一種紅外發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

摘要：文中設(shè)計(jì)了一種以紅外光作為信息載體的紅外發(fā)射與接收系統(tǒng)，給出了一種紅外發(fā)射與接收電路，搭建了與之相應(yīng)的驅(qū)動電路和保護(hù)電路，通過電壓放大、帶通濾波、功率放大等模塊，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。通過定向傳輸信號，實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無線信息傳輸，實(shí)驗(yàn)檢測證明該系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠地向外發(fā)射紅外信號，供接收機(jī)接收。

紅外通信作為一種無線傳輸方式，由于4M傳輸速率的成功運(yùn)用，使其正在得到日益廣泛的應(yīng)用，從家用小電器到計(jì)算機(jī)設(shè)備都在不斷的研發(fā)新產(chǎn)品。紅外發(fā)射接收裝置電路簡單、易于實(shí)現(xiàn)、便于維護(hù)，在某些應(yīng)用場合，綜合應(yīng)用比無線電射頻通信方式具有更好的效果。紅外發(fā)射模塊是紅外光通信的主要組成部分，它的功能主要是完成電光信號的轉(zhuǎn)換，選用780～950 nm的波段將信號以紅外脈沖的形式向空間發(fā)射。

1 紅外發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

紅外發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵是發(fā)射管和驅(qū)動電路。紅外發(fā)射管的工作電流小，傳輸距離近。當(dāng)電流過大的時候信號會發(fā)射的更遠(yuǎn)，但是發(fā)射管容易損壞。紅外光在通信時，很容易受到太陽光、熒光燈、熱源等干擾。在此系統(tǒng)中我們考慮兩種方案。

方案一：利用單片機(jī)處理輸入信號，考慮到輸入信號小，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，就要對信號進(jìn)行放大及進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在實(shí)際操作中電路比較復(fù)雜，且模擬信息小容易引起信號失真。綜合考慮要體現(xiàn)紅外光通信系統(tǒng)的簡便性，最終排除了這個方案。

方案二：信號源經(jīng)過三極管放大之后，通過帶通濾波器，再次進(jìn)行功率放大，之后由發(fā)射電路發(fā)射。語音信號的頻帶集中在300 Hz～3 kHz之間，帶通濾波器通頻帶頻率設(shè)計(jì)要與此相符合。

本系統(tǒng)主要是用來定向傳輸信號，利用紅外光作為載體實(shí)現(xiàn)2 m內(nèi)的信息傳輸。信號源提供的信號經(jīng)過三極管的放大，然后進(jìn)行帶通濾波處理，再經(jīng)過專用音頻信號放大器LM386進(jìn)行功率放大，最后發(fā)射管將音頻信號向空間發(fā)射。接收管接收到的信號由三極管9014放大，再經(jīng)過LM386功率放大，兩級放大濾波之后將信號還原輸出。

2 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)

信號源在發(fā)射之前要經(jīng)過電壓放大電路、帶通濾波電路、功率放大電路之后發(fā)射。

2.1 電壓放大電路

電壓放大電路采用共射放大電路，如圖1所示。R1、R2，R3提供偏置電壓，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，此時三極管處于放大狀態(tài)。調(diào)整R3改變?nèi)龢O管靜態(tài)工作點(diǎn)，使信號處于不失真的合適工作狀態(tài)。C1是一個耦合電容，起著一個簡單的隔直流通交流的作用。在此選取的三極管9014是一個小功率管子，為了讓三極管放大狀態(tài)下信號的合理輸出，選取R1=lOkΩ，R3=100 kΩ，R5=1 kΩ。考慮到語音信號頻帶處300 Hz～3 kHz，所以帶通濾波器的通頻帶為300 Hz～3 kHz。

2.2 帶通濾波電路

帶通濾波電路如圖2所示。此帶通濾波器是由二階有源高通濾波器和二階有源低通濾波器級聯(lián)組成。根據(jù)高通濾波器，低通濾波器。信號通過帶通濾波器之后必須經(jīng)過一次功率放大才能驅(qū)動發(fā)射管，本系統(tǒng)可采用LM386音頻專用放大芯片，這是一種專門用來放大音頻的芯片。在LM386的1，8腳加入可調(diào)電阻和10μF的電容，使LM386的增益在20～200之間可調(diào)。微弱信號經(jīng)過放大之后，過大的功率會燒毀電路中的器件，所以在LM386的3腳接10 kΩ可調(diào)電阻的作用是控制發(fā)射功率保護(hù)電路，對整個電路信號的穩(wěn)定性及安全性起著重要作用，不可缺少。

