有线对讲机的设计与实现设计75870207.docx
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有线对讲机的设计与实现设计75870207
本科生毕业论文（设计）
题目（中文）：
有线对讲机的设计与实现
（英文）：
DesignandImplementationof
WiredIntercom
本科毕业论文（设计）诚信声明
作者郑重声明：
所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。
对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。
本声明的法律结果由作者承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
年月日
有线对讲机的设计与实现
摘要
随着通信业务的发展，对讲机在各行各业得到广泛的应用。
通过有线对讲机的设计，较好的解决了行业的部分需求。
本设计介绍了有线对讲机的基本原理、内容和实现过程。
整个电路主要由稳压电源、前置放大器、消侧音电路、音频功率放大器共四部分构成。
稳压电源主要是为电路各部分提供稳定的直流电；前置放大和音频放大都是将输入的声音信号进行放大，以便使对讲的另一方能够听到本方的声音；消侧音电路是让本方听不到自己的声音。
设计的电路简单、实用，通过系统的调试和测试，实现了甲、乙双方异地有线对讲。
关键字
放大器；消侧音；有线对讲
DesignandImplementationofWiredIntercom
Abstract
Withthedevelopmentofcommunicationservices,interphoneiswidelyusedinallwalksoflife.Throughawiredintercomdesign,thebettersolutionpartofthedemandoftheindustry.Thisdesigndescribesthebasicprinciplesofwiredintercom,contentandimplementationprocess.Theentirecircuitmainlybythepowersupply,preamplifiers,antisidetonecircuitaudiopoweramplifieroffourparts.PowersupplypartsofthecircuitismainlytoprovideastableDCpower;preamplifierandaudioamplificationoftheinputaudiosignalsareamplifiedsothatthespeakercanheartheotherpartyofthevoice;anti-sidetonecircuitletthepartycannothearyourownvoice.Designofthecircuitissimple,practical,throughthesystemdebuggingandtesting,toachievetheAandBsidesremotewiredintercom.
Keywords
Theamplifier；Antisidetone；Wiredintercom
1前言
随着科学技术的发展，人们生活水平和消费能力和消费能力的提高越来越依赖于通讯设备，因此多元设备的开发和研制成为了电子行业爱好者的首选。
通讯技术的发展一方面使人们的生活更通达方便、更实时、更多样化；另一方面也使通讯设备的设计和生产多样化、更便捷化。
因此，随着公众移动通信的发展，对讲机市场逐步成为一个专业通信市场。
现在，对讲机广泛应用于国民经济的各个领域，已成为国家安全、公安警察、交通管理、石油化工、建筑施工、机械制造、物业保安等部门重要的通讯装备[1]。
对讲机是一种近距离的、简单的传输工具，由于它不需要中转站和地面交换站的支持，就可以进行有效的通信，因此深受人们的欢迎，它可以使个人通信更自由、通信方式更加丰富。
随着生活水平的提高，人们驾车游、登山、露营等外出活动的机会和次数在逐渐增加。
即使在没有手机信号的地方，对讲机也可以使人们便利地与朋友或整个团队沟通，设计克服了电路复杂、故障范围大、对讲距离近的矛盾，电路经过优化组合，制作容易，性能更高[2]。
就对讲机而言，按点对点之间通信双方的分工和数据传输方向分类，可分为单工通信、半双工通信和双工通信三种[3]。
但前两种方式现已基本不实用。
所谓单工通信，是信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式。
单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接受信息，接收端只能接收信息，不能发生信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。
当两地的距离需要实现双方的通信时，会造成极大的不便。
因而这种单一的工作方式已经基本被淘汰。
所谓半双工通信方式，即Half-duplexCommunication。
是指这种通信方式双方都能收发消息，可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行收和发的工作方式，必须轮流交替地进行。
由于这种工作方式要求收发两端都有发送装置和接收装置，通信的时候若要改变传输方向，需由开关进行切换，要频繁变换信道方向，故效率低，但可以节约传输线路。
因此，半双工方式适用于终端与终端之间的会话式通信。
