Truyền âm thanh kỹ thuật số bằng laser đơn giản và rẻ tiền: 4 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Kể từ khi tôi chế tạo súng laser, tôi đã nghĩ đến việc điều chỉnh tia laser để gửi âm thanh, hoặc để giải trí (hệ thống liên lạc nội bộ dành cho trẻ em) hoặc có thể để truyền dữ liệu cho một khẩu súng laser phức tạp hơn, cho phép người nhận tìm ra bằng người mà anh ta đã bị đánh. Trong hướng dẫn này, tôi sẽ tập trung vào việc truyền âm thanh.

Nhiều người đã tạo ra hệ thống truyền dẫn điều chế tương tự bằng cách thêm tín hiệu âm thanh tương tự vào nguồn điện của điốt laze. Điều này hoạt động, nhưng nó có một vài nhược điểm nghiêm trọng, chủ yếu là không có khả năng khuếch đại tín hiệu ở đầu nhận mà không tạo ra nhiều tiếng ồn. Ngoài ra tuyến tính rất kém.

Tôi muốn điều chế laser kỹ thuật số bằng hệ thống điều biến độ rộng xung (PWM). Các điốt laser giá rẻ được sử dụng trong dự án súng laser có thể được điều biến nhanh hơn cả đèn LED thông thường, truyền tới hàng triệu xung mỗi giây, vì vậy điều này rất khả thi.

Bước 1: Bằng chứng về Nguyên tắc (Máy phát)

Hoàn toàn có thể xây dựng một bộ phát tương đối tốt bằng cách sử dụng bộ tạo hình tam giác hoặc răng cưa và so sánh đầu ra của nó với đầu vào tín hiệu bằng op-amp. Tuy nhiên, khá khó để có được độ tuyến tính tốt và số lượng các thành phần phát triển khá nhanh và phạm vi động có thể sử dụng thường bị hạn chế. Bên cạnh đó, tôi quyết định nó được phép lười biếng.

Một chút suy nghĩ nghiêng về phía tôi đã chỉ ra một bộ khuếch đại âm thanh hạng D cực rẻ có tên PAM8403. Tôi đã sử dụng nó trước đây như một bộ khuếch đại âm thanh thực sự trong dự án súng laser. Nó thực hiện chính xác những gì chúng ta muốn, độ rộng xung điều chỉnh đầu vào âm thanh. Bo mạch nhỏ với các thành phần bên ngoài được yêu cầu có thể được mua từ eBay với giá dưới 1 Euro.

Chip PAM8404 là một bộ khuếch đại âm thanh nổi có đầu ra cầu H đầy đủ, có nghĩa là nó có thể dẫn cả hai dây dẫn đến loa đến đường ray Vcc (plus) hoặc xuống đất, tăng gấp bốn lần công suất đầu ra so với chỉ dẫn một dây. Đối với dự án này, chúng ta chỉ có thể sử dụng một trong hai dây đầu ra của một kênh duy nhất. Khi ở chế độ im lặng hoàn toàn, đầu ra sẽ được chuyển sang dạng sóng vuông xấp xỉ 230 kHz. Điều chế bằng tín hiệu âm thanh làm thay đổi độ rộng xung của đầu ra.

Điốt laser cực kỳ nhạy cảm với quá dòng. Ngay cả một xung 1 micro giây cũng có thể phá hủy nó hoàn toàn. Các mạch được hiển thị ngăn chặn chính xác điều đó. Nó sẽ điều khiển tia laser với 30 miliamp độc lập với VCC. Tuy nhiên, nó thậm chí có sự ngắt kết nối nhỏ nhất của các điốt, thông thường cắt điện áp cơ bản của bóng bán dẫn xuống 1,2 volt, điốt laze ngay lập tức bị phá hủy. Tôi đã làm nổ hai mô-đun laser như thế này. Tôi khuyên bạn không nên xây dựng trình điều khiển laser trên bảng mạch, mà hãy hàn nó trên miếng PCB nhỏ hoặc dạng tự do trong một đoạn ống co lại ở phía sau mô-đun laser.

Quay lại máy phát. Kết nối đầu ra của PAM8403 với đầu vào của mạch điều khiển laser và bộ phát là xong! Khi được bắn lên, tia laser sẽ bật sáng trực quan và không thể phát hiện điều biến bằng quang học. Điều này thực sự có ý nghĩa khi tín hiệu di chuyển xung quanh trạng thái bật / tắt 50/50 phần trăm trên tần số sóng mang 230 kHz. Bất kỳ điều chế có thể nhìn thấy nào sẽ không phải là âm lượng của tín hiệu, mà là giá trị thực của tín hiệu. Chỉ ở các tần số rất, rất thấp, việc điều chế sẽ được chú ý.

Bước 2: Bằng chứng về nguyên tắc (Máy thu, Phiên bản pin mặt trời)

Tôi đã tìm hiểu nhiều nguyên tắc đối với bộ thu, chẳng hạn như điốt ảnh mã PIN thiên vị tiêu cực, phiên bản không thiên vị, etcetra. Các sơ đồ khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau, chẳng hạn như tốc độ so với độ nhạy, nhưng hầu hết mọi thứ đều phức tạp.