2.3 功率放大電路

信號通過帶通濾波器之后必須經(jīng)過一次功率放大才能驅(qū)動發(fā)射管，本系統(tǒng)采用LM386音頻專用放大芯片，這是一款極為常見的芯片專用來放大音頻。圖3所示是增益可調(diào)的LM386經(jīng)典音頻放大電路。

在LM386的1，8腳加入可調(diào)電阻和10μF的電容，使LM386得增益在20～200之間可調(diào)。微弱信號經(jīng)過放大之后，過大的功率會燒毀電路中的器件，所以在LM386的3腳接10K可調(diào)電阻的作用是控制發(fā)射功率保護(hù)電路，對整個電路信號穩(wěn)定性安全性起著重要作用，不可缺少。

2.4 發(fā)射管保護(hù)電路

紅外光發(fā)射管工作電流小，傳輸距離短，當(dāng)電流過大容易損壞發(fā)射管，所以需要采用過載保護(hù)電路如圖4所示。

三極管BG2和電阻R2構(gòu)成發(fā)射管保護(hù)電路，由于三極管BG2偏置電阻R2很小，所以，在正常情況下三極管BG2截止。當(dāng)三極管BG1集電極電流突然增大，在電阻R2上的壓降增加，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時候三極管BG2導(dǎo)通，對發(fā)光二極管起到分流作用，然后流過發(fā)射管電流下降，從而對發(fā)射管起到保護(hù)作用。發(fā)射管可以并聯(lián)或者串聯(lián)多個，提高發(fā)射功率，增加通信距離。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際操作中很多人沒有注意保護(hù)發(fā)射管的安全。實(shí)際上微弱的信號經(jīng)過三極管放大及LM386的功率放大之后，信號已經(jīng)變得足夠大，如果在此時不注意保護(hù)發(fā)射管的情況下，因?yàn)槠淠軌虺惺艿碾娏鲝?qiáng)度有限，所以發(fā)射管很容易損壞。這是一個不得不重視的問題。研究表明，如果在接收信號比較弱的情況下，可以將發(fā)射管并聯(lián)或者串聯(lián)，者能夠起到非常明顯的效果。

2.5 電源模塊設(shè)計(jì)

78xx系列電源芯片具有悠久的歷史，而且在現(xiàn)在眾多的電路中依然可以經(jīng)常見到，其應(yīng)用之廣泛可見一斑。電子電路中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78xx系列

和負(fù)電壓輸出的79xx系列。三端穩(wěn)壓顧名思義具有3個引腳，如圖5所示3個引腳依此分別為輸入端、接地端、輸出端。三端穩(wěn)壓芯片組成穩(wěn)壓電源所需外圍元件極少，芯片內(nèi)部具有過熱、過流和調(diào)整管的保護(hù)電路。

實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)三端穩(wěn)壓處于大功率的穩(wěn)壓電路時，應(yīng)該裝上散熱器。在實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)做過用78xx系列芯片驅(qū)動電機(jī)，當(dāng)輸出電流增大時候芯片會發(fā)熱，芯片的輸出電壓會變小，此時芯片發(fā)燙。

在紅外發(fā)射和接收部分采用了LM741、LM386芯片，LM741芯片需要+9 V電壓供電而LM386需要+5 V電壓供電。因此，本系統(tǒng)需要兩個獨(dú)立的不同電壓的供電部分，紅外發(fā)射部分需要+9 V電壓供電，紅外接收部分需要+5 V電壓供電。

7805組成的+5 V供電模塊為接收部分供電;將圖中7805換成7809即可得到+9V電壓，用其給發(fā)射部分供電。但是，三端穩(wěn)壓芯片也有不足之后，其輸出電壓線性不好，輸出電流不足。但是在本系統(tǒng)中對電源要求不高所以78xx系列芯片能夠滿足設(shè)計(jì)使用。

