นไม่เกิน 1 โวลต์ เราก็ยังสามารถแยกออกจากสัญญาณเดิม

เมื่อเราใช้ออสซิลโลสโคป ดูรูปคลื่นของสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล จะเป็นดังรูปที่ 6


รูปที่ 6
มีสัญญาณรบกวนแทรก
แต่สามารถแยก 1 และ 0 ได้

รูปที่ 7

เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 1 และปรับแต่งสัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 7 ก.
เมื่อมีการขยายสัญญาณครั้งที่ 2 และปรับแต่งสัญญาณที่ได้จะเป็นดังรูปที่ 7 ข.

การขยายสัญญาณแบบดิจิตอลนั้นต้องรีบทำก่อนที่ขนาดของสัญญาณจะลดลงมากเกินไปจนแยก 1 และ 0 ไม่ได้ หมายความว่าสถานีขยายสัญญาณ repeater มีหน้าที่ขยายและปรับแต่งสัญญาณทำให้ได้รูปของสัญญาณที่เหมือนต้นฉบับทุกประการ ดังนั้นไม่ว่าการสื่อสารข้อมูลจะไกลเพียงใด สัญญาณที่ได้รับจะเหมือนต้นฉบับเสมอ ทำให้การสื่อสารในโลกปัจจุบันจึงเป็นการสื่อสารแบบดิจิตอลแทบทั้งสิ้น แม้แต่การทำงานของคอมพิวเตอร์ก็เป็นแบบดิจิตอลทำให้เราสามารถส่งข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ไปได้ทั่วโลก (โดยใช้บริการของ internet)


รูปที่ 8

ผู้อ่านบางท่านอาจสงสัยว่า การเปลี่ยนแปลงของสัญญาณเสียงที่กล่าวมาในตอนต้นเป็นแบบอะนาลอก แล้วเราจะส่งสัญญาณเสียงแบบดิจิตอลได้อย่างไร เรื่องนี้อธิบายไม่ยากก็ใช้วงจรไฟฟ้าที่เรียกว่า ADC (Analog Digital Converter) เปลี่ยนสัญญาณแบบอะนาลอกให้กลายเป็นสัญญาณแบบดิจิตอล ตัวอย่างเช่น การอัดเสียงลง Compact Disc (CD) นั้นใช้ระบบดังที่กล่าวมานี้ การอัดภาพลง Laser disc ก็เช่นเดียวกัน เมื่อข้อมูลทั้งเสียงและภาพกลายเป็นสัญญาณแบบดิจิตอลแล้ว จะส่งไปไหนหรือทำอะไรต่อก็ง่ายแล้ว เวลาจะเล่นกลับ (playback) ก็ใช้วงจรไฟฟ้าที่เรียกว่า DAC (Digital Analog Converter) จัดการกับข้อมูลที่เป็นดิจิตอล ก็จะได้สัญญาณแบบอะนาลอก ที่ร่างกายมนุษย์คุ้นเคย

รายละเอียดของวงจรไฟฟ้า ADC (Analog Digital Converter) ที่เปลี่ยนสัญญาณแบบอะนาลอกให้กลายเป็นสัญญาณแบบดิจิตอล และ DAC (Digital Analog Converter) นั้นค่อนข้างยุ่งยากและเป็นวิชาการมาก แต่ผู้เขียนได้เขียนไว้แล้วสำหรับอาจารย์ฟิสิกส์ แต่ถ้ามีผู้สนใจมากพอก็อาจนำลงในโอกาสต่อไป 

จุดประสงค์	เพื่อให้เข้าใจ
	การทำงานของ    Sensor การทำงานของ    Logic gate การทำงานของ    Display

Sensor

ประกอบด้วย

Switch   มีทั้งชนิดกดติดปล่อยดับ และชนิดสลับปิดเปิด เมื่อ Switch ทำงานแบบ ON จะให้ตรรกะ 1 เมื่อทำงานแบบ OFF จะให้ตรรกะ 0

