救护车扬声器发声电路

选择题目选择题目 2 基于基于 555 触发器的实用电路触发器的实用电路 设计名称设计名称 救护车扬声器发音电路救护车扬声器发音电路 姓姓 名名 学号学号200710313014班级班级07 自动化自动化 一 一 设计方案设计方案 该电路主要通过两片 555 定时器模拟救护车扬声器发声电路 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警报声 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 二 二 技术原理技术原理 1 1 555555 定时器器件特性定时器器件特性 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 双极型时基集成电路最大的灌电流和拉电流都在 200mA 左右 因而可直接推 动 TTL 或 CMOS 电路中的各种电路 包括能直接推动蜂呜器 小型继电器 喇叭和小型 电动机等器件 集成 555 定时器有双极性型和 CMOS 型两种产品 它们的逻辑功能和外部引线排列完 全相同 其主要参数见表 1 1 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 图 1 a 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 VCC 3 2 触发电压VTRV VCC 3 1 输出低电平VOLV1 输出高电平VOHV13 3 最大输出电流IOMAXmA 200 最高振荡频率fMAXKHz 300 时间误差 t nS 5 VTH即 Vi1 VTR即 Vi2 b 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VV0 1 输出高电平VV14 8 最大输出电流IOMAXmA 200 最高振荡频率fMAXKHz 500 时间误差 t nS 2 5552 555 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 1 内部结构 内部结构 555 定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图 1 和图 2 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VCC两 3 1 3 2 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 经反相缓RdQ 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 2 工作原理 工作原理 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 VCC 比较器 C2反相输入 T V 3 2 端接参考电压 VCC T V 3 1 当 VCO接控制电压时 比较器 C1的同相输入端接参考电压 Ve 比较器 C2反相 e V T V TH 6 TR 2 Dis 7 VCC 8 Rd 4 Q 3 GND 1 Vco 5 555 1234 5678 GND TR Vo Rd VcoTHDisVCC 555 a 555 b 555 图 2 555 定时器逻辑符号 和引脚 图 1 555 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 输入端接参考电压 Ve T V 12 现做如下规定 当 TH 端的电压 时 写为 VTH 1 当 TH 端的电压时 写为 VTR 1 当端的电压 时 写为 VTR 0 TR T V TR T V 低触发低触发 当输入电压 Vi2 且 Vi1 且 Vi1 则 VTH 1 T V 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RQ 输出反相缓冲器后 VO 0 T 导通 这时称 555 定时器 高触发高触发 555 定时器的 低触发 高触发 和 保持 三种基本状态和进入状态的条件 即 VTH VTR的 0 1 整理为表 2 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 史密特触发器 单稳态触发器 自激多谐振荡器等 3 5553 555 定时器接成多谐振荡器定时器接成多谐振荡器 1 1 连接方法 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 如图 3 a 所示 2 2 多谐振荡形成机理 多谐振荡形成机理 初始时刻 Vc 为 0 时 Vi2 且 Vi1 Vi1 555 定时器处于 T V T V 表 2 555 定时器控制功能表 输 入输 出 TH TR dR VODis T V T V T V L H H H L H 不变 L 导通 截止 不变 导通 高出发状态 VO 0 T 导通 电容 C 经过 R2 T 放电 Vc 降低 当 Vc 下降到时 Vi2 T V 且 Vi13 相关公式推导 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 T V 3 2 T V 3 1 112 ln2TRRC 22 ln2TR C 振荡周期 12 2 ln2TRR C 振荡频率 12 1 2 ln2 fT RR C 三 三 方案实施及结果分析方案实施及结果分析 1 1 电路图设计及器件参数选择电路图设计及器件参数选择 图 3 救护车扬声器发声电路图 1 1 电路概述 电路概述 所设计的救护车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 3 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 2 扬声器高低音发声机理 扬声器高低音发声机理 555 1 主要通过输出占空比一定的方波信号控制 555 2 的控制端电压 当输出 1O V 1O V 为高电平时 555 2 控制电压端为高电平 由振荡频率 f 的计算公式可知此时振荡Vco 频率较低 为低音 相对应 当输出为低电平时 555 2 控制电压端为低电平 1O VVco 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 3 3 电路元件选取及仿真 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 结果如图 4 所示 图 4 救护车扬声器发声电路高低音输出波形 2 2 计算结果与仿真结果 计算结果与仿真结果 计算高频声音和低频声音的持续时间 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 高音持续时间 即为低电平持续时间 221ln2 4TR Cms 低音持续时间 低音持续时间 即为高电平持续时间 1121 cc 121 ln ln26 ccT T VV TRR C VV RR Cms 555 555 2 2 的 的 5 5 管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得 管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得 如图 5 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 图 5 555 2 控制端电压 Ve 的戴维南等效电路图 31 1 3 5 55 3 3 2 10 83 33 3 13 33 X CCXO O E X Rk RVR V V V RR 计算高频声音和低频声音振荡频率 计算高频声音和低频声音振荡频率 当 0V 时 6 00V 1O V E V 高音振荡频率 高音振荡频率 1 2 45252 1 lnln2 1 123 110 0 005 ln100 0 005ln2 126 1718 1 582 CCE CCE H VV VV H H f RR CR C Hz Tus f 仿真结果如图 6 所示 图 6 高音振荡波形及周期显示 581 897us 当 12V 时 1O V E V 12 3 338 10 8 8 13 33 V 低音振荡频率 低音振荡频率 1 2 45252 1 lnln2 1 124 4 110 0 005 ln100 0 005ln2 128 8 1222 1 818 CCE CCE L VV VV L L f RR CR C Hz Tus f 仿真结果如图 7 所示 图 7 低音振荡波形及周期显示 862 069us 3 3 误差分析与总结误差分析与总结 经过多次参数调整