有线双工对讲机 项目设计制作报告
（上海大学）
二零一三年 三月 一日
一、 项目设计的题目及要求
设计一个有线对讲机
功能描述：
不像电话机需通过电信局的中转，有线对讲机是用导线直接连接，当“通话”按钮按下时可以通话。 设计要求：
一般要求：半双工通信，“讲”时不能“听”，“听”时不能“讲”，由“通话”按钮来切换状态。
附加要求：全双工通信，像电话机一样，“听”和“讲”可以同时进行。 1、电路设计简单合理，设计分析计算过程清晰。 2、电路工作稳定可靠，喇叭声音清晰。 3、全双工通信时没有回声。 二、设计准备及总体思路
当确定分组、组长，选定项目设计的题目之后，我们首先进行了合理的分工，分配大家的任务，然后我们大家各自查阅有关制作有线对讲机的资料并自学一些必要的知识，两周后小组一起讨论确定项目实施方案，完成中期报告。
我们设计的目标是实现全双工通信，总体思路是：
（全双工通信又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息的信息交互方式。
全双工（Full Duplex ）是 在微处理器与外围设备之间采用发送线和接受线各自独立的方法，可以使数据在两个方向上同时进行传送操作。指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。）
① 利用麦克风将声音信号转化为电信号，经过隔直电容后输出微弱的电信
号。
② 经过前置的运算放大器电路和功率放大电路将微弱的电信号放大。
③ 为防止侧音的干扰，电路中需要消侧音电路，消除通话过程中的回音，
使得在进行通话时听不到喇叭传来的自己的声音，提高通话质量。
部分回馈到自身接收电话的那部分信号。）
④ 为了减小噪音，提高声音的清晰度，我们设计添加了一个低通滤波器电
路。
⑤ 最后信号传输到喇叭，喇叭将电信号转化成声音信号，发出声音。 设计有线双工对讲机的原理可以用如下所示的系统图表示。主要由弱声音采集、前置放大器、消侧音电路、低通滤波器电路、功率放大电路、扬声器等组成。
三、 元件的使用清单
功率放大器：TDA1013B 两片 运算放大器：μA741 四个 驻极体话筒：2个 扬声器：两个
电位器：4.7k 2个 10k 2个 三极管：2个
电阻：1k 10个 4.7k 6个 6.7k 2个 10k 10个 220k 2个 电容：0.01μF 4个 0.1μF 10个 1μF 2个 6.8μF 2个 10μF 8个 220μF 4个 洞洞板：两块 导线：若干
四、 具体设计
1、 驻极体话筒的结构与工作原理
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。
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。
根据所查资料及实际电路测试，当上拉电压为12V 时，驻极体话筒需加10k 的上拉电阻，经过一个隔直电容后输出微弱的电信号，测量驻极体话筒输出波形的峰峰值约为100—200mv 。 2、 喇叭
喇叭的额定功率为0.5w ，额定电阻为8Ω，因此为小电阻用电器，而运算放大器只放大电压不能放大电流，外接小电阻用电器运算放大器容易损坏，因此输往喇叭的电信号要经过特定的功率放大器进行放大才能输出合适的电信号。
3、 功率放大器
对于功率放大我们除了使用功放芯片外也可以用运算放大器μA741后面加一个PNP 和一个NPN 连接后输出，但实验室没有PNP 只有NPN 。因此我们选用实验室提供的型号为TDA1013B 的功率放大器。 电路原理图如下：
应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β
倍，信号，这现象称为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。
通过资料查阅与电路设计，项目实施中实际使用的TDA1013B 伴音功放电路(TDA1013B引脚功能图)]
的电路图如下：
4、 运算放大器
使用运放来初步放大话筒输出的微弱的电信号，放大倍数为10倍，输出信号峰峰值为1—2V 。电路图如下所示，有R2=10*R1，取R1=1k，R2=10k,R3=1k。
5、二阶RC 有源低通滤波器
人所发出的声音频率为300HZ —3400HZ ，低频较低，因此设计一个低通滤波器来滤除杂音，提高声音清晰度。
低频增益A(0)=2，Q=1, f=3.4kHz。根据该电路低频增益A(0)=K=1+R3/R4=2，Q=1/3-k=1,可知R3=R4,选R3=R4=10kΩ。根据截止频率f=3.4KHz可求得f=w/2π=1/2πRC 。选C=0.01μF ，算出R=1/(2πfC) ≈5.3K Ω.
