Prosta i tania laserowa cyfrowa transmisja dźwięku: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Odkąd stworzyłem pistolet laserowy, myślałem o modulowaniu lasera, aby przesyłać dźwięk, albo dla zabawy (domofon dla dzieci), albo może przesyłać dane do bardziej wyrafinowanego pistoletu laserowego, umożliwiając odbiornikowi rozeznanie w kogo został trafiony. W tej instrukcji skupię się na transmisji dźwięku.

Wiele osób stworzyło analogowe systemy transmisji modulowanej przez dodanie analogowego sygnału audio do zasilania diody laserowej. To działa, ale ma kilka poważnych wad, przede wszystkim brak możliwości wzmocnienia sygnału po stronie odbiorczej bez wprowadzania dużych szumów. Również liniowość jest bardzo słaba.

Chciałem modulować laser cyfrowo za pomocą systemu modulacji szerokości impulsu (PWM). Tanie diody laserowe używane w projekcie pistoletu laserowego mogą być modulowane nawet szybciej niż zwykła dioda LED, co prowadzi do milionów impulsów na sekundę, więc powinno to być bardzo wykonalne.

Krok 1: Dowód zasady (nadajnik)

Całkiem możliwe jest zbudowanie całkiem przyzwoitego nadajnika za pomocą generatora trójkątnego lub piłokształtnego i porównanie jego wyjścia z sygnałem wejściowym ze wzmacniacza operacyjnego. Jednak dość trudno jest uzyskać dobrą liniowość, a liczba komponentów szybko rośnie, a użyteczny zakres dynamiki jest często ograniczony. Poza tym uznałem, że wolno mi być leniwym.

Trochę myślenia bocznego skierowało mnie na ultra tani wzmacniacz audio klasy D o nazwie PAM8403. Używałem go wcześniej jako prawdziwego wzmacniacza audio w projekcie pistoletu laserowego. Robi dokładnie to, czego chcemy, modulując szerokość impulsu wejścia audio. Małe płytki z wymaganymi komponentami zewnętrznymi można nabyć w serwisie eBay za mniej niż 1 euro.

Układ PAM8404 to stereofoniczny wzmacniacz z pełnym wyjściem mostka H, co oznacza, że może prowadzić oba przewody do głośnika do szyny Vcc (plus) lub do masy, skutecznie zwiększając czterokrotnie moc wyjściową w porównaniu do jednego przewodu. W tym projekcie możemy po prostu użyć jednego z dwóch przewodów wyjściowych tylko jednego kanału. W całkowitej ciszy wyjście zostanie ustawione na falę prostokątną około 230 kHz. Modulacja przez sygnał audio zmienia szerokość impulsu wyjścia.

Diody laserowe są niezwykle wrażliwe na przetężenie. Nawet 1-mikrosekundowy impuls może go całkowicie zniszczyć. Pokazany obwód dokładnie temu zapobiega. Będzie on napędzał laser prądem 30 miliamperów niezależnie od VCC. Jednak nawet przy najmniejszym rozłączeniu diod, normalnie obcinającym napięcie bazy tranzystora do 1,2 V, dioda laserowa ulega natychmiastowemu zniszczeniu. Wysadziłem dwa takie moduły laserowe. Zalecam nie budować sterownika lasera na płytce stykowej, ale przylutować go na małym kawałku PCB lub w kawałku rurki termokurczliwej z tyłu modułu laserowego.

Powrót do nadajnika. Podłącz wyjście PAM8403 do wejścia obwodu sterownika lasera i nadajnik jest gotowy! Po uruchomieniu laser jest wizualnie włączony i nie można wykryć optycznie modulacji. Ma to sens, ponieważ sygnał oscyluje wokół 50/50 procentowego stanu włączenia/wyłączenia na częstotliwości nośnej 230 kHz. Jakakolwiek widoczna modulacja nie byłaby głośnością sygnału, ale rzeczywistą wartością sygnału. Dopiero przy bardzo, bardzo niskich częstotliwościach modulacja będzie zauważalna.

Krok 2: Dowód zasady (odbiornik, wersja z ogniwami słonecznymi)

Zbadałem wiele zasad działania odbiornika, takich jak ujemnie spolaryzowane fotodiody PIN, wersje bez polaryzacji itp. Różne schematy miały różne zalety i wady, takie jak szybkość kontra czułość, ale przede wszystkim były złożone.

Teraz miałem w ogrodzie starą, zasilaną energią słoneczną lampę IKEA Solvinden, która została zniszczona przez wnikający deszcz, więc uratowałem dwa małe (4 x 5 cm) ogniwa słoneczne i spróbowałem, ile sygnału będzie można uzyskać, kierując po prostu modulowaną czerwoną diodę laserową na jednym z nich. Ten okazał się zaskakująco dobrym odbiornikiem. Umiarkowanie czuły i dobry zakres dynamiki, jak w przypadku, działa nawet przy dość jasnym oświetleniu z zabłąkanego światła słonecznego.

