红外传输

XD-JD-II 红外传输实验仪 [实验参考讲义] 请 勿 带 走 四川现代高校教仪研制中心 销售地址：成都市建设路2号 电 话：（028）84319881 传真：884339886 手 机：13980024326 邮编：610051 E-mail ：gaoxiao-dong@163.com 红外传输实验 目前红外传输技术和蓝牙技术（一种短距离传输技术标准）是广为应用的两种短距离传输技术，在手提电脑、PDA、手机、数码相机等IT产品中，都广泛设计有红外线通讯接口。本实验是学习红外传输技术物理基础的实验。 实验目的 了解红外线发射和接收器件原理 了解红外线数字和模拟信号传输过程 掌握红外线发射和接收器件物理特性 二．实验原理 1. 红外线发射和接收器件结构原理 红外线传输是以红外光作为传输媒体来传输信号的，使用的红外发光二极管和红外接受管是只有一个PN结的半导体器件，它与普通发光二极管(如：红、绿、黄发光二极管)结构原理与制作工艺基本相同，只是所用的材料不同。制造红外线发光二极管材料有砷化镓、砷铝化镓等，其中应用最多的是砷化镓。 在一块砷化镓半导体中，采用半导体掺杂工艺使其一部分为P型半导体；另一部分为N型半导体。在P型和N型半导体交界面就形成半导体PN结。P区多数载流子为空穴，少数载流子为电子；N区多数载流子为电子，少数载流子为空穴，并且具有一定的内电场，其能带结构如图1a所示。 当给这个PN结加上正向电压时(P区接正电压，N区接负电压)，在外加电压的作用下，内电场被抵消。这样，N区的多数载流子(电子)在外电场的作用下注入P区，同时，P区的多数载流子(空穴)在外电场的作用下注入N区。如图1b所示。 图4.3 PN结注入发光能带图 实际上，外加正向电压作用就是加强了多数载流子的扩散运动。这些注入P区的电子和注入N区的空穴，对于注人区来讲都是非平衡少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与注入区的多数载流子复合，将原来从外加电场吸收的能量以光子的形式释放，从而发出光来。这种发光过程叫辐射复合。这与导带中的电子到价带上与空穴复合一样，要释放出一定的能量，这种能量的释放是以发光的形式来进行的。这就是PN结发光的基本原理。 发光二极管发出的光波波长与所用材料禁带宽度EG有关。发光波长λ与半导体材料的禁带宽度EG之间的关系为： 砷化镓材料的禁带宽度EG≈1.43eV，所以砷化镓红外发光二极管的发光波长λ≈0.89μm，为不可见的近红外光。用砷化镓材料制成的红外发光二极管的发光效率较高，可达3％，如果输入100mW的电功率，可获得3mW的红外光输出。另外，采用半导体制作工艺，还可以在一定范围内控制器件的发光波长。 图1(c)是红外发光二极管的电路符号。 2 .红外发射调制电路 从各种编码电路(包括频率编码与脉冲编码)输出的编码信号，一般频率较低，不便直接发射，抗干扰能力也较差。与无线遥控系统类似，也要将编码信号“装"到频率较高的载频信号上，再由红外线发射驱动电路，驱动红外发光二极管向外发射红外遥控信号。将指令编码信号“装"到载波上的过程称为调制。 对于频率编码的红外传输系统，由于其编码信号的频率可以设计的较高(一般为几kHz～几十kHz)，也可不用调制电路，当然，接收电路中的解调电路也可省去。 在红外传输系统中，无论是频率编码还是脉冲编码信号，大多为矩形波的脉冲信号，对于这类信号的调制，采用的是两种特殊的调制方式。一种是幅度键控方式，另一种是频率键控方式。这两种键控调制一般由数字电路实现，因此它具有调制变换速度快，调整测试方便，体积小，电路简单，可靠性高等优点。 3.幅度键控调制(ASK) 图2是幅度键控调制的示意图。由图可见，当编码脉冲为高电平“1”时，载波信号输出；当编码脉冲为低电平“0”时，载波信号不输出。已调信号为断续的等幅高频信号。 图2幅度键控调制的示意图 调制电路中，载波信号的频率f2要远大于调制信号(编码信号)的频率f1。在红外遥控系统中，一般f2要为f1的几倍至几十倍。 图3是几种常用的键控幅度调制电路。