音频传输系统设计.docx
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音频传输系统设计
课程设计说明书
题目：
音频传输系统设计
学生姓名：
学号：
院（系）：
电气与信息工程学院
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
2015年12月25日
摘要
设计并制作一个音频信号传输系统，电路分为音频产生电路和接收电路两个部分，音频产生电路是为了产生周期性音频脉冲信号，使喇叭有频率的发声作为信号的发出端，将接收电路与之相距20cm以保证满足工作要求，接收电路中使用拾音器接收声源处的音频脉冲信号，用驱动电路驱动发光二极管，通过观察发光二极管LED随着喇叭的发声而发光的情况判断电路的运行状况，正常工作条件下，喇叭每隔大约一秒响一次，儿发光二极管随蜂鸣声的到来而闪烁。
如果该系统能够按照上述方式运行，说明该系统工作状态良好。
关键词：
音频，传输。
1、选题背景
1.1、指导思想
本次课设的题目为音频传输系统，在我们的生活中处处都有它的应用。
首先说音频，广泛的说来，人所能听到的所有的声音都能称之为音频，也可能包括噪声，声音被录制下来以后，无论是说话声、歌声、乐器都可以通过数字音乐软件处理，或是把它制作成CD，这时候所有的声音没有改变，因为CD本来就是音频文件的一种类型。
而音频只是储存在计算机里的声音，如果有计算机再加上相应的音频卡——就是我们经常说的声卡，我们可以把所有的声音录制下来，声音的声学特性如音的高低等都可以用计算机硬盘文件的方式储存下来。
反过来，我们也可以把储存下来的音频文件用一定的音频程序播放，还原以前录下的声音。
采样频率就是采用一段音频，做为样本，因为wav使用的是数码信号，它是用一堆数字来描述原来的模拟信号，所以它要对原来的模拟信号进行分析，我们知道所有的声音都有其波形，数码信号就是在原有的模拟信号波形上每隔一段时间进行一次“取点”，赋予每一个点以一个数值，这就是“采样”，然后把所有的“点”连起来就可以描述模拟信号了，很明显，在一定时间内取的点越多，描述出来的波形就越精确，这个尺度我们就称为“采样频率”。
我们最常用的采样频率是44.1kHz，它的意思是每秒取样44100次。
之所以使用这个数值是因为经过了反复实验（实际上是那个时代才是视频27/1.0001时钟做CD刻录遗留问题），人们发现这个采样频率最合适，低于这个值就会有较明显的损失，而高于这个值之后人的耳朵已经很难分辨，而且增大了数字音频所占用的空间。
一般为了达到“万分精确”，我们还会使用48kHz甚至96kHz的采样频率，实际上，96kHz采样频率和44.1kHz采样频率的区别绝对不会像44.1kHz和22kHz那样区别如此之大，我们所使用的CD的采样标准就是44.1kHz，目前44.1kHz还是一个最通行的标准，有些人认为96kHz将是未来录音界的趋势。
采样频率提高应该是一件好事，但我们真的能听出96kHz采样频率制作的音乐与44.1kHz采样频率制作的音乐的区别吗？
不过随着高端音响设备的大众化，我们也许就会在Party时听到更高质量的音乐了。
再说传输，本次课题的工作方式是当声音产生之后，由与之相隔20cm的拾音器接收，从而达到音频的传输过程，在接收电路中经过一系列电路驱动发光二极管以此来显示信号的有无，这正是该课题的简易指导思想。
传输是一个比较广泛的词汇，大到全中国电力系统的线路分布传输，小到手机的耳机将音频信号传到人耳以此感受动人的音乐。
传输在当下已经与人们的生活密不可分，就像各路信号的一个桥梁。
1.2、设计任务
设计并制作一个音频信号传输系统，系统包括音频产生电路与接收电路两部分。
具体要求如下：
（a）音频产生电路能够产生图1.1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；
（b）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；
（c）音频产生电路和接收电路相距20cm以上。
图1.1信号波形示意图
1.3、方案论证
1.3.1、方案一
方案一：
在音频产生电路中，用NE555分别做成多谐振荡器和占空比可调的多谐振荡器，一个做成频率为1kHz左右的多谐振荡器，另一个占空比可调的做成频率为1Hz左右的多谐振荡器，通过74HC08将两个波形相与，将时钟周期控制在1s左右，用三极管进行电流放大驱动喇叭发出声音，功放电路采用共集电极放大器；在接收电路中，用拾音器接收声音信号，通过一只运放NE5532将信号放大，再经LM393比较器驱动LED二极管，使LED二极管在脉冲信号到来时发光。
