sexta-feira, 1 de fevereiro de 2013

Transmissor de áudio por diodo laser

Nesse artigo temos o projeto, a simulação e a construção de um transmissor e receptor de áudio por diodo laser de baixa potência através de um modulador por largura de pulso PWM e demodulação feita por phase locked loop (PLL). O sistema pode ser usado para a transmissão de áudio por fibra óptica ou para apresentações de aulas de física ou em trabalhos de eletrônica. 

Diodo Laser
Figura 1 - Circuito final do transmissor de áudio por diodo laser

Introdução


Modulação e Demodulação  por Largura de Pulso


             A modulação PWM é feita através da duração de pulsos retangulares que podem representar uma amostra de um sinal analógico como ilustrado na figura 2. Essa modulação tem vantagem de ser imune a ruídos. A demodulação do sinal PWM  é feita por um filtro passa baixa que fornecera o valor médio de cada pulso no intervalo da amostragem, entretanto podemos ter a distorções do sinal devido as componentes harmônicas que não são retiradas por uma filtragem mais simples. 
             A modulação é gerada por uma comparação entre um sinal de baixa frequência (senoide na figura 2, ou um sinal de áudio) e uma portadora de alta frequência (onda triangular na figura 2).  
Modulação  por Largura de pulso
Figura 2 - Modulação  por Largura de pulso

Elos Travados em Fase (phase locked loop)


O PLL é um dispositivo usado como divisor  de frequência e pode atua como sintetizador de frequência para geração de portadores e sinais de sincronismo .Em suma o PLL é :

  • DETETOR DE FASE: Fornece uma tensão de saída cuja componente continua é proporcional a diferença de fase entre os sinais.
  • O FILTRO PASSA BAIXA: Função de eliminar a componente de alta frequência na saída do detector de fase ,e extrair a componente continua que serve de tensão de controle
O PLL gera uma réplica limpa e quase sem ruído de um sinal misturado com ruído, interferências, com tremor de fase e cortes de curta duração .O PLL permite reconstruir sinais  deteriorados pelo ruído ou, separar 1 determinado sinal em meio a outros.


O Circuito do Transmissor e Receptor de Áudio


O circuito é descrito por uma unidade de transmissão e unidade de recepção descrita na figura a baixo por diagrama de bloco, figura 3
transmissor de audio, diodo laser
Figura 3 - Diagrama de bloco do sistema.

Pré-amplificador


No transmissor temos o pré-amplificador do sinal de áudio antes de realizar a modulação por PWM. A saída do sinal modulado é enviada para um “drive” de corrente que controla o diodo laser. A modulação PWM é gerada pelo circuito integrado 555, na figura 4 temos o circuito  pré-amplificador.

Pré-amplificador
Figura 4 - Pré-amplificador do transmissor


Pelo modelo  aproximado teremos os seguintes parâmetros:
Impedância de entrada  : Ze= re/[(1/B)+(Re+Rc)/Rf]       Eq.1
Impedância de saída     : Zo=Rc*Rf/(Rc+Rf)                   Eq.2
Ganho de Tensão         : Av=-Rc/Re                               Eq.3

Modulação por Largura de Pulso - PWM


A etapa de modulação é realizada pelo circuito ilustrado pela figura 5, A função triangular necessária para a comparação do sinal analógico e geração do PWM é aproximada pela função de carga e descarga do circuito RC. Essa aproximação pode ser feita pois temos a presença dos dois diodos que fazem a comutação dos resistores que altera as constantes de carga e descarga. Os comparadores internos do 555 deixam o set=1 do FF quando a tensão de  carga no capacitor é igual a 2Vcc/3, quando isso ocorre a saída Q  do FF é setada fazendo o transistor que inicialmente está em corte ir para saturação proporcionando a descarga  do capacitor até um valor de Vcc/3, que quando atingido, leva o Set=0, colocando o transistor em corte novamente. Assim o tempo de carga e descarga é dado por Tc=0.7*Rc*C e  Td=0.7*Rd*C esse processo ocorre de forma repetitiva fazendo a saída do pino 3 (Q' do FF) oscilar de estado alto com um tempo definido por Tc e estado baixo com tempo Td.
Note que Rd necessita ser muito maior que Rc para que o tempo de carga seja extremamente rápido em relação ao de descarga para uma boa aproximação da função triangular (portadora da modulação). Na figura 6 temos a função de carga e descarga da tensão no capacitor gerando a onda triangular para comparação. O período do PWM será dado por T=Tc + Td, na modulação o sinal de áudio proveniente do pré-amplificador é injetado no pino 5 do CI fazendo com que a referência do comparadores mudem com a variação do sinal de áudio, portanto teremos uma alteração no nos intervalos Tc e Td no intervalo de T gerando a modulação PWM.
A saída Q' (pino 3 do 555) é levada para um “drive” de acionamento do diodo laser constituído por um transistor trabalhando nas regiões de corte e saturação.

