Απλή και φθηνή ψηφιακή μετάδοση ήχου λέιζερ: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Από τότε που έφτιαξα το πιστόλι λέιζερ, σκεφτόμουν να διαμορφώσω το λέιζερ για αποστολή μέσω ήχου, είτε για διασκέδαση (ενδοεπικοινωνία για παιδιά), είτε ίσως για τη μετάδοση δεδομένων για ένα πιο εξελιγμένο όπλο λέιζερ, επιτρέποντας στον δέκτη να καταλάβει τον οποίο χτυπήθηκε. Σε αυτό το διδακτικό θα επικεντρωθώ στην μετάδοση ήχου.

Πολλοί άνθρωποι έχουν δημιουργήσει αναλογικά διαμορφωμένα συστήματα μετάδοσης προσθέτοντας το αναλογικό ηχητικό σήμα στην τροφοδοσία της διόδου λέιζερ. Αυτό λειτουργεί, αλλά έχει μερικά σοβαρά μειονεκτήματα, κυρίως η αδυναμία ενίσχυσης του σήματος στο άκρο λήψης χωρίς εισαγωγή πολύ θορύβου. Επίσης η γραμμικότητα είναι πολύ φτωχή.

Wantedθελα να διαμορφώσω το λέιζερ ψηφιακά χρησιμοποιώντας ένα σύστημα Pulse Width Modulation (PWM). Οι φθηνές δίοδοι λέιζερ που χρησιμοποιούνται στο έργο του όπλου λέιζερ μπορούν να διαμορφωθούν ακόμη πιο γρήγορα από ένα κανονικό LED, σε εκατομμύρια παλμούς ανά δευτερόλεπτο, οπότε αυτό θα πρέπει να είναι πολύ εφικτό.

Βήμα 1: Απόδειξη Αρχής (ο πομπός)

Είναι απολύτως δυνατό να κατασκευαστεί ένας κάπως αξιοπρεπής πομπός χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια τριγώνων ή πριονόδοντων και συγκρίνοντας την έξοδο του με την είσοδο σήματος με ένα op-amp. Ωστόσο, είναι αρκετά δύσκολο να επιτευχθεί καλή γραμμικότητα και ο αριθμός των εξαρτημάτων αυξάνεται αρκετά γρήγορα και το δυναμικό εύρος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είναι συχνά περιορισμένο. Εξάλλου, αποφάσισα ότι επιτρέπεται να είμαι τεμπέλης.

Λίγη πλευρική σκέψη με οδήγησε σε έναν εξαιρετικά φθηνό ενισχυτή ήχου κατηγορίας D που ονομάζεται PAM8403. Το χρησιμοποίησα πριν ως πραγματικός ενισχυτής ήχου στο έργο του πιστόλι λέιζερ. Κάνει ακριβώς αυτό που θέλουμε, διαμορφώνοντας το πλάτος παλμών διαμορφώνοντας την είσοδο ήχου. Μικρές σανίδες με τα απαιτούμενα εξωτερικά εξαρτήματα μπορούν να προμηθευτούν από το eBay έναντι 1 ευρώ.

Το τσιπ PAM8404 είναι ένας στερεοφωνικός ενισχυτής με πλήρη έξοδο H-γέφυρας, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να οδηγήσει και τα δύο καλώδια στο ηχείο στη σιδηροτροχιά Vcc (συν) ή στη γείωση, τετραπλασιάζοντας αποτελεσματικά την ισχύ εξόδου σε σύγκριση με την οδήγηση ενός μόνο καλωδίου. Για αυτό το έργο μπορούμε απλά να χρησιμοποιήσουμε ένα από τα δύο καλώδια εξόδου, μόνο ενός καναλιού. Όταν είναι σε πλήρη σιωπή, η έξοδος οδηγείται σε τετραγωνικό κύμα περίπου 230 kHz. Η διαμόρφωση από το ηχητικό σήμα αλλάζει το πλάτος παλμού της εξόδου.

