基于avr单片机的音频传输系统设计

基于avr单片机的音频传输系统设计内容摘要：

波长 /um 相对辐射强度/% 高于阈值 低于阈值 长春理工大学本科毕业设计 7 由图 23 可见，当 m大，调制信号幅度大，则线性较差；当 m小，虽然线性好，但调制信号幅度小。 因此，应选择合适的 m值。 另外，在模拟调制中，光源器件本身的线性特性是决定模拟调制好坏的主要因素，所以在线性度要求较高的应用中，需要进行非线性补偿，即用电子技术校正光源引起的非线性失真。 图 23 模拟信号驱动电路及光强度调制 接收部分 接收部分与发送部分相反，需要完成信号的解调。 就本系统具体而言，接收部分需要将光信号转换为电信号，因而需要用到光电转换器件，本设计采用光敏二极管 ，其机理是光 生伏特效应。 光生伏特效应 光生伏特效应指的是由光照引起电动势的现 象。 严格来讲，包括两种类型：一类是发生在均匀半导体材料内部；一类是发生在半导体表面。 虽然他们之间有一定相似的地方，但产生这两个效应的具体机制是不相同的。 通常称前一类为丹倍效应，而把光生伏特效应的涵义只局限于后一类情况。 半导体界面包括有：由于掺杂半导体不同而形成的 P 型区和 N型区的界面，即 PN 结；金属和半导体接触的界面；不同半导体材料制成的异质结面以及由金属 — 绝缘体 — 半导体组成系统的界面。 在这些界面处都存在着一个空间电荷区，其中有很强的电场，称为自建电场。 光照产生的电子空穴对，在自建电场作用下运动，就是形成广 生伏特效应的原因。 下面以 PN 结为例进一步具体说明。 在 PN 结交界处 N 区一侧带正电荷， P 区一侧带负电荷，空间电荷区中自建电场方向由 N 区指向 P 区。 由于光照可以在空间电荷区内部产生电子空穴对，长春理工大学本科毕业设计 8 它们分别被自建电场扫向 N 区与 P 区，就如同有一个电子由 P 区穿过空间电荷区到达 N 区，形成光致电流。 在空间电荷区附近一定范围内产生电子空穴对，只要它们能通过扩散运动到达空间电荷区，同样可以形成光致电流。 光照产生的电流和空穴扩散运动所能起的距离为扩散长度。 光致电流使 N 区和 P 区分别积累了负电荷和正电荷，在 PN 结上形成电势差，引起方向与 光致电流相反的 N 结正向电流。 当电势差增长到正向电流恰好抵消光致电流的时候，便达到稳定情况，这时的电势差称为开路电压。 如果 PN 结两段用外电路连接起来，则有一股电流通过，在外电路负载电阻很低的情况下，这股电流就等于光致电流，称为短路电流。 在稳定条件下， PN 结上的光电压与流经负载的光电流 I 关系为 ]1)[e xp (sc  kTqVII (23) 当 I=0 时，可以确定开路光电压 ocV 为 )1ln(  sscoc IIqkTV (24) 式中 scI 为短路电流。 光敏二极管（ PD） 光敏二极管是一种 PN 结单向导电性的结型光电信息转换器件。 与一般半导体二极管类似，其 PN 结转在管子的项部，以便接受光照。 与光电池不同，光敏二极管工作时一般加反相偏压，加反相偏压的目的是加一个方向与 PN 结内电场方向一致的外电场，从而在原理上克服了光电池的弱点，这样，光敏二极管的线性特性和频率 特性将彻底改善，光电流的输出仅受光照强弱变化的影响，与负载电阻的大小无关。 无关照时，处于反相偏压的光敏二极管工作在截至状态，这时只有少数载流子在反相偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流，即暗电流。 当光敏二极管受光照时， PN 结附近经 受光子轰击吸收其能量而产生电子空穴对，从而使 P 区和 N 区的少数载流子浓度大大增加，在外加电场和内电场的共同作用下， P 区的电子渡越阻挡层进入 N 区， N 区的空穴进入 P 区，从而使通过 PN 结的反向电流大大增加，这就形成了光电流。 图 24 画出了硅光敏二极管的光电流 I 与照度 L 的关系，从图上可以看出，它的光照特性线性较好，适合于检测方面的应用。 