北邮模电实验声控报警电路.docx

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北邮模电实验声控报警电路

北邮模电实验声控报警电路

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持续时间大于5秒。

声音传感器用驻极体式咪头，蜂鸣器用无源压电式蜂鸣器

2、提高要求：

A、增加报警灯，使其闪烁报警。

B、增加输出功率，提高报警音量，加强威慑力。

一、设计思路及总体结构框图

（一）设计思路：

驻极体式咪头作为声音传感器，将击掌产生的声信号转化为电信号，微弱

的电信号经过反相放大器放大，放大信号进入同相比较器，比较器根据实验可以设置合理的比较电压VREF，当放大信号高于比较电压VREF时，放大器输出高电平促发方波振荡器开始工作，振荡产生的方波经三极管放大即可驱动无源式蜂鸣器发出报警声音。

但由于一次拍手产生的电信号只有短暂的信号，故还需要在比较器后加入延时电路，利用时间常数的特性来延长报警时间

（二）总体结构框图：

麦克放大器电压比较器方波振荡器

蜂鸣器闪烁电路

二、分块电路和总体电路的设计

（一）分块电路：

1、蜂鸣器驱动电路

注意：

（1）蜂鸣器的构造，其背面带有三条小线的那一级是接地端

（2）麦克风中的场效应管的UDS一般在1.5V~4.5V之间，而IDS一般在

0.1mA~1mA之间，如果在Vcc=15V的条件下工作，计算得出上拉电阻的大小应该为15K左右

2、信号放大单元

（1）说明

实验中放大电路由LM358来实现，根据运算放大器的工作原理，u0=±（Rf/R1）ui（正相放大器或反相放大器均可）。

可以通过改变两个电阻的阻值，使放大器的放大倍数为100倍。

本实验中使用两级反相放大电路，最终放大效果仍为正向放大。

（2）LM358简介

LM358中含有两个运算放大器，所以可以设计成两级放大器。

本实验中应用双电源工作模式，双电源（±12V）。

其引脚图如下：

（3）实际电路设计

（4）设计过程

放大倍数：

Av=100K/10K*100K/10K=100倍

考虑到电阻箱中的器材，选择10K和100K电阻作为实验元件

3、电压比较器

（1）电压比较器也采用LM358组成，仍然采用双±12V电源。

另外电压比较器拥有两个输入端，反相输入端通过上拉电阻连接+12V左右的电源，同相输入端输入前级放大器的输出。

当比较信号大于参考电压（3V左右）时，输出+12V，当比较信号小于参考电压时，输出-12V。

（2）输出波形如下：

（3）电路图如下：

（4）设计过程：

综合灵敏度和输出信号峰峰值的要求，选择比较电压为3V左右的VREF

VREF=Vcc*（R1/（R1+R3）），计算出R1=9K，R3=3K

4、RC延时电路

（1）原理

因为声控报警电路是以击掌为信号，击掌时间很短，而希望蜂鸣器可以长时间报警，所以需要设计一个延时电路，本实验采用RC电路。

当有高电平加在电路输入端时，电容C开始充电，直到电容两端电压与高电平相等。

当高电平变成低电平时，电容C开始通过电阻R放电，直到电容C储存的电荷全部释放。

通过这样快充慢放的过程实现电路电压下降的延时功能。

（2）原理图

（3）实际电路设计

（4）设计过程

根据实验要求，延时时间应该大于5s，那么再根据实验箱内部的元器件，所选择的电阻、电容分别为：

R5=1M，C1=10uF

5、方波震荡电路

（1）原理图

方波振荡器电路是由与非门与电阻电容组成，通过电容的充放电，来实现输出的高低电平的相互交换（矩形脉冲信号），从而出现合适的频率驱动后一级的蜂鸣器。

（2）工作原理

当输入UO一个高电平时，该方波振荡器依靠电容C的充电与放电引起反馈电压VA的变化来实现振荡，当VA达到与非门的阀值电压Vth时，实现输入与出端的反相。

（假设出示状态是门G1输出低电平VOL，门G２输出高电平VOH）工作过程如下：

（2.1）当VA正好降至阀值电压Vth，G1输出电压VB翻转，VO也跟随翻转，且跳变值均为VOH-VOL，由于电容C两端的电压不能突变，所以VA下降VOH-VOL，低于阈值电压Vth。

此时，门G1输出高电平VOH，门G２输出低电平VOL。

（2.2）此后门G1电容Ｃ反向充，使VA逐渐上升至门G1的阀值电压Vth，VA上升VOH-VOL，电路各部分输出继续翻转，门G1输出低电平VOL，门G2输出高电平VOH。

