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1、沈阳理工大学毕业论文论文题目：基于激光的声音采集系统研制指导老师：论文作者： 论文时间：从2011年12月至2012年6月沈阳理工大学自动化系二0一二年六月IV沈阳理工大学学士学位论文摘 要激光技术是六十年代初发展起来的，以原子理论，量子理论，光学技术和电子技术为基础的一门高新技术。目前激光技术已经被推广应用于农业、工业、医疗、科学研究、军用武器及航天技术等多个领域,带来了巨大的效益。本设计利用激光照射在目标周围容易受声压作用产生振动的物体上，然后在其光束反射的方向上接受振动信号，并对信号进行解调放大达到声音的还原。设计出功率放大和带通滤波相结合的电路，用此电路接受光电传感器所采集的激光检测声
2、波振动的信号，经放大滤波后进而实现远程声音采集。再完成激光远程声音采集系统与目标之间距离的拉开与调试。最后对此激光远程声音采集系统的应用进行分析和展望。关键词：激光；光电传感器；声音采集AbstractThe laser technology developed in the early sixties, atomic theory, quantum theory, optics and electronics technology based on a high-tech.The laser technology has been applied to multiple areas of a
3、griculture, industry, health care, scientific research, military weapons and space technology, has brought huge benefits.This design uses laser susceptible to the role of sound pressure vibration of objects around the target, and then accept the vibration signal on the direction of the beam reflecti
4、on and signal demodulation zoom to achieve sound reduction. Design a power amplifier and band-pass filter circuit, this circuit to accept the laser detection of acoustic vibration signal collected by the photoelectric sensor and remote audio capture, and then after amplifying and filtering. Laser re
5、mote sound acquisition system and opened and debugging of the target distance. Finally the application of laser remote voice acquisition system for analysis and outlook.Keywords: laser;photoelectric sensors;sound collection目 录1 引言12 系统定义32.1 必要性分析32.2 可行性分析32.3 研制计划43 设计原理63.1 声音信号转换成光信号83.1.1 声音83.
6、1.2 激光83.2 光信号转换成电信号103.2.1 光电效应103.2.2 光敏电阻113.2.3 光敏晶体管123.3 电信号还原成声音信号143.3.1 放大电路143.3.2 LM386音频功率放大器164 装置设计184.1 装置设计184.1.1 远程激光声音采集系统初步设计184.1.2 远程激光声音采集系统的接收器设计194.1.3 激光发射器与模拟声源的设计214.2 元器件选型设计245 组装调试265.1 焊接265.2 调试265.2.1 初步设计的调试265.2.2 远程激光声音采集系统的调试275.2.3 测量数据与分析285.2.4 声音采集后期电脑处理285.
7、3 装置展示296 结论316.1 总结316.2 未来与展望31致 谢33参考文献34附录A 英文原文35附录B 汉语翻译37沈阳理工大学学士学位论文1 引言自诞生之初至今，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术，他必将
