模拟电子技术课程设计 -双工对讲机设计

课程设计说明书

课程名称： 模拟电子技术课程设计

题 目： 双工对讲机设计

学生姓名：

专 业：电子信息科学与技术

班 级：

学 号：

指导教师：

日 期： 2012 年 12 月 21 日

双工对讲机设计

一、 设计任务与要求

1、元件采用集成运放和集成功放及电阻、电容等，实现甲、乙双方异地有线通话对讲功能；

2、用扬声器兼作话筒和喇叭，双向对讲，互不影响；

3、电源电压选用+9V，输出功率≥0．5W ，工作可靠，效果良好；

4、设计电路所需的直流稳压电源（即+9V电源）。

二、方案设计与论证

总体设计思路：本次课程设计课题为双工对讲机设计，根据设计任务与要求可知道本次设计主要采用扬声器兼作话筒和喇叭作为人音频信号的采集接受转换装置，通过集成运放及电阻、电容等构成对微弱声音信号的前置放大电路，对信号进行适当的放大，再由集成功放及电阻、电容等构成功率放大电路对经前置放大的音频信号进行功率放大，然后推动扬声器工作，从而实现异地双方的有线通话。本次设计整体参考原理电路框图如下图1所示：

由上面框图知实现对讲的关键是将声音信号变换为电信号，经过放大、传输后推动扬声器发出声音，其为又将电信号还原成声音信号输出，供对方接收（听）。

方案一：设计可采用电桥构成测量电路，扬声器（8Ω电阻）与三个电阻构成平衡电桥，对由扬声器产生的微弱信号进行测量，电桥的对称两端取输出电压作为前置放大器的差动输入信号，即引到集成运放UA741进行电压放大，然后再经集成运放LM386进行功率放大，推动扬声器工作。

方案二：整个系统电路全部采用集成运放，接收部分采用超外差接收方式。

用专用收音接收芯片D1800和集成功放D2822以及外围阻容元件组成。D1800作为收音接收专用芯片，内部集成了FM 混频、本振，低通滤波，FM 中放、鉴频和静噪、一级功放于一体，具有高稳定性。集成功放D2822作为第二级功率放大，进一步放大功率推动扬声器发出声音。该方案原理框图如下图2所示：

方案二系统主要部分采用专用集成芯片，接收范围广，信号强度好且清晰，能够更好的实现本次设计的目的，但是电路结构复杂，实现起来有难度，而且对于实物采购成本高，在本设计中没有使用的必要。相比之下，方案一设计考虑到了所有设计要求，电路结构也比较简单，用扬声器兼作话筒和喇叭，扬声器中的微弱信号用电桥进行测量要求电桥要达到平衡，整体采用集成运放和集成功放及阻容元件搭成，理论上能够满足设计要求，虽然缺点在于稳定度不高，杂音较重，经综合比较，考虑到成本和设计需要，我们本次模电课程设计采用了方案一。

三、单元电路设计与参数计算

（一）声电转换电桥电路设计

电路设计中采用4个电阻（8Ω和1k Ω各一个、10Ω2个），+9V直流稳压电源，一个8Ω扬声器（仿真图中用信号源代替）及一个0.1uF 的电容。

电路由以上器件构成一个恒压供电的平衡电桥电路，由于电桥电阻远小于差动放大器的输入电阻，故差动放大器对电桥的负载效应可以不考虑。由上图3原理图知，电桥的输出电压为：

V O =V 1-V 2=R 1R 4-R 2R 3V 3 (R 1+R 2)(R 3+R 4)

当扬声器无接收声音时，R 1R 4-R 2R 3=0，即V O =0，此时电桥处于平衡状态，

电路不工作；当甲方对准扬声器讲话时，扬声器电阻发生变化，R 1R 4-R 2R 3≠0，电桥失去平衡，V O ≠0，该输入信号经过前置放大电路电压放大，再经音频功

率放大，传输到乙方扬声器去，即乙方就可听甲方的讲话声音。此时，乙方没有对准扬声器讲话，故对方R 1R 4-R 2R 3＝0，电桥输出信号为零，或者说乙方的差动放大器输出信号为零，所以不会干扰自方讲话。反之亦然，这样就实现了双工对讲互不影响的功能。图中扬声器兼作话筒和喇叭。R15上方的1K 电阻以及+9V直流稳压电源是用来给扬声器提供偏置电压的。

