崔建國(guó)，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

一般高校的模擬電路實(shí)驗(yàn)室由于資金緊張，其實(shí)驗(yàn)設(shè)施都比較簡(jiǎn)陋，更新?lián)Q代也比較慢；加上師資的問(wèn)題，原創(chuàng)性的電路實(shí)驗(yàn)更是稀缺。在業(yè)余條件下，我們充分利用現(xiàn)有設(shè)施或元件，設(shè)計(jì)制作一個(gè)比較簡(jiǎn)單但頗有意思的電路實(shí)驗(yàn)：光導(dǎo)纖維通話機(jī)。

通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，不但使學(xué)生可以掌握放大器的工作原理、電信號(hào)耦合的方式；還可以掌握光信號(hào)如何被電信號(hào)調(diào)制并且發(fā)送出去；掌握接收端的被調(diào)制光信號(hào)如何轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，前置放大器的作用，功率放大器的作用。

光導(dǎo)纖維通話機(jī)的制作不必追求像專業(yè)設(shè)備一樣的精確性，比如通過(guò)專業(yè)的單模光纖收發(fā)器傳送單模光信號(hào)，可以傳送20 km而沒(méi)有多少衰耗，而我們制作的光導(dǎo)纖維通話機(jī)由于業(yè)余制作,元器件也是常用的配件，故傳送距離很短而且聲音不是很清晰，但只要聲音信號(hào)能夠被傳送到隔壁實(shí)驗(yàn)室而且能夠穩(wěn)定接收就是我們實(shí)驗(yàn)的成功[1]。

這個(gè)電路實(shí)驗(yàn)如果制作得宜，在10 m范圍內(nèi)通話并沒(méi)有多大困難，該設(shè)計(jì)同樣適合于通信專業(yè)的實(shí)驗(yàn)。

1 光導(dǎo)纖維通話機(jī)電氣原理

光導(dǎo)纖維通話機(jī)電氣原理如圖1所示，從圖1可以看到，通話機(jī)電路由MIC電路、共射放大器電路、電光調(diào)制電路、光導(dǎo)纖維電路、光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、功率放大電路、揚(yáng)聲器電路組成。

圖1 光導(dǎo)纖維通話機(jī)電氣原理圖

1.1 發(fā)信電路

圖1的左側(cè)是發(fā)信電路，右側(cè)是收信電路，中間是光導(dǎo)纖維。發(fā)信電路主要由兩枚晶體管組成，MIC電路選用駐極體電容麥克風(fēng)(Electret Condenser Microphone)，駐極體麥克風(fēng)使用了可保有永久電荷的駐極體物質(zhì)，不需要再對(duì)電容供電，若駐極體麥克風(fēng)中內(nèi)置放大電路，則需要供電。

電解電容C3對(duì)9V供電電源去耦，電源通過(guò)電阻R1為MIC提供偏置電壓，MIC對(duì)人的對(duì)話進(jìn)行拾音，將人聲轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

電信號(hào)通過(guò)電容C1耦合至由晶體管T1、基級(jí)偏置電阻R2、集電極偏置電阻R3組成的共射極放大器，共射極放大電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較大的電壓放大倍數(shù)和電流放大倍數(shù)，輸入和輸出電阻適中，但工作點(diǎn)不穩(wěn)定，一般用在溫度變化小，技術(shù)要求不高的情況下[2]。

經(jīng)過(guò)放大以后的人聲電信號(hào)通過(guò)耦合電容C2進(jìn)入由晶體管T2和發(fā)光二極管D1組成的電光調(diào)制電路。

目前光纖通信系統(tǒng)中常用的光源主要有兩種：發(fā)光二極管(LED)和激光器(LD)，激光器由于在調(diào)制速率和耦合效率方面都明顯優(yōu)于發(fā)光二極管,所以一般適用于大、中容量的長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)，同時(shí)由于電流—光輸出特性線性較差，所以多用于光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)。發(fā)光二極管除了沒(méi)有光學(xué)諧振腔外，其他與激光器相同。發(fā)光二極管的特性不如激光管，主要區(qū)別表現(xiàn)在發(fā)光二極管發(fā)出的是螢光，不象激光那樣具有較好的單色性和方向性，同時(shí)調(diào)制速度較低，譜線寬度較大，與光纖的耦合效率低，但是發(fā)光二極管也有不少優(yōu)點(diǎn)，例如電流—光輸出特性曲線線性好，使用壽命長(zhǎng),成本低,可靠性高，因此特別適用于中、小容量數(shù)字和模擬光纖傳輸系統(tǒng)[3]。

