一種紅外發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

王玉巧,潘杰

(1.黃河科技學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450008；2.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 信息工程系,河南 鄭州 451191)

一種紅外發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

王玉巧1,潘杰2

(1.黃河科技學(xué)院 信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450008；2.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 信息工程系,河南 鄭州 451191)

文中設(shè)計(jì)了一種以紅外光作為信息載體的紅外發(fā)射與接收系統(tǒng),給出了一種紅外發(fā)射與接收電路,搭建了與之相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路,通過電壓放大、帶通濾波、功率放大等模塊,使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。通過定向傳輸信號(hào),實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無線信息傳輸,實(shí)驗(yàn)檢測證明該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地向外發(fā)射紅外信號(hào),供接收機(jī)接收。

紅外發(fā)射；放大；濾波；無線傳輸

紅外通信作為一種無線傳輸方式,由于4M傳輸速率的成功運(yùn)用,使其正在得到日益廣泛的應(yīng)用,從家用小電器到計(jì)算機(jī)設(shè)備都在不斷的研發(fā)新產(chǎn)品。紅外發(fā)射接收裝置電路簡單、易于實(shí)現(xiàn)、便于維護(hù),在某些應(yīng)用場合,綜合應(yīng)用比無線電射頻通信方式具有更好的效果。紅外發(fā)射模塊是紅外光通信的主要組成部分,它的功能主要是完成電光信號(hào)的轉(zhuǎn)換,選用780～950 nm的波段將信號(hào)以紅外脈沖的形式向空間發(fā)射。

1 紅外發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

紅外發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵是發(fā)射管和驅(qū)動(dòng)電路。紅外發(fā)射管的工作電流小,傳輸距離近。當(dāng)電流過大的時(shí)候信號(hào)會(huì)發(fā)射的更遠(yuǎn),但是發(fā)射管容易損壞。紅外光在通信時(shí),很容易受到太陽光、熒光燈、熱源等干擾。在此系統(tǒng)中我們考慮兩種方案。

方案一:利用單片機(jī)處理輸入信號(hào),考慮到輸入信號(hào)小,要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求,就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大及進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在實(shí)際操作中電路比較復(fù)雜,且模擬信息小容易引起信號(hào)失真。綜合考慮要體現(xiàn)紅外光通信系統(tǒng)的簡便性,最終排除了這個(gè)方案［5］。

方案二:信號(hào)源經(jīng)過三極管放大之后,通過帶通濾波器,再次進(jìn)行功率放大,之后由發(fā)射電路發(fā)射。語音信號(hào)的頻帶集中在300 Hz～3 kHz之間,帶通濾波器通頻帶頻率設(shè)計(jì)要與此相符合。

本系統(tǒng)主要是用來定向傳輸信號(hào),利用紅外光作為載體實(shí)現(xiàn)2 m內(nèi)的信息傳輸。信號(hào)源提供的信號(hào)經(jīng)過三極管的放大,然后進(jìn)行帶通濾波處理,再經(jīng)過專用音頻信號(hào)放大器LM386進(jìn)行功率放大,最后發(fā)射管將音頻信號(hào)向空間發(fā)射。接收管接收到的信號(hào)由三極管9014放大,再經(jīng)過LM386功率放大,兩級(jí)放大濾波之后將信號(hào)還原輸出。

2 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)

信號(hào)源在發(fā)射之前要經(jīng)過電壓放大電路、帶通濾波電路、功率放大電路之后發(fā)射。

2.1 電壓放大電路

電壓放大電路采用共射放大電路,如圖1所示。R1、R2,R3提供偏置電壓,發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,此時(shí)三極管處于放大狀態(tài)。調(diào)整R3改變?nèi)龢O管靜態(tài)工作點(diǎn),使信號(hào)處于不失真的合適工作狀態(tài)。C1是一個(gè)耦合電容,起著一個(gè)簡單的隔直流通交流的作用。在此選取的三極管9014是一個(gè)小功率管子,為了讓三極管放大狀態(tài)下信號(hào)的合理輸出,選取R1=10 kΩ, R3=100 kΩ,R5=1 kΩ。考慮到語音信號(hào)頻帶處300 Hz～3 kHz,所以帶通濾波器的通頻帶為300 Hz～3 kHz。

2.2 帶通濾波電路

帶通濾波電路如圖2所示。此帶通濾波器是由二階有源高通濾波器和二階有源低通濾波器級(jí)聯(lián)組成。根據(jù)高通濾波器,低通濾波器。信號(hào)通過帶通濾波器之后必須經(jīng)過一次功率放大才能驅(qū)動(dòng)發(fā)射管,本系統(tǒng)可采用LM386音頻專用放大芯片,這是一種專門用來放大音頻的芯片。在LM386的1,8腳加入可調(diào)電阻和10 μF的電容,使LM386的增益在20～200之間可調(diào)。微弱信號(hào)經(jīng)過放大之后,過大的功率會(huì)燒毀電路中的器件,所以在LM386的3腳接10 kΩ可調(diào)電阻的作用是控制發(fā)射功率保護(hù)電路,對(duì)整個(gè)電路信號(hào)的穩(wěn)定性及安全性起著重要作用,不可缺少。

圖1 三極管放大電路Fig.1 Triode amplifying circuit

圖2 帶通濾波器電路Fig.2 Band pass filter circuit

2.3 功率放大電路

信號(hào)通過帶通濾波器之后必須經(jīng)過一次功率放大才能驅(qū)動(dòng)發(fā)射管,本系統(tǒng)采用LM386音頻專用放大芯片,這是一款極為常見的芯片專用來放大音頻。圖3所示是增益可調(diào)的LM386經(jīng)典音頻放大電路。

圖3 LM386音頻功率放大電路Fig.3 LM386 audio power amplifier circuit

在LM386的1,8腳加入可調(diào)電阻和10 μF的電容,使LM386得增益在20～200之間可調(diào)。微弱信號(hào)經(jīng)過放大之后,過大的功率會(huì)燒毀電路中的器件,所以在LM386的3腳接10K可調(diào)電阻的作用是控制發(fā)射功率保護(hù)電路,對(duì)整個(gè)電路信號(hào)穩(wěn)定性安全性起著重要作用,不可缺少。

2.4 發(fā)射管保護(hù)電路

紅外光發(fā)射管工作電流小,傳輸距離短,當(dāng)電流過大容易損壞發(fā)射管,所以需要采用過載保護(hù)電路如圖4所示。

圖4 發(fā)射管保護(hù)電路Fig.4 The launch tube protection circuit

三極管BG2和電阻R2構(gòu)成發(fā)射管保護(hù)電路,由于三極管BG2偏置電阻R2很小,所以,在正常情況下三極管BG2截止。當(dāng)三極管BG1集電極電流突然增大,在電阻R2上的壓降增加,當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí)候三極管BG2導(dǎo)通,對(duì)發(fā)光二極管起到分流作用,然后流過發(fā)射管電流下降,從而對(duì)發(fā)射管起到保護(hù)作用。發(fā)射管可以并聯(lián)或者串聯(lián)多個(gè),提高發(fā)射功率,增加通信距離。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作中很多人沒有注意保護(hù)發(fā)射管的安全。實(shí)際上微弱的信號(hào)經(jīng)過三極管放大及LM386的功率放大之后,信號(hào)已經(jīng)變得足夠大,如果在此時(shí)不注意保護(hù)發(fā)射管的情況下,因?yàn)槠淠軌虺惺艿碾娏鲝?qiáng)度有限,所以發(fā)射管很容易損壞。這是一個(gè)不得不重視的問題。研究表明,如果在接收信號(hào)比較弱的情況下,可以將發(fā)射管并聯(lián)或者串聯(lián),者能夠起到非常明顯的效果。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

78xx系列電源芯片具有悠久的歷史,而且在現(xiàn)在眾多的電路中依然可以經(jīng)常見到,其應(yīng)用之廣泛可見一斑。電子電路中,常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78xx系列和負(fù)電壓輸出的79xx系列。三端穩(wěn)壓顧名思義具有3個(gè)引腳,如圖5所示3個(gè)引腳依此分別為輸入端、接地端、輸出端。三端穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電源所需外圍元件極少,芯片內(nèi)部具有過熱、過流和調(diào)整管的保護(hù)電路。

實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)三端穩(wěn)壓處于大功率的穩(wěn)壓電路時(shí),應(yīng)該裝上散熱器。在實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)做過用78xx系列芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī),當(dāng)輸出電流增大時(shí)候芯片會(huì)發(fā)熱,芯片的輸出電壓會(huì)變小,此時(shí)芯片發(fā)燙。

在紅外發(fā)射和接收部分采用了LM741、LM386芯片, LM741芯片需要+9 V電壓供電而LM386需要+5 V電壓供電。因此,本系統(tǒng)需要兩個(gè)獨(dú)立的不同電壓的供電部分,紅外發(fā)射部分需要+9 V電壓供電,紅外接收部分需要+5 V電壓供電。

圖5 7805組成的+5 V供電電源Fig.5 7805 is composed of+5 V power supply

7805組成的+5 V供電模塊為接收部分供電；將圖中7805換成7809即可得到+9V電壓,用其給發(fā)射部分供電。但是,三端穩(wěn)壓芯片也有不足之后,其輸出電壓線性不好,輸出電流不足。但是在本系統(tǒng)中對(duì)電源要求不高所以78xx系列芯片能夠滿足設(shè)計(jì)使用。

3 發(fā)射部分總體電路

發(fā)射部分總體電路結(jié)構(gòu)圖如圖6。

圖6 紅外發(fā)射部分總體電路Fig.6 Infrared emission part of the overall circuit

LM386組成的音頻放大器的增益在20—200范圍內(nèi)可調(diào),為了保證信號(hào)不失真放大。經(jīng)過耦合電容C9隔直通交后信號(hào)便由紅外發(fā)光二極管發(fā)射。紅外發(fā)射管接收的信號(hào)與音頻信號(hào)變化規(guī)律相同,紅外發(fā)射管的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)受到音頻信號(hào)的調(diào)制,此時(shí)音頻信號(hào)會(huì)對(duì)其大小進(jìn)行同步調(diào)制并轉(zhuǎn)換成紅外信號(hào)發(fā)射。微弱信號(hào)經(jīng)過電容C1耦合到三極管Q1進(jìn)行一級(jí)放大,被放大的電壓信號(hào)通過電容C2之后進(jìn)入由LM741組成的帶通濾波器,帶通濾波器的通頻帶為300HZ-3KHZ,可以濾除頻帶外的干擾信號(hào),使信號(hào)更加純凈,而后信號(hào)進(jìn)入由LM386組成的音頻放大電路,考慮信號(hào)放大到比較強(qiáng)之后會(huì)對(duì)發(fā)射部分器件造成損壞,因此在進(jìn)LM386前加上10K滑動(dòng)變阻器。LM386組成的音頻放大器的增益在20～200范圍內(nèi)可調(diào),為了保證信號(hào)不失真放大。經(jīng)過耦合電容C9隔直通交后信號(hào)便由紅外發(fā)光二極管發(fā)射。紅外發(fā)射管接收的信號(hào)與音頻信號(hào)變化規(guī)律相同,紅外發(fā)射管的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)受到音頻信號(hào)強(qiáng)弱的調(diào)制,此時(shí)音頻信號(hào)會(huì)對(duì)其大小同步調(diào)制并轉(zhuǎn)換成紅外信號(hào)發(fā)射。

4 紅外接收部分總體電路設(shè)計(jì)

紅外接收部分總體電路如圖7所示,紅外接收管接收到信號(hào)之后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào),必須要經(jīng)過兩級(jí)放大之后才能完整的輸出。第一級(jí)采用三極管9014,第二級(jí)采用LM386音頻放大電路。

紅外線接收管在接收紅外光之后將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào),在三極管9014放大之后直接經(jīng)過電容C2輸入到LM386組成的功率放大電路,極性電容C2起隔直流通交流的作用,在功率放大之前先濾除恒定的外界低頻信號(hào)的干擾,提高接收效果,最后由喇叭輸出。三極管9014的放大電路和功率放大電路兩級(jí)放大之間加上10k滑動(dòng)變阻器,防止信號(hào)過大損壞器件以及信號(hào)無失真放大［7］。

圖7 紅外接收部分總體電路Fig.7 Infrared receiving part of the overall circuit

5 系統(tǒng)測試與分析

將紅外發(fā)射和接收部分接上電源之后,給發(fā)射部分提供300～3 400 Hz音頻信號(hào),調(diào)節(jié)發(fā)射和接收部分的功率,在距離發(fā)射部分2M處接收部分能夠接收到信號(hào),但是聲音較小伴有輕微雜音。在1.5M處測試接收部分聲音明顯變大,但是雜音問題依然存在。當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號(hào)改為800 Hz單音信號(hào)時(shí),在8 Ω電阻負(fù)載上,接收裝置的輸出電壓有效值為0.2 V。不改變電路狀態(tài),減小發(fā)射端輸入信號(hào)的幅度至0 V,低頻毫伏表顯示的電壓為0.5 V［8］。

用萬用表測試電源電壓及各部分電路的電流電壓值,發(fā)現(xiàn)電源電壓不穩(wěn),導(dǎo)致各部分的電壓有波動(dòng),電路會(huì)產(chǎn)生噪聲但是不影響其正常工作［10］。在發(fā)射部分加上一個(gè)正弦信號(hào)之后,在其兩端用示波器觀察信號(hào),通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RV1和RV2,計(jì)算可以得出放大倍數(shù)在100—250之間信號(hào)有比較明顯的失真,在放大倍數(shù)在250—35之間信號(hào)有明顯失真。在接收部分輸入端接入正弦信號(hào),輸出端輸出的信號(hào)波形沒有較明顯的失真情況。

6 結(jié) 論

在電路調(diào)試的過程中,為了達(dá)到使放大器增益變大的目的,不斷增大信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率,導(dǎo)致射管不斷地?zé)龎摹＝鉀Q方案為:接三極管BG1和BG2,組成了一個(gè)非常有效地保護(hù)電路即發(fā)射管保護(hù)電路。在使用該電路之后發(fā)射管就不再容易被燒壞,效果十分明顯。以上設(shè)計(jì)的紅外發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡單,原理清晰,性價(jià)比高,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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An infrared emission circuit design

WANG Yu-qiao1,PAN Jie2
（1.Information Engineering of Huanghe Science and Technology College,Zhengzhou 450008,China；2.Department of Electrical Engineering of Zhengzhou Shengda Economic Management College,Zhengzhou 451191,China）

This paper introduces a design of infrared light as the carrier of information in the infrared emitting and receiving system,gives a kind of infrared emitting and receiving circuit,drive circuit and protection circuit is built and the corresponding,through the voltage amplification,band-pass filter,power amplifier module,which makes the system stable and reliable work.Through the directional signal transmission,transmit information within a certain range,the results indicate that the system can stably and reliably transmit infrared signal outwards,for the receiver to receive.

infrared emission；amplification；filter；wireless transmission

TN38.4

：A

：1674-6236（2015）18-0144-04

2014-11-18稿件編號(hào)：201411135

鄭州市嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(121PYFZX177)

王玉巧(1980—),女,河南鄭州人,碩士,教師。研究方向:智能信息檢測與處理。