（二）前置放大器电路设计

①前置放大器电路原理图如下图4所示：

图4 前置放大器电路原理图

该单元电路采用一块集成运放UA741构成差动放大器，甲乙双方不讲话时，其差动输入信号V O =0，某方讲话时使V O ≠0，即电桥处于非平衡状态。UA741

的7号引脚和4号引脚为偏置端，接入正负9V 的直流稳压电源。1号和5号引脚为调零端。UA741的两个输入端均接由100k Ω的电阻R5、R6，引入电压串联负反馈1M Ω电阻R8来决定输出的电压的表达式，它们满足一定比例关系，增益放大的倍数是不变的。另一方面，是为了保证运算放大器的两个差动输入端处于平衡工作状态，避免输入偏流产生附加的差动输入电压。

采用差动输入的方式，运算放大器工作于线性区，线性电路的叠加原理适用于此处，即可求出V1和V2分别作用时VO 的结果，然后利用叠加原理，得出V1和V2同时作用的结果。D1、D2为输入保护二极管，限制输入电压幅度。RV1为滑动变阻器，作用是用来调节进入音频功率放大级的信号大小。即调节音量大小。

（三）功率放大器电路设计

①功率放大器电路原理图如下图5所示：

图5 功率放大器电路原理图

②功率放大器电路设计原理说明：

本次电路图集成功放采用低电压音频功率放大器LM386，C4为4.7uF 为去耦电容，去耦就是防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电

流冲动对网络的正常工作产生影响。即去耦电容能够有效地消除电路网络之间的寄生耦合。去耦滤波电容的取值通常为4.7-200uF ，去耦压差越大，电容的取值应该越大。LM386的7号引脚所接为旁路电容，它可将混有高频信号和低频信号的交流信号中的高频成分旁路掉的电容，即过虑掉。C2为隔直传交电容，R2为8Ω的电阻将其看做扬声器，观察其输出波形。

图6左图所示为LM386外围器件最少的连接方式，其内置电压增益为20倍，采用该连接方式，最小失真率为%0.2。若在其1号引脚和8号引脚间接入电阻和电容可将其电压增益提高，如图6右图所示。

（四）+9V可调直流稳压电源电路设计

①+9V可调直流稳压电源电路原理图如下图7所示：

图7 可调直流稳压电源电路原理图

②+9V可调直流稳压电源电路原理说明：

1）变压电路：取市电，把220V 、50HZ 的单相交流电先降压，变成所需的交流电，在protues 中的元件库中选变压器ALTERNATOR, 两边分别接上电压表，且变压器的原副边同时接地，并与后面直流部分电路共地，修改原副边线圈比值。

2）整流滤波电路：整流采用常用的二极管桥式整流电路，采用全波整流电路；滤波电路由2200uF 的电解电容C1过滤，滤波电容两端并联一电源指示电路，即一个电阻串联一个发光二级管，调试时二极管发光，说明滤波之前电路无故障；否则可判断前面电路有问题。

3）集成稳压电路：核心器件采用稳压可调LM317L ，为保护集成器件再接反的状态下不被烧毁，在输入、输出端之间接反向保护二极管1N4003。电容C6与C11分别为去抖和滤波作用，C6是防止滑动变阻器滑动时抖动产生的谐波，C11为输出做二次滤波，去掉输出电压波形中细小的交流波形。

四、总原理图及元器件清单

①总电路原理图如下图8、图9所示：

图8 双工对讲机整体电路设计原理图（不含直流稳压电源）

图9 双工对讲机电源提供电路

②元件清单

五、安装与调试

①电桥电路及电源电路的检查

检查电路元器件是否接错，注意二极管方向、电解电容极性是否接对、检查电路原理图无误，再测电源电压的数值和极性是否符合设计要求。一切正常之后方可开始调试实验。

②静态调试

调试过程中先不接输入信号，检测运放的正负输入端以及输出端，防止产生自激振荡，并且测量各个节点的电压与理论值相比较，在误差允许范围内数据合

理后再接入输入信号。

③动态调试

接输入信号，各级电路的输出端应有相应的信号输出，用示波器观察其波形是否失真。线性放大电路不应有非线性失真；波形产生及变换电路的输出波形也应符合设计要求。调试时，可由前级开始逐级向右检测，这样容易找出故障点，及时调整改进。