如一般的收发报机等都是这种通信方式。
所谓双工通信，即Full-duplexCommunication。
是指通信双方同时进行双向传输信息的工作方式。
在这种方式下，双方都可同时进行收发信息。
双工通信的信道必须是双向信道，在生活中双工通信的例子非常多，如普通电话、手机等。
因为双工通信传输模式使用不同信号的两条线路，同时工作时不会发生冲突，类似于双车道路。
综上所述，可见双工通信相对来说比较优越的，使用双工通信方式制作的对讲机具备了传统对讲机所有的优点和特点，具有切实可行的设计理念和广泛的应用市场[4]。
对讲机一般主要应用在公安、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。
有线双工对讲机可设置成为星形网络，由一台主控器控制多个终端相互之间，进行语音通话。
当该网络一旦成熟、完善，并形成规模，可用于楼宇自动化内部、校园办公系统内部，以和居民楼宇住宅区内部之间的语音通讯[5]。
根据双工对讲机的发展现状，这一设想是可以实施的。
当这一技术臻于至善，以后在内部网络之间就可以装设对讲机系统，通过简单的拨号开关实现点对点的语音通讯，这就减少了日常依托电话联系的方式，一方面不仅方便使用者之间联系，另一方面也大大减少了电话的使用，节省了话费，因而具有比较实际的作用[6]。
本设计中介绍了采用集成运放和集成功放和阻容元件构成的有线对讲机电路，中间加入了消侧音电路，从而使得对讲的双方在讲话时不会听到从本方扬声器传出的声音，通过在仿真软件上的调试以和实际的硬件制作，最终实现了双工对讲的要求[7]。
2任务分析与方案论证
2.1设计任务与要求
设计并制作一个有线对讲机:
（1）采用二线制，实现甲、乙双方异地有线通话对讲，双向对讲，互不影响。
（2）电源电压+9V，Po≥0.05W。
（3）设计电路所需的直流电源。
（4）输入输出阻抗600
。
（5）传送距离大于1Km。
2.2系统分析
有线对讲机，是使得两个位于异地之间的人可以借助对讲系统进行通信。
其工作过程如图2.1所示。
人说话所发出的声音经过话筒电路变成模拟电信号，通过功率放大模块后扬声器再把电信号还原为声音，传输给对方接收。
运用有线对讲机，可以在近距离间进行语言通信，而不受邮电通信部门的限制和外界环境的干扰，因而倍受使用者的欢迎。
图2.1对讲机的工作过程
2.3设计方案的论证与选择
2.3.1系统方案设计
设计有线双工对讲机系统如图2.2所示。
主要由话筒，前置放大器、消侧音电路、音频放大电路、扬声器、直流稳压供电电路等组成。
图2.2有线双工对讲机系统框图
其中话筒是将语音信号转换成电信号，前置放大级完成对所转换
成的弱电信号的电压放大，消侧音电路完成将本方信号削弱并将信号输出到另一方的音频放大电路中，音频输出放大电路完成弱信号的电压和电流放大，直流稳压电源部分为整个功放电路提供电能。
2.3.2前置放大电路方案论证
方案一：
采用分立元件构成前置放大电路
利用三极管的放大原理，可以通过控制基极的电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。
采用共射极放大电路，改变电路的静态工作点，可调节电路的电压放大倍数。
共射极放大电路具有输出电阻大，频带较窄，电压电流增益较大等特点。
方案二：
采用集成运算放大器构成前置放大电路
设计前置放大电路的可供选用的集成运算放大器由很多，如NationalSemiconductor公司的LF347/356/357，PrecisionMonolithics公司的OP16/37，Signetics公司的NE5532/5534等。
具有带宽高，电压增益高，转换速率快，噪声低和电流消耗低等优点。
综合比较，方案二的设计效果优于方案一，三极管的静态工作点难于保证，而集成运放价格便宜，性能高，能够满足题目放大要求，因此采用方案二。
2.3.3消侧音电路方案论证
方案一：
利用三极管的C、E极信号幅度相同相位相反构成消侧音电路
三极管采用9013，C、E中间接电位器，输出信号从电位器接出。
让三极管正常工作，则信号的相位在集电结反相，在发射结正相，调节电位器使得信号的相位相消，从而达到消侧音目的。
该电路外围元件少，电路简单，电流消耗低，易于控制。
方案二：
采用TL072集成芯片构成消侧音电路
基于差分放大器只放大差分信号而同相信号不会被放大的原理，当差分放大电路设计为对称时，对于共模信号的抑制能力强，使得输出共模电压为零，达到消侧音的目的。
该电路对对信号的抑制能力交强
综合比较，由于TL072是双电源供电，且方案二的电路较复杂。
故我采用的是方案一。
2.3.4功率放大电路方案论证
方案一：
采用分立元件构成低频功率放大器电路
分立元件构成的低频功率放大器电路可分为输入级、功率激励级和OCL输出级三部分。
输入级采用双管差分放大器使电路工作稳定，功率激励级采用互补复合管推挽输出电路来提高线性放大和降低波形失真，而输出级采用直接耦合形式确保电路的低频响应。
这种方案的优点在于反馈深度易控制，故放大倍数易控制。
且失真度可以做到很小，使音质很纯净。
但外围元器件较多，调试要困难很多。
方案二：
采用集成运放构成低频功率放大器电路
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。
特性（Features）:
（1）静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。
（2）工作电压范围宽，4-12Vor5-18V。
（3）外围元件少。
（4）电压增益可调，20-200。
（5）低失真度。
综合比较，鉴于三极管受温度的影响较大，易产生温漂，三极管本身的性能也会收到影响，在前级拾取信号不是很好，而方案二电路简单，易于调试。
