紅外信號傳輸系統(tǒng)設(shè)計

1、編號 本科生畢業(yè)設(shè)計本科生畢業(yè)設(shè)計紅外線音頻信號傳輸系統(tǒng)紅外線音頻信號傳輸系統(tǒng)Signal Transmission System of Infrared and Frequency學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名名蔡力健專專 業(yè)業(yè)通信工程學(xué)學(xué) 號號0932314指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師楊光分分 院院電子工程分院2013 年 6 月 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 摘摘 要要調(diào)頻信號的傳播媒介除了無線電波外還可以是紅外線、超聲波等，其中，紅外線的應(yīng)用日益廣泛。本文將要介紹的是紅外線通信的一種應(yīng)用形式利用紅外線來傳送音頻信號，這是一種紅外線無線光通信電路。首先介紹了紅外線音頻信號傳輸系統(tǒng)發(fā)展方向，提出了紅外

2、線立體耳機系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理，緊接著逐步分析每一步工作原理，包括發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)又包括頻率調(diào)制，基本驅(qū)動方式，紅外發(fā)光二極管和發(fā)射電路。接收系統(tǒng)又包括光敏二極管，前置放大器，頻率解調(diào)器和接收電路。最后介紹了系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用。關(guān)鍵詞：驅(qū)動電路 紅外發(fā)光二極管 光敏二極管 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 ABSTRACTThe frequency-modulated signal vector besides the radio wave also may be the infrared, the ultrasonic wave and so on. Among them, the

3、 infrared application is day by day widespread.This article introduces one kind of the infrared correspondence application form - using the infrared to transmit the frequency signal. This is one kind of infrared wireless communication circuit. First introduce the development direction system design

4、and then introduce work principle of infrared and frequency signal transmission system.Then analysis every work principle including emitting and receiving system.The emitting system include frequency modulation,actuating circuit, infrared emitter diode and emitting circuit.The receiving system inclu

5、des photodiode,pre-amplification demodulator and receiving circuit. At last introduce debugging and applification of the system.Key words: Actuating Circuit Infrared Emitter Diode Photodiode 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 目目 錄錄目目 錄錄 .I緒緒 論論 .1第一章第一章 系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理 .21.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案.21.2 頻率調(diào)制紅外線通信的基本原理.2第二章第二

6、章 發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng) .52.1 頻率調(diào)制.52.2 基本驅(qū)動方式.92.3 紅外發(fā)光二極管.112.4 發(fā)射電路.16第三章第三章 接收系統(tǒng)接收系統(tǒng) .183.1 光敏二極管.183.2 專用集成電路前置放大器.213.3 頻率解調(diào)器.253.4 接收電路.29第四章第四章 系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用 .31結(jié)結(jié) 論論 .32致致 謝謝 .33參考文獻參考文獻 .34 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 0 緒緒 論論語言和音樂等所產(chǎn)生的電信號與其它低頻電信號一樣，一般不能直接作遠距離傳輸。被傳送的低頻信號（如語言、音樂）經(jīng)過放大后去對發(fā)射機中高頻振蕩進行調(diào)制，使高頻振蕩的頻率隨低頻信號

7、而改變。然后將此攜帶有低頻信號的已調(diào)高頻振蕩經(jīng)功率放大到實際需要的功率，通過一定的媒介向周圍空間輻射。在接收端，利用接收元件（如天線、紅外接收管等等）將接收到的微弱電磁波或紅外光變?yōu)橐颜{(diào)波電流，經(jīng)高頻放大器選擇出所需要接收的信號，并同時放大信號。放大后的高頻已調(diào)信號與本振頻率相混頻，變?yōu)轭l率較低且固定的中頻已調(diào)信號，經(jīng)中頻放大器放大后，由鑒頻器檢出原來的調(diào)制信號，再經(jīng)低頻放大級放大去推動終端設(shè)備（如耳機、揚聲器） 。紅外線受人們青睞的原因是它的穿透能力強，容易繞過霧、塵埃等，還可以定向發(fā)射。正因為紅外線具有如此優(yōu)點，僅在軍事上紅外線就有很多用途，如：夜視機器、紅外照相、紅外雷達等。此外，紅外線

8、被廣泛的應(yīng)用于自動控制、通信、家用電器等領(lǐng)域。如普遍應(yīng)用于彩電、錄像機以及空調(diào)等的紅外遙控，用紅外遙控器在幾米到幾十米遠距離的直視范圍內(nèi)任何位置，都可以任意地實現(xiàn)各種家用的遙控。紅外線通信，通常又叫紅外光通信，是利用紅外線來傳送信息的一種通信方式。紅外線通信分為以光纜為傳輸介質(zhì)的有線通信和用無線電波來傳輸?shù)臒o線光通信。紅外線通信所傳輸?shù)膬?nèi)容是多樣的，可以是音頻信號，也可以是視頻信號；可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號1。本文將要介紹的是紅外線通信的一種應(yīng)用形式利用紅外線來傳送音頻信號，這是一種紅外線無線光通信電路。目前這種方式主要用于室內(nèi)，如構(gòu)成無繩電話及無繩耳機系統(tǒng)等。紅外線的傳輸距離雖然不遠

9、，但應(yīng)用于辦公室和家庭已綽綽有余。由于可免去布線的麻煩，故它具有有線光通信無法比擬的優(yōu)點。本文設(shè)計的是紅外線立體耳機系統(tǒng)，紅外線耳機是 70 年代末在國外發(fā)展起來的產(chǎn)品，近幾年國內(nèi)也有研制和生產(chǎn)紅外線耳機的報道。它是利用紅外線技術(shù)進行無線傳送的新型音響輔助設(shè)備。它可以使你不必用零亂而麻煩的電線，就能獲得高音質(zhì)放音。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 1第一章第一章 系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理1.11.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案系統(tǒng)總體設(shè)計方案一、技術(shù)指標：1、 傳輸距離：5 米距離10 米2、 采用光源：半導(dǎo)體激光器或紅外發(fā)光管 3、 信號頻率范圍：40HZ5KHZ二、系統(tǒng)設(shè)計方案

