音频传输系统.doc

电子技术课程设计说明书

题目： 音频传输系统

学生姓名：
学 号：
院 （系）：
专 业：
指导教师：
2015 年 12月 19日

目 录
一.课程设计目的 3
二.选题背景 3
三.设计任务与要求 3
3.1设计任务及要求 3
3.2 指导思想 4
四.方案论证和选择 4
4.1方案比较及特点 4
4.2方案选择 5
五.总体设计和元件电路设计 5
5.1总体框图 5
5.2工作原理 6
5.3 各主要电路及部件工作原理 6
5.3.1 555方波产生电路 6
5.3.2 NE555多谐振荡电路 7
5.3.3音频脉冲信号频率产生电路 9
5.3.4麦克风接收电路 10
5.4 原理总图 12
5.5 元器件清单 13
六.调试及结果分析 14
6.1整体调试 14
6.2 模块调试 14
6.2.1 通电前检查 14
6.2.2 555输出电路的调试 14
6.2.3 音频脉冲信号频率产生电路的调试 14
6.2.4 二极管、三极管的调试 14
6.3 结果分析 15
6.4结果总结 15
7.1本方案特点及存在的问题 16
7.1.1方案主要特点 16
7.1.2方案存在的问题 16
7.2改进意见 16
八.体会及总结 16
参考文献 18

一.课程设计目的
现代社会，对人才的需求超过以往任何一个时代，而大学生则是所谓人才的主要人群之一。在大学里我们学习了多科与所选专业相关的课程，其理论性和实践性都比较强。课堂上我们主要学习的是理论部分，而课程设计主要是用我们所学的理论知识进行必要的实践，使学生根据课堂讲授的内容，使有机会做相应的练习，同时培养较高的逻辑思维能力，将理论与实践相结合，对所学知识有更深刻的理解，对器件的内部构造认识也更加深刻；学会使用电子课程设计重要软件，通过对某些参数的测试与计算，使其对器件的作用使用更为熟悉和灵活。对于本次设计课题，主要有以下几点目的：
1.巩固所学的相关理论知识；
2.实践所掌握的电子制作技能；
3.会运用工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计；
4.通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则；
5.掌握模拟电路的安装和测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法,能力分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决调试中所发生的问题；
6.学会撰写课程设计报告；
7.培养实事求是,严谨的工作态度和严肃的工作作风；
8.完成一个实际的电子产品，提高分析问题、解决问题的能力。

二.选题背景
今天语音识别越来越受到公众的关注，产生了很多诸如语音拨号、声控小车等有趣又好玩的东西。同时手机电话也是应用声音在传输再到接收和识别等一系列过程的、从而使人们能从声音直接判断电话的另一端是谁。从声音的本质来看，它又是各种震动频率产生的，不同的震动频率就会产生不同的声音。在此基础上欲进一步了解认识声音的发声本质和如何能不失真地让声音在空气中做短距离传输以及在众多繁杂的声音中选中固定频率的声音。所以通过本题——声音传输系统将揭开声音传输和锁定固定频率的声音的本质。

三.设计任务与要求
3.1设计任务及要求
设计并制作一个音频信号传输系统，系统由音频产生电路与接收电路两部分组成。具体要求如下：
(1) 音频产生电路能够产生图2所示的周期性音频脉冲信号，音频信号频率不限，脉冲周期不限；
(2) 接收电路能够接收声源发出的音频脉冲信号，用LED显示信号的有无；
(3) 音频产生电路和接收电路相距20cm以上。

t

图1-1信号波形示意图

3.2 指导思想
通过555构成多谐振荡器产生一定频率的音频脉冲信号,前一个555产生周期大约为1.5s的脉冲接到与门的1脚输入端。第二个555再产生周期一定的脉冲接到与门的2脚输入端，与门将两个不同频率的波作用后通过3脚输出指定波形再通过三极管的放大作用驱动扬声器发出响亮的声音，声音通过麦克风进入接收部分。此时接收到的音频信号大概在5~20mV，需经过TL082的放大作用才能进入LM393。利用LM393的电压比较功能，使一定频率的音频脉冲能进入LM393并在8脚产生电信号。通过接在8脚的LED的亮灭就能判断LM393是否接收到到固定频率的音频信号。