8、成为21世纪的支柱产业。而在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。科学界预测，到2010年，以光电信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模，到2010年至2015年，光电产业可能会取代传统电子产业。光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信，并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导市场，此外将推出品种繁多的光电子消费类产品 (如VCD、D VD、数码相机、新型彩电、掌上电脑电子产品、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备如激光打印、传真和复
9、印等)以及新型的信息显示技术产品(如CRT、LCD及PDP、 FED、OEL平板显示器等 )并进入人们的日常生活中。激光产品已成为现代武器的眼睛和神经，光电子军事装备将改变21世纪战争的格局。本毕业论文，设计研制出了一种利用激光进行音频传输的系统，简称远程激光声音采集系统，经过调试运行，实现了用激光远程检测声音的目的。本论文共分以下几个部分。第二章系统定义，介绍了论文研制项目的必要性和可行性，并制定了研制计划。第三章设计原理，讲解了本设计涉及到的声光电等原理。第四章装置设计，从原理入手，再对远程激光声音采集系统的初步设计，然后对初步设计进行改进，进而完成系统的设计，直到元器件选购，对这些进行了
10、介绍。第五章组装调试，介绍了本设计的硬件的焊接和调试，和进行试验的过程，并完成距离的拉开与不同角度的测试。第六章结论，对毕业设计进行总结，并对本设计未来的完善和发展进行展望。论文最后是致谢、参考文献、和附录。致谢中对帮助我完成本设计的老师和同学们表示感谢；参考文献是本设计所参考的一些资料；附录中介绍中国激光技术发展回顾与展望。2 系统定义2.1 必要性分析声音，特别是人类交流的语音，是最普遍的信息。人与人近距离交流，通过空气载体，彼此耳朵直接接听，无须额外工具；但在隐私、保密、间谍、救灾、危险等特殊情况下，语音的常规获取或采集，显得十分困难，就必须借助辅助工具。因此，人们纷纷研制各种声音装置或
11、系统，特别是在间谍监听领域。远程声音采集的形式多种多样，从最初的把线圈接在某通讯线路上进行监听，直到现在全球的无线手机监听系统，经历了漫长的阶段，现在声音采集技术的使用已经相当普遍了。例如在战争中，为了得知敌方相互之间联络内容，把电线接在敌人通话线路上进行声音采集，以掌握主动权。在破案过程中，公安人员为了掌握破案线索，把微型无线话筒放在犯罪嫌疑人经常出没的地方，监听他们谈话内容，掌握确凿的证据。监听要求相当隐蔽，不易被发现，所以需要有各种巧妙的方法与技术。常见的信号传输方式有有线传输和无线传输两种：有线传输主要依赖电话线、电缆或光缆，采用有线传输方式不可避免地有布线施工，耗资大、时间长等多方面
12、的困扰；无线传输方式由于不需要实体通信线路的铺设，而能节省大量的成本。现有的无线通信系统通常都是利用高频率的电磁波信号作为载体进行信号传输的，其频率资源有限，传输速度和传输距离都要受到无线电管委员会的严格控制，而微波传输系统不仅在使用时需要进行频繁的频率协调的步骤，而且接收端的鉴频器必须有足够的信噪比才能检出有用的信号。当在电磁辐射严重的工业场合使用无线音频传输系统时，一旦干扰源的发送频率接近电磁波频率，就会对设备和信号产生严重的干扰，当有用的信号淹没在环境噪音中后就无法实现无线音频传输了，而无线电、微波通信的干扰能力差、保密性不强，容易被干扰和监听。故现在要解决的技术问题是提供一种抗干扰能力
13、强、信噪比高传输效果理想的一种无线激光音频传输系统。2.2 可行性分析远程激光声音采集系统被许多人认为是高科技间谍装置的圣杯，因为它可以监听到发生在遥远建筑中的谈话，而不用在建筑物内放置一个窃听器或是发射机。远程激光声音采集系统据说是由前苏联的莱昂特雷门在20世纪40年代发明的。通过使用一个红外光源检测玻璃表面的微弱震动来实现窃听手段。克格勃后来使用这种设备来监听莫斯科的英国、法国和美国大使馆。激光声音采集技术是随着激光技术的发展和逐步成熟而得到研制和开发的，并在近几年开始走向应用。远程激光声音采集系统在理想情况下可以工作的很好，但它也有许多优点和不足，下面这个设计中将讨论到这一点。到目前为止
