全国大学生电子设计大赛a.docx

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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

一、方案的选择与论证·························································3

1.整体方案选择·······················································3

2.信号的采集·························································3

3.音频放大芯片的选择·················································3

4.总方案确定·························································4

二、理论分析与计算···························································4

1.通信原理分析···························································4

2.转发器效率提高的方法···················································5

三、电路设计·································································6

1.发射端单元设计··························································7

2.接收端单元设计·························································8

3.总设计图·······························································8

四．测试方案与测试结果·······················································9

1.测试方案·······························································9

2.测试数据·······························································9

3.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：

仪器设备清单·······················································11

附3：

电源电路··························································11

附4:

LM386引脚图及相关说明··············································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：

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：

二．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。

3.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（4.7μ）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。

此外，由于红外发光管的辐射角度有限，因此在设计电路板时需将作用区有叠加地排列。

发射端图如下：

2.接收端单元设计

接收器由光电转换、电源、耳机插孔及音频放大器四大部分组成，接收器电路所示。

经调制的红外信号首先被红外光敏管接收并转换为变化规律和音频信号相同的电信号，相当于经过耦合电容C2（0.22μ）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。

3.总设计图

电路仿真图如下：

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8Ω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压读数。

2．测试数据

a.基本要求部分：

1.0.58V>0.4V，符合要求。

2.0.046V<0.1V，符合要求。

b.发挥部分（中继转发节点）：

1.1.48V>0.4V，符合要求。

2.0.63V>0.1V，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2011

2.刘征宇.电子设计实战攻略.福建：

科学技术出版社2005

3.邱关源.电路.北京：

高等教育出版社2008

4.康华光陈大钦.北京：

高等教育出版社1987

5.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

耦合电容C1（4.7uF）C2（100uF）旁路电容C3（0.01uF）

偏置电阻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=500mA；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LM386

接收管VD

注：

因为电子元器件中没有电阻为620K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的功率。

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T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

LM386小功率音频放大器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脚之间增加一个外界电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200.输入端以地位为参考，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。