circuit笔记：有线双工对讲机的电子线路设计

circuit笔记：有线双工对讲机的电子线路设计

模拟电路实验是我进入大学本科以来第一个付出大量课外时间的实验课，其最后的大项目是让我们自行设计一个电路，而我们小组选择的是有线双工对讲机。今天我就简单对我们小组的设计方案做一个整理。在这里还是非常感谢组员们的共同努力和巨大帮助！

References：

电子文献：
http://www.ttic.cc/file/TDA1013B_76329.html.com
https://wenku.baidu.com/view/c8b016e7ed630b1c58eeb520.html
https://tech.hqew.com/fangan_1909806

有线对讲机是用导线直接连接进行通话，而双工通信则是像电话机一样同时进行双方的“听”和“讲”。此外，我们希望可以具有音量可调节、消侧音等一些对讲机需要的功能。

1. 利用驻极体话筒将声音信号转化为微弱的电信号。
2. 通过反相比例放大器将微弱的电信号放大。
3. 利用相位抵消法实现消侧音。
4. 只使用一根传输线进行信号互传。
5. 利用电压跟随器避免远距离导线传输时衰减过大的问题。
6. 添加了低通滤波器电路，滤去高频的噪音信号。
7. 使用TDA1013B进行功率放大并将信号传输到扬声器。
8. 最后由扬声器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思路可以用如下所示的系统图表示。主要由弱声音采集、前置运算放大器、消侧音电路、减小信号衰减电路、低通滤波器电路、功率放大电路、扬声器等模块组成。

1. 驻极体话筒

   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；改变了电容两极板之间的距离，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。
   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。

2. 反向比例放大

   相比例放大电路的原理如上图所示，输出信号电压增益为R2与R1之比，相位反相变化180°（后面会再次反相）。在本实验中，我们将两个电阻的比值调整在10~100之间，即放大比例为10~100。
3. 在模拟音频收发信号共用一个信道的对讲系统中，为减小侧音对通话效果的影响，防止侧音的干扰，所有对讲设备均需增加消侧音电路。一方面让音频发送信号按一定比例出现在传输线上，另一方面让本方音频接收电路获得的信号足够小，不至于说话者从己方喇叭听到自己的声音，提高通话的质量。 在上图所示的串联分压电路中，R1、R2为纯电阻，v1、v2为输入电压，vo为输出电压，据叠加定理：令vo=0，则v1R2+v2R1=0，即：特别地，当R1=R2时，v1=-v2。
   由上式可见，欲使vo=0，v1，v2须满足2个条件：
   1. 每个频率分量的相位相反。
   2. 每个频率分量幅度呈一定比例且比例相同。
      下面是该方法的一种实现方式的电路图： 根据文首所列的参考资料，我们找到了另一种原理相同且成本更低的实现方式，如下图所示。三极管发射极和集电极的信号反相且幅度相同，可以相叠加后将信号消去，一个三极管的作用相当于上述方法中的U1和U2。图中三级管的偏置电路没有画出，C1和C2将直流分量同传输线隔离开。需要特别提出的是，如果可调电阻P1足够大，从而对三极管的偏置影响足够小，可将C2去掉，可调电阻P1直接和三极管的c，e极并联。 需要注意的是，在这里传送到对方的信号的相位再次反相，与原始信号相一致。
      实验中，三极管采用9013，电位器采用104。为了使三极管正常工作，在三极管B端由R1和R3分压，使三极管的静态工作点VCQ≥4.5V，则令VEQ=VCC-VCQ，需要VR2=VR4，因此选R2=R4=1kΩ，则由IEQ=ICQ得VR2=VR4。由于有VBE=0.7V，则VBQ=VEQ+0.7，VBQ+VR1=VCC=12V。此时若ICQ=4mA，经计算，则R1与R3之比约为1.5。我们最终选取R1=6.7kΩ，R3=4.7kΩ来分压。

4. 减小信号衰减

   由于我们的目标是实现长导线远程传输信号，因此导线上的电阻是不可忽略的，这就导致了信号衰减的问题。在弱电的情况下，解决导线上信号衰减的方法有选取更优质的导线、改用电流信号输出、增大接收端的输入电阻等。
   利用电压跟随器输入电阻高的特性，我们决定在信号接收的两端分别添加一个电压跟随器（如下图所示）来抑制信号传输的衰减。
5. 人耳可以听到20HZ到20kHZ的音频信号，而人正常对话所发出的声音频率约为300HZ—3000HZ，频率较低，因此我们设计一个低通语音滤波器来滤除杂音，提高声音清晰度。
   我们的目的是设计一个低频增益A0=2，Q≈1（品质因数，越小则通带或阻带越平坦，电路的稳定性越好）, fH=3kHz，图如下所示是一个二阶压控电压源低通滤波器。 根据该电路低频增益A0=K=1+R27/R28=2，可知R27=R28,因此我们选R27=R28=10kΩ。
   根据fC=ωC/2π，当R25=R26=R，C10=C12=C时，有ωC=1/(RC)。
   因此fC=1/2πRC。由所需上限截止频率fH为3kHz，我们选择C=0.01μF，算出R=1/(2πfC) ≈5.3kΩ。这里我们选用4.7kΩ的电阻，可实现近似的功能。

6. 使用TDA1013B功率放大

   在最后的输出之前，我们需要对信号进行功率的放大。在查阅相关资料之后，我们发现TDA1013B比较符合我们的功能需求。
   TDA1013B是一个音频功率放大器集成电路，内部具有按对数曲线变化的直流音量控制电路，控制范围可达80dB，它具有很宽的电源电压范围（10V~40V），输出功率位4W~10W，是理想的音频功率放大器。
   根据文首列出的数据手册，TDA1013B的伴音电路连接方式如下。 其中各个引脚的功能分别是：
   1脚：电源地。
   2脚：放大器输出，这里作伴音输出。
   3脚：电源。
   4脚：电源。
   5脚：功放输入。
   6脚：控制单元输出。
   7脚：控制电压，这里可用于音量控制。
   8脚：控制单元输入，这里输入音频。
   9脚：信号地。
   通过分析和查阅资料（见本文参考），我们确定了芯片的连接方式如下图所示。

如下是我们的仿真总电路图（还缺少最后的两级功率放大电路）。我们使用的是multisim14.0，由于软件的库中没有TDA1013B芯片，且声音信号难以在仿真软件中模拟，因此我们在仿真模拟阶段选择分模块检验功能的实现效果。

我们在第一级放大电路前后使用示波器检测放大效果，我们输入100mV峰峰值、1000Hz频率的交流信号，得到输出如下，其中通道A为放大之后的的信号，通道B显示的是放大之前的信号。

我们还检测了声音低通滤波器的功能实现情况，我们将对应的模块分离出来，利用波特测试仪画出该电路的波特图，结果如下所示。分别使用了对数和线性的横坐标轴（频率），且分别设扫描上限为100kHz和20kHz，由图易知，在3kHz左右处，增益开始下降，基本符合我们的设计要求。