14、，制作属于自己的远程激光声音采集系统最好的方法是用以下这个技术来做实验，以使我可以调整我的设计来适应我的需要，而不是不情愿的付出几百上千元来买一套组装器件，那样将会远劣于自己做的。我从网上看到的出售的组装套件，不仅使用的是过时的技术，并且他们错误的表述为，该系统使用了调制激光束来将窗口震动转换为声音，这完全不是这么回事。我把这个奥秘一劳永逸，脚踏实地地制作一个工作的远程激光声音采集系统，并探讨这些组成一个完整的工作单元的子系统的功能。尽管在通信科技高速发展的今天，这种声音采集器不再做为一种先进的装置，但我们通过对该装置的模仿式的制作，可以更深刻的理解激光可作信息的载体这一功能。2.3 研制计划
15、本设计利用光电效应原理对激光的远程声音采集技术进行研究，首先对激光远程声音采集系统进行初步设计，然后进行放大电路的设计，并完成激光远程声音采集系统的滤波和激光的声音调制分析，对激光远程声音采集系统的检测距离进行调整和试验，最后制作出完整的激光远程声音采集系统。日程安排1、收集和研读文献资料，2011年1月2012年6月2、开题报告，2012年4月3、查阅书籍，搞懂与本课题相关的原理，如激光原理、声音原理等，2012年5月4、设计，原理框图，元器件构成，2012年5月5、元器件采购，价格，性能调查，2012年5月6、组装调试，焊接、调试，2012年5月7、装置、运行效果，2012年5月2012年
16、6月8、撰写论文， 2012年2月2012年6月。9、答辩，2012年6月。383 设计原理本设计采用激光技术进行声音采集。声源播音时，反射镜片振动，使激光反射光的光斑发生振动，照射在光电传感器上的位置发生变化。由于反射物的振动，使反射光带有了声源中声波的信息，然后用光电传感器接收反射的激光信号并转换成电信号，再经过放大器放大并去除噪声，通过扬声器还原成声音。整个过程可简单地看成：声音信号光信号微弱的电信号放大还原成声音。图3.1 激光声音采集系统模型图玻璃受空气压力F(t) 玻璃面振动Z(t)光斑振动X(t) Z(t) = k F(t) X(t) = 2 Z(t) sin (3.1)图3.2
17、 声音信号转换光信号示意图光斑振动电流振动用扬声器还原成声音图3.3 光电传感器接收部分示意图如果声音信号由很多不同频率波的合成,那么玻璃的总运动,将是每一波分别产生的运动的合成(即玻璃的振动满足线性叠加性),因此,不妨设声音信号为单一频率的时间函数s(t)=Acos(t+) (3.2)在激光入射点处玻璃表面产生声压为p(x,y,t)=ks(t) (3.3) 式中k为与传输距离、空气环境等相关的常数.玻璃表面的反应只和直接作用在上面的局部声压成正比,因此玻璃会产生变形。不同频率不同强度的声音引起的振动程度不同:x(t)=k2p(x,y,t) (3.4)式中k2为与玻璃材料、玻璃固定程度等有关的
18、常数.玻璃的垂直振动使得在入射角不变的情况下反射光发生偏移,偏移量为w(t)=2x(t)sini. (3.5)接收端示意图如图3所示,进入光电接收器的光斑面积的瞬时变化量:R=hw(t) (3.6)则光电接收器的输出电流的交流部分为I=k3R (3.7)综上所述:I=2kk2k3hs(t)sini (3.8)式中k,k2,k3,h,i,都是由环境、玻璃、测量距离、入射角、光电检测器等决定的常数或者参数。说明光电检测器输出的电流在去掉直流成份后,交流部分与声音信号成线性关系。这样就实现了从声音信号到光信号,再到电信号的转换.13.1 声音信号转换成光信号声音振动光的检测通信，指人与人或人与自然之
19、间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，广义上指需要信息的双方或多方采用各种方法，使用各种载体，将信息从某一方准确安全地传送到另一方。3.1.1 声音最普遍的通信方式就是通过语言交流。这种通信方式通过人的声带振动，以空气为媒介，以声波的方式传送信息。人在说话的时候，将所需传递的信息通过控制声带的长短、松紧以及声带振动的快慢、强弱等方式加载在向外传输的声波信号上。物理学中，一般把将传递的信息加载在某种物理载体上的过程称为信号的调制。可见，经过调制的机械波声波包含了丰富的信息内容。当外界声波传到人的鼓膜时，引起鼓膜振动，刺激神经，并最终传达到大脑的听觉中枢，形成听觉，实现了物理信号向神经生物电信
20、号的转换。这一过程又称之为信号的解调。而声音源于振动。振动使得周围的空气粒子受到扰动，这个扰动又引邻近空气的振动。声音是一种纵波，是通过介质来传播的扰动。当这种扰动通过空气粒子的振动到达你耳朵时，你就听到了声音。而这个设计就是利用声音的振动，将激光作为载体，进行激光传声。3.1.2 激光激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按
21、照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。图3.4 镭捷激光灯管激光的原理早在1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展
