Einfache und kostengünstige digitale Laser-Audioübertragung - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Seit ich die Laserpistole hergestellt habe, habe ich darüber nachgedacht, den Laser zu modulieren, um Audio zu senden, entweder zum Spaß (eine Kindersprechanlage) oder vielleicht, um Daten für eine anspruchsvollere Laserpistole zu übertragen, die es einem Empfänger ermöglicht, dies herauszufinden wen er getroffen hat. In diesem anweisbaren werde ich mich auf die Audioübertragung konzentrieren.

Viele Leute haben analoge modulierte Übertragungssysteme geschaffen, indem sie das analoge Audiosignal zur Stromversorgung der Laserdiode hinzugefügt haben. Dies funktioniert, hat aber einige gravierende Nachteile, vor allem die Unfähigkeit, das Signal am Empfangsende zu verstärken, ohne viel Rauschen zu verursachen. Auch die Linearität ist sehr schlecht.

Ich wollte den Laser digital mit einem Pulsweitenmodulationssystem (PWM) modulieren. Die billigen Laserdioden, die im Laserkanonenprojekt verwendet werden, können noch schneller moduliert werden als eine normale LED, bis in die Millionen von Pulsen pro Sekunde, also sollte dies sehr machbar sein.

Schritt 1: Prinzipnachweis (der Sender)

Es ist durchaus möglich, einen einigermaßen anständigen Sender zu bauen, indem man einen Dreieck- oder Sägezahngenerator verwendet und seinen Ausgang mit dem Signaleingang eines Operationsverstärkers vergleicht. Allerdings ist es ziemlich schwierig, eine gute Linearität zu erreichen, und die Anzahl der Komponenten wächst ziemlich schnell aus dem Gleichgewicht, und der nutzbare Dynamikbereich ist oft begrenzt. Außerdem entschied ich, dass es faul sein durfte.

Ein bisschen Querdenken hat mich auf einen ultrabilligen Audioverstärker der D-Klasse namens PAM8403 hingewiesen. Ich habe es zuvor als echten Audioverstärker im Laserkanonenprojekt verwendet. Es macht genau das, was wir wollen, indem es den Audioeingang pulsweitenmoduliert. Kleine Platinen mit den benötigten externen Komponenten können bei eBay für unter 1 Euro bezogen werden.

Der PAM8404-Chip ist ein Stereoverstärker mit einem vollen H-Brücken-Ausgang, was bedeutet, dass er beide Drähte zum Lautsprecher an die Vcc (Plus)-Schiene oder an Masse treiben kann, wodurch die Ausgangsleistung im Vergleich zu nur einem Draht effektiv vervierfacht wird. Für dieses Projekt können wir einfach einen der beiden Ausgangsdrähte nur eines Kanals verwenden. Bei völliger Stille wird der Ausgang auf eine Rechteckwelle von ungefähr 230 kHz getrieben. Die Modulation durch das Audiosignal ändert die Pulsbreite des Ausgangs.

Laserdioden sind extrem empfindlich gegenüber Überströmen. Selbst ein Impuls von 1 Mikrosekunde kann ihn vollständig zerstören. Die gezeigte Schaltung verhindert genau das. Es treibt den Laser unabhängig von VCC mit 30 Milliampere an. Wenn jedoch auch nur die kleinste Unterbrechung der Dioden erfolgt, die normalerweise die Basisspannung des Transistors auf 1,2 Volt abschneidet, wird die Laserdiode sofort zerstört. Ich habe zwei Lasermodule so geblasen. Ich empfehle, den Lasertreiber nicht auf einem Steckbrett zu bauen, sondern auf ein kleines Stück PCB oder Freiform in einem Stück Schrumpfschlauch auf der Rückseite des Lasermoduls zu löten.

Zurück zum Sender. Verbinden Sie den Ausgang des PAM8403 mit dem Eingang der Lasertreiberschaltung und der Sender ist fertig! Beim Anfeuern ist der Laser optisch eingeschaltet und es kann keine Modulation optisch erkannt werden. Dies ist tatsächlich sinnvoll, da das Signal auf einer Trägerfrequenz von 230 kHz um einen 50/50-Prozent-Ein-/Aus-Zustand schwebt. Jede sichtbare Modulation wäre nicht die Lautstärke des Signals gewesen, sondern der tatsächliche Wert des Signals. Nur bei sehr, sehr niedrigen Frequenzen macht sich die Modulation bemerkbar.

Schritt 2: Prinzipnachweis (Empfänger, Solarzellenversion)

Ich habe viele Prinzipien für den Empfänger untersucht, wie zum Beispiel negativ vorgespannte PIN-Fotodioden, nicht vorgespannte Versionen usw. Unterschiedliche Schaltpläne hatten unterschiedliche Vor- und Nachteile, wie Geschwindigkeit versus Empfindlichkeit, aber vor allem waren die Dinge komplex.

