双工对讲机

双工对讲机 目录 1 模电课设概述 ................................................. 1 1.1 设计背景 ............................................................................................................................................... 1 1.2 设计目的及意义 ................................................................................................................................... 1 1.3 设计时间 ............................................................................................................................................... 1 1.4 开发环境proteus简介 ......................................................................................................................... 1 2 课程设计内容 ................................................. 4 2.1 课程设计目与要求 .......................................................................................................................... 4 2.2双工对讲机整体电路图 ....................................................................................................................... 4 2.3 双工对讲机各单元电路介绍 .............................................................................................................. 5 2.4 元件介绍 .............................................................................................................................................. 8 3 仿真过程及记录 ............................................... 9 3.1 仿真数据 .............................................................................................................................................. 9 3.2 仿真结果 .................................................................................................................................... 12 4 实际电路安装与调试 .......................................... 13 5 心得体会 .................................................... 14 6 参考文献 .................................................... 15 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 1 模电课设概述 1.1 设计背景 所谓双工对讲，是指使用双方可以同时讲话(就像平日我们打免提电话一样)，而不用互相通过开关切换来一讲一听，实用非常方便。 对讲机主要应用在公安、民航、运输、水利、铁路、制造、建筑、服务等行业，用于团体成员间的联络和指挥调度，以提高沟通效率和提高处理突发事件的快速反应能力。随着对讲机进入民用市场，人们外出旅游、购物也开始越来越多地使用对讲机。 对讲机与手机相比有许多独特的地方: (1)讲机不受网络限制，在网络未覆盖到的地方，对讲机可以让使用者轻松沟通; (2)讲机提供一对一，一对多的通话方式，一按就说，操作简单，令沟通更自由，尤其是紧急调度和集体协作工作的情况下，这些特点是非常重要的。 1.2 设计目的及意义 (1) 培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。 (2)锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。 (3)通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。 (4) 巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。 (5) 为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。 1.3 设计时间 课程设计时间:一周 1.4 开发环境proteus简介 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、 1 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 其功能特点 Proteus软件具有其它EDA工具软件(例:multisim)的功能。这些功能是: (1)原理布图 (2)PCB自动或人工布线 (3)SPICE电路仿真 革命性的特点 (1)互动的电路仿真 用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。 (2)仿真处理器及其外围电路 可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型 上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。 Proteus提供了丰富的资源 (1)Proteus可提供的仿真元器件资源:仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。 (2)Proteus可提供的仿真仪表资源 :示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。 (3)除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。 (4)Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 2 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 电路功能仿真 在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件:*.HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。 PROTEUS 是单片机课堂教学的先进助手。 PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。 它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例:元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。 课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台 随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。 使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力;在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。 目前Proteus的最新版为7.7 sp2,今年将推出8.0版本，增加DSP系列及AR M cortex处理器。 3 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 2 课程设计内容 2.1 课程设计题目与要求 (1)设计任务 根据技术指标和已知条件，完成对多路对讲机的设计、装配与调试。 (2)设计要求 采用集成运放和集成功放及阻容元件等构成对讲机电路，实现双方异地有线通话对讲;用扬声器兼作话筒和喇叭，双向对讲，互不影响;工作可靠，效果良好。电源电压:，9V，功率?0.5W。 选择电路，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。 (3)可选元件:扬声器，集成运放，集成功放(器件选择应满足技术指标)。电容、电阻、电位若干;或自选元器件。直流电源+9V，或自选电源。 (4)可用仪器:示波器，万用表，毫伏表等。 2.2双工对讲机整体电路图 图2-1 双工对讲机原始电路图 4 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 图2-2 替换原件后的对讲机电路的一方 2.3 双工对讲机各单元电路介绍 2.3.1 电桥电路 图2-3 电桥电路(左图为proteus仿真图，右图为原理图) 以下原理分析以原理图为准: 电桥电路如图(1)所示，扬声器(R)与电阻R(8Ω)，R(10kΩ),R(10kΩ)组成2134 5 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 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。 ,V,R，R1,,3电桥的输出电压,,,式中δ,ΔR/R，R是扬声器VVV,,21,,32R，,R24(1，,2),, 部讲话时的等效电阻(8Ω)，ΔR是对准扬声器讲话时的电阻变化量。当ΔR很小，即δ很小时，V,V,Vδ/4可见差动放大器的输出信号与扬声器电阻相对变化率成正比。213 当自方对准扬声器讲话时，ΔR?0，电桥失去平衡，V,V?0，该信号经过前置放大电21 路电压放大，再经音频功率放大，传输到对方扬声器去，即对方就可听见自方的讲话声音。因此此时，对方没有对准扬声器讲话，故对方ΔR,0，电桥输出信号为零，或者说对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，这就实现了双工对讲互不影响的作用。图中扬声器兼作话筒和喇叭。 R15上方的1K电阻以及+9V电源是用来给扬声器提供偏置电压的。 2.3.2 前置放大电路 图2-4前置放大电路(左图为proteus仿真图，右图为原理图) F007即uA741通用型集成运放，它是一种具有高开环增益，高输入电压范围，有内部频率补偿，高共模抑制比，有短路保护，不会出现阻塞且便于失调电压调零等特点的高性能集成运放。 UA741的7号引脚和4号引脚为偏置端，接入正负9V的电源。1号和5号引脚为调零端。 UA741的两个输入端 各接由100K的电阻R5、R6，一方面是配合反馈电阻1M来决 6 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 定输出的电压的表达式，事实上，由于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，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。 2.3.3 功率放大电路 原电路图中，音频功率放大电路采用5G37，但由于仿真软件中无此元件。所以proteus采用LM386电路， LM386为低电压音频功率放大器。 图2-5功率放大电路(左图为proteus仿真图，右图为原理图) 如图2-4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。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。 采用该连接方式，最小失真率为%0.2。 C4为4.7uF为退耦电容，所谓退耦即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。换言之，退耦电容能够有效地消除电路 7 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 网络之间的寄生耦合。退耦滤波电容的取值通常为4.7-200uF，退耦压差越大，电容的取值应该越大。 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。 C2为隔直传交电容，R2为8欧的电阻将其看做扬声器，观察其输出波形。 2.4 元件介绍 2.4.1 运算放大器UA741 uA741M，uA741I，uA741C(单运放)是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。 图2-6 ua741管脚图 uA741M，uA741I，uA741C芯片引脚和工作说明: 1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6为输出，7接电源 8空脚 2.4.2 音频集成功放 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场 合。 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 8 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 LM386的引脚图 图2-7 LM386的外形和管脚排列 LM386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端;引脚5为输出端;引脚6和4分别为电源和地;引脚1和8为电压增益设定端;使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。 