北郵模電實(shí)驗(yàn)聲控報(bào)警電路.doc

北京郵電大學(xué)電子電路測量與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目：聲控報(bào)警電路 姓名：李英民 學(xué)號：2014210579 班級: 2014211120 學(xué)院: 信息與通信工程學(xué)院 2016年 4 月1、 課題名稱聲控報(bào)警電路2、 摘要及關(guān)鍵字（1） 摘要：當(dāng)今社會，對報(bào)警系統(tǒng)的需求越來越大，電子報(bào)警器應(yīng)用于安全防范，系統(tǒng)故障，交通運(yùn)輸，醫(yī)療救護(hù)等領(lǐng)域，和社會生產(chǎn)密不可分。本實(shí)驗(yàn)就針對聲控報(bào)警電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和電路拼搭，通過實(shí)際面包板電路和仿真電路對報(bào)警電路的局部電路和整體電路兩方面進(jìn)行電路介紹和功能分析。并分析在實(shí)驗(yàn)中遇見的問題，困難及解決方法，最后總結(jié)本實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的心得體驗(yàn)。（2） 關(guān)鍵字：報(bào)警器；CD4011；無源蜂鳴器；LM358 3、 設(shè)計(jì)任務(wù)要求1、基本要求： 在麥克風(fēng)近處擊掌（模擬異常響動），電路能發(fā)出報(bào)警聲，持續(xù)時(shí)間大于5 秒。聲音傳感器用駐極體式咪頭，蜂鳴器用無源壓電式蜂鳴器2、提高要求： A、增加報(bào)警燈，使其閃爍報(bào)警。 B、增加輸出功率，提高報(bào)警音量，加強(qiáng)威懾力。4、 設(shè)計(jì)思路及總體結(jié)構(gòu)框圖（1） 設(shè)計(jì)思路：駐極體式咪頭作為聲音傳感器，將擊掌產(chǎn)生的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號，微弱的電信號經(jīng)過反相放大器放大，放大信號進(jìn)入同相比較器，比較器根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以設(shè)置合理的比較電壓 VREF，當(dāng)放大信號高于比較電壓 VREF 時(shí)，放大器輸出高電平促發(fā)方波振蕩器開始工作，振蕩產(chǎn)生的方波經(jīng)三極管放大即可驅(qū)動無源式蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。但由于一次拍手產(chǎn)生的電信號只有短暫的信號，故還需要在比較器后加入延時(shí)電路，利用時(shí)間常數(shù)的特性來延長報(bào)警時(shí)間（2） 總體結(jié)構(gòu)框圖： 麥克 放大器 電壓比較器 方波振蕩器RC延時(shí)電路 蜂鳴器 閃爍電路5、 分塊電路和總體電路的設(shè)計(jì)（1） 分塊電路：1、 蜂鳴器驅(qū)動電路注意：（1）蜂鳴器的構(gòu)造，其背面帶有三條小線的那一級是接地端（2）麥克風(fēng)中的場效應(yīng)管的 UDS 一般在 1.5V4.5V 之間，而 IDS 一般在0.1mA1mA之間，如果在Vcc=15V的條件下工作，計(jì)算得出上拉電阻的大小應(yīng)該為15K左右2、 信號放大單元（1） 說明實(shí)驗(yàn)中放大電路由LM358來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)運(yùn)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）?？梢酝ㄟ^改變兩個(gè)電阻的阻值，使放大器的放大倍數(shù)為100倍。本實(shí)驗(yàn)中使用兩級反相放大電路，最終放大效果仍為正向放大。（2） LM358簡介LM358中含有兩個(gè)運(yùn)算放大器，所以可以設(shè)計(jì)成兩級放大器。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用雙電源工作模式，雙電源(12V)。其引腳圖如下：（3） 實(shí)際電路設(shè)計(jì)（4） 設(shè)計(jì)過程放大倍數(shù)：Av=100K/10K*100K/10K=100倍考慮到電阻箱中的器材，選擇10K和100K電阻作為實(shí)驗(yàn)元件3、 電壓比較器（1）電壓比較器也采用LM358組成，仍然采用雙12V電源。