音频信号红外发射与接上收系统论文.doc

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1、新疆大学信息科学与工程学院创新实验室大学学生创新实训项目论文题 目: 音频红外发送接收装置 摘要：本文介绍的无线传输系统是借助红外线来实现音频信号的近距离传递，其发射与接收部分均由模拟电路构成，制作成本低廉，调试起来也比较容易。关键词： 音频、红外传输 目录：一、方案论证31方案（1）32. 方案（2）4二、系统设计总体介绍7三、模块功能介绍111.发射电路112.接收资料17四、测试结果20五、总结20六、小知识22七、参考文献22一、方案论证：本小组成员共提出两种可行方案。经过本小组的理论分析及实验，最终确定方案（2）为最佳方案。如下是对这两种方案的论证。方案（1）：由于本小组最后没有选择

2、此方案，所以在此简单的介绍一下其方案及原理。 其原理以红外线作为通信载体， 通过红外光在空中的传播来传输信号 它由红外发射器和红外接收器完成。在发射端，发送的音频信号经过幅度调制后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光信号发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光信号进行光电变换，幅度解调后恢复出原信号。其基本原理图1如下： 音 发 接 喇频 射 收信 机 机 叭号 图1其发射机电路图如图2： 图2发射机电路包括：锁相环集成电路C D 4 0 4 6构成的频率调制电路。 红外发射二极管D 1 D 3构成的红外发射电路。音频信号， 在“ IN ” 端输入发射机电路。 调节 R 1，使

3、 Q1的V c e的电压接近 1 V。提高三极管的静态工作点，对音频信号不失真地放大 ，接着进入由CD 4 0 4 6构成的频率调制电路。根据图 3 ， V DD为5 V，R 3为 2 M，CD 4 0 4 6的第 1 2脚悬空即其接入电阻阻值为无穷，C3为 2 0 p ，根据他们之间的特性曲线图可知 V C O的中心频率大约为 6 0 k H z 。因为人耳听到的音频信号在 2 0 2 0 k H z之间，所以选择的调制频率 f 0 4 0 k H z即可。音频信号经频率调制后，进入由红外发射二极管 D 1 D 3构成的红外发射电路，将信号发出。其接收电路如图3： 图3接收机电路包括：红外光

4、电二极管D 4 D 7构成的红外接收电路；锁相环集成电路CD4046组成的频率解调电路；集成电路MAX9722构成音频功放电路。信号发出后，由光电二极管接收信号，将红外信号转化为电信号。然后进入由CD4046组成的解调电路。接收机CD4046的VCO中心频率和发射机CD4046的VCO中心频率一样。输入接收机的载频信号频率为 2 0 6 0 k H z ，则最大最小信号频率相差4 0 k H z 。当VDD为 5 V ， R 8为 1 O k ， C 5为 1 0 u F，PLL的捕捉范围有公式决定。公式如下：由上面的结果得知，允许的频率偏移为2 5 0 H z 。由解调出来的信号进入由集成电

5、路 MA X 9 7 2 2构成音频功放电路。通过调节R1 0 喇叭的音量具有从大到小的调节功能。方案（2）：其基本原理图如图4 音 发 接 喇频 射 收信 机 机 叭号 图4本方案电路共分为两大模块，发射模块和接收模块。其中发射模块由两大部分组成，每个部分所提供音频信号的方式不同。第一部分是由音乐芯片提供音频信号，信号经过驱动电路后用两个红外发射二极管将信号发射出去，由接收模块接收；第二部分是由驻极体提供音频信号，信号经音频放大器后，由两个红外发射二极管将信号发射出去。其中用排针来转换提供音频信号的方式。接收模块主要由光电二极管接收红外发射二极管发射的信号并将其转为电信号，信号经过LM741

