Создание системы лазерной связи
Кто не любит лазеры? Давайте сделаем что-то большее, чем сделаем точку на стене с помощью лазера: построим систему связи менее чем за 10 долларов.
Безопасность во-первых: еще до начала этого проекта я хочу упомянуть, чтобы всегда быть осторожным с лазерами: даже слабый лазер может вызвать постоянный урон человеческому глазу через несколько секунд. Более мощные лазеры могут немедленно вызвать слепоту. Никогда не сияйте лазером на чьем-либо лице, включая животных. Если вы работаете с мощным лазером, я настоятельно рекомендую сделать лазерную лабораторию и использовать лазерные очки для частоты вашего лазера. С учетом этого, давайте перейдем к тому, что вы сюда пришли: веселый, безопасный проект с использованием LASERS!
Система связи почти всегда разбивается на две части: передатчик и приемник. Системы лазерной связи ничем не отличаются: лазер является передатчиком, а для приемника мы будем использовать фоторезистор. Так что это действительно две схемы. Для этого проекта я собираюсь держать их обоих очень простыми. Это означает, что этот проект может быть завершен всего за один вечер, и это недорого. Итак, давайте начнем с списка деталей.
Необходимые детали
Компоненты, необходимые для одного канала
- лазерный диод
- Фоторезистор GM5539
- 2 LF347 op-amp
- 1 транзистор
- 12 резисторов
- 3 конденсатора
- 2 9-вольтовых аккумулятора
И для лабораторного оборудования
- мультиметр
- генератор функций (опционально)
- осциллограф (дополнительно)
Для высококачественных лазеров у Thor Labs есть хорошие варианты, но самый дешевый из них - 12 долларов. У Mouser есть приличный лазер в видимом спектре за 11, 45 доллара. Или для дешевых лазеров для домашних проектов amazon или ebay - хороший выбор, с вариантами менее $ 1 за лазер. Фоторезисторы серии GM55XX имеют время нарастания 20 мс и время падения 30 мс. Если вы покупаете фоторезиторы серии GL55XX, ожидайте плохую частотную характеристику, которая делает их непригодными для чего-либо намного выше звуковых частот и заметной потери сигнала для высокочастотного звука. Длительное время подъема и падения делает серию GM55XX плохим выбором для любых приложений с квадратной волной. Для высокочастотных приемников я рекомендую использовать фотодиод.
Характеристики
Для моего дизайна я хочу отправить аудио с моего планшета на набор компьютерных динамиков. Это означает, что мой вход макс. 2 В pp от 10 Гц до 22 кГц. Я бы хотел, чтобы мой вывод также составлял 2 В pp с 10 Гц до 22 кГц, но будет терпеть потери при более высоких частотах. Качество звука должно быть лучше, чем радио AM. Каждый передатчик и ресивер должны питаться от собственной 9-вольтовой батареи.
Конструкция передатчика
Поскольку я посылаю непрерывный аналоговый сигнал, мне понадобится лазерное смещение, так что лазер всегда включен. Если вы отправляете цифровой сигнал, я по-прежнему рекомендую это, так как некоторые лазеры не любят пульсировать на высоких частотах. Я буду смещать свой лазер на 4.5V DC и модулировать его от 4V до 5V. Сначала измерьте текущий притяжение лазера на 5V, для моего лазера он рисует 29 мА. Это больше, чем многие op-усилители могут обеспечить, поэтому я буду приводить в действие свой лазер с транзистором, настроенным как последователь напряжения. Чтобы управлять приводом напряжения, я буду использовать op-amp для смешивания моего входного сигнала с 4.5V и ослабления сигнала от 2V pp до 1V pp.
Чтобы проверить передатчик, я использовал свой генератор функций в качестве входа и измерил напряжение на выходе с помощью осциллографа. Если у вас нет осциллографа, используйте свой мультиметр для измерения напряжения на лазере и просто изменяйте вход от -0, 5 В до 0, 5 В. Как только лазер правильно модулируется, пришло время настроить и выровнять лазер.
центровка
Вот как я выровнял свой лазер для настройки рабочего стола. Однако вы это делаете, вам нужно выровнять лазер и фоторезистор, чтобы вы могли точно измерять ваш фоторезистор с попаданием на него лазерного излучения.
Я начал с бурения отверстия такого же размера, как мой лазер, в деревянном блоке. Затем я зафиксировал лазер в блоке дерева (мой только удерживается под давлением, но можно использовать клей). Блок дерева с моим лазером был приклеен к длинному куску дерева 1, 7 см х 3, 5 см. Я включил лазер и поместил второй блок дерева на другой стороне, обозначенный там, где расположен деревянный блок, и расположение лазерной точки на деревянном блоке, давая мне расстояние 40, 4 см. Затем я просверлил отверстие для фоторезистора и приклеил его, пытаясь разделить ножки фоторезистора.
