红外线语音通信实验-实验报告.docx

报告成绩电子电路综合实验报告红外线语音通信实验学生姓名：学 号：1专业年级：指导教师：起止日期：2016年11月2016年12月电气与信息工程学院目 录1 目的与意义22 设计要求23 方案设计23.1 方案一23.2 方案二34 系统硬件设计44.1 发射部分电路设计44.1.1发射部分框图44.1.2发射部分电路44.1.3信号放大部分44.1.4信号发射部分54.2接收部分电路设计54.2.1接收部分框图54.2.2接收部分电路64.2.3音频功率放大部分64.2.4信号采集部分75硬件的测试结果与分析75.1硬件的焊接调试75.2硬件电路的测试75.2.1发射部分85.2.2接收部分86总结9参考文献10附录11附录A 原理电路图11附录B 硬件实物图11 11 目的与意义 随着计算机与信息技术的发展，红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种，当然我认为也是最高效的一种。利用红外线通信是目前使用较广泛的一种通信方式。由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，在彩电之后，录音机、音响设备、空调机以及玩具等其他小型家庭生活电器上也纷纷采用红外线通信技术，不仅通信性能非常可靠，而且能有效地隔离来自其他电器的干扰。目前发展形势迅速，尤其在近距离（室内）无线数据通信中得到了广泛的应用。 在课本和资料中我们可以知道红外线是一种近距离、高速通信的通信方式，对于我们经常使用的一种近距离、室内通信手段,红外线无线通信具有无线电缆无法比拟和超越的优势. 本次设计的的主要内容，用电压放大电路和滤波放大电路对语音采集端的信号进行方法和滤波，通过红外线发射管和电阻组成的发射电路进行发射，接收电路由红外线接收管接收到之后，在进行音频功率放大和电压放大，最后在喇叭端得到语音信号。2 设计要求（1） 红外线单方向传输语音信号（2） 通信距离不小于2米（3） 信号失真要小，能听懂所传语音信息3 方案设计 3.1 方案一 图3-1 调幅通信结构框图 如图3-1所示，调幅通信，将音频信号与载波进行幅度调制，使其带有一定载波特性，又不失音频信号的独特性，接收端通过低通滤波器，还原初始模拟信号。 3.2 方案二 S80500图3-2 V/F、F/V方案示意图 发射部分，语音信号经麦克风转换成电信号，代表语音信号的电信号波形产生大小的变化，将该信号按电压大小转换成调频波（V/F转换），并用此信号调制红外光发射，则红外光信号中包含了经音频调制的频率信号，接收机收到该信号后将其放大、整形，并进行频压转换（F/V转换），转换后的电压中包含了原语音信号的成分，滤除直流成分与高频成分，即可还原语音信号，将此语音信号放大后推动扬声器，即可实现语音信号的传输通信。方案比较： 方案一的调制方法为调幅，但在信号转换传输过程中，信号的幅度很容易受电磁环境影响发生改变，如果这样传输信号，很容易产生信号的失真和混入噪声，方案二采用调频方式，信号传输过程中，幅度容易受到影响，但频率则可以保持稳定，所以传输造成的影响可以忽略。根据以上分析，故采用方案二 方案二中核心器件是F/V与V/F转换器。这可以采用集成运放外接阻容元件构成，但考虑到传输的稳定性与可靠性，拟采用专用集成电路LM386。4 系统硬件设计 4.1 发射部分电路设计 4.1.1发射部分框图 图4-1红外光发射模块子系系统框图 红外光发射部分由三个部分组成，音频信号的输入，之后是过滤放大，再之后是红外发射部分如图4-1所示。音频信号从话筒输入，当收到音频信号后，通过电容对信号进行滤波放大，放大用的是三极管放大，之后通过红外发射管对信号进行发射。 4.1.2发射部分电路 S8050图4-2发射部分原理图 4.1.3信号放大部分 S8050三极管是NPN型三极管，由三块半导体构成，其中两块N型和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧。三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 4.1.4信号发射部分 在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。 红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段850NM、875NM、940NM。根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备、875NM主要用于医疗设备、940NM波段的主要用于红外线控制设备。如红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。红外发射管是由红外发光二极管组成发光体，用红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成PN结，正向偏压向PN结注入电流激发红外光，其光谱功率分布为中心波长830950nm。红外发射头的特点有高发射功率、绝缘性好、抗湿、耐磨；长寿命、高可靠性；镀金引脚可焊性好。 