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红外通信收发系统的设计与实现


电子电路综合实验报告

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红外通信收发系统的设计与实现

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红外收发实验

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【实验名称】红外通信收发系统的设计与实现

【摘要】 语音和音乐等低频电信号一般不适合直接远距离传输, 而是通过调制加载到光或者高频 信号上传输出去。本次试验的内容,就是设计一个合适的红外收发电路,实现多种信号的传 输。 红外通信系统的设计是光通信系统的一个重要分支, 采用红外通信系统的设计方法来进 行和目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。

【关键词】 关键词 音频传输,调制,红外收发,自激,耦合。

【实验目的】 1、掌握简单的红外光通信系统的组成及设计原理; 2、掌握通信电子系统方案设计、电路设计的方法; 3、掌握红外发送、接收电路的设计原理和原则; 3、熟悉电路仿真软件的使用; 4、通过实验大家体会一下通信系统是一个怎样的工作模式,为今后更深层次的专业课 的学习打下一个很好的基础。

【实验要求】 1、制定合理的实现方案,要求至少有两套红外设计的实现方法,理论计算出元件参数; 2、电路设计。根据自己的实现方案,提出元器件清单,确定元器件型号、数量,从可 选方案中选出一套; 3、电路仿真和优化。运用Protel等工具软件对电路进行优化和仿真; 4、用面包板来搭建电路并进行调试; 5、 测试电路完成的功能,记录测试数据,对于音乐电路,能得到清晰的音乐。

【设计任务要求】

1、 基本要求: 1) 设计的正弦波振荡器:f >=1kHz,Uopp>=3V; 2) 所设计的正弦波振荡器的输出信号作为红外通信收发系统发送端的输入信号, 在接收端可以接收到无明显失真的输入信号; 3) 接收端LM386增益设计G>=200;

2. 提高要求: 利用音乐芯片产生乐曲,调制LED后发出,接收端接收到的信号利用喇叭可以将发送的 乐曲无失真的播放出来,

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【设计思路及分块和总体结构】

设计思路及总体结构框图如下:

红外设计的总体构架 上图是一个简单的红外通信系统的构造图,通过实验应该能进行模块化的设计,当然整 个商用的红外光通信系统是相当复杂的, 这里我们只考虑最基础和最必要的部分来完成整个 红外光通信收发系统的设计。 (1) 信号产生: 这里利用了音乐芯片KD-9300或是LX9300来完成。

LX-9300的接法

kd-9300的接法

信号产生也可以用RC振荡器构成,信号的幅度不宜过大。

(2)红外光发送模块的设计 设计原则主要是考虑红外发送管的工作电流,电流过小,传输距离短,电流过大有容易 毁坏发光管

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红外光发送电路

(3)红外光接收模块的设计

红外光接收电路 (4)高通滤波器 红外接收的二极管都是光敏二极管,这样普通灯光也对其都成一定程度的影响,为了获 得更好的效果,还要在信号输出端加入高通滤波器,消除恒定的外接低频信号的干扰,这样 接收效果和灵敏度将显著提高。 (5)功率放大器 5 利用音频功率专用放大器LM386,可以得到50~200的增益,足以驱动0.8W的小喇叭。

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放大器LM386 (6)总体电路的设计(含电路图)

(7)系统调制 : 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) 第一步是调制发送电路。记录红外发射驱动电路的输出波形和红外管中的电流; (2) 第二步调制接收电路。 去掉红外接收管,加一个正弦小信号,调试输出放大倍数, 要求50-200倍直至输出为正弦波,确保不是自激信号或干扰信号; (3) 第三步是整机调试。 将发送电路和接收电路放到一起, 在发送端送入正弦小信号, 观察输出信号波形; (4) 按音乐芯片CW9300的接线方法焊好管脚,将芯片中音乐信号作为输入信号,能在 喇叭中听到优美、无噪声的音乐。

一、 所实现的功能说明: 本实验完成的基本功能为文氏桥RC振荡电路产生的振荡信号的传送和接收. 文氏桥 RC振荡电路(前级)产生的一个频率为1.5kHz振荡信号,经具有分压式电流负反馈电路的共 射放大电路(后级)的LED发射后由接收电路接收.

