Laserpointer Audio Modulator …

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Laserpointer Audio Modulator ...

Max Carter

Wenn Sie mit Punkt-zu-Punkt-zu experimentieren möchte (im freien Raum, ohne Glasfaser) Lichtstrahl-Stimme oder andere Audio-Kommunikation oder mit Musikübertragung (sagen wir, zu einem entfernten geheimen Funksender), könnte diese Schaltungen sein für Sie von Interesse. Die High-Fidelity-Schaltungen verwenden einen billigen Laser-Pointer als Lichtquelle und einer leicht zugänglichen Photodiode als Detektor. Das System wurde auf eine Distanz von 6,5 Meilen (10,5 km) erfolgreich unter Beweis gestellt.

Laser sind inhärent nichtlineare Vorrichtungen; Laserdioden nur in einem engen Bereich von Antriebsströme glücklich arbeiten. Zu wenig Strom und die Diode weigert sich, "lase". Zu viel und die Diode selbst zerstört. Somit Bemühungen, direkt einen Laser mit einem analogen Signal moduliert sind meist unbefriedigend. Die überwiegende Mehrheit der Laser Modulatoren des digitalen Designs; der Modulator schaltet den Laser zwischen zwei diskreten Strompegel, Informationen in den in dem Treibersignal codierten Daten zu vermitteln. In diesem Fall ist die «Daten» ein FM-Unterträger bei etwa 75 kHz betrieben wird, und die Laserstrompegel 0 und 30 mA (einstellbar).

Ebenso Photodetektoren in der realen Welt von Umgebungslicht Rauschquellen, ohne Nutzen einer Glasfaserübertragungsmedium, leiden unter Nichtlinearitäten des eigenen Betrieb. Der FM-Unterträger ist zum größten Teil immune Nichtlinearität zu dem Detektor.

Die Sendeschaltung wird in 1 gezeigt.

Abbildung 1

Die Schaltung verwendet ein Verfahren zum Erzeugen von FM genannt Steigung Modulation. Integrator U1a, U1b Komparator und Begrenzerschaltung U3 bilden eine Freilauf FM-Oszillator / Modulator mit der doppelten Betriebsausgangsfrequenz arbeitet. Integrator U1a ist das Herz des Modulators. Der Ausgang des U1a ist linear Rampenspannung entweder positive oder negative Steigung. Die Steigung wird durch 1) den Wert des Integrationskondensators Stifte 13 und 14 der U1a Anschluss bestimmt und 2), um die Summe der Ströme von U1c, U1d und FREQ ADJ und LINEARITY ADJ Potentiometer an der Summationsstelle (Pin 13) des Integrators. Negative Rückkopplungsstrom von U2, durch die FREQ einstellen Potentiometer, die Schaltung verursacht bei einer Frequenz durch die kombinierten positiven und negativen Steigungen des U1a Ausgangssignals bestimmt zu schwingen. Das Ausgangssignal (U1a Pin 14) ist eine nicht-symmetrische (scalene) Dreieckwelle. Der Grad der Asymmetrie bestimmt die Zeit und damit die Frequenz des Ausgangssignals; desto größer ist die Asymmetrie, desto niedriger die Frequenz ist. Durch controling die Ausgangssteigung der Integratoren, die kombinierten Eingangsströme (aus den oben genannten Quellen) Bestimmen der momentanen Oszillatorfrequenz.

Das Ausgangssignal von U1a dargestellt U1b Vergleicher. Der Ausgang des U1b wird entweder «hoch» sein, in der Nähe der Stromschiene Spannung oder «niedrig», in der Nähe von Boden, je nachdem, ob der Stift 9 Spannung oberhalb oder unterhalb der Referenzspannung an Pin 10. Limiter U2 verkürzt den Aufstieg und Fall Zeiten des U1b Ausgangssignals. U2 liefert das negative Rückkopplungssignal an den Integrator, wie oben erläutert, und auch taktet U3a Ausgangsteiler. U3a teilt die Signalfrequenz von 2 und stellt Symmetrie.