22、，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。本系统主要应用了激光的方向好及亮度高的特性。激光束方向性好，发散角很小，几乎是一束平行的光线。由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，从而能使大部分的反射信号被接收。 另外，激光的亮度高，其亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源。由于通
23、常需要在较远距离进行声音采集，而光进行反射及远距离的传播会损失部分能量，因此光束的能量也是激光传声成功与否的关键因素。很明显，远程激光声音采集系统的首要元器件是激光，它将把远处的带反射性的物体作为目标，并把光束反射回接收器。在深入研究这个项目之前，让我们解释一下这个系统是如何工作的，并消除一些互联网上流传关于该设备操作的误解。首先，这个激光声音采集系统和一些激光通讯设备一样，不是用激光来调制。激光调制是不可能的，因为它将要用几种电路来安装在激光驱动中来调制激光的强度，并且这个激光将要安装在你的位置，而不是目标位置。这里主要工作的不是调制，而是偏置。当激光从目标声源反射时，来自谈话或是噪声的振动
24、源使反射物震动并在反射回的激光束上引起一个非常轻微的在位置上的改变。随着接收器上的传感器接收到返回的激光，这个微小的位置上的改变被转换成电压。这就是为什么就受气的最佳操作需要激光束来显示来自光电管的偏置。所以主要是偏置，而不是调制是这个系统工作。3.2 光信号转换成电信号光电传感器是依光电效应原理制作而成的，所谓光电效应是指物质（主要是金属）在光的照射下释放电子的现象。这是1887年赫兹首先发现的，1905年爱因斯坦引入光子概念后才得到圆满的说明。以后人们又发现固体材料内的载流子在光线的照射下会产生电导率的变化（光电导）或产生电动势（光致电压），这些由光产生的电效应一般统称为光电效应。本设计的
25、光敏电阻和光敏晶体管即是利用了光电效应的原理。3.2.1 光电效应光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。 光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表
26、面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不
27、超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。3.2.2 光敏电阻光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，
28、都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。图3.5 光敏电阻实物图光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃
29、迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。3.2.3 光敏晶体管光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线
30、照射在半导体PN结上，PN结参加了光电转换过程。图3.6 光敏晶体管实物图我们知道，PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。但是当光照PN结时，只要光子能量h大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加，它们在外加反向电压和PN结内电场作用下定向运动，分别在两个方向上渡越PN结，使反向电流明显增大。如果入射光的照度变化，光生电子空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。图3
31、.7 光电二极管工作原理光电二极管可以等效为一个普通二极管和一个恒流源的并联(入射光强恒定时光电流也恒定可以看作恒流源）其伏安特性如图2-6所示，PN结正偏情况不作讨论，因为正偏时正向电流很大，光电流几乎不起作用。图3.8 光电二极管伏安特性图3.9 光电二极管的结构与等效电路光电二极管的光谱特性图3.10 光电二极管的光谱特性1、光敏二管在较小负载电阻下，光电流与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二极管结电容很小，频率响应高，带宽可达100kHz。3.3 电信号还原成声音信号将电信号再还原到声音信号，则是
