【文章內(nèi)容簡介】 波長 /um 相對輻射強度/% 高于閾值 低于閾值 長春理工大學本科畢業(yè)設計 7 由圖 23 可見，當 m大，調(diào)制信號幅度大，則線性較差；當 m小，雖然線性好，但調(diào)制信號幅度小。因此，應選擇合適的 m值。另外，在模擬調(diào)制中，光源器件本身的線性特性是決定模擬調(diào)制好壞的主要因素，所以在線性度要求較高的應用中，需要進行非線性補償，即用電子技術校正光源引起的非線性失真。 圖 23 模擬信號驅(qū)動電路及光強度調(diào)制 接收部分 接收部分與發(fā)送部分相反，需要完成信號的解調(diào)。就本系統(tǒng)具體而言，接收部分需要將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，因而需要用到光電轉(zhuǎn)換器件，本設計采用光敏二極管 ，其機理是光 生伏特效應 。 光生伏特效應 光生伏特效應指的是由光照引起電動勢的現(xiàn) 象。嚴格來講，包括兩種類型：一類是發(fā)生在均勻半導體材料內(nèi)部；一類是發(fā)生在半導體表面。雖然他們之間有一定相似的地方，但產(chǎn)生這兩個效應的具體機制是不相同的。通常稱前一類為丹倍效應，而把光生伏特效應的涵義只局限于后一類情況。 半導體界面包括有：由于摻雜半導體不同而形成的 P 型區(qū)和 N型區(qū)的界面，即 PN 結(jié)；金屬和半導體接觸的界面；不同半導體材料制成的異質(zhì)結(jié)面以及由金屬 — 絕緣體 — 半導體組成系統(tǒng)的界面。在這些界面處都存在著一個空間電荷區(qū)，其中有很強的電場，稱為自建電場。光照產(chǎn)生的電子空穴對，在自建電場作用下運動，就是形成廣 生伏特效應的原因。下面以 PN 結(jié)為例進一步具體說明。 在 PN 結(jié)交界處 N 區(qū)一側(cè)帶正電荷， P 區(qū)一側(cè)帶負電荷，空間電荷區(qū)中自建電場方向由 N 區(qū)指向 P 區(qū)。由于光照可以在空間電荷區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對，長春理工大學本科畢業(yè)設計 8 它們分別被自建電場掃向 N 區(qū)與 P 區(qū)，就如同有一個電子由 P 區(qū)穿過空間電荷區(qū)到達 N 區(qū)，形成光致電流。在空間電荷區(qū)附近一定范圍內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，只要它們能通過擴散運動到達空間電荷區(qū)，同樣可以形成光致電流。光照產(chǎn)生的電流和空穴擴散運動所能起的距離為擴散長度。光致電流使 N 區(qū)和 P 區(qū)分別積累了負電荷和正電荷，在 PN 結(jié)上形成電勢差，引起方向與 光致電流相反的 N 結(jié)正向電流。當電勢差增長到正向電流恰好抵消光致電流的時候，便達到穩(wěn)定情況，這時的電勢差稱為開路電壓。如果 PN 結(jié)兩段用外電路連接起來，則有一股電流通過，在外電路負載電阻很低的情況下，這股電流就等于光致電流，稱為短路電流。 在穩(wěn)定條件下， PN 結(jié)上的光電壓與流經(jīng)負載的光電流 I 關系為 ]1)[e xp (sc ??? kTqVII (23) 當 I=0 時，可以確定開路光電壓 ocV 為 )1ln( ?? sscoc IIqkTV (24) 式中 scI 為短路電流。 光敏二極管（ PD） 光敏二極管是一種 PN 結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電信息轉(zhuǎn)換器件。與一般半導體二極管類似，其 PN 結(jié)轉(zhuǎn)在管子的項部，以便接受光照。與光電池不同，光敏二極管工作時一般加反相偏壓，加反相偏壓的目的是加一個方向與 PN 結(jié)內(nèi)電場方向一致的外電場，從而在原理上克服了光電池的弱點，這樣，光敏二極管的線性特性和頻率 特性將徹底改善，光電流的輸出僅受光照強弱變化的影響，與負載電阻的大小無關。無關照時，處于反相偏壓的光敏二極管工作在截至狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反相偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流，即暗電流。 當光敏二極管受光照時， PN 結(jié)附近經(jīng) 受光子轟擊吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對，從而使 P 區(qū)和 N 區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，在外加電場和內(nèi)電場的共同作用下， P 區(qū)的電子渡越阻擋層進入 N 區(qū)， N 區(qū)的空穴進入 P 區(qū)，從而使通過 PN 結(jié)的反向電流大大增加，這就形成了光電流。 