长春理工大学本科毕业设计 9 5 0 01 0 0 01 02 03 04 05 0I （ 微 安 ）L （ 勒 克 斯 ） 图 24 光照特性曲线+ E + EUU( a )( b )( c )RR光 敏 二 极 管光 敏 二 极 管 图 25 光敏二极管等效电路 (a)、 (b)：光敏二极管的两种接法（方向相反）； (c):光敏二极管的等效电路。 图 25 是光敏二极管的输出电路和等效电路 .图 (a)和图（ b）的差别是输出电压 U的方向是相反的。 由于 𝑖Φ = 𝑆Φ，由图 (c)可知， 𝑈𝐿 = 𝑖Φ𝑅𝐿 = 𝑆Φ𝑅𝐿 (25) 式中， S 是光敏二极管的灵敏度， Φ是入射到光敏二极管的光通量， 𝑅𝐿是等效负载电阻，即 𝑅𝐿是 R 和后级电路输入阻抗的并联值。 由此可见，为了得到较大的输出电压 𝑈𝐿，除串接较大的 R 外，后级电路的输入阻抗应尽可能的大些。 在图25(c)中， 𝐶𝑗是结电容，一般较小，故在中频内可忽略，但在高频时不能忽略， 𝐶𝑗直接影响光敏二极管的高频特性。 现计算光敏二极管的上限频率 𝑓𝐻。 ∵ 𝑈max = 𝑖Φ𝑅𝐿，当 U = 𝑈𝑚𝑎𝑥√2 = 𝑓𝐻。 𝑖Φ 𝐶𝑗 𝑅𝐿 𝑈𝐿 长春理工大学本科毕业设计 10 而 𝐼Φ = 𝐼𝑐 +𝐼𝑅 = 𝑈(𝑗𝑤𝐶𝑗 +1 𝑅𝐿⁄ ) (26) ∴ U = 𝐼Φjw𝐶𝑗+1 𝑅𝐿⁄= 𝐼Φ𝑅𝐿1+𝑗𝑤𝐶𝑗𝑅𝐿= 𝑈𝑚𝑎𝑥1+jw𝐶𝑗𝑅𝐿= 𝑈𝑚𝑎𝑥√1+(𝑤𝐶𝑗𝑅𝐿)2.𝑒𝑗Φ (27) 令 √1+ (𝑤𝐶𝑗𝑅𝐿)2 = √2，得 𝑤𝐻𝐶𝑗 = 2 (28) 𝑓𝐻 = 12𝜋𝐶𝑗𝑅𝐿 (29) 从这里可以看出，减少负载电 阻 𝑅𝐿，可使上限频率 𝑓𝐻提高。 这个结论对其他光电信息转换器也适用。 长春理工大学本科毕业设计 11 第 3 章 音频传输系统硬件 电路 的 设计 音频传输系统的总原 理 框图 本文设计的音频传输系统，是建立在第二章的理论依据之上的。 系统总原理框图如图 31 所示， 首先我们设计了一个简单的麦克风语音实时输入模块，用来实时采集语音信息并送入发送器，发送器则实时发送出该语音信号，接收器则实时接收光信号并从中解调 还原出原始的语音信号。 本音频传输系统需要达到在对着麦克风说话 时能从接收器的扬声器中听到所说的内容的目的， 液晶 显示屏 则实 麦 克 风 输 入 模 块外 接 音 源直 流 稳 压 模 块音源切换电路tV0+CLtV0tV0驱 动 L D激 光光 强0发 送光 敏 二 极 管激 光+ E0Vtt隔 直 ， 功率 放 大0tV单 片 机 A / D 采 集 显 示 波 形接 收图 31音频传输系统的总原理框图 时显示出音频信号的波形。 本文所设计的音频传输系统还可以接入外围设备（如手机、 mp3 播放器 等）的音频信号，到底传输的是哪一路音频信号则受单片机控制。 本章下文将对该音频传输系统的每个部分做相应的电路设计。 长春理工大学本科毕业设计 12 麦克风实时语音输入电路的设计 本模块的主要器件是传声器，俗称麦克风，其作用是将声音转换成相应的电信号，以声波表现的电信号被传感器接收后，使换能机构产生机械振动，由换能机构输出电信号。 本部分电路的目的便是完成声音到电信号的转换，也称“拾音”。 根据传声器的工作原理，我们只需 要将由声波引起的微变信号进行隔直、滤波和放大，便可得到语音信 号。 本设计选用集成运算放大器 UA741,麦克风输入电路如图 32。 其中，使用 的电容对电源进行滤波，净化电源，输出端的 1K电阻为分流电阻。 图 32 麦克风输入电路 音源切换电路的设计 本系统除了传输自身麦克风输入的音频信号，还可以传输外部接入音频信号（如手机、 MP3 播放器 等）。 因此需要进行音源选择的电路设计，由于本系统基于单片机，因此选用数控的方式。 本设计选用 CD4051B 模拟开关。 CD4051 系列模拟开关是用数字信号控制的多路调制 /选择模拟开关，具有低导通电阻和很低的关态漏电流。 通过模拟开关的模拟量幅度可高达 15V，与 CD系列数字电路的 3V～ 15V 工作范围正好相对应。 