主要测试方法为: Icq:用电压表测量射极电阻Re1两端的电压,由此求出Ieq,利用Ieq ≈Icq得到Icq的值。

LM386的增益: 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,由此计算出LM386的增益。

主要功能: 接收电路在Lm386的三管脚之前加一小电容,等于在功率放大之前先消除恒定的外接低频 信号的干扰,提高接收效果和灵敏度。 LM386的放大电路,得到200倍左右的增益,来驱 动0.8W的小喇叭。 (其中接收管LED2采用PIN光电二极管或者雪崩光电二极管APD,将接收 到的光信号转换成电信号)

主要测试数据为: 1.红外发送端8050静态参数:

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Vcc = 5.00V ; Ubq = 2.51V ; Ueq= 2.02V ; Ucq= 4.32V; 2红外发送端LED两端电流: I = Ieq = Ueq/Re =2.02V/71= 28.45mA ; 3.红外发送端LED输出幅度:0.10V 4.LM386 增益测量: 输入小信号幅值 :12mv speaker两端幅值: 2.16V 增益A=2.16V/12mv=180; 测试方法为::去掉接收管,直接在LM386输入端加上正弦小信号,信号可由函数信号发生 器产生,然后测出输入和输出信号的幅度,即可计算出LM386的增益。

【故障及问题分析】 1. 文氏桥RC振荡电路不能起振: 经过仔细检查设计电路发现,RC串并联电路中两个R 的取值由于自己的疏忽而不一样,更换电阻,能够正常起振. 2. 信号经具有分压式电流负反馈电路的共射放大电路放大后有失真现象:通过静态参 数的测量后计算,认为电路设计不存在问题,于是分析后可能是因输入信号幅度过大后引起 的饱和失真所致.通过调节前级信号源电路的滑动变阻器减小了输出信号的幅度,失真明显 减小,波形较好. 3. 信号接收端出现自激:为检查是否为接收电路出问题,首先去掉发射信号而从函数信 号发生器引入一个频率为1kHz幅度为1v的正弦信号,从输出端得到了信号仍然有干扰,这说 明接收电路出现了问题.最初怀疑是电路中含有的高频分量引起,于是在输出端并接一旁路 电容,以去除高频干扰.但是波形仍然有干扰.后来反复调节滑动变阻器得以解决问题,不过 未能彻底消除干扰. 4. 在扩展实验中,没有红外信号音乐依然奏响:将发射电路远离接受电路,声音强度没 有丝毫降低,后来干脆将发射电路断开, 音乐依然奏响.后来想可能是因为音乐芯片电路与 接收电路共用一个面包板,声音绕过发射电路而直接传给了接收电路所致.于是我将音乐芯 片电路转到了发射电路所在面包板,最后得到了正确的结果:改变发射端与接收端的距离及 方位,声音强度均随之而发生变化. 5.在接收方面,经反复调试发现,信号的接收与两个管子之间的正对角度及之间障碍 物的阻隔有很大关系,开始不注意接收到的信号很微弱,调整后才能清晰地听到。 6.实验中曾出现拿书挡在发送管和接收管之间依然有音乐产生的现象,分析原因可能 为所用LED为广角的,并且发送功率较大所致,改变LED角度后发现乐音明显减弱,但仍有输 出。 【问题分析】 1.问题:将红外的发送接收电路结在一起调试的时候,示波器上显示波形不稳 定,干扰信号很多。

答:这是电路上出现了自激现象,在电源与地之间并联一个大电容(100uF 左右)以及一个小电容(0.1uF)即可以解决自激问题。

2.问题:电路搭好之后,将红外接收管拔掉,喇叭仍能够有音乐出来。

答:这样的现象说明,电路的传输并没有经过红外收发管,出现了耦合现象。 检查电路发现发送部分与接收部分的供电是同一组电源线,改为两组共地的电源 线分别供电后,耦合现象消失。

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【红外收发系统应用探索】 红外光传输距离短,但是电路工艺简单,生产成本低,易于大规模投产。在多种领域得 于应用。比如可以用于统计进出某个大门的人数,车辆:

