红外发射与接收原理和应用实例完整版doc资料.docx
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38khz红外发射与接收2020-07-2315:
14红外线遥控器在家用电器和工业控制系统中已得到广泛应用,了解他们的工作原理和性能、进一步自制红外遥控系统,也并非难事。
人的眼睛能看到的可见光,若按波长排列,依次(从长到短)为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,如图1所示。
由图可见,红光的波长范围为0.62μm~0.76μm,比红光波长还长的光叫红外线。
红外线遥控器就是利用波长0.76μm~1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。
红外线的特点是不干扰其他电器设备工作,也不会影响周边环境。
电路调试简单,若对发射信号进行编码,可实现多路红外遥控功能。
人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。
发射部分的发射元件为红外发光二极管,它发出的是红外线而不是可见光,如图2所示。
常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右,外形与普通φ5mm发光二极管相同,只是颜色不同。
一般有透明、黑色和深蓝色等三种。
判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。
单只红外发光二极管的发射功率约100mW。
红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定,而业余条件下,只能凭经验用拉距法进行粗略判定。
接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作而获得高的灵敏度。
红外接收二极管一般有圆形和方形两种。
由于红外发光二极管的发射功率较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端就要增加高增益放大电路。
然而现在不论是业余制作或正式的产品,大都采用成品的一体化接收头,如图3所示。
红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块,性能稳定、可靠。
所以,有了一体化接收头,人们不再制作接收放大电路,这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。
图3是常用两种红外接收头的外形,均有三只引脚,即电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。
接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同,图3列出了因接收头的外形不同而引脚的区别。
红外接收头的主要参数如下:
接收频率:
38kHz
峰值波长:
980nm
静态输出:
高电平
输出高电平:
接近工作电压
3.红外线遥控发射电路
红外线遥控发射电路框图如图4所示。
框图4是目前所有红外遥控器发射电路的功能组成,其中的编码器即调制信号,按遥控器用途的编码方式可以很简单、也可以很复杂。
例如用于电视机、VCD、DVD和组合音响的遥控发射的编码器,因其控制功能多达50种以上,此时的编码器均采用专用的红外线编码协议进行严格的编程,然而对控制功能少的红外遥控器,其编码器是简单而灵活。
前者编码器是由生产厂家的专业人员按红外遥控协议进行编码,而后者适用于一般电子技术人员和电子爱好者的编码。
图4中的38kHz振荡器即载波信号比较简单,但专业用的和业余用的也有区别,专业用的振荡器采用了晶振,而后者一般是RC振荡器。
例如彩电红外遥控器上的发射端用了455kHz的晶振,是经过整数分频的,分频系数为12,即455kHz÷12=37.9kHz。
当然也有一些工业用的遥控系统,采用36kHz、40kHz或56kHz等的载波信号。
因红外遥控器的控制距离约10米远,要达到这个指标,其发射的载波频率(38kHz)要求十分稳定,而非专业用的RC(38kHz)载波频率稳定性差,往往偏离38kHz甚至很远,这就大大缩短了遥控器的控制距离。
因晶振频率十分稳定,所以专业厂家的遥控器全部采用晶振的38kHz作遥控器的载波发送信号。
图4中编码器的编码信号对38kHz的载波信号进行调制,再经红外发射管D向空间发送信号供遥控接收端一体化接收头接收、解调输出、再作处理。
利用红外线的特点,可以制作多路遥控器。
在遥控发射电路中,有两种电路,即编码器和38kHz载波信号发生器。
在不需要多路控制的应用电路中,可以使用常规集成电路组成路数不多的红外遥控发射和接收电路,该电路无需使用较复杂的专用编译码器,因此制作容易。
1.频分制编码的遥控发射器
