基于avr單片機的音頻傳輸系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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設計 7 由圖 23 可見，當 m大，調制信號幅度大，則線性較差；當 m小，雖然線性好，但調制信號幅度小。因此，應選擇合適的 m值。另外，在模擬調制中，光源器件本身的線性特性是決定模擬調制好壞的主要因素，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 模擬信號驅動電路及光強度調制 接收部分 接收部分與發送部分相反，需要完成信號的解調。就本系統具體而言，接收部分需要將光信號轉換為電信號，因而需要用到光電轉換器件，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 象。嚴格來講，包括兩種類型：一類是發生在均勻半導體材料內部；一類是發生在半導體表面。雖然他們之間有一定相似的地方，但產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 型區和 N型區的界面，即 PN 結；金屬和半導體接觸的界面；不同半導體材料制成的異質結面以及由金屬 — 絕緣體 — 半導體組成系統的界面。在這些界面處都存在著一個空間電荷區，其中有很強的電場，稱為自建電場。光照產生的電子空穴對，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 結為例進一步具體說明。 在 PN 結交界處 N 區一側帶正電荷， P 區一側帶負電荷，空間電荷區中自建電場方向由 N 區指向 P 區。由于光照可以在空間電荷區內部產生電子空穴對，長春理工大學本科畢業設計 8 它們分別被自建電場掃向 N 區與 P 區，就如同有一個電子由 P 區穿過空間電荷區到達 N 區，形成光致電流。在空間電荷區附近一定范圍內產生電子空穴對，只要它們能通過擴散運動到達空間電荷區，同樣可以形成光致電流。光照產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 區和 P 區分別積累了負電荷和正電荷，在 PN 結上形成電勢差，引起方向與 光致電流相反的 N 結正向電流。當電勢差增長到正向電流恰好抵消光致電流的時候，便達到穩定情況，這時的電勢差稱為開路電壓。如果 PN 結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。 在穩定條件下， PN 結上的光電壓與流經負載的光電流 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 結單向導電性的結型光電信息轉換器件。與一般半導體二極管類似，其 PN 結轉在管子的項部，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 結內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，這時只有少數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 結附近經 受光子轟擊吸收其能量而產生電子空穴對，從而使 P 區和 N 區的少數載流子濃度大大增加，在外加電場和內電場的共同作用下， P 區的電子渡越阻擋層進入 N 區， N 區的空穴進入 P 區，從而使通過 PN 結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， ????是結電容，一般較小，故在中頻內可忽略，但在高頻時不能忽略， ????直接影響光敏二極管的高頻特性。現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。這個結論對其他光電信息轉換器也適用。 長春理工大學本科畢業設計 11 第 3 章 音頻傳輸系統硬件 電路 的 設計 音頻傳輸系統的總原 理 框圖 本文設計的音頻傳輸系統，是建立在第二章的理論依據之上的。 系統總原理框圖如圖 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送器，發送器則實時發送出該語音信號，接收器則實時接收光信號并從中解調 還原出原始的語音信號。本音頻傳輸系統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 壓 模 塊音源切換電路tV0+CLtV0tV0驅 動 L D激 光光 強0發 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，到底傳輸的是哪一路音頻信號則受單片機控制。 本章下文將對該音頻傳輸系統的每個部分做相應的電路設計。 長春理工大學本科畢業設計 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，其作用是將聲音轉換成相應的電信號，以聲波表現的電信號被傳感器接收后，使換能機構產生機械振動，由換能機構輸出電信號。本部分電路的目的便是完成聲音到電信號的轉換，也稱“拾音”。根據傳聲器的工作原理，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，由于本系統基于單片機，因此選用數控的方式。本設計選用 CD4051B 模擬開關。 CD4051 系列模擬開關是用數字信號控制的多路調制 /選擇模擬開關，具有低導通電阻和很低的關態漏電流。通過模擬開關的模擬量幅度可高達 15V，與 CD系列數字電路的 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 的數字信號來控制 傳輸。CD4051 系列模擬開關的靜態功耗極小。 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。 INH 輸入端輸入“ 1”電平時將全部通道置為關斷狀態。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設計 13 圖 33 CD4051B的引腳圖 我們想要實現的功能如圖 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 CD4051B 的引腳圖，可設計出用于本音頻傳輸系統的 數控模擬開關，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 audio1 和 audio2 兩路信號的切換，對應的端口狀態 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 通斷狀態 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 就發送部分來說，根據激光的輸出特性，我們需要激光工作在線性區域，則需要使激光的驅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定的直流偏置電壓，保證激光的調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域。很顯然，為保證傳輸性能，一個穩定的直流偏置電12345678910111213141516CD4051BPD0PD1PD2PD3VCCaudio1audio2out231Koutaudio1audio2長春理工大學本科畢業設計 14 壓是必須的，因此電路中的直流偏置電壓采用三端穩壓模塊提供，并且通過滑動變阻器可調節電壓值，三端穩壓芯片選用 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 。音頻發送 電路如圖 35 所示 。 圖 35 音頻發送 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節增益 。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設計 15 音頻傳輸電路中，穩定的直流電源是必須的， 音頻發送和接收電路中都用到了 LM317 三端穩壓模塊。 LM317 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路。 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 性調整率和負載調整率