Magnetic sensor   ทำจาก Reed switch เมื่อนำแท่งแม่เหล็กถาวรมาใกล้ Switch จะทำงานแบบ ON จะให้ตรรกะ 1 เมื่อแท่งแม่เหล็กห่างออกไปจะทำงานแบบ OFF จะให้ตรรกะ 0

Light sensor   ทำจาก LDR ที่มีสมบัติเปลี่ยนค่าความต้านทานเมื่อความเข้มของแสงที่ตกกระทบผิวหน้าเปลี่ยนไป โดยแสงที่มีความเข้มมากจะทำให้ LDR มีความต้านทานน้อย และแสงที่มีความเข้มน้อยจะทำให้ LDR มีความต้านทานมาก จากหลักการดังกล่าวจึงนำ LDR มาสร้างเป็นสวิตช์แสง โดยที่แสงมีความเข้มมากจะให้ตรรกะ 1 และเมื่อแสงมีความเข้มน้อยจะให้ตรรกะ 0 

Thermal sensor   ทำจาก IC-LM335 ซึ่งเป็นวัสดุอิเล็กทรอนิกส์สำหรับวัดอุณหภูมิ โดยตั้งเกณฑ์การเปลี่ยนตรรกะจาก 1 เป็น 0 ที่อุณหภูมิประมาณ 40 องศาเซลเซียส (ต้องใช้ถ่านไฟฉายใหม่ 4 ก้อนเป็นแหล่งจ่ายไฟ มิฉะนั้นจะทำงานผิดพลาด) การทำให้อุณหภูมิเพิ่มทำได้โดยการใช้หัวแร้งบัดกรีที่ร้อนแตะที่ตัว IC เมื่อตรรกะเป็น 1 ให้ยกหัวแร้งออกห่างทันที อย่าทิ้งแช่ไว้จะทำให้ IC เสีย เพราะว่าทนความร้อนเกิน 100 องศาเซลเซียสไม่ได้

รายละเอียดเพิ่มเติมของหัววัด

Reed switch    เป็นโลหะ 2 ชิ้น ที่วางอยู่ใกล้กัน เมื่อนำแท่งแม่เหล็กถาวรมาใกล้ โลหะทั้งสองชิ้นจะถูกดูดให้แตะกัน Switch จะทำงานแบบ ON เมื่อนำแท่งแม่เหล็กห่างออกไปโลหะ 2 ชิ้นจะแยกจากกัน Switch จะทำงานแบบ OFF 

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  ใช้เป็นเครื่องตรวจสอบการเปิดประตู

      -  ใช้เป็นสวิตช์นับจำนวน

      -  ใช้เป็นสวิตช์กันขโมย 

LDR    มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 1 cm ค่าความต้านทานของ LDR ขณะที่มืดจะมีความต้านทานประมาณ 200 กิโลโอห์ม ขณะสว่าง LDR จะมีความต้านทานประมาณ 10 กิโลโอห์ม 

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  ใช้เป็นเครื่องวัดแสงในกล้องถ่ายรูป

      -  ใช้เป็นสวิตช์แสงของลิฟต์

      -  ใช้เป็นสวิตช์นับจำนวน

      -  ใช้เป็นสวิตช์ตรวจสอบควันดำของท่อไอเสียรถ

      -  ใช้เป็นสวิตช์ตรวจสอบไฟไหม้ 

IC-LM335    เป็นวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่ออกแบบไว้สำหรับวัดอุณหภูมิ ตั้งแต่ 0 ถึง 100 องศาเซลเซียส โดยที่ให้ผลของการวัดออกมาเป็นความต่างศักย์ไฟฟ้า ในชุดทดลองจะมีวงจรเปรียบเทียบความต่างศักย์ Voltage comparator เมื่ออุณหภูมิเกิน 40 องศาเซลเซียสจะเปลี่ยนตรรกะจาก 0 เป็น 1 ทันที และเมื่ออุณหภูมิลดลงจะเปลี่ยนกลับจาก 1 เป็น 0 

