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音频红外转发装置
音频红外光通信装置设计报告
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红外光通信装置
二〇一三年九月
红外光通信装置
摘要：
红外通信属于无线通信领域，它以红外线为载体将信息从发射机传到接收机，从而实现遥控或信息传递的功能。
红外通信系统的设计是光通信系统的一个重要分支，红外通信系统的设计思路和目前世界上所采用的骨干通信网的光纤通信系统是有相同之处的，唯一一个非常重要的差别就是它们二者所采用的传输媒质不用，一个是大气，一个则是光纤。
红外数据传输，使用传输介质――红外线。
红外线是波长在750nm～1mm之间的电磁波，是人眼看不到的。
此次设计的红外通信收发系统是由红外光发送模块，中继站和红外光接收模块三部分构成，实现对信号的产生、发送、接收以及实现对信号的滤波消除干扰和功率放大，并绘制原理图生成PCB板，然后实际操作搭建电路板。
语音信号经过运算放大器，送进电流放大器，电流放大器得用晶体管缓冲运放的输出，并进行电流反馈，一般运放驱动能力不行。
然后用输出电流驱动红外线发光二极管。
另一头用红外线接收二极管，上面通过电阻接电源，分压电上取得的电压经过隔直流电容送进运算放大器放大，直接用LM386这样的小功率音频放大器直接驱动喇叭。
关键词：
红外、发送系统、接收系统、消除失真、功率放大
1引言.................................................................................................3
2红外光通信系统.............................................................3
2.1红外光发射模块...............................................................4
2.1.1TL084四运算放大器..............................................................4
2.1.2CD40106斯密特触发器..............................................................5
2.1.3红外发射管.............................................................6
2.2红外光接收模块..............................................................7
2.2.1LM386..............................................................7
2.2.2TL084（红外接受部分）.............................................................9
2.3中继转发装置..............................................................9
2.4指示灯..............................................................10
3电路调试............................................................11
4问题分析.................................................................11
5结论...............................................................12
参考文献.....................................................................13
附录.............................................................................................15
1引言
红外通讯，顾名思义，就是通过红外线传输数据。
在电脑技术发展早期，数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。
于是后来就有了红外、蓝牙、802.11等无线数据传输技术。
红外线通信是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于近距离的无线数据传输，也有用于近距离无线网络接入。
从早期的IRDA规范（115200bps）到ASKIR（1.152Mbps），再到最新的FASTIR（4Mbps），红外线接口的速度不断提高，使用红外线接口和电脑通信的信息设备也越来越多。
红外线接口是使用有方向性的红外线进行通讯，由于它的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以只适合于短距离无线通讯的场合，进行“点对点”的直线数据传输，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。
红外线通讯发展早期存在着规范不统一的问题，许多公司都开发出自己的一套红外通讯标准，但不能与其它公司有红外功能的设备进行红外通讯，因此缺乏兼容性。
