课程设计—变音信号产生器电路的设计.docx

目 录1.技术指标12.设计方案及其比较12.1 设计方案实现基础12.1.1 555定时器的组成12.1.2 555定时器的应用32.2 方案一：基础的变音信号产生电路42.2.1 实验原理42.2.2 具体实验电路的设计与仿真52.3 方案二：单向限流变音信号产生器72.3.1 实验原理72.3.2 具体实验电路的设计与仿真72.4 方案三：利用三极管控制高低电平传输电路82.4.1 实验原理82.4.2 具体实验电路的设计与仿真92.5 方案比较103.实现方案113.1 实验原理113.2 具体实验电路的设计与仿真113.2.1 实验方案所给元件清单113.2.2 实现方案电路的计算123.2.3 实现方案的仿真123.2.4 布线图134.调试过程及结论144.1 接线和输出波形的检测144.2 调试过程中出现的问题164.3 小 结165.心得体会166.参考文献17变音信号产生器电路的设计1. 技术指标1) 能发出两种不同频率、不同节拍的声音。2) 电路输出波形成周期变化。3) 每一周期中其中前半部分波形呈现一种规律，后半部分另一种规律。2. 设计方案及其比较2.1 设计方案实现基础2.1.1 555定时器的组成555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。其内部结构如图1所示，它由分压器、比较器、基本RS锁存器、和放电三极管等部分组成1。图1 555定时器的电路结构通过555定时器可以看出，555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC /3，C2的反相输入端的电压VCC/3。若触发输入端v12的电压小于VCC /3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端 v0=1。如果阈值输入端v11的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则C1的输出为0，C2的输出1，可将RS触发器置0，使输出v0为低电平。即可得如下555定时器功能表表12。表1 555定时器功能表由功能表可知，555定时器存在两个阈值电压，则555定时器有着广泛的应用，如：555定时器构成单稳态触发器、555定时器构成施密特触发器、555定时器构成多谐振荡器等，如图2为555定时器引脚图。图2 555定时器引脚图2.1.2 555定时器的应用本实验的基础是两个555定时器构成的多谐振荡器，如图3是由555的定时器构成的多谐振荡器基本电路。图3 基本多谐振荡器组成在基本多谐振荡器中，通过对R1、R2的控制，可以控制多谐振荡器的周期、频率、以及占空比，则可根据如下公式分别计算出多谐振荡器的相关参数。 (1) (2) (3) (4)显然有这些公式可以看出周期、频率、占空比只与R1、R2以及C有关，所以调整这些量的大小以及相对值，可以控制多谐振荡器的相关特性参数。2.2 方案一：基础的变音信号产生电路2.2.1 实验原理运用555定时器构成的两个多谐振荡器串联，用第一个振荡器实现对第二个振荡器的控制。如图4为简单的示意图。图4 两多谐振荡器串联如图4，将两个多谐振荡器串联， 显然第一个多谐振荡器能产生一定占空比的方波，将第一个多谐振荡器输出接入第二个的阈值输入，达到控制第二个多谐振荡器阈值电压的作用，使之能产生两种组合的阈值电压，则会在不同时刻产生两种不同占空比，不同频率的方波，从而由于振动频率不同在扬声器上发出的声音也就不同了。图5为方案一的原理图。图中主要有三部分构成。第一部分为R1、RV1、R2与C1构成的节拍器；第二部分是R3、RV2、R4与C2构成的调频器；第三部分是放音实现电路。图5 基础变音信号产生电路各个部分的具体作用：1) R1、RV1、R2与C1在外加电源下构成充电回路，决定多谐振荡器输出波形中高电平的时间。