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  ใช้เป็นเครื่องวัดอุณหภูมิ

      -  ใช้เป็นสวิตช์ในเครื่องปรับอากาศ

      -  ใช้เป็นสวิตช์ในตู้ฟักไข่

      -  ใช้เป็นสวิตช์ตรวจสอบไฟไหม้

Logic gate

ประกอบด้วย

    -   NOT

    -   AND

    -   OR

NOT   ทำจาก IC 7404 โดยจะเปลี่ยนตรรกะของ Output ให้ตรงข้ามกับ Input จึงมีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่ง Inverter สัญลักษณ์เขียนได้ดังนี้

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  ใช้เป็นเครื่องเตือนเมื่ออุณหภูมิของอุปกรณ์ต่ำกว่าที่ตั้งไว้ เช่น ในตู้อบทารกแรกเกิดที่ต้องตั้งอุณหภูมิไว้ค่าหนึ่ง ถ้าเกิดเหตุขัดข้องทำให้เครื่องทำความร้อนไม่ทำงาน อุณหภูมิจะลดลงเป็นผลให้เกิดอันตรายแก่ทารกที่อยู่ในตู้อบนั้น การใช้ NOT gate จะช่วยให้แพทย์หรือพยาบาลทราบว่า เครื่องขัดข้องต้องรีบมาแก้ไขก่อนจะเกิดอันตราย

      -  ใช้เป็นสวิตช์ในโรงงานอุตสาหกรรมอาหาร สิ่งมีชีวิตทั้งหลายต่างต้องการอุณหภูมิที่เหมาะสมในการดำรงชีวิต ยีสต์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหารก็เช่นกัน ถ้าอุณหภูมิของเครื่องหมัดลดลงกว่ากำหนดยีสต์ไม่อาจจะทำงานหรือเติบโตได้ การใช้ NOT gate จะช่วยให้วิศวกรหรือช่างเครื่องทราบว่าเครื่องขัดข้องต้องรีบมาแก้ไขก่อนจะเกิดความเสียหาย

AND   ทำจาก IC 7408 โดยจะตรวจสอบตรรกะของ Input ทั้งสองว่าตรงตามที่กำหนดไว้หรือไม่ แล้วแสดงผลทาง Ouput สัญลักษณ์เขียนได้ดังนี้ (AND สามารถมี Input ได้มากกว่าสอง)

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  สามารถนำไปใช้ในการออกแบบการควบคุมการทำงานของเครื่องรดน้ำต้นไม้แบบอัตโนมัติโดยกำหนดให้ทำงานเมื่ออุณหภูมิสูง และมีแสงสว่าง (หมายความว่าทำงานเมื่ออากาศร้อนและเป็นเวลากลางวัน)

      -  ใช้เป็นสวิตช์ในโรงงานอุตสาหกรรม เช่นในการควบคุมอุณหภูมิและ pH ของสารเคมีตัวหนึ่งที่ต้องการอุณหภูมิที่พอเหมาะคือ 42 องศาเซลเซียสและ pH เท่ากับ 4.3 เมื่อใช้ AND gate จะทำให้ควบคุมได้แน่นอนขึ้น เพราะว่าตรรกะของ Output จะเป็น 1 ได้นั้นมีเพียงเงื่อนไขเดียวคือเมื่อ ตรรกะของ input ต้องเป็น 1 ทั้งคู่

OR   ทำจาก IC 7432 โดยจะตรวจสอบตรรกะของ input ทั้งสองว่าตรงตามที่กำหนดไว้หรือไม่ แล้วแสดงผลทาง Output สัญลักษณ์เขียนได้ดังนี้ (OR สามารถมี input ได้มากกว่าสอง)

