模拟救护车声响电路

设设 计计 报报 告告 课题名称 模拟救护车声响电路 学 院 专业班级 电子信息工程 072 班 学 号 学 生 指导教师 教务处 2010 年 12 月 30 日 设计报告 模拟救护车声响电路 第 2 页 共 11 页 学 生指导教师 课题名称模拟救护车声响电路设计时间2010 12 26 2011 1 4 设计地点实验楼 411 设计目的 1 熟悉 555 定时器的引脚安排 2 掌握 555 定时器的逻辑功能与使用方法 3 了解音响电路的组成和工作原理 并熟悉其设计和制作 设计报告 模拟救护车声响电路 第 3 页 共 11 页 一 系统设计概述一 系统设计概述 1 1 概述概述 555 定时器 时基电路 是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路 1972 年由西格尼蒂 克斯公司 Signetics 研制 设计新颖 构思奇巧 备受电子专业设计人员和电子爱好者青 睐 它可以构成单稳态触发器 多谐振荡器 施密特触发器和压控振荡器等多种应用电路 5 55 定时器是一种中规模集成电路 它使用灵活 方便 被广泛应用于脉冲的产生 整形 定时和延迟等电路中 文中介绍了 555 定时器及其逻辑功能 以及由其构成的多谐振荡器的 工作原理 通过举例论述了 555 多谐振荡器在模拟救护车声响电路中的应用 说明在实际生 产中 只要将其各个功能加以综合应用 便可得到许多实用电路 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实现多谐振荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛应用于仪器仪 555 定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范 两个比较器 C1 和 C2 各有一个输入端连接到三个电阻 R 组成的分压器上 比较器的输 出接到 RS 触发器上 此外还有输出级和放电管 输出级的驱动电流可达 200mA 比较器 C1 和 C2 的参考电压分别为 UA 和 UB 根据 C1 和 C2 的另一个输入端 触 发输入和阈值输入 可判断出 RS 触发器的输出状态 当复位端为低电平时 RS 触发器被 强制复位 若无需复位操作 复位端应接高电平 555 的应用 1 构成施密特触发器 用于 TTL 系统的接口 整形电路或脉冲鉴幅等 2 构成多谐振荡器 组成信号产生电路 3 构成单稳态触发器 用于定时延时整形及一些定时开关中 555 应用电路采用这 3 种方式中的 1 种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路 如定时器 分频器 脉冲信号发生器 元件参数和电路检测电路 玩具游戏机电路 音响告 警电路 电源交换电路 频率变换电路 自动控制电路等 设计报告 模拟救护车声响电路 第 4 页 共 11 页 1 2 555 定时器定时器的电路结构和逻辑功能的电路结构和逻辑功能 1 2 1 电路结构和逻辑功能 图图 1 1 555555 定时器的内部电路结构和引脚图定时器的内部电路结构和引脚图 图 1 为 555 时基电路的电路结构和 8 脚双列直插式的引脚图 由图可知 555 电路由电阻 分压器 电压比较器 基本 RS 触发器 放电管和输出缓冲器 5 个部分组成 它的各个引脚 功能如下 1 脚 GND 或 Vss 外接电源负端 VSS 或接地 一般情况下接地 8 脚 VCC 或 VDD 外接电源 VCC 双极型时基电路 VCC 的范围是 4 5 16V CMOS 型时基电路 VCC 的范围为 3 18V 一般用 5V 3 脚 OUT 或 Vo 输出端 2 脚 TR 低触发端 6 脚 TH 高触发端 4 脚 R 是直接清零端 当 R 端接低电平 则时基电路不工作 此时不论 TR TH 处于 何电平 时基电路输出为 0 该端不用时应接高电平 5 脚 CO 或 VC 为控制电压端 若此端外接电压 则可改变内部两个比较器的基准电 压 当该端不用时 应将该端串入一只 0 01 F 电容接地 以防引入干扰 7 脚 D 放电端 该端与放电管集电极相连 用做定时器时电容的放电 电阻分压器由 三个 5k 的等值电阻串联而成 电阻分压器为比较器 C1 C2 提供参考电压 比较器 C1 的 参考电压为 2 3Vcc 加在同相输入端 比较器 C2 的参考电压为 1 3Vcc 加在反相输入端 比较器由两个结构相同的集成运放 C1 C2 组成 高电平触发信号加在 C1 的反相输入端 与同相输入端的参考电压比较后 其结果作为基本 RS 触发器 R 端的输入信号 低电平触发 信号加在 C2 的同相输入端 与反相输入端的参考电压比较后 其结果作为基本 RS 触发器 S 端的输入信号 基本 RS 触发器的输出状态受比较器 C1 C2 的输出端控制 在 1 脚接地 5 脚未外接电压 两个比较器 C1 C2 基准电压分别为 2 3Vcc 1 3Vcc 的 情况下 555 时基电路的功能表如表 1 示 