音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計說明書題目：音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué)號： 院（系）： 電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)： 電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師： 2015年12月25日摘 要設(shè)計并制作一個音頻信號傳輸系統(tǒng)，電路分為音頻產(chǎn)生電路和接收電路兩個部分，音頻產(chǎn)生電路是為了產(chǎn)生周期性音頻脈沖信號，使喇叭有頻率的發(fā)聲作為信號的發(fā)出端，將接收電路與之相距20cm以保證滿足工作要求，接收電路中使用拾音器接收聲源處的音頻脈沖信號，用驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)光二極管，通過觀察發(fā)光二極管LED隨著喇叭的發(fā)聲而發(fā)光的情況判斷電路的運(yùn)行狀況，正常工作條件下，喇叭每隔大約一秒響一次，兒發(fā)光二極管隨蜂鳴聲的到來而閃爍。如果該系統(tǒng)能夠按照上述方式運(yùn)行，說明

2、該系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。關(guān)鍵詞：音頻，傳輸。目 錄1、選題背景11.1、指導(dǎo)思想11.2、設(shè)計任務(wù)11.3、方案論證21.3.1、方案一21.3.2、方案二22、電路設(shè)計32.1、整機(jī)框圖32.2、工作原理43、各主要電路工作原理43.1、多諧振蕩器的設(shè)計43.2、信號合成部分63.3、功放電路63.4、拾音器部分63.5、放大電路63.6、驅(qū)動電路74、原理總圖85、組裝調(diào)試95.1、使用的主要儀器和儀表95.2、調(diào)試電路的方法和技巧95.3、測試的數(shù)據(jù)和波形并與計算結(jié)果比較分析95.4、實(shí)物圖115.5、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法126、設(shè)計總結(jié)、收獲、體會126.1、設(shè)計總結(jié)126.2

3、、收獲136.3、體會13參 考 文 獻(xiàn)15附錄、圖紙16附錄、元器件清單171、選題背景1.1、指導(dǎo)思想本次課設(shè)的題目為音頻傳輸系統(tǒng)，在我們的生活中處處都有它的應(yīng)用。首先說音頻，廣泛的說來，人所能聽到的所有的聲音都能稱之為音頻，也可能包括噪聲，聲音被錄制下來以后，無論是說話聲、歌聲、樂器都可以通過數(shù)字音樂軟件處理，或是把它制作成CD，這時候所有的聲音沒有改變，因為CD本來就是音頻文件的一種類型。而音頻只是儲存在計算機(jī)里的聲音，如果有計算機(jī)再加上相應(yīng)的音頻卡就是我們經(jīng)常說的聲卡，我們可以把所有的聲音錄制下來，聲音的聲學(xué)特性如音的高低等都可以用計算機(jī)硬盤文件的方式儲存下來。反過來，我們也可以把儲

4、存下來的音頻文件用一定的音頻程序播放，還原以前錄下的聲音。采樣頻率就是采用一段音頻，做為樣本，因為wav使用的是數(shù)碼信號，它是用一堆數(shù)字來描述原來的模擬信號，所以它要對原來的模擬信號進(jìn)行分析，我們知道所有的聲音都有其波形，數(shù)碼信號就是在原有的模擬信號波形上每隔一段時間進(jìn)行一次“取點(diǎn)”，賦予每一個點(diǎn)以一個數(shù)值，這就是“采樣”，然后把所有的“點(diǎn)”連起來就可以描述模擬信號了，很明顯，在一定時間內(nèi)取的點(diǎn)越多，描述出來的波形就越精確，這個尺度我們就稱為“采樣頻率”。我們最常用的采樣頻率是44.1kHz，它的意思是每秒取樣44100次。之所以使用這個數(shù)值是因為經(jīng)過了反復(fù)實(shí)驗（實(shí)際上是那個時代才是視頻27/

5、1.0001時鐘做CD刻錄遺留問題），人們發(fā)現(xiàn)這個采樣頻率最合適，低于這個值就會有較明顯的損失，而高于這個值之后人的耳朵已經(jīng)很難分辨，而且增大了數(shù)字音頻所占用的空間。一般為了達(dá)到“萬分精確”，我們還會使用48kHz甚至96kHz的采樣頻率，實(shí)際上，96kHz采樣頻率和44.1kHz采樣頻率的區(qū)別絕對不會像44.1kHz和22kHz那樣區(qū)別如此之大，我們所使用的CD的采樣標(biāo)準(zhǔn)就是44.1kHz，目前44.1kHz還是一個最通行的標(biāo)準(zhǔn)，有些人認(rèn)為96kHz將是未來錄音界的趨勢。采樣頻率提高應(yīng)該是一件好事，但我們真的能聽出96kHz采樣頻率制作的音樂與44.1kHz采樣頻率制作的音樂的區(qū)別嗎？不過隨