在红外发射端利用专用(彩电、VCD、DVD等)的红外编码通讯协议作编码器,对一般电子技术人员或业余爱好者来说,是难于实现的,但对路数不多的遥控发射电路,可以采用频分制的方法制作编码器,而对一路的遥控电路,还可以不用编码器,直接发射38kHz红外信号,即可达到控制的目的。
图1是一种一路的红外遥控发射电路,在该电路中,使用了一片ICl高速CMOS型4-2输入的“与非”门74HC00集成电路,组成低频振荡器作编码信号(f1),用IC2555电路作载波振荡器,振荡频率为f0(38kHz)。
f1对f0进行调制,所以IC2的③脚的波形是断续的载波,该载波经红外发光二极管发送到空间。
电路中的关键点A、B、B’波形如图2所示,其中B’是未调制的波形。
在图1中,选用了555电路作载波振荡器,其目的是说明电路的调制工作原理,即利用大家熟悉的555产生38kHz方波信号,再利用555的复位端④脚作调制端,即当④脚为高电平时,555是常规的方波振荡器;当④脚为低电平时,555的③脚处于低电平。
④脚的调制信号是由ICl的与非门的低频振荡器而获得。
在实际应用中,遥控发射器是3V电池供电,为此只需把555电路ICl剩余的两个与非门组成的38kHz取而代之,如图3所示。
注意:
这里未引用CMOS4-2输入的“与非”门CD4011作图1电路中的编码器和载波发生器,是因为CD4011作振荡产生方波信号时,属于模拟信号的应用。
为了保证电路可靠起振,其工作电压需4.5V以上,而74HC00的CMOS集成电路的最低工作电压为2V,所以使用3V电源,完全可以可靠的工作。
2.遥控接收解调电路
图4为红外接收解调控制电路,图4中IC2是LM567。
LM567是一种锁相环集成电路,采用8脚双列直插塑封装,工作电压为+4.75~+9V,工作频率从直流到500kHz,静态电流约8mA。
⑧脚为输出端,静态时为高电平,是由内部的集电极开路的三极管构成,允许最大灌电流为100mA。
鉴于LM567的内部电路较复杂,这里仅介绍该电路的基本功能。
LM567的⑤、⑥脚外接的电阻(R3+RP)和电容C4,决定了内部压控振荡器的中心频率f01,f01=1/1.1RC,①、②脚接的电容C3、C4到地,形成滤波网络,其中②脚的电容C2,决定锁相环路的捕捉带宽,电容值越大,环路带宽越窄。
①脚接的电容C3为②脚的2倍以上为好。
弄清了LM567的基本组成后,再来分析图4电路的工作过程。
ICl是红外接收头,它接收图1发出的红外线信号,接收的调制载波频率仍为38kHz,接收信号经ICl解调后,在其输出端OUT输出频率为f1(见图2)的方波信号,只要将LM567的中心频率f01调到(用RP)与发射端f1(见图2)相同,即f01=fl,则当发射端发射时,LM567开始工作,⑧脚由高电平变为低电平,该低电平使三极管8550导通,在A点输出开关信号驱动D触发锁存器,再由它驱动各种开关电路工作。
这样,只要按一下图1电路的微动开关K,即发射红外线,接收电路图4即可输出开关信号开通控制电路,再按一下开关K,控制开关信号关闭,这就完成了完整的控制功能。
3.频分制多路控制器
利用图1和图4的电路,可以实现多路遥控器,即在发射端,将ICl组成的低频振荡器,其电路模式不变,只改变电阻R2,即可构成若干种R组成的多个频率不同的低频振荡器(即编码),利用微动开关转接,38kHz的载波电路共用;
在接收电路中,一体化红外接收头共用,再设置与接收端编码器相同个数的LM567锁相器和后级锁相驱动控制电路,各锁相环的振荡频率与各编码器的低频编码信号的频率对应相等。
这样发射端(图1)按压不同的按钮,载波信号接入不同频率编码的调制信号时,在接收端(图4),各对应的LM567的⑧脚的电平会发生变化,从而形成多路控制信号。
上述所述的工作方式,称为频分制的编码方式。
这种频分制工作方式,其优点是可实现多路控制,但缺点是电路复杂,对于路数不多的控制电路,因电路工作原理简单,对一般电子技术人员仍然是有用的。
[高二物理教案18-5]
18.5无线电波的发射和接收
一、教学目的
1.无线电波的波长范围
2.了解无线电波的发射与接收;
3.激发学生学习物理的兴趣。
二、教学重点
调制和解调
三、教学难点
调制和解调
四、教学方法
实验演示、启发式教学
五、教学用具
信号源,示波器,收音机,录音机,调频发射机,计算机多媒体,实物投影仪等。
六、教学过程:
(复习引入)问题:
1.古代人们有那些传递信息的方式?
(烽火台,鸽子,驿站,邮差等)
2.请问现在我们有那些传递信息的方式?
(广播,电视,,,互联网等)
(过度):
现在的传递方式有线和无线之分,无线主要依靠电磁波,上节课我们学习了什么是电磁波(引导同学简单回忆复习上节内容).在信息技术高速发展的今天,电磁波对我们来说越来越重要,无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和通信联系,都离不开电磁波.在无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波,那么无线电波是怎样发射和接收的呢?
