紅外語音通信畢業(yè)論文

1、摘 要科技發(fā)達的今天，無線電通信技術得到了前所未有的發(fā)展，而紅外無線通信相對于無線電數(shù)據(jù)通信具有低功耗、低價格、低電磁干擾、高保密性等優(yōu)點，目前發(fā)展迅猛，尤其在近距離無線數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛的應用。尤其是隨著編碼調制技術的發(fā)展，紅外無線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)速率越來越高，成為許多移動設備、室內(nèi)辦公設備以及手持設備無線數(shù)據(jù)通信的一個重要途徑。本設計是一個紅外光語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一對850nm波長的紅外光發(fā)射、接收管作為收發(fā)器件，實現(xiàn)了定向語音信號傳輸，無明顯失真情況下傳輸距離可達5m，還包括一個可以轉換90°的中繼器。本設計思路為語音信號經(jīng)過第一級紅外發(fā)射傳輸?shù)?m處的中繼電路，接收后的

2、語音信號經(jīng)過處理，再次發(fā)射到5m外的接收部分，經(jīng)處理后可無明顯失真地恢復語音信號。關鍵詞： 紅外，無線通信，語音傳輸AbstractWith the progress of science and technology, radio communication technology obtained the unprecedented development, and the infrared wireless communication relative to the wireless data communication with low power consumption, low pr

3、ice and low electromagnetic interference, and the advantages of high confidentiality, is developing rapidly, especially in the near distance wireless data communication has been widely used. Especially with the development of the code modulation technology, the data rate of infrared wireless data co

4、mmunication is getting higher and higher, as many mobile devices, indoor office equipment, and handheld devices is an important way of wireless data communication.This design is an infrared communication system, the system uses a pair of 850nm wavelength infrared transmitting, receiving tube as a tr

5、ansceiver device, the directional speech signal transmission, without significant distortion case transmission distance up to 3m, also includes a 90°conversion of repeater.The design ideas for the speech signal after the first infrared transmission to the relay circuit two meters, after receivi

6、ng the speech signal after treatment, re launch to accept some two meters, can be treated without significant distortion restoration of speech signal.Key words: Infrared, Wireless communication, Speech transmission目 錄第1章 緒論11.1 背景和意義11.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀11.3 主要設計內(nèi)容及預期目標2第2章 紅外通信技術分析32.1 紅外通信的基本原理及特點32.2 紅外

7、通信技術對計算機技術的沖擊42.3 紅外通信技術開辟數(shù)據(jù)通信的未來4第3章 系統(tǒng)的總體設計63.1 方案的提出63.1.1 通信方式的選擇63.1.2 放大電路的選擇93.2 發(fā)射部分電路設計143.2.1 發(fā)射部分框圖143.2.2 發(fā)射部分電路153.2.3 信號放大部分153.2.4 信號發(fā)射部分213.3 接收部分電路設計223.3.1 接收部分框圖223.3.2 接收部分電路233.3.3 音頻功率放大部分233.3.4 信號顯示部分273.3.5 信號采集部分283.4 中繼部分電路設計293.4.1 中繼部分框圖293.4.2 中繼部分電路29第4章 硬件的調試與測試314.1

8、硬件的焊接調試314.2 硬件電路的測試314.2.1 發(fā)射部分314.2.2 接收部分324.2.3 中繼部分33結 論34參考文獻35致 謝36附錄 整體硬件電路3737第1章 緒論1.1 背景和意義在日常生活中，電腦、電視等電器讓我們眼花繚亂，各種設備的線纜隨處可見，就連我們的聲音傳輸在很大程度上也依賴于各種各樣的電纜。這種采用有線方式來傳輸語音信號的系統(tǒng)必須有大量的電纜將收發(fā)端連接起來，聲音信號才能進行傳輸。有沒有一種無需電纜的連接就能實現(xiàn)聲音傳輸?shù)姆椒?？科學技術的日新月異，紅外技術的飛速發(fā)展給傳統(tǒng)的聲音傳輸帶來的很大的沖擊，為通信業(yè)帶來了無窮的希望和活力。紅外技術的應用使得語音無線

9、傳輸成為了可能，并使傳輸更加靈活、方便、高效。紅外技術是無線連接的鼻祖，是先進科學技術的重要組成部分，主要應用在遙控和傳輸方面。紅外傳輸以紅外光為載體，通過其在空中的傳播來傳輸語音和數(shù)據(jù)的傳輸方式。這種通信系統(tǒng)傳輸速度快，干擾小，可靠性高，適合多種近距離無限通信場合使用，例如教師的語音教學系統(tǒng)，家庭居室、圖書館、醫(yī)院等，在電子產(chǎn)品中具有官方的發(fā)展?jié)摿Α?.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀紅外通信由來已久，但是進入90年代，這一通信技術又有新的發(fā)展，應用范圍更加廣泛。1995年，一個由部件、計算機系統(tǒng)、外圍設備和電信廠商組成的大型集團紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA)就紅外通信的一套標準達成一致。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會開發(fā)的