3 仿真过程及记录 3.1 仿真数据 (1) 信号源参数: 5mV,f=50Hz 信号源曲线:为一正弦曲线，如图3-1所示。信号源幅值为5mV。 图3-1 输入信号 9 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 (2) 经uA741前置放大后的曲线如图(7)所示: 图3-2 经uA741前置放大后的曲线 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5mV，输出波形幅值为24.00mV,所以Ui的有效值为3.54mV，输出Uo1的有效值为16.97mV。放大倍数Av=Uo1/Ui=4.80倍。 (3)RV处于中点处经过滑变后的信号: 图3-3 RV处于中点处经过滑变后的信号输出波形 (4)RV处于中点处经过LM386放大的波形: 图3-4 RV处于中点处经过LM386放大的信号输出波形 10 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 (5)调节音量大小后的曲线如图3-3: ? 音量最大时对应的输出波形: 图3-5音量最大时对应的输出波形 ? 音量为50%时对应的输出波形: 图3-6 RV处于中点处输出波形 ? 音量最小时对应的输出波形: 图3-7音量最小时对应的输出波形 11 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 3.2 仿真结果分析 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5mV，输出波形幅值为24.00mV，放大倍数Av=Uo1/Ui=4.80倍。 当滑变处在中央时，监测输入输出波形。Uo的幅值为24mV，经过滑动变阻器后的Ui的幅值为11.50mV，进入音频功率放大电路的信号Ui’的幅值为11.50mV，,所以经过LM386放大后的音频U的幅值为240mV，放大倍数为Av=Uo/Ui’=240mV/11.50mV=20.86倍，与理论值20倍相差不大，属于误差范围内。经过电容滤波最终信号的幅值为127.50mV，所以放大倍数为Av=127.50mV/5.0mv=25.5倍，此时滑动变阻器在中点。当滑动变阻器处于最大值时，最终输出波形的幅值为222.50mV，最终放大倍数为Av=222.50mV/5.0mV=44.5倍。 输出功率的计算: 在输出端放置电压探针和电流探针如图所示: 图3-8 喇叭的电压与电流 仿真结果如图(13)所示，最大电压出现在Vmax=0.174653V，Imax=0.0218316A, Pmax=0.174653*0.0218316=0.0038W,满足输出功率小于等于0.5W。 12 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 4 实际电路安装与调试 (1)元件列表: 元件名称 数量(个) 元件名称 数量(个) 运放uA741 2 二极管 4 运放LM386 2 电容0.1uF 2 电阻1K 2 电容4.7uF 2 电阻10K 4 电容0.05uF 2 电阻100k 4 电容250uF 2 电阻1M 4 喇叭 2 电阻8欧 4 麦克风 2 滑动变阻器10K 2 (2)调试环节: ?检查电路及电源电压 检查电路元器件是否接错，注意晶体管管脚、二极管方向、电解电容极性是否接对、焊接点是否牢固等，检查电路无误，再测电源电压的数值和极性是否符合设计要求。一切正常之后方可接通电源开始调试实验。 ?静态调试 先不接输入信号，测量各级晶体管静态工作点。检测运放的正负输入端以及输出端，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。 ?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。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。 ?指标测试 电路能正常工作之后，即可进行技术指标测试。根据设计要求。逐个测试指标完成情况。 13 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 5 心得体会 本人通过这次课程设计体会到了掌握专业技能的重要性，最为一名电子信息工程的学生，如果不能运用所学理论知识和专业技能通过时间培养自我的动手实践能力，那么学习就会处处碰壁，让你感觉无所适从，这时候你才会发现其实在校园培养自己的实操动手能力和学好专业理论知识和技能的重要性。 我懂得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。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。 这次课程设计让我深深的认识了自己，切实地说，以我现在的水平根本无法完成这次课程设计，该设计的硬件制作需要用到各方面的电子技术知识，本设计不仅需要对专业知识要较深的理解，同时还需要有严密的逻辑思维判断能力，这些都是我们需要好好学习和总结经验教训的。 通过实践与学习，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，那么你将很难融入社会之中，这也是大学生为什么就业难的一个突出问题，要想真正好就业，就认真学好基础，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毕业生。 本次设计中，我在设计方面有很多的不足，因而不可避免的存在漏洞和缺陷，恳请老师多加教导和指点。 14 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 6 参考文献 [1]. 吴友宇. 模拟电子技术基础. 北京:清华大学出版社，2009 [2]. 华中科技大学电子技术教研室编，康华光主编.模拟电子技术基础(第五版). 北京:高等教育出版社，1986 [3]. 陈大钦主编,《电子技术基础实验,电子电路实验、设计、仿真》，高等教育出 版社，2002年出版 [4]. Paul Horowitz and Winfield Hill. The Art of Electronics.2ed. Cambridge University Press,1989 [5]. Mark N Horenstein. Microelectronic Circuits and Devices. 2nd ed. New Jersey: Prentice-Hall Inc,1996 15 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书 本科生课程设计成绩评定表 姓 名 性 别 专业、班级 课程设计题目: 课程设计答辩或质疑记录: 成绩评定依据: 最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定) 指导教师签字: 年 月 日 16