6、著高端音響設(shè)備的大眾化，我們也許就會在Party時聽到更高質(zhì)量的音樂了。再說傳輸，本次課題的工作方式是當(dāng)聲音產(chǎn)生之后，由與之相隔20cm的拾音器接收，從而達(dá)到音頻的傳輸過程，在接收電路中經(jīng)過一系列電路驅(qū)動發(fā)光二極管以此來顯示信號的有無，這正是該課題的簡易指導(dǎo)思想。傳輸是一個比較廣泛的詞匯，大到全中國電力系統(tǒng)的線路分布傳輸，小到手機(jī)的耳機(jī)將音頻信號傳到人耳以此感受動人的音樂。傳輸在當(dāng)下已經(jīng)與人們的生活密不可分，就像各路信號的一個橋梁。1.2、設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個音頻信號傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)包括音頻產(chǎn)生電路與接收電路兩部分。具體要求如下： (a) 音頻產(chǎn)生電路能夠產(chǎn)生圖1.1所示的周期性音頻脈沖信號，

7、音頻信號頻率不限，脈沖周期不限； (b) 接收電路能夠接收聲源發(fā)出的音頻脈沖信號，用LED顯示信號的有無； (c) 音頻產(chǎn)生電路和接收電路相距20cm以上。 圖1.1 信號波形示意圖1.3、方案論證1.3.1、方案一方案一：在音頻產(chǎn)生電路中，用NE555分別做成多諧振蕩器和占空比可調(diào)的多諧振蕩器，一個做成頻率為1kHz左右的多諧振蕩器，另一個占空比可調(diào)的做成頻率為1Hz左右的多諧振蕩器，通過74HC08將兩個波形相與，將時鐘周期控制在1s左右，用三極管進(jìn)行電流放大驅(qū)動喇叭發(fā)出聲音，功放電路采用共集電極放大器；在接收電路中，用拾音器接收聲音信號，通過一只運(yùn)放NE5532將信號放大，再經(jīng)LM393

8、比較器驅(qū)動LED二極管，使LED二極管在脈沖信號到來時發(fā)光。見圖2.1。圖1.2 方案一部分電路1.3.2、方案二方案二：方案二的音頻產(chǎn)生電路功率放大部分采用共基極放大器，接收電路采用一只NE5532運(yùn)放，再經(jīng)LM393比較器驅(qū)動LED二極管，使LED二極管在脈沖信號到來時發(fā)光。見圖2.2圖1.3 方案二部分電路綜合比較上述兩種方法，共基極放大電路比共集電極放大電路要簡單，且在此處放置共基極放大電路方式同樣能達(dá)到放大的效果，因此選用共基極放大方式。在接收電路的選擇方式上，采用兩只運(yùn)放會使波形放大時更加穩(wěn)定，更大的減小波形的失真和外來信號的干擾，放大倍數(shù)在100到200之間，結(jié)果更加明顯；采用一

9、只運(yùn)放通過電位器也可以使放大倍數(shù)保持在所需要的范圍之內(nèi)，雖然說波形穩(wěn)定方面較方案一而言略顯不足，但是電路更加直觀明了，而且采用一只運(yùn)放產(chǎn)生的結(jié)果與采用兩只相比較沒有較大的區(qū)別，再考慮到板子的布局和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性，最終確認(rèn)選定方案二。2、電路設(shè)計2.1、整機(jī)框圖喇叭功放電路信號合成脈沖信號1脈沖信號2放大電路拾音器濾波電路驅(qū)動電路LED圖2.1 系統(tǒng)的設(shè)計框圖2.2、工作原理如圖2.1所示系統(tǒng)設(shè)計框圖，脈沖信號1由NE555做多諧振蕩器使用，產(chǎn)生的脈沖波為1Hz，脈沖信號2由NE555構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器使用，產(chǎn)生的脈沖波為1kHz，兩路信號通過74HC08與門進(jìn)行合成，再通過共基極功率放大器