Приклейте второй блок дерева, где вы его отметили. Включите лазер, и у вас должна быть лазерная точка на фоторезисторе. Это не практично для большой настройки, но для просто настройки на столе он работает хорошо.
Это моя настройка. Я добавил несколько бумажных экранов, потому что лазерная точка была такой яркой. Справа вы можете увидеть провода для лазера, а слева вы можете увидеть провода фоторезистора, просунувшиеся сквозь бумагу.
Дизайн приемника
Для начала нам понадобятся измерения сопротивления фоторезистора. Я начал с простого чтения значений в некоторых произвольных местах.
| Нет света | > 2 Meg ohm (моя разомкнутая схема считывания DMM) |
| Полное солнце | 675 Ом |
| Освещение помещения | 36 кОм |
Затем я установил лазер и фоторезистор в настройку настройки. Затем я сделал еще несколько измерений. Поскольку они будут варьироваться в зависимости от расстояния, лазерной апертуры, длины волны лазера, мощности лазера и других условий, я настоятельно рекомендую генерировать собственные результаты.
| Лазерное напряжение (вольт) | Сопротивление (Ом) |
| 0 (свет в помещении) | 172k |
| 4, 0 | 911 |
| 4, 1 | +842 |
| 4, 2 | +817 |
| 4, 3 | 775 |
| 4, 4 | +748 |
| 4.5 | 718 |
| 4, 6 | 709 |
| 4, 7 | 692 |
| 4, 8 | 657 |
| 4, 9 | 648 |
| 5.0 | 633 |
Графические значения помогают увидеть, что он не является абсолютно линейным, но достаточно близким по этому небольшому диапазону значений.
Чтобы создать приемник, я собираюсь сделать делитель напряжения, используя фоторезистор. Затем я подключу это к входу инвертирующего усилителя. Выход инвертирующего усилителя затем передается в высокочастотный RC-фильтр с отключением 10 Гц, это приведет к удалению компонента постоянного тока без каких-либо существенных эффектов на качество звука системы. Чтобы выбрать второй резистор для моего делителя напряжения, я посмотрел на мои измерения фоторезистора и выберет значение, которое ближе всего к измерению 4.5v. Это дало мне значения для R7, равные 680 Ом, тогда я мог бы использовать это, чтобы решить это, вероятно, было бы моим максимальным и минимальным напряжениями. Это дало мне напряжение, которое было бы напряжением от 3, 84 В до 4, 37 В, колебанием 0, 82 В. Для этапа усиления мне понадобится коэффициент усиления 2, 4 для восстановления исходного входа 2V. Из-за плохого времени нарастания и спада фоторезистора я дал себе дополнительный выигрыш и построил сцену с коэффициентом усиления 3, 6, затем начал тестировать и быстро решил увеличить выигрыш до 5.4, что намного выше, чем ожидалось.
В качестве приемника можно использовать любую конструкцию переменного усиления: вы можете использовать этап усиления транзистора как операционный усилитель, или какой-либо другой метод обнаружения.
Теперь проверить систему. Я использовал свой генератор функций для подачи синусоидальной волны в качестве входного сигнала, а затем измерил выход приемника. Как и ожидалось, была обнаружена сильная зависимость частоты, с углами -3 дБ около 20 Гц и 550 Гц.
Теперь, когда мы измерили производительность системы, реальный тест качества звука был в порядке. Я подключил свой планшет к входу, а выход - к набору компьютерных динамиков.
Играя «Сын Человека» из Тарзана Диснея, а затем разбивая лазерный луч, чтобы показать, что он работает. Качество звука не идеальное, и вы можете услышать потерю более высоких частот. Что касается характеристик, полоса пропускания не близка к 22 кГц, но выход имеет разумное качество звука, аналогичное AM-радио. Вы не будете размещать какие-либо стороны в этой системе, но вы можете легко иметь частный разговор по системе.
Таким образом, вы можете создать базовую систему связи на основе лазера на сумму менее 10 долларов США. Если вам нужна двусторонняя связь, создайте вторую копию системы, чтобы каждая сторона имела как приемник, так и передатчик. Если вы создадите систему с несколькими каналами, идущими в каждом направлении, вы можете использовать линейные поляризаторы для предотвращения «перекрестного разговора» и позволять вам упаковывать больше приемников в небольшом пространстве.
Попробуйте этот проект сами! Получить спецификацию.