图中，Vi为编码信号输入，即调制信号输入，Vo为已调信号输出。调制电路中均包含载频振荡器。 图3几种常用的键控幅度调制电路 图3(a)是由分立器件构成的调制电路。VT1和VT2构成载波振荡器，振荡频率 ，约为40kHz，载波信号由VT2集电极经R5加至VT4的基极。开关管VT3的作用是，当输入的调制信号为高电平“1”时，VT3导通，载波信号经VT4放大后由Vo端输出；当输入调制信号为“0”时，码截止，载波信号被阻断，VT4无信号输出，从而实现幅度键控。 图3(b)电路与图3(a)基本相同，只不过开关管接在VT1的基极与地之间。当输人调制信号为“1”时，VT3截止，其c、e间为高阻状态，不影响载波振荡器振荡，VT2集电极输出载波信号；当输入调制信号为“0”时，VT3导通，使VT1截止，VT2导通，载波振荡器停振，VT2无载波输出。 图3(c)是将开关管VT3作为载波振荡器的电源开关管，通过调制信号来控制载波振荡器的工作电源。 图3(d)电路由两只三极管构成两输入端与门电路。载波振荡器输出的载波信号加至VT1基极，调制信号加至VT2基极。当调制信号为“1”时，VT2导通，将VT1发射器接地，VT1正常输出；当调制信号为“0”时，VT2截止，VT1发射极悬浮，其集电极无信号输出。 图3(e)电路中，S为模拟开关，它受调制信号Vi的控制，当Vi为高电平时，S闭合，载波振荡器通电，发出高频信号；当Vi为低电平时，S打开，载波振荡器断电，无信号输出。在这个电路中，模拟开关S的通断电流能力要大于载波振荡器的工作电流，可由晶体管构成，也可采用集成电路模拟开关，如TWH8775、TWH8778等。载波振荡器可以是任何形式的脉冲振荡器。 图3(f)电路中，D1和D2等构成载波振荡器，与门D3在此称为“闸门”，“闸门”的开关受调制信号Vi的控制。当Vi为高电平“1”时，D3的输出信号V0=AB，由于此时B=Vi=1，故Vo=A，即等于载波振荡器的输出信号。当Vi为低电平“0”时，D3的输出信号Vo=0，由于此时，B=Vi=0，故Vo=0，即无输出信号，从而实现编码脉冲对载波的调制。 图3(g)电路更加简单实用，是一种应用最为广泛的调制电路。图中，D1和D2构成可控载波振荡器，振荡器的起振、停振受调制信号Vi的控制。当Vi为高电平“1”时，振荡器起振，Vo输出载波信号；当Vi为低电平“0”时，与非门D1输出为高电平“1”，而D2输出低电平“0”，即无信号输出。 图3(h)电路采用555时基电路构成。555时基电路等构成载波振荡器，载波信号由555时基电路的③脚(OUT)输出，调制信号Vi加在其强迫复位端④脚(MR)，当Vi为低电平“0”时，555时基电路被迫复位，其③脚输出为低电平“0”，即无信号输出，当Vi为高电平“1”时，555时基电路退出复位状态，与R1、R2、C1等构成的载波振荡器启振，其③脚输出载波信号。这也是应用较多的一种电路。 4.频率键控调制(FSK) 与幅度键控相似，频率键控是通过调制信号的“1”和“0”两个状态，来控制载频振荡器的频率，而载频信号的幅度不变，如图4.33所示。 图4频率键控调制示意图 当调制信号为高电平“1”时，调制电路输出的频率为f1的等幅信号；当调制信号为低电平“0”时，调制电路输出频率为．f2的等幅信号。频率键控又称移频键控。 图5是几种常用的频率键控调制电路。图中，Vi为调制信号输入，Vo为调制信号输出。 图5几种常用的频率键控调制电路 图5(a)所示电路中，D1和D2等构成载波振荡器。当输入调制信号Vi为高电平“1”时，使模拟开关S闭合，将R3短路，振荡频率为f1；当K为低电平“0”时，模拟开关打开，R3接人电路，振荡频率为f2(f2f2) 三、实验步骤 XD-JD-II型红外传输实验仪主要是将信号以调频、调幅的方式调制后通过红外发射管发射出去，再用红外接收管接收解调还原为原信号。实验仪提供的信号源有三种形式：音频源、直流源和数字源，故可用来观察这几种信号的调制解调过程。另外，该机型还可通过直接给红外发射管加可变的直流压，来测量红外发射管的伏－安特性曲线和红外接收管的电流特性。 