32、利用放大电路使微弱的电信号放大转换成声音。本设计应用光敏晶体管和音频功率放大器来实现电信号还原成声音信号。光敏晶体管，在有光照射时，能输出放大的电信号，当无光照射时便处于截止状态的三极管。该种管子的最大特点是它不但有光电转换作用，而且还能对光信号进行放大。3.3.1 放大电路“放大”的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。放大电路是增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能
33、量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。放大电路的基本形式有3种：共发射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。本设计主要用到
34、反相比例电路中的电压并联负反馈来实现放大输入端虚短、虚断所以，图3.11 电压并联负反馈特点：1、反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低2、输出电阻小，带负载能力强3、要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，稳定性差。如果要求放大倍数100，R1=100K，Rf=10M 2现代使用最广的是以晶体管（双极型晶体管或场效应晶体管）放大电路为基础的集成放大器。大功率放大以及高频、微波的低噪声放大，常用分立晶体管放大器。高频和微波的大功率放大主要靠特殊类型的真空管，如功率三极管或四极管、磁控管、速调管、行波管以及正交场放大管等。放大电路的前置部分或集成电路元件变质引起高频振荡产生咝咝声
35、，检查各部分元件，若元件无损坏，再在磁头信号线与地间并接一个1000PF0.047伏的电容，咝咝声若不消失，则需要更换集成块。3.3.2 LM386音频功率放大器而LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。图3.12 LM386实物图LM386内部电路原理图如图所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。图3.13 LM386内部电路原理图一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T
36、3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，
37、使整个电路具有稳定的电压增益。LM386的外形和引脚的排列如图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。图3.14 LM386外形和引脚图查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。3应用放大电路将微弱的电信号放大并输入LM386，最终通过耳机输出经还原的声音，完成电到声的转换。4 装置设计4.1 装置设计4.1.1
38、远程激光声音采集系统初步设计本设计的初步目的是核实你确实可以听到在反射面附近振动的声音。在我们的设计中,反射物是小镜子,粘在扬声器中间将振动无论是来自收音机或是讲话直接给扬声器，而你从接收器中收听他们的声音。这个测试接收机将最基本的系统, 包括可能只有一个CDS细胞“硫化镉光电池”驱动一个简单的晶体管放大器，那将把激光位置的微小变化转化为电压的改变，这将作为音频信号发送到你的耳机上。把激光看作是播放器上的唱针，而把振动窗口看作是唱片上的凸起。一个CDS电池基本上是一个会依据照射到表面的光强度来改变阻值的电阻。通过输入串联连接的电池，然后输入一个音频放大器，其结果是光敏感音响系统将使你“听”到光
39、。因为本系统具有很小的增益且没有滤波，这将是一个最小的系统,但肯定会让你听到这个被你的测试激光传送的秘密音频信号。这个基本系统甚至可以从几百英尺外工作，如果你把激光正确对齐，这是使用这个激光声音采集系统中最困难的部分。图4.1 激光接收器初步设计图4.2 在面包板上的实际接线最初的用光敏电阻做的实验将只需要使用一个NPN晶体管、电阻和电池,以证明该激光绝对能够检测微弱振动并转换成音频。任何通用的NPN晶体管如2N3904或2N2222都可以在这个电路中工作。电池电压可以是3V到9V中的任一值。如果真的想要很基础，那就只需直接给光敏电阻运行9V电并把输出给耳机，由于没有晶体管放大信号，音频将是非
