探究红外发射器、接收器工作原理李首卿201311141049刘凡 201311141004一、 实验目的1、 探究红外发射器与红外接收器的工作状态(接通电压,伏安特性曲线)；2、 探究红外发射器与红外接收器之间信号的传递关系；3、 探究信号的组成以及信号发射原理；4、 实现红外发生器和红外接收器信息交流二、 实验器材红外发射器x2、红外接收器x2、数字示波器x2、信号发生器x2、定值电阻（180Ω）x2、电流表x2、恒源电压x2、电脑x2三、 实验原理1、 红外发射器的原理及特性由红外发光二级管矩阵组成发光体红外发射器由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成 PN 结，外加正向偏压向 PN 结注入电流激发红外光光谱功率分布为中心波长 830 ～ 950nm ，半峰带宽约 40nm 左右，它是窄带分布，为普通 CCD 黑白摄像机可感受的范围其最大的优点是可以完全无红暴，（采用 940 ～ 950nm 波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长红外发光二极管的发射功率用辐照度μ W/m2 表示一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。
红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁当电压越过正向阈值电压（约0.8V左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性辐射功率随环境温度的升高（包括其本身的发热所产生的环境温度升高)会使其辐射功率下降 红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小辐射强度为最大值的 50% 的角度称为半强度辐射角不同封装工艺型号的红外发光二极管的辐射角度有所不同2、 红外接收器的原理及特性红外接收器工作原理与红外发射器相似，其本质为一个三极管，一般是接收、放大、解调一体头，一般红外信号经接收头解调后，数据 “0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上在接受到光照或者所接电压改变时，其电阻会改变，在没有光照，稳定接通电压下，其电阻十分大（几千Ω），有光照时电阻会下降到几百欧姆3、 红外发射器与红外接收器之间的信号传递红外发射器在接通后，随着信号发生器输入的电压信号变化，发射出不同的红外信号，将红外接收器安装在信号有效接收距离之内，并加上稳定的接通电压（此实验我们选择电压为4.0V）。
将接收二极管与示波器相连，收集红外接收器的电压在一个周期内的波形，设计程序，找出其中对应的信号四、 实验步骤1、 红外发射器的特性：测量红外发射器伏安特性曲线，得到红外发射器的阈值电压和正、反方向；2、 红外接收器的特性：改变通过红外发射器的电流强度和发射器与接收器之间的距离，分别测量接收器的伏安特性曲线；3、 探究信号的组成：通过红外遥控器、红外接收器和数字示波器的组合，显示红外遥控器发射信号的组成结构与特点；4、 简单信号尝试：输入一串简单波形，红外发射器发射并红外接收器接收；5、 意义信号尝试：通过LABVIEW编写控制信号发射和接受的程序，将信号规律化，赋予其信息意义，红外发射器发射并红外接收器接收；6、 信号的沟通：两个主控台分别发射并接收信号五、 实验内容详细分析1、 红外发射器的特性在此步骤的电路中，主要使用数据采集卡控制电压输出以及数据的采集输入电源电压通过Labview中的DAQ助手简单编程控制输出，使其数值均匀增大同样通过DAQ助手采集电路中红外发生器两端的电压值和通过的电流值数值将电压电流值画图处理得到红外发生器的伏安特性曲线可以看出其本质是一个红外二极管，具有正反方向以及阈值电压的特点。