3 發(fā)射部分總體電路

發(fā)射部分總體電路結(jié)構(gòu)圖如圖6。

LM386組成的音頻放大器的增益在20～200范圍內(nèi)可調(diào)，為了保證信號不失真放大。經(jīng)過耦合電容C9隔直通交后信號便由紅外發(fā)光二極管發(fā)射。紅外發(fā)射管接收的信號與音頻信號變化規(guī)律相同，紅外發(fā)射管的發(fā)光強(qiáng)度會受到音頻信號的調(diào)制，此時音頻信號會對其大小進(jìn)行同步調(diào)制并轉(zhuǎn)換成紅外信號發(fā)射。微弱信號經(jīng)過電容C1耦合到三極管Q1進(jìn)行一級放大，被放大的電壓信號通過電容C2之后進(jìn)入由LM741組成的帶通濾波器，帶通濾波器的通頻帶為300HZ～3KHZ，可以濾除頻帶外的干擾信號，使信號更加純凈，而后信號進(jìn)入由LM386組成的音頻放大電路，考慮信號放大到比較強(qiáng)之后會對發(fā)射部分器件造成損壞，因此在進(jìn)LM386前加上10K滑動變阻器。LM386組成的音頻放大器的增益在20～200范圍內(nèi)可調(diào)，為了保證信號不失真放大。經(jīng)過耦合電容C9隔直通交后信號便由紅外發(fā)光二極管發(fā)射。紅外發(fā)射管接收的信號與音頻信號變化規(guī)律相同，紅外發(fā)射管的發(fā)光強(qiáng)度會受到音頻信號強(qiáng)弱的調(diào)制，此時音頻信號會對其大小同步調(diào)制并轉(zhuǎn)換成紅外信號發(fā)射。

4 紅外接收部分總體電路設(shè)計(jì)

紅外接收部分總體電路如圖7所示，紅外接收管接收到信號之后將光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，必須要經(jīng)過兩級放大之后才能完整的輸出。第一級采用三極管9014，第二級采用LM386音頻放大電路。

紅外線接收管在接收紅外光之后將光信號轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，在三極管9014放大之后直接經(jīng)過電容C2輸入到LM386組成的功率放大電路，極性電容C2起隔直流通交流的作用，在功率放大之前先濾除恒定的外界低頻信號的干擾，提高接收效果，最后由喇叭輸出。三極管9014的放大電路和功率放大電路兩級放大之間加上10k滑動變阻器，防止信號過大損壞器件以及信號無失真放大。

5 系統(tǒng)測試與分析

將紅外發(fā)射和接收部分接上電源之后，給發(fā)射部分提供300～3 400 Hz音頻信號，調(diào)節(jié)發(fā)射和接收部分的功率，在距離發(fā)射部分2M處接收部分能夠接收到信號，但是聲音較小伴有輕微雜音。在1，5M處測試接收部分聲音明顯變大，但是雜音問題依然存在。當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號改為800 Hz單音信號時，在8 Ω電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值為0.2 V。不改變電路狀態(tài)，減小發(fā)射端輸入信號的幅度至0 V，低頻毫伏表顯示的電壓為0.5 V。

用萬用表測試電源電壓及各部分電路的電流電壓值，發(fā)現(xiàn)電源電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致各部分的電壓有波動，電路會產(chǎn)生噪聲但是不影響其正常工作。在發(fā)射部分加上一個正弦信號之后，在其兩端用示波器觀察信號，通過調(diào)節(jié)滑動變阻器RV1和RV2，計(jì)算可以得出放大倍數(shù)在100～250之間信號有比較明顯的失真，在放大倍數(shù)在250～35之間信號有明顯失真。在接收部分輸入端接入正弦信號，輸出端輸出的信號波形沒有較明顯的失真情況。

6 結(jié)論

在電路調(diào)試的過程中，為了達(dá)到使放大器增益變大的目的，不斷增大信號驅(qū)動功率，導(dǎo)致射管不斷地?zé)龎?。解決方案為：接三極管BG1和BG2，組成了一個非常有效地保護(hù)電路即發(fā)射管保護(hù)電路。在使用該電路之后發(fā)射管就不再容易被燒壞，效果十分明顯。以上設(shè)計(jì)的紅外發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，性價比高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。