6、放大后加到LM386进行音频功率放大，最后再由喇叭将电信号转为声音。本小组选择方案（2）的原因如下：CD4046中压控振荡器的中心频率与输入电压有关，故需要稳压模块，但是用一般的稳压模块（如7805）匹配度不高。加上外围器件参数的差异，对中心频率影响较大。经过小组测试后，效果不佳。 方案二与方案一相比较而言，具有干扰小、工作稳定、经济实惠等多种优点。二、系统设计总体介绍本小组设计题目是音频红外发送接收装置，经分析题目后，易知此装置要实现的功能是对音频信号进行远距离无线传送，并将此信号不失真的放大输出。要实现此功能，就需要两个工作模块，一是发送模块，二是接收模块。其中发送模块应具有信号源、滤波电

7、路、驱动器电路、及发射信号的功能。设计出的用音乐芯片来提供音频信号的发射电路模块如图5所示；用驻极体提供音频信号的发射电路模块如图6所示；排针及电源如图7。 图5 图6 图7先来介绍如图5所示的发射模块。想要让音乐芯片工作，就要为他提供合适的电压。其中用直流电压源提供V2=3.3v的电压，为了保证稳压管D1正常工作，使加在音乐芯片上的电压保持3.3v，在电压输入端接入一个R3=1K欧姆的限流电阻。极性电容C1起到滤除电压源中可能存在的交流电压。电容C3起到隔直通交的作用，保证只有音乐芯片提供的音频信号通过。音频信号经过R4后进入驱动器及放大电路，驱动器及放大电路由一V=9v的直流电压源提供工作

8、电压。极性电容C6起到滤除直流电压源中的交流成分。信号进入由三极管Q1、Q2组成的驱动电路，信号经驱动电路放大后通过D4、D5红外发射管发射出去。驱动电路还为D4、D5提供了2v的额定电压。再来介绍图6所示的发射模块。直流电压源V1=9v为整个电路提供工作电压。为了保护电路，接入R1、R2限流电阻。发光二极管D2是一种指示器，当电路工作时，D2就会闪亮。驻极体MK1为电路提供音频信号，极性电容C2起到隔直通交的作用。当信号经过C2后，进入LM386型音频功率放大器。被放大的信号通过滤波电容C8后，输入驱动器及放大电路后发射出去。之后，由接收模块接收。接收模块应具有接收信号、放大信号、放大功率、

9、音频信号输出的功能。设计出的电路图如图8 图8接受电路由一个9V的电压源提供工作电压。为了保证电压源供电时不产生干扰信号，所以要加入滤波电容C7和C2。R1保证了光电二极管Q1正常工作，接收红外信号。信号经过滤波电容C1后进入运算放大器LM741。信号被放大后经滤波电容C4后进入音频功率放大器LM386后，通过喇叭输出。电路设计出后，本小组成员用万能版做出了简易电路，经测试后，确认能够完成实验要求。紧接着，本小组成员开始用Altium Designer软件绘制电路板。发射模块如图9，接收模块如图10. 图9 图10按照图纸制作电路板。经过钻孔、印板、腐蚀、清洗之后，电路板制作成功。接着往板上焊

10、接元器件。焊接完成后，进行测试。三、模块功能介绍发射电路：1 .音乐芯片模块如图11 图11此模块通过音乐芯片为电路提供音频信号。2 .驻极体模块如图12 图12此模块通过驻极体为电路提供音频信号。3 .LM386音频功率放大电路如图13 图13此模块可以放大音频信号功率。其中LM386内部电路如图14 图14其引脚排列图如图15 图15LM386电气特性：LM386简介：LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出

11、端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。 LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。特性(Features): * 静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。 * 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 * 外围元件少。 * 电压增益可调，20-200。 * 低失真度。典型电路： 4 驱动器发射模块如图16 图16此模块起到放大信号及将信号发射出去的作用，并且通过调节电位器R7可对放大倍数进行调节。接收电路：1. 接收模块如图17所示 图17此模块起到接收红外发射管发出的信号的作用。2 .信号放大模块如图