因此，采用方案二。
3硬件电路设计
设计要求有线双工对讲机输出功率大于等于0.05W，需要放大电路才能完成。
对于扬声器，在额定输出功率Por=0.5W，RL=8
时从电路输出端的正弦波输出电压幅值为:
Por=（U0*U0）/RL（3.1）
可得U0=2V（3.2）
所以UP-P=
*2=2.818V（3.3）
人说话时产生的声音信号的峰峰值
约为10mV，若让扬声器工作在额定功率下，则整个放大器需要的电压倍数为
倍（3.4）
本设计中信号通过前置放大电路后，由于反馈放大电路作用电压放大倍数在10倍左右，因此音频放大电路的放大增益则需30倍以上。
3.1话筒电路
在本设计中，人声音采集是采用驻极体话筒，驻极体话筒具有体积小，频率范围宽，高保真和成本低的特点，目前，已在通讯设备，家用电器等电子产品中广泛应用。
驻极体话筒的工作原理可以用图3.1来表示。
图3.1驻极体话筒的基本结构
话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。
驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。
电容的两极之间有输出电极。
由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。
当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时，改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：
Q=CU，所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。
在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。
在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S：
将万用表拨至R×1k
档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。
再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极[8]。
通过极性的判别之后，机内型驻极体话筒有以下四种连接方式：
图3.2驻极体话筒的四种连接方式
通过以上分析，话筒电路图设计如下所示：
图3.3驻极体话筒电路
图3.3中R01是做为话筒内场效应管的负载电阻，它的取值直接关系到话筒的直流偏置，对话筒的灵敏度等工作参数有较大的影响。
J1是测试用的排针。
发光二极管D01当作上电的标志，电源通电，发光二极管点亮，开关按下之后即可对讲。
3.2前置放大电路
根据前面方案设计的分析，本设计采用的是NE5532集成运算放大器芯片。
NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。
与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力和相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。
因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路和电话通道放大器。
用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一[8]。
NE5532具有以下特点：
（1）小信号带宽：
10MHZ
（2）输出驱动能力：
600
，10V有效值
（3）输入噪声电压：
5nV/√Hz（典型值）
（4）直流电压增益：
50000
（5）交流电压增益：
2200-10KHZ
（6）功率带宽：
140KHZ
（7）转换速率：
9V/μs
（8）大的电源电压范围：
±3V~±20V
（9）单位增益补偿
NE5532引脚分布图如下所示：
图3.4NE5532引脚分布图
为了提高前置放大器电路的输入电阻和共模抑制性能，减少输出噪声，采用集成运算放大器构成前置放大电路必须采用同相放大电路结构，为尽可能保证不失真放大，电路采用反馈电路构成。
电路如图3.5所示。
图3.5前置放大电路
由上分析，前置放大器的增益安排在10dB左右，以保证充分发挥每级的线性放大性能并满足带宽要求。
电路采用一个NE5532构成，采用固定增益加输出衰减组成，运算的放大倍数由反馈电阻和输入电阻的比值决定，即该运算放大器的放大倍数由R2和R3所确定。
放大倍数：
倍（3.5）
图3.5中R102是作为输出衰减作用，使得放大后的电压增益在0~11之间，C1、C3是输入输出耦合电容。
当输入Vin,p-p=10mV时，输出Vo,p-p≥0.1V。
3.3消侧音电路
“侧音”是指在双工通话时，本方的受话器（扬声器）中听到自己的声音，这种声音形成电声反馈，就会干扰正常的通话。
因而在对讲机电路中应尽量减少侧音干扰。
由前面的分析知所用三极管为9013，设计电路如图3.6所示。
令R8=R9=1k
，三极管的静态工作点
≥4.5V，则由
（3.6）
由于有
则
（3.7）
（3.8）
则由
得
。
设
，
（3.9）
三极管工作在放大状态，信号在集电极正相，在发射极反相，通过调节电位器R104使得信号相消，而由于对讲双方的电路相同，对方的信号通过另一相同阻值电位器输出到功率放大级。
同时三极管也
有放大电流的能力，电容C9、C10是隔直作用。
图3.6消侧音电路图
3.4功率放大电路