四.方案论证和选择
4.1方案比较及特点
方案一：用一只555产生占空比为50%的方波去控制一只有源蜂鸣器，使蜂鸣器发出声音，通过麦克风接受蜂鸣器发出的声音通过锁相环LM567精确锁定一定范围内的频率再用LED的亮灭做指示。
特点：蜂鸣器频率不可调节，只可产生一种单一频率。器材使用较少，花费较少。

方案二：由一只555产生周期大约为1.5s的方波接在与门的输入端第二个555的输出端接在与门的输入端。二个555通过与门作用后再产生一定频率的音频信号接在通过三极管的放大作用驱动扬声器发出响亮的声音。通过麦克风接收扬声器发出的声音，利用LM393的电压比较功能，使一定频率的音频脉冲能进入LM393并在8脚产生电信号。从而使接在1脚上的LED按一定周期亮灭。
特点：发出声音的周期可调，音频信号的频率可调，需要元件多，花费高。

方案三：（1）声音产生系统：采用两片NE555接成两个多谐振荡电路，将两个多谐振荡的输出通过与门电路后接到喇叭上以实现声音产生系统。（2）声音接收系统：先采用麦克风将音频信号进行接收，接收到的信号经过LM386进行放大处理后输入到LM567进行选频处理以选出有用信号，再将LM567的输出通过保护电阻接到LED上来显示声音信号已经接收到。

方案四：（1）声音产生系统：采用一片NE555接成多谐振荡电路，再通过74LS161的计数功能产生间歇性的脉冲进位信号，将两个信号的输出通过与门电路后接到喇叭上以实现声音产生系统。（2）声音接收系统：先采用麦克风将音频信号进行接收，接收到的信号经过LM386进行放大处理后输入到带通虑波器进行选频处理以选出有用信号，再将有源滤波器的输出通过保护电阻接到LED上来显示声音信号已经接收到。

方案五：（1）声音产生系统：先采用一片NE5532构成一个RC串并联振荡电路作为信号源，将其输出接入一个模拟开关芯片CD4051的信号输入端，用一个NE555也接成多谐电路，用来控制模拟开关的使能端，控制信号是否通过，从而得到间歇性正弦信号。再经功率放大后接到扬声器上以实现声音产生系统。（2）声音接收系统：同方案三声音接收系统部分。

4.2方案选择
综合考虑，LM393频率范围很窄不好调节，而且为了充分利用所学知识，并且使频率可调，确定麦克风只能接受一定频率的声音，调节频率在接收频率之外LED不点亮，起到对比作用，采用方案二。本电路通过555构成方波产生器产生一定频率的音频脉冲信号,前一个555产生周期大约为1.5s的脉冲接到与门的输入端，使此555间歇发出固定频率的音频脉冲。第二个555的输出端接到与门输入端，与门3脚输出指定频率波再通过三极管的放大作用驱动扬声器发出响亮的声音，然后经过用三极管搭成消除交越失真的互补输出级电路放大来驱动扬声器发声。声音信号通过麦克风进入接收部分，经过放大后电压比较从而使接在1脚上的LED按一定周期亮灭。

五.总体设计和元件电路设计
5.1总体框图
总体框图如图5-1所示。

两555方波产生电路
与门指定音频信号产生电路电路
扬声器驱动电路

电信号使LED点亮
接收信号并放大

图5-1 总体框图

本电路通过NE555构成方波产生器产生一定频率的音频脉冲信号,前一个555产生周期大约为1.5s的脉冲与门的1脚输入端，使此555间歇发出固定频率的音频脉冲。第二个NE555产生一定周期的脉冲的输出端接到与门的2脚，作用后3脚输出信号再通过三极管的放大作用驱动扬声器发出响亮的声音，然后经过用三极管搭成消除交越失真的互补输出级电路放大来驱动扬声器发声。声音信号通过麦克风进入接收部分，经过TL082放大，使一定频率的脉冲信号在LM393电压比较器的1脚输出，从而使接在1脚上的LED按一定周期亮灭。

5.2工作原理
1) 方波产生电路，产生周期大约为1.5S的方波。
2) 555多谐振荡器频率的产生,产生频率大约为4000Hz．
　3）发声部分，通过喇叭发出频率这定的4000Hz的声音．
4）接收部分，发出的声音通过麦克风接收，经过LM393的电压比较作用,产生电信号点亮LED。

5.3 各主要电路及部件工作原理
5.3.1 555方波产生电路

555方波产生电路如图5-2所示。

图5-2 555方波产生电路

此555方波产生器产生一个周期约为1.5s的方波去连接到74HC308的1脚输入端，通过控制R3与R4的阻值可以改变周期。由555定时器和外接电阻R3，R4，C3构成方波产生器，脚2与脚6直接相连, 利用电源通过R4向电容C3充电，充电到两端电压2/3的VCC时，触发器复位，Vo为低电平，电容C1通过R1向放电端7端放电，当两端电压下降到1/3的VCC时，触发器又被复位，Vo翻转为高电平。电容C在（1/3）VCC、（2/3）VCC之间充电和放电，从而使信号发生器产生方波信号。
输出信号的时间：
T=T1+T2 T1=R3Cln2 T2=R4Cln2 T=(R3+R4)C4ln2 （1-1）
振荡频率：
f=1/T=1/(R3+R4)C4ln2 （1-2）
占空比：
q=T1/T= T1=R3Cln2/(R3+R4)Cln2= R3 / R3+R4 （1-3）

5.3.2 NE555多谐振荡电路

图5-3 NE555多谐振荡电路

设计时要求555的输出频率不限其中令C2=0.01uF。
NE555简要说明：

图5-4 NE555引脚图

NE555为8脚时基集成电路，各脚主要功能：
1地GND 2触发
3输出4复位
5控制电压6门限(阈值)
7放电8电源电压Vcc
应用十分广泛，可装如下几种电路：
1）单稳类-----作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。
2）双稳类-----作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。
3）无稳类-----作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时
等。

5.3.3音频脉冲信号频率产生电路

音频脉冲信号频率产生电路如图5-5所示

图5-5音频脉冲信号产生电路

此电路产生一定频率的音频脉冲信号， 555电路的3脚接此74HC08的42脚输入端，从而产生指定信号波形。此电路的R4、R3电阻值就能改变音频信号的频率。

5.3.4麦克风接收电路
麦克风接收电路如图5-6所示

图5-6 麦克风接收电路
接收部分麦克风后面R5和TIP41组成一个放大 。麦克风接受通过放大的信号通过声音显示，供扬声器接收

5.4 原理总图
声音接收电路如5-7所示

图5-7 声音接收电路
声音产生电路如图5-8所示

图5-8 声音产生电路
本电路通过NE555构成方波产生器产生一定频率的音频脉冲信号,前一个555产生周期大约为1s的脉冲，使此555间歇发出固定频率的音频脉冲3脚与74HCO8的1脚相连。第二个NE555的输出端与74HCO8的2脚相连，74HCO8的3脚输出端再通过三极管的放大作用驱动扬声器发出响亮的声音，然后经过用三极管搭成消除交越失真的互补输出级电路放大来驱动扬声器发声。声音信号通过麦克风进入接收部分，经过TL082放大，使一定频率的脉冲信号在LM393电压比较器的1脚输出，从而使接在1脚上的LED按一定周期亮灭。

5.5 元器件清单
元器件清单如表5-1所示
表5-1 元器件清单
元器件
数量（个）
电阻R 10kΩ
4
电阻R 500KΩ
1
电阻R 330Ω
1
电阻R 22kΩ
1
电阻R 25kΩ
1
电阻R 30kΩ
1
电阻R 1kΩ
5
电容C 0.01μF
2
电容C 10μF
4
电容C 2.2μF
1
电容C 100nF
3
二极管IN4001
2
三极管Tip41A
1
放大器TL082
1
发光二极管LED
1
NE555
2
LM393
1
74HC08
1
SPEAKER
1
导线
若干
六.调试及结果分析
6.1整体调试
电路实物图如图5-9所示

图5-9 电路实物图
6.1.2通电观察

通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。
6.1.3静态调试
静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。
6.1.4动态调试
动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。为使电路便于调试采用分块调试的方法，电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象
6.2 模块调试
6.2.1 通电前检查
首先将给电路两端接5伏直流电压和接地。用数字毫伏表测电压，如果为5V且无短路，则电压源正常
6.2．2输出电路的调试
电路连接好后，用示波器观察555方波产生器3脚输出的波形和频率，与理论值相对应。
555电路输出波形如图5-10所示