另外電壓比較器擁有兩個(gè)輸入端，反相輸入端通過上拉電阻連接+12V左右的電源，同相輸入端輸入前級放大器的輸出。當(dāng)比較信號大于參考電壓（3V左右）時(shí)，輸出+12V，當(dāng)比較信號小于參考電壓時(shí)，輸出-12V。（2）輸出波形如下：（3） 電路圖如下：RC延時(shí)電路（4） 設(shè)計(jì)過程：綜合靈敏度和輸出信號峰峰值的要求，選擇比較電壓為3V左右的VREFVREF=Vcc*（R1/（R1+R3），計(jì)算出R1=9K，R3=3K4、 RC延時(shí)電路（1） 原理因?yàn)槁暱貓?bào)警電路是以擊掌為信號，擊掌時(shí)間很短，而希望蜂鳴器可以長時(shí)間報(bào)警，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)電路，本實(shí)驗(yàn)采用RC電路。當(dāng)有高電平加在電路輸入端時(shí)，電容C開始充電，直到電容兩端電壓與高電平相等。當(dāng)高電平變成低電平時(shí)，電容C開始通過電阻R放電，直到電容C儲存的電荷全部釋放。通過這樣快充慢放的過程實(shí)現(xiàn)電路電壓下降的延時(shí)功能。（2） 原理圖（3） 實(shí)際電路設(shè)計(jì)RC延時(shí)電路（4） 設(shè)計(jì)過程根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，延時(shí)時(shí)間應(yīng)該大于5s，那么再根據(jù)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的元器件，所選擇的電阻、電容分別為：R5=1M，C1=10uF5、 方波震蕩電路（1） 原理圖方波振蕩器電路是由與非門與電阻電容組成，通過電容的充放電，來實(shí)現(xiàn)輸出的高低電平的相互交換（矩形脈沖信號），從而出現(xiàn)合適的頻率驅(qū)動后一級的蜂鳴器。（2） 工作原理當(dāng)輸入U(xiǎn)O一個(gè)高電平時(shí)，該方波振蕩器依靠電容 C的充電與放電引起反饋電壓 VA的變化來實(shí)現(xiàn)振蕩，當(dāng)VA達(dá)到與非門的閥值電壓Vth時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸入與出端的反相。（假設(shè)出示狀態(tài)是門G1輸出低電平VOL，門G輸出高電平VOH）工作過程如下：（2.1）當(dāng)VA正好降至閥值電壓Vth，G1輸出電壓VB翻轉(zhuǎn)，VO也跟隨翻轉(zhuǎn)，且跳變值均為VOH -VOL，由于電容C兩端的電壓不能突變，所以VA下降VOH-VOL，低于閾值電壓Vth。此時(shí)，門G1輸出高電平VOH，門G輸出低電平VOL。（2.2）此后門G1電容反向充，使VA逐漸上升至門G1的閥值電壓Vth， VA上升VOH-VOL，電路各部分輸出繼續(xù)翻轉(zhuǎn)，門G1輸出低電平VOL，門G2輸出高電平VOH。（2.3）此后電容C開始放電，使VA開始下降。當(dāng)VA下降至門G1的閥值電平Vth時(shí)，電路再次發(fā)生翻轉(zhuǎn)門G1輸出高電平VOH，門G2輸出低電平VOL。經(jīng)過電容C的耦合使的耦合使VA再次下降VOH -VOL，電路又回到第一次翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)，振蕩器如此產(chǎn)生振蕩。 （3） 實(shí)際電路設(shè)計(jì)（4） 設(shè)計(jì)過程其頻率計(jì)算公式為：f=1/（2.2*R3*C2），在R2阻值大于20*R3的情況下，可以設(shè)計(jì)其參數(shù)值為 R2=820K，R3=47K，C2=0.01uF6、 報(bào)警電路（1） 原理：本實(shí)驗(yàn)中提供的是無源蜂鳴器，而無源內(nèi)部不帶振蕩源，所以直流信號無法令其鳴叫。必須用方波振蕩器提供一個(gè)頻率為2K5K的方波去驅(qū)動它。根據(jù)無源蜂鳴器無法用直流電壓確定的特點(diǎn)，可以為其設(shè)置一個(gè)直流偏壓。當(dāng)報(bào)警聲音較小時(shí)，可用晶體管來放大。（2） 實(shí)際電路：（3）可通過調(diào)節(jié)電位器的大小來改變蜂鳴器的聲音大小7、 燈光閃爍電路（1） 原理：發(fā)光二極管產(chǎn)生人眼可識別的閃爍，需要用振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率較低的方波，CD4011與非門中包含四個(gè)與非門電路，其中兩個(gè)用于驅(qū)動蜂鳴器，可以用另外兩個(gè)與非門來驅(qū)動發(fā)光二極管，兩者原理相同，只是產(chǎn)生的信號的頻率不同，只需要改變電容或者電阻的大小。（2） CD4011變頻電路計(jì)算可知把輸出方波的頻率設(shè)計(jì)在60HZ左右（3） 實(shí)際電路注意二極管之前一定要接一個(gè)幾百歐的限流電阻放大單元延遲比較電路（2） 總體電路設(shè)計(jì)：方波震蕩電路延遲電路6、 實(shí)現(xiàn)功能簡介及說明（1） 基本要求：1、 報(bào)警時(shí)間大于5S（1） 在基本電路搭建完成之后，報(bào)警時(shí)長大概在7S左右，滿足實(shí)驗(yàn)基本要求（2） 基本實(shí)驗(yàn)電路如下：（2） 提高要求：1、 增加報(bào)警音量（1） 在蜂鳴器前加入電位器（2） 給蜂鳴器加入直流偏置（3） 實(shí)際電路2、 增加報(bào)警燈（1） 改變CD4011震蕩頻率（2） 加入限流電阻（3） 增加發(fā)光二極管（4） CD4011變頻（5） 實(shí)際電路7、 故障及問題分析（1） 故障一：聲音采集單元輸出的電壓過小，無法正常傳輸?shù)较乱患?處理方法：由于 LM358 搭建的放大電路輸入阻抗過大，聲音采集單元無法驅(qū)動該大負(fù)載，故在聲音采集單元輸出端與地之間跨接一個(gè) 2K 的電阻，減小輸出阻抗改變的電路如下：（2） 故障二：拍手聲音過小，則延時(shí)時(shí)間不達(dá)標(biāo) 處理方法：延長時(shí)間過短是因?yàn)楸容^器輸出的電壓過低，高電平在下降很短時(shí)間內(nèi)即已無法驅(qū)動后級。故增大放大倍數(shù)，即增大比較器的輸入，同時(shí)相應(yīng)調(diào)高參考電壓，即可使比較器輸出較高電壓的高電平，該高電平在下降過程中，有相對較長的一段時(shí)間可以達(dá)到驅(qū)動后級的標(biāo)準(zhǔn)。這樣反復(fù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)即可使音量較小的輸入也可以從高電平緩慢下降，正常延時(shí)（3） 故障三：蜂鳴器聲音過小，不夠洪亮處理方法：調(diào)節(jié)蜂鳴器旁的電位器，使其電阻減小，增大輸入到三極管 B 極的電流，繼而增加 C 級流過蜂鳴器的電流，以達(dá)到增加蜂鳴器驅(qū)動功率的效果。邊調(diào)節(jié)邊聽聲音，也防止過大電流燒壞蜂鳴器（4） 故障四：發(fā)光二極管只亮不閃爍處理方法：錯(cuò)誤的將發(fā)光二極管跨接在蜂鳴器方波驅(qū)動器的輸出端，因?yàn)榉澍Q器的驅(qū)動需要頻率在 2K-5K 的方波，該頻率下的發(fā)光二極管不可能產(chǎn)生肉眼可見的閃爍。故再設(shè)置一個(gè)振蕩頻率小的方波振蕩器即可（5） 故障五：電源接通蜂鳴器即發(fā)聲處理方法：由于直流原因，會導(dǎo)致電源接通蜂鳴器即發(fā)出聲音，應(yīng)該在放大級后邊串聯(lián)一個(gè)隔直電容電路如下：隔直電容8、 總結(jié)和結(jié)論（1） CD4011引腳圖（2） 心得（1） 一定要提前做好預(yù)習(xí)工作，到了實(shí)驗(yàn)室不是臨時(shí)查閱資料而是直接按預(yù)習(xí)操作，否則兩次試驗(yàn)很難直接完成實(shí)驗(yàn)，我就是提前做了預(yù)習(xí)，所以一次課就把基本實(shí)驗(yàn)要求全部做完，并且蓋完了所有的章。（2） 弄清楚實(shí)驗(yàn)原理才是關(guān)鍵，很多人做實(shí)驗(yàn)并不知道實(shí)驗(yàn)原理，只會抄網(wǎng)上的實(shí)驗(yàn)電路，連一個(gè)參數(shù)都不改，這樣必定會造成實(shí)驗(yàn)失敗，因?yàn)榫W(wǎng)上的電路都是錯(cuò)的。（3） 搭建面包板電路時(shí)，要有秩序：從左到右，從上到下。特別需要注意有以下幾點(diǎn)：電阻阻值是否正確，電解電容、二極管等器件正負(fù)極是否連接正確，運(yùn)算放大器，、與非門是否接地、接正電壓，引腳是否連接正確，電路元件在面包板上是否正確連接。9、 Multisim仿真原理圖、波形圖（1） 放大電路：（1）電路設(shè)計(jì)（2）測試波形（2） 延遲比較電路：（1） 電路設(shè)計(jì)（2） 測試波形（3） 震蕩電路：（1） 電路設(shè)計(jì)（2） 測