低频功率放大电路采用集成功放LM386,与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。
如图3.7所示：
图3.7LM386的内部框图
输入级由差分放大器组成，它可以克服直接耦合产生的零漂现象，使电路工作稳定。
中间放大要求有较高的电压增益，因此由共射放大电路组成，它为输出级提供足够大的信号电压。
LM386中引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益[9]。
LM386是8脚封装时的外形和引脚的排列如下图所示。
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。
如无震荡7脚可悬空不接。
图3.8LM386为8脚封装时的外形和引脚图
LM386的典型应用电路如下：
图3.9v放大增益=20（最少器件）
图3.10放大增益=200
图3.11放大增益=50
图3.12低频提升放大器
本设计通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，接10uF的电解电容，使电压增益为200倍，即采用图3.10所示电路。
所设计的电路图如下：
图3.13LM386构成的功率放大电路
上述电路图3.13中R104是可调电位器，做调节音量的作用。
C5电容做耦合电容。
C11做旁路电容。
1脚和8脚之间接C6使得放大器的增益为200。
6脚上并联的两个电容可消除可能产生的自激震荡。
3.5电源电路
根据设计指标要求，在有线对讲机电路中电源的供电方式正确与否是非常重要的。
本设计所有的芯片的供电电压均为9V，满足设计要求。
所以我采用正负电源给对讲机电路供电，即采用L7807CV、L7909CV芯片设计一个正负9V的电源。
原理图如图3.14所示：
图3.14正负9V直流电源电路
在此设计中，电源的主要由整流电路、滤波电路、稳压电路组成。
整流电路使用的是整流二极管IN4007，当由变压器输出的交流电通过整流桥得到脉动直流。
而C1、C2采用的是2200uF的电解电容，其主要作用是平滑滤波。
C3、C4为小电容，在这里为滤除电源中的高次谐波。
G1、G2为电源工作信号灯，电源在正常工作时，G1、G2发光，电源不工作时，G1、G2熄灭[10]。
4系统的调试与测试
4.1所用仪器
在调试和测试的过程中所用到的仪器仪表如下表4.1所示。
所用到的测试仪器在仿真软件Multisim中都可直接调用。
序号
仪器名称
仪器规格
数量
备注
1
数字示波器
TDS2012C044955
1
泰克科技（中国）有限公司
2
函数信号发生器
1
3
示波器
XSC1
1
4
万用表
DT9205A+
1
山创/H.NEYTEK
5
测试软件
Multisim
表4.1测试所用仪器表
4.2电路调试
采用函数信号发生器模拟人说话的声音并用示波器观察输出信号变化。
人说话时产生的声音信号峰峰值约为10mV，频率约在65~1100Hz，在Multisim软件中仿真如下：
图4.1输入信号波形
在经过前置放大器之后，根据电路图的设计，在NE5532的输出端的电压峰峰值应在0.1V左右，在Multisim仿真软件中得到仿真图形如下：
图4.2前置放大输出波形
前置放大器的仿真结果，放大了11倍左右，与理论计算的值相吻合，达到了设计的要求。
信号经前置放大电路到消侧音电路，此时在可调电阻调到输出幅度最小的情况，在数据输出端口和可调电阻上的输出波形仿真如下：
图4.3数据输出口和消侧音输出信号
可以看到在可调电阻调到输出幅度最小时，仍有小幅波形，因此对于实际的电路会有一定的影响。
4.2测试
利用信号发生器模拟声音信号用示波器观察输出信号变化。
从信号发生器取峰峰值为10mV的正弦信号加在电路的输入端，调节消侧音电路中的电位器R104观察示波器使其输出信号调至最小。
通过计算可得到实际输出功率
≥50mW。
从测试结果可看出本电路基本可以实现消侧音，但对讲的本方扬声器中仍有噪音，经前级放大和后级的功率放大满足电压要求，输出功率大于等于0.05W，满足题目技术要求。
实地通话测试如下：
条件：
通讯距离为15米，中间串联1K
电话线仿真1Km的通信线。
测试结果：
实现了较清晰的通话效果。
5总结
本次毕业设计基本完成了设计的基本要求：
实现双向对讲，互不干扰。
在对讲机部分主要应用了集成运放NE5532、三极管9013、和功率放大器LM386，完成了声音信号的转换、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，主要在于三端稳压器件LM7809CV的选择，通过该器件直接可输出+9V的直流电，只要保证其工作在线性区即可。
其他器件都是围绕该器件展开的。
在设计过程中，遇到了很多问题，比如消侧音电路的设计，这需要对模拟电子技术的应用比较熟悉，设计有几种不同的方案，既要保证电路的可实现性，又要使得电路的设计简单；比如话筒的选择，话筒有很多种不同的型号和样式，选用什么样的话筒以和怎样保证话筒能够正常的工作是很重要的；比如功放芯片的选择时,采用的是LM386，它的放大增益有几种不同的形式，采用何种形式会对输出的功率造成影响。
这些问题我都一一的查找资料，从分析问题，提出方案，直到最终解决问题。
在调试过程中，虽然在对讲的双方都实现了通话，但在扬声器的输出噪声较大，对功能的实现有影响。
通过这次毕业设计，我学到了很多东西，从最初的选题，到方案选择，再到完成最后的报告书等等过程，充分地锻炼了我独立思考和实践操作的能力，这对于我今后从事的工作有很大的影响。
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