紅外音頻傳輸裝置競賽報告

PAGE21第七屆電子基本技能競賽實驗報告競賽題目：紅外無線音響裝置的設(shè)計隊名：The海隊員：馮明宇，符裕桑，吳淑花所屬學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院摘要紅外線是可見光譜中位于紅色光之外的光線，盡管肉眼看不到這種光線，但利用紅外線發(fā)送和接收裝置卻可以發(fā)送和接收紅外線信號，實施紅外線通訊。利用紅外線通訊無需連線，只需將兩設(shè)備的紅外線裝置對正即可傳輸數(shù)據(jù)。紅外線通訊方向性很強，適用于近距離的無線傳輸。利用紅外線來傳送音頻信號，這是一種紅外線無線光通信電路。目前，這種通信方式主要應(yīng)用于室內(nèi)，如構(gòu)成無繩電話及無繩耳機系統(tǒng)等。紅外線的傳輸距離雖然不遠，但應(yīng)用于辦公室和家庭已綽綽有余。由于可免去布線的麻煩。本設(shè)計它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、無干擾、噪聲低等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：紅外音頻傳輸目錄駐極體話筒放大電路…………………4紅外音頻發(fā)射接收模塊設(shè)計………51.紅外音頻發(fā)射模塊…………………...52.紅外音頻接收模塊……6系統(tǒng)功能單元模塊設(shè)計………………101.信號監(jiān)測模塊…………………...102.頻率測量和顯示模塊………113.音量指示燈模塊……………17電路調(diào)試與測試果……18總結(jié)……………………19參考文獻………………19附錄：作品實物一，駐極體話筒放大電路1.1電路圖設(shè)計圖1.1駐極體話筒放大電路由于駐極體話筒拾取的音頻信號是很小的，因此需要加放大電路，在這電路中，我們用了共射放大電路，用于音頻信號的放大，其放大的倍數(shù)可等效于等于R3/R4=4,7k/470=10圖1.2放大波形二，紅外音頻發(fā)射接收模塊設(shè)計1.紅外音頻發(fā)射模塊1.1電路設(shè)計圖圖1.3紅外發(fā)射電路圖1.2電路元件介紹C11：隔直流通交流，用于耦合音頻信號C12C13：電源旁路電容R12R11:偏置電阻，控制基極電流，調(diào)節(jié)發(fā)射功率，R11為固定電阻。用于防止R12調(diào)節(jié)不當(dāng)，使VT毀壞VT11:用于放大電流，驅(qū)動紅外發(fā)射管R13:作限流電阻，防止VD毀壞VD:紅外發(fā)射管，對音頻信號的幅度大小同步調(diào)制，轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外信號發(fā)送出去.導(dǎo)通電壓1.8-2v工作電流10ma1.3電路原理發(fā)射部分由5V電源提供，音頻信號經(jīng)過鑒頻后，由VT11放大后通過紅外發(fā)射管發(fā)射，調(diào)節(jié)可變電阻可調(diào)節(jié)基級電流，控制發(fā)射功率，但發(fā)射功率不能調(diào)過大，以免燒壞VT或二極管。C11是發(fā)射器的核心；當(dāng)音頻信號輸入時，經(jīng)耦合電容C11（4.7μ）的隔直作用后會在VT11的基極加上一組和音頻信號一樣變化的電流，在由VT11的放大作用，驅(qū)動紅外發(fā)光管。使其對音頻信號的幅度大小同步調(diào)制，轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外信號發(fā)送出去。2.紅外音頻接收模塊2.1電路圖設(shè)計2.2電路元件介紹R21:紅外接收管的偏置電阻，靜態(tài)時，為紅外接收管提供工作電流C21：耦合電容C22：lm386的旁路電容C24:濾波電容C25:耦合電容C23:lm386增益電容，為10uf時，增益為200Lm386:音頻集成功放揚聲器：0.5瓦8歐2.3電路原理紅外接收器由光電轉(zhuǎn)換、電源、音頻放大器及揚聲器四大部分組成，接收器電路如圖所示。經(jīng)調(diào)制的紅外信號首先被紅外光敏管接收并轉(zhuǎn)換為變化規(guī)律和音頻信號相同的電信號，相當(dāng)于經(jīng)過耦合電容C21（0.22μ）隔直作用后，再由LM386音頻集成功放放大，放大倍數(shù)約為200。2.4電路調(diào)試紅外接收管VD在電路中需要反置，VD再受到光作用時，方向電流約為20ua，R21為紅外接收管VD的偏置電阻，靜態(tài)時為VD提供靜態(tài)工作電流,6v電源供電，靜態(tài)時應(yīng)使VD偏置在3v左右，根據(jù)公式R21=(6-3)v/0.02ua=150k左右，由于紅外接收管參數(shù)的區(qū)別，因此接收電路中R21應(yīng)取470k電阻器用于調(diào)節(jié)紅外接受管接收信號的靈敏度2.5LM386的功能介紹2.5.1LM386的功能介紹LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。2.5.2LM386內(nèi)部電路LM386內(nèi)部電路原理圖如圖2所示。與通用型集成運放相類似，它是一個三級放大電路。第一級為差分放大電路，T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負(fù)載；T3和T4信號從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益。2.3.3LM386的引腳圖LM386的外形和引腳的排列如下圖3所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10μF。2.5.3集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)集成功率放大電路的主要性能指標(biāo)除最大輸出功率外，還有電源電壓范圍、電源靜態(tài)電流、電壓增益、頻帶寬、輸入阻抗、輸入偏置電流、總諧波失真等。靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電。

