2013全国大学生电子设计大赛a

1、2013全国大学生电子设计大赛a题目名称：红外通信装置（F题）摘要：红外通信的实质就是将音频信号经音频插孔输入电路，音频信号经三极 管放大后推动红外发射管，接收端经音频放大集成电路LM386放大后经C1耦合至IC进行放大，由于IC具有功率放大能力，可供耳机收听。红外通信装置利 用红外发光管和红外接收管作为收发装置，达到语音的输入、传输及接收，我 们以MP3为信号源，利用红外发射管、红外传输、红外接收管及以LM386为核心的音频放大电路来实现目标。本系统是基于红外光通信原理，代替传统的电 流电压的传输，实现了基于红外光对语音的传输及放大功能，LM386的使用减小了系统的失真度结果显示，我们确实实

2、现了语音信号的发射、传输、接收， 但是输出信号出现了一定程度的失真，噪音，通过对电阻的调试、修改，使放 大增益达到合适范围，最终以较理想的输出信号达到了设计要求。关键字：红外通信；语音；放大目 录一、方案的选择与论证31. 整 体 方 案 选择32. 信号 的 采集33. 音频放大芯片的选择34.总方案确疋4-二-、理论分析与计算41.通信原理分析42.转发器效率提高的方计61. 发射端单元设计72. 接收端单元设计83. 总设计图8四测试方案与测试结果91. 测试方案92. 测试数据93. 测试结果分析9五结论9参考文献10附录-10附1:器 件 清 单 及 详 细 参数10附2:仪器设备清

3、单11附3:电源电路11附4:LM386引脚图及相关13一 方案的选择与论证1. 整体方案选择方案一：语音作为模拟信号，以 At89c52单片机为核心基础的数字转化语音 处理，传递，因受到语音识别时间长，失真度大，此种方法对我们来说实现起 来比较困难。方案二:以所学模电与数电知识为基础，实现起来比较容易，连接线路方便简 洁，使电路简单明了，而且处理以语音输入的信号比较方便，失真度比较小。所以我们选择方案二作为红外光通信装置的实现方式。2信号的采集方案一：以耳麦直接采集语音作为信号的输入，由于个人问题，区域问题，语 音音量问题造成采集到的信号断断续续，音质不好，影响实验结果，失真度明 显。方案二

4、：以MP3作为信号的输入，音质好，音量大小可调，可以持续输出,对实验结果的影响较小。所以我们选择方案二作为我们的信号采集源3.音频放大芯片的选择方案一：运用普通芯片（例LM358取得的放大效果不太好，而且失真度比较 大，不适于音频放大。方案二：LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、 电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用 于录音机和收音机之中。所以我们选择方案二作为我们后续电路的音频放大电路。4.总方案确定经过以上论证我们确定总体设计方案框图如下:1 理论分析与计算1.通信原理分析红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的

5、媒体。发送端 将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。 接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电 路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信 号调制的脉宽调制（PWM和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时 调制（PPM两种方法。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用 红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。具有以下特点：（1）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换 实现无线的数据收发；（2）主要是用来取代点对点的线缆连接；（3）新的通讯标准兼容早期的通

6、讯标准；（4）小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直 线数据传输，保密性强；（5）传输速率较高，目前 4M速率的FIR技术已被广 泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。2. 转发器效率提高的方法压缩数据，调制信号，增大光脉冲幅度把模拟信号转化数字信号，有选择地对某些信号转发，而对其他信号屏蔽，这 样就避免了转发器之间互相转发和任意信号源都转发的混乱现象，保证了信号 转发的准确性，提高转发器的效率。三. 电路设计1.发射端单元设计C1是发射器的核心；当伴音信号加在图 2中的A、B点时，经耦合电容C1（4.7卩）的隔直作用后会在8050的基极加上一组和音频信号一样变化的电流，在由8050的

7、放大作用，驱动两红外发光管。使其对音频信号的幅度大小同步调制， 转变为红外信号发送出去。由于每只红外发光管的正向压降均为 1.15V，发射功 率都小于100mW，将两只红外管进行串联的目的在于提高红外线的发射功率。此相同的电信号，相当于经过耦合电容C2 （0.22卩）隔直作用后，再由LM386放大后再由路解调并还原为音频信号。接收部分原理图如下图所示。J 3QM J耐ICiMKJNCwrgeHU耶”3.总设计图电路仿真图如下:TWu5 - 二11F?I.” C4QzriF.1r呱1C1Q左为发射部分电路原理。鉴频后的音频信号经三极管VT8050放大后推动红外发射管。由于发射管的发射强度与通过其

