【導(dǎo)讀】本文介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的 IR 收發(fā)器設(shè)計(jì)，所產(chǎn)生的 IR 信號(hào)調(diào)制在 10kHz 載頻，然后用單運(yùn)放(MAX4230)放大反射信號(hào)，該運(yùn)放同時(shí)還配置成二階帶通濾波器，解調(diào) 10kHz 的 IR 接收信號(hào)。
本文介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的 IR 收發(fā)器設(shè)計(jì)，所產(chǎn)生的 IR 信號(hào)調(diào)制在 10kHz 載頻，然后用單運(yùn)放(MAX4230)放大反射信號(hào)，該運(yùn)放同時(shí)還配置成二階帶通濾波器，解調(diào) 10kHz 的 IR 接收信號(hào)。
IR 接近檢測(cè)傳感器廣泛用于檢測(cè)物體是否存在、與參照物之間的距離，或同時(shí)檢測(cè)兩者。具體應(yīng)用包括：測(cè)速、自控式水龍頭、自動(dòng)計(jì)數(shù)器或傳送帶物體檢測(cè)、打印機(jī)紙張邊緣檢測(cè)及其它應(yīng)用。新一代智能手機(jī)中同樣采用了接近檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)手機(jī)被壓在人的下顎或耳朵下方時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉 LCD 觸摸屏，避免對(duì)觸摸屏的誤操作。
檢測(cè)物體時(shí)，接近檢測(cè)傳感器首先向目標(biāo)發(fā)射 IR (紅外)脈沖，然后“偵聽”反射信號(hào)，探測(cè)是否存在任何反射脈沖(圖 1)。IR LED 發(fā)射 IR 信號(hào)，任何反射信號(hào)可以由 IR 光電檢測(cè)器捕獲。反射信號(hào)強(qiáng)度反比于目標(biāo)和 IR 收發(fā)器之間的距離，距離越近 IR 反射信號(hào)越強(qiáng)，可以校準(zhǔn)光電檢測(cè)器的輸出，由此判斷目標(biāo)的準(zhǔn)確距離(設(shè)定一個(gè)距離檢測(cè)門限可以判定目標(biāo)是否存在)。
圖 1. IR 接近檢測(cè)傳感器的基本原理
光電二極管探測(cè)目標(biāo)反射回來的 IR 信號(hào)，也可以檢測(cè)到周圍環(huán)境產(chǎn)生的 IR 信號(hào)。設(shè)計(jì)人員需要濾除這些 IR 噪聲，以避免失效檢測(cè)。通用的解決方案是將 LED 發(fā)射的 IR 信號(hào)調(diào)制到一個(gè)適當(dāng)頻率，接收器只檢測(cè)經(jīng)過調(diào)制的 IR 信號(hào)，確保實(shí)際檢測(cè)到的信號(hào)只來自目標(biāo)物體的反射。
圖 2 所示 IR 接近檢測(cè)傳感器具有簡(jiǎn)單的發(fā)射和接收電路，發(fā)射電路包括一個(gè)波長(zhǎng)為 940nm 的 IR LED (IR11-21C)，按照 10kHz 的振蕩頻率閉合、斷開。通過調(diào)整 LED 電流控制發(fā)射功率，從而控制檢測(cè)范圍。為降低功耗，發(fā)射電路通常采用占空比較小(典型值為 10%)的發(fā)射脈沖。
圖 2. 簡(jiǎn)單的 IR 收發(fā)器，檢測(cè)物體是否存在以及物體與收發(fā)器之間的距離。
接收機(jī)電路解調(diào)并放大光電二極管(PD15-22C)探測(cè)到的 IR 信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)的峰值出現(xiàn)在 940nm 波長(zhǎng)。光電二極管輸出交流耦合到運(yùn)算放大器的同相輸入端。交流耦合允許通過 10kHz 信號(hào)，而由耦合電容建立的 300Hz 截止頻率將在運(yùn)算放大器的輸入端抑制直流噪聲和 IR 背景噪聲。
這類電路設(shè)計(jì)中最好選擇低噪聲、帶寬、滿擺幅輸入 / 輸出運(yùn)算放大器(MAX4230)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和放大。另外，運(yùn)算放大器優(yōu)異的 RF 抑制有助于避免 GSM 手機(jī)中常見的 217Hz 蜂鳴噪聲。在 IR 接收器中，運(yùn)放電路配置成增益為 100、中心頻率在 10kHz 的二階帶通濾波器，使得運(yùn)算放大器在放大輸入 IR 信號(hào)的同時(shí)可以利用其帶通濾波器對(duì)輸入 IR 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
沒有 IR 信號(hào)輸入時(shí)，運(yùn)算放大器偏置在 2.5V。輸入端出現(xiàn) 10kHz IR 信號(hào)時(shí)，輸出在 2.5V 上下變化，動(dòng)態(tài)范圍為 5V。運(yùn)算放大器的輸出驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的二極管檢波器，檢波電路對(duì) 10kHz 信號(hào)整流并提供與信號(hào)幅度成比例的直流信號(hào)。模擬輸出信號(hào)(OUT)的幅度與目標(biāo)距離 IR 發(fā)射器的遠(yuǎn)近成比例。可以直接利用該輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，也可以將其送入 ADC 作進(jìn)一步處理。在電路的不同節(jié)點(diǎn)處測(cè)量信號(hào)波形，可以清楚地描述電路的運(yùn)行狀況，圖 3 給出了距離 IR 收發(fā)器 1.2 英寸和 1.4 英寸情況下的信號(hào)波形。注意，這些標(biāo)注了具體編號(hào)的波形分別對(duì)應(yīng)于電路的不同節(jié)點(diǎn)。
圖 3. 圖中波形由圖 2 電路產(chǎn)生，分別代表距離 IR 收發(fā)器 1.2 英寸和 1.4 英寸的物體的反射信號(hào)。
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