有線雙工對講機設計制作報告.doc

有線雙工對講機項目設計制作報告（上海大學）二零一三年 三月 一日一、 項目設計的題目及要求設計一個有線對講機功能描述：不像電話機需通過電信局的中轉(zhuǎn)，有線對講機是用導線直接連接，當“通話”按鈕按下時可以通話。設計要求： 一般要求：半雙工通信，“講”時不能“聽”，“聽”時不能“講”，由“通話”按鈕來切換狀態(tài)。附加要求：全雙工通信，像電話機一樣，“聽”和“講”可以同時進行。1、電路設計簡單合理，設計分析計算過程清晰。2、電路工作穩(wěn)定可靠，喇叭聲音清晰。3、全雙工通信時沒有回聲。二、設計準備及總體思路 當確定分組、組長，選定項目設計的題目之后，我們首先進行了合理的分工，分配大家的任務，然后我們大家各自查閱有關制作有線對講機的資料并自學一些必要的知識，兩周后小組一起討論確定項目實施方案，完成中期報告。我們設計的目標是實現(xiàn)全雙工通信，總體思路是：（全雙工通信又稱為雙向同時通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接受信息的信息交互方式。全雙工（Full Duplex）是 在微處理器與外圍設備之間采用發(fā)送線和接受線各自獨立的方法，可以使數(shù)據(jù)在兩個方向上同時進行傳送操作。指在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時也能夠接收數(shù)據(jù)，兩者同步進行，這好像我們平時打電話一樣，說話的同時也能夠聽到對方的聲音。） 利用麥克風將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過隔直電容后輸出微弱的電信號。 經(jīng)過前置的運算放大器電路和功率放大電路將微弱的電信號放大。 為防止側(cè)音的干擾，電路中需要消側(cè)音電路，消除通話過程中的回音，使得在進行通話時聽不到喇叭傳來的自己的聲音，提高通話質(zhì)量。（側(cè)音通常指在終端設備（例如電話機）中，發(fā)端信號經(jīng)處理后，其中一部分回饋到自身接收電話的那部分信號。） 為了減小噪音，提高聲音的清晰度，我們設計添加了一個低通濾波器電路。 最后信號傳輸?shù)嚼?，喇叭將電信號轉(zhuǎn)化成聲音信號，發(fā)出聲音。 設計有線雙工對講機的原理可以用如下所示的系統(tǒng)圖表示。主要由弱聲音采集、前置放大器、消側(cè)音電路、低通濾波器電路、功率放大電路、揚聲器等組成。 放大電路消側(cè)音電路低通電路 信號源1 音頻放大電路放大電路信號源2消側(cè)音電路低通電路音頻放大電路傳輸線傳輸線輸出輸出三、 元件的使用清單功率放大器：TDA1013B兩片運算放大器：A741 四個駐極體話筒：2個揚聲器：兩個電位器：4.7k 2個 10k 2個三極管：2個電阻：1k 10個 4.7k 6個 6.7k 2個 10k 10個 220k 2個電容：0.01F 4個 0.1F 10個 1F 2個 6.8F 2個 10F 8個 220F 4個洞洞板：兩塊導線：若干四、 具體設計1、 駐極體話筒的結(jié)構與工作原理駐極體話筒由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。駐極體話筒與電路的接法有兩種：源極輸出與漏極輸出。不管是源極輸出或漏極輸出，駐極體話筒必須提供直流電壓才能工作，因為它內(nèi)部裝有場效應管。話筒的基本結(jié)構由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構成。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當聲波引起駐極體薄膜振動而產(chǎn)生位移時；改變了電容兩極版之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式：Q =CU 所以當C變化時必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號，實現(xiàn)聲電的變換。根據(jù)所查資料及實際電路測試，當上拉電壓為12V時，駐極體話筒需加10k的上拉電阻，經(jīng)過一個隔直電容后輸出微弱的電信號，測量駐極體話筒輸出波形的峰峰值約為100200mv。