扬声器发声电路

扬声器发声电路扬声器发声电路 一 引言一 引言 1 1 选题意义 选题意义 经过一学期的学习 我们已掌握了一些简单的电路的特性以及元器件的作用 但 我们对生活中已经应用了许久的电路依然陌生 比如简单的喇叭 闹钟 信号灯等 我们在学习中刚刚接触到一些皮毛知识 而把这些知识运用到炉火纯青的地步是有一 些难度的 所以我们以模拟扬声器声响电路为题设计电路 可以提高我们对 555 芯片 的认识 可以巩固我们所学的相关理论知识 实践所掌握的电子制作技能 完成一个 实际的电子产品 进一步提高分析问题 解决问题的能力 2 2 设计目标 设计目标 在电子技术课中我们学到了许多有关电子技术方面的知识 其中我们学到了 555 芯片的原理与功能 那些只是书本上的理论知识 我们没有将这些所学的知识应用到 实践中去 不能说明我们对 555 芯片已经熟知 所以通过此次的设计我们要对 555 芯 片的内部结构及其级联等方面的应用有更深层次的了解 比如应用一个 555 芯片可以 带动扬声器发出声响 但这种声响声音单一 发音效果不太好听 此次课程设计不仅 为了提高我们对 555 芯片的认识 也是为了拓宽我们的知识面 提高综合素质 通过 电子元器件认识与系统设计 能够进一步熟悉电子元件的结构 工作原理和使用方法 其次 了解电路理论的实际应用 掌握电子系统的装配和调试工艺 提高我们自己的 实际操作的能力 巩固课堂所学的知识 提高把理论知识应用于实际中的能力 同时 通过实习活动 既要我们收集与自己设计题目有关的设计资料 又要掌握扬声器发声 电路的设计方法和调试技术 数字模拟扬声器发声电路的综合设计 分析与调试方法 我们所做的是模拟扬声器发声的装置 该装置简单易懂 制作比较方便 通过对电路 的设计 以及对电子市场中元器件的调查和焊接的过程 大大提高了我们的动手能力 3 3 小组成员及分工小组成员及分工 小组成员及分工情况如下所示 1 小组成员及分工情况 姓名 学号 分工 设计 查找 买元件 焊接 写报告 姓名 学号 分工 设计 查找 买元件 焊接 写报告 二 作品说明二 作品说明 1 1 功能 功能 本设计题目名称为扬声器发声模拟电路的设计 经过电路设计和市场调查 选择出 简单可行且成本较低的扬声器发声模拟电路 该设计是由两片 555 芯片 五个电阻 三个电容 一个滑动变阻器 一个开关 一个扬声器 一节 12V 的干电池以及若干导 线组成的 若电路焊接成功 则第一片 555 组成的多谐振荡器将会产生低频信号 第 二片 555 组成的多谐振荡器将会产生高频信号来运载之前产生的低频信号 当信号传 递到扬声器之后 扬声器会发出 滴答 滴答 的声音 2 2 操作说明 操作说明 按下开关便可以发生 滴答 滴答 的声音 调节滑动变阻器的阻值 通过 2R 改变第一片的 555 芯片的占空比 进而控制高音与低音的时间TH TL 可以任意调节 滴答声的效果 三 基本原理三 基本原理 1 1 原理图 原理图 双极性型 5G555 的主要性能参数如表 1 所示 2 表 1 双极性型 5G555 的主要性能参数 参数名称符号单位参数 电源电压 VCCV5 16 电源电流 ICCmA 阈值电压 VTHV ccV 3 2 触发电压 VTRV ccV 3 1 输出低电 平 VOLV1 输出高电 平 VOHV13 3 CMOS 型 7555 的主要性能参数如表 2 所示 表 2 CMOS 型 7555 的主要性能参数 参数名称符号单位参数 电源电压 VCCV3 18 电源电流 ICC A 60 阈值电压 VTHV Vdd 3 2 触发电压 VTRV Vdd 3 1 输出低电 平 VOLV0 1 输出高电 平 VOHV14 8 1 555 定时器器件特性 555 定时器是一种中规模集成电路 外形为双列直插 8 脚结构 体积很小 使用起 来方便 集成时基电路 555 的电源电压范围较宽 可在 5 16V 范围内使用 TTL 型 若 为 CMOS 型的 555 芯片 则电压范围可在 2 18V 内 电路的输出有缓冲器 因而有较 强的带负载能力 基于以上对 555 定时器参数及性能的分析 认为以 555 定时器搭建的电路能够驱 动小功率扬声器发音 选择适当的外部电阻电容等器件与 555 定时器配合使用能够使 此设计得以实现 3 2 2 电路图设计及器件参数选择 电路图设计及器件参数选择 1 电路概述 所设计的扬声器发声电路主要有两个连接为多谐振荡器的 555 定时器及相关外围 组件组成 具体电路图如图 1 所示 通过 555 1 控制高频声音和低频声音的持续时间 555 2 作为压控振荡器将 555 1 输出的高低电平转化为频率 驱动扬声器发出响声 2 扬声器高低音发声机理 555 1 主要通过 V01输出占空比一定的方波信号控制 555 2 的控制端电压 当V01 输出为高电平时 555 2 控制电压端Vco 为高电平 由振荡频率 f 的计算公式可知此 时振荡频率较低 为低音 相对应 当V01输出为低电平时 555 2 控制电压端Vco 为 低电平 此时振荡频率较高 为高音 而高低音的持续时间则由 555 1 决定 扬声器发声电路如图 1 所示 R1 10 0k R2 150 0k R3 10 0k R4 10 0k R5 100 0k C1 10 F C2 30 F C3 0 01 F VCC OUT U1 555 TIMER RATED GND DIS RST THR CON TRI VCC 12V R6 100 Key A 40 XLV1 Input U2 555 VIRTUAL GND DIS OUTRST VCC THR CON TRI 图 1 扬声器发声电路图 3 3 555555 定时器内部结构及工作原理定时器内部结构及工作原理 1 内部结构 555 定时器内部结构如图 2 所示 4 555 定时器逻辑符号和引脚如图 3 所示 Vi1 TH 高电平触发端 简称高触发端 又称阈值端 标志为 TH Vi2 低电平触发端 简称低触发端 标志为 TRTR VCO 控制电压端 VO 输出端 Dis 放电端 复位端 Rd 555 定时器内含一个由三个阻值相同的电阻 R 组成的分压网络 产生VCC和31 图 2 555 定时器内部结构 R5K R5K R5K C1 C2 G1 G2 G3 Rd Vi1 TH Vi2 TR VCC T Vco R1 Vo Vo Dis Q Q S R TH 6 TR 2 Dis 7 VCC 8 Rd 4 Q 3 GND 1 Vco 5 555 1234 5678 GND TRVoRd VcoTHDisVCC 555 a 555 b 555 图 3 555 定时器逻辑符号和引 脚 5 VCC两个基准电压 两个电压比较器 C1 C2 一个由与非门 G1 G2组成的基本 RS 触32 发器 低电平触发 放电三极管 T 和输出反相缓冲器 G3 是复位端 低电平有效 复位后 基本 RS 触发器的端为 1 高电平 经反RdQ 相缓冲器后 输出为 0 低电平 VCO为控制电压端 在VCO端加入电压 可改变两比较 器 C1 C2的参考电压 不加控制电压时 要在VCO和地之间接 0 01 F 电容量标记为 103 电容 放电管 Tl的输出端 Dis 为集电极开路输出 2 工作原理 该电路主要通过两片 555 定时器模拟扬声器发声电路 输出周期性变化的高频信 号和低频信号 驱动扬声器发出高音低音周期交替的声音 将两片 555 定时器分别连 接成多谐振荡器 其中 555 1 的作用是控制高频声音和低频声音的持续时间 其输出 Vo1 是 555 2 的控制电压 555 2 的作用是控制高低音的频率 作为压控振荡器将 555 1 输出的高低电平转化为频率 驱动扬声器发出响声 分析图 1 的电路 在 555 定时器的VCC端和地之间加上电压 当VCO悬空时 比较器 C1的同相输入端接参考电压VT VCC 比较器 C2反相输32 入端接参考电压VT VCC 31 当VCO接控制电压Ve 时 比较器 C1的同相输入端接参考电压VT Ve 比较器 C2反 相输入端接参考电压VT Ve 21 现做如下规定 当 TH 端的电压 VT 时 写为VTH 1 当 TH 端的电压VT 时 写为VTR 1 当端的电压 VT 时 写为VTR 0 TR TR 低触发 当输入电压Vi2 VT 且Vi1VT 且Vi1VT 则VTH 1 比较器 C1输出为低电平 无论 C2输出何种电平 基本 RS 触发器因 0 使 1 经输出反相缓冲器后 VO 0 T 导通 这时称 555RQ 定时器 高触发 根据 555 定时器的控制功能 可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路 例如 施密特触发器 单稳态触发器 自激多谐振荡器等 4 4 555555 定时器接成多谐振荡器定时器接成多谐振荡器 6 1 连接方法 将 555 定时器的Vi1 和Vi2连在一起结成施密特触发器 然后将VO经 RC 积分电路 接回输入端即构成了多谐振荡器 多谐振荡器原理图如图 4 所示 图 4 多谐振荡器原理图 2 多谐振荡形成机理 初始时刻 Vc 为 0 时 Vi2 VT 且Vi1VT Vi1VT 555 定时器处于 高出发状态 VO 0 T 导通 电容 C 经过 R2 T 放电 Vc 降低 当Vc 下降到VT 时 Vi2 VT 且Vi1 VT 电路再次进入低触发状态 电容 C 经过 R1 R2充电 以此循环往 复 电容Vc 上的电压在VT 和VT 之间往复振荡 Vo 端输出具有一定占空比的方波脉冲 通过调节 RW或电容 C 可得到不同的时间常数 还可产生周期和脉宽可变的方波输出 7 3 相关公式推导 通过Vc 的波形球的电容 C 的充电时间和放电时间计算公式如下 1 T 2 T 充电时间计算公式 1 T 112 ln CCT CCT VV TRRC VV 