10、圖 1-1，1-2 分別為發(fā)射機和接收機的設(shè)計框圖。放射電路由 AGC 放大器、頻率調(diào)制器、驅(qū)動電路及紅外線發(fā)射電路組成。接收電路由前置放大、選頻電路、頻率解調(diào)電路、功放電路及耳機組成。 圖 1-1 發(fā)射機設(shè)計框圖 圖 1-2 接收機設(shè)計框圖1.21.2 頻率調(diào)制紅外線通信的基本原理頻率調(diào)制紅外線通信的基本原理圖 1-3 為頻率調(diào)制紅外線通信的原理框圖。圖 1-3（a）為發(fā)射機原理圖。在這種調(diào)制方式下，音頻信號首先對某一適當(dāng)頻率的副載波進行頻率調(diào)制，再用這個被調(diào)制頻率的信號對光源進行調(diào)制。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 圖 1-3 頻率調(diào)制紅外線通信的原理框圖在頻率調(diào)制中，輸出光信號的

11、幅度不變，而輸出光信號的頻率隨著輸入音頻信號的幅度而變化，即輸出光信號為調(diào)制光脈沖。調(diào)頻原理如圖 1-4 所示。圖 1-4 音頻信號的調(diào)頻在頻率調(diào)制紅外線通信中，調(diào)制脈沖對光源的調(diào)制為脈沖調(diào)制，其調(diào)制原理如圖1-5。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 圖 1-5 光源的脈沖調(diào)制在這種調(diào)制方式中，作用于紅外發(fā)光二極管的驅(qū)動電流為脈沖電流，故輸出的光信號為光脈沖，而頻率在不斷變化。放大與壓縮電路的作用是控制加到頻率調(diào)制電路音頻信號的幅度，以免產(chǎn)生調(diào)制失真2。圖 1-3（b）為接收機原理圖。前置放大器將紅外接收二極管收到的調(diào)頻紅外線脈沖進行足夠的放大，然后進行限幅。限幅后的調(diào)頻信號送頻率解調(diào)電路

12、，將音頻信號解出。最后由功率放大器推出發(fā)聲器件。在頻率調(diào)制紅外線通信電路中，所傳送的紅外線信號幅度不變，不會受外界光的干擾，因此，這種通信方式較幅度調(diào)制通信方式有較高的信噪比。這就意味著距離可以延伸。在頻率調(diào)制紅外線通信中，頻率調(diào)制與解調(diào)電路的中心頻率一般為幾十 kHz幾百kHz。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4第二章第二章 發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)2.12.1 頻率調(diào)制頻率調(diào)制 在頻率調(diào)制紅外線通信系統(tǒng)中，頻率調(diào)制與解調(diào)器便是這種通信系統(tǒng)的關(guān)鍵電路3。一、頻率調(diào)制器頻率調(diào)制器實際上是一種壓控振蕩器，它的振蕩頻率隨輸入的控制電壓（即音頻信號）的大小而變化，即將所要傳輸?shù)囊纛l信號反映在壓控振蕩器的

13、頻率變化上。而這種頻率的變化是以某一中心頻率（即載波頻率）為基準的。這就要求載波頻率有一定的穩(wěn)定度。否則，會造成通信信號的嚴重失真，甚至使通信無法進行。另外，還要求頻率調(diào)制器的頻率偏移應(yīng)與音頻信號的大小成正比，即線性調(diào)頻。下面介紹幾種在紅外線通信中常用的頻率調(diào)制器。1、555 時基電路構(gòu)成頻率調(diào)制器VC時基電路 555 的控制端（即第 5 腳）電位的變化，將使 555 中上、下兩比較器的閾值電平發(fā)生變化，如果令 555 時基電路構(gòu)成方波振蕩器，其 VC端不懸空，而是輸入一音頻信號，這就構(gòu)成了頻率調(diào)制器。電路如圖 2-1 所示。與通常的多諧振蕩器一樣，電源通過 RA和 RP 對 C 充電，C 上

14、的電位逐漸上升，當(dāng)上升到 VC值時，電容開始放電，當(dāng)電容放電到 1/2VC時中，輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電容開始充電周而復(fù)始，形成振蕩。可見，電容 C 的充放電時間是與控制電壓 VC有關(guān)的，從而實現(xiàn)了 VC對振蕩頻率的調(diào)制。輸入信號為零時的載波中心頻率可由 RP 來調(diào)整。改變 RP 也就改變了時基電路555 的 VC的靜態(tài)電壓，從而就可以改變振蕩頻率。當(dāng)然也可以通過改變 RA或 C 的數(shù)值來改變中心頻率。采用 555 時基電路構(gòu)成的頻率調(diào)制器，電路比較簡單，若用 NE555、LM555 等 TTL型時基電路，還可直接驅(qū)動紅外發(fā)光器件。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5圖 2-1 555 電路構(gòu)成

15、頻率調(diào)制器2、 CMOS 門電路構(gòu)成頻率調(diào)制器由 CMOS 非門可非常方便地構(gòu)成一個簡單的頻率調(diào)制器，如圖 2-2 所示。圖 2-2 CMOS 非門構(gòu)成頻率調(diào)制器在 R2兩端并上一個 N 溝道 MOS 管，音頻信號加在它的柵極上，當(dāng)音頻信號變化時，MOS 管的溝道電阻也隨之變化，從而使振蕩頻率隨輸入音頻信號而變化。從而實現(xiàn)調(diào)制。二 、鎖相環(huán)構(gòu)成頻率調(diào)制器采用鎖相環(huán)路實現(xiàn)頻率調(diào)制，在紅外線通信中應(yīng)用很廣。它具有中心頻率穩(wěn)定度高，調(diào)制指數(shù)大等特點。頻率調(diào)制是將音頻信號加在壓控振蕩器的控制輸入端，利用壓控振蕩器的中心頻率跟蹤輸入信號的變化而實現(xiàn)。在壓控振蕩器的輸出端得到的便是調(diào)頻信號4。TTL 音頻

16、鎖相環(huán) LM567 是美國國家半導(dǎo)體公司（NSC）產(chǎn)品。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 圖 2-3 LM567 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 2-3 是 LM567 的內(nèi)部框圖，它由相位比較器、壓控振蕩器、正交相位檢波器、邏輯輸出放大器等幾部分構(gòu)成。圖 2-4 是作選頻時的電路。LM567 的第 5 腳和 6 腳外接定時電阻和電容決定鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率。第 2 腳對地接電容 C2為相位比較器輸出的低通濾波器。第 2 腳所接電容 C2對鎖相環(huán)的捕捉帶寬 BW 有影響。C2及壓控振蕩器中心頻率越大，捕捉帶寬 BW 越窄。因此，在輸入信號幅度及壓控振蕩器頻率已確定的情況下，可通過改變低通濾波電容

