Trasmissione audio digitale laser semplice ed economica: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Da quando ho realizzato la pistola laser, ho pensato di modulare il laser per inviare l'audio, sia per divertimento (un citofono per bambini), o forse per trasmettere dati per una pistola laser più sofisticata, consentendo a un ricevitore di capire quale è stato colpito. In questo tutorial mi concentrerò sulla trasmissione audio.

Molte persone hanno creato sistemi di trasmissione modulati analogici aggiungendo il segnale audio analogico all'alimentazione del diodo laser. Funziona, ma presenta alcuni gravi inconvenienti, principalmente l'incapacità di amplificare il segnale all'estremità ricevente senza introdurre molto rumore. Anche la linearità è molto scarsa.

Volevo modulare il laser digitalmente utilizzando un sistema di modulazione di larghezza di impulso (PWM). I diodi laser economici utilizzati nel progetto della pistola laser possono essere modulati anche più velocemente di un normale LED, fino a milioni di impulsi al secondo, quindi questo dovrebbe essere molto fattibile.

Fase 1: Prova di principio (il trasmettitore)

È del tutto possibile costruire un trasmettitore in qualche modo decente utilizzando un triangolo o un generatore a dente di sega e confrontando l'uscita con l'ingresso del segnale con un amplificatore operazionale. Tuttavia, è piuttosto difficile ottenere una buona linearità e il numero di componenti aumenta rapidamente e la gamma dinamica utilizzabile è spesso limitata. Inoltre, ho deciso che era permesso essere pigri.

Un po' di riflessione laterale mi ha indirizzato verso un amplificatore audio di classe D ultra economico chiamato PAM8403. L'ho usato prima come un vero amplificatore audio nel progetto della pistola laser. Fa esattamente quello che vogliamo, modulando l'ampiezza dell'impulso dell'ingresso audio. Piccole schede con i componenti esterni richiesti possono essere acquistate da eBay per meno di 1 euro.

Il chip PAM8404 è un amplificatore stereo con un'uscita H-bridge completa, il che significa che può guidare entrambi i fili dall'altoparlante al binario Vcc (più) oa terra, quadruplicando efficacemente la potenza di uscita rispetto al solo pilotaggio di un filo. Per questo progetto possiamo semplicemente utilizzare uno dei due fili di uscita, di un solo canale. Quando in completo silenzio, l'uscita sarà pilotata a un'onda quadra di circa 230 kHz. La modulazione del segnale audio modifica l'ampiezza dell'impulso dell'uscita.

I diodi laser sono estremamente sensibili alla sovracorrente. Anche un impulso di 1 microsecondo può distruggerlo completamente. Il circuito mostrato impedisce esattamente questo. Guiderà il laser con 30 milliampere indipendenti da VCC. Tuttavia, se c'è anche la minima disconnessione dei diodi, normalmente tagliando la tensione di base del transistor a 1,2 volt, il diodo laser viene immediatamente distrutto. Ho bruciato due moduli laser come questo. Consiglio di non costruire il driver laser su una breadboard, ma di saldarlo su un piccolo pezzo di PCB o a forma libera in un pezzo di tubo termoretraibile sul retro del modulo laser.

Torna al trasmettitore. Collega l'uscita del PAM8403 all'ingresso del circuito del driver laser e il trasmettitore è fatto! Quando viene acceso, il laser è visivamente acceso e nessuna modulazione può essere rilevata otticamente. Ciò ha effettivamente senso poiché il segnale si aggira intorno a uno stato on/off del 50/50 percento su una frequenza portante di 230 kHz. Qualsiasi modulazione visibile non sarebbe stata il volume del segnale, ma il valore effettivo del segnale. Solo a frequenze molto, molto basse la modulazione sarà evidente.

Passaggio 2: prova di principio (il ricevitore, la versione a celle solari)

Ho studiato molti principi per il ricevitore, come fotodiodi PIN polarizzati negativamente, versioni non polarizzate, ecc. Schemi diversi avevano vantaggi e svantaggi diversi, come la velocità rispetto alla sensibilità, ma soprattutto le cose erano complesse.