2、 喇叭喇叭的額定功率為0.5w，額定電阻為8，因此為小電阻用電器，而運算放大器只放大電壓不能放大電流，外接小電阻用電器運算放大器容易損壞，因此輸往喇叭的電信號要經(jīng)過特定的功率放大器進行放大才能輸出合適的電信號。3、 功率放大器對于功率放大我們除了使用功放芯片外也可以用運算放大器A741后面加一個PNP和一個NPN連接后輸出，但實驗室沒有PNP只有NPN。因此我們選用實驗室提供的型號為TDA1013B的功率放大器。電路原理圖如下：利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉(zhuǎn)換為按照輸入信號變化的電流。因為聲音是不同振幅和不同頻率的波，即交流信號電流，三極管的集電極電流永遠是基極電流的倍，是三極管的交流放大倍數(shù)，應用這一點，若將小信號注入基極，則集電極流過的電流會等于基極電流的倍，然后將這個信號用隔直電容隔離出來，就得到了電流(或電壓)是原先的倍的大信號，這現(xiàn)象稱為三極管的放大作用。經(jīng)過不斷的電流放大，就完成了功率放大。通過資料查閱與電路設計，項目實施中實際使用的TDA1013B伴音功放電路(TDA1013B引腳功能圖)的電路圖如下：4、 運算放大器使用運放來初步放大話筒輸出的微弱的電信號，放大倍數(shù)為10倍，輸出信號峰峰值為12V。電路圖如下所示，有R2=10*R1，取R1=1k，R2=10k,R3=1k。5、二階RC有源低通濾波器人所發(fā)出的聲音頻率為300HZ3400HZ，低頻較低，因此設計一個低通濾波器來濾除雜音，提高聲音清晰度。低頻增益A(0)=2，Q=1, f=3.4kHz。根據(jù)該電路低頻增益A(0)=K=1+R3/R4=2，Q=1/3-k=1,可知R3=R4,選R3=R4=10k。根據(jù)截止頻率f=3.4KHz可求得f=w/2=1/2RC。選C=0.01F，算出R=1/(2fC) 5.3K.考慮實際手邊可用的電阻沒有5.3k的，隨著此電阻的增大通頻帶會減小，所以只能適當?shù)臏p小電阻，取實驗室提供的電阻4.7k，二階RC有源低通濾波器的電路圖如下所示：6、消側(cè)音電路利用三極管的C,E極輸出信號與E極輸出的信號幅度相同，相位相反，可以相疊加后將信號消去。三極管采用型號9013.，電位器104。為了使三極管正常工作，在三極管B端由R1和R2分壓，三極管的靜態(tài)工作點4.5V，則令=，由于有=0.7V，則，.令R3=R4=1，則由得。設,那么，考慮實驗室可用的電阻且基本滿足上述比例取R1=6.8k，R2=4.7k。電路圖如下：消側(cè)音電路7、各部分電路都有了設計方案后，我們在軟件Multisim 11.0上進行了模擬，驗證了各部分電路都能實現(xiàn)應有的功能，我們就將各部分電路連接起來，繪制完整的實施電路圖，如下圖所示：五、 電路焊接及調(diào)試過程原理部分設計完成后，我們就進行電路焊接，將電路圖用實物呈現(xiàn)在電路板上，為防止出現(xiàn)問題時難以尋找錯誤，給調(diào)試帶來難度，我們首先沒有把各部分功能塊電路連接在一起，而是分模塊進行調(diào)試。最后確定每部分都沒有問題后，將電路整體連接進行最終的調(diào)試。1、 各部分電路調(diào)試首先是駐極體話筒的輸出，在外加12V穩(wěn)壓電源，上拉電阻10k的情況下，經(jīng)過一個隔直電容后輸出，測試輸出信號峰峰值不超過200mv，滿足初期測試結(jié)果。驗證前置運放也能達到放大十倍的效果。其次是消側(cè)音的電路，接傳輸線的位置信號與輸入信號相同，接自己喇叭的位置通過調(diào)節(jié)10k的滑動變阻器可以使得輸出為零，從而達到消側(cè)音的目的。對于低通濾波器電路，由于沒有5.3k的電阻而用4.7k的電阻代替，使得通頻帶略有擴展，截止頻率為4k左右，但對性能的影響不大，可以使用。功率放大的電路通過一個滑動變阻器可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，測試得電壓放大倍數(shù)為幾倍到幾十倍，加上前置的運放電路能夠滿足放大的要求，且可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來調(diào)節(jié)輸出音量大小。