17、C2來擴展或收縮捕捉帶寬。第一腳對地接一電容 C1為正交相位檢波器的輸出濾波，其外部功能作如下描述： 第 3 腳為信號輸入端，要求輸入信號的幅度大于 25mV，最佳值為 200mV 左右。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7圖 2-4 LM567 選頻電路1、當(dāng) LM567 的輸入信號的頻率落在其內(nèi)部壓控振蕩器中心頻率 f0附近時，邏輯輸出端 8 腳將由原高電平變?yōu)榈碗娖?，輸出一個負脈沖?？梢?，利用 LM567 的 8腳輸出，不僅可以實現(xiàn)選頻，而且還有脈沖形成功能，用 8 腳輸出的負脈沖去觸發(fā)記憶電路，最終便可實現(xiàn)某種功能的控制。LM567 作為選頻電路，具有電路簡單、功能多、體積小等優(yōu)點。

18、LM567 作為選頻電路時的結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。改變 RP 可非常方便地改變選頻頻率。由于 8 腳為集電極開路輸出，故實際應(yīng)用時，其 8 腳應(yīng)接一上拉電阻 R1至電源正極 VDD。2、如果在 LM567 的 2 腳（實際上是內(nèi)部壓控振蕩器的控制端）加入音頻信號，則它將使壓控振蕩器的 5 腳輸出受 2 腳信號調(diào)制的調(diào)頻信號。利用這一功能可以實現(xiàn)對信號的頻率調(diào)制。應(yīng)當(dāng)說明，調(diào)制信號的中心頻率 f0是由 5 腳和 6 腳的外接阻容元件確定的。3、如果在 3 腳輸入一用音頻信號調(diào)制的調(diào)頻信號，且調(diào)頻信號的中心頻率 f0與 LM567 內(nèi)部壓控振蕩器中心頻率 f0相同時，第 2 腳將輸出調(diào)制信號的解

19、調(diào)信號。 對信號的頻率調(diào)制與解調(diào)，在紅外光通信電路中有著廣泛的應(yīng)用。頻率調(diào)制與解調(diào)電路如圖 2-5(a)、(b)所示。LM567 的主要參數(shù)如下：（1）電源電壓 4.759V， （2）靜態(tài)工作電流8mA， （3）最高工作頻率 500kHz， （4）8 腳最大吸收電流 100mA。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 圖 2-5 LM567 頻率調(diào)制與解調(diào)電路2.22.2 基本驅(qū)動方式基本驅(qū)動方式紅外發(fā)光二極管是一種電流驅(qū)動器件?；镜尿?qū)動方式有恒定直流電流驅(qū)動、脈動直流電流驅(qū)動和交流電流驅(qū)動三種5。一、恒定直流電流驅(qū)動方式 圖 2-6 紅外發(fā)光二極管的恒定直流電流驅(qū)動驅(qū)動電路及驅(qū)動原理如圖

20、2-6(a)、(b)所示。 在圖 2-6(a)中，U 為驅(qū)動電壓，R 為限流電阻，驅(qū)動電流 IF=U-UF/R，式中 UF是紅外發(fā)光二極管的正向壓降。由于是直流電流驅(qū)動，其驅(qū)動電流也就是正向平均工作電流。因此，實際工作電流不要超過器件參數(shù)給出的正向工作電流數(shù)值。由于是恒定直流驅(qū)動，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的也是光強恒定的紅外光，如圖 2- 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 96(b)所示。這種驅(qū)動方式常用于簡單紅外光控電路。二、脈沖直流電流驅(qū)動方式驅(qū)動電路及驅(qū)動原理如圖 2-7(a)、(b)所示。在圖 2-7(a)中，驅(qū)動電壓 U 為脈沖電壓，所以發(fā)光二極管的驅(qū)動電流也為脈沖電流。紅外光的有效傳送距

21、離正比于驅(qū)動峰值功率，而峰值功率又與所加驅(qū)動峰值電流成正比，所以，為了提高紅外光的傳送距離，應(yīng)加大驅(qū)動峰值電流。紅外發(fā)光二極管參數(shù)中給出的工作電流是指平均工作電流。當(dāng)用脈沖電流驅(qū)動時，其驅(qū)動電流的平均值只要不超過參數(shù)給出的工作電流即可。因此，可在保持脈沖電流周期 T0不變的情況下，減小脈沖電流的上平頂寬度 Td來減小平均工作電流，而采用減小限流電阻 R 的方法，提高峰值工作電流。這樣，就可在保持平均工作電流不變的情況下，提高峰值工作電流。紅外發(fā)光二極管直流平均工作電流 IF與峰值工作電流 IP之間有下列關(guān)系式： IP=IF （2.1）d0TT式中，T0/Td為脈沖電流的空度比?？梢?，空度比較大

22、，允許的峰值電流也越大。例如：紅外遙控中常用的小功率紅外發(fā)光二極管的參數(shù)中，IF=100mA，若驅(qū)動脈沖電流的空度比 T0/Td=25，則峰值驅(qū)動電流 IP=100=500mA，達 IF的 5 倍。25圖 2-7(b)用圖示法畫出脈沖直流電流驅(qū)動的原理，可見，在脈沖驅(qū)動電流的驅(qū)動下，紅外發(fā)光二極管發(fā)出是同頻率的脈動紅外光。為了減小發(fā)射器電源消耗，延長紅外發(fā)光二極管使用壽命以及提高遙控發(fā)射距離，在紅外遙控發(fā)射器中，紅外發(fā)光管一般都采用脈沖直流電流驅(qū)動方式。圖 2-7 紅外發(fā)光二極管的脈沖直流電流驅(qū)動那么，遙控電路中脈沖驅(qū)動電流的空度比取多大合適，是否越大越好呢？這個問題在設(shè)計電路時是要注意到的。

23、由于受紅外發(fā)光二極管響應(yīng)時間 tw的限制，脈沖電流 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10的上平頂寬度 Td不能太窄，否則，紅外發(fā)光管來不及響應(yīng)，脈沖電流就消失了。實際電路中，Td應(yīng)大于 tw 一定數(shù)值，可取 Td 10tw =1010-7=1（s） 。然后再根據(jù)T0/Td計算出空度比。這里 T0是驅(qū)動脈沖電流的周期，為發(fā)射頻率的倒數(shù)。采用脈沖直流驅(qū)動還有一個好處，就是提高了紅外遙控系統(tǒng)的抗干擾性能。由于發(fā)射管發(fā)出的是脈動紅外光，且具有特定變化頻率，而日光、燈光等光線均不是脈動紅外光，因此可以通過接收器中的一些電路使它們與紅外脈沖分離開，將日光、燈光等雜散光干擾濾掉。這樣就保證了紅外遙控系統(tǒng)在