晶體管T2本身也是一個(gè)共射極放大電路，負(fù)責(zé)把放大以后的光信號(hào)傳送出去，T2的集電極與電阻R6間串接一枚發(fā)光二極管(紅色)，基級(jí)由電阻R6得到偏置電壓；另一方面，被T1放大以后的聲音電流通過(guò)耦合電容C2進(jìn)入T2的基級(jí)，使T2集電極所接LED的光成分中加入了聲音電流，這個(gè)過(guò)程稱為聲音對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。

LED在這種情況下所產(chǎn)生的光線通過(guò)光導(dǎo)纖維傳送到收信電路。

1.2 收信電路

收信電路部分主要由光電管T3構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路、由晶體管T4構(gòu)成的前置放大電路、以及由集成電路IC1構(gòu)成功率放大器電路組成。

光電管T3的任務(wù)是把來(lái)自光導(dǎo)纖維的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，其電流信號(hào)由偏置電阻R7提供，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)交給由晶體管T4及偏置電阻構(gòu)成的前置放大器放大。

前置放大器與功率放大器的作用并不一樣，前置放大器是指置于信號(hào)源與功率放大器及之間的電路或電子設(shè)備，是專為接收來(lái)自信號(hào)源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的。前置放大器大致有四方面的作用：1) 可以提高系統(tǒng)的信噪比(由于前置放大器緊靠探測(cè)器，傳輸線路短，分布電容Cs比較小,故提高了信噪比)；2) 可以減少外界干擾的相對(duì)影響(傳感器信號(hào)經(jīng)前置放大器初步放大)；3) 合理布局,便于調(diào)節(jié)與使用(由于前置放大器為非調(diào)節(jié)方式,主功放可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)、形成常數(shù))；4)實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配(前置放大器設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是輸入阻抗較高,輸出阻抗較低)[4]。

經(jīng)過(guò)前置放大以后的電信號(hào)通過(guò)輸出電容C5、聲音調(diào)節(jié)電位器VR進(jìn)入集成電路IC1(LM386)的第2腳，IC1及外圍元件構(gòu)成音頻功率放大器，將前置放大以后的電信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行放大，功放以后的音頻電信號(hào)從LM386的第5腳輸出，通過(guò)輸出電容C9交給揚(yáng)聲器發(fā)聲。

LM386內(nèi)部電路與通用型集成運(yùn)放相類似，同樣包括三級(jí)放大電路，第一級(jí)是差分放大電路。LM386是一種音頻集成功放電路，具有輸入電阻較大、自身功耗較低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件較少和總諧波失真小等的優(yōu)點(diǎn)。LM386放大器有多種設(shè)計(jì)應(yīng)用方式，選擇不同的設(shè)計(jì)方式可以取得不同的放大倍數(shù)，LM386引腳1和8為電壓增益設(shè)定端，通過(guò)在這里添加一個(gè)10μF的電容C6，可使LM386增益變成200；使用時(shí)如果在引腳7和地之間接旁路電容C10，可以起到濾除噪聲的作用，電路工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值經(jīng)實(shí)測(cè)約等于電源電壓的一半，經(jīng)試驗(yàn)如果增大這個(gè)旁路電容C10的容值，可以減緩直流基準(zhǔn)電壓的上升、下降的速度，從而有效抑制噪聲，實(shí)際上在電源開(kāi)關(guān)S2通斷時(shí)喇叭發(fā)出的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致，故這個(gè)旁路電容C10最好別省。