例如，选 VDD=5V， VSS=0V， VEE= 5V，那么幅度 5V～ +5V 的模拟信号就可用 0V～ 5V 的数字信号来控制 传输。 CD4051 系列模拟开关的静态功耗极小。 CD4051B 是八选一 模拟开关，用 3个二进制输入信号控制端 A、 B、 C来选择八个模拟通道中的任 意 一个为“ ON”状态。 INH 输入端输入“ 1”电平时将全部通道置为关断状态。 如图 33是 CD4051B 的引脚图。 音源切换电路仅仅使用一个八选一模拟开关，本文设计的音频传输系统需要在两个输入信号中选择其中一个，选择哪个通路受单片机控制。 UA74112V81010uFMK+5V1K音频输出12V长春理工大学本科毕业设计 13 图 33 CD4051B的引脚图 我们想要实现的功能如图 34（ a）所示，但是该电路是不受单片机控制的，只能手动切换。 根据 CD4051B 的引脚图，可设计出用于本音频传输系统的 数控模拟开关，如图 34(b)所示 ，其中， PD0、 PD PD PD3 是单片机的 I/O 口，通过对这些端口的编程可实现 audio1 和 audio2 两路信号的切换，对应的端口状态 及通断状况 见 表 31。 (a) (b) 图 34 音源切换电路 表 31 切换电路 对应 的 真值表 I/O 端口状态 通断状态 PD0 PD1 PD2 PD3 0 1 0 0 audio1 接通 0 1 1 0 audio2 接通 1 x x x 都断开 音频传输电路的设计 就发送部分来说，根据激光的输出特性，我们需要激光工作在线性区域，则需要使激光的驱动电流超过激光的阈值电流。 单纯的音频信号是达不到这一目的的，因此为了达到这一目的，我们需要将音频信号叠加一个稳定的直流偏置电压，保证激光的调制信号的最小值也能使通过激光的电流处于阈值电流之上，如此才能保证激光工作在线性区域。 很显然，为保证传输性能，一个稳定的直流偏置电12345678910111213141516CD4051BPD0PD1PD2PD3VCCaudio1audio2out231Koutaudio1audio2长春理工大学本科毕业设计 14 压是必须的，因此电路中的直流偏置电压采用三端稳压模块提供，并且通过滑动变阻器可调节电压值，三端稳压芯片选用 LM317，外围电路采用该芯片的标准应用电路。 另外，激光器 需要串联一个 100Ω左右的限流电阻 ,并加入了单片机的控制 ,以免激光射伤人眼。 音频发送 电路如图 35 所示。 图 35 音频发送 电路 就接收部分来说，本设计采用的是光敏二极管作为接收头。 根据第二章提到的光敏二极管的光照特性，当给光敏二极管加上一个反向偏压时，通过光敏二极管的电流随光照强度的增加而呈良好的线性增加关系。 我们用一个电阻将该变化的电流信号给取出来，并滤除直流分量，我们便得到了所需的音频信号，但是该音频信号极其微弱，不足以驱动扬声器，所以我们需要对该小信号进行功率放大， 功率放大电路采用功放集成芯片 LM386 的标准应用电路 ,可通过滑动变阻器调节增益。 另外，为了保证传输性能，光敏二极管的反相偏压我们也采用三端稳压模块提供，亦采用 LM317 搭建。 音频接收 电路如图 36所示。 图 36 音频接收 电路 LDLASER10mH1002N3904PE0Vin VoutGNDLM31712V10050K50uF10uF1000uF100音频输入PD1K1uF10K53241876LM386220uF10uFSpeaker12V10Vin VoutGNDLM3171K10050K12V50uFPA0长春理工大学本科毕业设计 15 音频传输电路中，稳定的直流电源是必须的， 音频发送和接收电路中都用到了 LM317 三端稳压模块。 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。 LM317 的输出电压范围为 37V，负载电流最大为。 它的使用非常简单，只需要两个输出电阻来设置除输出电压。 此外，它的线 性调整率和负载调整率。