U4 ist der Lasertreiber. Wenn der Ausgang des D-Flip-Flop (U3a) niedrig ist, schaltet der Fahrer die Laserstromversorgung des 4,7 uF Kopplungskondensator. Dies bewirkt, dass die untere Schottky-Diode zu leiten, Aufladen des Kondensators. Wenn das D-Flip-Flops hoch ist, schaltet der Fahrer den Kondensator mit der Masseschiene. Dies entlädt den Kondensator und bewirkt, dass die obere Diode zu leiten. Der Entladungsstrom wird an den Laserzeiger geliefert. Fahrerinnenwiderstand und der Vorwärtsspannungsabfall der Dioden arbeiten in Verbindung mit den internen Widerstand des Zeigers Stromfluss durch die Schaltung zu begrenzen. Laserstrom kann mit einem bis TP4 und TP5 verbunden Multimeter überwacht werden. Stromfluß von der Stromregler ist eigentlich eine Hälfte der momentane Stromfluß durch die Laserdiode, da Laserstrom fließt, genau die Hälfte der Zeit. Das 2-ohm Skalierungswiderstand stellt eine nominale Eins-zu-Eins-Spannungsabfall an momentaner Laserstrom-Beziehung. Strom durch die Laserdiode veranlasst sie kohärentes Licht einer Wellenlänge und Dispersions typisch für eine Laserdiode zu erzeugen. Das Ausgangssignal der Laserdiode ist eine Reihe von Lichtimpulsen im Gleichschritt mit dem Ausgang des FM-Unterträger-Generator.

Alternative Laser Laufwerksoptionen

Hot Pointer Shell

Die negative Ansteuerungsschema in Abbildung 1 gezeigt wurde gewählt, weil die günstige Laserpointer verwendet, um die Laserdiode Anode mit dem Zeigerkörper (positive Masse). Die Abbildung 1 Ansatz schien einfacher als eine negative Stromschiene bzw. die Bereitstellung der gesamten Modulatorschaltung zu positiver Masse umgewandelt wird. Wenn die heiße Zeigerkörper kein Problem ist, könnte der Fahrer so einfach sein wie ein Open-Collector-NPN-Transistor. Der MOSFET-Treiber, Koppelkondensator und Schottky-Dioden (U4, C7, D1 und D2) in Fig 1 gezeigt, würde nicht benötigt werden:

Positive Erdung

Wenn Sie den Körper des Laserpointers geerdet bevorzugen, wobei der einfachste Ansatz vom Konzept her (wenn auch nicht unbedingt einfach in der Ausführung) wäre, den gesamten Lasermodulatorschaltung als ein Draht positiv geerdet System und einen PNP-Transistor als Treiber verwenden. Die Verbindung mit dem Laserpointer würde wie folgt aussehen:

Der Laser ist einfach eine billige Schlüsselkette Laserpointer. Um mit dem Impulsmodulator zu arbeiten, muss der Laser von dem Typ sein, nicht mit aktiver Stromregelung ausgestattet. Mit anderen Worten: billig. (Eine Auswahl von Laser-Pointer gegeben, Möchtegern-Builder dieser Schaltung sollte die billigste zur Verfügung wählen -. Kaufen mehrere) Günstige Zeiger nur mit einem internen Festwertstrombegrenzungswiderstand (Wert rund 50 Ohm) ausgestattet sind. Zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels, wie ein Zeiger war hier. auch hier. Sie könnten auch ein bei Ihrem örtlichen «Dollar» Speicher.

Ein Hinweis zum Drucktastenschalter

Bauherren sollten sich bewusst sein, dass die Druckschalter auf billige Laser-Pointer unzuverlässig sind (nach meiner Erfahrung). Einfach Taping den Schalter nach unten kann unberechenbar Funktion der Laserdiode erzeugen, fälschlicherweise zu einem Ausfall der Diode zugeschrieben. Wenn Sie den Mauszeiger beginnen finden unberechenbar zu handeln oder zu sein scheint zum Scheitern verurteilt, entfernen Sie das Band und üben Sie den Schalter wiederholt und die Leistung zu verbessern. Builders könnte prüfen, den Schalter der Zeiger zu umgehen. Wenn Sie das tun, sollten Sie den Zeiger des Strombegrenzungswiderstand auf nicht umgehen. Leider in die Außenhülle des Zeiger Schneiden erfordert, den Zugriff auf die kleine Leiterplatte in dem Zeiger auf dem der Druckschalter montiert ist, möglicherweise der Zeiger Zerstörung verursacht. Gehen Sie mit Vorsicht.

Line und Mikrofonverstärker U1c und U1d amplifizieren und zu isolieren, ihre jeweiligen Eingangssignale und legt sie über der 100K-Widerstände, zur Neigung Modulator, wie oben erläutert. Die Verstärkerschaltungen einführen auch jeweils eine 6 dB pro Oktave Hochfrequenz-Preemphase, bei etwa 1600 Hz beginnt.

Prototype Laserpointer Modulator.