比如可以在门口左右设置两排LED,一排接收,一排为发送,如图中所示方向,记录进入人 数, 当led6先接收到信号时, 即led6的接收被阻挡了的时候, 此时表示人按照箭头方向进入, 此时进行计数。 【PROTEL绘制的原理图及PCB板】 Protel绘制的原理图见【设计思路及分块和总体结构】板块,下面给出由此生成的pcb 板:

红外收发系统发送端:

其 3D效果图如下:

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红外收发系统接收端PCB板:

其3D效果图如下:

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【所用元器件及测试仪表清单】 1、8050 1 2、红外发送管303 1 3、红外接收管302 1 4、LM386 1 5、可变电阻器(10k,100k) 各1 6、电阻(2k) 1 7、电阻(2.5k,) 1 8、电阻(30,50 ) 各1 9、电阻(10 ) 2 10、电解电容(100u,33u,250u,10u) 各1 11、电容(0.05u,0.01u) 各2 10、喇叭 1 12、kd9300 1 13、发光管 1 14、按键开关 1 【实验所用仪器】 1. 函数信号发生器 2. 示波器 3. 晶体管毫伏表 4. 万用表 5. 直流稳压电源

【总结和结论】 本实验实现了信号经过红外发送和接收完成较远距离的输送。 信号有效传送距离大于两 米。基本实现了红外收发系统的设计与实现。 该次实验是我第一次独立的完成从开始的设计到最后的调试,在整个过程中学到很多, 经过这次实验我基本解了简单的红外光通信系统的组成及设计原理, 初步了解了通信电子系 统方案设计、电路设计的方法, 和红外发送、接收电路的设计原理和原则,熟悉了电路仿 真软件protel dxp的使用。 也深刻地感受到只有灵活运用所学的电路分析理论知识才能与实 践完美的结合起来。 做实验之前首先应该熟悉各个器件的使用, 以及检查各个器件是否是有 问题,确保器件都正常地前提下再进行实验。这样可以提高实验效率,也可以提前排除由于 器件不好引出的不合理的实验现象。 在实验过程中出现意外现象的时候, 应该仔细检查电路 找到问题在哪里然后再着手解决, 不可以遇到问题就直接盲目的导出乱改电路, 这样反而降 低了实验效率。 1、掌握了简单的红外光通信系统的组成及设计原理; 2、通过实验,较好地了解了系统的调试,深切体会到系统调试的重要性,在检查电路自激 现象的时候就是通过分单元调试得出的结论, 从而得以解决问题, 这很好的地高了自主实验 的能力。 3、通过实验节本了解了通信系统的工作模式,提供今后的专业课程学习一个很好的框架性 的认识。

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4、通过实验设计与修改,以及通过对芯片kd9300及lm386的查阅,初步了解了datasheetd 的查阅。 5、实验前一定要把实验原理弄清楚,及时查阅资料,实验要大胆,细心。 本次实验历时近一个月, 整个过程显得繁琐, 实验原理清晰, 简单明了, 关键在于调试, 一次次地解决线路搭接,系统设计缺陷,在试验中要敢于尝试,敢于该进,遇到不会的或者 暂时不能解决的不能急躁, 学会独立思考, 提高自主实验能力, 提高独立思考解决问题能力, 实验的最终成功给与了我很大鼓舞。提高了我对实验的兴趣!

【参考文献】 1.《电子测量与电子电路实验》 张咏梅等 北京邮电大学出版社 2.《通信电子电路》 刘宝玲 胡春静主编 北京邮电大学出版社 3.《电子线路基础》 高文焕等编 高等教育出版社 4. 电路中心网站 《红外通信收发系统的设计与实现 》 5. 电路中心网站 《386的管脚说明datasheet》 6. 电路中心网站 《 红外通信收发电路设计》 7.《Protel DXP完全解读》 8.电路中心网站 《红外通信收发系统的设计与实现 》 9.电路中心网站 《386的管脚说明datasheet》 10.电路中心网站 《 红外通信收发电路设计》 11.《Protel DXP完全解读》 12.《电子测量与电子电路实验》 张咏梅等 北京邮电大学出版社 13. http://cclab.see.bupt.cn

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