图5-10 555电路输出波形图

6.2.3 音频脉冲信号频率产生电路的调试
电路连接好后，同样用示波器观察音频脉冲信号频率产生电路3脚输出，与理论值相近。
6.2.4 二极管、三极管的调试
普通二极管的检测（包括检波二极管、整流二极管、阻尼二极管、开关二极管、续流二极管）是由一个PN结构成的半导体器件，具有单向导电特性。通过用万用表检测其正、反向电阻值，可以判别出二极管的电极，还可估测出二极管是否损坏。
1.极性的判别将万用表置于R×100档或R×1k档，两表笔分别接二极管的两个电极，测出一个结果后，对调两表笔，再测出一个结果。两次测量的结果中，有一次测量出的阻值较大（为反向电阻），一次测量出的阻值较小（为正向电阻）。在阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是二极管的正极，红表笔接的是二极管的负极。
2.单负导电性能的检测及好坏的判断通常，锗材料二极管的正向电阻值为1kΩ左右，反向电阻值为300左右。硅材料二极管的电阻值为5 kΩ左右，反向电阻值为∞（无穷大）。正向电阻越小越好，反向电阻越大越好。正、反向电阻值相差越悬殊，说明二极管的单向导电特性越好。　若测得二极管的正、反向电阻值均接近0或阻值较小，则说明该二极管内部已击穿短路或漏电损坏。若测得二极管的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该二极管已开路损坏。
3.反向击穿电压的检测二极管反向击穿电压（耐压值）可以用晶体管直流参数测试表测量。其方法是：测量二极管时，应将测试表的“NPN/PNP”选择键设置为NPN状态，再将被测二极管的正极接测试表的“C”插孔内，负极插入测试表的“e”插孔，然后按下“V（BR）”键，测试表即可指示出二极管的反向击穿电压值。　也可用兆欧表和万用表来测量二极管的反向击穿电压、测量时被测二极管的负极与兆欧表的正极相接，将二极管的正极与兆欧表的负极相连，同时用万用表（置于合适的直流电压档）监测二极管两端的电压。如图4-71所示，摇动兆欧表手柄（应由慢逐渐加快），待二极管两端电压稳定而不再上升时，此电压值即是二极管的反向击穿电压。
用万用表RX1K档，正表笔（红）接任一管脚，负表笔（黑）分别搭接其余两管脚，若测出阻值都很小时（约在1千欧以下），则为PNP管型；若测得阻值均很大时（约为几百千欧），则为NPN型的三极管。

6.3 结果分析
加上电源后，调节第一个555电路的R1，R2两个电位器的阻值大小，使之产生1Hz左右的方波，调节第二个555电路声音脉冲信号产生电路中的R4、R5使之产生600Hz左右的方波，经过放大电路放大后驱动扬声器发声。声音经过麦克风接收送入放大电路中，把信号送入电压比较器中，然后在电压比较器的1脚产生低电平，从而LED点亮。
当给各个芯片供上5V 左右的电压，喇叭发出间歇性的声音信号，与此同时LED灯也随着喇叭的发声频率有规律的进行着亮灭的过程，说明电路实现了设计要求。
6.4结果总结
通过这次课程设计使我更加了解了一些元件，比如NE555,NE5532，LM393等，这个课程设计比较偏向模电，很容易受到外界干扰，尤其是两个555电路焊在一起，容易相互干扰，第一个555电路产生的是1。5s的脉冲，也就是频率是1Hz,由于频率比较小，很难做到精确而不受外界信号的影响。第一个555秒脉冲电路我焊了5遍，前两遍焊完后，用示波器测试波形和频率，得不出结果，然后检查电路，没有错误，可能是焊的后面的线有点乱，影响了结果，后来我把线全拆了重新焊接一点一滴的对照电路图，尽量用的短线，尽量不交叉，最终做出了结果。通过这次课程设计我体会到了用仿真软件仿真和制作实物有很大差距的，在仿真软件中明明仿真成功，制作实物不一定能够成功。在制作实物过程中要考虑到外界信号对电路的影响，所以电路可能会接各种滤波，耦合，旁路电容。