10、這種新的無線通信標準還得到PC機產(chǎn)業(yè)的有力支持。主要的開發(fā)廠商，已推出了在計算機之間采用這種高速紅外數(shù)據(jù)通信的PC機、筆記本計算機、打印機和手持式個人數(shù)字助理(PDA)設備1。此外，紅外通信的連通性已用在大多數(shù)新的筆記本計算機中，并成為一種最具成本效益和便于使用的無線通信技術而問鼎市場。經(jīng)過40多年大發(fā)展，中國在紅外技術研究方面已經(jīng)取得了重大的進步，建成了專業(yè)研究所、紅外物理實驗室和眾多的研究課題組。一批高等院校中，也設立了紅外專業(yè)或包含紅外專業(yè)的光電技術系，一批民營企業(yè)、股份制企業(yè)相繼誕生，已經(jīng)形成了不同規(guī)模的產(chǎn)品。近幾年，隨著智能化設備越來越普及，紅外通信技術因其抗干擾性能突出，從而被廣泛

11、的應用到針對智能機器人、智能電器、智能家居的設計方案中。紅外通信是最常用的近距離無線通信方式之一，采用紅外通信的優(yōu)點是低成本、高速率且低功耗，因此也就成為設計手持遙控器的首選2。除此之外，在基于單片機的智能家居設計中，紅外通信作為單片機之間的通信手段與電信市話通信手段結合，實現(xiàn)了對家居異常情況(盜竊、火警、燃氣泄漏、漏水等)電話遠程報警、遠程遙控功能3。1.3 主要設計內(nèi)容及預期目標本設計的主要設計內(nèi)容是：用三極管放大電路對音頻輸入口得到的音頻信號進行無失真的放大，送到三極管與發(fā)射頭組成的發(fā)射電路進行發(fā)射，接收部分由紅外接收頭接收到的信號再傳入后再由音頻功率放大芯片進行放大輸出，最后得到質量較

12、好的音頻信號。本設計要達到的預期目標為：利用紅外發(fā)光管和紅外接收管作為收發(fā)器件，來實現(xiàn)定向傳輸語音信號，傳輸距離為3m，接收的聲音無明顯失真，制作一個紅外光通信中繼轉發(fā)節(jié)點，可以改變通信方向90°，延長通信距離。第2章 紅外通信技術分析2.1 紅外通信的基本原理及特點紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端將基帶二進制信號調制為一系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。接收端將接收到的光脈轉換成電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調電路進行解調，還原為二進制數(shù)字信號后輸出。常用的有通過脈沖寬度來實現(xiàn)信號調制的脈寬調制（PWM）4和通過脈

13、沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)信號調制的脈時調制（PPM）以及自適應調制（ADM）5三種方法。同樣的通過紅外發(fā)射管還可以發(fā)射最基本的模擬信號，即接收端可以根據(jù)接收到的紅外光線的強度可以產(chǎn)生不同的電流大小，即可還原發(fā)射端的模擬信號。簡而言之，紅外通信的實質就是對二進制數(shù)字信號或模擬信號進行調制與解調，以便利用紅外信道進行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調制解調器。紅外通信的優(yōu)點是兼容性強，能被眾多的硬件和軟件平臺所支持；通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)傳輸；主要是用來取代點對點的線纜連接；新的通訊標準兼容早期的通訊標準；小角度（30度以內(nèi)），短距離，點對點直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性

14、強；傳輸速率較高，目前4M速率的FIR技術已被廣泛使用，16M速率的VFIR技術已經(jīng)發(fā)布。其缺點為通信距離短，通信過程中不能移動，遇障礙物通信中斷；目前廣泛使用的SIR標準通訊速率較低（115.2kbit/s）；功能單一，擴展性差。2.2 紅外通信技術對計算機技術的沖擊紅外通信標準有可能使大量的主流計算機技術和產(chǎn)品遭淘汰，包括歷史悠久的調制解調器。執(zhí)行紅外通信標準規(guī)定的發(fā)射功率很低，因此它自然是以電池為工作電源的標準。目前，惠普移動計算分公司正在開發(fā)內(nèi)置式端口，所有擁有支持紅外通信標準的筆記本計算機和手持式計算機的用戶，可以把計算機放在電話機的旁邊，遂行高速呼叫，可連通本地的因特網(wǎng)。由于電話機