六、性能测试与分析

①双工对讲机的整体仿真调试图下图10所示：

图10 双工对讲机的整体仿真调试图

②双工对讲机的整体仿真调试分析：

A 通道为信号源输入50mV,f=500Hz，信号源曲线为一正弦曲线，如上图最上方波形所示，信号源幅值为50mV 。B 通道是经过UA741前置放大后的曲线，如上图第二波形曲线所示，信号源幅值为500mV 。C 通道时滑动变阻器在中点时经过功率放大器LM386L 的输出波形，如上图第三波形曲线所示，信号源幅值为4.5V 。D 通道时滑动变阻器在中点时的LM386L 的输入波形，如上图第四波形曲线所示，信号源幅值为225mV 。

由波形可以看出，信号经过前置放大端后，输出得到放大。输入波形幅值为

Uo1=50mV，输出波形幅值为Ui=500mV，放大倍数：Av=Uo1/Ui=500mV/50mV=10倍。

当滑动变阻器变处在中央时，经过集成运放的输出波形幅值Uo=4.5V，而经过滑动变阻器后的幅值Ui=225mV，即进入音频功率放大电路的信号Ui 的幅值为225mV ，, 所以经过LM386L 放大后的音频U 的幅值为4.5V ，放大倍数为Av=Uo/Ui=4.5V/225mV=20倍，因为幅值格数是估算的，可以说与LM386L 应用电路中理论值20倍几乎无相差，属于误差范围内。

③输出功率的计算：

在输出端放置电压探针和电流探针如下图11所示：

图11 双工对讲机输出电流电压值仿真图

仿真结果如图11所示，输出电压出现在V o=-2.30702V，输出电流为I=-0.288377A， P=-2.30702*-0.288377=0.644W,满足输出功率大于或等于0.5W 的设计要求。

七、结论与心得

在杨老师的悉心授课指导下，我们开始了这学期第16周的模电课程设计，设计中总体上完成了任务与设计的基本要求：实现双工对讲机和直流稳压电源。在对讲机设计部分重点应用了扬声器兼作话筒和听筒与电阻元件构成平衡电桥实现声、电信号的转换、集成运放UA741的信号放大功能以及LM386L 集成功放的电路应用这三个核心器件的使用，比较成功的完成了对声音信号的转换、放大和输出，从原理上实现了对讲机的基本功能。在直流稳压电源设计部分中，主要在于可调三端稳压器件LM317L 的选择，通过滑动变阻器与该器件相接可输出+9V的直流电，而且只要保证其工作在线性区即可，不过也可以使用其他稳压器件，但其他器件都是可以围绕该器件展开的。

作为一名电子信息科学与技术的大三学生，这次模拟电子技术课程设计使我

们更深一步得掌握模电的相关知识，知识得到巩固和加强，而且让我们认识到理论与实践的差别，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。尤其是模拟电路中学过的知识有了更深刻的掌握，并学会了将理论知识用于实践，解决实际问题的能力。此外，我还意识到对一个电路的设计，首先要从其要求入手，明白要达到的目的，然后确定方案，选择核心器件，在围绕核心部件展开整个电路原理图的设计，在进行参数进算并仿真和调试。本次设计的实践与学习，我认为要学好模拟电子技术这门课程，不仅要学习理解好课本基础知识，更重要的是要通过动手实践，拓宽思维，增强和巩固创造能力。如果你没有掌握真正的技术，也不能实践创造，所以学好基础很重要，锻炼好专业技能。只有通过社会的检验，我们才能成为合格的电子专业的学生。

八、参考文献

[1] 华成英. 主编. 模拟电子技术基本教程. 清华大学出版社.2011

[2] 阎石 .主编. 数字电子技术基本教程. 清华大学出版社.2011

[3] 彭介华. 电子技术课程设计指导[M] .北京:高等教育出版社，1997.

[4] 朱清慧. 张凤蕊. Protues教程-电子线路设计、制版与仿真. 清华大学出版社,2011

[5] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试（第三版）[M] .武汉:华中科技大学出版社,2006.

[6] LM386L.http://wenku.baidu.com/view/f002767f27284b73f2425028.html

九、附录

图12 双工对讲机整体电路设计原理仿真图