2) RV1、R2与C1在与7脚相接的情况下，构成放电回路，决定多谐振荡器输出波形中低电平的时间。3) R3、RV2、R4与C2在外加电源下构成充电回路，决定多谐振荡器输出波形中高电平的时间。4) RV2、R4与C2在与7脚相接的情况下，构成放电回路，决定多谐振荡器输出波形中低电平的时间。而3脚与5脚相连，中间所接电阻主要作用是分压。当3脚输出高电平voH时，多谐振荡器2的阈值电压变为viH和viH/2，电压较高，则多谐振荡器充放电时间长，频率较低；当3脚输出低电平voL时，多谐振荡器2的阈值电压变为viL和viL/2，电压较低，则多谐振荡器充放电时间短，频率较高。2.2.2 具体实验电路的设计与仿真通过对任务书的解读，设计者决定设计一个多谐振荡器1占空比大于2/3的多谐振荡器2占空比可调（频率可变）的变音产生电路，于是通过计算绘制出了如下仿真图6。图6 具体设计方案一的仿真图从上图中可以看到设计者具体化了电容电阻的参数，同时具体化了所加直流电压的数值。 方案一中确定多谐振荡器1频率、占空比周期所用到的公式如下： (5) (6) (7) (8)对于多谐振荡器2的参数确定与多谢振荡器1完全相同，唯一变化的就是需要将部分元件参数值一一替换，这里不再赘述。仿真的两个多谐振荡器输出波形如下图7所示。图7 两多谐振荡器输出对比波形从图7中可以看出多谐振荡器1为高电平，多谐振荡器2的频率高；多谐振荡器1为低电平，多谐振荡器2的频率相对较低，满足所需要求。2.12.22.3 方案二：单向限流变音信号产生器2.3.1 实验原理实验基本原理与方案一大致类似，唯一区别在于为每一个多谐振荡器增加了两个控制单向导通的二极管，其他部分工作原理相同 3。由于二极管有单向导通作用，所以一旦在某一支路中出现二极管，则此支路只能朝一个方向导通，显然设计此电路的目的是为了使充放电的电阻不同，实验原理图如图8所示。图8 单向限流变音信号产生器原理图2.3.2 具体实验电路的设计与仿真再增加了四个二极管后，更改电路，得到的仿真图如图9所示。图9 具体设计方案二的仿真图方案二中确定多谐振荡器1频率、占空比周期所用到的公式如下: (9) (10) (11) (12)仿真方案二的两个多谐振荡器输出波形如图10所示。图10 两多谐振荡器输出对比波形从图10中可以看出多谐振荡器1为高电平，多谐振荡器2的频率高；多谐振荡器1为低电平，多谐振荡器2的频率相对较低。有两种不同的频率，满足所需要求。2.4 方案三：利用三极管控制高低电平传输电路2.4.1 实验原理 实验基本原理与方案二大致类似，除了3脚与5脚所接之处不同外其他地方的原理以及作用完全相同。实验原理图如图11所示。图11 方案三实现原理图图的基本组成单元仍然是两个多谐振荡器，而3脚与5脚相连的方式不同，很显然从图11中可以看出多加了一个三极管，但是中间所接电阻主要作用仍是分压。当3脚输出高电平voH时，三极管Q1导通，则相当于电阻接通高电平，忽略三极管上的压降，多谐振荡器2的阈值电压变为vCC和vCC/2，电压较高，则多谐振荡器充放电时间长，频率较低；当3脚输出低电平voL时，三极管Q1截止，则相当于电阻悬空，多谐振荡器2的阈值电压变为vCC/3和2vCC/3，电压较低，则多谐振荡器充放电时间短，频率较高。2.4.2 具体实验电路的设计与仿真加入三极管后进行仿真，具体的仿真实现电路如图12所示。图12 方案三电路实现仿真图方案三中确定多谐振荡器1频率、占空比周期所用到的公式如下：4 (13) (14) (15) (16)这里的VT+与VT-需要根据具体的阈值电压而定。仿真方案三的两个多谐振荡器输出波形如图13所示。图13 两多谐振荡器输出对比波形从图13中可看出最后输出的两中频率有一定区别，但并不太明显。2.5 方案比较对于方案一、方案二、方案三这三个方案来说都不是完美的变音产生电路，都有各自的优缺点，以下分别两两作比较并陈述他们的优缺点。对于方案一和方案二来说，方案一是方案二的基础，方案二是方案一的发展与衍生。