适合于高校电路实验课用的光导纤维通话机

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

一般高校的模拟电路实验室由于资金紧张，其实验设施都比较简陋，更新换代也比较慢；加上师资的问题，原创性的电路实验更是稀缺。在业余条件下，我们充分利用现有设施或元件，设计制作一个比较简单但颇有意思的电路实验：光导纤维通话机。

通过该实验，不但使学生可以掌握放大器的工作原理、电信号耦合的方式；还可以掌握光信号如何被电信号调制并且发送出去；掌握接收端的被调制光信号如何转变为电信号，前置放大器的作用，功率放大器的作用。

光导纤维通话机的制作不必追求像专业设备一样的精确性，比如通过专业的单模光纤收发器传送单模光信号，可以传送20 km而没有多少衰耗，而我们制作的光导纤维通话机由于业余制作,元器件也是常用的配件，故传送距离很短而且声音不是很清晰，但只要声音信号能够被传送到隔壁实验室而且能够稳定接收就是我们实验的成功[1]。

这个电路实验如果制作得宜，在10 m范围内通话并没有多大困难，该设计同样适合于通信专业的实验。

1 光导纤维通话机电气原理

光导纤维通话机电气原理如图1所示，从图1可以看到，通话机电路由MIC电路、共射放大器电路、电光调制电路、光导纤维电路、光电转换电路、前置放大电路、功率放大电路、扬声器电路组成。

图1 光导纤维通话机电气原理图

1.1 发信电路

图1的左侧是发信电路，右侧是收信电路，中间是光导纤维。发信电路主要由两枚晶体管组成，MIC电路选用驻极体电容麦克风(Electret Condenser Microphone)，驻极体麦克风使用了可保有永久电荷的驻极体物质，不需要再对电容供电，若驻极体麦克风中内置放大电路，则需要供电。

电解电容C3对9V供电电源去耦，电源通过电阻R1为MIC提供偏置电压，MIC对人的对话进行拾音，将人声转换为电信号。

电信号通过电容C1耦合至由晶体管T1、基级偏置电阻R2、集电极偏置电阻R3组成的共射极放大器，共射极放大电路的结构简单，具有较大的电压放大倍数和电流放大倍数，输入和输出电阻适中，但工作点不稳定，一般用在温度变化小，技术要求不高的情况下[2]。

经过放大以后的人声电信号通过耦合电容C2进入由晶体管T2和发光二极管D1组成的电光调制电路。

目前光纤通信系统中常用的光源主要有两种：发光二极管(LED)和激光器(LD)，激光器由于在调制速率和耦合效率方面都明显优于发光二极管,所以一般适用于大、中容量的长距离通信系统，同时由于电流—光输出特性线性较差，所以多用于光纤数字传输系统。发光二极管除了没有光学谐振腔外，其他与激光器相同。发光二极管的特性不如激光管，主要区别表现在发光二极管发出的是萤光，不象激光那样具有较好的单色性和方向性，同时调制速度较低，谱线宽度较大，与光纤的耦合效率低，但是发光二极管也有不少优点，例如电流—光输出特性曲线线性好，使用寿命长,成本低,可靠性高，因此特别适用于中、小容量数字和模拟光纤传输系统[3]。

晶体管T2本身也是一个共射极放大电路，负责把放大以后的光信号传送出去，T2的集电极与电阻R6间串接一枚发光二极管(红色)，基级由电阻R6得到偏置电压；另一方面，被T1放大以后的声音电流通过耦合电容C2进入T2的基级，使T2集电极所接LED的光成分中加入了声音电流，这个过程称为声音对光进行调制。

LED在这种情况下所产生的光线通过光导纤维传送到收信电路。

1.2 收信电路

收信电路部分主要由光电管T3构成的光电转换电路、由晶体管T4构成的前置放大电路、以及由集成电路IC1构成功率放大器电路组成。

光电管T3的任务是把来自光导纤维的光信号转变成电信号，其电流信号由偏置电阻R7提供，转换后的电信号交给由晶体管T4及偏置电阻构成的前置放大器放大。

前置放大器与功率放大器的作用并不一样，前置放大器是指置于信号源与功率放大器及之间的电路或电子设备，是专为接收来自信号源的微弱电压信号而设计的。前置放大器大致有四方面的作用：1) 可以提高系统的信噪比(由于前置放大器紧靠探测器，传输线路短，分布电容Cs比较小,故提高了信噪比)；2) 可以减少外界干扰的相对影响(传感器信号经前置放大器初步放大)；3) 合理布局,便于调节与使用(由于前置放大器为非调节方式,主功放可以调节放大倍数、形成常数)；4)实现阻抗转换和匹配(前置放大器设计的特点是输入阻抗较高,输出阻抗较低)[4]。