工作電壓范圍寬,4-12Vor5-18V。

外圍元件少。

電壓增益可調(diào),20-200。

低失真度。LM386電源電壓4--12V，音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的，它的電源電壓范圍非常寬，最高可使用到15V，消耗靜態(tài)電流為4mA，當(dāng)電源電壓為12V時，在8歐姆的負(fù)載情況下，可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。3.紅外音頻發(fā)射接收總體電路設(shè)計3.1紅外音頻信號發(fā)射接收設(shè)計圖圖1.5紅外發(fā)射接收原理圖三．系統(tǒng)功能單元模塊設(shè)計1.信號監(jiān)測模塊1.1電路圖設(shè)計圖1.6信號監(jiān)測電路1.2電路元件介紹lm393:為電壓比較器R31R32R33R34:為偏置電阻，為U2A提供偏置電壓，RV:用于調(diào)節(jié)電壓差C32:為U3A同相輸入端提供基準(zhǔn)電壓R35:為上拉電阻，使lm393能夠輸出高電平

R37:為限流電阻D1:用于整流，C33:濾波1.3電路原理：R31R32R33R34R37為U2A提供偏置電壓，反相端電壓=((R32+RV)/(R31+R32+R3V))*US同相端電壓=(R32/(R32+R34))*Us反相偏置電阻大于同相偏直電阻，因此U2A的輸入端存在電壓差，且無信號輸入時反相偏置電壓大于同相偏置電壓，U2A輸出低電平，U3A輸出高電平，電源電壓經(jīng)R37加載在led上，驅(qū)動led發(fā)光，實現(xiàn)無信號輸入時指示燈亮起。而當(dāng)有信號輸入時，當(dāng)輸入的信號幅度大于U2A存在的電壓差時，由于交流信號作用，(當(dāng)有交流信號時，隨交流波動,有時（正半周）高，有時（負(fù)半周）低)1腳輸出方波，高電平時C2充電，低電平時D1阻止放電，C2高電平，7腳輸出低電平，拉低了輸入的電源電壓，使led滅。)U2A會輸出一個方波，經(jīng)D1整流成直流向C33充電，因C33放電作用，U3A為高電平，U3A輸出低電平拉低LED電壓，使led滅起，實現(xiàn)有信號指示燈亮起。(2)注意事項：電路中R37為限流電阻，通過R37的調(diào)節(jié)，可適當(dāng)加大減小R37阻值，改變指示燈的亮度，但由于lm393的最大灌輸電流為16ma根據(jù)電流計算公式I=(6-2)/250=16ma，因此R37的取值不能低于250歐1.4.電路調(diào)試電路中RV用于調(diào)lm393電壓比較器輸入存在的電壓差，只要調(diào)當(dāng)話筒無音頻信號輸入時，電路指示燈亮起，有信號輸入時，電路指示燈熄滅即可2.頻率測量和顯示模塊2．1簡述本設(shè)計主要運用數(shù)字電路的知識，由NE555構(gòu)成時基電路，CD4017構(gòu)成控制電路，CD40110組成閥門控制電路和74ls160組成計數(shù)鎖存譯碼顯示電路。從單元電路的功能進行劃分，該頻率計由四大模塊組成，分別是時基電路、控制電路（鎖存及清零），門控電路和計數(shù)電路。計數(shù)電路計數(shù)電路時基電路控制電路門控電路時基電路控制電路門控電路被測信號被測信號2.2整體電路及單元模塊電路設(shè)計2.2.1整體電路圖設(shè)計圖1.7頻率測量及顯示電路2.2.2單元模塊電路設(shè)計及原理1.時鐘電路電路如圖所示，由NE555構(gòu)成的震蕩電路，在555震蕩電路中，電容C1進行充、放電，。加上D1，使C1充電主要通過D1進行，放電則通過R7進行，這使方波脈沖的占空比有一個合理的限定作用；555的3腳輸出振蕩脈沖，調(diào)節(jié)5k電位器可校準(zhǔn)1hz時鐘信號。其中LED為黃色發(fā)光二極管，用于指示頻率根據(jù)頻率公式：

