Jednoduchý a levný laserový digitální přenos zvuku: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Od té doby, co jsem vyrobil laserovou pistoli, jsem přemýšlel o modulaci laseru pro odesílání zvuku, buď pro zábavu (interkom pro děti), nebo možná pro přenos dat pro sofistikovanější laserovou pistoli, což umožňuje přijímači zjistit kterého zasáhl. V tomto pokynu se zaměřím na přenos zvuku.

Mnoho lidí vytvořilo analogové modulované přenosové systémy přidáním analogového zvukového signálu do napájecího zdroje laserové diody. To funguje, ale má to několik vážných nevýhod, většinou je to neschopnost zesílit signál na přijímacím konci, aniž by docházelo k velkému šumu. Také linearita je velmi špatná.

Chtěl jsem laser modulovat digitálně pomocí systému PWM (Pulse Width Modulation). Levné laserové diody používané v projektu laserové pistole mohou být modulovány dokonce rychleji než normální LED, až do milionů pulzů za sekundu, takže by to mělo být velmi proveditelné.

Krok 1: Důkaz principu (vysílač)

Je zcela možné postavit poněkud slušný vysílač pomocí trojúhelníkového nebo pilového generátoru a porovnat jeho výstup se vstupem signálu s operačním zesilovačem. Je však velmi obtížné dosáhnout dobré linearity a počet komponent roste rychle, a použitelný dynamický rozsah je často omezený. Kromě toho jsem se rozhodl, že je povoleno být líný.

Trochu laterálního uvažování mě upozornilo na ultra levný zesilovač zvuku třídy D s názvem PAM8403. Použil jsem to dříve jako skutečný zesilovač zvuku v projektu laserové zbraně. Dělá přesně to, co chceme, šířku pulzu modulující audio vstup. Malé desky s požadovanými externími komponenty lze zakoupit na eBay za méně než 1 euro.

Čip PAM8404 je stereofonní zesilovač s plným výstupem H-můstku, což znamená, že může vést oba vodiče k reproduktoru na Vcc (plus) lištu nebo na zem, čímž se efektivně čtyřnásobí výstupní výkon ve srovnání s pouhým napájením jednoho vodiče. Pro tento projekt můžeme jednoduše použít jeden ze dvou výstupních vodičů, pouze jednoho kanálu. Když je v úplném tichu, výstup bude veden na čtvercovou vlnu přibližně 230 kHz. Modulace zvukovým signálem mění šířku impulsu výstupu.

Laserové diody jsou extrémně citlivé na nadproud. I 1 mikrosekundový puls jej může zcela zničit. Zobrazený obvod přesně tomu brání. Bude pohánět laser s 30 miliampéry nezávisle na VCC. Existuje však i sebemenší odpojení diod, při normálním přerušení základního napětí tranzistoru na 1,2 voltu je laserová dioda okamžitě zničena. Takto jsem odpálil dva laserové moduly. Doporučuji nestavět laserový ovladač na prkénko, ale pájet jej na malý kousek PCB nebo volně tvarovaný v kousku smršťovací trubice na zadní straně laserového modulu.

Zpět k vysílači. Připojte výstup PAM8403 ke vstupu obvodu ovladače laseru a vysílač je hotov! Při spuštění je laser vizuálně zapnutý a nelze modulovat opticky žádnou modulaci. To ve skutečnosti dává smysl, protože signál se pohybuje kolem 50/50 procent stavu zapnutí/vypnutí na nosné frekvenci 230 kHz. Jakákoli viditelná modulace by nebyla objemem signálu, ale skutečnou hodnotou signálu. Modulace bude patrná pouze při velmi, velmi nízkých frekvencích.

Krok 2: Důkaz principu (přijímač, verze solárního článku)

Prozkoumal jsem mnoho principů pro přijímač, například negativně zkreslené PIN fotodiody, nezaujaté verze, etcetra. Různá schémata měla různé výhody a nevýhody, jako je rychlost versus citlivost, ale většina věcí byla složitá.

Nyní jsem měl v zahradě staré světlo solární energie IKEA Solvinden, které bylo zničeno vniknutím deště, a tak jsem zachránil dva malé (4 x 5 cm) solární články a vyzkoušel, kolik signálu bude produkováno jednoduchým zaměřením modulované červené laserové diody na jednom z nich. Ukázalo se, že to byl překvapivě dobrý přijímač. Skromně citlivý a dobrý dynamický rozsah, jako by fungoval, dokonce s docela jasným osvětlením od rozptýleného slunečního světla.