為了減少收信電路的噪聲，提高系統(tǒng)信噪比，前置放大和功率放大的供電各自通過(guò)電容C4、和C8獨(dú)立去耦。

2 制作

該套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并不難，制作卻是重點(diǎn)和難點(diǎn)，由于本機(jī)所用的元件均常見(jiàn)，或不難在市場(chǎng)買到，光敏晶體管T3也不一定拘限于使用TPS603，但在安裝制作前一定要確知哪一腳是E或C，它的感光面是在管的頂部，至于那枚發(fā)信側(cè)的LED，除了要用紅色的之外，要選用高亮度的，高亮度的LED要比一般的LED更亮、更穩(wěn)定，可以提高制作成功率。至于駐極體電容麥克風(fēng)也是非常熟悉的零件，不再贅述。

組裝整機(jī)的時(shí)候，由于零件不多，可用自制印刷電路板，或者萬(wàn)能印刷線路板處理。

光導(dǎo)纖維通話機(jī)安裝、調(diào)試成敗的關(guān)鍵，在于光導(dǎo)纖維的連接，由于一般高校模電實(shí)驗(yàn)室很少會(huì)購(gòu)買專業(yè)的光纖熔接機(jī)，原因在于光纖熔接機(jī)的昂貴、及使用時(shí)比較復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)這個(gè)光導(dǎo)纖維通話機(jī)時(shí)仍然由于成本的原因，我們也不會(huì)使用專業(yè)的光纖收發(fā)器進(jìn)行光與電的轉(zhuǎn)換。

普通電導(dǎo)線的連接只要焊接好后便能正常工作，而光導(dǎo)纖維的連接與導(dǎo)線的連接不同，光導(dǎo)纖維的連接較為復(fù)雜。其一，首先是光導(dǎo)纖維的切割問(wèn)題，切口一定要平整、光滑，因此要用特別鋒利的刀片來(lái)切割，切忌用剪鉗之類來(lái)剪；其二，由于沒(méi)有光纖熔接機(jī)和不使用光纖收發(fā)器，這就要求我們?cè)跇I(yè)余制作的時(shí)候，要求光導(dǎo)纖維的首尾兩端與兩個(gè)半導(dǎo)體(LED和光敏晶體管)有非常貼切、緊密的“光接觸”，圖2繪出了業(yè)余制作的方法。

從圖2可以看到，光纖與半導(dǎo)體的接觸點(diǎn)最好能經(jīng)實(shí)驗(yàn)最后確定，并及時(shí)用快干膠加以固定，并加上兩小段塑膠套(或管)，把光導(dǎo)纖維固定，因此這一塑膠套(或管)要配合LED和光敏晶體管的管身直徑來(lái)選擇，其管徑大小要適合，另外塑膠管應(yīng)該用黑色或較深色的，目的在于防止外來(lái)光線由此進(jìn)入。

圖2 光纖固定方法示意圖

至于光纜，并不需要購(gòu)買，可以利用各大通信公司廢棄的纜線即可，單模、多模皆可，這些東西并不難找。

如果沒(méi)有接線錯(cuò)誤，一個(gè)光導(dǎo)纖維通話機(jī)就可使用啦，這樣的光導(dǎo)纖維通話機(jī)可以很容易地多做幾套，作為學(xué)校的模電實(shí)驗(yàn)課程來(lái)對(duì)待。

3 結(jié)語(yǔ)

高校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課的目標(biāo)是培養(yǎng)動(dòng)手能力，光導(dǎo)纖維通話機(jī)的設(shè)計(jì)在理論方面并不復(fù)雜，電路系統(tǒng)的每一部分在教材上都有詳盡的理論介紹；難點(diǎn)在于制作，故這個(gè)光導(dǎo)纖維通話機(jī)恰好符合高校實(shí)驗(yàn)課的要求。

最終制作完成的通話機(jī)雖然完全不能跟專業(yè)的通訊設(shè)備比通話質(zhì)量，但通過(guò)制作的每一步的實(shí)現(xiàn)，能激發(fā)同學(xué)們的做實(shí)驗(yàn)課的興趣。如能采用專業(yè)的光纖收發(fā)器加以傳輸話音，通話效果會(huì)好得多，但設(shè)計(jì)難度也困難不少，不太符合高校實(shí)驗(yàn)課的要求。