直径3mm,5mm为小功率红外线发射管。而8mm,10mm为中功率及大功率发射管。小功率发射管正向电压：1.1-1.5V，电流20mA。中功率发射管正向电压：1.4-1.65V，电流50-100mA。大功率发射管正向电压：1.5-1.9V，电流200-350mA。1-10W大功率红外线发射管可应用于红外监控照明。红外线发光二极管的发射强度因发射方向而异。当方向角度为零度时，其放射强度定义为100%，当方向角度越大时，其发射强度相对的减少，发射强度如由光轴取其方向角度一半时，其值即为峰值的一半，此角度称为方向半值角，此角度越小即代表元件之指向性越灵敏。一般使用红外线发光二极管均附有透镜，使其指向性更灵敏。 4.2接收部分电路设计 4.2.1接收部分框图图4-3接收部分框图 如图4-3所示，红外光接收部分由三个部分组成，红外信号的接收，之后是滤波放大，再之后是音频信号还原输出。当红外接收管收到信号后，通过电容对信号进行滤波放大，之后通过喇叭进行音频输出。4.2.2接收部分电路图4-4接收部分原理图 4.2.3音频功率放大部分 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合，LM386的特点有静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电；工作电压范围宽,4-12V，外围元件少。电压增益可调,20-200；低失真度。其内部电路如图4-5所示图4-5lm386内部电路图 LM386有8引脚的塑料双列直插式和贴片式。静态功耗很低，大约4毫安，可用于电池供电。工作电压范围宽,4-12V或5-18V。一些外围组件。电压增益可调20200，失真度较低。LM386引脚图如下图所示。引脚2是反相输入，3为同相输入端，引脚5是一个输出端，引脚6和4分别为电源端和地端，引脚1和8为电压增益设置端，接一个旁路电容在引脚7和与地之间。 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。图4-6LM386引脚图 4.2.4信号采集部分 红外线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小，称为暗电流。当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。红外线接收管有两种，一种是光电二极管，另一种是光电三极管。光电二极管就是将光信号转化为电信号，光电三极管在将光信号转化为电信号的同时，也把电流放大了。因此，光电三极管也分为两种，NPN型和PNP型。5硬件的测试结果与分析 5.1硬件的焊接调试 焊接好硬件后对硬件进行调试，用万用表检查电路是否有短路或者断路的情况。确定没有短路焊接的问题后开始测试电路。 5.2硬件电路的测试5.2.1发射部分图5-1发射部分实物图 发射部分实物如图5-1所示，发射部分测试过程为接好发射部分后，开始向话筒输入口输入音频信号，同时在不同的节点测试音频信号，测试点分别在三极管输入端和红外发射头一段，在实验室借了示波器，接在三极管输入节点时，能看到完整波形，而当接到红外发射端时，波形就有一点失真。 至此，发射部分测试结果基本成功。 5.2.2接收部分图5-2接收部分实物图通过LM386进行放大，喇叭接收到的信号音量大了许多，但是，同时感觉噪音也同时放大了。此时开始查找电路的原因，发现可能是红外对管没有对准的原因，尽量调整红外对管，使发射头和接收头尽量对准，结果发现，确实音质在对准时好了许多，噪音变小了。之后，又在网上查了资料，发现用音箱的收听效果要比喇叭好很多，因为音箱中自带的有更完善的去噪电路，所以就试了一下，发现有些效果。 至此，初步测试接收电路正常，同时测试了一下距离大概在两米左右，可以达到预期目标。但是到3m以后噪音就会变大，音量就会变小。6总结 本次设计是用模拟调制的方式来实现红外无线语音传输，虽然与数字传输方式相比有很多不足，比如传输距离方面以及抗干扰方面模拟传输都有明显的弱势。但是对于控制成本和电路实现的简单方面还是有很大的优势的，因为本次设计是2m以上的传输距离，而用模拟调制的方式来传输就已经可以达到要求，所以相对于这一点来说本次设计还是有很强的可行性的。 第一次做红外线传感电路时，很没逻辑的将发射和接受装置焊接在一个板子上自己固定了两个之间的距离，造成实验的单一性。但是板子在实验过程中不幸被烧，我们就放弃了这块板子，另寻出路了。通过上查询资料，发现网上有红外线发射与接收装置买，于是直接换了一个思路，从红外线对射装置开始着手，最后成功的做出了这个实验。通过这次设计使我懂得了理论知识和实践相结合是很重要的，是有理论知识是远远不够的，在设计过程中可以说是困难重重，同时在设计过程中发现了自己很多的不足，对之前所学的理论知识掌握的不牢固。参考文献 1 马鑫.远距离红外激光无线通信系统设计与实现D.天津:天津大学.2008. 2 汪晓峰.电子综合设计实验设备的研制音频处理电路的设计J.硅谷.2008. 3 江涛.红外数据通信IrDA及其最新动向J.红外,1998. 4 马静波.基于IrDA 标准的红外