红外声音传输系统报告.docx
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红外声音传输系统报告.docx
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红外声音传输系统报告
技术报告
红外声音传输系统
带队老师:
董岩
参赛队员:
郭春良
王亚伟
张春勇
组别:
32组
时间:
2012.7.2
红外声音传输系统技术报告
一、引言:
在电子消费领域当中,红外产品的使用较为普遍,它多用于简单的近距离控制,如家电,玩具,各种抄表系统。
红外通信过程主要由红外发射和红外接收两个过程,通常有两种实现方式。
第一种是将进入发射装置的模拟信号直接发送出去,模拟的电压信号的强弱转换成光强,接收端接收到光强的变化,进而将接收到的光强再转换成模拟电压或者电流信号,得到的信号跟发射的信号变化规律相同,这样就实现了通信。
另外一种方式是将要发射出去的模拟信号转换成数字信号,将数字信号送给红外发射电路,经该电路的调制转变成红外光信号在空中传输,然后红外接收电路收到该红外光信号,经过该电路的解调,将此红外光信号还原成可被单片机或其他处理系统处理的信号,由单片机或其他处理系统内部处理得到原来的数据编码。
红外通信有自己优点,比如其安全性高,但是也有一定的缺点,例如传输距离短等,但是红外通信有巨大的发展潜力,因此研究红外通信也有比较大的意义,所以我们选做了这个红外声音传输系统。
二、任务及要求:
设计一红外语音传输系统,可将话筒收到的语音信息通过红外传输的方式传到2.5米以外的地方重放。
1.基本要求
(1)放大器1、2的增益为40db,增益可调。
(2)带通滤波器的带通300Hz-3.4kHz。
(3)实时实现语音传送,传输距离>20cm。
2.发挥部分
(1)将语音信号放大滤波后进行A/D采样并存储在存储器中,以数字量形式输出(串行)红外发射。
红外接收并经过数字输入存在在存储器中,D/A转换输出语音信号,扬声器输出。
传输距离1米以上。
(2)声音可重放,在1、2的基础上传输距离2.5米以上。
(3)图形显示语音波形。
三、红外声音传输系统的整体设计思路:
【基础部分的设计:
】
基础部分的实现就是用到了红外通信的第一种方式。
1、声音经过拾音器(即话筒)的微弱电压信号输入需进行放大和滤波,实现电压放大可以考虑使用运放,接成同相放大器或者反相放大器都可以实现要求,但是注意的是,从拾音器过来的电压信号非常微弱,极易被噪声淹没,以此输入放大之前要接差分放大电路以减小噪声干扰,经过差分放大电路之后的信号在接入放大器,实现电压信号的放大。
2、为了保证信号的质量,必须对放大的电压信号进行滤波,考虑到人说话的频率范围有限,也即达到设计要求时的带宽,应该做一个带通滤波电路,为了滤波的效果更好,可设计双电源供电的有源滤波器,使用的芯片可以使NE5532或者LM324,经过计算得出相应的元器件参数,可以使用仿真软件进行一下仿真之后再搭电路进行调试。
3、通过滤波器之后的模拟信号进入到红外发射装置,由于没有找到合适的红外二极管发射和接受装置,我们选用了其他频段的电磁波来实现无限发射和接受,通过光强实现通信,在接收端收到光强的变化,经过转换得到的是按照相同规律变化的模拟信号。
4、将模拟信号再用同样的过程进行放大和滤波。
5、要想从扬声器得到声音的重现,必须进行功率放大,所以需做功率放大电路,将经过滤波后的模拟信号放大之后,就可以就声音信号放出来。
【发挥部分的设计】
发挥部分的设计就是运用了红外通信的第二类方式,只要在基础部分上在一部分改进就可以实现,同时红外的发射和接收装置也必须改动,及使其能发射和接收数字信号。
1、要实现模拟信号向数字信号的变化,需要使用ARM控制进行采样,设计过程中需考虑设置AD(或DA)的分辨率、采样时间、以及如何做到存储问题。
2、红外发射和接收装置的实现需用到一对RPM882-H14,该器件能数字信号通过红外发射出去并实现接收。
四、红外声音传输系统分步实现:
【基础部分的实现】
1、拾音器输入信号
声音经过拾音器进入电路时要进行差分放大,减小噪声的干扰,确保声音信号能够进入电路。
具体电路如下:
注:
进过计算后用到的元器件大小如图所示
2、放大器的实现
反相放大器中加入变阻器,控制放大的增益,具体电路如下所示:
注:
进过计算后用到的元器件大小如图所示
用到的主要运放是OP37,其主要功能如下:
2、带通滤波器的实现
设计为带通滤波器,要求带宽为300Hz到3.4KHz,其由两部分构成,一部分是低通滤波器,一部分是高通滤波器,分别使用LM324n和5532和实现
(1)低通滤波器电路原理图如下:
注:
进过计算后用到的元器件大小如图所示
元件参数计算方式大致如下:
上限截止频率:
fH=1/(2PiRC)=3.4KHz
令R=330O则C=150nf
选增益Au=Rf/R1+1=1.2
取Rf=10K则R1=62K
LM324N的主要功能如下:
四运算放大器
★LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
特点
★内部频率补偿
★直流电压增益高(约100dB)