1.XD-JD-II仪器面板及使用说明 图6 仪器面板结构示意图 〈1〉区是信号源区域。包括有载波频率源、音频源、数字源以及直流源。其中，载波频率为3K～40KHz可调，音频信号的幅度大小0V～3.3V可调，直流信号为0.5V～3.6V可调，数字源为只显示0和1的三位数字信号。 〈2〉区是调制发射区域，用于直接驱动红外发射管。这里有三种工作方式： （1）调频。载波频率输入为载波信号，调制信号输入可以为音频源，也可为数字源，也可以是直流经V/F变换后的频率信号；调制好的信号输出可测试，再送到驱动输入端，驱动输出直接接红外管。 (2)调幅。载波频率输入为载波信号，调制信号输入为音频源，这里只用音频信号调制；调制好的信号输出可测试，再送到驱动输入端，驱动输出直接接红外管。 (3)直流源直接驱动。在测红外管的特性参数曲线时，可以将直流源直接加在红外发射管的两端，同时接好电压表和电流表，即可测试红外发射管的伏－安特性曲线和红外接收管的电流参数。 〈3〉区接收信号放大区域。红外接收管接收到调制信号后，放大后输出，该信号可测试。 〈4〉区信号解调区。放大后的调制信号经调频或者调幅解调后，还原为原信号。 〈5〉区是音频信号放大推动区域，外接有扬声器，可听到解调后的音乐。 〈6〉区是数字信号解调及F/V转换。 2.XD-JD-II仪器面板接线图及工作方式 音乐信号调频发射、接收接线图 图7 红外音频调频发射、接收图 这里，调频解调的频率为37KHz，所以当调节电位器，把载波频率设定为37KHz时，听到的音乐信号效果最好。音频信号的幅度也可通过电位器调整，声音可大可小。另外，还可以调节接收盒与发射盒的距离来听声音效果。 数字信号调频发射、接收接线图 图8 红外数字信号调频发射、接收图 这里载波信号仍要调为37KHz，接收端才能解调接收。当发射端与接收端的数据地址相同时，接收灯呈现规律性闪烁，并接收到与发射端相同的数据，这时改变发射数据，接收端的数据也随之变化；当地址不同时，接收灯不亮。 具体操作：先把发射的地址码（A2～A0）与接收的地址码(A2～A0)拨成一致（A2～A0各有两种状态），再调节载波频率电位器，让接收端的灯出现规律的闪烁状态（该状态为频率对其状态），改变发射端数据（D2～D0），观测接收端数据的变化是否跟发射端一致。改变两端的地址，使其不一致，再观测两端的数据变化。 直流信号调频发射、接收接线图 图9 红外直流信号调频发射、接收图 直流源为0.5V～3.6V可调的直流信号，通过V/F变换，转换为500Hz～3.6KHz的频率信号再调频发射出去。接收端解调后再经过F/V转换，把频率信号还原为0.5V～3.6V的直流信号。这里，可以用万用表测量直流源的直流电平和接收到的直流电平是否一致。注意，这里解调频率仍为37KHz。 以上三种调制方式，均可调节发射盒与接收盒的距离，特别是第一种方式可以直接听音乐的好坏来测试距离对红外发射接收的影响。 音乐信号调幅发射、接收接线图 由于调幅发射的功率小，所以要调整发射盒的距离，使接收盒与发射盒距离最近。连接好接线，如图10，打开电源，即可听到音乐，再调节载波频率调节电位器，直至听到的音乐效果最好。音频信号输出的幅度也可通过电位器调整，声音可大可小，接收端接收到的信号也随之变大变小。 图10 红外音频信号调幅发射、接收图 红外发射管加可变直流电平接收接线图 直接给红外发射管加可变的直流压，通过三位数显表直接显示红外发射管的电压和电流，可测出其伏－安特性曲线；红外接收管就可以通过数显表测出其电流特性。 实验 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 完成直流信号调频发射、接收过程。 完成数字信号调频发射、接收过程。 测量红外发射管光强特性曲线。 测量红外接收管电流特性曲线。 信号的调频、调幅传输实验。 � EMBED PBrush \* MERGEFORMAT ��� 1 2 3 5 6 4 _1234567891.unknown _1234567892.unknown