考虑实际手边可用的电阻没有5.3k 的，随着此电阻的增大通频带会减小，所以只能适当的减小电阻，取实验室提供的电阻4.7k ，二阶RC 有源低通滤波器的电路图如下所示：
6、消侧音电路
利用三极管的C,E 极输出信号与E 极输出的信号幅度相同，相位相反，可以相叠加后将信号消去。
三极管采用型号9013. ，电位器104。为了使三极管正常工作，在三极管B 端由R1和R2分压，三极管的静态工作点V CQ ≥4.5V ，则令V EQ =V CC —V CQ ，由于有V BE =0.7V，则V BQ =V EQ +0.7，V BQ +V R1=12V . 令R3=R4=1ＫΩ，则由设I CQ =3m 考虑实验室可用的电A , 那么R =，I EQ =I CQ 得V R3=V R4。2阻且基本满足上述比例取R1=6.8kΩ，R2=4.7kΩ。
电路图如下：
消侧音电路
7、各部分电路都有了设计方案后，我们在软件Multisim 11.0上进行了模拟，验证了各部分电路都能实现应有的功能，我们就将各部分电路连接起来，绘制完整的实施电路图，如下图所示：
五、 电路焊接及调试过程
原理部分设计完成后，我们就进行电路焊接，将电路图用实物呈现在电路板上，为防止出现问题时难以寻找错误，给调试带来难度，我们首先没有把各部分功能块电路连接在一起，而是分模块进行调试。最后确定每部分都没有问题后，将电路整体连接进行最终的调试。 1、 各部分电路调试
首先是驻极体话筒的输出，在外加12V 稳压电源，上拉电阻10k 的情况下，经过一个隔直电容后输出，测试输出信号峰峰值不超过200mv ，满足初期测试结果。验证前置运放也能达到放大十倍的效果。
其次是消侧音的电路，接传输线的位置信号与输入信号相同，接自己喇叭的位置通过调节10k 的滑动变阻器可以使得输出为零，从而达到消侧音的目的。
对于低通滤波器电路，由于没有5.3k 的电阻而用4.7k 的电阻代替，使得通频带略有扩展，截止频率为4k 左右，但对性能的影响不大，可以使用。
功率放大的电路通过一个滑动变阻器可以调节放大倍数，测试得电压放大倍数为几倍到几十倍，加上前置的运放电路能够满足放大的要求，且可以通过调节滑动变阻器来调节输出音量大小。 2、总体电路调试
各部分都能实现功能后，我们将实际电路连接起来，连接长度3米的传输线进行测试，可是又出现了新的问题：当一方说话时，两个喇叭都能听到声音，而且声音大小还相差不大，也就是消侧音电路没有起效。
面对这个问题，我们首先将传输线断开，对每一方的电路进行测试，发现对着一方话筒说话时，自己的喇叭并没有输出，消侧音电路是有作用的，但是连接传输线后消侧音电路再次失效。我们一时陷入无助，重新查找资料来验证传输线的接法是否有问题，可是经过大量的资料查阅，电路的接法并没有问题，因此我们只好求助老师。
最终还是老师指点迷津，指出了问题所在：
如下页图所示，当连接了传输线以后，对于交流信号，Vcc 看成接地，两个1k Ω的电阻相当于并联，原先接1k Ω处的电阻相当于减小了，当不接传输线时通过电阻平衡能起到消侧音的目的，而接了传输线便不再平衡，也就不能消除侧
音了，老师建议将原来1k Ω的电阻换成2k Ω。
找到了问题所在，我们便按照老师的方案在Multisim 软件上进行仿真，谁料此方案也不能消除侧音，还是会有。考虑到应该是电容对交流不能真的短路，可能还会有一定阻抗，上下仍然不平衡导致此方案的不成功。最终想到改变电阻也只是为了使上下平衡，而10k 的滑动变阻器起的就是可以通过调节它来平衡上下的作用，所以我们想到了连接了传输线以后，为了达到消侧音的目的可能滑片的位置并不与不连传输线时相同 ，当连接传输线以后重新调节滑动变阻器的滑片的位置可以使上下平衡。然后我们就以此方案进行仿真，果不其然，可以消除侧音，于是进行实际调试，调节电位器滑片的位置能够将侧音消除，保证通话的质量，使得全双工通话无回声，至此，项目制作完成。
六、 项目制作结果
经过理论和实践的努力，本小组成功设计出一个用导线直接连接的有线对讲机，实现了“全双工通信”的要求。并且喇叭声音清晰，通话过程中没有回音。
七、团队分工合作情况
这次的课外设计提升了我们的实践能力和团队合作能力。在项目设计的初步阶段，查找了很多相关资料，对多种电路进行分析和比较，则优选择最佳的实验方案，焊接电路的时候，虽然有失败，但是很快就能找到原因。从电路分析，设计到最后焊接，每个环节都有很大收获, 我们也学到了很多课外的知识。