Jetzt hatte ich eine alte IKEA Solvinden Solarleuchte im Garten, die durch eindringenden Regen zerstört wurde, also rettete ich die beiden kleinen (4 x 5 cm) Solarzellen und versuchte, wie viel Signal durch einfaches Ausrichten der modulierten roten Laserdiode erzeugt würde auf einem von ihnen. Dies stellte sich als überraschend guter Empfänger heraus. Bescheiden empfindlich und guter dynamischer Bereich, wie in, funktioniert es sogar mit ziemlich heller Beleuchtung durch Streusonnenlicht.

Natürlich können Sie z. B. bei eBay nach solchen kleinen Solarzellen suchen. Sie sollten für unter 2 Euro im Einzelhandel erhältlich sein.

Ich habe eine weitere PAM8403 D-Klasse-Empfängerplatine daran angeschlossen (die auch die DC-Komponente entfernt hat) und einen einfachen Lautsprecher daran angeschlossen. Das Ergebnis war beeindruckend. Der Ton war einigermaßen laut und verzerrungsfrei.

Der Nachteil bei der Verwendung einer Solarzelle ist, dass sie extrem langsam sind. Der digitale Träger wird komplett ausgelöscht und es ist die eigentliche demodulierte Audiofrequenz, die als Signal durchkommt. Der Vorteil ist, dass überhaupt kein Demodulator benötigt wird: Einfach Verstärker und Lautsprecher anschließen und schon kann es losgehen. Der Nachteil ist, dass, da der digitale Träger nicht vorhanden ist und daher nicht wiederhergestellt werden kann, die Leistung des Empfängers vollständig von der Lichtintensität abhängt und der Ton durch alle im Audiofrequenzbereich modulierten Streulichtquellen wie Glühbirnen verzerrt wird, Fernseher und Computerbildschirme.

Schritt 3: Testen

Ich nahm Sender und Empfänger nachts heraus, um den Strahl leicht zu sehen und die maximale Empfindlichkeit der Solarzelle zu erreichen, und es war sofort Erfolg. Das Signal konnte problemlos in 200 Metern Entfernung aufgenommen werden, wo die Breite des Strahls nicht mehr als 20 cm betrug. Nicht schlecht für ein 60-Cent-Lasermodul mit einer nicht präzisen Kollimatorlinse, einer gespülten Solarzelle und zwei Verstärkermodulen.

Kleiner Haftungsausschluss: Ich habe dieses Bild nicht gemacht, sondern nur von einer bekannten Suchseite genommen. Da in dieser Nacht ein wenig Feuchtigkeit in der Luft lag, sah der Strahl tatsächlich so aus, wenn er zurück zum Laser blickte. Sehr cool, aber das ist nebensächlich.

Schritt 4: Nachdenken: Aufbau eines digitalen Receivers

Aufbau eines Digitalempfängers, PIN-Dioden-Version

Wie gesagt, ohne das Hochfrequenz-PMW-Signal zu regenerieren, sind Streusignale sehr hörbar. Auch ohne dass das PMW-Signal auf eine feste Amplitude regeneriert wird, hängt die Lautstärke und damit das Signal-Rausch-Verhältnis des Empfängers vollständig davon ab, wie viel Laserlicht vom Empfänger eingefangen wird. Wenn das PMW-Signal selbst ausreichend am Ausgang des Lichtsensors zur Verfügung steht, sollten diese Streulichtsignale sehr einfach herausgefiltert werden, da grundsätzlich alles unterhalb der Modulationsfrequenz als Streulicht betrachtet werden sollte. Danach sollte durch einfaches Verstärken des verbleibenden Signals ein regeneriertes PWM-Signal mit fester Amplitude erzeugt werden.

Wenn Sie noch keinen Digitalempfänger gebaut haben, ist es möglicherweise sehr gut möglich, eine BWP34-PIN-Diode als Detektor zu verwenden. Um den Aufnahmebereich zu vergrößern, müsste man sich für ein Linsensystem entscheiden, da das BWP34 eine sehr kleine Öffnung hat, etwa 4x4mm. Dann machen Sie einen empfindlichen Detektor, fügen Sie einen Hochpassfilter hinzu, der auf ungefähr 200 kHz eingestellt ist. Nach der Filterung sollte das Signal verstärkt und abgeschnitten werden, um das Originalsignal so gut wie möglich wiederherzustellen. Wenn das alles funktionieren würde, haben wir im Grunde das Signal wiederhergestellt, wie es vom PAM-Chip produziert wurde und direkt in einen kleinen Lautsprecher eingespeist werden könnte.

Vielleicht zu einem späteren Zeitpunkt!

Anderer Ansatz, die Profis!

Es gibt Menschen, die Lichtübertragungen über weit größere Entfernungen (mehrere Dutzend Kilometer) durchführen, als hier dargestellt. Sie verwenden keine Laser, da monochromatisches Licht in einem Nicht-Vakuum über die Entfernung tatsächlich schneller verblasst als multichromatisches Licht. Sie verwenden LED-Cluster, riesige Fresnel-Linsen und legen natürlich große Entfernungen zurück, um saubere Luft und lange Sichtlinien zu finden, sprich: Berge. Und ihre Empfänger sind von ganz besonderem Design. Lustige Sachen, die im Internet zu finden sind.