放电时间计算公式 2 T 222 0 lnln 0 TT TT VV TR CR C VV 故电路的振荡周期为 12122 lnln CCTT CCTT VVV TTTRRCR C VVV 当Vco 悬空 接电容后接地 VCC VCC时 TV32 TV31 112 ln2TRRC 22 ln2TR C 振荡周期 12 2 ln2TRR C 振荡频率 12 1 2 ln2 fT RR C 四 方案实施及结果分析四 方案实施及结果分析 1 1 元件清单 元件清单 元器件清单如表所示 元件参数个数 555 芯片2 电阻10K 100K 150K5 电容0 01u 10u 30u3 扬声器1 滑动变阻器100 欧1 开关1 电池12V1 导线若干 2 2 电路仿真及器件参数选择 电路仿真及器件参数选择 8 电路元件选取及仿真 根据经验和查阅相关资料 同时参考相应模型 选取各电路元件参数 使 555 1 输出电压周期数量级为毫秒级 ms 高低音振荡周期数量级为微秒级 us 通过仿真软件 Multisim 仿真电路 调节参数 观测波形 扬声器发声电路高低音输出波形如图 5 所示 图 5 扬声器发声电路高低音输出波形 3 3 计算结果与仿真结果 计算结果与仿真结果 1 计算高频声音和低频声音的持续时间 高音 高频信号 时间即为 C1经 R2放电时间 T2 低音持续时间为 C1经过 R1 R2充 电时间 T1 高音持续时间 即为低电平持续时间 msCRT57 3462ln122 低音持续时间 即为高电平持续时间 msCRR VV VV CRRT Tcc Tcc 89 4152ln ln 121 1211 2 555 2 的 5 管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得 555 2 控制端电压Ve 的戴维南等效电路图如图 6 所示 R21 5k R23 5k R3 10k R22 5k 2 1 0 VCC 12V VCC Ve Vo1 R3 10k Rx 3 3k C1 33uF 4 5 0 Vo1 Ve 2 3Vcc 8v 9 图 6 555 2 控制端电压 Ve 的戴维南等效电路图 kRx33 3 55 5 33 13 33 3 410 3 2 01 3 01 V RR VRR V x xx E 3 计算高频声音和低频声音振荡频率 当 0V 时 3 00V 1O V E V 高音振荡频率 s f T Hz CR VV VV CRR f H H Ecc Ecc H 570 1 1756 2ln005 0100 36 5 16 ln005 0 110 1 2ln 2 1 ln 1 2554 高音振荡波形及周期显示如图 7 所示 图 7 高音振荡波形及周期显示 581 897us 当 12V 时 1O V 33 13 33 3 410 3 2 01 3 01 V RR VRR V x xx E 10 低音振荡频率 sT Hz CR VV VV CRR f L Ecc Ecc L 850 1176 2ln005 0 100 5 46 5 4 2 1 6 ln005 0 110 1 2ln 2 1 ln 1 25254 低音振荡波形及周期显示如图 8 所示 图 8 低音振荡波形及周期显示 862 069us 五 制作与调试五 制作与调试 在整个焊接实物的过程中 我们都非常的小心 仔细 首先初步规划了电路图 确定了元件的具体安放位置 接着我们根据跳线的需要把需要调整的元件进行了调整 在实验板上做了相应的记号之后我们开始了元件的焊接工作 我的主要工作是电子元 器件的焊接和实验报告的排版与检验 在焊接电路的过程中基本没有出现太大的问题 只有两了 555 芯片的焊接出现了困难 由于 555 芯片的引脚之间的距离特别小 而且 每个引脚上还得焊接一根导线 在这样情况下还必须注意两引脚之间不能短路且不能 出现虚焊或漏焊等现象 这无疑增加了焊接的难度 在焊接电容的时候要注意分清电 解电容的正负极 应遵循长正短负的原则 此片电容和电阻的焊接相对来说就简单得 多了 在焊接电路时 要认真细心 一部分一部分有条理得焊 防止漏焊和错焊 焊 接的时候要思考线的布局 尽量是焊接美观 11 在完成电路的焊接后 刚开始加了电源以后 扬声器不工作 我们首先检查了焊 点是否出现了虚焊或漏焊现象 排除了焊点出错的情况 接着我们检查了两个 555 芯 片的所有引脚以及所有相邻很近的焊点 看是否出现了短路的现象 经过检查我们发 现第二片 555 芯片的第六引脚和第七引脚发生了短路 检查完短路问题之后我们检查 了断路问题 发现第一片 555 芯片的第一引脚和导线之间发生了断路 找出错误之后 我们对其进行了修改 最后再检查了一遍 没有发现问题 加了电源以后扬声器发出 了 滴答 滴答 的声音 六 设计小结六 设计小结 通过这次的课程设计 我们进一步知道了 555 芯片的引脚图 也进一步了解到自 己对很多元件