24、日光、燈光等光線下能可靠工作。由以上可見，采用脈沖直流電流驅(qū)動有以下優(yōu)點：一是提高了作用距離；二是提高了抗干擾性能；三是降低了發(fā)射器電源消耗，延長了電池使用時間，這就可以選用較小容量的電池，從而減輕了發(fā)射器重量。三、交流電流驅(qū)動方式驅(qū)動電路及原理如圖 2-8(a)、(b)所示。這種驅(qū)動方式主要應(yīng)用在近距離簡單紅外光通信電路中，如簡單紅外線耳機等。在圖 2-8(a)中，為圖 2-8 紅外發(fā)光二極管的交流電流驅(qū)動了使紅外發(fā)光二極管工作在輸出特性曲線的線性區(qū)，預(yù)先給它提供了一個偏置電流I0，I0與輸出特性曲線的交點 Q 為紅外發(fā)光管的工作點，如圖 2-8(b)所示。這樣，在交流驅(qū)動電流的驅(qū)動下，工作

25、點就在輸出特性曲線上，上下移動，發(fā)光管發(fā)出的紅外光的幅值和相位按驅(qū)動電流的波形而變化。在這種驅(qū)動方式下，要控制驅(qū)動交流電流的大小，以免發(fā)光二極管進入非線性區(qū)，產(chǎn)生非線性失真。2.32.3 紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管 2.3.12.3.1 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 紅外發(fā)光二極管是只有一個 PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件，它與普通發(fā)光二極管（紅、綠、黃發(fā)光二極管）結(jié)構(gòu)原理與制作工藝基本相同，只是所用的材料不同。制造紅外發(fā)光二極管材料有砷化鎵、砷鋁化鎵等，其中應(yīng)用最多的是砷化鎵。在一塊砷化鎵半導(dǎo)體中，采用半導(dǎo)體摻雜工藝使其一部分為 P 型半導(dǎo)體；另一部分為 N 型半導(dǎo)體。在

26、 P 型和 N 型半導(dǎo)體交界面就形成半導(dǎo)體 PN 結(jié)。P 區(qū)多數(shù)載流子為空穴，少數(shù)載流子為電子；N 區(qū)多數(shù)載流子為電子，少數(shù)載流子為空穴，并且具有一定的內(nèi)電場，其能帶結(jié)構(gòu)如圖 2-9(a)所示。當(dāng)給這個 PN 結(jié)加上正向電壓時（P 區(qū)接正電壓，N 區(qū)接負電壓） ，圖 2-9 PN 結(jié)注入發(fā)光能帶圖在外加電壓的作用下，內(nèi)電場被抵消。這樣，N 區(qū)的多數(shù)載流子（電子）在外電場的作用下注入 P 區(qū)，同時，P 區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）在外電場的作用下注入 N 區(qū)。如圖 2-9(b)所示。實際上，外加正向電壓作用就是加強了多數(shù)載流子的擴散運動。這些注入 P 區(qū)的電子和注入 N 區(qū)的空穴，對于注入?yún)^(qū)來講都是非

27、平衡少數(shù)載流子。這些非平衡少數(shù)載流子不斷與注入?yún)^(qū)的多數(shù)載流子復(fù)合，將原來從外加電場吸收的能量以光子的形式釋放，從而發(fā)出光來。這種發(fā)光過程叫輻射復(fù)合。這與導(dǎo)帶中的電子到價帶上與空穴復(fù)合一樣，要釋放出禁帶寬度 EG 大小的能量，這種能量的釋放是以發(fā)光的形式來進行的。這就是 PN 結(jié)發(fā)光的基本原理6。發(fā)光二極管發(fā)出的光波波長與所用材料禁帶寬度 EG有關(guān)。發(fā)光波長 與半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 EG之間的關(guān)系為： =m GE24. 1（2.2） 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12砷化鎵材料的禁帶寬度 EG1.43eV，所以砷化鎵紅外發(fā)光二極管的發(fā)光波長0.89m，為不可見的近紅外光。用砷化鎵材料制成的紅

28、外發(fā)光二極管的發(fā)光效率較高，可達成 3%，如果輸入 100mW 的電功率，可獲得 3mW 的紅外光輸出。另外，采用半導(dǎo)體制作工藝，還可以在一定范圍內(nèi)控制器件的發(fā)光波長。紅外發(fā)光二極管一般采用環(huán)氧樹脂、玻璃、塑料等透明材料封裝，除白色透明材料封裝外，還可以見到用藍色透明材料封裝的發(fā)光二極管。紅外發(fā)光二極管按發(fā)光功率的大小，可分為小功率（幾 mW） 、中功率（幾十 mW） 、大功率（幾百 mW）三種。另外，紅外發(fā)光二極管除頂面發(fā)光型，還有側(cè)面發(fā)光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃或環(huán)氧樹脂透鏡封裝的；中大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著發(fā)光功率的提高

29、，相應(yīng)的管子的體積也增大7。2.3.22.3.2 特性與參數(shù)特性與參數(shù)一、基本特性1、伏安特性紅外發(fā)光二極管的伏安特性如圖 2-10 所示，與普通二極管的伏安特性相似。由圖可見，紅外發(fā)光二極管的正向壓降 UF與材料及正向電流有關(guān)，砷化鎵紅外發(fā)光二極管的 UF在 12V 之間。小功率管的 UF=11.3V；中功率管的 UF=1.61.8V；大功率管的UF2V。在使用時應(yīng)注意驅(qū)動電源電壓的數(shù)值應(yīng)大于紅外發(fā)光二極管的正向電壓降 UF ，否則不能克服死區(qū)電壓（內(nèi)電場）產(chǎn)生正向電流 IF 8。 圖 2-10 紅外發(fā)光二極管的伏安特性紅外發(fā)光二極管的反向擊穿電壓 UR較低，為 530V，因此使用中要注意其

30、反向電壓不得超過 5V，否則器件就會損壞。 2、輸出特性紅外發(fā)光二極管的輸出特性曲線，就是其輸出光功率 P0與正向工作電流 IF之間的關(guān)系曲線，如圖 2-11 所示。由圖可見，在工作電流 IF較小時，輸出光功率 P0與工 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13作電流 IF成線性關(guān)系。當(dāng)工作電流 IF較大時，曲線產(chǎn)生了彎曲，P0與 IF不再成線性關(guān)系，出現(xiàn)了非線性區(qū)。在紅外遙控中，紅外發(fā)光二極管一般工作在開關(guān)狀態(tài)（數(shù)字調(diào)制） ，因此，對于輸出特性曲線的線性沒什么要求。當(dāng)用于簡單的紅外通信時，紅外發(fā)光二極管工作在幅度調(diào)制狀態(tài)（模擬調(diào)制） ，只要將工作電流限制在線性區(qū)就可以了。 圖 2-11 紅外發(fā)