七.设计存在问题及改进意见

7.1本方案特点及存在的问题
7.1.1方案主要特点
本方案最大的特点就是设计电路较简单，所用器件少，没有涉及到太过复杂的知识，由于选择的题目更偏重于模电方面的知识，因此主要耗时在了电路的设计和调试上面，不像选择偏重数电题目的同学那样，把时间主要消费在线路的查错上。
7.1.2方案存在的问题
1. 这个方案首先未装控制开关，只能上电直接让其工作，容易烧坏芯片或是其他器件。其次出现了扬声器和电阻的功率不足，声音不够响亮。而且电路在初期容易产生各种高频干扰（后接了滤波电容，基本保证信号能稳定输出）。第二个问题是LED灯闪烁的不规律，后期出现错乱现象。
2. 虽然设计相较比较简单，但在调试过程中遇到的问题很多，比如在测量声音发生系统产生的间歇性正弦脉冲时发现波形有失真，负半周波形失真。555芯片个别引脚出现问题；电阻值选取不当，导致电流过小，灯亮度不够；三极管很容易烧掉等等问题。

7.2改进意见
1. 为了使喇叭更加响亮应该用大功率的电阻和大功率的三极管，增加放大作用。从而使扬声器的声音洪亮易于被接收部分接收并经锁相环锁定频率，接收部分应该加旁路电容和去耦电容去除高频干扰，使接收的频率单一稳定，部分电阻值相应改变。
2. 由于如上所述负半周的波形有失真，所以可以在功放前加一个加法器以减少负半周的波形失真。由于LM393的选频效果不是很佳，故可以使用元器件LM567前面加一个电解电容。其次，可以印制电路板进行设计，这样一来干扰会小一些，效果也会更好一点。
八.体会及总结
在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去准备，设计，动手的能力。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，在动手实践中共同进步，掌握了实验器材的使用方法，也在一次次测试失败中总结原因，寻求解决方法，有了自己的思考，不再是一味的依赖别人。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次课程设计我体会到了用仿真软件仿真和制作实物有很大差距的，在仿真软件中明明仿真成功，制作实物不一定能够成功。在制作实物过程中要考虑到外界信号对电路的影响，所以电路可能会接各种滤波，耦合，旁路电容。。还有在实物中要保证信号的稳定和不失真，有时也要接一些补偿或为保证电路的工作电平而加的上拉或下拉电阻。或许模电和数电还是有很大的区别，玩模电玩得很费劲，明明电路分析得好好的，却得不到预期的结果。这是学模电的一大特点！这次课程设计使我运用课本上的知识解决现实的问题，同时也锻炼了我的动手能力和将理论与实践向结合的能力，这次课程设计使我受益匪浅。能把一件作品完整地设计好并做出实物、写出报告对我们是很好的锻炼。调试时应该分布调试，并且理论应和实际相结合比较，最后才有可能达到预期的设计结果。平时多做东西才能学到更多的东西，不做不知道自己知识缺在哪里，不学不知道自己有那么多的不懂，只有去真的动手做了才明白我们懂的东西都太少啦，我们要学的东西也太多了。
其次，经过这次课程设计，明显发现自己的知识面有所拓宽，原本只会一些课本上的皮毛知识，对于实际电路设计来说根本就无法满足要求，但经过老师的指导同学的帮助以及自己的学习，能对涉及到课设内容的知识有一个更加清楚地理解、研究，感觉收获很大。
还有，通过这次课程设计对我们的动手能力，电路图的识别、设计能力，发现问题、解决问题的能力也是一次锻炼，通过自己亲身经历、投入和练习，焊接水平以及识图、设计能力及解决问题的能力都有很大提高。
最后，经过这次课设，也让我深刻的感受到了团队合作的重要，只有团队成员分工明确，各司其职，相互讨论，积极的加入进来大家才会有长足的所进步，如果只是一味的相互推诿逃脱责任，那将收获甚少。

参考文献
【1】 阎石.数学电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006
【2】 康华光.电子技术基础（模拟部分）.华中科技大学.高等教育出版社.2006
【3】 马全喜.电子元器件与电子实习.机械工业出版社.2006
【4】 何杜成、袁跃进.电机-光电显示-改进应用电路.山东科学技术出版社.2007
【5】 李志健. 数字电子技术基础实验任务书.陕西科技大学教务处.2007
【6】 杨刚、周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004

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