八、 心得体会
花了几周的时间对此课外项目进行设计，现在项目制作完成了，有很多心得体会。
在完成项目的过程中最大的感受就是课堂上的理论可能看起来并不是很难，但是要想活学活用却还有很长的路要走。在实际的项目制作中要严谨，一个细节的出错都可能会造成不可预估的错误，而且还会给调试带来很大的难度。
在设计项目的时候我们在保证严谨的同时还要有足够的自信，相信自己的判断力，当然这要是在有理论支撑的基础上的。我们要敢于尝试，敢于测试，原件的功能，参数，使用的效果都从测试中得来。遇到困难的时候要敢于不断尝试，有足够的耐心去寻找错误，适当的时候还可以寻求老师同学的帮助。这些经验我们要在以后的项目制作中多加利用。
相比上个学期的电路课程项目，我们遭遇到了更多的麻烦，但同样是这一次考验，让我们从中得到了磨练，增长的知识。知识是学不完的，能力是不断增长的，在团队的共同努力下，成长、收获，势在必得。单单掌握理论的知识是完完全全不够用的，到了社会中，也许学到的理论知识只用上了一小部分，可实践知识、技能却画上了大大的需求符号。只有理论与实践结合，才是一个完整的工科学生。
九、 参考文献
【1】 《模拟电子电路及技术基础（第二版）》，孙肖子 主编，西安电子科技大学出版社；
【2】 《电工与电子技术》，王鸿明 主编，高等教育出版社；
【3】 http://baike.baidu.com/view/1224687.htm；全双工通信；
【4】 http://wenku.baidu.com/view/bac0d08802d276a200292ef9.html；消侧
音电路设计；
【5】 http://wenku.baidu.com/view/ed7b4acdda38376baf1fae18.html；有线
对讲机设计；
【6】 http://wenku.baidu.com/view/e7cd4542a8956bec0975e330.html；有线
双工对讲机；
有线双工对讲机 项目设计制作报告
（上海大学）
二零一三年 三月 一日
一、 项目设计的题目及要求
设计一个有线对讲机
功能描述：
不像电话机需通过电信局的中转，有线对讲机是用导线直接连接，当“通话”按钮按下时可以通话。 设计要求：
一般要求：半双工通信，“讲”时不能“听”，“听”时不能“讲”，由“通话”按钮来切换状态。
附加要求：全双工通信，像电话机一样，“听”和“讲”可以同时进行。 1、电路设计简单合理，设计分析计算过程清晰。 2、电路工作稳定可靠，喇叭声音清晰。 3、全双工通信时没有回声。 二、设计准备及总体思路
当确定分组、组长，选定项目设计的题目之后，我们首先进行了合理的分工，分配大家的任务，然后我们大家各自查阅有关制作有线对讲机的资料并自学一些必要的知识，两周后小组一起讨论确定项目实施方案，完成中期报告。
我们设计的目标是实现全双工通信，总体思路是：
（全双工通信又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息的信息交互方式。
全双工（Full Duplex ）是 在微处理器与外围设备之间采用发送线和接受线各自独立的方法，可以使数据在两个方向上同时进行传送操作。指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行，这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音。）
① 利用麦克风将声音信号转化为电信号，经过隔直电容后输出微弱的电信
号。
② 经过前置的运算放大器电路和功率放大电路将微弱的电信号放大。
③ 为防止侧音的干扰，电路中需要消侧音电路，消除通话过程中的回音，
使得在进行通话时听不到喇叭传来的自己的声音，提高通话质量。
部分回馈到自身接收电话的那部分信号。）
④ 为了减小噪音，提高声音的清晰度，我们设计添加了一个低通滤波器电
路。
⑤ 最后信号传输到喇叭，喇叭将电信号转化成声音信号，发出声音。 设计有线双工对讲机的原理可以用如下所示的系统图表示。主要由弱声音采集、前置放大器、消侧音电路、低通滤波器电路、功率放大电路、扬声器等组成。
三、 元件的使用清单
功率放大器：TDA1013B 两片 运算放大器：μA741 四个 驻极体话筒：2个 扬声器：两个
电位器：4.7k 2个 10k 2个 三极管：2个
电阻：1k 10个 4.7k 6个 6.7k 2个 10k 10个 220k 2个 电容：0.01μF 4个 0.1μF 10个 1μF 2个 6.8μF 2个 10μF 8个 220μF 4个 洞洞板：两块 导线：若干
四、 具体设计
1、 驻极体话筒的结构与工作原理
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。
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。
根据所查资料及实际电路测试，当上拉电压为12V 时，驻极体话筒需加10k 的上拉电阻，经过一个隔直电容后输出微弱的电信号，测量驻极体话筒输出波形的峰峰值约为100—200mv 。 2、 喇叭
喇叭的额定功率为0.5w ，额定电阻为8Ω，因此为小电阻用电器，而运算放大器只放大电压不能放大电流，外接小电阻用电器运算放大器容易损坏，因此输往喇叭的电信号要经过特定的功率放大器进行放大才能输出合适的电信号。
3、 功率放大器
对于功率放大我们除了使用功放芯片外也可以用运算放大器μA741后面加一个PNP 和一个NPN 连接后输出，但实验室没有PNP 只有NPN 。因此我们选用实验室提供的型号为TDA1013B 的功率放大器。 电路原理图如下：
应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的β
倍，信号，这现象称为三极管的放大作用。经过不断的电流放大，就完成了功率放大。
通过资料查阅与电路设计，项目实施中实际使用的TDA1013B 伴音功放电路(TDA1013B引脚功能图)]
的电路图如下：
4、 运算放大器
使用运放来初步放大话筒输出的微弱的电信号，放大倍数为10倍，输出信号峰峰值为1—2V 。电路图如下所示，有R2=10*R1，取R1=1k，R2=10k,R3=1k。
5、二阶RC 有源低通滤波器
人所发出的声音频率为300HZ —3400HZ ，低频较低，因此设计一个低通滤波器来滤除杂音，提高声音清晰度。
低频增益A(0)=2，Q=1, f=3.4kHz。根据该电路低频增益A(0)=K=1+R3/R4=2，Q=1/3-k=1,可知R3=R4,选R3=R4=10kΩ。根据截止频率f=3.4KHz可求得f=w/2π=1/2πRC 。选C=0.01μF ，算出R=1/(2πfC) ≈5.3K Ω.
考虑实际手边可用的电阻没有5.3k 的，随着此电阻的增大通频带会减小，所以只能适当的减小电阻，取实验室提供的电阻4.7k ，二阶RC 有源低通滤波器的电路图如下所示：
6、消侧音电路
利用三极管的C,E 极输出信号与E 极输出的信号幅度相同，相位相反，可以相叠加后将信号消去。
三极管采用型号9013. ，电位器104。为了使三极管正常工作，在三极管B 端由R1和R2分压，三极管的静态工作点V CQ ≥4.5V ，则令V EQ =V CC —V CQ ，由于有V BE =0.7V，则V BQ =V EQ +0.7，V BQ +V R1=12V . 令R3=R4=1ＫΩ，则由设I CQ =3m 考虑实验室可用的电A , 那么R =，I EQ =I CQ 得V R3=V R4。2阻且基本满足上述比例取R1=6.8kΩ，R2=4.7kΩ。
电路图如下：
消侧音电路
7、各部分电路都有了设计方案后，我们在软件Multisim 11.0上进行了模拟，验证了各部分电路都能实现应有的功能，我们就将各部分电路连接起来，绘制完整的实施电路图，如下图所示：
五、 电路焊接及调试过程
原理部分设计完成后，我们就进行电路焊接，将电路图用实物呈现在电路板上，为防止出现问题时难以寻找错误，给调试带来难度，我们首先没有把各部分功能块电路连接在一起，而是分模块进行调试。最后确定每部分都没有问题后，将电路整体连接进行最终的调试。 1、 各部分电路调试
首先是驻极体话筒的输出，在外加12V 稳压电源，上拉电阻10k 的情况下，经过一个隔直电容后输出，测试输出信号峰峰值不超过200mv ，满足初期测试结果。验证前置运放也能达到放大十倍的效果。
其次是消侧音的电路，接传输线的位置信号与输入信号相同，接自己喇叭的位置通过调节10k 的滑动变阻器可以使得输出为零，从而达到消侧音的目的。
对于低通滤波器电路，由于没有5.3k 的电阻而用4.7k 的电阻代替，使得通频带略有扩展，截止频率为4k 左右，但对性能的影响不大，可以使用。
