工作原理、电路设计及调试过程。该无线耳机分为发射和接收两部分，采用频率调制方式，对音频信号进行处理。其传输距离良好、接受范围大、成本低廉。
Abstract： Infrared wireless earphone has good stability， and is widely used in various kinds of remote control， radio， and early mobile phones. Based on the principle of frequency modulation and phase lock loop technology， this paper designs an infrared wireless earphone based on phase-locked loop CD4046， and introduces its working principle， circuit design and debugging process in detail. The wireless earphone contains two parts， transmitting and receiving. It adopts frequency modulation method for audio signal processing. It has good transmission distance， large receiving range and low cost.
关键词：红外无线耳机；频率调制；CD4046；锁相技术
Key words： infrared wireless earphones；frequency modulation；CD4046；phase-locked technique
中图分类号：TN643 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）04-0136-03
0 引言
计算机和通讯设备正在经历着从有线设备与网络向无线设备与网络的巨大转变。为了使耳机产品使用更加便捷，各大公司大力开发无线耳机，而红外线作为一种光波，其无线传输只受强光影响，具有极大的稳定性，因此被广泛应用在早期的手机、各种遥控器和无线鼠标当中。带宽是红外无线技术最大的优势，换句话说，音频产品采用红外无线技术将能够传输更大容量的信号，且音质效果更好[1]。信号的调制方式主要有调幅、调频及调相三种。其中频率调制的应用最为广泛，它比其它两种调制方式更具优势，不仅经济性更强，而且抗干扰能力强，音质良好。锁相环技术[2]（PLL）是一种能自动跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。该技术在频率调制方面作用显著，被广泛应用在很多相关领域，比如导航、雷达、通信、电视、广播等。
锁相环集成电路CD4046的最高工作频率1.3MHz，电源电压3-18V，属于低频多功能单片数字锁相环集成电路。该电路与其他电路相比具有很多优势，比如功耗低等，所以被广泛应用在很多方面，比如频率的编码和译码、遥控系统、频率合成、频率调制与解调等。正因如此，本设计采用了红外技术和锁相环制作而成，使用频率调制方式，用红外线传送音频信号的调频红外无线耳机。如此一来该耳机几乎不受电磁干扰，确保了良好的音质，而且供电方式多样，传输距离远，具有较高的性价比[3]。
1 工作原理
红外无线耳机系统首先将收到的音频信号转化成红外信号，以便更好的进行无线传输，之后将收到的红外信号转化为音频信号，而人耳最后接收到的属于声音信号，声音信号是由音频信号转化而来的。调频红外无线耳机有两部分组成，分别是发射机和接收机。具体框图及组成如图1、图2所示。
发射端和接收端均采用CD4046组成的电路。数字锁相环CD4046由鉴相器PCI与PCII、压控振荡器VCO、源跟随器够成，通过外加环路滤波器对信号进行滤波。CD4046结构图如图3所示。其中相位比较器PCI要求输入信号为方波，并且要求方波信号的占空比为50%.相位比较器PCII是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络，对输入的方波信号占空比无此要求[4]。
工作过程如下：从9端输入音频信号时，4端可输出受输入信号调制的调频信号。由于调频时要求VCO有一定的频率范围（频偏），所以不用R2压缩带，即R2为无穷大。仅用R1和C1确定VCO的中心频率。
2 电路设计
2.1 发射部分
发射机电路[5]的作用是将音频信号转换成被音频信号调制的红外信号，其主要包括：