设计报告 模拟救护车声响电路 第 5 页 共 11 页 表表 1 1 555555 定时器的功能表定时器的功能表 从 555 定时器的功能表可以看出 555 定时器有两个阈值 Threshold 电平 分别是 1 3VCC 和 2 3VCC 输出端为低电 平时三极管 TD 导通 7 脚输出低电平 输出端为高电平时三极管 TD 截止 如果 7 脚接 一个上拉电阻 7 脚输出为高电平 所以当 7 脚接一个上拉电阻时 输出状态与 3 脚相同 1 2 2 555 定时器的主要参数定时器的主要参数 555 定时器的主要参数有电源电压 静态电流 定时精度 阈值电压 阈值电流 触发 电压 触发电流 复位电压 复位电流 放电电流 驱动电流及最高工作频率 1 2 3 等效电路 等效电路 555 时基电路内部既有模拟电路 又有数字电路 读图和应用十分不便 为便于一目了 然地理解 555 的功能 可以将 555 电路的数字与模拟功能合在一起考虑 进行化简 图 2 是图 1 a 中 555 电路的内电路方框图简化成为带一个放电开关的特殊的 RS 触发 器 其逻辑功能见表 3 所示 图图 2 2 555555 定时器化简电路定时器化简电路 二二 设计思路设计思路 2 1 设计系统简绍 设计系统简绍 555 时基电路 555 定时器产品有 TTL 型和 CMOS 型两类 TTL 型产品型号的最后三位 都是 555 CMOS 型产品的最后四位都是 7555 它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同 设计报告 模拟救护车声响电路 第 6 页 共 11 页 但双极型 555 和 CMOS 型 7555 因其制造工艺和流程的不同 生产出的 555 集成电路的性能 指标也有所差异 两者的区别见表 3 表表 2 2 双极型双极型 555555 和和 CMOSCMOS 型型 75557555 主要参数主要参数 1 双极型 555 和 CMOS 型 7555 的共同点 二者的功能大体相同 外形和管脚排列一致 在大多数应用场合可直接替换 均使用单 电源 适应电压范围大 可与 TTL HTL CMOS 型数字逻辑电路等共用电源 555 的输出 为全电源电平 可与 TTL HTL CMOS 型等电路直接接口 电源电压变化对振荡频率和定 时精度的影响小 对定时精度的影响仅 0 05 V 且温度稳定性好 温度漂移不高于 50ppm 即 0 005 2 双极型 555 与 CMOS 型 7555 的差异 CMOS 型 7555 的功耗仅为双极型的几十分之一 静态电流仅为 300 A 左右 为微功 耗电路 CMOS 型 7555 的电源电压可低至 各输入功能端电流均为 pA 微微安 量级 CMOS 型 7555 的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡 转换时间短 CMOS 型 7555 在传输过渡时间里产生的尖峰电流小 仅为 2 3mA 而双极型 555 的尖 峰电流高达 300 400mA 如图 3 所示 CMOS 型 7555 的输入阻抗比双极型的要高出几个数量级 高达 1010 CMOS 型 7555 的驱动能力差 输出电流仅为 1 3mA 而双极型的输出驱动电流可达 200mA 图图 3 3 双极型双极型 555555 与与 CMOSCMOS 型型 555555 尖峰电流对比尖峰电流对比 设计报告 模拟救护车声响电路 第 7 页 共 11 页 通过上面对两种型号的 555 的比较 在进行电路设计和应用时 应视具体情况选择型号 一 般来说 在要求定时长 功耗小 负载轻的场合 宜选用 CMOS 型的 7555 而在负载重 要 求驱动电流大 电压高的场合 宜选用双极型的 555 此外 由于双极型的冲击峰值电流大 在电路中应加电源滤波电容 且容量要大 双极型 555 的输出阻抗远比 CMOS 型 7555 的输 入阻抗低 一般要在 555 的电压控制功能端加一去耦电容 0 01 0 1 F 而 CMOS 型 7555 可不加 CMOS 型 7555 的输入阻抗高达 1010 量级 很适合做长延时电路 RC 时间 常数一般很大 负载驱动能力方面 双极型 555 可直接驱动低阻负载 如继电器 小直流电 机 扬声器等 CMOS 型 7555 只可直接驱动高阻抗负载 若驱动低阻负载 可在输出端加 接三极管驱动 综合上述考虑 故本次模拟交通灯的电路设计采用 CMOS 型 7555 在实际硬件电路中 采用东芝公司生产的 HA17555 2 2 软件分析 软件分析 本设计中 555 定时器构成多谐振荡器构成的多谐振荡器如图 4 所示 它是将两个触发 端 2 脚和 6 脚合并在一起 放电端 7 脚接于两电阻之间 图图 4 4 多谐振荡器电路图多谐振荡器电路图 图图 5 5 多谐振荡器的波形多谐振荡器的波形 输出波形的振荡周期可用过渡过程公式计算 tw1 uC 0 VCC 3 V uC VCC 1 RA RB C 当 t tw1 时 uC tw1 2 VCC 3 代入三要素方程 于是可解出 tw2 