（2.3）此后电容C开始放电，使VA开始下降。

当VA下降至门G1的阀值电平Vth时，电路再次发生翻转门G1输出高电平VOH，门G2输出低电平VOL。

经过电容C的耦合使的耦合使VA再次下降VOH-VOL，电路又回到第一次翻转后的状态，振荡器如此产生振荡。

（3）实际电路设计

（4）设计过程

其频率计算公式为：

f=1/（2.2*R3*C2），在R2阻值大于20*R3的情况下，可以设计其参数值为R2=820K，R3=47K，C2=0.01uF

6、报警电路

（1）原理：

本实验中提供的是无源蜂鸣器，而无源内部不带振荡源，所以直流信号无法令其鸣叫。

必须用方波振荡器提供一个频率为2K~5K的方波去驱动它。

根据无源蜂鸣器无法用直流电压确定的特点，可以为其设置一个直流偏压。

当报警声音较小时，可用晶体管来放大。

（2）实际电路：

（3）可通过调节电位器的大小来改变蜂鸣器的声音大小

7、灯光闪烁电路

（1）原理：

发光二极管产生人眼可识别的闪烁，需要用振荡器产生一个频率较低的方波，CD4011与非门中包含四个与非门电路，其中两个用于驱动蜂鸣器，可以用另外两个与非门来驱动发光二极管，两者原理相同，只是产生的信号的频率不同，只需要改变电容或者电阻的大小。

（2）CD4011变频电路

计算可知把输出方波的频率设计在60HZ左右

（3）实际电路

注意二极管之前一定要接一个几百欧的限流电阻

（二）

总体电路设计：

三、实现功能简介及说明

（一）基本要求：

1、报警时间大于5S

（1）在基本电路搭建完成之后，报警时长大概在7S左右，满足实验基本要求

（2）基本实验电路如下：

（二）提高要求：

1、增加报警音量

（1）在蜂鸣器前加入电位器

（2）给蜂鸣器加入直流偏置

（3）实际电路

2、增加报警灯

（1）改变CD4011震荡频率

（2）加入限流电阻

（3）增加发光二极管

（4）CD4011变频

（5）实际电路

四、故障及问题分析

（一）故障一：

声音采集单元输出的电压过小，无法正常传输到下一级

处理方法：

由于LM358搭建的放大电路输入阻抗过大，声音采集单元无法驱动该大负载，故在声音采集单元输出端与地之间跨接一个2K的电阻，减小输出阻抗

改变的电路如下：

（二）故障二：

拍手声音过小，则延时时间不达标

处理方法：

延长时间过短是因为比较器输出的电压过低，高电平在下降很短时

间内即已无法驱动后级。

故增大放大倍数，即增大比较器的输入，同时相应调高参考电压，即可使比较器输出较高电压的高电平，该高电平在下降过程中，有相对较长的一段时间可以达到驱动后级的标准。

这样反复试验调节即可使音量较小的输入也可以从高电平缓慢下降，正常延时

（三）故障三：

蜂鸣器声音过小，不够洪亮

处理方法：

调节蜂鸣器旁的电位器，使其电阻减小，增大输入到三极管B极的电流，继而增加C级流过蜂鸣器的电流，以达到增加蜂鸣器驱动功率的效果。

边调节边听声音，也防止过大电流烧坏蜂鸣器

（四）故障四：

发光二极管只亮不闪烁

处理方法：

错误的将发光二极管跨接在蜂鸣器方波驱动器的输出端，因为蜂鸣器的驱动需要频率在2K-5K的方波，该频率下的发光二极管不可能产生肉眼可见的闪烁。

故再设置一个振荡频率小的方波振荡器即可

（五）故障五：

电源接通蜂鸣器即发声

处理方法：

由于直流原因，会导致电源接通蜂鸣器即发出声音，应该在放大级后边串联一个隔直电容

电路如下：

隔直电容

五、总结和结论

（一）CD4011引脚图

（二）心得

（1）一定要提前做好预习工作，到了实验室不是临时查阅资料而是直接按预习操作，否则两次试验很难直接完成实验，我就是提前做了预习，所以一次课就把基本实验要求全部做完，并且盖完了所有的章。

（2）弄清楚实验原理才是关键，很多人做实验并不知道实验原理，只会抄网上的实验电路，连一个参数都不改，这样必定会造成实验失败，因为网上的电路都是错的。

（3）搭建面包板电路时，要有秩序：

从左到右，从上到下。

特别需要注意有以下几点：

电阻阻值是否正确，电解电容、二极管等器件正负极是否连接正确，运算放大器，、与非门是否接地、接正电压，引脚是否连接正确，电路元件在面包板上是否正确连接。

六、Multisim仿真原理图、波形图

（一）放大电路：

（1）电路设计

（2）测试波形

（二）延迟比较电路：

（1）电路设计

（2）测试波形

（三）震荡电路：

（1）电路设计

（2）测试波形

七、所用元器件及测试仪表清单

（一）所用测试仪表：

万用表、函数信号发生器、DSO-X2022A示波器、SS1793D直流稳定电源。

（二）所用元器件：

2个LM358运算放大器、

1个CD4011与非门、

1个驻极体麦克风、

1个蜂鸣器、

1个8050二极管、

2个电位器:

100kΩ，10kΩ、

导线若干、电阻若干、电容若干、

面包板一个。

八、参考文献

《电子电路测量与设计实验》主编：

陈凌霄、张晓磊北京邮电大学出版社