自1993年起，由HP、COMPAQ、INTEL等多家公司发起成立了红外数据协会（InfraredDataAssociation,简称IRDA），建立了统一的红外数据通信标准。
一年以后，第一个IRDA的红外数据通讯标准——IrDA1.0发布，又称为SIR（SerialInfraRed），它是基于HP开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式。
通过对串行数据脉冲和光信号脉冲编解码实现红外数据传输。
IrDA1.0的最高通讯速率只有115.2Kbps，适应于串行端口的速率。
1996年，该协会发布了IrDA1.1标准，即FastInfraRed，简称为FIR。
FIR采用了全新的4PPM调制解调技术，其最高通讯速率达到4Mbps，这个标准是目前运用得最普遍的标准，不断提高的速率使红外线使它在短距无线通信领域占有一席之地，而不仅是数据线缆的替代。
2红外光通信系统
系统主要由红外光发射系统，中继站和红外光接收系统三个模块构成，音乐信号通过发送系统转化为光信号发送，通过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再通过喇叭将其重新转化为语音信号，实现红外光通信的全过程。
信号经接收管接收后，接受到的是电流信号，故需要经过一个电阻的压降将其转化为电压信号，再经过放大后输出，才能得到较高的输出功率，驱动扬声器发出合适的声音。
利用音频功率专用放大器LM386，可以得到50～200的增益，足以驱动喇叭得到所需功率。
总体设计电路结构框图为：
图1红外光通信装置方框图
2.1红外光发射模块
话筒的输出信号经过TL084运放加以放大，这里仅用了一级放大器。
为了获得足够的增益，其反馈电阻R3为1M。
语音信号经TL084放大再通过R5加到IC1的输入端1脚时，IC1的振荡器即受到语音信号调制，其规律是语音信号强度增加，IC1振荡器的脉冲占空比降低；当语音信号强度降低时，脉冲占空比增加，结果振荡器的占空比随语言信号变化而变化，且成比例关系，达到调制目的。
该调制脉冲加到IC2（CD40106反相器之一）进行缓冲隔离后去激励红外发光二极管D1--D3，由它发射调制红外光束。
电路中的R1为VD2的限流电阻。
图2红外光发射模块原理图
2.1.1TL084四运算放大器
性能参数：
双列14脚封装，高阻输入结型场效应输入，电压反馈型运算放大器，工作电压=+18V或-18V，静态电流=1.4mA，输入偏置电流=30PA，转换速率=16V/us，功耗=680mW，增益带宽=3MHz，输入失调电压=2~5mV。
此电路为电压并联负反馈电路，利用“虚短”，“虚断”的概念，
=
.通过计算得到：
所以
。
由于MK1是麦克风，可以看做一个恒流源即电流为
。
即
（不考虑正负）。
图3TL084引脚接线图
2.1.2CD40106斯密特触发器
图4施密特触发器接线图
施密特触发器又称施密特反相器，是脉冲波形变换中经常使用的一种电路。
它在性能上有两个重要的特点：
（1）输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平。
（2）在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。
利用这两个特点不仅能将边沿缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效的清除。
第一个触发器的作用是与RC一起工作产生自激振荡，得到调制脉冲。
第二个触发器的作用是叠加一个约38KHZ频率的基波组成整形电路，对信号进行缓冲和隔离。
CD40106与RC搭建，组成反向放大器，再经CD40106反向，将输入信号放大。
图5CMOS施密特触发器逻辑符号及施密特电路的电压传输特性曲线
2.1.3红外发射管
图6红外发射管接线图
图中PNP三极管起到开关的作用压降
，为了是信号传输的距离足够远，我们需要增加信号强度，由于此电路不可以调节信号脉冲比，我们只能通过限流电阻
调节红外发射管中的电流来时增加发射功率。
其中
。
所以
即
2.2红外光接收模块
图7红外光接收模块原理图
为了能接收到更多更强的信号，图中的红外接受管可能增加两个或三个，使用第一个TL084集成运放，将红外接受管接受到的信号放大，同时使用RC电路超前补偿方法消除自激振荡，解调语音信号。
2.2.1LM386
为了是音乐信号幅度足够大能清晰的被人们听到也为了驱动喇叭或音响我们使用LM386，一种音频集成功率放大器，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。
（1）特性：
静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；
工作电压范围宽，4-12Vor5-18V；
外围元件少；
电压增益可调，20-200；
低失真度；
1脚和8脚是增益调整引脚，其内部为一个约为1.35K的电阻，1，8脚开路的时候，增益最小约为20倍（26db），当1，8脚交流短路，增益最大，达到200倍（46db），在1，8之间串联电阻，可调整增益在20倍到200倍之间变化。
此设计图中LM386的1,8引脚开路，即增益为20倍。
具体的计算公式可参考如下：
GAIN=30000/（150+（（1350*R）/（1350+R）））；其中R为1，8脚之间串联的电阻，单位为Ω，
图8LM386引脚接线图
（2）内部工作原理：
LM386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。
2.2.2TL084（红外接受部分）