(板书)§18.5无线电波的发射和接收
一、无线电波
无线电技术中使用的电磁波叫无线电波,无线电报的波长从几毫米到几十千米。
通常根据波长或频率把无线电波分成长波、中波、中短波、短波和微波等几个波段.(教师可以结合教材上的表格,提示学生比较各个波段的波长范围和频率范围,简述各波段无线电波的传播方式以及主要用途.可以适当补充一些实例.)(多媒体显示下表)
波段
波长
频率
传播方式
主要用途
长波
30000m~3000m
10KhZ~100kHZ
地波
超远程无线电通信和导航
中波
300m~200m
100kHZ~1500kHZ
地波和天波
调幅无线电广播电报通信
中短波
200m~50m
1500kHZ~6000kHZ
短波
50m~10m
6MHZ~30MHZ
天波
微波
米波
(VHF)
10m~1m
30MHZ~300MHZ
近似直线传播
调频无线电广播电视导航
分米波
(UHF)
300MHZ~3000MHZ
直线传播
电视
雷达
导航
厘米波
10cm~1cm
3000MHZ~30000MHZ
毫米波
10mm~1mm
30000MHZ~300000MHZ
二、无线电波的发射
1.要有效地向外发射电磁波,振荡电路必须具有两个特点:
(1)要有足够高的振荡频率,理论研究表明,振动电路向外辐射能量的本领,即单位时间内辐射出去的能量,与频率的四次方成正比,频率越高,发射电磁波的本领越大。
(2)振荡电路的电场和磁场,必须分散到尽可能大的空间,才能有效地把电磁场的能量传播出去。
2.开放电路:
(多媒体演示)
3.无线电波是由开放电路发射出去的。
在实际应用中常把开放电路的下端跟地连接。
跟地连接的导线叫做地线。
线圈上部接到比较高的导线上,这条导线叫做天线。
天线和地线形成了一个敞开的电容器,电磁波就是由这样的开放电路发射出去的。
电视发射塔要建得很高,是为了使电磁波发射得较远。
实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合,如图所示:
(多媒体演示)
振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用,使L1也产生同频率的振
荡电流,振荡电流在开放电路中激发出无线电波,向四周发射.
4、调制:
调幅与调频
发射电磁波是为了利用它传递某种信号。
例如无线电报传递的是电码符号,无线电广播传递的是声音,电视广播传递的不仅有声音,还有图像。
这就要求发射的电磁波随信号而改变。
在电磁波发射技术中,如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上,那么,载有信号的高频振荡电流产生的电磁波就载着要传送的信号一起发射出去.把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上,使电磁波随各种信号而改变叫做调制。
进行调制的装置叫做调制器.耍传递的电信号叫做调制信号.
使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅(画图),调幅广播(AM)一般使用中波和短波波段。
使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频(画图),调频广播(FM)和电视广播都采用调频的方法来调制,通常使用微波中的甚高频(VHF)和超高频(UHF)波段。
右图是调幅装置的示意图.接在振荡器和线圈之间的话筒就是一个最简单的调制器,由声源发出的声音振动使话筒里的碳粒发生时松时紧的变化,它的电阻也发生时大时小的变化。
所以,虽然振荡器产生的是高频等幅振荡电流,但是线圈通过的却是随声音而改变的高频调幅电流.由于线圈的互感作用,从开放电路中发射的也是这种高频调幅电流。
这种电磁波叫调幅波。
(多媒体演示)
(用示波器观察调幅波形)
三、无线电波的接收
处在电磁波传播空间中的导体,会产生感应电流,导作中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同,因此,利用放在电磁波传播空间中的导体,就可以接收到电磁波。
1、在无线电技术中,用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波。
2、电谐振
世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通讯设备,它们不断地向空中发射不同频率的电磁波,这些电磁波强弱不等地弥漫在我们周围。
如果不加选择地把它们都接收下来,那必然是信号一片混乱,分辨不清,达不到我们传递信息的目的。
所以,接收电磁波时,首先要从诸多的电磁波中把我们需要的选出来,通常叫做选台。
这就要设法
使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。
在无线电技术里,是利用电谐振来达到这个目的的。
当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强。
这种现象叫做电谐振,相当于机械振动中的共振。
(用示波器观察电谐振波形)
3、调谐
接收电路产生电谐振的过程叫做调谐,能够调谐的接收电路叫做调谐电路。