LM555, como funciona o 555
Figura 5 - Circuito interno do circuito integrado 555


como funciona o 555
Figura 6 - Onda triangular gerada no pino 6 do CI555

             Na figura 7 temos o diagrama completo do circuito de transmissão do sinal de audio por raio lazer. O download do projeto juntamente com o layout de placa poderá ser feito ao final desse artigo.  

Diodo Laser
Figura 7 - Diagrama completo do circuito transmissor.

Receptor de Áudio


No receptor temos um foto transistor com um pré-amplificador na configuração realimentação do coletor, figura 9, para recepção do sinal e demodulação feita por um detector de tom / PLL  com capacitor no pino 1 funcionado como filtro passa baixa para extrair o sinal modulado. Na figura 5 temos o diagrama de bloco do LM567 usado no receptor.

PLL
Figura 8 - Circuito integrado LM567



          Abaixo temos as formulas dada pelo fabricante para o calculo da frequência de tom e a faixa de banda da detecção do tom.

lm567, transmissor de audio

         O sinal modulado é retirado no pino 1 entre o capacitor e o terra funcionado como um filtro passa baixa necessária para demodular o sinal.

O LM567 possui as seguintes aplicações:
  • Decodificador de tons
  • Controle remoto
  • Controle e monitoramento de frequência 
  • Transmissor de sinais de áudio sem fio
  • Precisador de oscilações.

Diodo Laser
Figura 9 - Diagrama completo do circuito de receptor

Resultados Experimentais e Simulados


Temos um ganho de 10db no pré-amplificador do transmissor. As Eq.1, 2 e 3 são usadas para uma analise aproximada. Impedância de entrada 2.8KΩ  e impedância de saída 2.19KΩ. A saída tem uma defasagem de 180° em relação a entrada devido a característica da configuração realimentação coletor.
          Na figura 10 temos a simulação do circuito transmissor, os resistores R4 e R5 em serie com P2 (ajuste fino) e P3(ajuste grosso) determinam a frequência máxima e mínima do sinal modulado. A frequência de oscilação será dado por T=Tc + Td , onde Tc=1,05us e Tdmax=16.48us Tdmin=4.94us. Portanto temos a frequência máxima e mínima  da portadora é Fmax=167KHz e Fmin=57KHz.
             

modulação por largura de pulso, transmissor de audio, eletronica
figura 10 - Simulação da Modulação por PWM.

        No Receptor temos o foto-transistor, que recebe o sinal proveniente do laser, ligado à etapa do pré-amplificador com ganho de 13.4Db. A frequência de sintonia do receptor é dada por F=1/(1.1*R*C), onde R pode variar entre 4,7K a 14,7K,  valor de C é fixo em 1,5nF  assim temos uma faixa de frequência que o LM567 pode detectada entre 41KHz a 129KHz.
            Na pratica o sinal demodulado adquirido foi sintonizado em uma frequência de 62.5KHz. O sinal de áudio é retirado no pino 1 (entre o capacitor e o terra, o capacitor funciona como um filtro passa baixa que é necessário para demodular o sinal). Circuitos mais aprimorados de filtragem para diferentes faixas de frequência ( equalizadores) podem melhorar a reprodução do sinal.
             Observem que no circuito receptor não possuem uma etapa de amplificação de áudio de potência, sendo necessário a utilização de uma caixinha de som (recomendo caixas áudio de computador).


Alimentação e Fontes


A alimentação dos circuitos (transmissor e receptor) devem ser independentes. Cada circuito possui um regulador de tensão permitindo utilizar fontes de alimentação entre 9V a 35V, recomendo a utilização de baterias de 9V ou fontes de 12V, pois são facilmente encontrados nos mercados normais. A polaridade da ligação deve ser observada para evitar a queima dos componentes. As formas de ligação para o transmissor e receptor podem ser observada nas Figuras 11 e 12.


Layout das placas


        Em seguida temos para downloads os esquemas elétricos bem como os layout das placas dos circuitos transmissor e receptor.