31、光二極管的輸出特性 3、輻射光譜 輻射光譜是指紅外發(fā)光二極管的發(fā)射光強 I 與發(fā)射光波長 間的關(guān)系曲線，如圖 2-12 所示。由于紅外發(fā)光二極管的是非相干光，因此發(fā)圖 2-12 紅外發(fā)光二極管的輻射光譜光光譜有一定寬度，峰值波長 p為 0.880.94。紅外發(fā)光二極管發(fā)出的近紅外光中，波長為 p的光強最大。4、指向特性紅外發(fā)光二極管的指向特性是指它的發(fā)射光強與幾何角度的關(guān)系，是由封裝透鏡的形狀及管芯與頂端的位置決定的。圖 2-13(a)、(b)分別畫出了球面透鏡封裝與平頭封裝的紅外發(fā)光二極管的指向特性曲線。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14圖 2-13 紅外發(fā)光二極管的指向特性由圖可見，

32、球面透鏡封裝的管子指向角度較小，在偏離直線發(fā)射中心線（0 發(fā)射角）10 位置上，發(fā)射光強只有 0 位置上的 50%。平頭封裝的管子指向角度大些，在偏離 0 發(fā)射角 40 時的發(fā)射光強為 0 位置上的 50%。采用多只發(fā)光管并列安裝的方法，可以改善發(fā)射光線的指向特性。由于近紅外線具有可見光的反射特性，當(dāng)紅外遙控器在室內(nèi)使用時，發(fā)射管不必面對接收管，靠室內(nèi)墻壁及家具對近紅外光的發(fā)射作用，將紅外光反射到接收管，也可以實現(xiàn)遙控。這是紅外光的一種重要特性，利用這一特性，不僅可以方便控制，且可以構(gòu)成反射式紅外光電控制器。二、主要參數(shù) 1、正向工作電流 IF是指管子長期工作時，允許通過的最大平均正向電流。因

33、為電流通過 PN 結(jié)要消耗一定的功而引起管子發(fā)熱，若管子長期超過 IF運行，會因為熱而燒壞。因此，使用中管子的最大平均正向工作電流不得超過 IF 。2、光功率 P0是指輸入到發(fā)光二極管的電功率轉(zhuǎn)化為光輸出功率的那一部分。光功率越大，發(fā)射距離越遠。3、峰值波長 p是指紅外發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光中，光強最大值所對應(yīng)的發(fā)光波長。在選用紅外接收管時，其受光峰值波長應(yīng)盡量靠近 p 。4、反向漏電流 IR是指管子未被反向擊穿時反向電流的大小，希望它越小越好。5、響應(yīng)時間 tw由于紅外發(fā)光二極管 PN 結(jié)電容的存在，影響了它的工作頻率?，F(xiàn)在，紅外發(fā)光二極管的響應(yīng)時間一般為 10-610-7s，最高工作頻率

34、為幾十 MHz。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 152.42.4 發(fā)射電路發(fā)射電路圖 2-14 為發(fā)射電路。電路的上下兩部分是對稱的，我們以上面部分電路為例，說明此電路的工作原理。來自音響設(shè)備 R 聲道的音頻信號，經(jīng) R1和 R2分壓后送入由 VT 構(gòu)成的放大器。C1和 R3組成預(yù)加重電路，將音頻信號的高頻成份進行提升。然后由 VT1進行放大，放大后的信號經(jīng) RP 調(diào)節(jié)后加到鎖相環(huán) LM567-1 內(nèi)部壓控振蕩器的輸入端 2 腳。另外，經(jīng) VT1放大后的信號由 VT2進一步放大后，再經(jīng) VD1、C6構(gòu)成的半波整流電路整流，在結(jié)型場效應(yīng)管 VT3的柵極產(chǎn)生負壓，信號愈強，負壓愈大，VT3的漏

35、源電阻 RDS愈大，VT1射極負反饋電阻愈大，VT1的電壓增益減少，使輸出電壓降低，從而使輸出電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，以免產(chǎn)生調(diào)制失真。LM567-1 的 5 腳輸出受 2 腳音頻信號調(diào)制的調(diào)頻信號，其中心頻率設(shè)定在 110kHz。中心頻率由 LM567-1 的外接阻容元件 R11和 C9確定。調(diào)節(jié)電位器 RP 就可改變輸入到 LM567-1 的信號電平，實際上就是對發(fā)射頻率的頻偏控制。如果輸入信號過強，將會引起過度偏離，導(dǎo)致接收機的失真；如果輸入信號過弱，頻偏過小，導(dǎo)致接收機信號噪聲過大，甚至無法接受。通過調(diào)節(jié) RP，可使鎖相環(huán)輸入的音頻信號符合要求，且由自動增益控制（AGC）電路將信號維持在

36、一定幅度。調(diào)頻信號經(jīng) VT4驅(qū)動紅外發(fā)光二極管 VD2VD6發(fā)出紅外調(diào)頻信號。采用多只紅外發(fā)光二極管是為了增大輻射面積。L 聲道的頻率調(diào)制與發(fā)射電路和 R 聲道完全相同，只是鎖相環(huán) LM567-2 的中心頻率設(shè)定在 250kHz 9。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 圖 2-14 發(fā)射電路發(fā)射電路采用穩(wěn)壓電源供電，電源電路如圖 2-15 所示。 圖 2-15 電源電路 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 17第三章第三章 接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)3.13.1 光敏二極管光敏二極管3.1.13.1.1 結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理我們知道，在半導(dǎo)體中只有導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴才能起導(dǎo)電作用。而用光照射半導(dǎo)