反向电压不做讨论，通过读图可以得到：正向的阈值电压是1V左右也就是说之后的实验中我们需要控制红外发射器两端电压使其高于1V以便正常发射信号另外区分红外发射器正向与反向，方便实验器材的组装2、 红外接收器的特性同样使用数据采集卡控制红外接收器电流、电压数据的采集在红外发射器的回路中，采用可调的恒流电源，并串联接入电流表固定发射器与接收器距离后，每当选定一个红外发射器所在回路中的电流值，改变红外接收器回路中的电压值并采集其电流、电压数据使用MATLAB作图分析：横坐标为电压值，纵坐标为电流值首先观察同一幅图片中的九条曲线的特点非常明显地可以看出来每一条曲线都具有两个拐点，其形状像一个“S”第一个特点：九条曲线左下方的拐点基本重合，电压值为同一数值，此电压便是红外接收器的触发电压无论红外发射器的功率多么大，红外接收器端的电压若没有达到此电压值，电路便无法导通，红外接收器无法正常工作第二个特点：达到触发电压后，随着电压增大，电流值迅速攀升，经过右上角的第二个拐点进入一个平稳的阶段并且达到饱和值比较九条曲线可以知道，红外发射器的功率越大，即光强越强，红外接收器的饱和电流值也越大然后通过两幅图之间的对比可以发现，其红外线的强度随距离增大迅速衰减，在接收器和发射器之间距离是零的时候，100mA的发射器电流强度，接收器的电流强度饱和值可以达到接近7mA；然而当距离增大为两格，饱和电流强度仅仅接近1.8mA。
这一步实验是为了确定最好发挥红外接收器工作性能的环境通过实验结果可以得到：其一控制红外接收器回路的电压为3V-4V之间，此工作电压状态下其电流可以达到饱和值，即红外接收器的电流可以跟随红外发射器端的电流变化而变化，完成信号的传递；其二我们红外发射器的功率并不大，在实验中为了保持精确尽量缩短接收器与发射器的距离3、 探究信号的组成此图是利用数字示波器获取的美的空调遥控器其中一个按键发出的信号一个简单信号有下面几个特殊部分构成（猜想，由左至右）：第一部分是启动子，作为一串信号的开头，不发生变化；第二部分为密码子，分为占空比较大和占空比较小两种形状，分别代表“1”和“0”，传递信息；第三部分为连接部分，连接两个部分的信号，可能具有终止子的作用；第四部分同第二部分也是密码子改变不同的按键，改变的仅仅是二、四两个部分中的某一个“0”或“1”而且此信号是在一段高频载波上通过调制做出来的4、 信号的编制与接收保持通过红外发射器有效电流为20mA，红外接收器路端电压为4V，信号有效长度（密码子个数）为8位电路图如下：红外发射器LABVIEW编程如下图所示：我们所做的信号只包含启动子和密码子，并没有终止子（在识别的时候直接挑选启动子后的密码子事先规定好的具体个数作为所传递的信息）。
我们的启动子是100hz占空比为1/2的方波，密码子有两个,为10hz占空比为1/4的方波和占空比是3/4的方波，分别代表“0”和“1”密码子一共八位，启动子在整个数组的最前边此程序便是对上述语言的转述红外接收器LABVIEW编程如下图所示：此程序较为复杂，里面包含了一个for循环和一个while循环，同时循环中还内置了复杂的条件语句我们先来看for循环，此部分程序首先将传来的方波信号进行去杂处理，挑选峰峰值的一半作为判断依据，将高压变为1和低压变为0；接着根据启动子和密码子“0”、“1”的数值特点：启动子为十组1、1、0、0；“0”的特点为10个连续的1和30个连续的0；“1”的特点则是30个连续的1和10个连续的0连续的1不断相加，0则不作任何处理，这样我们便得到了一组仅有2、10和30组成的数组附图为未处理的信号波形后面的while循环是为了判断启动子的程序，启动子在新的数组中的特点是十个连续的数字2通过条件判断数出2的个数，当其等于十的时候便意味着找到了启动子此时进行最后的判断，从启动子往后的八个数字开始判断与20的大小，将数字转化为代表信息的“0”和“1”5、 信号的沟通分别由两台电脑各控制一套发射和接收装备。
实验非常成功，“海峡两岸”成功进行了信息准确的传递和沟通实验到此结束六、 实验不足与改进此实验中的不足以及需要改进的地方还是蛮多的：1、 在测量红外发射器特性的时候并没有测量当电压达到何值时可能其达到功率饱和的状态因此在做实验的时候仅仅通过试验选取了一个较小的适当的电流如果能够接着深入研究的话应该对其进行详细测量2、 在测量红外接收器特性的时候并没有定量地对距离的影响进行分析预测量，仅仅做到了定性同样处于实验结果精准的考虑仅仅通过试验选取了一个较小且适当的距离3、 真实红外遥控器的信号以高频信号作为载波，可以防止空间中的噪声但是由于技术性的缺陷并没有做到将信号调制到高频载波上4、 红外发射器的功率较小，发射距离太短了我们稍微拉远发射器和接收器间的距离或改变角度，红外接收器探测的信号便会迅速衰减甚至无法接收到信号基本没有应用价值，仅仅可以作为理论学习5、 并无法做到像红外遥控器那样一次仅发射出一串信号，实验中我们是不断的发射信号其缺点一是增大功耗；二是使接收信号的程序尤为复杂，需要从连续不断的数据中找到一串信号的开头6、 想要和真正的遥控器一样工作，路还远着呢。