功率放大的电路通过一个滑动变阻器可以调节放大倍数，测试得电压放大倍数为几倍到几十倍，加上前置的运放电路能够满足放大的要求，且可以通过调节滑动变阻器来调节输出音量大小。 2、总体电路调试
各部分都能实现功能后，我们将实际电路连接起来，连接长度3米的传输线进行测试，可是又出现了新的问题：当一方说话时，两个喇叭都能听到声音，而且声音大小还相差不大，也就是消侧音电路没有起效。
面对这个问题，我们首先将传输线断开，对每一方的电路进行测试，发现对着一方话筒说话时，自己的喇叭并没有输出，消侧音电路是有作用的，但是连接传输线后消侧音电路再次失效。我们一时陷入无助，重新查找资料来验证传输线的接法是否有问题，可是经过大量的资料查阅，电路的接法并没有问题，因此我们只好求助老师。
最终还是老师指点迷津，指出了问题所在：
如下页图所示，当连接了传输线以后，对于交流信号，Vcc 看成接地，两个1k Ω的电阻相当于并联，原先接1k Ω处的电阻相当于减小了，当不接传输线时通过电阻平衡能起到消侧音的目的，而接了传输线便不再平衡，也就不能消除侧
音了，老师建议将原来1k Ω的电阻换成2k Ω。
找到了问题所在，我们便按照老师的方案在Multisim 软件上进行仿真，谁料此方案也不能消除侧音，还是会有。考虑到应该是电容对交流不能真的短路，可能还会有一定阻抗，上下仍然不平衡导致此方案的不成功。最终想到改变电阻也只是为了使上下平衡，而10k 的滑动变阻器起的就是可以通过调节它来平衡上下的作用，所以我们想到了连接了传输线以后，为了达到消侧音的目的可能滑片的位置并不与不连传输线时相同 ，当连接传输线以后重新调节滑动变阻器的滑片的位置可以使上下平衡。然后我们就以此方案进行仿真，果不其然，可以消除侧音，于是进行实际调试，调节电位器滑片的位置能够将侧音消除，保证通话的质量，使得全双工通话无回声，至此，项目制作完成。
六、 项目制作结果
经过理论和实践的努力，本小组成功设计出一个用导线直接连接的有线对讲机，实现了“全双工通信”的要求。并且喇叭声音清晰，通话过程中没有回音。
七、团队分工合作情况
这次的课外设计提升了我们的实践能力和团队合作能力。在项目设计的初步阶段，查找了很多相关资料，对多种电路进行分析和比较，则优选择最佳的实验方案，焊接电路的时候，虽然有失败，但是很快就能找到原因。从电路分析，设计到最后焊接，每个环节都有很大收获, 我们也学到了很多课外的知识。
八、 心得体会
花了几周的时间对此课外项目进行设计，现在项目制作完成了，有很多心得体会。
在完成项目的过程中最大的感受就是课堂上的理论可能看起来并不是很难，但是要想活学活用却还有很长的路要走。在实际的项目制作中要严谨，一个细节的出错都可能会造成不可预估的错误，而且还会给调试带来很大的难度。
在设计项目的时候我们在保证严谨的同时还要有足够的自信，相信自己的判断力，当然这要是在有理论支撑的基础上的。我们要敢于尝试，敢于测试，原件的功能，参数，使用的效果都从测试中得来。遇到困难的时候要敢于不断尝试，有足够的耐心去寻找错误，适当的时候还可以寻求老师同学的帮助。这些经验我们要在以后的项目制作中多加利用。
相比上个学期的电路课程项目，我们遭遇到了更多的麻烦，但同样是这一次考验，让我们从中得到了磨练，增长的知识。知识是学不完的，能力是不断增长的，在团队的共同努力下，成长、收获，势在必得。单单掌握理论的知识是完完全全不够用的，到了社会中，也许学到的理论知识只用上了一小部分，可实践知识、技能却画上了大大的需求符号。只有理论与实践结合，才是一个完整的工科学生。
九、 参考文献
【1】 《模拟电子电路及技术基础（第二版）》，孙肖子 主编，西安电子科技大学出版社；
【2】 《电工与电子技术》，王鸿明 主编，高等教育出版社；
【3】 http://baike.baidu.com/view/1224687.htm；全双工通信；
【4】 http://wenku.baidu.com/view/bac0d08802d276a200292ef9.html；消侧
音电路设计；
【5】 http://wenku.baidu.com/view/ed7b4acdda38376baf1fae18.html；有线
对讲机设计；
【6】 http://wenku.baidu.com/view/e7cd4542a8956bec0975e330.html；有线
双工对讲机；