f=1.443/(R6+2*R7)*C；R6是10K串聯(lián)了5K的可變電阻，可變電阻阻值取調(diào)節(jié)中點，也就是2.5K，單位是歐姆，所以R6=12.5K=12500（歐姆）；

R7=1K=1000（歐姆）；

C=100uF=0.0001F代入公式：f=1.443/(R6+2*R7)*C

=1.443/（12500+2*1000）*0.0001=1.443/（12500+2000）*0.0001

=1.443/14500*0.0001

=1.443/1.45

=0.995（秒）

用可變電阻RW可以精確調(diào)節(jié)到1秒。圖1.8時鐘電路圖1.9時鐘信號2.計數(shù)、顯示電路此電路由四個74LS160十進制計數(shù)器構(gòu)成，四個160芯片接成10000進制計數(shù)器，用來對0—9999Hz的頻率進行計數(shù)；74LS160芯片自身有計數(shù)和保持功能，只要通過邏輯電路輸入相應(yīng)的控制信號，就能實現(xiàn)計數(shù)和鎖存功能。電路中，當(dāng)clk端有脈沖信號到來時計數(shù)器開始計數(shù)，然后輸出到譯碼器，當(dāng)R端有清零信號來時，計數(shù)器會進行清零。邏輯控制電路圖2.0邏輯控制電路NE555等構(gòu)成頻率為1Hz的振蕩信號，由其3腳輸出經(jīng)非門反相后，作為控制信號加到CD4017的CP輸入端，產(chǎn)生時序控制信號，從而實現(xiàn)1s內(nèi)的脈沖計數(shù)（即頻率檢測）、數(shù)值保持及自動清零。從下圖可以看出，當(dāng)非門輸出端輸出第一個高電平脈沖時，這個脈沖使得CD4017的Q0輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖?；在CD4017的CP輸入端輸入的第二個脈沖信號到來之前，Q0將一直保持高電平狀態(tài)。在Q0輸出高電平時,由CD4011組成的“與”門控制電路打開，從U15B與非門的另一端輸入的被測信號就可以通過“與”門控制電路，進入到U15C與非門的輸入端，進行脈沖計數(shù)。通過調(diào)節(jié)電位器調(diào)整NE555的振蕩頻率，使得Q1輸出高電平的持續(xù)時間為1s，那么在1s內(nèi)的計數(shù)累計的計數(shù)脈沖個數(shù)，即為被測信號的頻率。圖2.1示波器波形4.頻率顯示電路當(dāng)U16B與非門輸出第二個脈沖信號時，CD4017的Q0輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，Q1輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖健0輸出端的低電平使“與”門控制電路關(guān)閉，此時由U15B的另一腳輸入的被測信號就不能通過，計數(shù)器不工作。因此，當(dāng)?shù)?個脈沖出現(xiàn)時，數(shù)顯計數(shù)器停止計數(shù)。在第4個脈沖到來之前，Q0輸入端保持低電平，因此可實現(xiàn)1秒測量，2秒顯示。5.計數(shù)及顯示清零電路當(dāng)?shù)谌齻€脈沖來到時，Q1端變?yōu)榈碗娖剑琎2端輸出高電平，但是由于Q3端與CD4017清零端MR相連接，這個高電平信號使CD4017清零，Q0,Q1,Q2端全變?yōu)榈碗娖?。