经过前置放大以后的电信号通过输出电容C5、声音调节电位器VR进入集成电路IC1(LM386)的第2脚，IC1及外围元件构成音频功率放大器，将前置放大以后的电信号进一步进行放大，功放以后的音频电信号从LM386的第5脚输出，通过输出电容C9交给扬声器发声。

LM386内部电路与通用型集成运放相类似，同样包括三级放大电路，第一级是差分放大电路。LM386是一种音频集成功放电路，具有输入电阻较大、自身功耗较低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件较少和总谐波失真小等的优点。LM386放大器有多种设计应用方式，选择不同的设计方式可以取得不同的放大倍数，LM386引脚1和8为电压增益设定端，通过在这里添加一个10μF的电容C6，可使LM386增益变成200；使用时如果在引脚7和地之间接旁路电容C10，可以起到滤除噪声的作用，电路工作稳定后，该管脚电压值经实测约等于电源电压的一半，经试验如果增大这个旁路电容C10的容值，可以减缓直流基准电压的上升、下降的速度，从而有效抑制噪声，实际上在电源开关S2通断时喇叭发出的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，故这个旁路电容C10最好别省。

为了减少收信电路的噪声，提高系统信噪比，前置放大和功率放大的供电各自通过电容C4、和C8独立去耦。

2 制作

该套系统的设计并不难，制作却是重点和难点，由于本机所用的元件均常见，或不难在市场买到，光敏晶体管T3也不一定拘限于使用TPS603，但在安装制作前一定要确知哪一脚是E或C，它的感光面是在管的顶部，至于那枚发信侧的LED，除了要用红色的之外，要选用高亮度的，高亮度的LED要比一般的LED更亮、更稳定，可以提高制作成功率。至于驻极体电容麦克风也是非常熟悉的零件，不再赘述。

组装整机的时候，由于零件不多，可用自制印刷电路板，或者万能印刷线路板处理。

光导纤维通话机安装、调试成败的关键，在于光导纤维的连接，由于一般高校模电实验室很少会购买专业的光纤熔接机，原因在于光纤熔接机的昂贵、及使用时比较复杂，所以设计这个光导纤维通话机时仍然由于成本的原因，我们也不会使用专业的光纤收发器进行光与电的转换。

普通电导线的连接只要焊接好后便能正常工作，而光导纤维的连接与导线的连接不同，光导纤维的连接较为复杂。其一，首先是光导纤维的切割问题，切口一定要平整、光滑，因此要用特别锋利的刀片来切割，切忌用剪钳之类来剪；其二，由于没有光纤熔接机和不使用光纤收发器，这就要求我们在业余制作的时候，要求光导纤维的首尾两端与两个半导体(LED和光敏晶体管)有非常贴切、紧密的“光接触”，图2绘出了业余制作的方法。

从图2可以看到，光纤与半导体的接触点最好能经实验最后确定，并及时用快干胶加以固定，并加上两小段塑胶套(或管)，把光导纤维固定，因此这一塑胶套(或管)要配合LED和光敏晶体管的管身直径来选择，其管径大小要适合，另外塑胶管应该用黑色或较深色的，目的在于防止外来光线由此进入。

图2 光纤固定方法示意图

至于光缆，并不需要购买，可以利用各大通信公司废弃的缆线即可，单模、多模皆可，这些东西并不难找。

如果没有接线错误，一个光导纤维通话机就可使用啦，这样的光导纤维通话机可以很容易地多做几套，作为学校的模电实验课程来对待。

3 结语

高校开展实验课的目标是培养动手能力，光导纤维通话机的设计在理论方面并不复杂，电路系统的每一部分在教材上都有详尽的理论介绍；难点在于制作，故这个光导纤维通话机恰好符合高校实验课的要求。

最终制作完成的通话机虽然完全不能跟专业的通讯设备比通话质量，但通过制作的每一步的实现，能激发同学们的做实验课的兴趣。如能采用专业的光纤收发器加以传输话音，通话效果会好得多，但设计难度也困难不少，不太符合高校实验课的要求。