Jednoduchý a lacný laserový digitálny prenos zvuku: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Odkedy som vyrobil laserovú pištoľ, premýšľal som o modulácii lasera na odosielanie zvuku, či už pre zábavu (detský interkom), alebo možno na prenos údajov pre sofistikovanejšiu laserovú pištoľ, ktorá umožní prijímaču zistiť, koho zasiahli. V tomto návode sa zameriam na prenos zvuku.

Mnoho ľudí vytvorilo analógovo modulované prenosové systémy pridaním analógového zvukového signálu k napájaniu laserovej diódy. Funguje to, ale má niekoľko vážnych nevýhod, väčšinou je to neschopnosť zosilniť signál na prijímacom konci bez vytvárania veľkého hluku. Linearita je tiež veľmi slabá.

Chcel som laser laserovo digitalizovať pomocou systému PWM (Pulse Width Modulation). Lacné laserové diódy použité v projekte laserovej pištole je možné modulovať ešte rýchlejšie ako normálna LED dióda, až do miliónov impulzov za sekundu, takže by to malo byť veľmi uskutočniteľné.

Krok 1: Dôkaz o princípe (vysielač)

Je celkom možné postaviť celkom slušný vysielač pomocou trojuholníkového alebo pílového generátora a porovnať jeho výstup so vstupným signálom pomocou operačného zosilňovača. Je však dosť ťažké dosiahnuť dobrú lineárnosť a počet komponentov rýchlo rastie a použiteľný dynamický rozsah je často obmedzený. Okrem toho som sa rozhodol, že je dovolené byť lenivý.

Trochu laterálneho uvažovania ma upozornilo na ultra lacný zvukový zosilňovač triedy D s názvom PAM8403. Predtým som ho používal ako skutočný zvukový zosilňovač v projekte laserovej pištole. Robí presne to, čo chceme, šírka impulzu moduluje zvukový vstup. Malé dosky s požadovanými externými komponentmi je možné zaobstarať z eBay do 1 eura.

Čip PAM8404 je stereofónny zosilňovač s plným výstupom H-mostíka, čo znamená, že môže napájať oba vodiče k reproduktoru na lištu Vcc (plus) alebo na zem, čím sa v porovnaní so samotným riadením jedného vodiča efektívne zvýši štvornásobok výstupného výkonu. Pre tento projekt môžeme jednoducho použiť jeden z dvoch výstupných vodičov, iba jedného kanála. Keď je v úplnom tichu, výstup bude vedený na štvorcovú vlnu približne 230 kHz. Modulovanie zvukovým signálom mení šírku impulzu výstupu.

Laserové diódy sú extrémne citlivé na nadprúd. Dokonca aj 1 mikrosekundový impulz ho môže úplne zničiť. Zobrazený obvod tomu presne zabraňuje. Bude poháňať laser s 30 miliampérmi nezávisle od VCC. Existuje však aj najmenšie odpojenie diód, pri normálnom prerušení základného napätia tranzistora na 1,2 voltu sa laserová dióda okamžite zničí. Takto som odpálil dva laserové moduly. Odporúčam, aby ste laserový ovládač nestavali na nepájivú dosku, ale spájkovali ho na malý kúsok DPS alebo voľne tvarovaný kus zmršťovacej trubice na zadnej strane laserového modulu.

Späť k vysielaču. Pripojte výstup PAM8403 k vstupu obvodu laserového ovládača a vysielač je hotový! Pri spustení je laser vizuálne zapnutý a nie je možné opticky zistiť žiadnu moduláciu. To skutočne dáva zmysel, pretože signál sa pohybuje okolo 50/50 percent stavu zapnutia/vypnutia na nosnej frekvencii 230 kHz. Akákoľvek viditeľná modulácia by nebola objemom signálu, ale skutočnou hodnotou signálu. Modulácia bude viditeľná iba pri veľmi, veľmi nízkych frekvenciách.

Krok 2: Dôkaz o princípe (prijímač, verzia solárneho článku)

Skúmal som veľa princípov pre prijímač, ako napríklad negatívne predpäté PIN fotodiódy, nezaujaté verzie, etcetra. Rôzne schémy mali rôzne výhody a nevýhody, napríklad rýchlosť verzus citlivosť, ale predovšetkým boli veci komplexné.

Teraz som mal v záhrade staré svetlo poháňané slnečnou energiou IKEA Solvinden, ktoré bolo zničené vnikaním dažďa, a tak som zachránil dva malé (4 x 5 cm) solárne články a vyskúšal som, koľko signálu by sa vyrobilo jednoduchým nasmerovaním modulovanej červenej laserovej diódy na jednom z nich. Ukázalo sa, že je to prekvapivo dobrý prijímač. Skromne citlivý a dobrý dynamický rozsah, ako keby fungoval, dokonca aj s celkom jasným osvetlením z rozptýleného slnečného svetla.