37、體時，可用光子的能量激發(fā)價帶中的電子到導(dǎo)帶上去，產(chǎn)生導(dǎo)帶中的非平衡電子和價帶中同樣數(shù)量的非平衡空穴，它們對導(dǎo)電均有貢獻，因此，用光照射半導(dǎo)體，可使半導(dǎo)體電阻率發(fā)生變化。這就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)可以制成光電二極管10。圖 3-1 是一個加有反向電壓（N 區(qū)接正電源，P 區(qū)接負電源）的 PN 結(jié)和它的能帶圖。在無光照射時，PN 結(jié)中的反向電流是由 P 區(qū)的少數(shù)載流子電子流向 N 區(qū)和 N 區(qū)的空穴（也是少數(shù)載流子）流向 P 區(qū)形成的。由于是少數(shù)載流子導(dǎo)電，因此反向電流很小，一般小于 1A。 圖 3-1 加有反向電壓的 PN 結(jié)及能帶圖當(dāng)有光照射在 PN 結(jié)上時，情況就不同了。若

38、入射光子的能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么價帶中的電子可以吸收光子的能量而跳到導(dǎo)帶上去，結(jié)果在導(dǎo)帶與價帶之間就產(chǎn)生了電子空穴對，見圖 3-2。這些電子空穴對是在 PN 結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的，在外加反向電壓的作用下，電子漂向 N 區(qū)，空穴漂向 P 區(qū)，結(jié)果生成光生電流。光生電流基本上與入射光強成正比。這是光敏二極管的工作原理。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 18圖 3-2 PN 結(jié)的光電效應(yīng)不同的半導(dǎo)體材料對不同波長的入射光的響應(yīng)是不同的。為了使電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量應(yīng)大于材料的禁帶寬度，即入射光波波長應(yīng)小于 0。0=m （3.1）GE24. 1硅材料的禁帶寬度 EG=1.15e

39、V，對應(yīng)的 0=1.1m，即只有波長小于 1.1m 的光才能有顯著的光敏作用。 3.1.23.1.2 特性參數(shù)特性參數(shù)一、基本特性1、伏安特性圖 3-3 是光敏二極管的伏安特性曲線。圖中畫出了三條特性曲線，曲線 1 為無光照時的特性；曲線 2 為中等光照時的特性；曲線 3 為強光照射時的特性。無光照時，光敏二極管的特性與普通二極管一樣。有光照時，光敏二極管的反向電流增大，特性曲線沿電流軸向下平移，光照越強，下移越大，下移幅度與光照強度成正比。由圖還可以看出，在入射光強一定時，光敏二極管的反向電流是基本不變的，與反向電壓無關(guān)，特性與電壓軸平行。特性在第四象限時，它呈光電池特性。在 PN 結(jié)沒有外

40、加電壓時，它是存在內(nèi)電場的，方向從 N 區(qū)指向 P 區(qū)，當(dāng)受到光照時，將產(chǎn)生電子和空穴，在內(nèi)電場作用下，電子被吸引到 N 區(qū)，空穴被吸引到 P 區(qū)，如果用導(dǎo)線或外接電阻連結(jié) PN 結(jié)，將形成通過外電路的電流。由于它是能向外電路提供能量（光能轉(zhuǎn)為電能） ，故稱為光電池。由于其產(chǎn)生電流的方向在 PN 結(jié)內(nèi)部是由 N 區(qū)到 P 區(qū)的，故在外電路中是由 P 區(qū)通過外電路到 N 區(qū)的，也是反向電流。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 19圖 3-3 光敏二極管的伏安特性2、光譜響應(yīng)特性前面已經(jīng)提到，不同材料對各種波長的入射光的響應(yīng)是不同的。即光敏二極管對不同的波長有不同的靈敏度。硅光敏二極管的光譜響應(yīng)波

41、長為 0.41.1m，峰值波長為 0.880.94m，如圖 3-4 所示。這恰好與砷化鎵紅外發(fā)光二極管的波長相重合，可得到較高的接收靈敏度。圖 3-4 硅光敏二極管的光譜響應(yīng)曲線二、主要參數(shù) 1、光電流 IL指在一定反向電壓下，入射光強為某一定值時流過管子的（反向）電流。光敏二極管的光電流一般為幾十 A，并與入射光強度成正比。2、暗電流 ID 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 20 指在一定反向電壓下，無光照時流過管子的（反向）電流。一般在 50V 反壓下，ID小于 0.1A。 3、反向工作電壓 UR指在無光照時，光敏二極管反向電流小于 0.20.3A 時，允許的最高反向工作電壓，一般在 10

42、V 左右，最高可達幾十 V。4、峰值波長 p指光敏二極管光譜響應(yīng)最靈敏的波長范圍。一般為 0.880.94m。3.23.2 專用集成電路前置放大器專用集成電路前置放大器專用集成電路前置放大器，首先是用于彩色電視機的紅外線遙控接收電路中。由于電路功能強、性能優(yōu)越、成本低，故現(xiàn)已在各種紅外線遙控系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前使用的專用紅外線前置放大器主要有兩類：第一類以 CX20106 和 KA2184 為代表，這類電路內(nèi)部具有濾波電路，使其外圍電路更加簡單。由于不用外接電感進行選頻，故抗干擾能力較強。第二類以 PC1373 和 LA7224 為代表。這類電路內(nèi)部沒有帶通濾波器，需外加 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)

43、進行選頻。這兩種電路功能很強，內(nèi)部不僅包括前置放大器，還有選頻放大器及脈沖形成電路。因此，一塊電路就能完成放大、選頻、脈沖形成等功能。下面將分別介紹這兩類專用集成前置放大器的原理及應(yīng)用。一、CX20106（KA2184）CX20106 是索尼公司產(chǎn)品，KA2184 是仿制品，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-5 所示。它由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。其中的電平自動控制電路 ABLC 可以保證在輸入弱信號時前置放大器有較高增益，在輸入強信號時前置放大器不會過載，可以保證在一定遙控距離（約 10m）內(nèi)工作可靠。其內(nèi)部設(shè)置的濾波器的中心頻率 f0由其 5 腳外接電阻調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)

44、范圍可從 30kHz60kHz。圖 3-5 CX20106 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)CX20106（KA2184）的工作流程大致如下：其中的前置放大器將外接紅外光敏二極管或三極管產(chǎn)生的脈沖電壓進行放大電壓增益約 7779dB。然后將信號送限幅放大 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 21器，使其變?yōu)榫匦蚊}沖，再由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，由檢波器濾掉載頻檢出指令信號，再經(jīng)整形后，由 7 腳輸出指令信號。實際上，CX20106 的功能可以簡單地用一句話概括：當(dāng)接收到與 CX20106 濾波器中心頻率相符的紅外光信號時，其輸出端 7 腳就輸出低電平11。CX20106 的基本性能如下：(1)電源電壓典型值