见图2.1。
图1.2方案一部分电路
1.3.2、方案二
方案二：
方案二的音频产生电路功率放大部分采用共基极放大器，接收电路采用一只NE5532运放，再经LM393比较器驱动LED二极管，使LED二极管在脉冲信号到来时发光。
见图2.2
图1.3方案二部分电路
综合比较上述两种方法，共基极放大电路比共集电极放大电路要简单，且在此处放置共基极放大电路方式同样能达到放大的效果，因此选用共基极放大方式。
在接收电路的选择方式上，采用两只运放会使波形放大时更加稳定，更大的减小波形的失真和外来信号的干扰，放大倍数在100到200之间，结果更加明显；采用一只运放通过电位器也可以使放大倍数保持在所需要的范围之内，虽然说波形稳定方面较方案一而言略显不足，但是电路更加直观明了，而且采用一只运放产生的结果与采用两只相比较没有较大的区别，再考虑到板子的布局和经济实惠性，最终确认选定方案二。
2、电路设计
2.1、整机框图
图2.1系统的设计框图
2.2、工作原理
如图2.1所示系统设计框图，脉冲信号1由NE555做多谐振荡器使用，产生的脉冲波为1Hz，脉冲信号2由NE555构成占空比可调的多谐振荡器使用，产生的脉冲波为1kHz，两路信号通过74HC08与门进行合成，再通过共基极功率放大器将信号进行放大，在此处，功率放大器由TIP三极管担当，进而带动喇叭使之发声；在接收电路中，拾音器接收喇叭产生的声音信号，然后经过RC电路进行滤波，将接收到的信号进一步通过NE5532构成的放大器进行放大，再通过由LM393比较器构成的驱动电路驱动发光二极管使之随着喇叭的声音而发光。
3、各主要电路工作原理
3.1、多谐振荡器的设计
在本次设计中，多谐振荡器由NE555外接电容电阻构成，两个多谐振荡器的占空比设定为一大一小，这样在做与的情况下才能保证喇叭在一秒钟左右响一次，而不是一直响或是没有声音，由此可知在确定多谐频率f值的时候也要考虑到占空比，555构成的多谐振荡器的占空比计算公式[1]为：
（3-1）
由此可知q最小为50%，确定参数时使第一片多谐振荡器的占空比接近50%即保证R2远远大于R1，设定频率f的参考值为1kHz左右，根据多谐振荡器的频率计算公式[1]有：
（3-2）
其中C为与6脚相连的电容容值，确定频率参数时保证f为KHz的单位，两个电阻R1和R2的取值级别不能过大（MΩ）也不能过小（Ω），综上分析选择R1为1kΩ，R2为50kΩ，由此确定C的参数为10nF，代入占空比和频率的计算公式可知，占空比为50.49%，频率为1428.6Hz，周期为0.7S。
见图3.1。
图3.1555构成多谐振荡器
对于另一片多谐振荡器，应使其占空比较小，频率应在Hz级别，因为555构成的多谐频率占空比不能小于50%，所以加入正反两只二极管，使其占空比可以很小，对于加入两只二极管的多谐振荡器，其占空比的计算公式为[1]:
（3-3）
频率的计算公式为[1]：
（3-4）
为了产生大约每秒响一次的声音信号，f应为Hz级别，q应相对较小，同第一片的参数选取，R也应取kΩ级别，C随之应该选取μF级别，综上，取R1=10k，R2=100k，相应的，C应该取10μF，由此参数进行计算，q=9.09%，f=1.3Hz，周期为0.76S。
见图3.2。
图3.2555构成占空比可调的多谐振荡器
3.2、信号合成部分
为了将两种脉冲进行合并，使用74HC08将两种波形进行与操作，14、7接电源，1、2脚进，3脚出，其余悬空不用。
见图3.3。
图3.374HC08示意图
3.3、功放电路
本课题功放电路由TIP41构成，TIP41三极管[2]，在发声电路中做功率放大作用，信号从基极进入，使用时，集电极接12V电源，将电流放大通过发射极驱动喇叭使其发声，喇叭和TIP41的发射机相连，基极与电源之间要接一个电阻，选用5k。
见图3.4。
图3.4功放电路示意图
3.4、拾音器部分
在本次设计中，喇叭负责发出声音信号，因为输出的电压不大，故选用参数为8Ω；拾音器负责接收声音信号。
见图3.5。
图3.5拾音器示意图
3.5、放大电路
由拾音器接收到的电压信号很微弱，需要进行电压放大，在本次设计中选用NE5532进行电压放大[2]，放大倍数可调，放大倍数为：
（3-5）
其中R2选用200k，R1设定为电位器，阻值为20k，在使用时调到1k，使放大倍数为200倍左右，正负电源接退耦电容。