15、、手持式計算機和紅外通信連接全都是數(shù)字式的，故不需要調制解調器。紅外通信標準的廣泛兼容性可為PC設計師和終端用戶提供多種供選擇的無電纜連接方式，如掌上計算機、筆記本計算機、個人數(shù)字助理設備和桌面計算機之間的文件交換；在計算機裝置之間傳送數(shù)據(jù)以及控制電視、盒式錄像機和其它設備。2.3 紅外通信技術開辟數(shù)據(jù)通信的未來目前，符合紅外通信標準要求的個人數(shù)字數(shù)據(jù)助理設備、筆記本計算機和打印機已推向市場，然而紅外通信技術的潛力將通過個人通信系統(tǒng)(PCS)和全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡的建立而充分顯示出來。由于紅外連接本身是數(shù)字式的，所以在筆記本計算機中不需要調制解調器。便攜式PC機有一個任選的擴展插槽，

16、可插入新式PCS數(shù)據(jù)卡。PCS數(shù)據(jù)卡配電話使用，建立和保持對無線PCS系統(tǒng)的連接；擴展電纜的紅外端口使得在PCS電話系統(tǒng)和筆記本計算機之間容易實現(xiàn)無線通信。由于PCS、數(shù)字電話系統(tǒng)和筆記本計算機之間的連接是通過標準的紅外端口實現(xiàn)的，所以PCS數(shù)字電話系統(tǒng)可在任何一種PC機上使用，包括各種新潮筆記本計算機以及手持式計算機，以提供紅外數(shù)據(jù)通信。而且，由于該系統(tǒng)不要求在計算機中使用調制解調器，所以過去不可能維持高性能PC卡調制解調器運行所需電壓的手持式計算機，現(xiàn)在也能以無線方式進行通信。紅外通信標準的開發(fā)者還在設想在機場和飯店等地點使用步行傳真機和打印機，在這些地方，掌上計算機用戶可以利用這些外設而

17、勿需電纜。銀行的ATM機也可以采用紅外接口裝置6。由于紅外通信具有隱蔽性、保密性強，因此軍事通信機構歷來重視這一技術的開發(fā)和應用。這一技術在軍事隱蔽通信，特別是軍事機密機構、邊海防的端對端通信中將發(fā)揮出重要的作用。正如前面所述，它還將對計算機技術產(chǎn)生沖擊，對未來數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生重大影響。第3章 系統(tǒng)的總體設計3.1 方案的提出本次的設計，本來想用數(shù)字通信7的方式，即用基本的51單片機8進行模數(shù)和數(shù)模轉換來實現(xiàn)。但是經(jīng)過實際電路的測試，發(fā)現(xiàn)數(shù)字通信的方式不能達到本次設計的要求，所以之后開始選擇用模擬方式進行通信。 3.1.1 通信方式的選擇1.數(shù)字通信話筒音頻輸入濾 波波前置放大中級放大A/D轉換器

18、門 電 路輸出驅 動 電 路單片機放 大整 形單 片 機D/A轉換器選通時鐘放 大fandango放濾 波喇 叭耳 機數(shù)字通信9是指把音頻模擬信號放大后送入A/D轉換中進行模/數(shù)轉換，由單片機控制A/D芯片進行模數(shù)轉換，然后將數(shù)字量加上數(shù)據(jù)頭后串行發(fā)送出去，當紅外接收頭接收到數(shù)據(jù)后單片機對接收到的數(shù)據(jù)后識別數(shù)據(jù)頭將數(shù)據(jù)傳入D/A轉換器后送入音頻功率放大器進行音頻的輸出，原理如圖3-1。圖3-1 紅外數(shù)字通信原理圖2.AM調制通信AM調制通信10就是把音頻模擬信號進行放大，直接送入紅外發(fā)射，將音頻信號轉變成被音頻信號調制的紅外信號，通過紅外信號實現(xiàn)無線傳輸。接收到紅外信號后再將得到的信號解調成音

19、頻信號，送入音頻功率放大器對音頻進行放大后輸出，原理如圖3-2所示。音頻信號放大發(fā)送接收放大 功率放大 音頻輸出圖3-2 AM調制通信的原理圖3.FM調制通信音頻信號放大發(fā)送接收放大功率放大 音頻輸出鎖相環(huán)調頻 鎖相環(huán)解調  FM調制通信11就是利用鎖相環(huán)技術（簡稱為PLL）對輸入的音頻信號進行調頻之后送入紅外發(fā)射端傳送調頻信號，接收的調頻信號后用鎖相環(huán)技術進行解調，解調后的信號送入音頻功率放大后輸出原理如圖3-3所示。圖3-3 FM調制原理圖經(jīng)過比較最終的選擇AM調制，因為數(shù)字通信中用到數(shù)字電路的設計，雖然優(yōu)點是可控制性強，但是缺點