Οι δίοδοι λέιζερ είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στο υπερβολικό ρεύμα. Ακόμα και ένας παλμός 1 μικροδευτερολέπτου μπορεί να τον καταστρέψει εντελώς. Το κύκλωμα που εμφανίζεται αποτρέπει ακριβώς αυτό. Θα οδηγήσει το λέιζερ με 30 milliamp ανεξάρτητα από το VCC. Ωστόσο, υπάρχει ακόμη και η παραμικρή αποσύνδεση των διόδων, συνήθως αποκόπτοντας την τάση βάσης του τρανζίστορ στα 1,2 βολτ, η δίοδος λέιζερ καταστρέφεται αμέσως. Έχω εκτοξεύσει δύο μονάδες λέιζερ όπως αυτό. Σας συνιστώ να μην χτίζετε το πρόγραμμα οδήγησης λέιζερ σε ένα breadboard, αλλά να το κολλάτε σε μικρό κομμάτι PCB ή σε ελεύθερη μορφή σε ένα κομμάτι συρρικνωμένου σωλήνα στο πίσω μέρος της μονάδας λέιζερ.

Επιστροφή στον πομπό. Συνδέστε την έξοδο του PAM8403 στην είσοδο του κυκλώματος του προγράμματος οδήγησης λέιζερ και ο πομπός τελειώνει! Όταν ενεργοποιείται, το λέιζερ είναι οπτικά ενεργοποιημένο και καμία διαμόρφωση δεν μπορεί να ανιχνευθεί οπτικά. Αυτό έχει πραγματικά νόημα καθώς το σήμα αιωρείται γύρω από την κατάσταση ενεργοποίησης/απενεργοποίησης 50/50 τοις εκατό σε συχνότητα φορέα 230 kHz. Οποιαδήποτε ορατή διαμόρφωση δεν θα ήταν ο όγκος του σήματος, αλλά η πραγματική τιμή του σήματος. Μόνο σε πολύ, πολύ χαμηλές συχνότητες η διαμόρφωση θα είναι αισθητή.

Βήμα 2: Απόδειξη Αρχής (Δέκτης, Έκδοση Ηλιακού Κυττάρου)

Διερεύνησα πολλές αρχές για τον δέκτη, όπως αρνητικά προκατειλημμένες διόδους φωτογραφιών PIN, μη προκατειλημμένες εκδόσεις κλπ. Διαφορετικά σχήματα είχαν διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, όπως ταχύτητα έναντι ευαισθησίας, αλλά κυρίως όλα ήταν πολύπλοκα.

Τώρα είχα ένα παλιό ηλιακό φως IKEA Solvinden στον κήπο που καταστράφηκε από την είσοδο της βροχής, έτσι διέσωσα τα δύο μικρά ηλιακά κύτταρα (4 x 5 cm) και δοκίμασα πόσο σήμα θα παράγεται απλά δείχνοντας τη διαμορφωμένη κόκκινη δίοδο λέιζερ σε ένα από αυτά. Αυτό αποδείχθηκε ένας εκπληκτικά καλός δέκτης. Μετριότατα ευαίσθητο και καλό δυναμικό εύρος, όπως στο εσωτερικό, λειτουργεί ακόμη και με αρκετά έντονο φωτισμό από το αδέσποτο ηλιακό φως.

Φυσικά, μπορείτε να αναζητήσετε στο eBay για μικρά ηλιακά κύτταρα όπως αυτό. Θα πρέπει να πωλούνται κάτω από 2 ευρώ.

Συνδέω μια άλλη πλακέτα δέκτη κατηγορίας PAM8403 D (που απαλλάσσεται επίσης από το εξάρτημα DC) και συνδέω ένα απλό ηχείο προσαρτημένο σε αυτό. Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό. Ο ήχος ήταν αρκετά δυνατός και χωρίς παραμορφώσεις.

Το μειονέκτημα της χρήσης ενός ηλιακού στοιχείου είναι ότι είναι εξαιρετικά αργά. Ο ψηφιακός φορέας έχει εξαφανιστεί εντελώς και είναι η πραγματική αποδιαμορφωμένη συχνότητα ήχου που έρχεται ως σήμα. Το πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζεται καθόλου αποδιαμορφωτής: απλώς συνδέστε τον ενισχυτή και το ηχείο και ασχολείστε. Το μειονέκτημα είναι ότι επειδή ο ψηφιακός φορέας δεν υπάρχει και επομένως δεν μπορεί να αποκατασταθεί, η απόδοση του δέκτη εξαρτάται πλήρως από την ένταση του φωτός και ο ήχος θα παραμορφωθεί από όλες τις αδέσποτες πηγές φωτός που διαμορφώνονται στο εύρος συχνοτήτων ήχου, όπως οι λαμπτήρες, τηλεοράσεις και οθόνες υπολογιστών.

