畢業(yè)設計（論文）紅外探測防盜器設計

1、西安航空西安航空職業(yè)職業(yè)技技術術學院學院 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計計（ （論論 文）文） 論論文文題題目：目： 所屬系部：所屬系部： 電電子工程學院子工程學院 指指導導老老師師： ： 張張玉玉蓮蓮 職職 稱：稱： 教授教授 學生姓名：學生姓名： 班班級級、學號、學號: 專專 業(yè)業(yè)： ： 西安航空西安航空職業(yè)職業(yè)技技術術學院制學院制 年 月 日 西安航空西安航空職業(yè)職業(yè)技技術術學院學院 畢業(yè)設計畢業(yè)設計（ （論論文）任文）任務書務書 題題目：目： 任任務務與要求：與要求： 時間時間： ： 年 月 日至 年 月 日 共 12 周 所屬系部：所屬系部： 學生姓名：學生姓名： 學學 號：號： 專業(yè)專業(yè)：

2、： 指指導單導單位或教研室：位或教研室： 電電子教研室子教研室 指指導導教教師師： ： 職職 稱：稱： 西安航空西安航空職業(yè)職業(yè)技技術術學院制學院制 年 月 日 畢業(yè)設計畢業(yè)設計(論論文文)進進度度計計劃表劃表 日日 期期工工 作作 內內 容容執(zhí)執(zhí) 行行 情情 況況 指指導導教教師師 簽簽 字字 教教師對進師對進 度度計計劃劃實實 施情況施情況總總 評評 簽名 年 月 日 本表作評定學生平時成績的依據之一。 comment a1: 字體字號 【摘 要】 本系統(tǒng)采用了熱釋電紅外傳感器，它的制作簡單、成本低、安裝比較方便， 而且防盜性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力強、靈敏度高、安全可靠。這種防盜器安 裝隱

3、蔽，不易被盜賊發(fā)現(xiàn)。當人進入報警器的監(jiān)視區(qū)域內，即可發(fā)出報警聲， 適用于家庭、辦公室、倉庫、實驗室等比較重要場合防盜報警。本設計電路主 要包括信號放大電路、比較電路、音響報警電路、開機延時電路和 12v 電源電 路組成。分析人體紅外線感應報警器的各部分功能電路原理，運用 protel dxp2004 完成了原理圖的繪制，并運用 multisim 10 仿真調試得出電路報警的 相關參數。概述了紅外線輻射的知識、熱釋電紅外傳感器的結構和工作原理。 利用熱釋電紅外傳感器設計了一種被動式紅外報警電路，分析了該電路的功能 和工作原理。熱釋電紅外傳感器具有很多的優(yōu)點，在防盜、警戒等裝置中應用 較廣。 關鍵

4、詞：關鍵詞：紅外線，熱釋電效應，菲涅爾透鏡 comment a2: 題目翻譯 題目：（英文） abstract: the system uses a pyroelectric infrared sensor, making it a simple, low cost, the installation more convenient, more stable performance and security, anti-interference ability, high sensitivity, safety and reliability. the hidden anti-theft de

5、vices installed, thieves can not easily be found. when people enter the surveillance zone alarm can sound an alarm for homes, offices, warehouses, laboratories and other more important occasions, anti-theft alarm .the design circuit includes a signal amplification circuit, comparator circuit, sound

6、the alarm circuit, delay circuit and the 12v power supply circuits. analysis of human infrared sensor alarm functions of each part of the circuit, the use of protel dxp2004 completed the schematic drawing, and simulation using multisim 10 alarm circuit debugging of the relevant parameters obtained.

7、an overview of the knowledge of infrared radiation, pyroelectric infrared sensor structure and working principle. using pyroelectric infrared sensor designed a passive infrared alarm circuit of the circuit function and work. pyroelectric infrared sensor has many advantages in security, vigilance wid

8、er application of such devices. key words: infrared，pyroelectric effect，fresnel lens 目目 錄錄 1 1 緒論緒論.1 1.1 設計概述.1 1.21.2 設計背景設計背景.1 1.31.3 設計要求設計要求.1 1.41.4 設計意義設計意義.1 2 2 方案設計與選定方案設計與選定.3 2.12.1 方案設計方案設計.3 2.22.2 選定方案選定方案.3 3 3 熱釋電紅外傳感器的概述熱釋電紅外傳感器的概述.4 3.13.1 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器.4 3.1.13.1.1 熱釋電效應及傳感器結

9、構熱釋電效應及傳感器結構.4 3.1.23.1.2 熱釋電紅外傳感器原理熱釋電紅外傳感器原理.5 3.1.3.1.3 熱釋電紅外信號采集及調理電路熱釋電紅外信號采集及調理電路.5 3.1.43.1.4 熱釋電紅外線傳感器的優(yōu)缺點熱釋電紅外線傳感器的優(yōu)缺點.7 3.23.2 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡.7 3.2.13.2.1 菲涅爾透鏡的原理菲涅爾透鏡的原理.7 3.2.23.2.2 菲涅爾透鏡作用菲涅爾透鏡作用.8 3.2.33.2.3 菲涅爾透鏡的主要技術指標菲涅爾透鏡的主要技術指標.8 4 4 熱釋電紅外報警器的結構原理熱釋電紅外報警器的結構原理.9 4.14.1 熱釋電紅外報警器的總體結構熱

10、釋電紅外報警器的總體結構.9 4.24.2 信號放大電路信號放大電路.9 4.2.14.2.1 放大電路的概述放大電路的概述.9 4.2.24.2.2 放大電路的分析放大電路的分析.10 4.2.34.2.3 集成運放的概述集成運放的概述.10 4.2.44.2.4 集成運放的特點集成運放的特點.10 4.2.54.2.5 集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性.10 4.2.64.2.6 芯片介紹芯片介紹.10 4.34.3 電壓比較器電壓比較器.12 4.3.14.3.1 電壓比較器的概述電壓比較器的概述.12 4.3.24.3.2 比較器的主要指標比較器的主要指標.13 4.3.34.3.

11、3 lm393lm393 芯片介紹芯片介紹.13 4.44.4 音響報警電路音響報警電路.14 4.54.5 開機延時電路開機延時電路.15 4.64.6 12v12v 電源電路電源電路.16 4.6.14.6.1 直流穩(wěn)壓電源的原理直流穩(wěn)壓電源的原理.16 4.6.24.6.2 三端穩(wěn)壓源三端穩(wěn)壓源.16 4.74.7 總電路分析總電路分析.17 5 5 電路的仿真電路的仿真.18 5.15.1 仿真電壓和波形仿真電壓和波形.18 5.1.15.1.1 感應信號波形感應信號波形.18 5.1.25.1.2 第一級放大波形及電壓第一級放大波形及電壓.18 5.1.35.1.3 第二級放大波形及

12、電壓第二級放大波形及電壓.19 5.1.45.1.4 第一級比較波形第一級比較波形.20 5.1.55.1.5 第二級比較波形及電壓第二級比較波形及電壓.21 5.1.65.1.6 基準電壓一、二電壓基準電壓一、二電壓.22 5.1.75.1.7 開機延時開機延時.22 5.1.85.1.8 報警延時報警延時.23 5.25.2 仿真結果分析仿真結果分析.24 5.2.15.2.1 三極管的放大倍數三極管的放大倍數.24 5.2.25.2.2 運放的放大倍數運放的放大倍數.25 5.2.35.2.3 基準電壓一基準電壓一.25 5.2.45.2.4 基準電壓二基準電壓二.25 5.2.55.2

13、.5 兩比較波形對比分析兩比較波形對比分析.25 5.2.65.2.6 開機延時開機延時.25 5.2.75.2.7 報警延時報警延時.25 參考文獻參考文獻.27 附錄附錄 1 1 元件清單元件清單.28 附錄附錄 2 2 電路仿真圖電路仿真圖.29 1 緒論 1.1 設計概述 隨著電子技術的發(fā)展，人類不斷研究，不斷創(chuàng)新紀錄，人們自身的安防意 識也在逐漸增強。紅外線具有隱蔽性，在露天防護的地方設計一束紅外線可以 方便地檢測到是否有人出入。此類裝置設計的要點：其一是能有效判斷是否有 人員進入；其二是盡可能大地增加防護范圍。 該報警器能探測人體發(fā)出的紅外線，當人進入報警器的監(jiān)視區(qū)域內，即可 發(fā)出

14、報警聲，適用于家庭、辦公室、倉庫、實驗室等比較重要場合防盜報警。 本設計是利用熱釋電紅外線傳感器探測人體輻射出的紅外線信號原理設計出來 的人體紅外線感應報警器。內容廣泛，靈活應用。 1.21.2 設計背景設計背景 隨著時代的不斷進步，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求， 尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客。這里所設計的被動式 紅外報警器則采用了美國的傳感元件熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外 傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉變?yōu)殡妷盒盘?，?時，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜 報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關、遙測

15、等領域。用它制作的防盜報 警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點： 不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源； 靈敏度高、控制范圍大； 隱蔽性好，可流動安裝。 1.31.3 設計要求設計要求 熟悉電路的工作原理。 掌握該電路中元器件的識別方法。 掌握電路的調試方法。 熟悉電路簡單的故障分析方法。 論文符合其格式、字數的基本要求，內容要求充實、作圖嚴謹規(guī)范等。 詳細說明設計方案，并計算元件參數。 1.41.4 設計意義設計意義 掌握紅外探測防盜器的原理及設計制作與仿真調試，熟悉實用電路設計的 一般過程。訓練及提高學生綜合運用所學知識進行電路設計的原理仿真能力。 加強對一些無人場所的防盜報

16、警，以及對一些危險地帶生命跡象的探測。 2 2 方案設計與選定方案設計與選定 2.12.1 方案設計方案設計 方案一：利用模擬電子電路構成被動紅外線感應報警器。系統(tǒng)主要有紅外 線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、開機延時、音響報警延時和 12v 電源 電路組成。 被動紅外線感應報警器的紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接 收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電 路經檢測處理后就能產生報警信號。 方案二：利用模擬電子電路構成主動紅外入侵報警器。主要由發(fā)射機和接 收機組成，發(fā)射機是由電源、發(fā)光源和光學系統(tǒng)組成。接收機是由光學系統(tǒng)、 光電傳感器、放大器、信號處理器

17、等部分組成。 主動紅外報警器是當有人入侵該警戒線時，紅外光束被遮擋，接收機收到 的紅外信號發(fā)生變化，提取這一變化，經放大和適當處理，控制器發(fā)出的報警 信號。目前此類報警器有二光束、三光束還有多光束的紅外柵欄等。一般應用 在周界防范居多，最大的優(yōu)點就是防范距離遠。 2.22.2 選定方案選定方案 方案二的主動式紅外線報警器的硬件電路相比于方案一較為復雜。 由于是畢業(yè)設計，在設計過程中要以電路原理為主題，因此在電路元件和 模塊的選擇上盡量采用通用、基礎的元器件，避免采用大規(guī)模的集成電路來設 計電路。 綜上所述選擇方案一：由模擬電子電路構成熱釋電紅外報警器電路。主要 由電路由紅外線傳感器、信號放大電

18、路、電壓比較器、開機延時、音響報警延 時和 12v 電源電路組成。組成框圖如 2-1 所示。 紅外線 傳感器 信號放大延時電路 音響報警 電壓比較 開機延時電源電路 圖 2-1 熱釋電紅外報警器組成框圖 3 3 熱釋電紅外傳感器的概述熱釋電紅外傳感器的概述 3.13.1 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器 3.1.13.1.1 熱釋電熱釋電效應及傳感器結效應及傳感器結構構 熱釋電紅外傳感器（pyroelectric infrared detector,pir）就是利用熱 釋電效應的原理，將紅外輻射轉換為電能的一種元件，是一種溫度敏感傳感器。 它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極

19、而構成響應元。 它通常由兩個極性相反的傳感元件串聯(lián)連接，并于一個高阻和一個場效應晶體 管組裝在一起。其內部結構如圖 3-1 所示。當傳感器監(jiān)測范圍內溫度有變化時， 因熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷，即在兩電極之間產生一微弱電壓。由 于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效 應所產生的電荷會跟空氣中的離子結合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，傳感 器無輸出。與所有熱傳感器一樣，熱釋電傳感器的工作原理可以用 3 個過程來 描述：由輻射轉化為熱的吸收過程：由熱轉化為溫度的加熱過程：由溫度轉化 電的測溫過程。 圖 3-1 熱釋電紅外傳感器內部結構 圖 3-2 熱釋電傳感器 l

20、hi778 外形圖 紅外輻射在自然界中無處不在，任何高于絕對零度（273）的物體都 會有紅外線向周圍空間輻射，其本質是熱輻射。物體溫度越高，則輻射的紅外 線越多，紅外輻射能量就越強。而人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，根據維 恩位移定律：t = 2897.8umk,所以會發(fā)出波長約 10um 左右的紅外線， m 被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的 10um 左右的紅外線而進行工作的。人體 發(fā)射的 10um 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。根據 熱釋電效應，當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的 電荷，而紅外感應源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅

21、外輻射溫度發(fā) 生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經檢測處理后就能產生 報警信號。 近年來熱釋電紅外傳感器除了用于遙感、制導、夜視、主動雷達、熱成像、 氣體分析、輻射計、測溫等軍事和工業(yè)場合外，它在消費電子電器產品中的應 用正迅速增長。目前應用最多的是檢測人的傳感器，比如用于防盜報警系統(tǒng)。 3.1.23.1.2 熱釋電紅外傳感器原理熱釋電紅外傳感器原理 本設計所用的熱釋感器就采用這種雙探測元的結構。其工作電路原理及 設計電路如圖 3-3 所示。在 vcc 電源端利用 c1 和 r2 來穩(wěn)定工作電壓，同樣 輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號。當檢測到人體移動信號時，電荷信號經 過 fet

22、 放大后，經過 c2，r1 的穩(wěn)壓后使輸出變?yōu)楦唠娢唬俳涍^ npn 的轉化， 輸出 out 為低電位。 圖 3-3 熱釋電紅外傳感器原理圖 3.1.3.1.3 熱釋電紅外信號采集及調理電路熱釋電紅外信號采集及調理電路 本設計選用 perkinelmer 公司的 lhi778 熱釋電紅外傳感器，它是雙元傳感 器，由硅窗、敏感材料、高值電阻 rg、場效應管以及為增強抗干擾能力而并的 一個電容組成。其外形結構如圖 3-2 所示。d 腳和 s 腳分別為內部場效應管的 漏極和源極的引出端，g 腳為內部敏感元接地引出端。因 s 和 g 之間懸空，故 使用時在這兩個引腳之間應接入一個輸出電阻 ro，才能輸

23、出傳感信號。 熱釋電紅外傳感器是一種高阻抗的器件，容易引入噪聲，所以與它相連的 第一級前置放大電路必須采用高輸入阻抗、低噪聲的場效應晶體管，并把它封 裝在熱釋電探測器管殼內。這樣可以有效地降低干擾、防止外界干擾及機械振 動的影響。高值電阻 rg 的作用是釋放柵極電荷，使場效應管安全正常工作。 rs y2 y1 r1 r2 c2 c1 r3 r4 q2 npn q1 fet vccvcc 3v12v out 熱釋電紅外傳感器輸出的信號很微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信 號被淹沒在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號的干擾源主要來自傳感器的熱 噪聲、固有噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由探

24、測器材料中的電 荷載流子的隨機熱運動而產生的。要減小熱噪聲帶來的影響，應盡量縮短熱釋 電傳感器和前置放大電路之間的距離，減少外界熱干擾，并在前置放大電路中 串入低通濾波電路，限制噪聲帶寬。傳感器的固有噪聲電壓峰峰值約為 50uv， 室外熱空氣流動能夠產生接近 250uv 的噪聲，在室內也接近 180uv。其他可能 存在的干擾，如空間電磁波干擾和機械振動等，噪聲幅值接近 100uv，三種噪 聲疊加最大幅值接近 300uv。所以需要對其進行放大處理，同時還要濾波以去 除干擾和噪聲。因此，本設計采用的信號調理電路包括兩級增益放大、帶通濾 波、比較電路組成，其電路如圖 3-4 所示。 圖 3-4 中傳

25、感器 d 端和 5v 電源之間串聯(lián)一個 10k 的電阻，用于降低射頻干 擾。g 端接地，s 端接 47k 的負載電阻。傳感器輸出直接耦合至低噪聲運放 （lm324）構成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，然后再經過電阻 r7、電容 c4 耦合至第二級放大電路進行進一步濾波放大。 圖 3-4 熱釋電紅外傳感器信號調理電路 根據濾波器的特點，其截止頻率公式為： rc f 2 1 可得在本設計帶通濾波電路中，上限截止頻率為 15.9hz，下限截止頻率為 0.07hz；在放大電路中第一級放大增益為 100，第二級放大增益大約為 20，因 此經過兩級放大后電路總增益可達到 66db。雙限電壓比較器由

26、四運放(lm324) 的另兩個放大器構成。由于噪聲源最大幅值接近 300uv，經兩級放大電路后， 最大噪聲幅值達到 600 mv。第二級放大電路偏置在 vcc2，即 2.5 v，因此， 雙限電壓比較器的高低閾值應設置為 3.1 v 和 1.9 v 時才能有效抗噪聲干擾， 即當放大器輸出信號電平大于 3.1 v 或者小于 1.9v 時，比較器輸出高電平，表 示探測到移動人體。 所以，必須對紅外輻射進行調制，使恒定的輻射變?yōu)榻蛔冚椛?。設法使紅 外輻射不斷變化，這樣才能使傳感器不斷有信號輸出。為了滿足這一要求，通 常在熱釋電傳感器的使用中，總是要在它的前面加裝一個菲涅爾透鏡。 3.1.43.1.4

27、熱釋電紅外線傳感器的優(yōu)缺點熱釋電紅外線傳感器的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 本身不發(fā)任何類型的輻射 器件功耗很小，隱蔽性好，流動安裝 價格低廉 缺點： 容易受各種熱源、光源干擾 被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收 環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈 3.23.2 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡 (fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻 璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理 是利用光的干涉及擾射和根據相對靈敏度和接收角度要求來設計的，透鏡的要 求很高，一片優(yōu)質的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚

28、度隨用途而變，多 在 1mm 左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測距離遠。 3.2.13.2.1 菲涅爾透鏡的原理菲涅爾透鏡的原理 菲涅爾鏡片是根據法國光物理學家 fresnel 發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝 和 pe（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm 厚）表面刻錄了一圈圈由小到大， 向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應角度大，焦距遠； 圓環(huán)線刻錄的深感應距離遠，焦距近。紅外光線越是靠進同心環(huán)光線越集中而 且越強。同一行的數個同心環(huán)組成一個垂直感應區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平 感應段。垂直感應區(qū)越多垂直感應角度越大；鏡片越長感應段越多水平感應角 度就越大。區(qū)段數量多被感應人體

29、移動幅度就小，區(qū)段數量少被感應人體移動 幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之 間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場角度的制約， 垂直和水平感應角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長形、方形、 圓形，從功能分類為：單區(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。當人進入感應范圍， 人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離 a 區(qū)或中距離 b 區(qū)或近距離 c 區(qū)的 某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當的焦距，紅外光正好被探 頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅動負載工作。整個接收人體 紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。 3.2

30、.23.2.2 菲涅爾透鏡作用菲涅爾透鏡作用 作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在 pir 上，第二個 作用是將探測區(qū)域內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以 溫度變化的形式在 pir 上產生變化熱釋紅外信號 3.2.33.2.3 菲涅爾透鏡的主要技術指標菲涅爾透鏡的主要技術指標 外形尺寸，根據傳感器和探測摘要來設計和生產不同尺寸的透鏡。 水平視角和垂直視角，它表明透鏡的可監(jiān)視范圍。 焦距，它表明鏡片與傳感器的安裝距離。 4 4 熱釋電紅外報警器的結構原理熱釋電紅外報警器的結構原理 4.14.1 熱釋電紅外報警器的總體結構熱釋電紅外報警器的總體結構 熱釋電人體紅外報

31、警器主要由信號放大電路、電壓比較器、音響報警電路、 開機延時電路、電源電路等幾部分組成。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線 聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)， 以適應熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報警器設 計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉換為電信號以供信號處理部分使 用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較， 為報警功能的實現(xiàn)打下基礎。 4.24.2 信號放大電路信號放大電路 信號放大電路如圖 4-1，vt1 和運算放大器 lm358 等組成放大電路，由 ic1 的腳輸出微弱的電信號，經三極管 vt1

32、 組成的共發(fā)射極放大電路進行第一級 放大，再通過 c2 耦合到運算放大器 ic2a 中進行高增益、低噪聲的同相比例放 大，此時由 ic2a腳輸出的信號已足夠強，輸入電壓比較電路。 圖 4-1 信號放大電路圖 4.2.14.2.1 放大電路的概述放大電路的概述 “放大”的本質是實現(xiàn)能量的控制，即能量的轉換：用能量比較小的輸入 信號來控制另一個能源，使輸出端的負載上得到能量比較大的信號。放大的對 象是變化量，放大的前提是傳輸不失真。放大電路的基本形式有 3 種：共發(fā)射 極放大電路，共基極放大電路和共集電極放大電路。在構成多級放大器時，這 幾種電路常常需要相互組合使用。 4.2.24.2.2 放大電

33、路的分析放大電路的分析 反饋指將系統(tǒng)的輸出返回到輸入端并以某種方式改變輸入，進而影響系統(tǒng) 功能的過程。反饋可分為負反饋和正反饋。前者使輸出起到與輸入相反的作用， 使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標的誤差減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；后者使輸出起到與輸入相 似的作用，使系統(tǒng)偏差不斷增大，使系統(tǒng)振蕩，可以放大控制作用。本電路采 用的是由 r2 構成了電壓并聯(lián)負反饋電路，此電路還是共發(fā)射極放大電路。 共發(fā)射極放大電路具有以下特點： 輸入信號與輸出信號反相； 無電壓放大作用； 有電流放大作用； 功率增益最高（與共集電極、共基極比較） ； 適用于電壓放大與功率放大電路。 4.2.34.2.3 集成運放的概述集成運放的概述 集成

34、運算放大器簡稱集成運放，是由多級直接耦合放大電路組成的高增益 模擬集成電路。它的增益高，輸入電阻大，輸出電阻低，共模抑制比高，失調 與飄移小，而且還具有輸入電壓為零時輸出電壓亦為零的特點，適用于正，負 兩種極性信號的輸入和輸出。運算放大器除具有十、一輸人端和輸出端外，還 有十、一電源供電端、外接補償電路端、調零端、相位補償端、公共接地端及 其他附加端等。它的放大倍數取決于外接反饋電阻，這給使用帶來很大方便。 4.2.44.2.4 集成運放的特點集成運放的特點 集成運放采用直接耦合放大器，對直流信號和交流信號都有放大作用； 為克服零飄現(xiàn)象，提高共模抑制比，輸入端全部采用差分放大電路，并采 用恒流

35、源供電； 采用復合管提高電路的增益； 電路中的無源器件都采用無源器件來代替。 4.2.54.2.5 集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性 本電路由 r7、r8、c4 組成同相比例放大電路。同相比例運算放大器在正常 運行的時候，輸出電壓總是滿足使反饋在反向輸入端的電壓等于同相端的電壓 (av= r8/r7+1)。如果在放大器輸出端接上負載引起輸出電壓下降，那么下降的 輸出電壓就會使反饋在反向輸入端的電壓不等于同相端的電壓，于是又會引起 輸出端的電壓回到 av= r8/r7+1 的參數。這與反向比例放大器的調整作用原理 相同。 4.2.64.2.6 芯片介紹芯片介紹 （1）芯片 lm385 的概述

36、: lm358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器， 適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的 工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流 增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 圖 4-2 lm358 引腳圖 芯片特點： 內部頻率補償 直流電壓增益高(約 100db) 單位增益頻帶寬(約 1mhz) 電源電壓范圍寬：單電源(330v)；雙電源(1.5 一15v) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調電壓和失調電流 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 輸出

37、電壓擺幅大（0 至 vcc-1.5v) 電氣特性： 輸入偏置電流 45 na 輸入失調電流 50 na 輸入失調電壓 2.9mv 輸入共模電壓最大值 vcc1.5 v 共模抑制比 80db 電源抑制比 100db 8 腳:電源 vcc 4 腳:接地 1、7 腳：輸出端 3、5 腳：同相輸入端 2、6 腳：反相輸入端 (2)芯片 9014 的概述： 9014 是非常常見的晶體三極管，在收音機以及各種放大電路中經常看到它， 應用范圍很廣，它是 npn 型小功率三極管。 主要參數： 集電極最大耗散功率 pcm0.4w 集電極最大允許電流 icm=0.1a 集電極基極擊穿電壓 bvcbo=50v 集電

38、極發(fā)射極擊穿電壓 bvceo=45v 發(fā)射極基極擊穿電壓 bvebo=5v 集電極發(fā)射極飽和壓降 uce=0.3v (ic=100ma; ib=5ma) 基極發(fā)射極飽和壓降 ube(sat)=1v (ic=100ma; ib=5ma) 主要用途: 作為低頻、低噪聲前置放大，應用于電話機、vcd、dvd、電動玩具等電子 產品。 4.34.3 電壓比較器電壓比較器 電壓比較器如圖 4-3 所示，ic3a 和 vd1 等作電壓比較器，ic3a 的第腳由 r10、vd1 提供基準電壓，u_=r12/r12+r11.當 ic2a腳輸出的信號電壓到達 ic3a 的腳時，兩個輸入端的電壓進行比較， 此時 i

39、c3a 的腳由原來的高電 平變?yōu)榈碗娖健?4.3.14.3.1 電壓比較器的概述電壓比較器的概述 電壓比較器可以看作是放大倍數接近“無窮大”的運算放大器。 電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示 兩個輸入電壓的大小關系)： 當”輸入端電壓高于”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當”輸入端電壓低于”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平。 電壓比較器的作用： 可用作模擬電路和數字電路的接口； 可以用作波形產生和變換電路等； 利用簡單電壓比較器可將正弦波變?yōu)橥l率的方波或矩形波。 圖 4-3 電壓比較電路圖 4.3.24.3.2 比較器的主要指標比較器的主要指標 滯回電壓：

40、比較器兩個輸入端之間的電壓在過零時輸出狀態(tài)將發(fā)生改變， 由于輸入端常常疊加有很小的波動電壓，這些波動所產生的差模電壓會導致比 較器輸出發(fā)生連續(xù)變化，為避免輸出振蕩，新型比較器通常具有幾 mv 的滯回電 壓。 偏置電流：理想的比較器的輸入阻抗為無窮大，因此，理論上對輸入信號 不產生影響，而實際比較器的輸入阻抗不可能做到無窮大，輸入端有電流經過 信號源內阻并流入比較器內部，從而產生額外的壓差。偏置電流定義為兩個比 較器輸入電流的中值，用于衡量輸入阻抗的影響。 超電源擺幅：為進一步優(yōu)化比較器的工作電壓范圍，maxim 公司利用 npn 管與 pnp 管相并聯(lián)的結構作為比較器的輸入級，從而使比較器的輸

41、入電壓得以 擴展，這樣，其下限可低至最低電平，上限比電源電壓還要高出 250mv，因而 達到超電源擺幅標準。這種比較器的輸入端允許有較大的共模電壓。 漏源電壓：由于比較器僅有兩個不同的輸出狀態(tài)（零電平或電源電壓） ，且 具有滿電源擺幅特性的比較器的輸出級為射極跟隨器，這使得其輸入和輸出信 號僅有極小的壓差。該壓差取決于比較器內部晶體管飽和狀態(tài)下的發(fā)射結電壓， 對應于 mosffet 的漏源電壓。 輸出延遲時間：包括信號通過元器件產生的傳輸延時和信號的上升時間與 下降時間，對于高速比較器，設計時需注意不同因素對延遲時間的影響，其中 包括溫度、容性負載、輸入過驅動等的影響。 4.3.34.3.3

42、lm393lm393 芯片介紹芯片介紹 （1）lm393 概述: lm393 為雙電壓比較器，lm393 系列由兩個偏移電壓指標低達 2.0 的獨立 精密電壓比較器構成。該產品采用單電源操作設計，且適用電壓范圍廣。該產 品也可采用分離式電源，低電耗不受電源電壓值影響。本品還有一個特點是， 即使是在單電源操作時，其輸入共模電壓范圍也包括接地。lm393 系列可直接 與 ttl 及 cmos 邏輯電路接口。無論時正電源還是負電源操作，當低電耗比標 準比較器的優(yōu)勢明顯時，lm393 系列便與 mos 邏輯電路直接接口。 （2）芯片特點: 工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236v，

43、雙電 源:118v； 消耗電流小，icc=0.8ma； 輸入失調電壓小，vio=2mv； 共模輸入電壓范圍寬，vic=0vcc-1.5v； 輸出與 ttl，dtl，mos，cmos 等兼容； 輸出可以用開路集電極連接“或”門； 圖 4-4 lm393 引腳圖 （3）電氣特性: 8 腳：電源 4 腳：電源 1 腳：比較器 a 輸出 2 腳：比較器 a 反相輸入 3 腳：比較器 a 同向輸入 5 腳：比較器 b 同向輸入 6 腳：比較器 b 反相輸入 7 腳：比較器 b 輸出 comment a3: 圖在文章里要描述呢！ ！ 4.44.4 音響報警電路音響報警電路 lm393 為報警延時電路，r1

44、4 和 c6 組成延時電路，其時間約為 1 分鐘。當 ic3a 的腳變?yōu)榈碗娖綍r，c6 通過 vd2 放電，此時 ic3b 的腳變?yōu)榈碗娖剿?與 ic3a 的腳基準電壓進行比較，當它低于其基準電壓時，ic3b 的腳變?yōu)?高電平，vt2 導通，訊響器 bl 通電發(fā)出報警聲。人體的紅外線信號消失后， ic3a 的腳又恢復高電平輸出，此時 vd2 截止。由于 c6 兩端的電壓不能突變， 故通過 r14 向 c6 緩慢充電，當 c6 兩端的電壓高于其基準電壓時，ic3a 的 腳才變?yōu)榈碗娖?，時間約為 1 分鐘，即持續(xù) 1 分鐘報警。 圖 4-5 音響報警延時電路圖 4.54.5 開機延時電路開機延時電

45、路 如圖 4-6 所示，由 vt3、r20、c8 組成開機延時電路，剛開機時電源向 c8 充電，時間約為 1 分鐘，它的設置主要是防止使用者開機后立即報警，好讓使 用者有足夠的時間離開監(jiān)視現(xiàn)場，同時可防止停電后又來電時產生誤報。 圖 4-6 開機延時電路圖 4.64.6 12v12v 電源電路電源電路 由功率為 12v 5w 的變壓器，電橋等組成，為報警電路提供 12v 的電壓源。 該裝置采用 912v 直流電源供電，由 t 降壓，全橋 u 整流，c10 濾波，檢測電 路采用 78l06 供電。本裝置交直流兩用，自動無間斷轉換。 圖 4-7 12v 電源電路圖 4.6.14.6.1 直流穩(wěn)壓電

46、源的原理直流穩(wěn)壓電源的原理 直流穩(wěn)壓電源是一種將 220v 工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置， 它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。 電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網 220v 交流電壓變換成符合需要的交 流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 整流電路：利用單向導電元件，把 50hz 的正弦交流電變換成脈動的直流電。 濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而 得到比較平滑的直流電壓。 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網電壓 和負載的變化而變化。 4.6.24.6.2 三端穩(wěn)壓源三端穩(wěn)壓源 集成三端穩(wěn)壓

47、器是一種串聯(lián)調整式穩(wěn)壓器,內部設有過熱、過流和過壓保護 電路。它只有三個外引出端(輸入端、輸出端和公共地端),將整流濾波后的不穩(wěn) 定的直流電壓接到集成三端穩(wěn)壓器輸入端,經三端穩(wěn)壓器后在輸出端得到某一值 的穩(wěn)定的直流電壓。 78l06 芯片特點： 輸出電壓(v):6.200 輸出電流最大值(ma):100 靜態(tài)電流最大值(ma):6 壓差最大值(v):2.300 壓差典型值(v):1.700 輸入電壓最大值(v):20 封裝/溫度():to/sot/0125 4.74.7 總電路分析總電路分析 接通電源時，c8、r20、vt3 組成開機延時電路時間大約為 1 分鐘。當有感 應信號時，信號經過由

48、r2、r3、vt1 等組成的共發(fā)射極放大電路進行反相放大， 放大后的信號送入 lm368 進行同相比例放大，放大倍數為（1+rf/r7）,得出的 信號已經足夠大了，再送入 lm393 的第一級與 r10、r11、r13、vd1 組成的基準 電壓進行比較，因為基準電壓較小，所以比較器第一級輸出為低電平，c6 經過 vd2 放電，當 lm393 第二級負相輸入端的電壓低于 r15、r16 形成的基準電壓時， lm393 的輸出端為高電平，信號經過 vt2 放大后驅動報警器報警。當感應信號 消失時，由于 c6 的電壓不能突變，電源經過 r14 向電容充電，直到電容上的電 壓高于基準電壓時，報警器才會

49、停止報警，時間大約為 1 分鐘。 電源電路由市電經過降壓變壓器、橋式整流、電容濾波、穩(wěn)壓后得到穩(wěn)定 的 12v 電源，再經過三端穩(wěn)壓塊 78l06 形成 6v 電源向 ic 器件供電。 comment a4: ？ comment a5: 圖在文章里要描述呢！ ！ 5 5 電路的仿真電路的仿真 5.15.1 仿真電壓和波形仿真電壓和波形 是設計好的電路圖通過仿真軟件進行實時模擬，模擬出實際功能，然后通 過其分析改進，從而實現(xiàn)電路的優(yōu)化設計。是 eda（電子設計自動化）的一部 分。 工程師們可以使用 multisim 交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。 multisim 提煉了 spice

50、 仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的 spice 技 術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。 通過 multisim 和虛擬儀器技術，pcb 設計工程師和電子學教育工作者可以完成 從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 本課題應用 multisim 對電路進行的模擬仿真。 仿真圖（見附錄 2）： 5.1.15.1.1 感應信號波形感應信號波形 圖 5-1 感應信號 ui 波形圖 輸入電壓為 10mv，時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 20mv/div 5.1.25.1.2 第一級放大波形及電壓第一級放大波形及電壓 c

51、omment a6: 圖在文章里要描述呢！ ！ comment a7: 圖在文章里要描述呢！ ！ 圖 5-2 第一級放大信號 u1 波形圖 時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 1v/div 圖 5-3 第一級放大信號 u1 電壓 5.1.35.1.3 第二級放大波形及電壓第二級放大波形及電壓 comment a8: 圖在文章里要描述呢！ ！ comment a9: 圖在文章里要描述呢！ ！ 圖 5-4 第二級放大信號 u2 波形圖 時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 20v/div 圖 5-5 第二級放大信號 u2 電壓 5.1.45.1.4 第一級比較波形第一級比較波形 comm

52、ent a10: 圖在文章里要描述呢！ ！ comment a11: 圖在文章里要描述呢！ ！ 圖 5-6 第一級比較信號 u3 波形圖 時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 10v/div 5.1.55.1.5 第二級比較波形及電壓第二級比較波形及電壓 所得數據：應用 multisim 仿真軟件對電路進行仿真 需要得到的參數： (1)時基因數 (2)偏轉因數 時基因數為 10ms/div 偏轉因數為 5v/div 圖 5-7 第二級比較信號 u4 波形圖 comment a12: 圖在文章里要描述呢！ ！ comment a13: 圖在文章里要描述呢！ ！ 時基因數為 10ms/div，

53、偏轉因數為 5v/div 5.1.65.1.6 基準電壓一、二電壓基準電壓一、二電壓 圖 5-8 基準電壓一 圖 5-9 基準電壓二 5.1.75.1.7 開機延時開機延時 comment a14: 圖在文章里要描述呢！ ！ comment a15: 圖在文章里要描述呢！ ！ 圖 5-10 開機延時波形圖 時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 5v/div 圖 5-11 開機時電路的工作狀態(tài)圖 5.1.85.1.8 報警延時報警延時 電路中的延時時間，即電容放電的時間。 本設計電路必須設置延時電路，這樣可以發(fā)出更長的報警聲。所以必須對 電路的報警延時提出一定的要求。 報警延時波形如圖 5-

54、12、5-13 所測參數為： 時基因數 comment a16: 圖在文章里要描述呢！ ！ comment a17: 圖在文章里要描述呢！ ！ 偏轉因數 其中：時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 5v/div 圖 5-12 報警延時波形圖 時基因數為 10ms/div，偏轉因數為 5v/div 圖 5-13 有感應信號時電路的工作狀態(tài)圖 5.25.2 仿真結果分析仿真結果分析 5.2.15.2.1 三極管的放大倍數三極管的放大倍數 輸入電壓為 10mv,輸出電壓為 u1=687.142mv comment a18: 圖放在文字下面！ au=u1/ ui=687.142/10=68.7 5.2.25.2.2 運放的放大倍數運放的放大倍數 輸入電壓為 u1=687.142mv,輸出電壓為 u2=20.228v 測試值：au=u2/ u1=20.228*1000/ 687.142=29.4 理論值：au=1+r8/ r7=1+30=31 5.2.35.2.3 基準電壓一基準電壓一 理論值：u1=r12/(r11+r12)*0.7=100/ 110*0.7=0.63v 測量值：u1=551.41mv=0.551v 5.2.45.2.4 基準電壓二基準電壓二 理論值：u2=r16/(r15+r16)*12v=300/400*6=9v 測量值：u2=8.999v 5.2.55.2.