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  สามารถใช้ในการออกแบบการควบคุมการทำงานของเครื่องฉีดน้ำดับเพลิงแบบอัตโนมัติ โดยกำหนดให้ทำงานเมื่ออุณหภูมิสูง หรือมีควัน

      -  ใช้เป็นสวิตช์ตรวจสอบการทำงานของเครื่องมือว่าทำงานได้ตามต้องการ เช่น เครื่องควบคุมอุณหภูมิจะมีสวิตช์ที่เรียกว่าสวิตช์ทดสอบ โดยการใข้ OR เพื่อให้แน่ใจว่าเมื่อนำไปใช้งานจริงเครื่องมือจะทำงานได้ถูกต้อง

      -  ใช้เป็นสวิตช์กันขโมย สามารถนำสวิตช์ปิดเปิดที่ประตูทุกบาน หน้าต่างทุกบานมาต่อเข้าด้วยกัน เมื่อบานใดบานหนึ่งถูกเปิด เครื่องเตือนภัยจะทำงานทันที

      -  ใช้เป็นสวิตช์ตรวจสอบไฟไหม้

Display

ประกอบด้วย

    -   LED

    -   ออด ( Buzzer )

    -   รีเลย์ ( Relay )

LED   เป็นส่วนแสดงผลด้วยแสงสว่าง ทำให้ทราบว่าขณะนั้นมีตรรกะ 1

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  เป็นส่วนแสดงผลของเครื่องมือหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ทางอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องมือวัด เครื่องคิดเลข ในปัจจุบันมีการแสดงผลโดยใช้ LCD Liquid Crystal Display จะให้ตัวเลขหรือตัวอักษรสีดำ ต้องมีแสงจากภายนอกจึงจะอ่านจอ LCD ได้ ผิดกับจอ LED นั้นมีแสงสว่างของตัวเองสามารถอ่านในที่มืดได้ เพียงแต่ต้องการพลังงานไฟฟ้ามากกว่าแบบ LCD

      -  สามารถดัดแปลง LED ให้เป็นตัวส่งสัญญาณด้วยแสงได้ เช่น การส่งสัญญาณด้วยสาย Optical fiber

      -  ถ้าเป็น IRED Infra Red Emitting Diode ก็จะเป็นการส่งสัญญาณแบบ IR

      -  หลักการสร้าง LASER diode จะคล้ายกับ LED เพียงแต่มีขั้นตอนการผลิตที่ซับซ้อนกว่า

      -  ทำเป็นเครื่องทดสอบความต่อเนื่องของวงจรไฟฟ้า

Buzzer   เป็นส่วนแสดงผลด้วยเสียง เลือกรุ่นใช้กับความต่างศักย์ไฟฟ้า 6 โวลต์

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  เป็นออดไฟฟ้า

      -  เป็นส่วนเตือนของเครื่องมือหรืออุปกรณ์ต่าง ๆ ทางอิเล็กทรอนิกส์

      -  ทำเป็นเครื่องทดสอบความต่อเนื่องของวงจรไฟฟ้า

Relay   เป็นส่วนแสดงผลด้วยการควบคุม เช่น ควบคุมการปิดเปิดมอเตอร์ไฟฟ้า การเปิดปิดของหลอดไฟฟ้าที่ใช้โวลต์สูง การปิดเปิดเครื่องจักร เครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดต่าง ๆ

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  เป็นเครื่องควบคุมที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม

      -  เป็นเครื่องควบคุมที่ใช้ในโรงงานไฟฟ้า

      -  เป็นเครื่องควบคุมวงจรไฟฟ้าในรถยนต์

      -  เป็นเครื่องควบคุมวงจรไฟฟ้าในสวิตช์อัตโนมัติ

      -  สร้างเป็นเครื่องเตือนภัย เช่น กันขโมย ไฟไหม้

ความรู้เพิ่มเติม

Trasistor เป็นวัสดุอิเล็คทรอนิกส์ ที่สามารถใช้กระแสไฟฟ้าค่าน้อยที่ขา B base ไปควบคุมการทำงานของกระแสไฟฟ้าที่ไหลระหว่างขา C Collector และ E Emitter ได้ จากหลักการนี้สามารถนำ Transistor ไปควบคุมวงจรไฟฟ้าอื่นได้ ข้อแตกต่างของการควบคุมด้วย Transistor กับ Relay คือ การทำงานของ Transistor จะทำได้รวดเร็วมาก แต่กระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่ถูกควบคุมนั้นมีค่าน้อย 

