【红外传输信号电路】

原理解析

红外管通过对管可以实现对脉冲信号的传输。想要通过红外管传输信号则需要将信号通过电压频率转换电路将幅值信号转换为频率不同的近似脉冲信号，经过红外管传输后的信号再经过频率电压转换电路就可以恢复为原信号。

电路设计

电压频率转换电路

电压/频率转换以及频率/电压转换电路部分采用LM331芯片。
LM331芯片具有如下特点：
具有最大0.01%的线性度
改进的电压/频率转换器应用性能
双电源或单电源供电
工作电压：5V
数字脉冲输出端与所有5V的标准逻辑电路兼容
出色的温度稳定性，温漂小于±50ppm/℃
低功耗：15mW典型值（5V工作电压）
动态范围宽，在100kHz的频率范围下，最小为100dB
满量程频率范围宽：1Hz∽100kHz
低成本

图 1 LM331原理图
当输入端(7管脚) Ui输入一正电压时，输入比较器输出高电平，然后R－S触发器置位1，输出高电平，输出驱动管导通，3管脚输出端f0为逻辑低电平，同时电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容Ct两端充电电压大于Vcc 的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端f0为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通，电容Ct通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电。电压u6等于输入电压Ui时，输入比较器再次输出高电平,使R－S触发器置位。如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率f0与输入电压Ui成正比，从而实现了电压－频率的线性变换。通过查询资料，发现其输入电压和输出频率的关系为：

由此式可知电阻Rt、RL、Rs、和Ct 直接影响转换结果fo，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻Ri和电容Ci组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

图 2 电压频率转换电路

在设计之初，R33选择使用滑动变阻器与R29一同构成Rs对频率电压对应关系进行调节。但实际实验时考虑到电路的稳定性与最终的效果，选择用定值电阻代替滑动变阻器。

频率电压转换电路

图 3频率电压转换电路图
与电压频率转换电路原理相似，同时也将滑动变阻器转换为定值电阻。频率与电压对应关系：

理论上，将VF电路与FV电路直接相连便可以将输入的信号调制并解调。

红外传输电路

图 4 红外发射电路
图中部分是红外的发射的电路，因为LM331的输出端输出的脉冲是基态是高电平，偶尔会出现低的脉冲，所以采用这样的连接方法，为了达到二极管在脉冲来时亮的效果。R1.R2为限流电阻。查阅红外发射管的参数，其导通压降是1.2V，最大工作电流是20mA。

此电路 ， 在红外发射管正常工作范围之内。

图 5 红外接收电路
图中部分是利用红外接收管和一个大电阻串联。电阻选的大一些，光敏管根据光的强度会产生电流。在调试电路的过程中，尝试了直接将信号引出来通入频率电压转化电路，发现没有结果。经过计算我觉得是其驱动能力不够或是接收到的信号幅度太小，就在之后接了个放大器，再调试电路发现可以正常工作。

后级滤波与放大

在观察传输后心电产生的问题之后，我在调解后信号后又添加了放大、隔直、滤波这几个部分使传输信号失真与引入的噪声降到较理想状态。

图6

电路调试

电压频率转换电路

信号经过一隔直电路进入LM331芯片，从3脚输出脉冲波提供给红外管。测试时，输入不同电压值可以看出输出脉冲波信号频率在随之变化，且基本满足线性关系，比例约为计算值。
其后输入正弦信号进行测试，因为正弦信号每处电压值不同，所以输出正弦波频率在不断变化，不好获取具体数值，但可以通过改变输入正弦波幅值观察输出来测试其对正弦波的调制效果。

图 7 电压频率转换电路效果

频率电压转换电路

在最初设计F/V电路时，测试时选择输入不同频率方波测试输出电压，发现转换能力符合计算值。故将V/F与F/V直接相连测试其对信号的恢复性能，发现信号有一定程度的变形但可以基本实现对信号的调制后再解调。

图 8 调制并解调后的正弦波
而在连接上红外传输部分后，发现红外管接收信号后会对信号产生一定程度的衰减，且频率也有一定程度的损失。所以在进入F/V电路之前增加了一级由LM324构成的放大电路来增大输入解调电路的信号，提高解调电路的转换效果（因为测试解调电路对小幅值信号的解调能力较差）。同时在解调电路之后加了一级放大来弥补因为频率损失带来的转换后信号的幅值减小。这样操作之后便可以将信号尽量少失真的传输。