uC 0 2VCC 3 V uC 0V 1 RBC 当 t tw2 时 uC tw2 VCC 3 VCC uo R R CC A B 1 2 3 4 5 6 7 8 5 55 55 5 5 w1AB 0 7 tRR C 设计报告 模拟救护车声响电路 第 8 页 共 11 页 代入公式 于是可解出 w1w2AB AB 1w1 0 7 2 11 44 2 100 100 TttRR C f TRR C Tt D TT 其中 D 为占空比 2 3 系统设计和参数计算 系统设计和参数计算 1 电路系统设计 该电路由第一个 555 产生低频输出送给第 2 个 555 高频输出 通过 计算输出频率约为 700HZ 而人的耳朵能接受的频率范围为 20 20000HZ 故人能听到 符合设计的实际可行 2 元器件与参数设计 根据公式 f1 1 T 1 44 RP R1 C1 及 f2 1 44 2R5 R4 C4 可选择电阻 R1 10K RV1 0 100k R3 10K R4 10K R5 100K C1 10 C2 10n C3 10n C4 100 两片 COMS 型 7555 HA17555 及功率 2W 内阻为 8 欧的扬声器组成 本设计电路由两个CMOS型7555组成 均工作在多谐振荡状态 由电路仿真图示参数不 难求出两振荡器的振荡频率 f1 1 T 1 44 R1 2RV1 C1 当 RV1 即电位器 RV1 的阻值在 0 100K 变化时 对应的频率为 14 4HZ 0 62HZ f2 1 44 R2 2R5 C3 700HZ 振荡波形的占空系数由公式 D t充 T 来决定 故第一级振荡波形的最大占空系数为 47 两片 7555 输出波形图如下 图图 6 6 5 5 两片两片 75557555 的波形 蓝色为第一片 黄色为第二片 的波形 蓝色为第一片 黄色为第二片 IC2受控于 IC1的低频方波 当 IC1的输出为低电平时 IC2的振荡频率就低 而当 IC1 的输出为高电平时 IC2的振荡频率就高 因而从喇叭上就发出 嘀 哒 嘀 哒 的节奏 音响 改变 R4 R5 C2的时间常数 输出的音响频率也会发生相应的变化 w2B 0 7tR C 设计报告 模拟救护车声响电路 第 9 页 共 11 页 2 4 系统设计功能 系统设计功能 这里主要的元器件是 COMS 型 7555 性能介绍如下 当给电路通电瞬间 电源正极通过电阻 R1 和 RV1 给电解电容 C1 充电 此时 C1 两端 电压由 0V 往上升 也就是 555 的 脚电压从 0V 往上升 根据 脚电压小于 1 3 电源 电压时 脚输出高电平 IC2 的震荡频率就高 当 C1 上电压上升至 2 3VDDV 时 555 的 6 脚电压达到了 2 3 电源电压 555 电路翻转 脚输低电平 IC2 的振荡频率就低 因此发 出 滴 答 滴 答 的声音 改变电位器 RV1 的阻值 可以通过改变输出频率改变声音的快 慢节奏 三 系统设计流程框图三 系统设计流程框图 第一片 555 振荡器的输出接到第二片 555 振荡器的电压控制端 即 5 脚 Vc0 如电路仿 真所示 则第一片 555 振荡器输出高电平时 第二片 555 振荡器的振荡频率较低 当第一片 555 振荡器输出低电平时 第二片的振荡频率高 从而使第二片振荡器的输出端产生两种频 率的信号 3 脚所接的扬声器发出 嘟 嘟 的类似救护车的双频间歇响声 开始 第一片555 定时器上电 电解电容 C1充电 2脚电压升高 大于1 3VDD 第一片555 8脚输出高电平 电解电容 C1充电 2脚电压升高 大于2 3VDD 第一片555 8脚输出低电平 第二片555 振荡频率高 第二片555 振荡频率低 结束 图图 7 7 系统设计流程框图系统设计流程框图 四 系统设计调试和故障及解决办法四 系统设计调试和故障及解决办法 4 1 系统调试 系统调试 设计报告 模拟救护车声响电路 第 10 页 共 11 页 当给电路通电后 扬声器发出 滴 答 滴 答 的声音 但是效果不是很明显 带有一 定的杂音 调试电位器 RV1 的阻值 直至约 40k 声响清晰且响亮 然后继续降低 RV1 阻值 可以通过改变输出频率 改变声音的快慢节奏 4 2 故障和故障解决办法 故障和故障解决办法 1 扬声器不出声 解决办法 认真检查 并重新焊接与电源和接地的引脚 并用万用表测试 直至发出声 响 2 一些元件虚焊 解决办法 检查电路 并重新焊接 五 系统设计心得收获五 系统设计心得收获 我们进行了为期一周的课程设计 通过这次课程设计 我拓宽了知识面 锻炼了能力 综合素质得到较大提高 安排课程设计的基本目的 在于通过理论与实际的结合 人与人的沟通 进一步提高思 想觉悟 尤其是观察 分析和解决问题的实际工作能力 以便培养成为能够主动适应社会主 义现代化建设需要的高素质的复合型人才 作为整个学习体系的有机组成部分 课程设计虽然安排在一周进行 但并不具有绝对独 立的意义 它的一个重要功能 在于运用学习成果 检验学习成果 运用学习成果 把课堂 上学到的系统化的理论知识 尝试性地应用于实际设计工作 并从理论的高度