Das schwarze Ding auf der linken Seite ist ein Kondensatormikrofon. Das gelbe Ding an der Spitze ist eine billige Laser-Pointer (der Taster auf den Zeiger auf der anderen Seite des Gelbkörpers auf dem Foto, ist für den Betrieb abgeklebt). Das graue Kabel an der unteren rechten Seite ist zu einer 12-15V DC Stromquelle anschließen.

Praktisch sollte jede Photodiode in dieser Schaltung verwendbar sein. Achten Sie darauf, eine auszuwählen, die auf die Wellenlänge des Lasers empfindlich Sie verwenden — sichtbar in diesem Fall (auch «blau verstärkt» genannt).

Die erfasste 75 kHz optische Signal von der Photodiode ist mit der Basis des Transistors 2N2222 gekoppelt, die selektiv das erfaßte Signal um einen Faktor von etwa 200 und stellt sie U1a dem Verstärker verstärkt. U1a verstärkt und liefert das Signal durch Begrenzer U2 zu einem Monoflop U3a. U3a gibt Impulse mit fester Länge (Zeitdauer) U1b zum Integrator. Der Ausgang des U1b ist eine analoge Spannung, die darstellt, Dichte der Eingangsimpulse — mehr Impulse (höhere Eingangsfrequenz) erzeugen eine höhere Spannung; weniger Impulse (niedrigere Frequenz) erzeugen eine niedrigere Spannung. Somit ist die frequenzmodulierte Eingangssignal wird zurück zu dem ursprünglichen gesendeten analoge Audiosignal umgewandelt. Der Integrator stellt Hochfrequenz-De-Emphasis (Roll-off) oberhalb von etwa 1600 Hz. Dieser Roll-off wird durch komplementäre Vorverzerrung in den Audio-Verstärker in der oben (Fig 1) Modulator kompensiert. LP-Filter U1c, wie gezeigt, schneidet bei etwa 16 kHz off für Musikübertragung zu ermöglichen. Siehe Hinweis 1, wenn eine restriktivere Frequenzgang erforderlich ist.

Prototype Laserpointer-Empfänger

Die Photodiode ist über dem Empfänger auf einem Kamerastativ montiert.
Earbuds verbunden sind, gezeigt an den Empfänger in dieser Aufnahme. Der Empfänger kann auch an einen Lautsprecher oder Leitungseingang verbunden werden.

Nahaufnahme des montierten Photodiode.

Strahlkonzentration kann das Signal-Rausch-Verhältnis des erfassten optischen Signals erhöhen, und kann erforderlich sein, abhängig von der Sender-Empfänger-Abstand und anderen Faktoren. Hier ist ein Laser Beam Concentrator Ihre Fotodiode in für erhöhte Empfindlichkeit und Reichweite zu montieren. Der Konzentrator wurde erfolgreich mit dem Prototyp-Modulator / Demodulator-System verwendet, um eine Audio-Verbindung über eine Entfernung von 6,5 Meilen zu etablieren.

Systemausrichtung

Der Laserpointer Audio-Modulator erfordert Ausrichtung. Das Ausrichtungsverfahren verwendet den Unterscheider in dem Demodulator als «Frequenzmesser». Das Verfahren ist nicht schwierig, aber sollten sorgfältig für beste Ergebnisse folgen. Figur 3 zeigt den Modulator / Demodulator Zusammenschaltung für die Ausrichtung verwendet.

Figur 3

Grundlegende Ausrichtung:

  1. Entfernen Sie alle Audioeingänge aus dem Modulator Leiterplatte. Entfernen Sie den Laserpointer aus dem Modulator Leiterplattenverbinder. Entfernen Sie die Photodiode von dem Demodulator Leiterplattenverbinder.
  2. Schließen Sie den Modulator Board an den Demodulator Board wie in Abbildung 3 dargestellt.
  3. Auf dem Demodulator Board die Leitungen eines Multimeters zu TP6 und TP7 verbinden. Stellen Sie das Messgerät auf die 0-2-Volt-Skala (oder nächste). Schalten Sie die Bretter.
  4. Drehen Sie VR2 (LIN) auf dem Modulator Bord seiner extreem CCW Position.
  5. Stellen Sie die FREQ-Regler auf den Modulator Brett für eine Lesung von null Volt (0,0 V) auf dem Multimeter.
  6. Mit einem Clip-Blei-Jumper, schließen TP1 auf dem Modulator Bord TP2 auf dem Modulatorplatte (dies ist die Erdungsschiene des Boards). Beachten Sie die Spannungsmessung auf dem Multimeter; entfernen Sie den Jumper.
  7. Schließen Sie TP1 auf dem Modulator Bord TP3 auf dem Modulator Board (dies ist die positive Versorgungsschiene des Boards). Beachten Sie, dass die Spannungsmessung auf dem Multimeter jetzt ist Gegenteil in der Polarität, wenn die Spannung in Schritt 5 notiert die LIN-Steuerung auf dem Modulator für den gleichen absoluten Spannungswert einstellen in Schritt 5 (zum Beispiel festgestellt, wenn die Spannung in Schritt 5 notierten 0,65 Volt ist, stellen Sie die LIN-Steuerung für ein entfernen Sie das Lesen von -0,65 Volt.) den Jumper.
  8. Entfernen Bordnetz; Entfernen Sie alle Jumper; Entfernen Sie das Multimeter; die ursprünglichen Verbindungen mit dem Laserpointer und Photodiode wiederherzustellen.