10、將信號進(jìn)行放大，在此處，功率放大器由TIP三極管擔(dān)當(dāng)，進(jìn)而帶動喇叭使之發(fā)聲；在接收電路中，拾音器接收喇叭產(chǎn)生的聲音信號，然后經(jīng)過RC電路進(jìn)行濾波，將接收到的信號進(jìn)一步通過NE5532構(gòu)成的放大器進(jìn)行放大，再通過由LM393比較器構(gòu)成的驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)光二極管使之隨著喇叭的聲音而發(fā)光。3、各主要電路工作原理3.1、多諧振蕩器的設(shè)計在本次設(shè)計中，多諧振蕩器由NE555外接電容電阻構(gòu)成，兩個多諧振蕩器的占空比設(shè)定為一大一小，這樣在做與的情況下才能保證喇叭在一秒鐘左右響一次，而不是一直響或是沒有聲音，由此可知在確定多諧頻率f值的時候也要考慮到占空比，555構(gòu)成的多諧振蕩器的占空比計算公式1為： (3-1

11、)由此可知q最小為50%，確定參數(shù)時使第一片多諧振蕩器的占空比接近50%即保證R2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R1，設(shè)定頻率f的參考值為1kHz左右，根據(jù)多諧振蕩器的頻率計算公式1有： (3-2)其中C為與6腳相連的電容容值，確定頻率參數(shù)時保證f為KHz的單位，兩個電阻R1和R2的取值級別不能過大（M）也不能過?。ǎC上分析選擇R1為1k，R2為50k，由此確定C的參數(shù)為10nF，代入占空比和頻率的計算公式可知，占空比為50.49%，頻率為1428.6Hz，周期為0.7S。見圖3.1。 圖3.1 555構(gòu)成多諧振蕩器對于另一片多諧振蕩器，應(yīng)使其占空比較小，頻率應(yīng)在Hz級別，因為555構(gòu)成的多諧頻率占空比不能小于

12、50%，所以加入正反兩只二極管，使其占空比可以很小，對于加入兩只二極管的多諧振蕩器，其占空比的計算公式為1: (3-3)頻率的計算公式為1： (3-4)為了產(chǎn)生大約每秒響一次的聲音信號，f應(yīng)為Hz級別，q應(yīng)相對較小，同第一片的參數(shù)選取，R也應(yīng)取k級別，C隨之應(yīng)該選取F級別，綜上，取R1=10k，R2=100k，相應(yīng)的，C應(yīng)該取10F，由此參數(shù)進(jìn)行計算，q=9.09%，f=1.3Hz，周期為0.76S。見圖3.2。 圖3.2 555構(gòu)成占空比可調(diào)的多諧振蕩器3.2、信號合成部分為了將兩種脈沖進(jìn)行合并，使用74HC08將兩種波形進(jìn)行與操作，14、7接電源，1、2腳進(jìn)，3腳出，其余懸空不用。見圖3.

13、3。 圖3.3 74HC08示意圖3.3、功放電路本課題功放電路由TIP41構(gòu)成，TIP41三極管2，在發(fā)聲電路中做功率放大作用，信號從基極進(jìn)入，使用時，集電極接12V電源，將電流放大通過發(fā)射極驅(qū)動喇叭使其發(fā)聲，喇叭和TIP41的發(fā)射機(jī)相連，基極與電源之間要接一個電阻，選用5k。見圖3.4。圖3.4 功放電路示意圖3.4、拾音器部分在本次設(shè)計中，喇叭負(fù)責(zé)發(fā)出聲音信號，因為輸出的電壓不大，故選用參數(shù)為8；拾音器負(fù)責(zé)接收聲音信號。見圖3.5。圖3.5 拾音器示意圖3.5、放大電路由拾音器接收到的電壓信號很微弱，需要進(jìn)行電壓放大，在本次設(shè)計中選用NE5532進(jìn)行電壓放大2，放大倍數(shù)可調(diào)，放大倍數(shù)為：

14、 (3-5)其中R2選用200k，R1設(shè)定為電位器，阻值為20k，在使用時調(diào)到1k，使放大倍數(shù)為200倍左右，正負(fù)電源接退耦電容。見圖3.6。 圖3.6 NE5532示意圖3.6、驅(qū)動電路為了讓發(fā)光二極管隨著聲音信號的到來而發(fā)光，需要設(shè)置一個比較器將信號的高電平表示出來，用LM393做比較器，同相端接地，反相端接NE5532的輸出信號，當(dāng)信號大于0時，LM393輸出低電平，發(fā)光二極管兩端有電壓，即隨輸入信號的高電平而發(fā)光。接LM393的+5V電源驅(qū)動發(fā)光二極管。為了顯示聲音信號的有無，選用發(fā)光二極管LED，使用時將其負(fù)極接到LM393的輸出端，正極接100的限流電阻，然后接到LM393的正電源