การนำไปใช้หรือการประยุกต์ใช้งาน

      -  เป็นชุดควบคุมที่ใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกประเภท

      -  ถ้าต่อร่วมกับ LDR จะเป็นชุดควบคุมที่ขึ้นกับความเข้มแสง

      -  ถ้าต่อร่วมกับ Relay จะเป็นชุดควบคุมที่มีความไวสูงขึ้น

      -  ทำเป็นเครื่องทดสอบความต่อเนื่องของวงจรไฟฟ้า ที่มีความไวสูงมาก

      -  เพิ่ม LED ในวงจร จะกลายเป็นเครื่องส่งสัญญาณด้วยแสง

      -  หรือ เพิ่ม IRED ในวงจร จะกลายเป็นเครื่องส่งสัญญาณแบบ IR

      -  สามารถส่งสัญญาณผ่าน optical fiber 

คำนำ

ปัจจุบันมีการนำสายไฟเบอร์ออพติกเส้นใยแก้วนำแสง เข้ามาใช้ในการส่งสัญญาณไฟฟ้าต่าง ๆ เช่น จากสถานีโทรทัศน์ โทรศัพท์ สัญญาณจากคอมพิวเตอร์ โดยที่สัญญาณไฟฟ้าเหล่านี้จะถูกเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณแสง สัญญาณแสงดังกล่าวจะถูกส่งผ่านไฟเบอร์ออพติกเส้นใยแก้วนำแสง จากสถานีส่งไปถึงสถานีปลายทาง เมื่อถึงสถานีปลายทาง สัญญาณแสงจะถูกเปลี่ยนกลับมาให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าตามเดิมเพื่อให้เข้าสู่เครื่องรับโทรศัพท์ และคอมพิวเตอร์

สำหรับชุดทดลองที่ทางสาขาฟิสิกส์ สสวท. จัดทำขึ้นมานี้เพื่อให้นักเรียนได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการใช้งานบางประการของสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) เพื่อให้เกิดความเข้าใจกระบวนการส่งสัญญาณด้วยสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) และเข้าใจหลักการเบื้องต้นของการส่งแสงผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ว่าสามารถอธิบายได้ด้วยการสะท้อนกลับหมดของแสงในตัวกลาง และการดูดกลืนพลังงานแสง

หลักการของสายไฟเบอร์ออพติก

อธิบายโดยใช้หลักการของแสง (geomerrical optic) ได้ดังนี้

ให้จุดกำเนิดแสงอยู่ที่ S จะมีแสงออกจากจุด S นี้ไปยังจุดต่าง ๆ ของผิวแก้ว ดังรูป ที่จุด A แสงจะพุ่งออกจากแก้วไปยังอากาศโดยไม่มีการหักเห ที่จุด B จะมีการหักเหเล็กน้อย และมีบางส่วนสะท้อนกลับมาในแก้ว ที่จุด C จะมีการหักเหมากขึ้นเล็กน้อย และมีบางส่วนสะท้อนกลับมาในแก้ว ที่จุด D จะไม่มีการหักเห แสงจากจุด S ทั้งหมดจะสะท้อนกลับมาในแก้ว ณ. จุดนี้จะเรียกมุม  ว่า มุมวิกฤต (Critical angle) ทำให้เกิดปรากฏการณ์ การสะท้อนกลับหมด (Total reflection) หาค่ามุม  ได้จากสมการ