Feintuning:

Das obige Verfahren sollte akzeptable Genauigkeit für die meisten Anwendungen erzeugen. Eine weitere Verbesserung könnte mit einem Tongenerator und Oszilloskop und / oder Verzerrung Analysator acheived wie folgt:

Mit Oszilloskop:

  1. Komplette Grundausrichtung die Schritte 1-7 oben.
  2. Schließen Sie den Tongenerator (auf 1 kHz) an den Modulator Audio-Line-Eingangsbuchse; Schließen Sie das Oszilloskop an den Demodulator Audioausgang.
  3. Erhöhen Sie den Ausgangspegel des Tongenerator und / oder die LINE MOD Steuerung auf den Modulator bis Verzerrung des angezeigten Sinusfestgestellt wird.
  4. Passen Sie die Linearität (LIN) Steuerung auf dem Modulator für die reinste (minimal verzerrt) Sinus.
  5. Entfernen Bordnetz; Entfernen Sie die Test-Ausrüstung; die ursprünglichen Verbindungen mit dem Laserpointer und Photodiode wiederherzustellen.

Mit Distortion Analyzer:

  1. Komplette Grundausrichtung die Schritte 1-7 oben.
  2. Schließen Sie den Tongenerator (auf 1 kHz) an den Modulator Audio-Line-Eingangsbuchse; verbinden die Verzerrung Analysator an den Demodulator Audioausgang.
  3. Erhöhen Sie den Ausgangspegel des Tongenerator und / oder die LINE MOD Steuerung auf den Modulator, bis eine Erhöhung der Verzerrung auf dem Gerät festgestellt wird.
  4. Passen Sie die Linearität (LIN) Steuerung auf den Modulator für minimale Verzerrung.
  5. Entfernen Bordnetz; Entfernen Sie die Test-Ausrüstung; die ursprünglichen Verbindungen mit dem Laserpointer und Photodiode wiederherzustellen.

Einstellen Laserstrom:

  1. Auf der Senderplatine, die Leitungen eines Multimeters zu TP4 und TP5 verbinden. Stellen Sie das Multimeter Millivolt zu lesen.
  2. Stellen Sie die CUR Kontrolle auf minimalen Widerstand. Schalten Sie den Senderplatine.
  3. Stellen Sie die CUR Topf auf die gewünschte Laserstrom (1 mV = 1 mA). [Man beachte, daß als der Widerstand der CUR Steuerung erhöht wird, wird die Helligkeit des Lasers allmählich zunehmen. Ein Punkt wird erreicht, wenn der Laser auf «lasern» beginnt. Dies wird als eine relativ plötzliche Zunahme der Helligkeit gesehen werden und wird typischerweise auftreten, etwa 20 mA. Eine aktuelle Einstellung von 30 mA wird vorgeschlagen. Die aktuellen Einstellungen von mehr als 30 mA mit einem billigen Laserpointer in verkürzter Lebensdauer des Lasers führen könnte.]
  4. Entfernen Bordnetz; Entfernen Sie das Multimeter.

Einstellen Modulationspegel:

  1. Es gibt keine "korrekt" Modulationspegel. Stellen Sie die Modulationspegel (LINE MOD und MIC MOD) so hoch wie Sie mit weg erhalten können. Der Modulator wird linear bis zu einem Niveau bleiben, wo Verzerrung wird plötzlich in der empfangenen Audio bemerkt werden. Wenn Verzerrung bemerkt wird, ein wenig zurück in den Modulationspegel.

Schema mit DCCAD hergestellt.

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