见图3.6。
图3.6NE5532示意图
3.6、驱动电路
为了让发光二极管随着声音信号的到来而发光，需要设置一个比较器将信号的高电平表示出来，用LM393做比较器，同相端接地，反相端接NE5532的输出信号，当信号大于0时，LM393输出低电平，发光二极管两端有电压，即随输入信号的高电平而发光。
接LM393的+5V电源驱动发光二极管。
为了显示声音信号的有无，选用发光二极管LED，使用时将其负极接到LM393的输出端，正极接100Ω的限流电阻，然后接到LM393的正电源处，当比较器输出正5V时LED不亮，输出-5V时发出亮光，以此来显示信号的有无。
见图3.7。
图3.7驱动电路示意图
4、原理总图
图4.1音频产生电路的发声装置
图4.2音频产生电路的接收装置
5、组装调试
5.1、使用的主要仪器和仪表
本次课设使用的主要仪器有：
配有+5V、+12V电源的实验台，示波器；
本次课设使用的主要仪表有：
万用表。
5.2、调试电路的方法和技巧
发声电路和接收电路分别焊接在了两块板子上，调试时需要手动摆放位置，在周围安静的情况下进行，以免其他声音使LED发光影响实验结果。
调试方法：
分别将发声电路和接收电路供电，然后启动电源，此时喇叭发声，将接收电路的拾音器正对发声的喇叭，相距20cm以上，若发光二极管LED随之发光，则说明电路调试正常。
调试技巧：
尽量在周围环境相对安静的状态进行调试，以免影响实验结果；喇叭和拾音器应尽量正对，使声音信号尽可能多的被接收到。
5.3、测试的数据和波形并与计算结果比较分析
（a）多谐振荡器输出的波形：
幅值：
4.8V，周期：
0.8S；计算结果：
幅值：
5V，周期：
0.7S。
（b）、占空比可调的多谐振荡器的波形：
幅值：
4.5V，周期：
0.75S；计算值：
幅值：
5V，周期：
0.76S。
（c）、74HC08输出的电压：
4.0V；计算值：
4V；
（d）、喇叭处的波形：
幅值：
4.2V，周期：
0.9S；计算值：
幅值4V，周期：
1S；
（e）、LM393输出的波形：
脉冲波，8.8V；计算值：
脉冲波，幅值：
10V。
（f）、发声电路发出的声音信号的波形：
实测：
见图5.1。
图5.1用示波器测得的喇叭发声波形
仿真：
见图5.2。
图5.2仿真检测到的喇叭发声波形
（g）、接收电路二极管两端的波形：
实测：
见图5.3。
图5.3用示波器测得的驱动电路的波形（幅值为8.8V）
仿真：
见图5.4。
图5.4仿真测得的二极管负极处的波形
5.4、实物图
调试过程中所拍下的实物图如图5.5所示：
图5.5实物图
5.5、调试中出现的故障、原因及排除方法
出现的故障：
（a）、上电后喇叭声音不响亮；原因：
12V电源没有加好，经检测，供电的接地线没有导通，排除方法：
换下了新导线得以解决。
很弱智的故障。
（b）、上电后喇叭没有声音；原因：
74HC08未能工作。
通过示波器可以看到两片555后面的波形正常，但是经过74HC08之后没有波形，可知与门未能正常工作；排除方法：
换下了一片新的芯片，问题得以解决。
原件故障。
（b）、接收电路中发光二极管LED亮度不够；原因，电位器的电阻值调的过大，使放大倍数不够大。
排除方法：
调节电位器是阻值范围在800Ω和1kΩ之间，问题得以解决。
电路没有调好的故障。
6、设计总结、收获、体会
6.1、设计总结
本次课程设计的初始阶段，我们小组正所谓是绞尽脑汁也未能相出原理图应该如何设计，而且对各种原件的熟悉程度不够，使得大脑中没有形成连串的原件组合方式的设计，因为基本没有什么概念，我只能对着课设的题目发呆，完全不知道从哪里开始做起。
然后我在网上开始找有关的设计方案，试着去借鉴一下找一些设计思路，不过网上的帖子里面并没有完整的电路设计图，而且找到的也都是些笼统的套话。
后来我们去找了老师寻求点拨，老师一席话，胜过瞎想一下午，然后当场就在实验室做起了仿真电路来，设计思路已经有了，就是两个555波形相与，然后驱动喇叭，再由拾音器去接收声音的电压信号，然后经过放大器使二极管发光，大体思路有了之后，我们要做的就是细节上的原件摆放，以及LM393比较器的使用和TIP三极管的功率放大设计，当天下午在实验室虽然没有当场成功，但还是让我的心中很是充实，这正是从无到有的转变。
后来当天晚上，我们几个又开始设计仿真电路，奈何喇叭可以发声但是二极管不能发光，接收电路中我们先用信号源（1Hz的正玄波）代替了拾音器，以此来给接收电路提供电压信号，LM393输出与发光二极管的接入那里始终没有设计好，后来不知道是谁脑子一抽，然后将393的+5V电压接限流电阻加二极管然后回到了393的输出端，之后二极管就发光了，其实主要还是对LM393的理解不够到位，这个比较器总是让人比较难受。
