Простая и дешевая лазерная цифровая передача звука: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

С тех пор, как я сделал лазерную пушку, я думал о модуляции лазера для передачи звука, либо для развлечения (детский домофон), либо, может быть, для передачи данных для более сложного лазерного пистолета, позволяющего приемнику определять кого он ударил. В этом руководстве я сосредоточусь на передаче звука.

Многие люди создали системы передачи с аналоговой модуляцией, добавив аналоговый аудиосигнал к источнику питания лазерного диода. Это работает, но у него есть несколько серьезных недостатков, в основном это невозможность усилить сигнал на приемном конце, не внося большого шума. Также очень плохая линейность.

Я хотел модулировать лазер в цифровом виде, используя систему широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Дешевые лазерные диоды, используемые в проекте лазерной пушки, могут модулироваться даже быстрее, чем обычный светодиод, вплоть до миллионов импульсов в секунду, так что это должно быть очень выполнимо.

Шаг 1: Доказательство принципа (передатчик)

Вполне возможно построить приличный передатчик, используя генератор треугольников или пилообразных зубцов и сравнивая его выходной сигнал с входным сигналом операционного усилителя. Однако получить хорошую линейность довольно сложно, и количество компонентов довольно быстро растет, а полезный динамический диапазон часто ограничен. Кроме того, я решил, что лениться можно.

Немного нестандартного мышления натолкнуло меня на ультра дешевый аудиоусилитель D-класса под названием PAM8403. Я использовал его раньше как настоящий звуковой усилитель в проекте лазерной пушки. Он делает именно то, что мы хотим, - широтно-импульсную модуляцию аудиовхода. Небольшие платы с необходимыми внешними компонентами можно приобрести на eBay менее чем за 1 евро.

Микросхема PAM8404 представляет собой стереоусилитель с полным выходом H-моста, что означает, что он может подключать оба провода к динамику к шине Vcc (плюс) или к земле, эффективно увеличивая выходную мощность в четыре раза по сравнению с простым управлением одним проводом. Для этого проекта мы можем просто использовать один из двух выходных проводов только одного канала. В полной тишине на выходе будет прямоугольная волна примерно 230 кГц. Модуляция звуковым сигналом изменяет ширину выходного импульса.

Лазерные диоды чрезвычайно чувствительны к перегрузкам по току. Даже импульс длительностью 1 микросекунда может полностью его уничтожить. Показанная схема предотвращает именно это. Он будет управлять лазером с током 30 мА независимо от VCC. Однако при малейшем отключении диодов, обычно ограничивающем базовое напряжение транзистора до 1,2 В, лазерный диод немедленно разрушается. Я взорвал два таких лазерных модуля. Я рекомендую не собирать драйвер лазера на макетной плате, а припаять его к небольшому куску печатной платы или произвольной формы в куске термоусадочной трубки на задней стороне лазерного модуля.

Вернемся к передатчику. Подключите выход PAM8403 ко входу схемы драйвера лазера, и передатчик готов! При включении лазер визуально включен, и никакая модуляция не может быть оптически обнаружена. Это действительно имеет смысл, поскольку сигнал колеблется в пределах 50/50 процентов состояния включения / выключения на несущей частоте 230 кГц. Любая видимая модуляция была бы не громкостью сигнала, а фактическим значением сигнала. Только на очень-очень низких частотах модуляция будет заметна.

Шаг 2: Доказательство принципа (приемник, версия солнечного элемента)

Я исследовал многие принципы работы приемника, такие как фотодиоды с отрицательным смещением PIN, несмещенные версии и т. Д. У разных схем были разные преимущества и недостатки, такие как скорость в зависимости от чувствительности, но, прежде всего, все было сложным.