Transmissor de áudio
Figura 11 - Transmissor
Layout do transmissor: Baixar


Transmissor de áudio
Figura 12 - receptor
Layout do receptor: Baixar


Componentes para o transmissor:


Resistores
R1-                2.2K
R2-                470R
R3-                680R
R4 e R7-        1K
R5-                4.7K
R6-                 68R
P1 e P2-         10K
Capacitores
C1-                 1,5nF
C2 e C3-         1uF
Diodos
D1 e D2-        1n4148
Transistor
Q1-                 BC548
Circuito integrado
            CI2-                7805
CI1-                555



Componentes para o receptor:


Resistores
R1-                 2.2M
R2-                 1M
R3-                 2.2K
R4 e R5 -       470R
R6-                 4.7K
Capacitores
C1-                 470uF
C2-                 100uF
C3 e C4-         100pF
C5-                 1nF
C6-                 22nF
C7-                 47nF
C8-                 100nF
Diodo
Diodo laser de baixo custo
Transistor
Q1-                 Fototransistor qualquer
Q2-                 BC548
Circuito integrado
CI1-                7805
CI2-                LM567
Diversos: Placa de fenolite cobreada, furador , fio e bateria

Conclusão

  
        A modulação por largura de pulso usando o CI555 e a demodulação com LM567 apresentaram resultados satisfatórios na pratica por serem componentes de baixo custo e comuns no mercado, a técnica de modulação permitiu a implementação de um circuito sem maiores complicações devido a característica do processo de modulação e demodulação do sinal.
          O sinal de áudio extraído pelo receptor possui um pequeno nível de ruído que não foram tratados nesse projeto. Os ruídos poderem ser reduzidos com a troca do Diodo Laser por um de alta qualidade  e/ou adicionando mais etapas de filtragem na saída de áudio. A troca do diodo laser aumentando significativamente o custo final do projeto.


Agradecimento aos Colaboradores


Agradecendo ao meu amigo Daniel Wilson pelo trabalho em grupo na disciplina eletrônica I da universidade federal de viçosa.


14 comentários:
  1. Cara eu queria saber como é ligada a fonte no circuito!

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    1. Olá amigo,
      Cada circuito (Transmissor e receptor) necessita de uma fonte separada de 9V a 12V. A alimentação é feita nas entradas X1 e X2 dos diagramas elétricos. Realmente, não ficou explicado isso no poste... Estarei acrescentando e editando as imagens para esclarecer.

      Obrigado pela visita e por contribuir com o Blog.

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  2. cara ao invés de usar o laser eu poderia usar aqueles modulo rf de 433mhz?

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    1. Bom dia amigo,
      Sim daria sim, você pode tentar fazer a adaptação sim! vai ser necessário fazer algumas adaptações para enviar o sinal corretamente ao modulo transmissor.

      Obrigado pela visita!

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  3. Olá Guilherme, tudo bem? parabéns pela montagem. Com algumas modificações não seria possivel apontar o laser para um objeto metálico ou mesmo uma janela de vidro para receber vibrações de conversas e escutar no receptor? O brigado, boa tarde.

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    1. Oi! Sim tudo bem e você?
      Acredito que seja possível sim. O transmissor (diodo laser) deveria emitir um sinal de portadora e a modulação seria feita mecanicamente no anteparo de reflexão diferentemente do caso do circuito proposto, onde a modulação é feita no próprio transmissor... O receptor deve ser capaz de extrair o sinal modulado... Não sei te dizer que tipo de modulação seria exatamente, pois estaria em função das vibrações do anteparo... acho que se assemelharia a uma modulação por amplitude... Seria uma coisa a se olhar com mais calma para uma solução melhor...

      Obrigado pelo elogio e por contribuir com o blog!

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  4. Olá, tudo bom ? gostaria de saber como o transmissor envia o áudio se não tem um diodo laser, parabéns pelo projeto!

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    1. Boa noite amigo,
      O projeto prevê o diodo laser sim ! Nas figuras 1, 7 e 11 o diodo laser estar sendo apresentado no projeto... Seria essa a pergunta ou ela foi mal formulada por algum motivo ?

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  5. Teria com usar o 555 na frequencia acima de 150KHz.

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    1. Olá,
      Não, o 555 pode trabalhar com frequências de até 100kHz de forma confiável. Para frequência acima de 100kHz, o CI não é recomendado.

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  6. Olá, Boa tarde.
    Não estou conseguindo abrir os arquivos de layout, nem do transmissor e nem do receptor.

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    1. Bom dia Felipe,
      Corrigir o link e o projeto pode ser baixado normalmente;
      Obrigado pela visita!

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  7. Bom noite amigo. Você pode disponibilizar os arquivos para proteus? Gostaria de fazer as simulações.

    Obrigado.

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