圖 24 畫出了硅光敏二極管的光電流 I 與照度 L 的關系，從圖上可以看出，它的光照特性線性較好，適合于檢測方面的應用。 長春理工大學本科畢業(yè)設計 9 5 0 01 0 0 01 02 03 04 05 0I （ 微 安 ）L （ 勒 克 斯 ） 圖 24 光照特性曲線+ E + EUU( a )( b )( c )RR光 敏 二 極 管光 敏 二 極 管 圖 25 光敏二極管等效電路 (a)、 (b)：光敏二極管的兩種接法（方向相反）； (c):光敏二極管的等效電路。 圖 25 是光敏二極管的輸出電路和等效電路 .圖 (a)和圖（ b）的差別是輸出電壓 U的方向是相反的。 由于 ??Φ = ??Φ，由圖 (c)可知， ???? = ??Φ???? = ??Φ???? (25) 式中， S 是光敏二極管的靈敏度， Φ是入射到光敏二極管的光通量， ????是等效負載電阻，即 ????是 R 和后級電路輸入阻抗的并聯(lián)值。由此可見，為了得到較大的輸出電壓 ????，除串接較大的 R 外，后級電路的輸入阻抗應盡可能的大些。在圖25(c)中， ????是結(jié)電容，一般較小，故在中頻內(nèi)可忽略，但在高頻時不能忽略， ????直接影響光敏二極管的高頻特性?，F(xiàn)計算光敏二極管的上限頻率 ????。 ∵ ??max = ??Φ????，當 U = ????????√2 = ????。 ??Φ ???? ???? ???? 長春理工大學本科畢業(yè)設計 10 而 ??Φ = ???? +???? = ??(???????? +1 ????? ) (26) ∴ U = ??Φjw????+1 ?????= ??Φ????1+????????????= ????????1+jw????????= ????????√1+(??????????)2.????Φ (27) 令 √1+ (??????????)2 = √2，得 ???????? = 2 (28) ???? = 12?????????? (29) 從這里可以看出，減少負載電 阻 ????，可使上限頻率 ????提高。這個結(jié)論對其他光電信息轉(zhuǎn)換器也適用。 長春理工大學本科畢業(yè)設計 11 第 3 章 音頻傳輸系統(tǒng)硬件 電路 的 設計 音頻傳輸系統(tǒng)的總原 理 框圖 本文設計的音頻傳輸系統(tǒng)，是建立在第二章的理論依據(jù)之上的。 系統(tǒng)總原理框圖如圖 31 所示， 首先我們設計了一個簡單的麥克風語音實時輸入模塊，用來實時采集語音信息并送入發(fā)送器，發(fā)送器則實時發(fā)送出該語音信號，接收器則實時接收光信號并從中解調(diào) 還原出原始的語音信號。本音頻傳輸系統(tǒng)需要達到在對著麥克風說話 時能從接收器的揚聲器中聽到所說的內(nèi)容的目的， 液晶 顯示屏 則實 麥 克 風 輸 入 模 塊外 接 音 源直 流 穩(wěn) 壓 模 塊音源切換電路tV0+CLtV0tV0驅(qū) 動 L D激 光光 強0發(fā) 送光 敏 二 極 管激 光+ E0Vtt隔 直 ， 功率 放 大0tV單 片 機 A / D 采 集 顯 示 波 形接 收圖 31音頻傳輸系統(tǒng)的總原理框圖 時顯示出音頻信號的波形。 本文所設計的音頻傳輸系統(tǒng)還可以接入外圍設備（如手機、 mp3 播放器 等）的音頻信號，到底傳輸?shù)氖悄囊宦芬纛l信號則受單片機控制。 本章下文將對該音頻傳輸系統(tǒng)的每個部分做相應的電路設計。 長春理工大學本科畢業(yè)設計 12 麥克風實時語音輸入電路的設計 本模塊的主要器件是傳聲器，俗稱麥克風，其作用是將聲音轉(zhuǎn)換成相應的電信號，以聲波表現(xiàn)的電信號被傳感器接收后，使換能機構(gòu)產(chǎn)生機械振動，由換能機構(gòu)輸出電信號。本部分電路的目的便是完成聲音到電信號的轉(zhuǎn)換，也稱“拾音”。根據(jù)傳聲器的工作原理，我們只需 要將由聲波引起的微變信號進行隔直、濾波和放大，便可得到語音信 號 。本設計選用集成運算放大器 UA741,麥克風輸入電路如圖 32。 其中，使用 的電容對電源進行濾波，凈化電源，輸出端的 1K電阻為分流電阻。 圖 32 麥克風輸入電路 音源切換電路的設計 本系統(tǒng)除了傳輸自身麥克風輸入的音頻信號，還可以傳輸外部接入音頻信號（如手機、 MP3 播放器 等）。因此需要進行音源選擇的電路設計，由于本系統(tǒng)基于單片機，因此選用數(shù)控的方式。