紅外線語音通信實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、報(bào)告成績電子電路綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告紅外線語音通信實(shí)驗(yàn)學(xué)生姓名：學(xué) 號：1專業(yè)年級：指導(dǎo)教師：起止日期：2016年11月2016年12月電氣與信息工程學(xué)院目 錄1 目的與意義22 設(shè)計(jì)要求23 方案設(shè)計(jì)23.1 方案一23.2 方案二34 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)44.1 發(fā)射部分電路設(shè)計(jì)44.1.1發(fā)射部分框圖44.1.2發(fā)射部分電路44.1.3信號放大部分44.1.4信號發(fā)射部分54.2接收部分電路設(shè)計(jì)54.2.1接收部分框圖54.2.2接收部分電路64.2.3音頻功率放大部分64.2.4信號采集部分75硬件的測試結(jié)果與分析75.1硬件的焊接調(diào)試75.2硬件電路的測試75.2.1發(fā)射部分85.2.2接收部分8

2、6總結(jié)9參考文獻(xiàn)10附錄11附錄A 原理電路圖11附錄B 硬件實(shí)物圖11 11 目的與意義 隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，紅外通訊技術(shù)利用紅外線來傳遞數(shù)據(jù)，是無線通訊技術(shù)的一種，當(dāng)然我認(rèn)為也是最高效的一種。利用紅外線通信是目前使用較廣泛的一種通信方式。由于紅外線通信具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，因而，在彩電之后，錄音機(jī)、音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等其他小型家庭生活電器上也紛紛采用紅外線通信技術(shù)，不僅通信性能非?？煽浚夷苡行У馗綦x來自其他電器的干擾。目前發(fā)展形勢迅速，尤其在近距離（室內(nèi)）無線數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。 在課本和資料中我們可以知道紅外線是一種近距離、高速通信的通信方式

3、，對于我們經(jīng)常使用的一種近距離、室內(nèi)通信手段,紅外線無線通信具有無線電纜無法比擬和超越的優(yōu)勢. 本次設(shè)計(jì)的的主要內(nèi)容，用電壓放大電路和濾波放大電路對語音采集端的信號進(jìn)行方法和濾波，通過紅外線發(fā)射管和電阻組成的發(fā)射電路進(jìn)行發(fā)射，接收電路由紅外線接收管接收到之后，在進(jìn)行音頻功率放大和電壓放大，最后在喇叭端得到語音信號。2 設(shè)計(jì)要求（1） 紅外線單方向傳輸語音信號（2） 通信距離不小于2米（3） 信號失真要小，能聽懂所傳語音信息3 方案設(shè)計(jì) 3.1 方案一 圖3-1 調(diào)幅通信結(jié)構(gòu)框圖 如圖3-1所示，調(diào)幅通信，將音頻信號與載波進(jìn)行幅度調(diào)制，使其帶有一定載波特性，又不失音頻信號的獨(dú)特性，接收端通過低通

4、濾波器，還原初始模擬信號。 3.2 方案二 S80500圖3-2 V/F、F/V方案示意圖 發(fā)射部分，語音信號經(jīng)麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換成電信號，代表語音信號的電信號波形產(chǎn)生大小的變化，將該信號按電壓大小轉(zhuǎn)換成調(diào)頻波（V/F轉(zhuǎn)換），并用此信號調(diào)制紅外光發(fā)射，則紅外光信號中包含了經(jīng)音頻調(diào)制的頻率信號，接收機(jī)收到該信號后將其放大、整形，并進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換（F/V轉(zhuǎn)換），轉(zhuǎn)換后的電壓中包含了原語音信號的成分，濾除直流成分與高頻成分，即可還原語音信號，將此語音信號放大后推動揚(yáng)聲器，即可實(shí)現(xiàn)語音信號的傳輸通信。方案比較： 方案一的調(diào)制方法為調(diào)幅，但在信號轉(zhuǎn)換傳輸過程中，信號的幅度很容易受電磁環(huán)境影響發(fā)生改變，如果這樣傳輸