Ora avevo una vecchia lampada solare IKEA Solvinden in giardino che è stata distrutta dall'ingresso della pioggia, quindi ho recuperato le due piccole celle solari (4 x 5 cm) e ho provato quanto segnale sarebbe stato prodotto semplicemente puntando il diodo laser rosso modulato su uno di loro. Questo si è rivelato un ricevitore sorprendentemente buono. Moderatamente sensibile e con una buona gamma dinamica, come in, funziona anche con un'illuminazione abbastanza brillante dalla luce solare vagante.

Ovviamente puoi cercare su eBay, ad esempio, piccole celle solari come questa. Dovrebbero essere venduti a meno di 2 euro.

Ho collegato un'altra scheda ricevitore di classe D PAM8403 ad essa (che ha anche eliminato il componente DC) e collegato un semplice altoparlante ad essa collegato. Il risultato è stato impressionante. Il suono era ragionevolmente forte e privo di distorsioni.

Lo svantaggio dell'utilizzo di una cella solare è che sono estremamente lenti. La portante digitale è completamente cancellata ed è l'effettiva frequenza audio demodulata che arriva come segnale. Il vantaggio è che non è necessario alcun demodulatore: basta collegare l'amplificatore e l'altoparlante e il gioco è fatto. Il rovescio della medaglia è che poiché la portante digitale non è presente, e quindi non può essere ripristinata, le prestazioni del ricevitore sono completamente dipendenti dall'intensità della luce e l'audio sarà distorto da tutte le sorgenti luminose parassite modulate nella gamma di frequenze audio come le lampadine, televisori e schermi di computer.

Passaggio 3: prova

Ho portato fuori il trasmettitore e il ricevitore di notte per vedere facilmente il raggio e avere la massima sensibilità della cella solare, e il successo è stato immediato. Il segnale è stato facilmente rilevato a 200 metri di distanza, dove la larghezza del raggio non era superiore a 20 cm. Non male per un modulo laser da 60 centesimi con un collimatore non di precisione, una cella solare recuperata e due moduli amplificatori.

Disclaimer minore: non ho fatto questa foto, l'ho solo presa da un noto sito di ricerca. Dato che c'era un po' di umidità nell'aria quella notte, il raggio aveva proprio questo aspetto quando si guardava indietro verso il laser. Molto bello, ma non è questo il punto.

Fase 4: Dopo i pensieri: costruire un ricevitore digitale

Costruire un ricevitore digitale, versione con diodo PIN

Come detto, senza rigenerare il segnale PMW ad alta frequenza, i segnali vaganti sono molto udibili. Inoltre, senza il segnale PMW rigenerato ad un'ampiezza fissa, il volume, e quindi il rapporto segnale-rumore del ricevitore, dipende totalmente da quanta luce laser viene catturata dal ricevitore. Se il segnale PMW stesso fosse sufficientemente disponibile all'uscita del sensore di luce, dovrebbe essere molto facile filtrare questi segnali di luce parassita poiché praticamente tutto ciò che è sotto la frequenza di modulazione dovrebbe essere considerato parassita. Dopodiché, la semplice amplificazione del segnale rimanente dovrebbe produrre un segnale PWM rigenerato di ampiezza fissa.

Se non hai ancora costruito un ricevitore digitale, ma potrebbe essere molto fattibile utilizzando un diodo PIN BWP34 come rilevatore. Si dovrebbe decidere su un sistema di lenti per aumentare l'area di cattura, poiché il BWP34 ha un'apertura molto piccola, circa 4x4 mm. Quindi crea un rilevatore sensibile, aggiungi un filtro passa alto, impostato a circa 200 kHz. Dopo il filtraggio, il segnale dovrebbe essere amplificato, tagliato per ripristinare il segnale originale nel miglior modo possibile. Se tutto funzionasse, abbiamo sostanzialmente ripristinato il segnale così come è stato prodotto dal chip PAM e potrebbe essere inviato direttamente a un piccolo altoparlante.

Forse per una data successiva!

Approccio diverso, i professionisti!

Ci sono persone che fanno trasmissioni di luce su distanze molto maggiori (diverse decine di chilometri) rispetto a quelle presentate qui. Non usano i laser perché la luce monocromatica in realtà svanisce più rapidamente sulla distanza in un non vuoto rispetto alla luce multicromatica. Usano gruppi di LED, enormi lenti di Fresnel e, naturalmente, percorrono grandi distanze per trovare aria pulita e lunghe linee di vista, leggi: montagne. E i loro ricevitori sono di design molto speciale. Cose divertenti che si possono trovare su Internet.