模电课程设计(多路(或双路)双工对讲机设计与实现.docx

学生姓名： XXX 专业班级：电信1102班
指导教师：王绪国工作单位：信息工程学院
题 目: 多路(或双路)双工对讲机设计与实现
初始条件：
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、电位器若干；或自选元器件。直流电源+9V，或自选电源。
可用仪器：示波器，万用表，毫伏表等。
要求完成的主要任务:
（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，，鼓励自制稳压电源。
（2）设计要求
① 多路对讲机的电路框图如图，A1、B1和C1地址是控制讲话多路开关选通某一路扬声器作为送话用，A2、B2和C2地址是控制听话多路开关选通某一路扬声器作为听话用。讲话扬声器通过讲话多路开关把信号送入放大系统，然后经过听话多路开关送入用作听话的扬声器，如果讲话扬声器和听话扬声器的功能互换时，对应的地址也应互换。在系统中讲话工作时，在各路扬声器附近都有发光二极管显示，说明系统有人使用，其他人暂时不能使用。当系统无人使用时，发光二极管灭，这时，其他用户才可以使用系统对话。系统中还设置禁止使用端，在不使用对讲系统时，该禁止端使讲话多路开关和听话多路开关停止工作。该系统扩展后可实现——医院病房病员呼唤机。
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。
② 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
③ 利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。
④ 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。
⑤ 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。
时间安排：
1、 前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。
2、 后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。
指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日
目录
一、课程设计概述1
1
2.仿真软件proteus：1
二、设计内容及过程3
3
4
5
5
3.2 音频集成功放5
6
6
7
8
三、仿真过程及记录9
9
14
四． 实际电路安装与调试16
16
16
五．心得体会17
参考文献18
一、课程设计概述

（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规范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。
2.仿真软件proteus：
在本次模电课程设计中，需要在装配实物图前进行仿真，仿真所用的软件是proteus。
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、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了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。
具有设计智能原理图的功能：
丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；
智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；
智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；
支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；
可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。
2.proteus还具有完善的电路仿真功能
ProSPICE混合仿真：基于工业标准SPICE3F5，实现数字/模拟电路的混合仿真；
超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件，Labcenter也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；
多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件）、指数信号、单频FM、数字时钟和码流，还支持文件形式的信号输入；
丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等；
生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；
高级图形仿真功能（ASF）：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等，还可以进行一致性分析；
二、设计内容及过程

（1）设计任务：根据技术指标和已知条件，完成多路对讲机的设计，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；用扬声器兼做喇叭和话筒，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。
根据选择的电路方案，完成对确定方案电路的设计，计算电路元件参数与原件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（3）可选原件：扬声器，集成运放，集成功放（期间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，或其他可选电源。
（4）可用仪器：示波器、万用表、毫伏表等。

图双工对讲机原始电路图
图2.2.2 替换原件后的对讲机仿真电路的一方

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
UA741各引脚和工作说明：
1和5脚为偏置（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。
3.2 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。
LM386的引脚图：
图2.3.2 LM386的引脚图
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。
分析

图2.4.1电桥电路（左图为proteus仿真图，右图为原理图）
分析电桥原理图：
如图2.4.1的电桥电路所示，扬声器（R2）与电阻R1（8Ω），R3（10kΩ）,R4(10kΩ)组成电桥电路。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。
电桥的输出电压V2－V1＝,式中δ＝ΔR/R，R是扬声器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，V2－V1＝V3δ/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。当自方对准扬声器讲话时，ΔR≠0，电桥失去平衡，V2－V1≠0，该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。
前置放大电路

图2.4.2前置放大电路（左图为proteus仿真图，右图为原理图）
前置放大电路原理分析：
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。

图2.4.3功率放大电路（左图为proteus仿真图，右图为原理图）
功率放大电路原理分析：
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。
如图5.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。
C4为为退耦电容，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网络之间的寄生耦合。退耦滤波电容的取值通常为，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。
三、仿真过程及记录

（1）激励源参数：25mV,f=1KHz
信号源曲线：为一正弦曲线，如图3-1所示。信号源幅值为5mV。

经UA741前置放大后的曲线如图（7）所示：

图3.1.3 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10mV，输出波形幅值为48.00mV,所以Ui的有效值为mV，输出Uo1的有效值为mV。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 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 RV处于中点处经过LM386放大的信号输出波形
（5）调节音量大小后的曲线如图：
①　 当滑动变阻器向上滑动至最上端即音量调到最大时对应的输出波形：

图3.1.6 RV处于如图所示点处输出波形
由波形可见，这时信号已明显失真。
②　 音量为50%时对应的输出波形：

图 RV处于中点处输出波形
③　 音量最小时对应的输出波形：

图 RV处于最低点处输出波形
2.仿真结果分析
由交流毫伏表示数及波形可以看出，信号经过前置放大端后，输出得到放大。输入波形幅值为10mV，输出波形幅值为48.00mV，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48mV，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23mV，,所以经过LM386放大后的音频U的幅值为475mV，放大倍数为Av=Uo/Ui=475mV/23mV=20.65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252.5mV，所以放大倍数为Av=252.5mV/10mv=25.25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337.5mV，不过故事波形已失真，最终放大倍数为Av=337.5mV/10mV=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
910573882A,
四． 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1uF
2
电阻1K
2
电容
2
电阻10K
4
电容10uF
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
①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。
②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。
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。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。
④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。
五．心得体会
作为一名电子信息工程的学生，能够参加这次模拟电子技术的课程设计，我感到非常幸运。因为通过这次课程设计，不仅让我提高了自己独立思考、动手的能力，而且让我对课本上的理论知识有了更深的理解。另外，通过这次实践，也让我结识并初步掌握了又一款强大的仿真软件proteus，这让我有一种小小的成就感。
不过，在本次课设过程中也不是一帆风顺的。毕竟自己在对模拟电子技术理论的学习部分没有打下坚定的基础，。在开始着手做的时候，毫无头绪，于是只好再拿出课本看一下相关的理论知识，再上网查找资料，与同学讨论选择方案，最终就这样一步步去做，去完成。在全体组员的一步步推进下，信心也一点点的增加，尤其在仿真成功的时候，有些小激动。
通过这次课程设计实践，让我认识到，只有通过对理论知识的具体分析，才能理解并作出实验电路。通过实践，我们更好地掌握了设计过程，知道如何根据设计要求，对照理论，化复杂为简单，在每个单元电路调试成功的前提下，才将单元电路组合成整体电路进行调试。另外，通过这次的实践，也让我们认识到，坚持不懈，开拓创新是我们大学生必备的素质，同时也培养了我们如何更好地与他人合作的素质。
由于我们目前的整体水平还是比较初步的，可能无法达到本次设计的目标和要求，存在很多漏洞和缺陷，还希望老师多加指导。
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