20、是程序復雜，而且因為受到單片機處理速度的影響，以及加上紅外發(fā)送編碼的速度影響，傳輸速率較慢，整體影響了采樣的時間，由采樣定律12在進行模擬/數(shù)字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中最高頻率fmax的2倍時，即公式（3-1）：fs。max>2fmax （3-1）采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍，因為聲音頻率的范圍為3003kHz，根據(jù)采樣定律的采樣的頻率要達到最少6kHz，才能保證采樣得到的值還原后不失真，由于單片機采用的是12M晶振，處理一條指令的時間為1s，對A/D芯片的控制需要指令，而且要在每條數(shù)據(jù)前面加

21、上數(shù)據(jù)頭也需要大量的指令，總的程序復雜導致整體的采樣頻率不夠6kHz，所以會導致嚴重的失真，必須要采用高速單片機才能實現(xiàn)，這樣成本就會大大提高。所以從成本，效果以及電路的復雜程度來講都不能選擇數(shù)字通信。而AM調制與FM調制采用的是三極管放大，電路實現(xiàn)簡單，成本低廉，又可以達到理想的傳輸距離，關鍵的是不宜失真，所以主要的優(yōu)點就是電路簡單效果好，成本低廉，但是AM調制的缺點就是傳輸距離會受到限制，距離過遠就會收不到信號，但是相比之下FM調制采用的是FM調制，發(fā)送的是寬度不同的脈沖信號，所以傳輸距離會比AM調制的要遠，但同時因為是在高頻段，所以收到干擾也比較多，即AM調制同時兼容成本低，電路實現(xiàn)簡單

22、，不宜產(chǎn)生失真，同時又能達到目標的傳輸距離，所以選用AM調制方式。3.1.2 放大電路的選擇1.集成運放集成運放是集成運算放大器的簡稱，是具有高放大倍數(shù)的集成電路。它把晶體管、必要原件以及相互之間的連接同時制造在一個半導體芯片上，形成具有一定電路功能的器件。它的內(nèi)部是直接耦合的多級放大器，這個電路可分為輸入級、中間級、輸出級三部分。輸入級采用差分放大電路以消除零點漂移和抑制干擾；中間級一般采用共射極電路，以獲得足夠高的電壓增益；輸出級一般采用互補對稱功放電路，以輸出足夠大的電壓和電流其輸出電阻小，負載能力強。常用的集成運放為OP07。OP07芯片是一種低噪聲的雙極性運算放大器集成電路17。由于

23、OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。其具有超低偏移：150V最大；低輸入偏置電流：1.8nA；低失調電壓漂移：0.5V/；超穩(wěn)定，時間：2V/month最大；高電源電壓范圍：±3V至±22V等特點。工作電源電壓范圍是±3V±18V；OP07完全可以用單電源供電，5V,-

24、5V絕對沒有問題，用單5V也可以供電，但是線性區(qū)間太小，單電源供電，模擬地在1/2 VCC。建議電源最好>8V，否則線性區(qū)實在太小，放大倍數(shù)無法做大，一不小心，就充頂飽和了。OP07管腳如圖3-4所示，其中1和8為偏置平衡(調零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳6為輸出，7接電源+。圖3-4 OP07管腳圖運放組成的基本放大電路有兩種，反向放大電路如圖3-5，正向放大電路如圖3-6。圖3-5 反向放大電路運放的同向端接地即為0V，反向端和同向端虛短，所以也是0V，反向輸入端輸入電阻很高虛斷，幾乎沒有電流注入和流出，那么R1和R2相當于是串聯(lián)的，流過一個串聯(lián)電路中的每一只

25、組件的電流是相同的，即流過R1的電流和流過R2的電流是相同的。流過R1的電流i1=Vi-V-R1 （3-2）i2=V-VoutR2 （3-3）V-=V+=0 （3-4）i1=i2 （3-5）求解上面的代數(shù)方程得放大公式VoutVi=-R2R1 （3-6）圖3-6 同向放大電路圖中Vi與V-虛短，則Vi=V- （3-7）因為虛斷，反向輸入端沒有電流輸入輸出，通過R1和R2的電流相等，設此電流為I，由歐姆定律得：I=VoutR1+R2 （3-8）Vi=I*R2 （3-9）由上面三式得放大公式VoutVi=Vi*R1+R2R2 （3-10）2.三極管放大三極管13，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶

26、體管，晶體三極管，是一種電流控制電流的半導體器件，起作用時把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也用作無觸電開關。晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。這里僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。一、電流放大下面的分析僅對于NPN型三極管14。如圖3-7所示，把從基極B流至發(fā)射極E

27、的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制，并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的倍，即三極管的放大倍數(shù)（一般遠大于1，例如幾十，幾百）。將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計算公式U=R*I可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化，這就

28、是放大后的信號了。圖3-7 三極管簡單電路二、偏置電路三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管PN結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生。當基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。如果事先在三極管的基極上加上一個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信

29、號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的信號放大，而對減小的信號無效。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極電流就可以減?。划斴斎氲幕鶚O電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。經(jīng)過比較最終的選擇三級管放大電路。因為集成運放運放雖然放大倍數(shù)方便好計算，但是要想對音頻信號達到比較理想的放大效果就要同時用到+12V和-12V，這樣一來電源方面，就要重新做兩路電壓輸出，這樣就會提高了成本，而使用三極管放大電路的話輸入電壓的范圍較寬，電路方面

30、只需要用同一種電源就可以實現(xiàn)對音頻信號的放大。但是對放大電路的計算方面就會比較麻煩一些，一般的三極管對音頻的放大只要在飽和區(qū)就可以做到比較好的保真，這樣既可以降低成本又可以達到比較理想的結果。所以選用三極管放大方案。最終通過方案的提出和對比，最終決定使用AM調制的方法進行總體方案的實現(xiàn)。即用三級管驅動紅外發(fā)射頭對音頻信號進行放大和發(fā)射，在發(fā)射端用電容對發(fā)送的信號進行濾波。接收時用紅外接收頭采集到信號后送入LM38615音頻功率放大器進行放大，指示信號方面用LM393雙向比較器對采集到的信號進行比較后驅動LED小燈進行指示信號的強弱。而中繼部分就是將采集到的信號進行濾波放大后，再次送到發(fā)射管進行

31、發(fā)射。3.2 發(fā)射部分電路設計音頻信號輸入信號濾波放大紅外發(fā)射3.2.1 發(fā)射部分框圖圖3-8 紅外光發(fā)射模塊子系系統(tǒng)框圖紅外光發(fā)射部分由三個部分組成，音頻信號的輸入，之后是過濾放大，再之后是紅外發(fā)射部分如圖3-8所示。音頻信號從3.5mm耳機插孔輸入，當收到音頻信號后，通過電容對信號進行濾波放大，放大用的是三極管放大，之后通過紅外發(fā)射管對信號進行發(fā)射。3.2.2 發(fā)射部分電路圖3-9 發(fā)射部分原理圖如圖3-9所示，電源輸入后用電容C1、C2對電路進行濾波去噪，音頻信號從3.5mm音頻接口輸入后直接用三極管放大，音量調節(jié)電位器R3可以通過調節(jié)其阻值的大小來調節(jié)輸入的音量大小，而電位器R4可以用

32、來調節(jié)放大倍數(shù)。C3的作用是對輸入的信號進行濾波，發(fā)射端用三個紅外發(fā)射頭串聯(lián)發(fā)射來提高發(fā)射功率。3.2.3 信號放大部分S8050三極管是NPN型三極管，由三塊半導體構成，其中兩塊N型和一塊P型半導體組成，P型半導體在中間，兩塊N型半導體在兩側。三極管是電子電路中最重要的器件，它最主要的功能是電流放大和開關作用。三極管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的電信號變成一定強度的信號，當然這種轉換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉換成信號的能量。三極管有一個重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)。當三極管的基極上加一個微小的電流時，在集電極上可以得到一個是注入電流倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基極電流

33、的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。1.三極管的輸入特性曲線圖3-10 三極管的輸入特性曲線本圖是指當集-射極之間的Vce為定值是，輸入回路中的基極電流Ib與加在基-射極之間的電壓Vbe之間的關系曲線，如圖3-10所示。2.三極管輸出特性曲線圖3-11 三極管輸出特性曲線這個曲線圖的意思是指當基極電流Ib為定值是，輸出電路中集電極電流Ic與集-射極間的電壓Vce之間的關系曲線，如圖3-11所示。Ib不同，對應的輸出特性曲線也不同，所以三極管的出處特性曲線是一組曲線。由圖可以看出三極關的工作狀態(tài)有三個，分別是飽和區(qū)、放大區(qū)、截止區(qū)。飽和區(qū)：發(fā)