图是收音机的调谐电路。
调节可变电容器的电容来改变调谐电路的频率,使它跟要接收的电台发出的电磁波的频率相同,这个频率的电磁波在调谐电路里激起较强的感应电流,这样就选出了这个电台。
(演示调谐过程)
4、检波
收音机接收的经过调制的高额振荡电流(对应图讲解),这种电流通过收音机的耳机或扬声器,并不能使它们振动而发声,为什么呢,假定某一个半周期电流的作用是使振动片向某个方向运动,下一个半周期电流就以几乎同样大的作用使振动片向反方向运动.高频电流的周期非常短,半周期更短,而振动片的惯性相当大,所以在振动片还没有来得及在电流的作用下向某个方向运动的时候,就立刻有一个几乎同样大的作用要使它向反方向运动,结果振动片实际上不发生振动.要听到声音,必须从高频振荡电流中“检”出声音信号,使扬声器(或耳机)中的动片随声音信号振动。
从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的调制信号过程,叫做检波。
检波是调制的逆过程,因此也叫解调。
由于调制的方法不同,检波的方法也不同。
检波之后的信号再经过放大、重现,我们就可以听到或看到了。
下面介绍收音机中对调幅波的检波。
右图是晶体二极管的检波电路,是利用晶体二
极管的单向导电性来进行检波的。
调谐电路中产生的是经过调幅的高频振荡电流,L1和L2绕在同一磁棒上,由于互感作用,在L2上产生的是高频交变电压.由于二极管的单向导电性,通过它的是单向脉动电流,这个单向脉动电流既有高频成分,又有低频的声音信号,高频成分基本从电容器C(复习旁路电容器)通过,剩下的音频电流通过耳机发声。
(用示波器观察检波过程)实际上就是一个晶体二极管收音机的电路图.这种收音机声音很小,只能用开机收听本地电台.为了提高收音机的接收性能,需要用放大器把微弱的信号放大.图示是加有放大器的收音机方框图.由天线和调谐电路接收到的高频调幅电流,先通过放大器进行高频放大,然后进行检波和低频放大,放大后的音频电流输送到喇叭,使它们发出声音。
下面我们通过调幅和调频两种方式,来看看无线电波发射和接收的全过程。
(1)调幅发射和接收。
(实验演示)
(2)调频发射和接收。
(实验演示)
比喻:
高频电流→火车音频电流→货物
调制→发射→传播→调谐→解调
装货→出站→运行→进站→卸货
作业:
(1)自学第六节电视雷达
(2)阅读课本第248页“移动”
(3)有兴趣的同学可以上网(查找有关资料
板书设计
§18.5无线电波的发射和接收
一、无线电波:
无线电技术中使用的电波叫无线电波。
二、无线电波的发射:
1.要有效地向外发射电磁波,振荡电路必须具有两个特点:
2.开放电路:
3.无线电波的发射:
调制:
把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上,使电磁波随各种信号而改变叫做调制。
调幅:
使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅。
调频:
使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频。
三、无线电波的接收
1.电谐振
2.调谐:
接收电路产生电谐振的过程叫做调谐。
3.检波:
从接收到的高频振荡中“检”出所携带的调制信号过程,叫做检波。
检波是调制的逆过程,因此也叫解调。
【高一物理教案6-3】
引力常量的测定
一.教学目标:
1.了解卡文迪许实验装置及其原理。
2.知道引力常量的意义及其数值。
3.加深对万有引力定律的理解。
二.教学重点:
引力常量的测定及重要意义。
三.教学难点:
卡文迪许用扭秤测量引力常量的原理。
四.教学方法:
引导式
五.教学过程:
(一)引入新课
牛顿虽然发现了万有引力定律,由于当时实验条件和技术的限制,没能给出准确的引力常量。
显然,如不能定量地算出两物体间的万有引力的大小,万有引力定律就没有什么实际意义。
直到1789年,英国物理学家卡文迪许巧妙地利用了扭秤装置,第一次在实验室里比较准确地测出引力常量。
这节课我们就来学习他如何利用扭秤测出非常小的万有引力的。
(二)进行新课
1、引力常量G的测定
(1)卡文迪许扭秤装置
将课本P106图6-2制成幻灯片或课件以辅助讲解。
(2)扭秤实验的原理两次放大及等效的思想。
扭秤装置把微小力转变成力矩来反映(一次放大),
扭转角度通过光标的移动来反映(二次放大),从而确
定物体间的万有引力。
T形架在两端质量为m的两个小球受到质量为m’的两大球的引力作用下发生扭转,引力的力矩为FL。
同时,金属丝发生扭转而产生一个相反的力矩
,当这两个力的力矩相等时,T形架处于平衡状态,此时,金属丝扭转的角度
可根据小镜从上的反射光在刻度尺上移动的距离求出,由平衡方程:
L为两小球的距离,k为扭转系数可测出,r为小球与大球的距离。
(3)G的值
卡文迪许利用扭秤多次进行测量,得出引力常量
,与现在公认的值
非常接近。
2、测定引力常量的重要意义
(1)证明了万有引力的存在的普遍性。
(2)使得万有引力定律有了真正的实用价值,可测定远离地球的天体的质量、密度等。
(3)扭秤实验巧妙地利用等效法合理地将微小量进行放大,开创了测量弱力的新时代。
(三)例题分析
【例题1】既然两个物体间都存在引力,为什么当两个人接近时他们不吸在一起?