เส้นทางของแสงในสายไฟเบอร์ออพติก

เมื่อแสงผ่านเข้ามาในสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)ที่ทำจากแก้ว จะเกิดการสะท้อนกลับหมดที่ผิวแก้ว (บริเวณที่เป็นรอยต่อของแก้วกับอากาศ) แสงที่สะท้อนนี้จะกลับเข้ามาในสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) และเกิดการสะท้อนที่ผิวแก้วอีกด้านหนึ่ง การสะท้อนนี้จะเกิดภายในแก้ว โดยไม่มีการทะลุผ่านผิวแก้วออกไปยังอากาศ ทำให้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) สามารถนำแสงจากจุด A ไปยังจุด B ได้ โดยเส้นทางของ AB เป็นเส้นโค้ง จากสมบัติข้อนี้จึงได้มีการสร้างเครื่องมือตรวจดูอวัยวะภายในร่างกายมนุษย์โดยการนำแสงจากภายนอกผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ไปยังกระเพาะอาหาร และนำภาพกระเพาะอาหารกลับมายังภายนอกให้ผู้ทำการตรวจได้มองเห็น

การใช้งานสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) จะมี 2 ลักษณะ คือ

1    นำภาพของวัตถุผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) เช่น กล้องตรวจอวัยวะภายในของมนุษย์

2    นำสัญญาณแสงผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)

สำหรับชุดทดลองนี้ จะศึกษาเฉพาะลักษณะบางประการของการส่งสัญญาณแสงผ่านสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)

เมื่อจบการทดลองนี้แล้ว    จะเข้าใจเรื่อง 

1    Multiplex

2    การตอบสนองต่อแสงสี

3    การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง

4    การเปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

5    การลดทอนของสัญญาณ

การเตรียมก่อนการทดลอง

1    ต่อแผ่นทดลองกับกระบะถ่านไฟฉาย 6 โวลต์ ต้องต่อให้ถูกขั้ว เมื่อต่อถูกต้องจะเห็นหลอดไฟของ Logic Probe สว่าง

2    ทดสอบการทำงาน โดยต่อสายไฟจาก Input ของชุดส่งสัญญาณ มาแตะที่ +6 โวลต์หลอด LED ของชุดส่งจะสว่างจ้า

เริ่มการทดลองเรื่อง Multiplex

Multiplex    เป็นการส่งสัญญาณจากสถานีส่งหลายชุดไปยังสถานีรับหลายสถานี โดยใช้สายส่งเพียงชุดเดียว วิธีหนึ่งคือใช้สวิตช์ S และ S ที่ทำงานพร้อมกัน (synchronise) ทำให้สัญญาณไฟฟ้าจาก A ไปยัง P

B    ไปยัง    O

C    ไปยัง    R

D    ไปยัง    S

ถ้าความเร็วของการเลื่อนสวิตช์ S ₁ และ S ₂ มากพอ สัญญาณทั้ง 4 ชุดที่รับได้จะเกือบเหมือนสัญญาณต้นแบบ 

Multiplex

ครั้งแรกให้ทดลองการส่งสัญญาณไฟฟ้าด้วยสายทองแดง โดยเริ่มต่อ input ของ multiplex กับแหล่งจ่ายไฟคงที่ 0 กับ 5 โวลต์ (Logic 0 และ 1) ดูผลที่เกิดขึ้นที่ output ของ demultiplex เมื่อใช้ clock ที่มีความถี่ต่ำจากนั้นจึงใช้ clock ที่มีความถี่สูงขึ้น