12、18 图18此模块是通过LM741起到对接受的信号放大的作用。其中LM741内部等值电路如图19 图19LM741/UA741运算放大器使用说明及应用物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。放大器输出入脚图如图2

13、0： 图20 LM741电学特性如下表：3 LM386音频功率放大模块如图21 图21此模块起到放大功率作用。4. 音频输出模块如图22 图22此模块起到将电信号变为声音信号的作用。四、测试结果直流输入电压：9V最大传输距离：6m发射接收夹角（max）：30五、总结在本次实训过程中本小组每个成员都学到了很多东西，取得了较大进步，这些进步不仅仅是在知识层面上，更在于实践层面上。在知识方面，我们学会了如何设计简单的电路图，以及常见集成芯片的使用。比如，在本次实训中，我们用到了LM741及LM386。如图8所示，为了使LM741能够起到理想的放大作用并且使LM386正常工作，就得使LM741的电压放

14、大倍数得当，既不能太大也不能太小。现在先来算出LM741电压放大倍数与R4、R5、R6的关系，假设通过R2的电流为i1，通过R4的电流为if，输入信号为vs，输出信号为v0。已知v-=v+=0，那么i1=（vs- v-）/R6=vs/R6, if= (v- v0)/（Rf+ R5）=- v0/ （Rf+ R5）,所以LM741电压增益Avf= v0/ vs=- （Rf+ R5）/R6已知LM386最大输入电压不能超过|0.4|v，vs约为几毫伏，所以Avf最大为10左右，在此本小组选R6=10K欧，R4=100K欧，R5=1M欧。再如本小组还在实训过程中学会了对电容的选取。我们还学会了如何绘制

15、电路板，如何对作品进行测试。在这次实训过程中，我们获得的最宝贵的并不是做作品所学的知识，而是学会了如何自学，如何与同伴配合，以及永不放，弃的精神。当我们分好小组并得到实训题目后，大家都不清楚该从哪里入手。经过讨论后，本小组基本了解了作品所要实现的功能，于是大家就分头去找各个模块的资料，在这个过程中，我们学会了如何运用网络和图书馆得到我们所需的资料。在对资料的分析和讨论过程中，我们渐渐养成了自学的习惯，与此同时大家的自学能力都得到了不小的提高。实训过程中，并不是事事如意，我们会经常碰到困难，每当这时，大家都会互相鼓励并努力寻找解决方案。渐渐的，我们学到的东西越来越多。创新实验室也为我们提供了很多

16、有利条件，我们各个小组可以经常的互动，一起学习。在这段时间里，我们学会了如何作为一个团队学习，这让我们更加有团队意识。在本次实训中使我们受益匪浅。六、小知识本小组在设计过程中，遇到最大的困惑就是对电容的选取。在参考一些资料后，我们对电容的选取有了一定的了解。现在就把我们了解到的小知识与大家分享一下。1 旁路电容和滤波电容，去耦电容分别怎么用?答：这三种叫法的电容，其实都是滤波的，只是应用在不同的电路中，叫法和用法不一样。 滤波电容，这是我们通常用在电源整流以后的电容，它是把整流电路交流整流成脉动直流，通过充放电加以平滑的电容，这种电容一般都是电解电容，而且容量较大，在微法级。 旁路电容，是把输

17、入信号中的高频成份加以滤除，主要是用于滤除高频杂波的，通常用瓷质电容、涤纶电容，容量较小，在皮法级。 去耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象，去耦电容相当于电池，利用其充放电，使得放大后的信号不会因电流的突变而受干扰。它的容量根据信号的频率、抑制波纹程度而定。七、参考文献电子线路非线性部分 高等教育出版社 主编 谢嘉奎电子线路线性部分 高等教育出版社 主编 谢嘉奎网址： 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的

18、研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指

19、导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导

20、师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订26