一月 19

项目设计——红外无线耳机

我们学校大四上学期有一门必修课,叫项目设计,就是选一个题目,然后做点东西。我选的题目是红外无线耳机,还有两个队友,但是主要工作都是我做的,他们两个负责打打杂并焊电路。其实这个东西原理很简单,但是把它做出来可是费了我一番功夫。通过这次项目设计,我收获很大,所以我想通过这篇博文记录一下。前面简单写写本次设计做的东西,后面写写感想。

做的东西很简单,就是把声音信号通过频率调制到某一个载波频率,然后用红外二极管发出调制信号,在接收端通过光电二极管接收信号并放大,然后解调,通过功放播放出声音。在信号与系统中学过调频,在高频电子线路中也学过调频,但只是学了最基本的理论知识。本次项目设计将这一系统实现了出来。

发射部分如下图所示。音频信号通过耳机孔输入,通过5倍放大,输入压控振荡器的输入端。CD4046是锁相环芯片,Selection_001这里只将其当成压控振荡器。C5和R7控制中心频率,也就是载波频率,我们这里是110KHZ。VCO(压控振荡器)输出的信号就是调制信号,然后驱动12个红外二极管,发出载波频率为110KHZ的调制光(不是说光的频率是110KHZ,是载波的频率)。

接收部分如下图所示。Selection_0028个光电二极管接收红外线,反应到二极管的阳极就是电压的微小变化,5米距离峰峰值大约30mV。然后通过一个射极跟随器,将前后级隔离。U1A进行第一次放大,放大50倍,然后通过一个通带频率为18K~180K的带通滤波器,滤除噪声。然后再通过一次20倍的放大,得到最终的调制信号。将调制信号输入到CD4046锁相环芯片中,可以解调出原信号,也就是音频信号,最后通过TEA2025功放放大音频信号,驱动音响发声。整个系统通过5V电压供电,设想是两节电池3V用DCDC转到5V,但是实践中发现这样做噪声很大,所以最终是使用实验室的稳压源5V供电。

整个电路非常简单,但是这是我第一次设计模拟电子制作,所以遇到了很多的问题。电路是我自己设计的,肯定不是最优,还有很多地方可以改善,但是能够实现目的。一共做了三次PCB,前两次做都是在脑子里想想觉得这样的电路应该可以然后就去做了,结果电路根本不工作。最后搭面包板实验,一步一步调试,花了大概5天时间,每天早上9点去,晚上11点回,除了吃饭就是调电路,终于成功播放出声音。下面是那天终于播放出声音的视频。

简陋的发射板。
发射1
用面包板,洞洞板还有一部分做的pcb组成的接收板。
接收1
接收2
最后一版pcb的发射板。
发射2
接收板。
接收3
在电路调试中遇到了很多问题,比如运放自激。由于用的运放是贴片的,不能直接插到面包板上,所以之前做pcb时做了一块用于测试的电路,只需要将运放焊到上面去,就可以把引脚引出来搭到面包板上,这样方便对这个运放进行测试。理想是很美好的,但是现实却很残酷。几乎每一个我设想的可以工作的电路都会出一些问题,然后就是一直调啊调,寻找问题所在。大部分问题都是由于我不熟练引起的,所以只要花一点时间就能找到问题出在哪儿。但是有一个问题困扰我三天,那就是运放自激,当然了当时我并不知道这是自激。在接收板中我设计了一个有源带通滤波器,在实验中发现只要一把电容加进去,整个波形都是乱的,在示波器上看起来噪声巨大,占满了整个屏幕。虽然将运放用于简单的反向放大可以成功,但是有的时候也会出现那样波形不稳定噪声很大的现象。这个问题让我百思不得其解,花了好多的时间排查电路。后来实在不知道问题出在哪里,上网查发现貌似是运放自激。然后去问老师,老师都不相信这么简单的电路会自激。老师帮我们调试了好久,还是一样的问题。最后老师说应该是引线的问题,因为我们的运放是焊在pcb上,然后通过排针引出来的,线有点长,所以推测是这个原因导致的自激。他让我们把运放焊在实验板上,引线短一点。我们照做了,还真的就没有自激了!这个问题折腾了三天时间,真是很烦躁,现在发现居然是这么简单的原因。不过也收获了一些教训,对于有反馈的电路引线不能过长!解决这个问题后接下来进展就很顺利了,当天晚上就成功地解调出信号并播放出音乐。上面那个视频就是当时的视频。出声音后我队友很激动,毕竟这几天我们挺辛苦的,几乎所有的时间都花在这上面了。我当然也很激动,这几天努力没有白费,终于实现了这一目标。虽然有些比较明显的噪声,但是因为时间紧张,没有时间去优化了,第二天就到淘宝加急做第三版pcb,然后17号早上到,我们一拿到就到实验室焊元件并调试。还好有惊无险,赶上了下午的答辩和演示。

项目设计就这样结束了,对我来说挺快的,虽然10月就开始了,但我们组直到12月底才正式开始做,中间因为元旦电子大厦没开门还耽搁了几天。指导老师每次来看我们的进度都对我说,你们要是做不完那就只好等下学期单独答辩了。我每次也都很自信地说,绝对可以在17号之前做完,很快就搞定了。我一直对我们系不太满意,课程很水,有的老师很水,学生有水平的也没有几个,但是我对这次的项目设计还是相当满意的。这是全校大四上的必修课,据我所知我们系是最迟答辩的,有的系1月初就答完了,因为我们系主任要求所有人,包括考研同学,都必须参与。12月20多号才考研,那些考研的同学自然是只能在考完研后才有时间做。那几个星期实验室里很热闹,都是在做项目设计,之前几乎不怎么学习的学渣也低着头在写代码,这个景象是很难得的。还记得有次开会,有师兄向系主任汇报一个组的进度,说他们把上届留下的三个光敏电阻都给烧了。系主任说,烧就让他们烧呗,只有亲自动手做才会有感悟,他们以后就知道小心了。这次项目设计自然还是有部分人是混过去的,但是只要是有动手做,动脑想的同学,都有很大的收获。我们组花了900块,系里也全部给报销了,这让我感觉到少有的温暖。

我做的这个全部都是模拟电路,遇到困难的时候总是觉得还是做数字电路轻松。比如我们需要买电子元件,还要跑到电子大厦去,麻烦死了,但是做数字的同学只需要一块开发板,坐在电脑前写写代码,甚至在宿舍就能完成。我们用面包板搭电路确实挺方便的,但是面包板的寄生干扰大啊,而且电路复杂起来线太多,看着也乱。做pcb吧,贵不说,要至少三天才能到,而且电路一旦要修改,麻烦的要死又不好看。总之,每到这个时候我就觉得,还是写代码好啊,哪有这些烦心事。但是话说回来,每个行业还有他自己的特点,你如果想做这一行,那么只能去适应,如果不喜欢,那么就做喜欢的事。我还是不太喜欢做这样的分立模拟电路,原因就像我上面说的那样。但是集成模拟电路我还是挺感兴趣的,因为全部工作几乎都直接使用电脑完成,连开发板都不用。。。这是另一个话题了,这里不展开。

最后,这次项目设计极大地丰富了我的模拟电路设计经验(因为之前几乎是0),遗憾的是我的焊接技术没有提高,还是非常的烂,因为焊电路的活全部由我另两个队友包了。不过我也不喜欢焊东西,以后有需要再多多练习吧。

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Posted 2016年1月19日 by zhangzimou in category electronics
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