34、射結和集電結均處于正偏狀態(tài)。三極管沒有電流放大作用，相當于一個開關的閉合狀態(tài)。放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。三極管具有電流放大作用。截止區(qū)：發(fā)射結處于反偏或零偏狀態(tài)，集電結處于反偏狀態(tài)，三極管沒有電流放大作用，相當于一個斷開狀態(tài)。3.三極管的三種放大電路(1) 共集電極放大電路圖3-12 共集電極放大電路圖3-13 共集電極小信號等效電路由圖3-12和3-13可推得電壓增益vi=ibrbe+ib1+RL' （3-11）RL'=Re/RL （3-12）vo=ib+ibRL'=ib1+RL' （3-13）Av=vovi=ib1+RL'ibrbe+1+RL&

35、#39;=1+RL'rbe+1+RL'RL'rbe+RL'<1 （3-14）一般情況下RL'rbe，則電壓增益接近于1，即A1。只有電流放大作用，沒有電壓放大，有電壓跟隨作用。在三種組態(tài)中，輸入電阻最高，輸出電阻最小，頻率特性好。可用于輸入級、輸出級或緩沖級。(2) 共基級放大電路圖3-14 共基極放大電路圖3-15 共基極小信號等效電路由圖3-14和3-15可推得電壓增益vi=-ibrbe （3-15）vo=-ibRL' （3-16）RL'=ReRL （3-17）Av=vovi=RL'rbe （3-18）只有電壓放大作用，

36、沒有電流放大，有電流跟隨作用，輸入電阻小，輸出電阻與集電極電阻有關。高頻特性較好，常用于高頻或寬頻帶低輸入阻抗的場合，模擬集成電路中亦兼有電位移動的功能。(3) 共射級發(fā)射電路圖3-16 共射極放大電路圖3-17 共射極小信號等效電路由圖3-16和3-17可推得電壓增益vi=ibrbe+icRe=ibrbe+1+ibRe （3-19）vo=-ibRL' （3-20）RL'=ReRL （3-21）Av=vovi=-RL'rbe+1+Re （3-22）電壓和電流增益都大于1，輸入電阻在三種組態(tài)中居中，輸出電阻與集電極電阻有很大關系。適用于低頻情況下，作多級放大電路的中間級。

37、3.2.4 信號發(fā)射部分1.紅外發(fā)射頭簡介在光譜中波長自0.76至400微米的一段稱為紅外線，紅外線是不可見光線。所有高于絕對零度（-273.15）的物質都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠紅外線。紅外線發(fā)射管在LED封裝行業(yè)中主要有三個常用的波段850NM、875NM、940NM。根據(jù)波長的特性運用的產(chǎn)品也有很大的差異，850NM波長的主要用于紅外線監(jiān)控設備、875NM主要用于醫(yī)療設備、940NM波段的主要用于紅外線控制設備。如紅外線遙控器、光電開關、光電記數(shù)設備等。紅外發(fā)射管是由紅外發(fā)光二極管組成發(fā)光體，用紅外輻射效率高的材料（常用砷化鎵）制成PN結

38、，正向偏壓向PN結注入電流激發(fā)紅外光，其光譜功率分布為中心波長830950nm。紅外發(fā)射頭的特點有高發(fā)射功率、絕緣性好、抗?jié)?、耐磨；長壽命、高可靠性；鍍金引腳可焊性好。2.紅外發(fā)射頭的電性能直徑3mm,5mm為小功率紅外線發(fā)射管。而8mm,10mm為中功率及大功率發(fā)射管。小功率發(fā)射管正向電壓：1.1-1.5V，電流20mA。中功率發(fā)射管正向電壓：1.4-1.65V，電流50-100mA。大功率發(fā)射管正向電壓：1.5-1.9V，電流200-350mA。1-10W大功率紅外線發(fā)射管可應用于紅外監(jiān)控照明。3.紅外發(fā)射頭的方向特性紅外線發(fā)光二極管的發(fā)射強度因發(fā)射方向而異。當方向角度為零度時，其放射強度

39、定義為100%，當方向角度越大時，其發(fā)射強度相對的減少，發(fā)射強度如由光軸取其方向角度一半時，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度越小即代表元件之指向性越靈敏。一般使用紅外線發(fā)光二極管均附有透鏡，使其指向性更靈敏。4.紅外發(fā)射頭的距離特性紅外線發(fā)光二極管的輻射強度，依光軸上的距離而變，亦隨受光元件的不同而變。是受光元件的入射光量變化和與紅外發(fā)光管的距離呈一定特性?；旧瞎饬慷仁请S距離的平方成反比，且和受光元件特性不同有關。發(fā)射紅外線去控制相應的受控裝置時，其控制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因為脈動光（調制光）的有效傳送距離與脈沖的峰