★单位增益频带宽(约1MHz)
★电源电压范围宽:
单电源(3—32V);
双电源(±1.5—±16V)
★低功耗电流,适合于电池供电
★低输入偏流
★低输入失调电压和失调电流
★共模输入电压范围宽,包括接地
★差模输入电压范围宽,等于电源电压范围
★输出电压摆幅大(0至VCC-1.5V)
LM324的封装形式为塑封14引线双列直插式。
(2)高通滤波器的电路如下:
注:
进过计算后用到的元器件大小如图所示
元件参数计算方式大致如下:
下限截止频率:
fH=1/(2PiRC)=300Hz
令R2=R3=50K则C1=C2=10nf
取增益为Au=Rf/R1+1=1.8
取Rf=48K则R1=62K
LM324N的主要功能如下:
NE5532P的主要功能如下:
引脚图如下:
NE5532P是双电源供电,8引脚接正电源,4引脚接负电源,1是A输出2是A同相输入,3是A反相输入,7是B输出,6是B反相输入,5是B同相输入。
3、功率放大器的实现:
经过放大滤波的信号要想从扬声器输出,必须进行功率放大,因此要进行功率放大器实现。
功率放大器的具体电路如下所示:
注:
进过计算后用到的元器件大小如图所示
用到的主要芯片是LM386,它是专门为低损耗电源设计的功率放大器集成电路,它的内建增益为二十,通过PIN1脚和PIn8脚位间电容的搭配,增益最高可达两百。
引脚图及参数如下:
【发挥部分的实现】
1、AD采样与数字存储的功能实现(DA的过程与此类似)
该模块的实现需要用ARM控制,通过编写程序实现AD及DA的转换,同时控制采样时间、分辨率,并实现存储功能。
(1)分辨率:
12位,参考电压为2.5V,最小检测精度为2.5mv
(2)采样时间:
整个系统带宽最大为3.4Khz,跟踪信号系统中的采样定理,为了真实还原信号,本设计采用的采样时间为34Khz
(3)存储功能的实现:
ARM系统本身开发了一个较大存储空间,可以存储一定量的声音信号。
(4)输出波形的显示:
将输出的信号加到液晶显示屏上,就可以观测到声音波形。
2、红外发射和接收功能的实现:
红外发生装置的核心器件使用的是RPM882-H14。
其主要结构如下:
主要参数:
它能够将收到的数字信号通过红外发射出去,在接收端有同样的一个元件进行接收,这样就实现了两端之间的通信,得到的熟悉信号跟发射的数字信号相同。
五、测试方案及测试结果:
1、放大器的测试及结果:
将放大器的输入端接入0.05V(最大值),1KHz的电压(使用信号源),用示波器测量输出,记录幅值。
测试结果:
输出峰峰值10V左右,并可调,说明放大了100倍,增益可调功能实现。
2、滤波器的测试方案及结果:
用信号源产11生1V的不同频率的信号加到滤波器的输入端,用示波器测输出,观察幅值。
测试结果:
频率为200Hz及其以下时候发生较为明显的衰减,幅值约为300mv,频率大于4KHz的时候幅值降到400mv左右,中间频率的幅值没有衰减,因此带宽约为200HZ到4KHz,与要求的带快有一定的差异,但仍然可以使用。
3、AD采样及存储(包括DA)的测试方案及结果:
用ARM写好AD及DA转换的程序后,用信号发生器给电路输入模拟信号,检测输出的信号;同时再将输出的信号输入到DA转换器,检测得到的模拟量,将最终得到的模拟量与最初的模拟量进行比较,观察失真程度。
测试结果:
波形变化趋势基本一致,误差在允许的范围之内,可以实现转换
4、红外发射和接受装置的测试及结果:
用计算机串口给RPM882-H14输入数字信号,在接收端将另外一个RPM882-H14接受,检测接收到的信号,并与发射信号进行比较,进而验证发射和接收装置能否工作。
测试结果:
在保证两个RPM882-H14对准的情况下能够检测到跟输入信号几乎一致的信号,如果两个元件出现一定的角度误差,接受的信号会出现偏差。
5、功率放大器的测试及结果:
用MP3或者手机输入音频信号,看扬声器时都能发出声音。
测试结果:
出声,有一定的噪音。
六、注意事项及部分说明:
1、芯片需要双电源供电,电源不能接反,否则会烧坏芯片。
2、部分引脚或接线裸露,测试时注意不可短路。
3、部分导线极细,焊接不是特别结实,取放时注意不要拽断。
4、红外的发射和接收装置必须较为准确的相对,否则接收到的信号出现失真,因此发射和接收装置最好使用固定装置。
5、电源的提供:
实现该系统的功能需要正负12V、2.8V、5V的直流稳压电源。
正负12V及5V的电源可以直接从电子科技市场买到,能将220V的交流电变成正负12V直流电源输出,2.8V的电源可以使用电池提供。
七、总结
1、要想实现一个系统,那必须对整个系统的设计有整体的思路
2、设计电路是系统功能实现的前提,合理的选用芯片十分关键,合理设置元器件参数更是一个难点。
3、焊接电路需要扎实的基础功及较强的耐心,调试电路是必须认真细心。
4、系统需要分模块完成,需要小组内成员互相协作。
5、需要有扎实的知识基础,既懂软件又懂硬件,会写程序能搭电路,对常用元器件比较了解
6、任何小的问题都会影响系统的最终功能,所以必须注意细节,同时完成设计需要投入大量时间和精力,需要极强的毅力。
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