15、處，當(dāng)比較器輸出正5V時LED不亮，輸出-5V時發(fā)出亮光，以此來顯示信號的有無。見圖3.7。 圖3.7 驅(qū)動電路示意圖4、原理總圖圖4.1 音頻產(chǎn)生電路的發(fā)聲裝置圖4.2 音頻產(chǎn)生電路的接收裝置5、組裝調(diào)試5.1、使用的主要儀器和儀表本次課設(shè)使用的主要儀器有：配有+5V、+12V電源的實(shí)驗臺，示波器；本次課設(shè)使用的主要儀表有：萬用表。5.2、調(diào)試電路的方法和技巧發(fā)聲電路和接收電路分別焊接在了兩塊板子上，調(diào)試時需要手動擺放位置，在周圍安靜的情況下進(jìn)行，以免其他聲音使LED發(fā)光影響實(shí)驗結(jié)果。調(diào)試方法：分別將發(fā)聲電路和接收電路供電，然后啟動電源，此時喇叭發(fā)聲，將接收電路的拾音器正對發(fā)聲的喇叭，相距2

16、0cm以上，若發(fā)光二極管LED隨之發(fā)光，則說明電路調(diào)試正常。調(diào)試技巧：盡量在周圍環(huán)境相對安靜的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試，以免影響實(shí)驗結(jié)果；喇叭和拾音器應(yīng)盡量正對，使聲音信號盡可能多的被接收到。5.3、測試的數(shù)據(jù)和波形并與計算結(jié)果比較分析(a)多諧振蕩器輸出的波形：幅值：4.8V，周期：0.8S；計算結(jié)果：幅值：5V，周期：0.7S。(b)、占空比可調(diào)的多諧振蕩器的波形：幅值：4.5V，周期：0.75S；計算值：幅值：5V，周期：0.76S。(c)、74HC08輸出的電壓：4.0V；計算值：4V；(d)、喇叭處的波形：幅值：4.2V，周期：0.9S；計算值：幅值4V，周期：1S；(e)、LM393輸出的波形

17、：脈沖波，8.8V；計算值：脈沖波，幅值：10V。(f)、發(fā)聲電路發(fā)出的聲音信號的波形：實(shí)測：見圖5.1。圖5.1 用示波器測得的喇叭發(fā)聲波形仿真：見圖5.2。圖5.2 仿真檢測到的喇叭發(fā)聲波形(g)、接收電路二極管兩端的波形：實(shí)測：見圖5.3。圖5.3 用示波器測得的驅(qū)動電路的波形（幅值為8.8V）仿真：見圖5.4。圖5.4 仿真測得的二極管負(fù)極處的波形5.4、實(shí)物圖調(diào)試過程中所拍下的實(shí)物圖如圖5.5所示： 圖5.5 實(shí)物圖5.5、調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法出現(xiàn)的故障：(a)、上電后喇叭聲音不響亮；原因：12V電源沒有加好，經(jīng)檢測，供電的接地線沒有導(dǎo)通，排除方法：換下了新導(dǎo)線得以解決。

18、很弱智的故障。(b)、上電后喇叭沒有聲音；原因：74HC08未能工作。通過示波器可以看到兩片555后面的波形正常，但是經(jīng)過74HC08之后沒有波形，可知與門未能正常工作；排除方法：換下了一片新的芯片，問題得以解決。原件故障。(b)、接收電路中發(fā)光二極管LED亮度不夠；原因，電位器的電阻值調(diào)的過大，使放大倍數(shù)不夠大。排除方法：調(diào)節(jié)電位器是阻值范圍在800和1k之間，問題得以解決。電路沒有調(diào)好的故障。6、設(shè)計總結(jié)、收獲、體會 6.1、設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計的初始階段，我們小組正所謂是絞盡腦汁也未能相出原理圖應(yīng)該如何設(shè)計，而且對各種原件的熟悉程度不夠，使得大腦中沒有形成連串的原件組合方式的設(shè)計，因為基