40、值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高Ip的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度T。一般其使用頻在300kHz以下。3.3 接收部分電路設計紅外信號接收信號濾波放大音頻還原輸出3.3.1 接收部分框圖圖3-18 接收部分框圖如圖3-18所示，紅外光接收部分由三個部分組成，紅外信號的接收，之后是濾波放大，再之后是音頻信號還原輸出。當紅外接收管收到信號后，通過電容對信號進行濾波放大，之后通過3.5mm耳機輸出口進行音頻輸出。3.3.2 接收部分電路圖3-19 接收部分原理圖如電路圖3-19所示，接收部分由紅外接收管接收到信號后，輸入到LM386中進行放大和濾波，再送

41、入到音頻輸出口，接收電路中的C4，C5同樣也是對電源部分起到濾波的作用，在這里LM393比較器起到了信號指示的作用，即當接收管接收到信號引起壓變化時，通過比較器比較后輸出高低電平使指示燈會閃爍，于是就起到了信號指示的作用。但是在設計的時候要把燈盡量遠離接收管以免引起干擾。3.3.3 音頻功率放大部分1.LM386音頻功率放大器簡介LM386是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調為任意值,直至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓

42、下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合，LM386的特點有靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電；工作電壓范圍寬,4-12V，外圍元件少。電壓增益可調,20-200；低失真度。其內(nèi)部電路如圖3-20所示。圖3-20 lm386內(nèi)部電路圖2.典型應用電路圖3-21 放大增益20倍電路圖圖3-22 放大增益200倍電路圖圖3-23 放大增益50倍電路圖圖3-24 低頻提升放大電路圖由上面圖3-21到圖3-24可知，LM386可以組成放大20倍到200倍的放大電路，可以通過1腳和8腳之間的電容和電阻來控制放大倍數(shù)。并且可以做低頻提升放大器。3.應用注意事項盡管LM386

43、的應用非常簡單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后，一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調節(jié)鈕）都會帶來的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會產(chǎn)生非常討厭的噪聲。 (1) 通過接在1腳、8腳間的電容（1腳接電容+極）來改變增益，斷開時增益為20dB。 (2) PCB設計時，所有外圍元件盡可能靠近LM386；地線盡可能粗一些；輸入音頻信號通路盡可能平行走線。 (3) 選好調節(jié)音量的電位器。質量太差的不要，否則受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合適，太大也會影響音質。 (4) 盡可能采用雙音頻輸入/輸出。好處是：“+”、“”輸出端可以很好地抵消共模信號，

44、故能有效抑制共模噪聲。 (5) 第7腳（BYPASS）的旁路電容不可少!實際應用時，BYPASS端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲的作用。工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。增大這個電容的容值，減緩直流基準電壓的上升、下降速度，有效抑制噪聲。 (6) 減少輸出耦合電容。此電容的作用有二：隔直+耦合。隔斷直流電壓，直流電壓過大有可能會損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號。它與揚聲器負載構成了一階高通濾波器。減小該電容值，可使噪聲能量沖擊的幅度變小、寬度變窄；太低還會使截止頻率提高。分別測試，發(fā)現(xiàn)10uF/4.7uF最為合適。 (7) 1腳和8腳是增益調整引

45、腳，其內(nèi)部為一個約為1.35K的電阻，1、8腳開路的時候，增益最小約為20倍（26db），當1，8腳交流短路，增益最大，達到200倍（46db），在1、8之間串聯(lián)電阻，可調整增益在20倍到200倍之間變化。具體的計算公式可參考如式（3-23），其中R為1，8腳之間串聯(lián)的電阻，單位為 。GAIN=30000*150+1350*R*1350+R-1-1 （3-23）3.3.4 信號顯示部分LM393主要特點為工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236V，雙電源:±1±18V；消耗電流小，Icc=0.8mA；輸入失調電壓小，VIO=±2mV；共模輸入電壓

46、范圍寬，Vic=0Vcc-1.5V；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門；LM393引腳圖及內(nèi)部框圖如圖3-25所示，采用雙列直插8 腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8 腳塑料封裝（SOP8）。圖3-25 lm393內(nèi)部結構圖(1) LM393是高增益,寬頻帶器件,像大多數(shù)比較器一樣，如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合，則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當比較器改變狀態(tài)時，輸出電壓過渡的間隙。電源加旁路濾波并不能解決這個問題,標準PC板的設計對減小輸入輸出寄生電容耦合是有助的。減小輸入電阻至小于10K將減小反饋信，而且增加甚至很小的正反饋量能