Теперь у меня был старый светильник IKEA Solvinden на солнечной энергии в саду, который был разрушен попаданием дождя, поэтому я спас два небольших (4 x 5 см) солнечных элемента и попробовал, сколько сигнала будет произведено простым наведением модулированного красного лазерного диода. на одном из них. Получился на удивление хороший ресивер. Скромная чувствительность, хороший динамический диапазон, как у, работает даже при довольно ярком освещении от случайного солнечного света.

Конечно, вы можете искать такие маленькие солнечные батареи на eBay. Они должны продаваться по цене менее 2 евро.

Я подключил к нему еще одну плату приемника PAM8403 класса D (которая также избавилась от компонента постоянного тока) и подключил к ней простой динамик. Результат был впечатляющим. Звук был достаточно громким и без искажений.

Обратной стороной использования солнечных батарей является то, что они очень медленные. Цифровая несущая полностью стирается, и это фактическая демодулированная звуковая частота, которая проходит как сигнал. Преимущество в том, что никакого демодулятора не требуется: просто подключите усилитель и динамик, и вы в деле. Обратной стороной является то, что, поскольку цифровой носитель отсутствует и поэтому не может быть восстановлен, производительность приемника полностью зависит от интенсивности света, и звук будет искажаться всеми источниками рассеянного света, модулированными в диапазоне звуковых частот, такими как лампочки., телевизоры и экраны компьютеров.

Шаг 3: Протестируйте

Я вынул передатчик и приемник на ночь, чтобы легко видеть луч и иметь максимальную чувствительность солнечного элемента, и сразу добился успеха. Сигнал легко улавливался на расстоянии 200 метров, где ширина луча была не более 20 см. Неплохо для лазерного модуля за 60 центов с неточной коллиматорной линзой, очищенного солнечного элемента и двух модулей усилителя.

Незначительный отказ от ответственности: я не делал эту фотографию, просто взял ее с известного поискового сайта. Поскольку в ту ночь в воздухе было немного влажно, луч действительно выглядел так, когда смотрел на лазер. Очень круто, но это не относится к делу.

Шаг 4: После размышлений: создание цифрового приемника

Создание цифрового приемника, версия с PIN-диодом

Как уже говорилось, без регенерации высокочастотного сигнала PMW, паразитные сигналы очень слышны. Кроме того, без регенерации сигнала PMW до фиксированной амплитуды, объем и, следовательно, отношение сигнал / шум приемника полностью зависят от того, сколько лазерного света улавливается приемником. Если бы сам сигнал PMW был достаточно доступен на выходе светочувствительного датчика, было бы очень легко отфильтровать эти паразитные световые сигналы, поскольку в основном все, что ниже частоты модуляции, следует рассматривать как паразитное. После этого простое усиление оставшегося сигнала должно дать регенерированный сигнал ШИМ фиксированной амплитуды.

Если вы еще не создали цифровой приемник, но это может быть вполне осуществимо, используя PIN-диод BWP34 в качестве детектора. Для увеличения области захвата придется выбрать систему линз, так как BWP34 имеет очень маленькое отверстие, около 4x4 мм. Затем сделайте чувствительный детектор, добавьте фильтр высоких частот, установленный примерно на 200 кГц. После фильтрации сигнал следует усилить, обрезать, чтобы восстановить исходный сигнал как можно лучше. Если бы все это сработало, мы в основном восстановили сигнал в том виде, в котором он создавался микросхемой PAM и мог напрямую подаваться на небольшой динамик.

Может быть, на более позднее время!

Другой подход, профи!

Есть люди, передающие свет на гораздо большие расстояния (несколько десятков километров), чем здесь представлено. Они не используют лазеры, потому что монохроматический свет на самом деле затухает быстрее на расстоянии без вакуума, чем многоцветный свет. Они используют светодиодные кластеры, огромные линзы Френеля и, конечно же, путешествуют на большие расстояния, чтобы найти чистый воздух и длинные линии обзора, читайте: горы. И их приемники имеют очень особенный дизайн. Интересные вещи, которые можно найти в Интернете.