基于MCU的新型音頻信號傳輸實驗儀的設計與實現

許 豪 ， 朱永虎 ， 曾 杰 ， 孫 立 ， 杜 柯

（1.南京航空航天大學 理學院，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 211100）

20世紀90年代以來，光纖通信系統在全球范圍內得到了很大的發展，并引起了通信領域的一場變革。并且光纖通信遠遠優于其他通信系統，光載波的頻率在約100 THz的數量級，使得其信息容量比微波系統高出10 000倍，調制帶寬可以達到約1 Tbps的量級，正是由于光通信系統具有如此巨大的帶寬潛力，才使得人們不斷研究和開發光通信系統[1]。

本文是普通高等工科類學校中，基礎性實驗教學科目所研制的 《音頻信號光纖傳輸實驗儀》創新實踐項目，是對原有同類型實驗教學儀器進行一次全新的技術性能的改進與綜合性使用功能的提升，實現了全數控、高可靠、多輔助配置等設計目標，獲得了更加準確、一致、穩定的實驗效果，使得儀器的使用壽命增加，促使維修成本和實驗教學的管理成本降低，完善與提高了實驗教學的相關要求。

1 儀器的基本構成

儀器主要由光纖、光發送器、光接收器以及相關接口電路等構成。其中，光發送器的功能是將音頻信號轉換成光信號，然后發射到光纖內傳輸。光接收器的功能是將光纖傳送過來的光信號轉換成電信號，然后送入輸出設備[2]。

2 核心器件與電路

本系統控制芯片采用單片機AT89C51，光發送模塊采用HFBR-1414，光接收模塊采用HFBR-2416。

2.1 發光二極管HFBR-1414

HFBR-1414是一款低價位高性能的光發送器，來自于Avago Technologies公司的HFBR-0400系列。其組成的電路系統不需要專門設置編碼與譯碼電路，具有電路簡單且性價比高的特點。因而廣泛應用于光纖模擬通信領域。

HFBR-1414光纖發送器內部主要電路是一個AlGaAs發光二極管。其工作波長為820 μm，它滿足IEEE802.3以太網和802.5令牌環等多種標準。而且能與 50/125 μm、100/140 μm、62.5/125 μm 以及 200 μm 的多種型號的光纖適配，給了設計者帶來極大地靈活性選擇光纖。

HFBR-1414發送器的高耦合性，使得它能夠在極低的工作電流下驅動，因而能達到低功耗和高穩定的效果。當其在60 mA的電流下驅動時，耦合進50/125 μm的光纖中時的光功率可達-15.8 dBm，耦合進62.5/125 μm的光纖時的光功率可達-12 dBm。可以說對于大尺寸的光纖，它是個理想的選擇。

2.2 光電二極管HFBR-2416

HFBR－2416是一款低價高性能的光接插件，屬于Agilent公司生產的HFBR－0400系列。只需少量外部元件就能構成光接收器，具有抗干擾能力強、體積小、重量輕等特點，廣泛用于模擬和數字光通信系統。

HFBR－2416光接收器內部由PIN光電二極管和前置放大電路構成，可以直接輸出較大的電信號，其典型帶寬高達125 MHz，工作波長為820 nm，與之相接的光纖可以為50/125 μm、100/140 μm、62．5/125 μm 以及 200 μm。 其波譜響應不隨纖芯直徑為10 mm的光纖尺寸變化而變化。如圖1為其內部結構圖[3]。

圖1 HFBR－2416內部結構圖Fig．1 The internal structure of HFBR－2416

光接收器在工作時，在HFBR－2416的VCC與電源間需要連接一個10 Ω的限流電阻和0．1 μF的旁路電容以便去除電源噪聲。

2.3 數字電位器X9313

數字電位器一般由RDAC電路和數字輸入控制電路兩部分構成[4]。與機械電位器相比，不但具有耐沖擊、抗振動、噪聲小、使用壽命長等優點，而且更重要的是可由數字信號進行控制，可以方便地與計算機接口，由編程實現電阻的改變，從而實現數控功能。控制電阻部分采用X9313或者X9c10xp數字電位器，RL為底端，RH高端，RW為滑動端，通過內部譯碼模塊的1腳、2腳等輸出端控制電阻變化[5]。其工作原理與電路結構如圖2所示。

