一種紅外發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

摘要：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(guò)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(guò)定向傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)線(xiàn)信息傳輸，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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。

紅外通信作為一種無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、便于維護(hù)，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，綜合應(yīng)用比無(wú)線(xiàn)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(guò)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(yáng)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(jiǎn)便性，最終排除了這個(gè)方案。

方案二：信號(hào)源經(jīng)過(guò)三極管放大之后，通過(guò)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(yǔ)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(lái)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(guò)三極管的放大，然后進(jìn)行帶通濾波處理，再經(jīng)過(guò)專(zhuān)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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=lOkΩ，R3=100 kΩ，R5=1 kΩ。考慮到語(yǔ)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(guò)帶通濾波器之后必須經(jīng)過(guò)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(zhuān)用放大芯片，這是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)放大音頻的芯片。在LM386的1，8腳加入可調(diào)電阻和10μF的電容，使LM386的增益在20～200之間可調(diào)。微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后，過(guò)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。

2.3 功率放大電路

信號(hào)通過(guò)帶通濾波器之后必須經(jīng)過(guò)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(zhuān)用放大芯片，這是一款極為常見(jiàn)的芯片專(zhuān)用來(lái)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。

在LM386的1，8腳加入可調(diào)電阻和10μF的電容，使LM386得增益在20～200之間可調(diào)。微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后，過(guò)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(guò)大容易損壞發(fā)射管，所以需要采用過(guò)載保護(hù)電路如圖4所示。

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(guò)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(méi)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(guò)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(wèn)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(jiàn)到，其應(yīng)用之廣泛可見(jiàn)一斑。電子電路中，常見(jiàn)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(guò)熱、過(guò)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(guò)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。

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(xiàn)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(mǎn)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。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)大損壞器件以及信號(hào)無(wú)失真放大。

5 系統(tǒng)測(cè)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(cè)試接收部分聲音明顯變大，但是雜音問(wèn)題依然存在。當(dāng)發(fā)射端輸入語(yǔ)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。

用萬(wàn)用表測(cè)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。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(guò)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(méi)有較明顯的失真情況。

6 結(jié)論

在電路調(diào)試的過(guò)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?。解決方案為：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(jiǎn)單，原理清晰，性?xún)r(jià)比高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。