40、常微弱的。这个基本的光转换器能工作，是因为晶体管的任何改变都会扩大到耳机。由于返回的激光束因扬声器的振动而弹跳，就会引起耳机回应激光一个音频信号。尽管光束是在偏置，而不是调制，在这个调制中，光束在光敏电阻的中心由于震动而引起的一些轻微的位移,光束在光敏电阻表面波动时,激光接收器中都有一个相应的电压的变化。如果这里的作用主要是调制，那么使光直接照射在光敏电阻的中心将是最佳的。4.1.2 远程激光声音采集系统的接收器设计光敏电阻是能够将波动的激光转化为电压的变化，但实际上由于它反映缓慢并且有个非常大的接收面，所以它并不是最好的激光接收器件。光敏晶体管是一个更好的光接收器，因为它像一个放大器，有更快
41、的响应时间和一个较小的接收区域来捕获更加轻微的反射激光的波动。图4.3远程声音采集系统激光接收器图4.4 在面包板上实际接线并进行试验虽然最后的光声电路设计比之前的设计改进了不少，但仍然是最基本的原理图。光敏晶体管是作为一个放大器，其输出直接输入LM 386音频放大器集成电路来驱动耳机的音量。该音频放大器LM 386是一种非常常见的音频放大器电路，只需要很少的外部元件。它有足够的动力输出，达到驱动一套耳机的水平，因此，当音量很低的时候用可变电阻来控制音量就可以了。它利用三极管的电流控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极
42、电流永远是基极电流的倍，是三极管的交流放大倍数，应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流是原先的倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。从所谓的“间谍”商店买来的激光通信系统通常会包括某种形式的滤波器或降噪电路接收器，但在现实中，这些都是毫无意义的，将输出连接到电脑的声卡，利用处理音频的软件，将加倍有效地比任何过滤硬件都实用。许多音频编辑程序，支持实时滤波器和音频处理，所以很少的钱，就可以创建一个实时音频处理系统。有音频处理程序可以使接收器过滤掉不需要采集的声音，甚至恢复在嘈杂的环
43、境下的模糊的谈话。4.1.3 激光发射器与模拟声源的设计本设计可以应用任何激光来完成这个项目，并且一个国家最先进的实验室激光与一个五块钱的激光在质量上没有什么差别。使用便宜激光的唯一缺点就是，如果计划在一次使用中使用的时间长一点的话，就不得不多加一个外接电池组，但这是一个简单的任务。本设计采用的的是5mW 650nm的半导体激光模块。半导体激光器模块的核心部件为半导体激光管，即LD（Laser Diode），绝大多数半导体激光器模块生产厂家均是购买来LD然后进行装配的。图4.5 半导体激光管半导体激光管（LD）的激光输出功率会随其壳体的温度变化而有较大变化。下图为一个典型的半导体激光管的功率电
44、流曲线，从图中可以看到对于同一电流输入的情况，不同的壳体温度会导致激光管输出的功率产生变化。图4.6 激光输出功率与温度变化对于指示或对准等应用，即对激光功率稳定性及激光噪声要求不高的应用，不带温控的半导体激光器模块因其低廉的价格而被大量使用。而对于需要较高激光功率，或对激光功率稳定性及激光噪声要求较高的应用，一般均采用带温控的半导体激光器。另外，温控对于延长半导体激光器的寿命有很大的帮助。5mW功率用于激光传声是足够的，工作范围可以达到较远的距离。在实际操作过程中，一定要注意不要让激光直射到眼睛，5mW的红外光的危险等级是classa 。这种等级的激光一旦直射入眼睛，就会对眼睛造成伤害。光束
45、扩展器不是必需的，只是在远距离传声中才需要使用。一般情况下，瞄准仪是不需要的。总之，发射系统最主要的任务就是将入射光线打到玻璃的中央，同时要确保反射光线可以被接收。图4.7 激光模组为了创建一个音源来测试的偏置情况,一个小的扬声器连接到一些音频源,如在一个MP3或电脑耳机的接口。不用担心音频源要多大，只要可以基本上听到扩音器中的声音，就足够了。任何小小的无线电或便携式音乐系统都有耳机接口,可以连接到扩音器。扩音器的尺寸不是非常重要，只要足够大到可以用胶水在中间粘住一小块镜子来使激光束偏转。一些扬声器在中间已经有了一个铬圆，因此可以找一个像那样的，那就不必用镜子了。把适当的接口焊接在扬声器终端上；这将会是一个1/8 英寸的耳机接口。任何小片的具有高反射性表面例如一面镜子就可以在测试期间用来偏置激光。图4.8 模拟音源4.2 元器件选型设计表4.1远程激光声音采集系统初步试验所用元器件序号，名称，性能指标，用途备注1直流电源或电池3V9V电源22N3904晶体管将微弱电信号放大3光敏电阻接收激光，光转电4电阻47100负载5耳机连接插口输出表4.2 远程激光声音采集系统完成品所用元器件序号，名称，性能指标，用途备注1直流电源或电池9V电源2电阻110K3电阻21K4电容10.01