Βήμα 3: Δοκιμή

Έβγαλα τον πομπό και τον δέκτη έξω τη νύχτα για να δω εύκολα τη δέσμη και να έχω τη μέγιστη ευαισθησία της ηλιακής κυψέλης, και υπήρξε άμεση επιτυχία. Το σήμα πήρε εύκολα 200 μέτρα κάτω από το εύρος, όπου το πλάτος της δέσμης δεν ήταν μεγαλύτερο από 20 cm. Δεν είναι κακό για μια μονάδα λέιζερ 60 σεντ με έναν φακό επιλογέα χωρίς ακρίβεια, μια ηλιακή κυψέλη και δύο μονάδες ενισχυτή.

Μικρή αποποίηση ευθυνών: Δεν έκανα αυτήν την εικόνα, απλώς την πήρα από έναν γνωστό ιστότοπο αναζήτησης. Καθώς υπήρχε λίγη υγρασία στον αέρα εκείνο το βράδυ, η ακτίνα έμοιαζε πράγματι με αυτό όταν κοιτούσε πίσω προς το λέιζερ. Πολύ ωραίο, αλλά αυτό είναι πέρα από το νόημα.

Βήμα 4: Μετά από σκέψεις: Δημιουργία ψηφιακού δέκτη

Δημιουργία ψηφιακού δέκτη, έκδοση διόδου PIN

Όπως προαναφέρθηκε, χωρίς να αναγεννηθεί το σήμα PMW υψηλής συχνότητας, τα αδέσποτα σήματα ακούγονται πολύ. Επίσης, χωρίς το σήμα PMW να αναγεννηθεί σε ένα σταθερό πλάτος, η ένταση, και επομένως η αναλογία σήματος προς θόρυβο του δέκτη εξαρτάται πλήρως από το πόσο φως λέιζερ συλλαμβάνεται από τον δέκτη. Εάν το ίδιο το σήμα PMW θα ήταν επαρκώς διαθέσιμο στην έξοδο του αισθητήρα φωτός, θα πρέπει να είναι πολύ εύκολο να φιλτράρετε αυτά τα αδέσποτα σήματα φωτός, καθώς βασικά όλα υπό τη συχνότητα διαμόρφωσης θα πρέπει να θεωρούνται αδέσποτα. Μετά από αυτό, η απλή ενίσχυση του υπόλοιπου σήματος θα πρέπει να παράγει ένα σταθερό πλάτος, αναγεννημένο σήμα PWM.

Εάν δεν έχετε δημιουργήσει ακόμη έναν ψηφιακό δέκτη, αλλά μπορεί να είναι πολύ εφικτό χρησιμοποιώντας μια δίοδο PIN BWP34 ως ανιχνευτή. Κάποιος θα έπρεπε να αποφασίσει για ένα σύστημα φακών για να αυξήσει την περιοχή λήψης, καθώς το BWP34 έχει ένα πολύ μικρό άνοιγμα, περίπου 4x4mm. Στη συνέχεια, φτιάξτε έναν ευαίσθητο ανιχνευτή, προσθέστε ένα φίλτρο υψηλής διέλευσης, ρυθμισμένο σε περίπου 200 kHz. Μετά το φιλτράρισμα, το σήμα πρέπει να ενισχυθεί, να αποκοπεί για να αποκατασταθεί το αρχικό σήμα όσο το δυνατόν καλύτερα. Αν όλα αυτά θα λειτουργούσαν, ουσιαστικά έχουμε αποκαταστήσει το σήμα καθώς παρήχθη από το τσιπ PAM και θα μπορούσε να τροφοδοτηθεί απευθείας σε ένα μικρό ηχείο.

Σως για αργότερα!

Διαφορετική προσέγγιση, οι επαγγελματίες!

Υπάρχουν άνθρωποι που κάνουν εκπομπές φωτός σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις (αρκετές δεκάδες χιλιόμετρα) από αυτές που παρουσιάζονται εδώ. Δεν χρησιμοποιούν λέιζερ επειδή το μονόχρωμο φως στην πραγματικότητα ξεθωριάζει γρηγορότερα σε απόσταση σε ένα κενό από το πολύχρωμο φως. Χρησιμοποιούν συστάδες LED, τεράστιους φακούς φρέσνελ και φυσικά ταξιδεύουν μεγάλες αποστάσεις για να βρουν καθαρό αέρα και μεγάλες γραμμές όρασης, διαβάστε: βουνά. Και οι δέκτες τους είναι πολύ ιδιαίτερου σχεδιασμού. Διασκεδαστικά πράγματα που μπορείτε να βρείτε στο Διαδίκτυο.