在上述2.1.1节中已经介绍过TL084运算放大器，在此电路中U3D和RC电路结合使用，可以充当滤波器的作用，滤除电路中的噪声是音乐信号可以更清晰的播放，同时开可以放大电路的电流，增强语音信号的强度。
U3B放大器和U3C跟随器两者结合组成双向反相器，先将信号反向并放大，同时滤除杂音，在进过跟随器反向，得到正的信号，就像“负负得正”的道理一样。
一个完整的电路中一般需要好多个运算放大器，因为在电路中信号进过各个电线，点器件等都会有所损耗，所以在对信号进行处理的同时也要不断的对信号进行相应的放大，只有这样，送入电路的语音信号才不会因为电路损耗而逐渐衰减到输出电路无法还原原始语音信号。
图9TL084三级放大接线图
2.3中继转发装置
设计中制作了一个红外光通信中继转发节点，以改变通信方向90°，延长通信距离为2m。
图10红外光通信中继转发装置方框图
工作原理：
在2.2.1节中我们已经介绍了LM386的特点及工作原理，这里就不再详细介绍了。
语音信号发出后，连接红外发射装置电路，红外光发射模块在2.1节中已经做了详细介绍，这里就不在介绍了。
由红外发射管发射信号，红外光被中继转发装置接受，下图中在操作演示时需要把CK相应两点连接起来。
信号经过中继转发装置，经过一系列的放大、整型、滤除噪音、失真调节等处理，通信方向被改变90°，再由红外发射管发射出去，在2米外放置一个红外接受装置，准备接受被改变了90°的信号。
红外接受模块在2.1节中也已经做了详细介绍，这里不再介绍。
图11中继转发电路图
2.4指示灯
当接收装置能接收发射端发射的信号时，根据LM324运放的工作原理可知，当
>
时，运算放大器工作，引脚1输出为正，即
。
同理可得
>
带动U1BLM423同时工作，继续放大，增大信号强度，引脚7输出为正，通过电阻产生电流，流过发光二极管，使LED等发光。
（引脚4接+15V,引脚11接-15V）
图12LED灯工作电路图
3.电路调试
在发射部分对静态工作点要进行调试，使红外管有合适的驱动电流。
可以按照一般的三极管放大电路的调试方法来调试静态工作点，保证红外管得到足够的驱动。
然后进行交流调试，将信号发生器产生的正弦信号接入输入端，用示波器同时监测输入输出信号。
保证输出信号不失真无干扰。
接收部分主要的功能是放大功率，所以必须进行增益调节。
去掉红外接收管，加一个正弦小信号，喇叭用8欧左右的电阻等效替代，调节10K的可变电阻改变接收端的增益，确保不是自激信号或干扰信号。
在分级调试完成的基础上进行整体调试。
接好直流偏置电源，用由信号发生器产生的单一频率正弦信号来测试。
将1000 HZ的正弦信号接到前级输入端，将光接收管朝向发光管的方向，用示波器监测后级输出端的信号，以输出信号无失真无干扰且有足够的幅度为标准，如果达不到此标准，则应仔细检查电路，重新调试。
必要时要分级重调，更改元件规格或更换元件。
直至达到标准为止。
此过程为该设计的重点部分。
通过几部分电路的配合，最终可以实现红外线的产生，发射，与接收显示等功能。
而由于信号的强弱还与发射管，接受管所处位置（角度及距离）有关，所以实验时如果角度选择不当，很有可能接收不到红外线，而当发射与接收电路相距较远时，接收到的信号会比较弱，所以调试过程中还要注意角度与距离的选取。
系统调试原则：
根据电路原理先调制各单元电路，然后再整机调试。
（1） 测量出输入调制信号的波形；
（2） 测量出红外发射驱动电路的输出波形和红外管中的电流；
（3） 测试解调电路的输出波形
（4） 整机调试。
4.问题分析
（1）红外发射管的信号有失真
电位器起改善波形的作用，在调节电位器仍不能达到不失真要求的话，解决方法，使振荡电源输出端的信号值减小，可以看见发射端信号的失真度减小，并更换三极管射极端的电阻值。
（2）整体调试时，后级无信号或信号很微弱
原因是前级电路对红外管的驱动能力不够，发光管发射功率不足。
提高驱动电流，使发光管发射功率增大。
由于本设计只是模拟红外传输及接收的最简单装置，所以传输必须需要一定的角度，在某些角度接收的信号比较强，并且接收电路需要变阻器在某个特定的阻值刚好能够实现匹配功能。
5.结论
这次整个设计让我收获颇丰，让我认识到理论知识和实践操作之间存在着很大的不同，很多时候觉得理论上没问题的地方却存在很大的问题，往往需要根据实际情况的不同采取不同的措施进行改进，而自己在实际操作能力这方面还有很大的不足，对器件的运用不熟悉，常见的经验积累不够等，这些能力自己在以后的学习中都应该加强培养，同时还应该虚心的请教老师和同学。
通过实践，对红外发射接收原理有了自己的认识，还提高了动手能力，学会了焊接芯片，更锻炼了不惧困难，不放弃，团结合作的品质。
这些收获都是宝贵的，相信对于我以后的学习生后都会起到良好的推动改进作用。
参考文献：
【1】模拟电子技术基础（第四版）.童诗白，华成英主编.北京：
高等教育出版社，2006.5
【2】电力电子技术（第5版）.王兆安，刘进军主编.北京：
机械工业出版社，2009.5
【3】数字电子技术基础.杨志忠主编.高等教育出版社.2004
【4】电路（第五版）.邱关源主编.高等教育出版社,2006.5
【5】通信原理（第6版）.樊昌信,曹历娜主编.国防工业出版社,2012.1
【6】数字信号处理（第二版）.吴镇扬主编.高等教育出版社，2010.
【7】刘凌云;红外光调制语音传输系统设计[J];十堰职业技术学院学报;2011年04期
【8】电子CAD技术.姚四改主编.清华大学出版社,2011.10
【9】高频电子线路（第二版）.曾雯兴主编.高等教育出版社，2010.11
附录
元器件清单：
元件
数量
红外管接受管
8
红外光发射管
8
CD40106施密特触发器
2
电阻
若干
PNP型三极管
1
电容
若干
LM386
2
TL084
5
LM324
2
LED
1
焊接板
3
升级会员 