圖2 X9313結構圖Fig．2 The structure of X9313

2.4 單片機AT89C51

系統采用全數字化控制方式，核心問題是同時控制4到5個數字電位器，考慮到研制成本與技術要求，采用單片機技術實現。AT89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的8位單片機，片內帶有一個4K的Flash可編程可擦除只讀存儲器（PEROM），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MSC－51兼容。片內的Flash存儲器允許在系統內可改編程序或用常規的非易失性存儲器來編程。所以說，ATM89C51是一種功能強，靈活性高且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域。

3 系統電路組成

3.1 電源電路

系統電路需要12 V、9 V、6 V和5 V的正負直流電壓。采用了一對12 V的開關電源，將220 V的交流電壓轉換成正負12 V的直流電壓，再利用了LM系列穩壓芯片進行穩壓輸出，提供給相應的單元電路。

3.2 光發射電路

3.2.1 前置電路

前置電路具有信號濾波與放大的基本功能，電路如圖3所示。

圖3 前置電路Fig．3 Preposition circuit

在音頻信號傳輸系統中，為了保證聲音品質高保真的傳輸效果，系統通道具有高性能的信噪比要求，使合理頻率范圍內的有效信號獲得高增益，同時抑制各種干擾噪聲，保持信號傳輸不失真，系統抗干擾能力增強。如圖6所示設計的濾波與放大前置電路，起到對信號預處理的作用。

根據理想運放的放大原理，其放大倍數為G=1+Z2/Z1。Z2是電路的反饋阻抗，Z1是電路的接地阻抗。由于電容具有通交隔直的作用，小電容C3就會截止高頻信號，反之大電容C2會限制低頻信號，所以調整C2和C3的參數值，就會產生所需要的中頻信號。因此合理的選擇電阻和電容值，對于系統技術性能的好壞有著很重要的作用。

3.2.2 LED調制驅動電路

LED發光二極管是典型的電流控制器件，電光轉換取決于其P－I特性，為了獲得最佳的轉換結果，驅動電路必須為之提供理想波形的電流信號。因此，采用最便捷的方式是將驅動電路設計成為受輸入信號控制的電流源[6]。由圖7所示，把三極管與LED相連接，形成對LED直接驅動作用。

整個電路以三極管為核心構成LED的調制驅動功能。調節電路中的P2可使LED的偏置電流在0～50 mA的范圍內變化。音頻信號由前一運放所構成的音頻放大電路放大后再經一跟隨器后，通過電容器C4耦合到三極管的基極，形成對LED工作電流的調制，使得LED發送出光強隨音頻信號變化的光信號，并經光導纖維把這一信號傳至接收端。同時，電流表將會顯示偏置電流的大小。

圖4 LED調制驅動電路Fig.4 LED modulation-drive circuit

3.3 光接收電路

3.3.1 光電轉換

SPD二極管將光纖輸出端的光信號（即光功率P0）轉變為與之成正比的光電流If，經接收器中由運算放大器構成的I/U轉換電路完成光電流轉換成電壓信號U的輸出，Ul與If之間的關系為U1=RIf。

3.3.2 光信號放大

如圖5所示，在測量光電二極管的光電特性時，經過光電轉換后的電信號經過運算放大器放大，通過光功率計測量光功率P0，光功率計是來衡量光信號轉換成電信號的效率。通過調節R13可以對光功率計進行調零。

圖5 光電二極管特性測量電路Fig.5 SPD characteristic measuring circuit

3.3.3 音頻信號放大

電路如圖6所示。集成運放采用LF356N型電路芯片，具有低電壓、功耗低、噪聲小、很大帶寬的放大器。其特點為低輸入偏置電流和補償電流，低輸入補償電壓和補償電壓漂移。

圖中LF356N采用雙電源+9 V和-9 V供電工作，進行一級信號放大，電壓放大倍數Auf=-R11/R1≈21，放大后的電信號再經后續功率放大電路完成音頻功率輸出，推動揚聲器發出清晰動聽的悅耳聲音。

3.3.4 功率放大電路與輸出

圖6 音頻信號放大電路Fig.6 Signal amplication circuit

電路如圖7所示。功放電路采用的是TDA2030A做成的OTL式集成芯片，采用單電源，具有輸入耦合電容大，輸出電流大，諧波失真和交越失真小等特點。同時兼有優良的短路的過熱保護電路。 圖中的R5（150 k）和 R4（4.7k）的電阻大小決定放大器的閉環增益，R4的電阻愈小增益就愈大，但是增益太大也容易導致信號失真，所以R4的阻值要選擇合理。兩個限流二極管IN4001接在電源與輸出端之間，是為了防止揚聲器感性負載反沖而影響音質。電容C7（0.1 μF）與電阻R6（1 Ω）是對感性負載（喇叭）進行相位補償進而消除自激。電解電容C1、C2對輸入信號有濾波作用。