Samozřejmě můžete na eBay hledat malé solární články, jako je tento. Měly by se prodávat za méně než 2 eura.

Připojil jsem k němu další desku přijímače PAM8403 třídy D (která se také zbavila stejnosměrné složky) a připojil k ní připojený jednoduchý reproduktor. Výsledek byl působivý. Zvuk byl přiměřeně hlasitý a bez zkreslení.

Nevýhodou používání solárního článku je, že jsou extrémně pomalé. Digitální nosič je zcela vymazán a jako signál prochází skutečná demodulovaná zvuková frekvence. Výhodou je, že není potřeba žádný demodulátor: stačí připojit zesilovač a reproduktor a jste v podnikání. Temnější stránkou je, že protože digitální nosič není přítomen, a proto jej nelze obnovit, výkon přijímače je zcela závislý na intenzitě světla a zvuk bude zkreslen všemi rušivými světelnými zdroji modulovanými v audio frekvenčním rozsahu, jako jsou žárovky, televizory a obrazovky počítačů.

Krok 3: Testujte

V noci jsem vytáhl vysílač a přijímač, abych snadno viděl paprsek a měl maximální citlivost solárního článku, a tam byl okamžitý úspěch. Signál byl snadno zachycen 200 metrů v dosahu, kde šířka paprsku nebyla větší než 20 cm. Není to špatné pro laserový modul 60 centů s nepřesnou kolimátorovou čočkou, zachyceným solárním článkem a dvěma moduly zesilovače.

Menší zřeknutí se odpovědnosti: Tento obrázek jsem nevytvořil, pouze jsem jej převzal ze známého vyhledávacího webu. Protože té noci bylo ve vzduchu trochu vlhka, paprsek při pohledu zpět k laseru skutečně vypadal takto. Velmi cool, ale to je zbytečné.

Krok 4: Po myšlenkách: Sestavení digitálního přijímače

Budování digitálního přijímače, verze s diodou PIN

Jak bylo řečeno, bez regenerace vysokofrekvenčního signálu PMW jsou rozptýlené signály velmi dobře slyšitelné. Také bez signálu PMW regenerovaného na pevnou amplitudu je hlasitost a tudíž i poměr signálu k šumu přijímače zcela závislý na tom, kolik laserového světla přijímač zachytí. Pokud by samotný signál PMW byl dostatečně dostupný na výstupu světelného senzoru, mělo by být velmi snadné tyto rozptýlené světelné signály odfiltrovat, protože v podstatě vše pod modulační frekvencí by mělo být považováno za zbloudilé. Poté by jednoduše zesílení zbývajícího signálu mělo produkovat regenerovaný signál PWM s pevnou amplitudou.

Pokud jste ještě nevybudovali digitální přijímač, ale mohlo by to být velmi proveditelné pomocí BWP34 PIN diody jako detektoru. Člověk by se musel rozhodnout pro systém čoček pro zvětšení oblasti snímání, protože BWP34 má velmi malý otvor, asi 4x4 mm. Poté vyrobte citlivý detektor, přidejte horní propust, nastavenou zhruba na 200 kHz. Po filtrování by měl být signál zesílen, oříznut, aby byl původní signál obnoven co nejlépe. Pokud by to všechno fungovalo, v podstatě jsme obnovili signál tak, jak byl produkován čipem PAM, a mohl by být přímo napájen do malého reproduktoru.

Možná na později!

Jiný přístup, profíci!

Existují lidé, kteří provádějí světelné přenosy na mnohem větší vzdálenosti (několik desítek kilometrů), než je zde uvedeno. Nepoužívají lasery, protože monochromatické světlo ve vzdálenosti ve vakuu ve skutečnosti mizí rychleji než multichromatické světlo. Používají klastry LED, obrovské fresnelovy čočky a samozřejmě cestují na velké vzdálenosti, aby našli čistý vzduch a dlouhé zorné pole, čtěte: hory. A jejich přijímače mají velmi speciální design. Zábavné věci, které lze najít na internetu.