45、 5V，最大 17V，(2)電源電流1.12.5mA（典型值為 1.8mA） ，(3)輸出低電平 0.2V，(4)電壓增益 7779dB，(5)輸入阻抗 27k，(6)濾波器中心頻率 f0為 3060kHz，(7)允許功耗 0.6W。圖 3-6 是 CX20106 的應(yīng)用線路。其中，R1為濾波器中心頻率調(diào)節(jié)電阻；R2為前置放大器負反饋電阻；R3為輸出端負載電阻；C2為檢波電容；C3為積分電容；VD 為光敏二極管，也可用光敏三極管，接法是集電極接 CX20106 的 1 腳，發(fā)射極接地。 圖 3-6 CX20106 的應(yīng)用線路圖 3-7 給出了 CX20106 的外型及引腳。CX20106 的帶

46、通濾波器中心頻率 f0范圍狹窄（30kHz60kHz） ，所以，用于頻分制遙控時，能容納的通道數(shù)較小，一般不超過 3 個通道，每一個遙控通道要對應(yīng)一個接收電路CX20106，且通過 R1調(diào)準接收頻率。這種電路一般常用于碼分制紅外遙控電路中，作為前置放大與解調(diào)電路。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 22圖 3-7 CX20106 外型及引腳二、PC1373H 和 LA7224PC1373H 和 LA7224 的功能、內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)及引腳功能完全相同。PC1373H是日電（NEC）公司產(chǎn)品。圖 3-8 是它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它們由前置放大器、限幅放大器、峰值檢波器、整形器、自動偏置控制器及自動增益控制

47、器等部分構(gòu)成。在前置放大器與限幅放大器之間的引出端 3 腳，可接 LC 選頻回路，回路參數(shù)不同時，就有不同的選頻頻率，即 f0=。 LC21 圖 3-8 PC1373H 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 23 圖 3-9 PC1373H (LA7224)應(yīng)用線路PC1373H 及 LA7224 的工作過程大致如下：當(dāng)它們的輸入端 7 腳送入微弱的光電信號后，由內(nèi)部的前置放大器進行高倍放大，增益可達 60dB。在遙控距離太近時，為了防止光電信號過強而使高靈敏度前置放大器過載，電路設(shè)置了自動亮度電平限制網(wǎng)絡(luò) ABLC，這樣即使輸入信號發(fā)生大幅度變化，電路仍能正常工作。改變 3 腳上 L

48、C回路的參數(shù)可得到所需的選頻頻率，濾掉不需要的干擾信號。放大后的信號送限幅放大器進行限幅放大，變?yōu)榫匦蚊}沖信號，再經(jīng)峰值檢波器進行檢波，取出其外包絡(luò)脈沖，最后由整形器變?yōu)檫呇卣R的負脈沖。綜上所述，PC1373H 或 LA7224 的基本功能就是當(dāng)輸入光電信號與其外部 LC 選頻回路的選頻頻率相同時，其輸出端輸出低電平。圖 3-9 是 PC1373H 和 LA7224 的應(yīng)用線路。其中，LC 為外接選頻網(wǎng)絡(luò)；C2為積分電容；C4為峰值保持電容；R4為前置放大器負反饋電阻。另外，PC1373H 常在 4腳對地接一只 150k的電阻，如圖虛線所示。PC1373H 和 LA7224 功能及結(jié)構(gòu)相同，

49、但參數(shù)有些差別。PC1373H 的主要參數(shù)如下：(1)電源電壓為 614.4V（典型值 8.5V，最大值 15V） ，(2)電源電流1.53.5mA， （3）允許功耗 0.27W， （4）前置放大器增益 60dB， （5）輸入阻抗60k， （6）輸出低電平 0.5V。LA7224 主要參數(shù)如下：（1）電源電壓 5V， （2）電源電流 2mA， （3）允許功耗 0.25W，其余參數(shù)與 PC1373H 相同。由于這兩種電路都需外接 LC 選頻網(wǎng)絡(luò)進行選頻，電感 L 易受外界電磁場干擾，且制作不太方便，體積也較大，故不如 CX20106（KA2184）好用。以上介紹的兩類集成電路價格相差不多，可 長

50、春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 24根據(jù)實際條件酌情選用。3.33.3 頻率解調(diào)器頻率解調(diào)器一、頻率解調(diào)器的作用是將調(diào)頻信號還原出音頻信號。在紅外線通信系統(tǒng)中，頻率解調(diào)器大多采用鎖相環(huán)構(gòu)成。由鎖相環(huán)路構(gòu)成的頻率解調(diào)器的原理可由圖 3-10 來說明。 圖 3-10 鎖相環(huán)頻率解調(diào)器原理圖已調(diào)頻的信號作用于環(huán)路的輸入端時，為了維持環(huán)路的鎖定，必須使壓控振蕩器的頻率要精確地跟蹤輸入信號的頻率。我們已知道，壓控振蕩器的頻率與其控制電壓成正比，因此，控制電壓就是原音頻信號，這樣，輸入的調(diào)頻波解調(diào)信號，就可以從壓控振蕩器取出。這就是鎖相環(huán)頻率解調(diào)器的原理。CMOS 集成鎖相環(huán) CD4046 是美國RCA

51、公司產(chǎn)品，相同的產(chǎn)品有 CC4046、5G14047、MC14046 等。圖 3-11 是 CD4046 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。它含有兩個相位比較器 PC和 PC，PC要求輸入信號為方波，PC則無此要求。另外，還有一個壓控（頻率）振蕩器 VCO。在兩個相位比較器的輸入端有一個前置放大器，可把 100mV 的微弱信號變?yōu)闈M電平的方波脈沖。A2是低通濾波器輸出緩沖放大器。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 25圖 3-11 CD4046 內(nèi)部框圖CD4046 采用 16 線雙列直插式封裝，各引腳作用簡述如下。16 腳為電源正端，8腳為電源負端。6 腳和 7 腳外接電容 C1，11 腳外接電阻 R1，R1

52、和 C1決定 VCO 的振蕩頻率。12 腳接 R2，R2確定 VCO 的最低振蕩頻率 fmin。R2小，fmin升高，頻率范圍收縮。5 腳是 VCO 的禁止端，當(dāng) 5 腳置“1”時，VCO 停止工作，置“0”時，VCO 工作。14腳是信號輸入端。4 腳是 VCO 的輸出端。3 腳是比較輸入端。2 腳和 13 腳分別是相位比較 PC和 PC的輸出端，通過它們外接濾波器后送入 VCO 的制止端 9 腳。10 腳是低通濾波器經(jīng)緩沖放大后的輸出端。1 腳是 PC的鎖定指示輸出，當(dāng)電路進入鎖定狀態(tài)時，1 腳輸出“1” ，失鎖時，1 腳輸出“0” 。15 腳為內(nèi)部穩(wěn)壓二極管的正電壓輸出端，使用時需外接限流