8、电流成正比，所以VD1 VD2所发出的红外光，便受到音频信号的调制。为了防止失真，VD1 VD2要设一定的偏置。右是接收部分原理图。其电路采用一块音频放大集成电路LM386 VD为红外线接收管。当被音频信号调制的红外光照射到VD时，在其两端产生一个与音频信号变化规律相同的电信号，经C1耦合至IC,进行放大。由于IC具有功率放大作用，所以可同时供1-4副耳机收听。4.调试将发射器与接受器的电子元器件两块印刷电路板上，安装时调节发射部分 三极管VT1的静态电流在30mA左右，接收部分只要安装无误，不需要调试即可工作。发射管的排列图红外线发光二极管在安装时，要考虑其辐射区范围，由于红外发射管的辐射

9、角一般在60度左右，所以安装时要使它们的辐射空间范围有一部分重叠，如图 所示。发射部分、接收部分经调试后，都没有出现什么错误，即可发射音频信号 并在3米远处接收到信号，只是接收到的信号声中有一些杂音。另外,调试的过程中还发现，在使用该音频信号红外转发器时最好将日光灯 关闭，否则可能会有干扰杂音出现。四. 测试方案与测试结果1 .测试方案a. 发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8Q电阻负载上，接收装置输 出电压有效值。b. 不改变电路状态，减小发射端输入信号至0 V,采用低频毫伏表（低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端不大于10Hz、高端不小于1MHZ测量此时接收装置输出端噪声电

10、压读数。2 .测试数据a. 基本要求部分：1.0.58V0.4V，符合要求。2.0.046W0.1V，符合要求。b. 发挥部分（中继转发节点）：1.1.48V0.4V，符合要求。2.0.63V0.1V，不符合要求。注：篇幅限制，数据均为多次测量求平均值3、测试结果分析a. 基本要求部分完全符合题目要求，传输语音音质清晰动听，噪声低，有效距 离达至3m,且有指示灯显示当前接通状态，通则亮，不通则不亮。b. 发挥部分的中继转发节点有一数据不符合要求，输入信号的幅度降至0V,接收装置输出端噪声电压大于要求的0.1V，噪声还是比较大，经分析应该是中转将衰弱的信号增强同时，也将噪声同时放大，噪声、语音叠

11、加才会出现这个结果。不过语音无明显失真，依然清晰可闻。五、结论由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好 地达到了题目要求的大部分指标。参考文献：1. 黄智伟.常用电路模块制作.北京：航天航空大学出版社 20112. 刘征宇.电子设计实战攻略.福建：科学技术出版社20053. 邱关源.电路.北京：高等教育出版社20084. 康华光 陈大钦.北京：高等教育出版社19875. 李清泉.红外线转发器的制作J.家用电器科技，1995.3附录：附1：器件清单及详细参数：1. 发射部分用到的元器件及相关参数旁路电容C3(0.01uF)耦合电容 C1(4.7uF) C2(100uF)偏

12、置电阻R(310) 电阻R2(100) 三极管VT8050发射管VD1和VD2注：三极管VT应选用8050中功率管，PCM=300mW, ICM=500m； R2的功率不 小于1/4W;因为调试时是要求三极管 VT的静态电流为30mA左右的，则R1应选 用可调电阻；红外发射管的辐射角一般在60度左右，所以安装时要使它们的辐射有一部分重迭。2. 接收部分用到的元器件及相关参数电阻 R1(510K) 电阻 R1 (100K)C1(0.22uF) C2(10uF) C3(100uF)旁路电容C4(0.1uF)耦合电容C5(100uF)电容 C6(0.1uF) 电容 C7(100uF)音频放大集成电路

13、LM386接收管VD注：因为电子元器件中没有电阻为 620 K的电阻，所以在焊接电路时要用到将 电阻分别为550K的电阻和100K的电阻串联以构成620K的电阻；VD为红外线 接收管，它不能用光二极管，以防止可见光干扰影响接收的效果；此外应选用 音频放大集成电路LM386以实现音频信号的转化。附2:仪器设备清单1.数字万用表2.可调电源3.低频毫伏表4.信号发生器 5.扬声器附3:电源电路可调电源原理图正负6V电源原理仿真图附4:LM386引脚图及相关说明LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式LM386的功能LM386是 一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范

14、围 大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386的引脚图图中引脚2为反相输入端，3为同相输入端，引脚5为输出端；引脚6和4分别 为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端。如果在对增益要求不高时它可直 接去掉，此时的增益内置为20.LM386电源电压4 12V,音频功率0.5W, LM386音响功放是由NSC制造的， 它 的电源电压范围非常宽，最高可使用到 15V,消耗静态电流为4mV当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百 mW勺功率。它的典型输入阻抗为 50K.LM386内部电路原理图LM386内部电路原理图如上图所示。与通用型集成运放相类似，它是

15、一个三级放 大电路。第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电 路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号 从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用 镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双 端输出电容的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。 二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到