ต่อไปให้ทดลองเช่นเดียวกัน แต่เปลี่ยนมาใช้ สาย fiber optic แทนสายทองแดง โดยเริ่มต่อ input ของ multiplex กับ แหล่งจ่ายไฟฟ้าคงที่ 0 กับ 5 โวลต์ จากนั้นนำสัญญาณไฟฟ้า ไปเข้าวงจรแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง แล้วจึงใช้สาย fiber optic นำสัญญาณดังกล่าว ส่งไปที่ตัวรับสัญญาณแสง เมื่อรับสัญญาณแสงได้แล้ว นำ output ที่ได้ไปเข้าที่ input ของ demultiplex ดูผลที่เกิดขึ้นจากวงจร demultiplex เมื่อใช้ clock ที่มีความถี่ต่ำจากนั้นจึงใช้ clock ที่มีความถี่สูงขึ้น

เมื่อเข้าใจการส่งสัญญาณที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าคงที่ ต่อไปให้ทดลองส่งสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้า แบบ digital ซึ่งเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบ clock ทดลองทั้งการส่งด้วยสายทองแดง และสาย fiber optic

การตอบสนองต่อแสงสี

เนื่องจากสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) สร้างจากแก้วหรือวัสดุใสชนิดอื่น ดังนั้นการตอบสนองต่อแสงสีที่มีความยาวคลื่นต่างกัน จึงไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับผู้สร้างสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) นั้น ๆ ว่าต้องการให้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)ทำงานที่แสงสีความยาวคลื่นเท่าไร 

การทดลอง

เลือกส่งสัญญาณด้วยแสงสีส้ม (ความยาวคลื่นประมาณ 620 นาโนเมตร) และด้วยแสงสีเขียว(ความยาวคลื่นประมาณ 550 นาโนเมตร) เปรียบเทียบผลที่ได้รับ

light frequency response (Red, Green)

สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่ใช้ในการทดลองนี้ทำงานได้ดีที่ความถี่ประมาณ 680 นาโนเมตร ดังนั้นในการทดลองที่ใช้ LED ที่ให้แสงความถี่ประมาณ 620 และ 550 นาโนเมตร จึงมีผลต่อการรับสัญญาณดังนั้นผลการทดลองจึงออกมาว่าการส่งสัญญาณแสงด้วยความถี่ที่ใกล้กับ 680 นาโนเมตรจะให้ผลดีกว่า ซึ่งจุดนี้ก็เป็นจุดสำคัญของการส่งสัญญาณด้วยไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ต้องเลือกความถี่ของ carrier signal ให้เหมาะกับไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง)นั้น เพื่อให้การส่งสัญญาณเป็นไปอย่างสมบูรณ์ที่สุด

ส่วนสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่ออกแบบให้ใช้งานส่งสัญญาณจริง (Commercial) เป็นสายที่ออกแบบให้ทำงานที่แสง infrared และการตอบสนองต่อความถี่ของสัญญาณนั้นมีค่าสูงมาก จุดนี้เป็นจุดสำคัญที่ครูและนักเรียนควรเข้าใจ

การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสง

เพื่อให้การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ จึงใช้ทรานซิสเตอร์มาประกอบในวงจร ดังรูป

สัญญาณไฟฟ้าที่เข้ามาทาง INPUT จะทำให้ Transistor นำกระแสไฟฟ้าได้แตกต่างกันตามศักย์ไฟฟ้าของสัญญาณที่เข้ามา เป็นผลให้ LED หรืออาจจะเป็น LASER Diode ส่งแสงที่มีความเข้มที่ไม่คงที่ออกมา 

การทดลอง

ต่อสายไฟจาก +6V 0 V clock2 เข้ากับ INPUT ของชุดส่งสัญญาณแสง สังเกตดูความสว่างของหลอด LED

การเปลี่ยนสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า

เพื่อให้การเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าเป็นสัญญาณแสงเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ จึงใช้ Photodiode มาเป็นตัวรับแสง ดังรูป

แสงที่ตกกระทบลงบนตัว Photodiode จะทำให้ศักย์ไฟฟ้าที่คร่อมตัว Photodiode เปลี่ยนแปลง แต่การเปลี่ยนแปลงนี้มีค่าน้อยมาก ระดับมิลลิโวลต์ จึงต้องใช้ Opamp เข้ามาทำหน้าที่ขยายสัญญาณให้มีค่ามากขึ้น แล้วส่งออกมาที่ OUTPUT 