53、電阻。CD4046 的詳細工作原理比較復(fù)雜，下面，僅對我們所用到的外部使用功能作些描述，并結(jié)合圖 3-12（VCO 在不同外部參數(shù)下的特性曲線）介紹其外圍元件參數(shù)的設(shè)計。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 26 圖 3-12 CD4046 的 VCO 在不同外部參數(shù)下的特性曲線當(dāng)輸入端 14 腳輸入信號的頻率 f1與 CD4046 的 VCO 的中心頻率 f0相同（有一定帶寬）時，相位比較器 PC的鎖定指示輸出端 1 腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，輸出一個脈沖。利用這一功能，在頻分制遙控系統(tǒng)中就可實現(xiàn)對頻率為 f0的信號的選頻。與LM567 一樣，也具有脈沖形成功能12。 CD4046 用于選頻的電路

54、如圖 3-13 所示。由于要選擇頻率為 f0的信號，故頻帶收縮。另外，由于輸入信號一般不是方波，故使用相位比較器 PC。 圖 3-13 CD4046 選頻電路外圍參數(shù)的設(shè)計步驟如下：（a）確定選頻頻率 f0和 f0附近的最高頻率 fmax和最低頻率 fmin，即有一定帶寬，以保證當(dāng)發(fā)射頻率在一定范圍內(nèi)發(fā)生漂移時，CD4046 仍能選出指令信號。根據(jù) fmin，查圖 3-12(b)，求出 C1和 R2， （b）再根據(jù) fmax/fmin的比值，查圖 3-12(c)，求出 R2/R1比值，并根據(jù)上步已求得的 R2求出 R1。這樣，當(dāng)輸入信號頻率在 fmaxfmin一個小范圍時，電路能夠入鎖，CD4

55、046 的 1 腳就由低電平變?yōu)楦唠娖健?（2）當(dāng)從 9 腳（實際上是 VCO 的控制端）輸入音頻信號時，從 VCO 的輸出端 4 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 27腳便輸出信號調(diào)制的調(diào)頻信號。 CD4046 用于頻率調(diào)制的電路如圖 3-14 所示。由于調(diào)制時要求 VCO 有一定的頻率范圍（頻偏） ，故不用 R2收縮頻帶，即 R2=，僅用 R1和 C1確定 VCO 的中心頻率 f0即可。設(shè)計參數(shù)時，只需根據(jù)中心頻率 f0，查圖 3-12(a)，求出 C1和 R1。R2開路即可。圖 3-14 CD4046 調(diào)制電路（3）若從 14 腳輸入一被音頻信號調(diào)制的（中心頻率與 CD4046 的 VC

56、O 的中心頻率相同）調(diào)頻信號，則相位比較器輸出端將輸出一個與音頻信號具有相同變化頻率的包絡(luò)信號，經(jīng)低通濾波器去載頻后，即剩下調(diào)頻信號解調(diào)后的音頻信號。作頻率解調(diào)使用時，一般使用相位比較器 PC。僅由 R1和 C1確定圖 3-15 CD4046 調(diào)頻解調(diào)電路VCO 與調(diào)頻信號相同的中心頻率 f0，而不用 R2（R2=）來收縮頻率范圍。電路如圖 3-15 所示。設(shè)計參數(shù)時，只需根據(jù)中心頻率 f0，求出 R1和 C1即可。這樣，當(dāng)無調(diào)頻信號輸 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 28入時，VCO 工作在 f0上。CD4046 的主要參數(shù)如下：（1）工作電壓 3V18V， （2）靜態(tài)電流（15 端開路）

57、10A， （3）穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓 4.456.15V， （4）最高工作頻率1.2MHz。3.43.4 接收電路接收電路圖 3-16 為接收電路。VD1和 VD2為紅外光敏二極管，它們與 R3構(gòu)成光電轉(zhuǎn)換器。光電信號經(jīng) C1耦合到 CMOS 非門 D1以及 R1、R2構(gòu)成線性放大器，放大后的信號分為兩路，分別送 R、L 聲道的選頻、頻率解調(diào)、功放電路。VT1與 L1、C3等構(gòu)成中心頻率為110kHz 選頻放大器，將 R 聲道的調(diào)頻信號分離出來，并加以放大。選出的中心頻率為110kHz 的調(diào)頻信號再經(jīng) CMOS 非門 D2和 R6構(gòu)成放大器放大后送 CMOS 鎖相環(huán) CD4046-1的信號輸入端 1

58、4 腳。CD4046-1 接成頻率解調(diào)電路，中心頻率由 C7和 R8確定為110kHz。CD4046-1 的 10 腳輸出的解調(diào)信號，經(jīng) C8和 RP1送雙聲小功率放大器NJM2073 的 A1放大，并推動 R 聲道耳機 B1。調(diào)節(jié) RP1可以調(diào)節(jié)音量。L 聲道的選頻、頻率解調(diào)以及功放電路與 R 聲道完全相同，只是選頻頻率為 250kHz,而構(gòu)成頻率解調(diào)器的 CD4046-2 的中心頻率也為 250kHz。由于接收電路采用了 CMOS 鎖相環(huán)，故整機功耗很低，因此，可以采用低容量電池，以減小接收機體積和重量，便于佩戴。 長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 29圖 3-16 接收電路 長春理工大學(xué)

59、光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 30第四章第四章 系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試與應(yīng)用 發(fā)射電路中，VT1、VT2用 CS9014,100。VT3用 3DJ6 或 3DJ7。VT4用 CS9013或 CS8050，100。VD1用 IN4148。VD2VD6用 HIR4053。其它元件按圖注選擇即可。 收電路中，VD1和 VD2用 HPT605C 等 5mm 紅外光敏二極管。D1D3用CD4069。VT1、VT2 用 CS9014，150。L1、L2線圈的制作方法是在收音機中周骨架上用 0.06mm 漆包線密繞 80 匝。然后裝入磁芯，調(diào)節(jié)磁芯位置，即可改變電感量。耳機用 832 頭戴式耳機。首先，用頻率計或示波器調(diào)整 LM567-1 和 LM567-2 的兩個中心頻率。方法是將頻率計或示波器接于 LM567 的 5