5、信號，很容易產(chǎn)生信號的失真和混入噪聲，方案二采用調(diào)頻方式，信號傳輸過程中，幅度容易受到影響，但頻率則可以保持穩(wěn)定，所以傳輸造成的影響可以忽略。根據(jù)以上分析，故采用方案二 方案二中核心器件是F/V與V/F轉(zhuǎn)換器。這可以采用集成運(yùn)放外接阻容元件構(gòu)成，但考慮到傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，擬采用專用集成電路LM386。4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 發(fā)射部分電路設(shè)計(jì) 4.1.1發(fā)射部分框圖 圖4-1 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(gè)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4-1所示。音頻信號從話筒輸入，當(dāng)收到音頻信號后，通過電容對信號進(jìn)行濾波放大，放大用的是三極

6、管放大，之后通過紅外發(fā)射管對信號進(jìn)行發(fā)射。 4.1.2發(fā)射部分電路 S8050圖4-2發(fā)射部分原理圖 4.1.3信號放大部分 S8050三極管是NPN型三極管，由三塊半導(dǎo)體構(gòu)成，其中兩塊N型和一塊P型半導(dǎo)體組成，P型半導(dǎo)體在中間，兩塊N型半導(dǎo)體在兩側(cè)。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(guān)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(qiáng)度的信號，當(dāng)然這種轉(zhuǎn)換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號的能量。三極管有一個(gè)重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)。當(dāng)三極管的基極上加一個(gè)微小的電流時(shí)，在集電極上可以得到一個(gè)是注入電流倍的電流，即集電極電流。集電極電流隨基

7、極電流的變化而變化，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。 4.1.4信號發(fā)射部分 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(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠(yuǎn)紅外線。  紅外線發(fā)射管在LED封裝行業(yè)中主要有三個(gè)常用的波段850NM、875NM、940NM。根據(jù)波長的特性運(yùn)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(shè)備、875NM主要用于醫(yī)療設(shè)備、940NM波段的主要用于紅外線控制設(shè)備。如紅外線遙控器、光電開關(guān)、光電記數(shù)

8、設(shè)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(jié)，正向偏壓向PN結(jié)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(diǎn)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。 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(yīng)用于紅外監(jiān)控照明。紅外線發(fā)光二極管的發(fā)射

9、強(qiáng)度因發(fā)射方向而異。當(dāng)方向角度為零度時(shí)，其放射強(qiáng)度定義為100%，當(dāng)方向角度越大時(shí)，其發(fā)射強(qiáng)度相對的減少，發(fā)射強(qiáng)度如由光軸取其方向角度一半時(shí)，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。 4.2接收部分電路設(shè)計(jì) 4.2.1接收部分框圖圖4-3接收部分框圖 如圖4-3所示，紅外光接收部分由三個(gè)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(dāng)紅外接收管收到信號后，通過電容對信號進(jìn)行濾波放大，之后通過喇叭進(jìn)行音頻輸出。4.2.2接收部分電路圖4-4接收部分原理圖 4.2.3音頻功率放大部分

10、LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)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(diào)為任意值,直至200。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，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(diǎn)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(diào),20-200；低失真度。其內(nèi)部電路如圖4-5所示圖4-5lm386內(nèi)部電路圖 LM386有8引腳的塑料雙列直插式和貼片式。靜態(tài)功耗很低，大約4毫安，可

11、用于電池供電。工作電壓范圍寬,4-12V或5-18V。一些外圍組件。電壓增益可調(diào)20200，失真度較低。LM386引腳圖如下圖所示。引腳2是反相輸入，3為同相輸入端，引腳5是一個(gè)輸出端，引腳6和4分別為電源端和地端，引腳1和8為電壓增益設(shè)置端，接一個(gè)旁路電容在引腳7和與地之間。 盡管LM386的應(yīng)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(diào)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。圖4-6LM386引腳圖 4.2.4信號采集部分 紅外線接收管是將紅外線光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，紅外