Samozrejme môžete na eBay hľadať malé solárne články, ako je tento. Malo by sa predávať za menej ako 2 eurá.

Pripojil som k nej ďalšiu dosku prijímača PAM8403 D triedy (ktorá sa zbavila aj komponentu DC) a pripojil k nej pripevnený jednoduchý reproduktor. Výsledok bol pôsobivý. Zvuk bol primerane hlasný a bez skreslenia.

Temnejšou stránkou použitia solárneho článku je, že sú extrémne pomalé. Digitálny nosič je úplne vymazaný a ako signál prechádza skutočná demodulovaná zvuková frekvencia. Výhodou je, že nie je potrebný žiadny demodulátor: stačí zapojiť zosilňovač a reproduktor a môžete začať pracovať. Temnejšou stránkou veci je, že pretože digitálny nosič nie je k dispozícii, a preto ho nemožno obnoviť, výkonnosť prijímača je úplne závislá od intenzity svetla a zvuk bude skreslený všetkými zdrojmi rozptýleného svetla modulovanými v rozsahu frekvencie zvuku, ako sú žiarovky., televízory a obrazovky počítačov.

Krok 3: Testujte

V noci som vytiahol vysielač a prijímač, aby som ľahko videl lúč a mal maximálnu citlivosť solárneho článku, a tam bol okamžitý úspech. Signál bol ľahko zachytený 200 metrov v dosahu, kde šírka lúča nebola väčšia ako 20 cm. Nie je to zlé pre 60 centový laserový modul s nepresným kolimátorovým objektívom, zachyteným solárnym článkom a dvoma modulmi zosilňovača.

Menšie odmietnutie zodpovednosti: Tento obrázok som nevytvoril, iba som ho prevzal zo známeho vyhľadávacieho webu. Keďže tej noci bolo vo vzduchu trochu vlhkosti, lúč pri pohľade späť k laseru skutočne vyzeral takto. Veľmi cool, ale to je zbytočné.

Krok 4: Po myšlienkach: Zostavenie digitálneho prijímača

Vybudovanie digitálneho prijímača, verzia s diódou PIN

Ako bolo povedané, bez regenerácie vysokofrekvenčného signálu PMW sú rozptýlené signály veľmi dobre počuteľné. Tiež bez toho, aby sa signál PMW regeneroval na pevnú amplitúdu, je hlasitosť a tým aj pomer signálu k šumu prijímača úplne závislý od toho, koľko laserového svetla zachytí prijímač. Ak by bol samotný signál PMW dostatočne dostupný na výstupe svetelného senzora, malo by byť veľmi jednoduché tieto rozptýlené svetelné signály odfiltrovať, pretože v zásade by sa malo považovať za rozptýlené všetko pod modulačnou frekvenciou. Potom by jednoduché zosilnenie zostávajúceho signálu malo vytvoriť regenerovaný signál PWM s pevnou amplitúdou.

Ak ste ešte nevybudovali digitálny prijímač, môže to byť veľmi uskutočniteľné pomocou diódy PIN BWP34 PIN ako detektora. Človek by sa musel rozhodnúť pre systém šošoviek na zväčšenie oblasti snímania, pretože BWP34 má veľmi malý otvor, asi 4x4 mm. Potom vytvorte citlivý detektor, pridajte hornopriepustný filter nastavený na zhruba 200 kHz. Po filtrácii by mal byť signál zosilnený, orezaný, aby bol pôvodný signál obnovený čo najlepšie. Ak by to všetko fungovalo, v zásade sme obnovili signál tak, ako bol produkovaný čipom PAM, a mohol by byť priamo napájaný do malého reproduktora.

Možno na neskôr!

Iný prístup, profíci!

Existujú ľudia, ktorí robia svetelné prenosy na oveľa väčšie vzdialenosti (niekoľko desiatok kilometrov), ako sa tu uvádza. Nepoužívajú lasery, pretože monochromatické svetlo v skutočnosti vo vákuu rýchlejšie mizne rýchlejšie ako multichromatické svetlo. Používajú klastre LED, obrovské fresnelove šošovky a samozrejme cestujú na veľké vzdialenosti, aby našli čistý vzduch a dlhé zorné pole, čítaj: hory. A ich prijímače sú veľmi špeciálneho dizajnu. Zábavné veci, ktoré sa dajú nájsť na internete.