侯 龍， 劉海順， 劉慶玲

(中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

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基于紅外光通信的功放設(shè)計(jì)

侯 龍， 劉海順， 劉慶玲

(中國礦業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為解決單片機(jī)功放電路設(shè)計(jì)，信號(hào)從模擬到數(shù)字再到模擬的傳輸以及軟硬件相結(jié)合的復(fù)雜問題，提出了以紅外對(duì)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(shè)計(jì)方案。通過對(duì)功放原理分析，結(jié)合音頻模擬信號(hào)傳輸，完成了紅外光通信的功放電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以紅外對(duì)管代替復(fù)雜電路的純硬件功放控制。該設(shè)計(jì)不僅達(dá)到了預(yù)期的音頻播放效果，也為其他信號(hào)處理的教學(xué)設(shè)計(jì)提供參考。

紅外對(duì)管； LM386； SS8050； 外圍電路

0 引 言

功率放大器是音樂播放器、手機(jī)、筆記本電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的組件之一，有著很大的市場[1-3]。傳統(tǒng)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(jī)為核心的功放常以?！獢?shù)—模的信號(hào)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(hào)利用率不高、失真度較大且電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高、音頻差等，不能滿足人們對(duì)音質(zhì)的欣賞性要求。此外，基于單片機(jī)的功放以軟硬件相結(jié)合的研究也有[8-10]，但該設(shè)計(jì)程序的穩(wěn)定性較差，整體的功放效率偏低，因此設(shè)計(jì)開發(fā)以模擬信號(hào)傳輸為主導(dǎo)的純硬件功放非常有必要。

本文以紅外對(duì)管[11]為核心，利用SS8050[12]三極管實(shí)現(xiàn)微信號(hào)放大，LM386[13]放大器實(shí)現(xiàn)功率放大，完成了紅外光通信的功放設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以紅外光為傳輸介質(zhì)代替復(fù)雜電路，穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)、音頻失真度?。患兇獾挠布娐吩O(shè)計(jì)，避免了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，節(jié)約了時(shí)間，降低了成本，提高了效率；為其他紅外光通信設(shè)備的設(shè)計(jì)開拓了思路，提供了實(shí)踐依據(jù)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

紅外光通信的功放系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由紅外對(duì)管、SS8050三極管、LM386功率放大器及外圍電路[14-15]構(gòu)成。由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模擬信號(hào)通信，避免了模-數(shù)-模信號(hào)傳輸過程中的損耗、失真，使電路設(shè)計(jì)簡單完整的同時(shí)保證了音頻質(zhì)量的真實(shí)度。整套系統(tǒng)分為音源輸入端、紅外光發(fā)送端、紅外光接收端、音頻輸出端?？傮w框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 紅外發(fā)射端電路

紅外發(fā)射端系統(tǒng)由SS8050三極管、紅外發(fā)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(hào)的NPN型晶體三極管，即信號(hào)從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地。當(dāng)有信號(hào)流入基極時(shí)，相應(yīng)電壓變化導(dǎo)致電流發(fā)生變化，進(jìn)而使受基極控制的集電極電流產(chǎn)生很大變化，實(shí)現(xiàn)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(jīng)電阻RV1、R1的偏置電路流至d點(diǎn)，調(diào)節(jié)可變電阻RV1，為SS8050三極管基極提供工作電壓導(dǎo)通三極管，為音源信號(hào)的輸入做好準(zhǔn)備。當(dāng)有音源信號(hào)從A端口輸入時(shí)， SS8050三極管作為驅(qū)動(dòng)電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、放大，利用紅外發(fā)光二極管將變化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為變化光信號(hào)發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)音源信號(hào)的模擬放大發(fā)射目的。見圖2。

圖2 紅外發(fā)射端

2.2 紅外接受端電路

紅外接受端系統(tǒng)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(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于音頻功放設(shè)計(jì)中。

本設(shè)計(jì)中，紅外接受管D1、D2將接受的同頻率光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。模塊LM386的1、8號(hào)引腳之間外接10 μF電容將電壓增益調(diào)至200；2、4號(hào)引腳接地；3號(hào)引腳為同相輸入端，即音頻輸入端；5號(hào)引腳外接輸出電容后接負(fù)載；6號(hào)引腳接單電源構(gòu)成OTL電路。如圖3所示。

圖3 紅外接受端

當(dāng)被音頻信號(hào)調(diào)制的紅外光照射到紅外線接收管D1、D2表面時(shí)，接收管經(jīng)解調(diào)將紅外線光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即在接收管兩端產(chǎn)生與音頻信號(hào)變化規(guī)律相同的電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)LM386音頻功率放大后由音頻輸出B端口輸出，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

3 實(shí)物制作

與前人功放設(shè)計(jì)[16]相比，該實(shí)物功放經(jīng)調(diào)試不僅實(shí)現(xiàn)了音頻功率放大輸出的目的，且產(chǎn)生了很好的音頻效果。正常工作時(shí)，LED燈常亮，外界信號(hào)由紅線引入，經(jīng)SS8050三極管放大后由紅外發(fā)送端LED(白色)發(fā)送，發(fā)出的信號(hào)由紅外接受端LED(黑色)接受，經(jīng)濾波、耦合、去耦處理后由LM386功率放大器調(diào)制，再由喇叭口輸出產(chǎn)生音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)整體紅外光通信系統(tǒng)的功放目的。

4 數(shù)據(jù)測試

當(dāng)有音頻信號(hào)從圖2輸入端口A流入時(shí)，用萬用表2 V檔測量其端口電壓值，同時(shí)用另一只規(guī)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(jié)果如表1所示。

從表1可看出，該紅外功放設(shè)計(jì)中，輸入端信號(hào)值與輸出端信號(hào)值吻合得相當(dāng)好，誤差范圍在0.000～0.001V之間，證實(shí)了此功放的電路設(shè)計(jì)經(jīng)放大、紅外調(diào)制、解調(diào)、濾波、去耦等過程不僅合理可行而且信號(hào)噪聲低，失真度小。

表1 信號(hào)測試數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié) 語

本文通過電路設(shè)計(jì)、分析、元器件焊接等過程完成了對(duì)紅外光通信系統(tǒng)的硬件制作。經(jīng)調(diào)試證實(shí)了該電路的設(shè)計(jì)是合理可行的，不僅克服了基于單片機(jī)的模—數(shù)—模傳輸方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了以紅外對(duì)管代替復(fù)雜電路的純硬件設(shè)計(jì)，且音頻效果真實(shí)度高、噪音低、失真度小，為微信號(hào)處理設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

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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(xué)基金項(xiàng)目(BK20141124);中國礦業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目(201441);中國礦業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革與建設(shè)項(xiàng)目(2013G36)

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

劉海順 (1970-)，男，江蘇徐州人，學(xué)士，教授，主要研究方向?yàn)榧{米晶合金與傳感器設(shè)計(jì)。

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

TN914.1

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1006-7167(2015)11-0063-03