解:
由于人的质量相对于地球质量非常小,因此两人靠近时,尽管距离不大,但他们之间的引力比他们各自与地球的引力要小得多得多,不足以克服人与地面间的摩擦阻力,因而不能吸在一起。
【例题2】已知地球的半径
,地面重力加速度
,求地球的平均密度。
解:
设在地球表面上有一质量为m的物体,
则
,
得
,
而
,
代入数据得:
(四)布置作业课本P107⑷⑸
现代电子技术
ModernElectronicsTechnique
2021年5月1日第36卷第9期
0引言
射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID是利用射频信号的空间耦合及反向散射特性对目标对象进行自动识别以及数据交换的技术[1]。
因此识别过程不需要人工干预,具有高精度、长寿命、易操作等特点[2]。
超高频射频识别(UHFRFID由于识别距离远(最大可达10m的特点[3],已经被越来越多地应用于物流管理、交通运输管理、工厂生产控制等领域。
目前RFID标准繁杂,没有一个较为通用的应用标准,所以对于标签种类众多的应用场合及RFID技术研究开发院所,开发一个能够支持多种RFID标签标准的阅读器就显得很有必要。
利用软件无线电的特性,将不同的RFID标准用软件代码来实现,通过加载不同软件代码的方法实现对符合不同标准的RFID标签进行读写操作,可以方便地解决需要购买不同的阅读器才可以对不同类型的RFID标
签进行读写的问题[4]。
软件无线电是20世纪90年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想,其核心是在通用的模块化、可编程的硬件平台上通过加载不同的通信软件,以实现不同通信方式间的转换[5]。
这种设计思想使通信中的无线电台可以适应不同的通信方式,软件无线电良好的兼容性和可编程性使得通信系统的开发主要成为数字信号处理软件的研究。
基于这一思想,可以试图将RFID的各种标准以软件代码的形式实现,从而实现通过加载不同软件来完成符合各种不同标准的RFID阅读器的功能。
本文使用NI公司开发的LabVIEW软件来编写软件无线电的代码,LabVIEW是目前国际上应用最广的数据采集和控制开发环境之一,其在通信仿真领域有着重要的作用。
它使用图形化的编程语言(又称“G”语言编写程序,产生的程序是框图的形式[6]。
LabVIEW也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任务的庞大函数库,包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。
可以增强研究和开发人员构建自己科学和工程系统的能力,并提供实现仪器编程和数据采
基于软件无线电的RFID阅读器设计
孙建锋,冯
超,张
权,张
磊
(国防科学技术大学电子科学与工程学院,湖南长沙
410073
摘
要:
针对目前RFID系统工作频率多样,各类标准众多且差距较大,不适合多种标签同时应用的情况,提出了基于
软件无线电及LabVIEW设计RFID阅读器的思想。
通过加载不同的软件代码,仿真阅读器可以实现对不同频段,符合不同标准的RFID标签进行读写。
通过与标准阅读器的读取结果进行比对,仿真阅读器实现了对RFID标签携带信息的读取,节约了需要配置各种不同类型阅读器的成本。
关键词:
软件无线电;LabVIEW;RFID阅读器;标签携带信息中图分类号:
TN014⁃34
文献标识码:
A
文章编号:
1004⁃373X(202109⁃0155⁃03
DesignofUHFRFIDreaderbasedonsoftwareradio
SUNJian⁃feng,FENGChao,ZHANGQuan,ZHANGLei
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China
Abstract:
AsnowadaystheoperatingfrequenciesofRFIDsystemarediverse,systemstandardsaretoomanyandhavegreatdifference,whichisnotsuitableforvarietyoftagstobeusedsimultaneously,amethodtodesignaRFIDreaderbasedonsoftware
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