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红外通信收发系统的设计与实现

实验课题：红外通信收发系统的设计与实现
一、 实验目的
1、 掌握简单的红外光通信系统的组成和设计原理；
2、 掌握通信电子系统方案设计、电路设计的方法；
3、 熟悉电路仿真软件的使用；
4、 掌握PCB设计电路装配和调试的方法。
二、 摘要
红外通信属于无线通信领域，它以红外线为载体将信息从发射机传到接收机，从而实现遥控或信息传递的功能。
红外通信系统的设计是光通信系统的一个重要分支，红外通信系统的设计思路和当前世界上所采用的骨干通信网的光纤通信系统是有相同之处的，唯一一个非常重要的差别就是它们二者所采用的传输媒质不用，一个是大气，一个则是光纤。
红外数据传输，使用传输介质――红外线。红外线是波长在750nm～1mm之间的电磁波，是人眼看不到的
关键字：红外 发射 接受
三、 实验设计要求
1、基本要求
⑴ 设计一个正弦波振荡器，f> 1kHZ,Uopp>1V；
⑵ 所设计的正弦波振荡器的输出信号作为红外光通信收发系统发射端的输入信号，在接收端能够接收到无明显失真的输入信号；
⑶ 要求接收端LM386的增益设计G≥200；
⑷ 运用Protel等工具软件对电路进行优化和仿真。
2、提高要求
⑴ 利用音乐芯片产生乐曲，调制LED后发出，接收端接收信号利用喇叭将发送的乐曲无失真地播放出来。
⑵ 用面包板来搭建电路并进行调试；
⑶ 测试电路完成的功能，记录测试数据；
四、 实验原理
语音和音乐等所产生的电信号和其它低频电信号一样，一般不直接进行远距离传输，而是经过放大后对发射机的高频振荡进行调制，然后将此携带有低频信号的高频已调制信号，经过一定的媒介传输出去。
本次实验利用语音信号模拟实现最基本的红外收发通信系统由音乐集成电路，发射系统，接收系统三部分构成。音乐集成电路发出电信号，经过发射系统转化为光信号发送，经过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再经过喇叭将其重新转化为语音信号。
采用RC振荡电路做信号源，产生频率为1K～2K，幅度为1伏左右的信号,经过发射端用发射管发射，在接收端用接收管接收，经过LM386放大，输出幅度与发射端基本相同（不失真）的信号，扩展实验利用KD-9300系列芯片构成音乐集成电路，发出电信号，由于其较微弱，故能够经过一个简单的分压型小信号共射放大电路放大，保证静态电流Ic为20mA左右，再经过红外发射管发射，在红外管和集电结之间串联一个发光管以指示工作状态。LM386输出端用小喇叭播放音乐芯片里面存储的乐曲。
信号经接收管接收后，接受到的是电流信号，故需要经过一个电阻的压降将其转化为电压信号，再经过放大后输出，才能得到较高的输出功率，驱动扬声器发出合适的声音。利用音频功率专用放大器LM386，能够得到50～200的增益，足以驱动喇叭得到所需功率。
原理框图：
信号源(KD-9300音乐芯片)
↓
光的调制与发射(发射电路)
↓
光的接收与调解
↓
接收电路(LM386)
↓
输出信号(喇叭、示波器)
五、 各部分电路电路图
1、 信号的产生

该图为KD-9300音乐芯片的电路。
2、 红外光发射电路

这是一个共发射集放大电路，调整基极偏置，当输入模拟信号，晶体管集电极电流随模拟信号强度变化而变化，于是，LED的输出光功率也随模拟信号而变化。实验中采用此电路的改进形式，电路采用5V直流工作点，设计 R1=30Ω，R2=2KΩ。发射端与信号源之间接一个隔值电容Cf=10uF,由于LM386的增益能够达到200，为了减小发射端信号的幅度（否则信号幅度太大，在接收端难以调节至不失真），电容Cf和地之间接一个Rb=100Ω的电阻。由于本实验要求ICQ要达到20mA左右，由R1和R2偏置计算可知射极所接的电阻为几十欧左右，实验中设计为Re1=20Ω，Re2=52Ω，而且在Re2上并联一个隔直电容Cef为100uF。因此本段电路中的参数为：
R1=30Ω R2=2KΩ Cf=10uF Rb=100Ω Re1=20Ω Re2=51Ω Cef=100uF Ccf=100uF
3、 红外光接收电路