47、導致快速轉換，使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩。除非利用滯后，否則直接插入IC并在引腳上加上電阻將引起輸入輸出在很短的轉換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號是脈沖波形，并且上升和下降時間相當快，則滯回將不需要。(2) 比較器的所有沒有用的引腳必須接地。(3) LM393偏置網(wǎng)絡確立了其靜態(tài)電流與電源電壓范圍2.030V無關。通常電源不需要加旁路電容。(4) 差分輸入電壓可以大于Vcc并不損壞器件。保護部分必須能阻止輸入電壓向負端超過-0.3V。(5) LM393的輸出部分是集電極開路,發(fā)射極接地的NPN輸出晶體管，可以用多集電極輸出提供功能。輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，

48、不受Vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當不用負載電阻沒被運用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅動和器件的值所限制。3.3.5 信號采集部分1.紅外接收管的特征與原理 紅外線接收管是將紅外線光信號變成電信號的半導體器件，它的核心部件是一個特殊材料的PN結，紅外線接收管為了更多更大面積的接受入射光線，PN結面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結的結深很淺，一般小于1微米。紅外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時，反向電流很小，稱為暗電流。當有紅外線光照時，攜帶能量的紅外線光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生

49、電子-空穴對。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導”。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。2.紅外接收頭分類紅外線接收管有兩種，一種是光電二極管，另一種是光電三極管。光電二極管就是將光信號轉化為電信號，光電三極管在將光信號轉化為電信號的同時，也把電流放大了。因此，光電三極管也分為兩種，NPN型和PNP型。3.4 中繼部分電路設計紅外信號接收信號濾波放大紅外信號發(fā)送3.4.1 中繼部分框圖圖3-26 中繼部分框圖如圖3-26所示，紅外光中繼部分由三個部分組成，紅外信

50、號的接收，之后是濾波放大，再之后是紅外信號發(fā)送。當紅外接收管收到信號后，通過電容對信號進行濾波放大，之后通過紅外發(fā)射管放大發(fā)送輸出。3.4.2 中繼部分電路圖3-27 中繼部分原理圖如圖3-27所示，中繼部分跟接收部分比較相似，其中LM386輸出端變成了三極管和發(fā)射管，其實三極中繼部分就是將接收到的信號進行放大之后再發(fā)射，只需把音頻輸出改為放大發(fā)射就可以了，這里接收部分接收管要并聯(lián)，發(fā)射管要串聯(lián)，再者LM393同樣還是起到信號提示的作用。第4章 硬件的調試與測試4.1 硬件的焊接調試焊接好硬件后對硬件進行調試，用萬用表檢查電路是否有短路或者斷路的情況。確定沒有短路焊接的問題后開始測試電路。4.

51、2 硬件電路的測試4.2.1 發(fā)射部分圖4-1 發(fā)射部分實物圖發(fā)射部分實物如圖4-1所示，發(fā)射部分測試過程為接好發(fā)射部分后，開始向3.5mm耳機輸入口輸入音頻信號，同時在不同的節(jié)點測試音頻信號，測試點分別在三極管輸入端和紅外發(fā)射頭一段，因為實驗室的條件有限，沒有示波器，所以就又做出了一個3.5mm耳機輸出作為測試，即用耳機通過收聽各個節(jié)點的音質，來判斷各個部分是否正常工作。在三極管輸入節(jié)點聽時，通過調節(jié)第一個電位器，可以明顯聽出音量的變化，且可以很完美地收聽到聲音，而當接到紅外發(fā)射端時，收聽到的聲音就沒有那么干凈，此時通過調節(jié)第二個滑動變阻器的值，可以有效的減少噪聲，并改變放大倍數(shù)。至此，發(fā)射部分測試結果基本成功。4.2.2 接收部分圖4-2 接收部分實物圖發(fā)射部分實物如圖4-2，接收部分測試過程同樣，在焊接好接收部分后，就開始用耳機對各個節(jié)點測試音頻信號，發(fā)現(xiàn)接收的信號比較小，但是通過LM386進行放大以后接收到的信號音量就大了許多，但是，同時感覺噪音也同時放大了。此時開始查找電路的原因，發(fā)現(xiàn)可能是紅外對管沒有對準的原因，盡量調整紅外對管，使發(fā)射頭和接收頭盡量對準，結果發(fā)現(xiàn)，確實音質在對準時好了許多，噪音變小了。之后，又在網(wǎng)上查了資料，發(fā)現(xiàn)用音箱的收聽效果要比耳機好很多，因為音箱中自帶的