就这样，整个电路的设计原理仿真图就这样稀里糊涂的做了出来，仿真里的效果很是明显，而且很明显我们可以使用这个电路，过了几天我们又找到老师让他确认了一下，最终敲定了设计原理和设计图。
6.2、收获
想到这次的课程设计，收获可真是丰盛。
首先，我收获的不是什么乱七八糟的知识，因为就这样一个简简单单的东西并没有让我学到什么实际性的数模电知识，唉，算了，说实话多多少少还是有的，比如说对板子里的每个原件的作用起码是知道了解了些，它们的功能也都学到了些。
除此之外，我收获的还有团结。
精神上的收获总是让我首先倾诉，曾几何时，我们三个还有着自由散漫的个人生活，然后一个课程设计使得我们时不时的往科协跑，我记得我们去了起码得有5、6次，而且第一天去就做好了通宵的准备，那一天晚上我们没有做多少东西，主要是将原件熟悉了一番然后在面包板上搭建了起来，几个人分工，一个搭建发声电路，我搭建接收电路，另一个补原价修整参数。
当天晚上也算是小有成就，搭建好的面包板可以工作，晚上十一点半才回，要不是那个可恶的老头儿，也许板子都可以焊接了。
后来开始了焊接板子，我们考虑布局花费了很长时间，验收的时候发现老师根本不在意原件的排列，只看重焊接的技术。
有些小心酸，因为我的原件的排列布局可是费了一番心思。
后来三个人在科协边焊边聊，充实的同时收获了快乐。
这是我感受最深的一点。
这收获是不是可以写在体会里呢？
然后收获较大的就是焊接时的注意事项，真的，确实不该用那么多的导线，而且那个小细线可真是耗费了我不少的时间，现在想起来真有些费力不给力的境界了。
再有就是调试的收获，科协里的信号源真是有些坑，不用示波器测一下我还真不敢确定直流电源可以用，我更加知道了万用表不离手的好处，随时随地检测每一个线。
6.3、体会
体会应该是我要写的最后的一段话了，我必须倾力抒发一下感情，并展示一下我的文笔。
其实我对课程设计和焊接板子并没有什么大的兴趣，因为我对我的专业本身就没有多大的兴趣，说这个有些略显浪荡了，不过我自认为我是一个好学生，决定要认真做的事我就一定要认真的完成它，最后做成的小小的作品确实让人很是充实。
说实话我觉得，做课设虽然能在一定程度上提高我们的动手能力和实践功力，但是并不能起到实质上的提高，就拿原理图的设计来讲吧，有几个是完全自己构思出来的呢，基本上都是在网上直接摘下拿到自己手里来用的，这说明课设的最大的意义已经失去了，做课设不就是让我们自己去创新吗？
然而我们的能力不够，只能靠捡现成的来用。
嗯，这样课程设计基本上就成了讲焊接的准确度上来了，我不觉得这能在以后工作上能起到大的帮助，说实话我对这个专业的前途也感到一片茫然，就拿在大学里学的这些东西，除非十分拔尖，否则基本不能走入社会。
我之前也在想，人就非得被牵着鼻子走吗？
不能。
在这个快节奏的时代，梦想这个词虽然人们耳熟能详，但是很多人已经麻木了。
我对这个学校很没有信心，但是对自己却从没有放弃过，这主要怪我自己没有本事考到了不入流的学校。
在被迷茫的看似安稳的生活充斥整个大脑之前，我一定要坚持我自己的梦想，人不能为了活而活，而是要为了自己的追求去追求，尽管可能会很面临无尽的嘲讽，但是一定要去做自己，在这种现实社会里，我万万不能忘记自己的梦。
在此就没有必要向所有能看到我的课程设计报告的老师和同学们说明白我自己的梦想了。
话说回来，这次的课程设计让我们有事可做，有作品可以完成，确实倒是锻炼了自己的各方面的能力。
另外，在此谨向严谨热情的田老师表达谢意，老师，您辛苦了。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础（第四版）.高等教育出版社.1988年11月
[2]孙肖子.模拟电子电路及技术基础（第二版）.西安电子科技大学出版社.
附录Ⅰ、图纸
整机电路图：
附录Ⅱ、元器件清单
元器件类型
元器件数量
NE555
2
NE5532
1
LM393
1
74HC08
1
TIP41三极管
1
喇叭
1
拾音器
1
100Ω电阻
1
1k电阻
1
5k电阻
1
10k电阻
4
50k电阻
1
100k电阻
1
200k电阻
1
20k电位器
1
1n电容
1
10n电容
4
0.1μF电容
2
10μF电容
2
47μF电容
2
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