图中的接收管将光信号转换成电信号。用运放LM386实现红外接收放大电路。运放LM386的端口接法如图所示。
六、 功能的实现及数据的测量
本次实验电路可分为三个部分：KD-9300音乐芯片电路，红外光发射电路，红外光接收电路。三部分电路功能有着明显的不同，相互之间且没有十分密切的联系。
在发射部分，对静态工作点要进行调试，使红外管有合适的驱动电流。能够按照一般的三极管放大电路的调试方法来调试静态工作点，保证红外管得到足够的驱动。然后进行交流调试，将信号发生器产生的正弦信号接入输入端，用示波器同时监测输入输出信号（输出信号取自发光管所在支路）。保证输出信号不失真无干扰。
接收部分主要的功能是放大功率，因此必须进行增益调节。LM386的不同接法使其有不同的增益。实验中要调试使其实际能达到较大的增益。
在分级调试完成的基础上进行整体调试。接好直流偏置电源，用由信号发生器产生的单一频率正弦信号来测试。将1000 HZ的正弦信号接到前级输入端，将光接收管朝向发光管的方向，用示波器监测后级输出端的信号，以输出信号无失真无干扰且有足够的幅度为标准，如果达不到此标准，则应仔细检查电路，重新调试。必要时要分级重调，更改元件规格或更换元件。直至达到标准为止。此过程为该实验的重点部分。
实验的提高要求为传送声音信号。因此要焊接音乐芯片。按照电路图焊接并连接好芯片电路。先直接将芯片电路与小喇叭连接，看其能否正常发声（注意直流电源为3V，过大会烧毁芯片和喇叭）。然后将芯片电路的信号输出接至前级输入端，小喇叭接至后级输出端，如果能听到清晰响亮的音乐声，则实验成功。否则要仔细检查电路重新调节。
经过三部分电路的配合，最终能够实现红外线的产生，发射，与接收显示等功能。而由于信号的强弱还与发射管，接受管所处位置（角度及距离）有关，因此实验时如果角度选择不当，很有可能接收不到红外线，而当发射与接收电路相距较远时，接收到的信号会比较弱，不宜于进行实验观察，因此实验过程中还要注意角度与距离的选取。

系统调制原则：根据电路原理先调制各单元电路，然后再整机调试。
（1） 测量出输入调制信号的波形；
（2） 测量出红外发射驱动电路的输出波形和红外管中的电流；
（3） 测试解调电路的输出波形
（4） 整机调试。
本实验完成了音乐芯片的烙接，距离2米左右不失真，超过2米后信号有所减弱并伴随微弱杂音，调节发送管和接收管的方向能够稍微改进(验收时表现失常)。
主要测试数据为：f=1000hz UR2=1.4V
ICQ=IEQ= UR2/R2=27mA
ICQ的测量方法：用电压表测量射极电阻两端的电压，然后求出IEQ的值。IEQ约等于ICQ。
LM386的增益测量：Ui=20mV Uo=4.5V
Au=Uo/Ui=225
LM386的增益测量方法：将接收管与LM386连接的电路断开，用函数信号发生器产生的信号代替接收管接收到的信号，分别测出输入和输出信号的幅度，计算出LM386的增益。

七、 问题分析
1、发射二极管的信号有失真。
电位器起改进波形的作用，在调节电位器仍不能达到不失真要求的话，解决方法，使振荡电源输出端的信号值减小，能够看见发射端信号的失真度减小，并更换８０５０射极端的电阻值。
2、 整体调试时，后级无信号或信号很微弱。
原因是前级电路对红外管的驱动能力不够，发光管发射功率不足。提高驱动电流，使发光管发射功率增大。
八、 实验总结
本实验采用三部分，分别用KD-9300音乐芯片作为信号源，用三级管和发射管连接作为第二部分，接受端用接收管接受信号，并用LM386放大，用喇叭将乐曲无失真地播放出来。总体上能够实现信号的传输，由于本实验只是模拟红外传输及接收的最简单装置，因此传输必须需要一定的角度，在某些角度接收的信号比较强，而且接收电路需要变阻器在某个特定的阻值刚好能够实现匹配功能。由于第一次做模电综合实验，也是第一次接受如此大规模的实验项目，刚开始进展缓慢，很不适应。随着对实验理解的由浅至深，从不断地焊接音乐芯片到将元器件漂亮地布置到面包板上；从第一节课的毫无成果到最后听到那犹如胜利号角般的音乐响起。回去后仔细的研究了实验的原理，从理论上搞清楚了红外通信的道理。在实验中，虽然遇到了不少困难，但在同组同学齐心协力地合作下，利用课下空余的时间，再加上老师耐心地帮助，一切困难最终都迎刃而解。经过这次实验，不但对红外发射接收原理有了自己的认识，还提高了动手能力，学会了焊接芯片，更锻炼了不惧困难，不放弃，团结合作的品质。这些都对以后的学习生活有很大的帮助。

九、 使用仪器及元器件清单
仪器：函数信号发生器
示波器
直流稳压电源
万用表
面包板
元器件：
1、KD-9300音乐芯片 1个
2、按键开关 1个
3、发光管 1个
4、红外发送管 1个
5、红外接收管 1个
6、LM386 N-1 1个
7、10K Ω可变电阻器 1个
8、喇叭 1个
9、电阻(10Ω、20Ω、30Ω、51Ω、100Ω、3K Ω、33K Ω)各1个
10、电容(0.01μF 2个，0.033μF 1个)
11、电解电容(10μF 2个,47μF、100μF、220μF各1个)
十、 参考资料
电子电路综合设计实验教程