12、線接收管為了更多更大面積的接受入射光線，PN結(jié)面積盡量做的比較大，電極面積盡量減小，而且PN結(jié)的結(jié)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(shí)，反向電流很小，稱為暗電流。當(dāng)有紅外線光照時(shí)，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對。它們在反向電壓作用下參加漂移運(yùn)動，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)”。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(gè)電信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。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

13、二極管就是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，光電三極管在將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的同時(shí)，也把電流放大了。因此，光電三極管也分為兩種，NPN型和PNP型。5硬件的測試結(jié)果與分析 5.1硬件的焊接調(diào)試 焊接好硬件后對硬件進(jìn)行調(diào)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。 5.2硬件電路的測試5.2.1發(fā)射部分圖5-1發(fā)射部分實(shí)物圖 發(fā)射部分實(shí)物如圖5-1所示，發(fā)射部分測試過程為接好發(fā)射部分后，開始向話筒輸入口輸入音頻信號，同時(shí)在不同的節(jié)點(diǎn)測試音頻信號，測試點(diǎn)分別在三極管輸入端和紅外發(fā)射頭一段，在實(shí)驗(yàn)室借了示波器，接在三極管輸入節(jié)點(diǎn)時(shí)，能看到完整波形，而當(dāng)接到紅外發(fā)射端時(shí)，波

14、形就有一點(diǎn)失真。 至此，發(fā)射部分測試結(jié)果基本成功。 5.2.2接收部分圖5-2 接收部分實(shí)物圖通過LM386進(jìn)行放大，喇叭接收到的信號音量大了許多，但是，同時(shí)感覺噪音也同時(shí)放大了。此時(shí)開始查找電路的原因，發(fā)現(xiàn)可能是紅外對管沒有對準(zhǔn)的原因，盡量調(diào)整紅外對管，使發(fā)射頭和接收頭盡量對準(zhǔn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，確實(shí)音質(zhì)在對準(zhǔn)時(shí)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喇叭好很多，因?yàn)橐粝渲凶詭У挠懈晟频娜ピ腚娐?，所以就試了一下，發(fā)現(xiàn)有些效果。 至此，初步測試接收電路正常，同時(shí)測試了一下距離大概在兩米左右，可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但是到3m以后噪音就會變大，音量就會變小。6總結(jié) 本

15、次設(shè)計(jì)是用模擬調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)紅外無線語音傳輸，雖然與數(shù)字傳輸方式相比有很多不足，比如傳輸距離方面以及抗干擾方面模擬傳輸都有明顯的弱勢。但是對于控制成本和電路實(shí)現(xiàn)的簡單方面還是有很大的優(yōu)勢的，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)是2m以上的傳輸距離，而用模擬調(diào)制的方式來傳輸就已經(jīng)可以達(dá)到要求，所以相對于這一點(diǎn)來說本次設(shè)計(jì)還是有很強(qiáng)的可行性的。 第一次做紅外線傳感電路時(shí)，很沒邏輯的將發(fā)射和接受裝置焊接在一個(gè)板子上自己固定了兩個(gè)之間的距離，造成實(shí)驗(yàn)的單一性。但是板子在實(shí)驗(yàn)過程中不幸被燒，我們就放棄了這塊板子，另尋出路了。通過上查詢資料，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上有紅外線發(fā)射與接收裝置買，于是直接換了一個(gè)思路，從紅外線對射裝置開始著手，最后成功的做出了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過這次設(shè)計(jì)使我懂得了理論知識和實(shí)踐相結(jié)合是很重要的，是有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在設(shè)計(jì)過程中可以說是困難重重，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)了自己很多的不足，對之前所學(xué)的理論知識掌握的不牢固。參考文獻(xiàn) 1 馬鑫.遠(yuǎn)距離紅外激光無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.天津:天津大學(xué).2008. 2 汪曉峰.電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制音頻處理電路的設(shè)計(jì)J.硅谷.2008. 3 江濤.紅外數(shù)據(jù)通信IrDA及其最新動向J.紅外,1998. 4 馬靜波.基于IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的紅外無線數(shù)字通信及應(yīng)用J.