Bây giờ tôi có một bóng đèn năng lượng mặt trời IKEA Solvinden cũ trong vườn đã bị phá hủy do mưa xâm nhập, vì vậy tôi đã trục vớt hai pin mặt trời nhỏ (4 x 5 cm) và thử xem có bao nhiêu tín hiệu được tạo ra bằng cách chỉ đi-ốt laser đỏ đã điều chế. trên một trong số chúng. Điều này hóa ra là một máy thu tốt đáng ngạc nhiên. Độ nhạy vừa phải và dải động tốt, như vậy, nó hoạt động với ánh sáng khá chói từ ánh sáng mặt trời đi lạc.

Tất nhiên, bạn có thể tìm kiếm trên eBay các loại pin mặt trời nhỏ như thế này. Họ nên bán lẻ với giá dưới 2 Euro.

Tôi đã nối một bo mạch thu lớp PAM8403 D khác với nó (cũng đã loại bỏ thành phần DC) và kết nối một loa đơn giản gắn vào nó. Kết quả thật ấn tượng. Âm thanh lớn hợp lý và không bị biến dạng.

Nhược điểm của việc sử dụng pin mặt trời là chúng cực kỳ chậm. Sóng mang kỹ thuật số hoàn toàn bị xóa sổ và đó là tần số âm thanh thực tế đã được giải điều chế đi qua dưới dạng tín hiệu. Ưu điểm là không cần bộ giải điều chế: chỉ cần kết nối bộ khuếch đại và loa và bạn đang kinh doanh. Nhược điểm là vì sóng mang kỹ thuật số không có mặt và không thể khôi phục được, hiệu suất của bộ thu hoàn toàn phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và âm thanh sẽ bị méo bởi tất cả các nguồn sáng đi lạc được điều chế trong dải tần âm thanh như bóng đèn., ti vi và màn hình máy tính.

Bước 3: Kiểm tra

Tôi mang bộ phát và bộ thu ra ngoài vào ban đêm để dễ dàng nhìn thấy chùm tia và có độ nhạy tối đa của pin mặt trời, và ngay lập tức đã thành công. Tín hiệu dễ dàng thu được trong phạm vi 200 mét dưới phạm vi, nơi chiều rộng của chùm tia không quá 20 cm. Không tồi đối với mô-đun laser 60 xu với ống kính chuẩn trực không chính xác, một pin mặt trời nhặt rác và hai mô-đun bộ khuếch đại.

Tuyên bố từ chối trách nhiệm nhỏ: Tôi không thực hiện bức ảnh này, chỉ lấy nó từ một trang web tìm kiếm nổi tiếng. Vì có một chút hơi ẩm trong không khí vào đêm hôm đó, chùm tia thực sự trông như thế này khi nhìn lại phía tia laser. Rất tuyệt, nhưng đó là bên cạnh vấn đề.

Bước 4: Sau khi suy nghĩ: Xây dựng bộ thu kỹ thuật số

Xây dựng bộ thu kỹ thuật số, phiên bản diode PIN

Như đã nói, nếu không tái tạo tín hiệu PMW tần số cao, tín hiệu lạc rất dễ nghe. Ngoài ra, nếu không có tín hiệu PMW được tái tạo thành một biên độ cố định, âm lượng và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của bộ thu hoàn toàn phụ thuộc vào lượng ánh sáng laser mà bộ thu bắt được. Nếu bản thân tín hiệu PMW có đủ khả dụng ở đầu ra của cảm biến ánh sáng, thì sẽ rất dễ dàng để lọc ra những tín hiệu ánh sáng đi lạc này vì về cơ bản mọi thứ dưới tần số điều chế đều được coi là lạc hướng. Sau đó, chỉ cần khuếch đại tín hiệu còn lại sẽ tạo ra một biên độ cố định, tín hiệu PWM tái tạo.

Nếu bạn chưa xây dựng một bộ thu kỹ thuật số, nhưng nó có thể rất khả thi bằng cách sử dụng một diode PIN BWP34 làm bộ dò. Người ta sẽ phải quyết định chọn một hệ thống ống kính để tăng diện tích chụp, vì BWP34 có độ mở rất nhỏ, khoảng 4x4mm. Sau đó, tạo một bộ dò nhạy, thêm một bộ lọc thông cao, đặt thành khoảng 200 kHz. Sau khi lọc, tín hiệu nên được khuếch đại, cắt bớt để khôi phục tín hiệu ban đầu tốt nhất có thể. Nếu tất cả đều hoạt động, về cơ bản chúng tôi đã khôi phục tín hiệu vì nó được sản xuất bởi chip PAM và có thể được đưa trực tiếp vào một loa nhỏ.

Có lẽ cho một ngày sau đó!

Cách tiếp cận khác nhau, của chuyên nghiệp!

Có những người thực hiện việc truyền ánh sáng trên những khoảng cách lớn hơn rất nhiều (vài chục km) so với những gì được trình bày ở đây. Họ không sử dụng laser vì ánh sáng đơn sắc thực sự mờ đi nhanh hơn theo khoảng cách trong môi trường không chân không so với ánh sáng đa sắc. Họ sử dụng các cụm đèn LED, thấu kính ống kính cực lớn và tất nhiên sẽ di chuyển rất xa để tìm không khí sạch và đường ngắm dài, đọc là: núi Và đầu thu của họ có thiết kế rất đặc biệt. Những thứ thú vị có thể tìm thấy trên internet.