2、總體電路調(diào)試各部分都能實現(xiàn)功能后，我們將實際電路連接起來，連接長度3米的傳輸線進行測試，可是又出現(xiàn)了新的問題：當一方說話時，兩個喇叭都能聽到聲音，而且聲音大小還相差不大，也就是消側(cè)音電路沒有起效。面對這個問題，我們首先將傳輸線斷開，對每一方的電路進行測試，發(fā)現(xiàn)對著一方話筒說話時，自己的喇叭并沒有輸出，消側(cè)音電路是有作用的，但是連接傳輸線后消側(cè)音電路再次失效。我們一時陷入無助，重新查找資料來驗證傳輸線的接法是否有問題，可是經(jīng)過大量的資料查閱，電路的接法并沒有問題，因此我們只好求助老師。最終還是老師指點迷津，指出了問題所在：如下頁圖所示，當連接了傳輸線以后，對于交流信號，Vcc看成接地，兩個1k的電阻相當于并聯(lián)，原先接1k處的電阻相當于減小了，當不接傳輸線時通過電阻平衡能起到消側(cè)音的目的，而接了傳輸線便不再平衡，也就不能消除側(cè)音了，老師建議將原來1k的電阻換成2k。找到了問題所在，我們便按照老師的方案在Multisim軟件上進行仿真，誰料此方案也不能消除側(cè)音，還是會有?？紤]到應該是電容對交流不能真的短路，可能還會有一定阻抗，上下仍然不平衡導致此方案的不成功。最終想到改變電阻也只是為了使上下平衡，而10k的滑動變阻器起的就是可以通過調(diào)節(jié)它來平衡上下的作用，所以我們想到了連接了傳輸線以后，為了達到消側(cè)音的目的可能滑片的位置并不與不連傳輸線時相同 ，當連接傳輸線以后重新調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片的位置可以使上下平衡。然后我們就以此方案進行仿真，果不其然，可以消除側(cè)音，于是進行實際調(diào)試，調(diào)節(jié)電位器滑片的位置能夠?qū)?cè)音消除，保證通話的質(zhì)量，使得全雙工通話無回聲，至此，項目制作完成。六、 項目制作結(jié)果經(jīng)過理論和實踐的努力，本小組成功設計出一個用導線直接連接的有線對講機，實現(xiàn)了“全雙工通信”的要求。并且喇叭聲音清晰，通話過程中沒有回音。七、團隊分工合作情況這次的課外設計提升了我們的實踐能力和團隊合作能力。在項目設計的初步階段，查找了很多相關資料，對多種電路進行分析和比較，則優(yōu)選擇最佳的實驗方案，焊接電路的時候，雖然有失敗，但是很快就能找到原因。從電路分析，設計到最后焊接，每個環(huán)節(jié)都有很大收獲,我們也學到了很多課外的知識。主要負責協(xié)助負責查找資料全體組員分析實驗原理全體組員設計電路夏軍旗 伍 偉汪微龍 武 斌韋尚暢焊接電路汪微龍 武 斌夏軍旗 伍 偉韋尚暢調(diào)試電路夏軍旗 汪微龍武 斌 伍 偉韋尚暢撰寫報告夏軍旗 汪微龍韋尚暢武 斌 伍 偉八、 心得體會花了幾周的時間對此課外項目進行設計，現(xiàn)在項目制作完成了，有很多心得體會。在完成項目的過程中最大的感受就是課堂上的理論可能看起來并不是很難，但是要想活學活用卻還有很長的路要走。在實際的項目制作中要嚴謹，一個細節(jié)的出錯都可能會造成不可預估的錯誤，而且還會給調(diào)試帶來很大的難度。在設計項目的時候我們在保證嚴謹?shù)耐瑫r還要有足夠的自信，相信自己的判斷力，當然這要是在有理論支撐的基礎上的。我們要敢于嘗試，敢于測試，原件的功能，參數(shù)，使用的效果都從測試中得來。遇到困難的時候要敢于不斷嘗試，有足夠的耐心去尋找錯誤，適當?shù)臅r候還可以尋求老師同學的幫助。這些經(jīng)驗我們要在以后的項目制作中多加利用。相比上個學期的電路課程項目，我們遭遇到了更多的麻煩，但同樣是這一次考驗，讓我們從中得到了磨練，增長的知識。知識是學不完的，能力是不斷增長的，在團隊的共同努力下，成長、收獲，勢在必得。單單掌握理論的知識是完完全全不夠用的，到了社會中，也許學到的理論知識只用上了一小部分，可實踐知識、技能卻畫上了大大的需求符號。只有理論與實踐結(jié)合，才是一個完整的工科學生。九、 參考文獻【1】 模擬電子電路及技術基礎（第二版），孫肖子 主編，西安電子科技大學出版社；【2】 電工與電子技術，王鴻明 主編，高等教育出版社；【3】 http: