声控开关系统的设计.doc

实验报告 声控开关系统的设计 2116002001麦煜遥 概述 声控开关系统是一个完整的收发系统。发送端由声音引起响应，如讲话声、走路声、拍手声等。其频率由几十Hz几十kHz。接收端包括传感器、放大器、信号处理、延时，终端执行机构等部件组成。通常声近代开关广泛用于楼道灯开关、老人夜间用灯开关、儿童玩具、家电等，具有线路简单、频带宽、控制方便等特点。一 实验目的 1、熟悉声控开关系统的原理。2、掌握电源电路、放大电路及基本触发器的特性和应用。3、学习信号处理的一些方法和元器件检测方法。4、掌握系统调试的原则和排除故障的方法。二 实验要求1 制订方案，使电路必需具有以下技术要求a. 白天灯不亮；b. 夜间有人走过的说话声、拍手声、打击声、哨声等，均能使灯亮；c. 灯亮20秒后，自动熄灭。d. 电路简单、成本低、工作安全可靠。2电路设计。设计各单元电路的形式，计算参数，并确定元器件型号、数量，提出元件清单。3 电路优化及仿真。通过EDA、Protel等工具软件对电路进行优化、仿真。4 制作电路并调试。5 测试电路功能，记录测试数据。四实验原理（以下按照本组设计情况阐述基本原理）1 原理框图光电开关声电转换放大声源电源延时输出处理执行机构2 结构说明电源：用12v直流电源声源：声音信号，如说话声，走路声，口哨声等；光电开关：选用光敏电阻，实现白天不亮，晚上有激励的时候亮；声电转换：接收声音信号，并将其转换为电信号。根据不同要求可选用驻极体话筒、压电陶瓷或喇叭等器件来实现此转换功能。本组选用驻极体话筒；放大：经声电转换器件转换来的电信号是比较微弱的，需经过放大。可采用单管放大、多管放大或集成运放等多种放大方式。本组选用双管放大；处理：由声音信号转变来的电信号是幅度、频率不尽相同的一群声波信号。当这一群脉冲信号输入到“信号处理”级时，使“信号处理”的输出只产生一次状态改变，选用D触发器；延时：根据实际使用要求，需要将信号处理后的信号进行延时，选用RC回路；执行机构：开关，灯泡（用发光二极管代替）。3电路参考图：（根据实验原理框图，我们设计以下电路图） 4元件说明 电源：直流电压源，12V电阻：根据计算分别选用10K,20K,22K,82K电容：根据计算分别选用100,220三极管：选择9014的三极管2个发光二极管：代替灯泡驻极体话筒：MIC，作为声电转换器双D触发器：选择CD4013双D触发器，并只使用其中一组。5单元电路说明 A.光电开关：由RG光敏电阻实现 B.声电转换：由驻极体话筒实现 C.信号放大： 本声控开关系统的放大器输入是音频信号，幅值10mV左右。放大器输出是具有高输入阻抗的CMOS集成电路。要求输出信号电压峰峰值约为电源电压的脉冲信号，由此要求变压器的放大倍数约在60dB左右，且无失真。由于一级变压器放大倍数不满足要求，故采用两级放大电路。图中示出了电压放大电路。两个NPN型三极管，信号由左端输入，经两级放大后，由右端输出。放大倍数是放大器的主要性能指标，用来表征放大信号的能力。共射电路的电压放大倍数的推导公式为： D.信号处理：为使放大电路输出的一群脉冲信号转变为灯开关的控制信号，我们采用D触发器来完成信号处理的功能。D触发器的基本特性是：在时钟信号CP的上升沿到达时，其输出状态就是前一时刻D端的状态，即QN+1=DN。若D端恒为“1”，则无论多少个时钟脉冲信号到来，输出都为“1”不变。 连接情况：VCC接正电源 VSS,D接地 CP接放大输出端 Q非接发光二极管正极 R通过电容接正电压 Q通过电阻接R端 F.延时电路：在时间上滞后一个时间，我们利用电容C的电压不能跃变这一特点来组成延时电路，当某时刻信号源U0由“0”变为“1”，电容充电，随时间增加，电容两端电压按指数曲线上升至“1”。当信号源又下跳为“0”，电容两端也不立刻下降为“0”，而是要经地定段时间后，电容电压才降为“0”。设U0为输出，电容两端电压Uc输入。阈值电压通常为0.5VDD。则当Uc上升至a点或下降至b点时，集成电路输出状态将发生改变，如波形图中的td即为延时时间。在电路中，设D触发器的CP信号为波形图中的非规则的又经放大的声源信号，触发器初态为“0”，为“1”，电容C充满电荷，UC=VDD。故D=“1”。当声控信号到达后，触发器Q翻转为“1”， =“0”，电容C通过R和放电，当Uc下降至 不大于于0.5 VDD时，D=“0”，等待下次声近代信号到来，将触发器Q复位为“0”。电路又逐渐恢复到初态。G.执行机构： 发光二极管五电路仿真1用ORCAD的图形编辑，编辑出一个完整的电路；2对电路进行编译，仿真；3无误后得到以下输入输出波形。输入电压信号经放大后的电压脉冲经延时后输出的电压脉冲六电路制作：用普通万用表来判别元件好坏。1、驻极体话筒：用万用表来判断话筒的漏极和源极。具体为：将万用表拨至档。黑笔接漏极，红笔接源极，同时接地，这时用嘴吹话筒，观看表头的指示。若无指示，则话筒失效；若有指示，则据指示范围的大小，说明其灵敏度的高低。2晶体三极管：用万用表的档分别测管子每两极间的正反向电阻。当用一表笔接一电极，另一表笔分别接余下两极所测得阻值较小时，则表笔固定接的那极即为基极b。如果是黑表笔接b，则此管为PNP管；反之即为PNP管。 3二极管：将万用表拨至或档，黑表笔接的是二极管的正极、红笔接的是负极。当所测的电阻值较小时，所测的是正向电阻，；若测得的阻值较大，则是反向电阻。 4电阻的测量：用万用表的欧姆档来测量电阻阻值。首先将万用表的开关拨至欧姆档的适当量程进行调零（两表笔短接，调节“0”电位器，使指针指向“0”），接着按进行测量。每次变换量程，都需重新调零。 元器件焊接在面包板上插入元件即可七电路调试调试规则1先分块调试，后逐级联调到整机调试。一般顺序为电源终端逐级到输入端。对复杂电路产品的调试也可由输入到输出，逐级联试。2先静态后动态。3在调试中须更换元器件或改变联接方式时，须关断电源后方可进行。调试过程：1用普通万用表检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错接等情况。2电源调试用万用表检查各点间的阻值，与参考值对照，相差甚大时，查找故障所在。如测得电压不合乎要求，则应根据电阻法或电位法等排故障的方法进行测试、分析、最终排队故障。用示波器观测uad、ubd、ucd波形。3信号采集、放大、处理、延时等电路的调试：检查各元器件的型号、参数、位置的正确性、牢固性。测试各元器件的参数、极性，判断T1、T2的极性和R、L、C值是否正确。 观测D触发器的功能。将CD4013的R、S端接地，D端与电源断开，而与端相连，即将D触发器的接成二进制计数器。FG1617输出接至CP，用示波器观测Q端输出波形。工作正常后，将信号源输出衰减60dB后经C接入电路中的b点，CP接放大器输出，即将放大器与D触发器联调，观测其工作是否正常。正常后，将电路恢复到正确联接方式，再逐级联调。声控调试：去掉信号源，用声音信号代替，示波器分别接至各端口，用等待扫描方式来观察各点的波形，应当是短暂时的音频信号。最后Q端输出电位是“1”或“0”的不定电平。延时调试：D触发器的D端接“1”，折除R端接地线，并在Q端接便于观察用的发光二极管。电路如图4-26所示。发出有效声音信号，使灯亮，并观测灯亮延续的时间td，如不满足所需要求，则改变R5、C5，直至满意为止。 实践是检验真理的唯一标准记本次电子综合实验的心得体会时间匆匆，在我们最后一年的学习中我们进行了为期一个学期的电子综合实验。在大学的前三年，我们学习不少课本上的知识，电路分析，低频电路，射频电路，还有硬件语言，仿真软件等。但是我们缺乏实实在在的硬件设计经验，缺乏对电路的理解体会，得不到从书本知识到实际应用得升华，在这次得综合实验课中我们终于在这些方面有所体会了。工欲善其事，必先利其器。当然，在设计电路之前我们需要扎实得理论基础。我们接到做声控开关的题目，首先就要有一个理性的认识，化整为零，我们知道它的功能就要从我们学过的知识中提炼有用的片断，进行分析。但是，往往，就是学到用时方恨少，也因为在学习中和实践中的重点不一样，我们所学习的东西只可以做一个轮廓的概述，而当问题出现的时候 就需要我们有更多的处理问题的方法。就拿一个放大的作为一个例子，在我们的学习中我们只知道怎样执行它的放大功能，而每到细处我们就没有太多的思考和顾及。我们会忽视它究竟放大几倍，发大多了或者少了会怎样；我们会忽视电阻，电容等元件的精度的阻值，以前往往会选用差不多的数值来完成题目；我们也会忽视一个电路的总体布局；同时我们最缺乏的 就是成本的概念。失之毫厘，谬以千里。在我们设计的过程中，一切也恨顺利，从理论上是没有问题的。但是到仿真的时候就一直没有通过。后来发现就是因为一个微小处的元件连接错误，一个语句的错误。在以前的学习或者考试中，我们大部分的地方对了，只错了一个小地方也可以得到分，但是在实践中就是一个小的问题就可以让我们死死的困住。当我们仿真的通过了，我们开始搭建电路，但是还是没有达到与其的效果。最后我们利用我们学到的知识，把构成发大的条件重温了一遍，把放大器中的两个电阻换了，电容也换了，终于完成了预期的功能。这就证明了一个精确的问题。哪怕就是几欧姆，或者就皮法的电容差别也可以造成一个电路的失败，这是在我们以前没有体会到的。花费一段时间后，我们的电路终于完成了。的确花费了很大的精力和时间，但是在完成后我们又想到了如果在实际生产中需要用这样长的时间去完成这样一个小电路，就失去它的经济效益。但是在这次实践中我们真的学习不少东西，