CD4017的Q2輸出端出現(xiàn)的瞬時高電平信號通過U15D加到四片74LS160計數(shù)器的清零端R，使計數(shù)器及數(shù)顯清零，以便下次重新計數(shù)。6.頻率計音頻信號放大電路由于交流信號的幅度要達到頻率所計所能測的最小幅度時，才能被頻率計所測量，因此需要在揚聲器音頻輸出端加音頻信號放大電路，使音頻信號的幅度加大，原理圖如下3.音量指示燈模塊3.1電路圖設(shè)計圖2.2音量指示電路3.2電路元件介紹RV1*：調(diào)節(jié)輸入信號大小C41C42D411D42：組成貝壓整流電路，用于音頻信號增倍R5-R84.7k：限流電阻D42-D46:實現(xiàn)管壓差VT1-VT4：相當(dāng)于開關(guān)，控制led亮滅3.3電路原理此電路主要利用了三極管的開關(guān)特性，從而實現(xiàn)隨著輸入音頻信號的越大，三極管導(dǎo)通的個數(shù)越多，led被點亮的個數(shù)也就越多，因此可以用于指示系統(tǒng)音量的大小。其電路原理是：電路中R18用于改變輸入音頻信號的大小，可用于調(diào)節(jié)指示燈的靈敏度，R5-R8用于三極管的限流，其取值是經(jīng)驗值，需要根據(jù)調(diào)試情況取值，經(jīng)過本電路調(diào)試，R5-R8適合取4.7k，也可以4.7k為基準(zhǔn)值，根據(jù)實際電路調(diào)試情況，適當(dāng)增加或減小其取值，以調(diào)節(jié)led亮度，但注意其取值不能過小，否則會因電流過大而使三極管燒壞，也不能過大，否則會使在音頻信號足夠大情況下，也無法使最后一路的三極管導(dǎo)通，c11D7D1C15構(gòu)成二倍貝壓整流電路，從揚聲器輸入此電路的交流音頻信號經(jīng)過二倍貝壓整流電路后，能夠變?yōu)橹绷?，且直流音頻信號電壓值得到增倍，然后加載在三極管上，當(dāng)加載在三極管上的音頻信號使三極管導(dǎo)通后，與三極管基極所在同一路的led接地，從而形成回路，從而使電源電壓驅(qū)動led發(fā)光，因此利用此原理能夠使多路led能動態(tài)的顯示電路音量的大小本電路重點保證各路LED電路之間有一定的電壓差，才能實現(xiàn)LED亮的個數(shù)表示音量大小，為了實現(xiàn)電壓差，我們想到了用使用二極管，二極管主要有硅管和鍺管，硅管的導(dǎo)通電壓為0.7v，而鍺管的導(dǎo)通電壓為0.3v，考慮到輸入電路的音頻信號的大小，和為了能夠在電路中使用多路led，因此在此電路中我們使用導(dǎo)通電壓只有0.3v鍺管來實現(xiàn)多路led間存在的電壓差四，電路檢測與調(diào)試4.1電路檢測檢查電路是否接錯，如果接錯應(yīng)進行拆焊，然后根據(jù)原理圖將焊錯的元器件正確的焊接到電路板上,同時應(yīng)注意二極管的正負(fù)極有沒有接反，三極管的各個管腳有沒有接錯等，然后用萬用表逐個認(rèn)真細(xì)致的檢測各焊點的電流情況，看有沒有出現(xiàn)虛焊和元器件損壞現(xiàn)象。4.2紅外發(fā)射接收電路調(diào)試電路檢測沒問題后，發(fā)射部分調(diào)節(jié)可變電阻R1使VT的靜態(tài)電流在30mA左右，先使發(fā)射管和接收管靠近，看是否能通過揚聲器聽到清晰的聲音；然后將發(fā)射管和接收管逐漸遠離至1米，若仍能清楚的聽到聲音卻不失真，證明紅外發(fā)射接收管工作正常。4.1.2監(jiān)測信號電路調(diào)試調(diào)節(jié)RV，使信號檢測靈敏度適當(dāng)，使話筒有信號輸入時，指示燈不亮