本設計選用 CD4051B 模擬開關。 CD4051 系列模擬開關是用數(shù)字信號控制的多路調(diào)制 /選擇模擬開關，具有低導通電阻和很低的關態(tài)漏電流。通過模擬開關的模擬量幅度可高達 15V，與 CD系列數(shù)字電路的 3V～ 15V 工作范圍正好相對應。例如，選 VDD=5V， VSS=0V， VEE= 5V，那么幅度 5V～ +5V 的模擬信號就可用 0V～ 5V 的數(shù)字信號來控制 傳輸。CD4051 系列模擬開關的靜態(tài)功耗極小。 CD4051B 是八選一 模擬開關，用 3個二進制輸入信號控制端 A、 B、 C來選擇八個模擬通道中的任 意 一個為“ ON”狀態(tài)。 INH 輸入端輸入“ 1”電平時將全部通道置為關斷狀態(tài)。如圖 33是 CD4051B 的引腳圖。 音源切換電路僅僅使用一個八選一模擬開關，本文設計的音頻傳輸系統(tǒng)需要在兩個輸入信號中選擇其中一個，選擇哪個通路受單片機控制。 UA74112V81010uFMK+5V1K音頻輸出12V長春理工大學本科畢業(yè)設計 13 圖 33 CD4051B的引腳圖 我們想要實現(xiàn)的功能如圖 34（ a）所示，但是該電路是不受單片機控制的，只能手動切換。 根據(jù) CD4051B 的引腳圖，可設計出用于本音頻傳輸系統(tǒng)的 數(shù)控模擬開關，如圖 34(b)所示 ，其中， PD0、 PD PD PD3 是單片機的 I/O 口，通過對這些端口的編程可實現(xiàn) audio1 和 audio2 兩路信號的切換，對應的端口狀態(tài) 及通斷狀況 見 表 31。 (a) (b) 圖 34 音源切換電路 表 31 切換電路 對應 的 真值表 I/O 端口狀態(tài) 通斷狀態(tài) PD0 PD1 PD2 PD3 0 1 0 0 audio1 接通 0 1 1 0 audio2 接通 1 x x x 都斷開 音頻傳輸電路的設計 就發(fā)送部分來說，根據(jù)激光的輸出特性，我們需要激光工作在線性區(qū)域，則需要使激光的驅(qū)動電流超過激光的閾值電流。單純的音頻信號是達不到這一目的的，因此為了達到這一目的，我們需要將音頻信號疊加一個穩(wěn)定的直流偏置電壓，保證激光的調(diào)制信號的最小值也能使通過激光的電流處于閾值電流之上，如此才能保證激光工作在線性區(qū)域。很顯然，為保證傳輸性能，一個穩(wěn)定的直流偏置電12345678910111213141516CD4051BPD0PD1PD2PD3VCCaudio1audio2out231Koutaudio1audio2長春理工大學本科畢業(yè)設計 14 壓是必須的，因此電路中的直流偏置電壓采用三端穩(wěn)壓模塊提供，并且通過滑動變阻器可調(diào)節(jié)電壓值，三端穩(wěn)壓芯片選用 LM317，外圍電路采用該芯片的標準應用電路。另外，激光器 需要串聯(lián)一個 100Ω左右的限流電阻 ,并加入了單片機的控制 ,以免激光射傷人眼 。音頻發(fā)送 電路如圖 35 所示 。 圖 35 音頻發(fā)送 電路 就接收部分來說，本設計采用的是光敏二極管作為接收頭。根據(jù)第二章提到的光敏二極管的光照特性，當給光敏二極管加上一個反向偏壓時，通過光敏二極管的電流隨光照強度的增加而呈良好的線性增加關系。我們用一個電阻將該變化的電流信號給取出來，并濾除直流分量，我們便得到了所需的音頻信號，但是該音頻信號極其微弱，不足以驅(qū)動揚聲器，所以我們需要對該小信號進行功率放大， 功率放大電路采用功放集成芯片 LM386 的標準應用電路 ,可通過滑動變阻器調(diào)節(jié)增益 。另外，為了保證傳輸性能，光敏二極管的反相偏壓我們也采用三端穩(wěn)壓模塊提供，亦采用 LM317 搭建。音頻接收 電路如圖 36所示。 圖 36 音頻接收 電路 LDLASER10mH1002N3904PE0Vin VoutGNDLM31712V10050K50uF10uF1000uF100音頻輸入PD1K1uF10K53241876LM386220uF10uFSpeaker12V10Vin VoutGNDLM3171K10050K12V50uFPA0長春理工大學本科畢業(yè)設計 15 音頻傳輸電路中，穩(wěn)定的直流電源是必須的， 音頻發(fā)送和接收電路中都用到了 LM317 三端穩(wěn)壓模塊。 LM317 是美國國家半導體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。 LM317 的輸出電壓范圍為 37V，負載電流最大為 。它的使用非常簡單，只需要兩個輸出電阻來設置除輸出電壓。此外，它的線 性調(diào)整率和負載調(diào)整率