การทดลอง

ต่อสายไฟจาก +6 V 0 V clock2 เข้ากับ INPUT ของชุดส่งสัญญาณแสง สังเกตดูความสว่างของหลอด LED จากนั้นใช้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) นำสัญญาณแสงไปที่ Photodiode ของชุดรับสัญญาณ ต่อสายไฟจาก OUTPUT ของชุดรับสัญญาณ ไปที่ INPUT ของ Logic Probe สังเกตความสว่างของหลอด LED

การลดทอนของสัญญาณ attenuation (Long, Short)

การทดลองเกี่ยวกับความยาวของสายนั้นเป็นส่วนสำคัญของการส่งสัญญาณด้วยสายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่ดีจะมีการดูดกลืนดังกล่าวน้อยมาก โดยทั่วไปสายที่ยาว 10 กิโลเมตรจะลด (attenuation) สัญญาณแสงลงครึ่งหนึ่ง แต่สาย fiber optic ที่ใช้ในการทดลองนี้ไม่ได้มีคุณภาพดีถึงเพียงนั้น 

การทดลอง

ใช้สายไฟเบอร์ออพติก(เส้นใยแก้วนำแสง) ที่มีความยาว 25 เซนติเมตร และ 5 เมตร ทำการทดลองส่งและรับสัญญาณแสง สังเกตผลที่เกิดขึ้น

ส่วนเสริมที่จะทำต่อไปคือ การส่งสัญญาณเสียงด้วยแสง แทนที่จะเป็นการส่งสัญญาณ digital ด้วยสาย fiber optic ก็จะกลายเป็นการส่งสัญญาณเสียง (คำพูด เสียงร้องเพลง) ทางสาย fiber optic เมื่อตัวรับสัญญาณทำงานจะส่งสัญญาณนี้ไปแปลงกลับมาเป็นเสียงเช่นเดิม นิยมเรียกการส่งในลักษณะนี้ว่า การส่งแบบ analog

Infrared Transmission

สาย fiber optic ที่ซื้อมาจากร้าน RS นั้น สามารถส่งสัญญาณแสงในช่วงของ Infrared ได้ น่าจะทำการทดลองเพิ่ม ทั้งการส่งและการรับในช่วงนี้

maximum of multiplex frequency

ในการทดลองนี้ สำหรับสายทองแดงนั้น ไม่ปัญหาเรื่องความถี่สูงสุดของการส่งสัญญาณไฟฟ้าแบบ multiplex ส่วนการส่งสัญญาณด้วยแสงทาง fiber optic นั้นมีข้อจำกัด เพราะเมื่อความถี่สูงมาก ๆ ปริมาณแสงที่เป็นสัญญาณ high จะมีช่วงสั้นมาก photodiode และ วงจรเปรียบเทียบไม่อาจทำงานได้ถูกต้องนัก (การแก้ไขสามารถตั้ง Theshold ใหม่) นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับการออกแบบสาย fiber optic ด้วย เพราะว่าสาย fiber optic ที่ใช้ในการทดลองนั้น เป็นสายที่ถูกออกแบบมาให้ทำงานกับแสงที่มีความถี่ประมาณ 680 นาโนเมตร และเป็นการใช้งานที่ความถี่ปานกลางเท่านั้น 

ส่วนสาย fiber optic ที่ออกแบบให้ใช้งานส่งสัญญาณจริง (Commercial utilization) เป็นสายที่ออกแบบให้ทำงานที่แสง infrared และการตอบสนองต่อความถี่ของสัญญาณนั้นมีค่าสูงมาก จุดนี้เป็นจุดสำคัญที่ครูและนักเรียนควรเข้าใจ 

---

ที่มา : ไชยยันต์ ศิริโชติ สาขาวิชาฟิสิกส์ สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี