基于紅外光通信的功放設計

侯 龍， 劉海順， 劉慶玲

(中國礦業大學 理學院，江蘇 徐州 221116)

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基于紅外光通信的功放設計

侯 龍， 劉海順， 劉慶玲

(中國礦業大學 理學院，江蘇 徐州 221116)

為解決單片機功放電路設計，信號從模擬到數字再到模擬的傳輸以及軟硬件相結合的復雜問題，提出了以紅外對管為核心，輔以SS8050三極管和LM386功率放大器的紅外光通信功放設計方案。通過對功放原理分析，結合音頻模擬信號傳輸，完成了紅外光通信的功放電路設計，實現了以紅外對管代替復雜電路的純硬件功放控制。該設計不僅達到了預期的音頻播放效果，也為其他信號處理的教學設計提供參考。

紅外對管； LM386； SS8050； 外圍電路

0 引 言

功率放大器是音樂播放器、手機、筆記本電腦等消費類電子產品中應用最廣的組件之一，有著很大的市場[1-3]。傳統的功率放大器主要有A類、B類、AB類以及D類[4-7]，且以單片機為核心的功放常以模—數—模的信號傳輸為主。這些種類的特性曲線決定了該類型功率放大器的信號利用率不高、失真度較大且電路設計復雜、成本高、音頻差等，不能滿足人們對音質的欣賞性要求。此外，基于單片機的功放以軟硬件相結合的研究也有[8-10]，但該設計程序的穩定性較差，整體的功放效率偏低，因此設計開發以模擬信號傳輸為主導的純硬件功放非常有必要。

本文以紅外對管[11]為核心，利用SS8050[12]三極管實現微信號放大，LM386[13]放大器實現功率放大，完成了紅外光通信的功放設計。該設計以紅外光為傳輸介質代替復雜電路，穩定性好、抗干擾性強、音頻失真度小；純粹的硬件電路設計，避免了軟件設計的復雜度，節約了時間，降低了成本，提高了效率；為其他紅外光通信設備的設計開拓了思路，提供了實踐依據。

1 總體方案設計

紅外光通信的功放系統采用模塊化設計，由紅外對管、SS8050三極管、LM386功率放大器及外圍電路[14-15]構成。由于該系統設計采用模擬信號通信，避免了模-數-模信號傳輸過程中的損耗、失真，使電路設計簡單完整的同時保證了音頻質量的真實度。整套系統分為音源輸入端、紅外光發送端、紅外光接收端、音頻輸出端。總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 紅外發射端電路

紅外發射端系統由SS8050三極管、紅外發光管及外圍電路組成。SS8050是常用的一種低電壓、大電流、小信號的NPN型晶體三極管，即信號從基極輸入，從集電極輸出，發射極接地。當有信號流入基極時，相應電壓變化導致電流發生變化，進而使受基極控制的集電極電流產生很大變化，實現通過小電流控制大電流的三極管放大作用。

該電路中，5 V直流電壓經電阻RV1、R1的偏置電路流至d點，調節可變電阻RV1，為SS8050三極管基極提供工作電壓導通三極管，為音源信號的輸入做好準備。當有音源信號從A端口輸入時， SS8050三極管作為驅動電路對音頻信號進行調制、放大，利用紅外發光二極管將變化電壓信號轉換為變化光信號發射出去，實現音源信號的模擬放大發射目的。見圖2。

圖2 紅外發射端

2.2 紅外接受端電路

紅外接受端系統由紅外接受管、LM386集成功放及外圍電路組成。LM386音頻集成功放，具有功耗低、更新內鏈增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點被應用于音頻功放設計中。

本設計中，紅外接受管D1、D2將接受的同頻率光信號轉化為電流信號實現光信號到電信號的轉換。模塊LM386的1、8號引腳之間外接10 μF電容將電壓增益調至200；2、4號引腳接地；3號引腳為同相輸入端，即音頻輸入端；5號引腳外接輸出電容后接負載；6號引腳接單電源構成OTL電路。如圖3所示。

圖3 紅外接受端

當被音頻信號調制的紅外光照射到紅外線接收管D1、D2表面時，接收管經解調將紅外線光信號轉換成電信號，即在接收管兩端產生與音頻信號變化規律相同的電信號，該信號經LM386音頻功率放大后由音頻輸出B端口輸出，驅動揚聲器發聲。

3 實物制作

與前人功放設計[16]相比，該實物功放經調試不僅實現了音頻功率放大輸出的目的，且產生了很好的音頻效果。正常工作時，LED燈常亮，外界信號由紅線引入，經SS8050三極管放大后由紅外發送端LED(白色)發送，發出的信號由紅外接受端LED(黑色)接受，經濾波、耦合、去耦處理后由LM386功率放大器調制，再由喇叭口輸出產生音頻信號實現整體紅外光通信系統的功放目的。

4 數據測試

當有音頻信號從圖2輸入端口A流入時，用萬用表2 V檔測量其端口電壓值，同時用另一只規格完全相同的電壓表測量圖3中音頻輸出端口B的電壓值，測試結果如表1所示。

從表1可看出，該紅外功放設計中，輸入端信號值與輸出端信號值吻合得相當好，誤差范圍在0.000～0.001V之間，證實了此功放的電路設計經放大、紅外調制、解調、濾波、去耦等過程不僅合理可行而且信號噪聲低，失真度小。

表1 信號測試數據對比表

5 結 語

本文通過電路設計、分析、元器件焊接等過程完成了對紅外光通信系統的硬件制作。經調試證實了該電路的設計是合理可行的，不僅克服了基于單片機的模—數—模傳輸方式，同時實現了以紅外對管代替復雜電路的純硬件設計，且音頻效果真實度高、噪音低、失真度小，為微信號處理設計提供了重要的依據。

[1] 程發經.RF功率放大器IC在移動電話中的應用[J].世界電子元器件,1997(7):20-24.

[2] 李 建.音頻功率放大器在筆記本電腦中的新應用[J].工業控制計算機,2010,23(11):101-102.

[3] 牛棟正,宋小勇,范中國,等.非線性E類功率放大器在下一代遙測發射機中的應用研究[J].遙測遙控,2010,31(3):65-72.

[4] 秦 毅,聶紀平.音頻功率放大器分類及在系統設計中的應用[J].集成電路應用,2013(10):30-32.

[5] 鐘文祥.單端A類放大器及場效應管(3)[J].音響技術,2010(6):56-57.

[6] 鄧宏貴,曹 祥.AB類功率放大器的設計與仿真研究[J].光電子技術,2005,25(4):229-233.

[7] 王 妍,劉帥威,金麗潔.基于D類放大的高效率音頻功率放大器設計[J].電子設計工程,2011,19(11):152-155.

[8] 趙巧妮.基于單片機控制的數控功放的設計[J]. 自動化與信息工程，2012(3):30-32.

[9] 徐家惠,戚海峰,高 健,等.基于Vivado HLS的AC97音頻系統設計[J].實驗室研究與探索，2014,33(12):35-38.

[10] 張望成,趙 云,王洪林.基于AVR單片機的功放控保電路設計[J].計算機與網絡，2011,37(15):55-58.

[11] 深圳市億光電子商務有限公司.紅外發射管手冊[EB/OL].http://www.hwxdz.com/Product/084259436.html.

[12] WINGS.SS8050[EB/OL].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/33780/WINGS/SS8050.html.

[13] UTC.LM386[EB/OL].http://html.alldatasheet.com/html-pdf/413781/UTC/LM386/52/1/LM386.html.

[14] 華成英,童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社，2006.

[15] 秦曾煌.電工學[M].6版.北京:高等教育出版社，2004.

[16] 劉瑞華,徐 玲,鄧振宇.高效率音頻功率放大器的設計[J].實驗室研究與探索,2011,30(8):103-107.

Design of Power Amplifier Based on Infrared Communication

HOULong,LIUHai-shun,LIUQing-ling

(School of Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

In order to solve the problem of power amplifier circuit design, signal transmission from analog-digital-analog and hardware and software combination based on microcontroller, a design scheme of infrared communication power amplifier is proposed by using infrared tube as the core chip, SS8050 triode and LM386 power amplifier as the auxiliary chip. By analyzing the theory of power amplifier, combining audio analog signal transmission, the circuit of infrared communication power amplifier is designed. The pure hardware controlling power amplifier is implemented with infrared tube instead of the complex circuit. This design not only achieves the expected effects of audio player, but also provides an important reference for other teaching design on signal processing.

infrared tube; LM386; SS8050; peripheral circuit

2015-03-28

江蘇省自然科學基金項目(BK20141124);中國礦業大學大學生創新創業項目(201441);中國礦業大學教育教學改革與建設項目(2013G36)

侯 龍(1988-)，男，陜西寶雞人，碩士，主要研究方向為光學，電子學。Tel.：13813466332；E-mail：houlong036011@126.com

劉海順 (1970-)，男，江蘇徐州人，學士，教授，主要研究方向為納米晶合金與傳感器設計。

Tel.：13912006872；E-mail：liuhaishun@126.com

TN914.1

A

1006-7167(2015)11-0063-03