Oczywiście możesz wyszukać np. na eBayu takie małe ogniwa słoneczne. Powinny być sprzedawane za mniej niż 2 euro.

Podłączyłem do niego kolejną płytkę odbiorczą PAM8403 klasy D (która również pozbyła się składowej DC) i podłączyłem do niej prosty głośnik. Wynik był imponujący. Dźwięk był dość głośny i pozbawiony zniekształceń.

Wadą korzystania z ogniw słonecznych jest to, że są one niezwykle powolne. Nośna cyfrowa jest całkowicie wymazana i jako sygnał pojawia się rzeczywista zdemodulowana częstotliwość dźwięku. Zaletą jest to, że w ogóle nie jest potrzebny demodulator: po prostu podłącz wzmacniacz i głośnik i jesteś w biznesie. Minusem jest to, że ponieważ nie ma nośnika cyfrowego, a zatem nie można go przywrócić, działanie odbiornika jest całkowicie zależne od natężenia światła, a dźwięk będzie zniekształcony przez wszystkie rozproszone źródła światła modulowane w zakresie częstotliwości dźwięku, takie jak żarówki, telewizory i ekrany komputerowe.

Krok 3: Przetestuj

Wyjąłem nadajnik i odbiornik na noc, aby łatwo widzieć wiązkę i mieć maksymalną czułość ogniwa słonecznego i od razu odniosłem sukces. Sygnał był łatwo odbierany 200 metrów w dół, gdzie szerokość wiązki nie przekraczała 20 cm. Nieźle jak na 60-centowy moduł laserowy z nieprecyzyjną soczewką kolimatora, oczyszczonym ogniwem słonecznym i dwoma modułami wzmacniacza.

Drobne zastrzeżenie: nie zrobiłem tego zdjęcia, po prostu wziąłem je z dobrze znanej strony wyszukiwania. Ponieważ tej nocy w powietrzu było trochę wilgotno, wiązka rzeczywiście wyglądała tak, gdy patrzyła się z powrotem na laser. Bardzo fajnie, ale nie o to chodzi.

Krok 4: Po przemyśleniach: Budowanie cyfrowego odbiornika

Budowa odbiornika cyfrowego, wersja z diodą PIN

Jak powiedziano, bez regeneracji sygnału PMW o wysokiej częstotliwości, zabłąkane sygnały są bardzo słyszalne. Ponadto, bez sygnału PMW regenerowanego do stałej amplitudy, głośność, a tym samym stosunek sygnału do szumu odbiornika, są całkowicie zależne od ilości światła laserowego przechwyconego przez odbiornik. Jeśli sam sygnał PMW byłby wystarczająco dostępny na wyjściu czujnika światła, odfiltrowanie tych rozproszonych sygnałów świetlnych powinno być bardzo łatwe, ponieważ w zasadzie wszystko, co znajduje się pod częstotliwością modulacji, powinno być uważane za zabłąkane. Po tym, zwykłe wzmocnienie pozostałego sygnału powinno dać zregenerowany sygnał PWM o stałej amplitudzie.

Jeśli nie zbudowałeś jeszcze odbiornika cyfrowego, ale może to być bardzo wykonalne przy użyciu diody BWP34 PIN jako detektora. Trzeba by zdecydować się na system soczewek, aby zwiększyć obszar przechwytywania, ponieważ BWP34 ma bardzo mały otwór, około 4x4mm. Następnie zrób czuły detektor, dodaj filtr górnoprzepustowy, ustawiony na około 200 kHz. Po przefiltrowaniu sygnał powinien zostać wzmocniony, obcięty, aby jak najlepiej przywrócić pierwotny sygnał. Gdyby to wszystko zadziałało, zasadniczo przywróciliśmy sygnał tak, jak został wytworzony przez układ PAM i mógł być bezpośrednio doprowadzony do małego głośnika.

Może na późniejszą randkę!

Inne podejście, pro!

Są ludzie wykonujący transmisje światła na znacznie większe odległości (kilkadziesiąt kilometrów) niż tutaj zaprezentowane. Nie używają laserów, ponieważ światło monochromatyczne w rzeczywistości zanika szybciej na odległość w niepróżniowym niż światło multichromatyczne. Używają klastrów LED, ogromnych soczewek Fresnela i oczywiście pokonują duże odległości, aby znaleźć czyste powietrze i długie linie widzenia, czytaj: góry. A ich odbiorniki mają bardzo specjalną konstrukcję. Zabawne rzeczy, które można znaleźć w Internecie.