两者的基本原理相同，区别在于方案一比方案二多了四支二极管，而二极管有着良好的单向导电性，这就将充放电回路隔离开来了，减少了要得到不同的充放电电阻需要消耗的元件数，同时电路的保护性较强。对于方案二和方案三来说，两者控制芯片2高低电平的方式不同，方案二是直接输出，而方案三则是间接控制，但由于间接控制之后的两种组合阈值电压相差不大，再考虑上原件耗压，导致最后的两种组合产生的效果可能一样，最终就达不到控制两种声音的效果了。综上所述，方案二是在这三个方案中最好的方案。3. 实现方案3.1 实验原理实现方案的电路原理与方案一类似，考虑到实际耗材，以及电路连接，采用如图14的电路进行实现。图14 实现方案电路原理图所以从图14中可看出电路主要部分仍然由两部分组成。 3.2 具体实验电路的设计与仿真3.2.1 实验方案所给元件清单表2 元件清单元件大类集成电路电阻电容其他元件类型NE55533k10k51k0.01F0.1F100F33F喇叭元件数量/个2221111113.2.2 实现方案电路的计算 (17) (18) (19) (20)3.2.3 实现方案的仿真图15 实现方案的仿真图得到实现方案的两个多谐振荡器输出波形如图16所示。图16 实现方案两多谐振荡器输出对比波形显然从图中可以看出低电平所对应的波形间隔窄一些，高电平所对应的间隔大一些，且仿真时扬声器有着不同的声音，即此电路理论上可实现。3.2.4 布线图如下图17所示为实物电路的布线图。布线选择在面包板上好处有几点。一不用焊接，降低了学生烫伤的风险；二减少了可能出现问题的数量，单就焊接这一过程来说，就可能出现虚焊、多焊带来的问题；三面包板上不同地方的孔有不同的与其他孔短路断路的关系，使接线变得灵活。图17 实际连接电路的布线图4. 调试过程及结论表3 器材清单器材名称直流稳压源函数信号发生器万用表示波器器材台数一台一台两台一台4.1 接线和输出波形的检测先将本已经基本连接的电路放在适当位置；然后修改直流稳压电源使某红端输出+5V电压，使另黑端输出-5V电压，共引出2条线相接放在共地端，按照原理图连接好电路，如图18所示。图18 实现方案实物连线图如图19两种波形对比整体效果图。图19 两多谐振荡器输出对比波形如图20是高电平控制的芯片二的振荡波形。图20 高电平控制的芯片二的振荡波形从图中可以读出频率为373.1Hz。如图21是低电平控制的芯片二的振荡波形。图21 低电平控制的芯片二的振荡波形从图中可以读出频率为599.5Hz。4.2 调试过程中出现的问题一是过于着急，有许多细节没有注意到。比如：地线没有接；输出端口忘记接在示波器上，只能看到噪声，以为是电路错了；有时又会忘记接输入。二是实验室部分仪器有新旧之分，以及部分机器有一些问题需要提前去挑选好的仪器。三是集成器件管脚，容易接错脚，且芯片容易烧坏爆炸。四是示波器功能很强大，看可以直接显示频率和周期，开始的时候不会操作。4.3 小结此次实验通过使用面包板连接电气元件，设计出了比较优良的变音信号产生器，使我们受益匪浅。5. 心得体会通过这次这次课程设计，我感受颇多。首先是老师带来的感受，这次课程设计主要通知方式是通过QQ群的方式进行的，每个老师会在群里通知自己的学生，会在群里答疑，首先是这种师生共同协作的精神使我感动。其次，我深深的感受到了自主学习能力的重要性，对于变音信号产生器电路的设计刚开始拿到这个题是其实我是很惶恐的，因为数电课上根本没学，感觉无从下手，但是为了高效的完成这个课程，我在图书馆总共借了10本书，在知网上下载了十几篇论文查看，同时在MOOC上听课，终于大致弄懂了基本原理。再就是动手操作能力的重要性，刚接触面包板时一脸懵逼，并不知道他的导通原理，于是就动手用万用表每两个孔进行检测，才搞清了导通原理，同时连电路的速度以及布线也能检验和增强你的动手能力。这是一个总体感受。然后再就细化到任务书的内容，刚开始看到任务书的时候，我很郁闷，好像什么都没有给，感觉有太多因素不确定，其实这也是一种灵活的出题手法，设计者不拘束与条件，那么所得出的结果的丰富性就更强了，同时也是对你所学知识的一种检验，如果设计者所学不扎实，那他给