19、本沒有什么概念，我只能對著課設(shè)的題目發(fā)呆，完全不知道從哪里開始做起。然后我在網(wǎng)上開始找有關(guān)的設(shè)計方案，試著去借鑒一下找一些設(shè)計思路，不過網(wǎng)上的帖子里面并沒有完整的電路設(shè)計圖，而且找到的也都是些籠統(tǒng)的套話。后來我們?nèi)フ伊死蠋煂で簏c(diǎn)撥，老師一席話，勝過瞎想一下午，然后當(dāng)場就在實(shí)驗室做起了仿真電路來，設(shè)計思路已經(jīng)有了，就是兩個555波形相與，然后驅(qū)動喇叭，再由拾音器去接收聲音的電壓信號，然后經(jīng)過放大器使二極管發(fā)光，大體思路有了之后，我們要做的就是細(xì)節(jié)上的原件擺放，以及LM393比較器的使用和TIP三極管的功率放大設(shè)計，當(dāng)天下午在實(shí)驗室雖然沒有當(dāng)場成功，但還是讓我的心中很是充實(shí)，這正是從無到有的轉(zhuǎn)變。

20、后來當(dāng)天晚上，我們幾個又開始設(shè)計仿真電路，奈何喇叭可以發(fā)聲但是二極管不能發(fā)光，接收電路中我們先用信號源（1Hz的正玄波）代替了拾音器，以此來給接收電路提供電壓信號，LM393輸出與發(fā)光二極管的接入那里始終沒有設(shè)計好，后來不知道是誰腦子一抽，然后將393的+5V電壓接限流電阻加二極管然后回到了393的輸出端，之后二極管就發(fā)光了，其實(shí)主要還是對LM393的理解不夠到位，這個比較器總是讓人比較難受。就這樣，整個電路的設(shè)計原理仿真圖就這樣稀里糊涂的做了出來，仿真里的效果很是明顯，而且很明顯我們可以使用這個電路，過了幾天我們又找到老師讓他確認(rèn)了一下，最終敲定了設(shè)計原理和設(shè)計圖。6.2、收獲想到這次的課程

21、設(shè)計，收獲可真是豐盛。首先，我收獲的不是什么亂七八糟的知識，因為就這樣一個簡簡單單的東西并沒有讓我學(xué)到什么實(shí)際性的數(shù)模電知識，唉，算了，說實(shí)話多多少少還是有的，比如說對板子里的每個原件的作用起碼是知道了解了些，它們的功能也都學(xué)到了些。除此之外，我收獲的還有團(tuán)結(jié)。精神上的收獲總是讓我首先傾訴，曾幾何時，我們?nèi)齻€還有著自由散漫的個人生活，然后一個課程設(shè)計使得我們時不時的往科協(xié)跑，我記得我們?nèi)チ似鸫a得有5、6次，而且第一天去就做好了通宵的準(zhǔn)備，那一天晚上我們沒有做多少東西，主要是將原件熟悉了一番然后在面包板上搭建了起來，幾個人分工，一個搭建發(fā)聲電路，我搭建接收電路，另一個補(bǔ)原價修整參數(shù)。當(dāng)天晚上也算

22、是小有成就，搭建好的面包板可以工作，晚上十一點(diǎn)半才回，要不是那個可惡的老頭兒，也許板子都可以焊接了。后來開始了焊接板子，我們考慮布局花費(fèi)了很長時間，驗收的時候發(fā)現(xiàn)老師根本不在意原件的排列，只看重焊接的技術(shù)。有些小心酸，因為我的原件的排列布局可是費(fèi)了一番心思。后來三個人在科協(xié)邊焊邊聊，充實(shí)的同時收獲了快樂。這是我感受最深的一點(diǎn)。這收獲是不是可以寫在體會里呢？然后收獲較大的就是焊接時的注意事項，真的，確實(shí)不該用那么多的導(dǎo)線，而且那個小細(xì)線可真是耗費(fèi)了我不少的時間，現(xiàn)在想起來真有些費(fèi)力不給力的境界了。再有就是調(diào)試的收獲，科協(xié)里的信號源真是有些坑，不用示波器測一下我還真不敢確定直流電源可以用，我更加知道了萬用表不離手的好處，隨時隨地檢測每一個線。6.3、體會體會應(yīng)該是我要寫的最后的一段話了，我必須傾力抒發(fā)一下感情，并展示一下我的文筆。其實(shí)我對課程設(shè)計和焊接板子并沒有什么大的興趣，因為我對我的專業(yè)本身就沒有多大的興趣，說這個有些略顯浪蕩了，不過我自認(rèn)為我是一個好學(xué)生，決定要認(rèn)真做的事我就一定要認(rèn)真的完成它，最后做成的小小的作品確實(shí)讓人很是充實(shí)。說實(shí)話我覺得，做課設(shè)雖然能在一定程度上提高我們的動手能力和實(shí)踐功