①频率调制电路，其由锁相环集成电路CD4046构成；②红外发射电路，其由红外发射二极管构成。
音频信号通过电容Cl耦合到共集放大电路。不影响共集放大电路的静态工作点是C1的作用。共集电极放大电路的作用是把交流信号耦合到静态工作点的直流上，让交流信号在一个直流量的基础上变化不同的电压值就对应了不同的频率，电容C3和变阻器R2的作用是共同决定了CD4046的振荡频率，叠加在直流上的交流信号，对应不同频率的方波信号在锁相环的4脚输出，然后再发射管上得到相应频率的信号，声音信号通过电容藕合到共集电极电路[6，7]，此时变化的交流信号到了三极管的静态直流上信号到达集成锁相环后，把变化的电压信号转化为变化的频率信息，然后通过发射驱动光电二极管。电路图如图4所示。
2.2 接收部分
接收机电路（把接收被音频信号调幅的红外信号转换为音频信号）包括：①集成电路MAX9722构成的音频功放电路；②集成电路LM311构成波形整形传输电路；③相环集成电路CD4046组成频率解调电路；④红外光电二极管构成红外接收电路。
红外信号携带信息，但需被红外接收电路转化为同样频率的电压信号，只有这样整形电路才能将电压信号整形为标准的方波信号。集成锁相环开始跟踪方波频率信号，并将其转化为声音信号，同时送到功放电路进行放大，接收电路把光信号转化为电流信号，变化的电流信号通过电阻转化为变化的电压信号[8]。LM3ll是一个电压比较器，通过过0比较，把电压信号整形为标准的方波信号输出。
需保证接收电路中发射电路的中心频率要和中心频率一致，由电容C4和电阻R8决定，R9和电容C5对频率信号进行滤波，然后由源跟踪器10脚输出模拟信号，R7和LED2起指示灯的作用。电路图如图5所示。
3 调试过程及实验数据分析
红外发射电路中，通过调节共基级放大电路的滑动变阻器，把静态工作点调节到一个合适的电压，使晶体管处于放大区，VCE电压在lv左右，此时调节CD4046集成电路11引脚处的滑动变阻，使静态工作点电压对应60KHZ的频率。当输入正弦信号时，CD4046的输出电压以60KHZ为中心频率上下波动，从4脚的输出看到，调制输出的信号为方波信号并稳定在60kHZ。如图6-9所示。
红外接收模块电路中，红外光电二极管通过以合适的位置和角度对准红外发射二极管并接收信号，然后进行光信号到电信号的转换。信号通过电压跟随器LM311把电压信号转换为标准的方波信号，再输入到CD4046构成的解调电路中，解调出来的信号进入由集成电路MAX9722构成音频功放电路。通过调节R9和R10，耳机的音量具有从大到小的调节功能。
4 结论
锁相电路设计过程中，对输入信号进行处理，在锁定过程中，滤波器的设计尤为关键，决定着输出的频率。调试过程中，一一进行电路检测故障排查。
红外无线耳机设计过程中，输入60kHz的正弦信号，经过红外发光二极管发射和光电二极管接收，使蜂鸣器发出声音。但在这个过程中，红外发光二极管和光电二极管必须有个合适的角度和位置才可使信号得以传输过来，由于设计过程中涉及多个滑动变阻器，在调试过程中必须取得合理的数值。再者，由于外部干扰太大，持续实现最终过程比较困难。在红外发光，光电信号转换过程中，存在很大的改进。
整个设计过程围绕锁相电路展开，从基础的锁相电路设计到锁相环应用设计，贯穿红外无线耳机设计过程中包括光电信号转换过程。进一步熟悉了光电知识。很好的做到了光电知识的衔接。电路设计过程中，需要熟练掌握所用芯片的使用说明书，并对其进行分析、归纳总结，再完整的设计电路。
参考文献：
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[2]戴逸良.频率合成与锁相技术[M].北京：中国科技大学出版社，1995：73-76.
[3]余义雄.基于调频技术的红外音频传输设计[J].四川大学学报：自然科学版，2014（3）：32-34.
[4]卢汉生，侯山峰.基于锁相环集成电路CD4046的红外无线耳机设计[J].光电工程，1997-10-28.
[5]程永佳.发射式电视伴音无线耳机[J].家电检修技术，2006（3）.
[6]王鹏宇，吕善伟.数字锁相环的设计[J].宇航计测技术，2012（03）：21-24.
[7]赵彦芬.频率合成器环路滤波器的设计[J].无线电工程，2006（04）：39-41.
[8]Wangweiqing； Shenbo； Tan Haiming. design [J] PLL IC CD4046 based infrared wireless headphones Jianghan University （Natural Sciences）， 2009-06-25.