圖7 集成功率放大電路Fig.7 Integrated circuit power

輸入端的滑動變阻器R的作用是來控制音量，通過改變其輸入阻值大小來調節音量大小。

3.4 波形發生器

波形發生器以ICL8038芯片為基礎，是一個用最少的外部元件就能生產高精度正弦、方形、三角、鋸齒波和脈沖波形的單片集成電路。頻率 （或重復頻率）的覆蓋范圍從0.001 Hz到300 kHz，可以選用電阻器或電容器來調節。調頻及掃描可以由同一個外部電壓完成。ICL8038精密函數發生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，輸出由溫度和電源變化范圍而決定。芯片與鎖相回路作用，具有在發生溫度變化時產生低的頻率漂移，最大不超過250 ppm／℃。

4 控制程序

旋轉編碼開關通過89C51控制數字電位器，通過順時針或者逆時針旋轉來實現電位器電阻增減。旋轉編碼開關旋轉方向不同時輸出脈沖不同，如圖8所示。

圖8 正、反輸出波形Fig.8 Wave of clockwise and counter clockwise rotation

通過A與B兩引腳高低不同來確定UD是高平還是低平，按照這個思路設計程序如下：INC為下降沿觸發，UD為0時電位器阻值減少，UD為1時阻值增加：

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit INC_1=P1^7；

sbit UD_1=P1^6；

sbit CS_1=P3^0；

sbit CA_1=P2^7；

sbit CB_1=P2^6；

void delay（uint z）

{

uint i，j；

for（i=z；i>0；i--）

for（j=110；j>0；j--）；

}

void setA（uint x，uchar y ）

{

uchar i；

INC_1=1；

_nop_（）；

CS_1=0；

_nop_（）；

UD_1=y；

for（i=0；i

{

INC_1=1；

_nop_（）；

_nop_（）；

INC_1=0；

_nop_（）；

_nop_（）；

}

}

void CodingsWitchPolling_1（void）

{

static uchar Aold_1，Bold_1；

static uchar st_1=0；

static uint tmp_1=0；

uchar u；

if（CA_1&&CB_1）

st_1=1；

if（st_1）

{

if（CA_1==0&&CB_1==0）

{

if（Bold_1）

{

st_1=0；

u=1；

if（tmp_1==31）

tmp_1=0；

else

tmp_1++；

setA（1，u）；

}

if（Aold_1）

{

st_1=0；

u=0；

if（tmp_1==0）

tmp_1=0；

else

tmp_1--；

if（tmp_1<0）

tmp_1=-tmp_1；

setA（1，u）；

}

}

}

Aold_1=CA_1；

Bold_1=CB_1；

}

void main（）

{

setA（31，0）；

while（1）

{

CodingsWitchPolling_1（）；

delay（5）；

}

}

5 結束語

全數字化控制方式設計與實現，新型電子器件的采用，解決了目前使用儀器存在許多問題。現代電子技術綜合利用，使得整套裝置煥發出新的生命力，促成儀器具有了更好的可靠性、更高的準確性、更長的耐用性。

[1]邱昆，王晟，邱琪.光纖通信系統[M]．成都：電子科技大學出版社，2005．

[2]方志豪，朱秋萍．光纖通信原理、設備和網絡應用[M].武漢：武漢大學出版社，2004．

[3]李春艷，董天臨．接插件HFBR2416在光接收器中的應用[J]．電子設計工程，2001，8（8）：18．LI Chun-yan，DONG Tian-lin.Connector HFBR2416 in optical receiver application[J].Electronic Design Engineering，2001，8（8）：18.

[4]王勇，田曉東．數控電位器X9313及其應用[J]．電子設計工程，1999（7）：5-8．WANG Yong，TIAN Xiao-dong.Numerical control potentiometer X9313 and application[J].Electronic Design Engineering，1999（7）：5-8.

[5]沙占友.數字電位器應用指南[M].北京：北京化工出版社，2008．

[6]趙梓森.光纖通信工程[M].北京：人民郵電出版社，1994.