声控报警电路实验报告

1、0 / 25 文档可自由编辑 实实 验验 报报 告告 实验名称：实验名称： 声控报警电路设计 实验学生：实验学生： 所属班级：所属班级： 班内序号：班内序号： 一，摘要一，摘要 近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，生活节奏 的加快，人们对电子报警器的需求日益增加。电子报警器应用于安 全防范，系统故障，交通运输，医疗救护等领域，和社会生产密不 可分。例如声控报警系统在生活中处处可见，楼道里的声控节能灯， 店铺联网报警器等等，其功能简单，成本较低，因而广泛应用于各 种家用电器和小电子产品中。 本课题基于应用需求，结合实验要求设计电路。报告介绍了简 易的声控报警器的电路设计和电路的搭建调

2、试。 关键词：关键词：报警器；CD4011；无源蜂鸣器；LM358 二，引言二，引言 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展， 电子设备、电子仪器的出现日新月异，在市场上电子产品的竞争较 为激烈。 本课程设计利用驻极体式咪头作为声传感器获得电压，经 LM358 放大电路两级放大，然后通过电压比较器和多谐振荡器,输出驱动蜂 鸣器和发光二极管工作报警。 1 / 25 文档可自由编辑 1 1，设计要求，设计要求 1，设计任务要求 设计一个声控报警电路，在麦克风附近击掌（模拟异常响动）， 电路能发出报警声，持续时间大于 5 秒。声音传感器采用驻极体式 咪头，蜂鸣器用无源式蜂鸣器。 2，提

3、高要求 1，增加报警灯，使其闪烁报警；2，增加输出功率，提高报警 音量，加强威慑力。 2 2，电路设计，电路设计 1，系统组成框图 2，系统总体设计思路 驻极体式咪头作为声音传感器，将击掌产生的声音信号转化为 电信号，微弱的电信号经过同相放大器放大后便于传输和驱动，放 大信号进入同相比较器，比较器根据实验可以设置合理的比较电压 VREF，当放大信号高于比较电压 VREF时，放大器输出高电平促发方波 振荡器开始工作，振荡产生的方波经三极管放大即可驱动无源式蜂 鸣器发出报警声音。但由于一次拍手产生的电信号只有短暂的脉冲， 故还需要在比较器后加入延时电路，减缓脉冲电压下降的速度来实 现延时报警。 2

4、 / 25 文档可自由编辑 3，单元电路设计思路 声音采集单元设计原理简述 驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关 键元件是驻极体振动膜，当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容 两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。 其膜片与金属极板之间的电容量比较小，因而它的输出阻抗值高， 约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。 所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。 因为驻极体式麦克风内部结构含场效应管，所以驻极体话筒 必须提供直流电压才能工作。本实验采用漏极输出型电路，电路 图如下 实际电路参数 麦克风中的场效应管的 UDS 一般

5、在 1.5V4.5V 之间，而 IDS 一般在 0.1mA1mA 之间。若供电电压 VCC 在 6V8V 时，可知 RD 约在 2.2K5.1K 之间。实验电路可预取 2.8K。C 为隔直电容，可 采用 22uF 的电解电容。 3，信号放大单元设计原理简述 由驻极体式麦克风转化产生的电信号是微弱信号，经测量在击 掌瞬间麦克风输出的最大值约为 12mV，该信号必须经过放大器放 大之后与比较器比较。该部分信号的放大由LM358 来实现，用 3 / 25 文档可自由编辑 LM358 构成一级放大约 100 倍，第二级电压跟随的形式。 一级电路设计原理如下： 第一级采用同相放大电路，输入信号从直流补偿

6、电阻R1 输 入到运放的同相输入端。反馈网络为 R2 和 R3，构成深度电压串 联负反馈放大电路。 根据分析集成运算放大电路的两个重要特点 （“虚短”、“虚断”）可知： 因为U+ = U- = Ui（“虚短”，但不是“虚地”）， I+ = I- = 0 所以 Nip UUU 1 R U I N i 同相输入运算放大器中，当 Rf =0 或 R1 =时，Auf =1+（RfR1）=1，即输出电压与输入电压大小相等，相位相同，这 种电路称为电压跟随器。 实际电路参数 麦克风的测量中，输出的电信号约为 150mV，故初步设定放 大倍数为 100 倍，使放大级输出约为 1.5V。放大部分电路参数如 图

7、 2.3.2（a）。再放大之后，紧跟一级电压跟随缓冲，电压跟随 器参数如图 2.3.2（b）所示。 4 / 25 文档可自由编辑 3，电压比较单元 设计原理简述 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小,并判断出其中哪一个 电压高，如图 1 所示。图 1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输 入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端 VOUT(输出 电平信号)。另外有电源 V+及地(单电源比较器)，同相端输入电压 VA，反相端输入 VB。VA和 VB的变化如图 2.3.3（a）所示。在时间 0t1 时，VAVB；在 t1t2 时，VBVA；在 t2t3 时，VAVB。在这 种情况

8、下，VOUT的输出如图 1(c)所示：VAVB时，VOUT输出高电平(饱 和输出)；VBVA时，VOUT输出低电平。根据输出电平的高低便可知道 哪个电压大 。 如果把 VA 输入到反相端，VB输入到同相端，VA及 VB的电压变 化仍然如图 1(b)所示，则 VOUT输出如图 1(d)所示。与图 1(c)比较， 其输出电平倒了一下。输 5 / 25 文档可自由编辑 出电平 变化与 VA、VB的输入端有关。 如果输入电压 VA 与某一个固定不变的电压 VB 相比较，此固定 不变的 VB 称为参考电压、基准电压或阈值电压。在试验中合理设置 参考电压便可以实现特定的电压比较。实验原理图即如下 6 /

9、25 文档可自由编辑 既此时有如下的电压输出关系，当 VA VB时 , uO = +UOM 为了便于电路组合之后的调试过程，特引入电位器分压，如图 2.3.3（b）所示，信号从同相端输入，参考电压从 2.3.42.3.4 RCRC 延时单元延时单元 设计原理简述 当有高电平加在电路输入端时，电容 C 开始充电，直到电容两 端电压与充电电压相等。当充电电压下降至 0 时，电容 C 开始通过 电阻 R 放电，直到电容 C 储存的电荷全部释放。通过这样快充慢放 的过程实现电路电压下降的延时功能，具体电路图如下 实际电路参数 实验要求报警时间不低于 5s，根据 t=RC 初步计算，可取电阻 7 / 2

10、5 文档可自由编辑 R=100k，电容 C=0.01uF。预计报警时长持续 10s 左右。 2.3.5 方波振荡单元 设计原理简述 方波振荡器由门电路和阻容元件构成，它没有稳定状态，只有 两个暂稳态，通过电容的充电和放电，使两个暂稳态相互交替，从 而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。由于矩形脉冲含有 丰富的谐波分量，因此，常将矩形脉冲产生电路称作多谐振荡器。 本实验中采用 CD4011 实现方波振荡，电路图如下。 输入 UO一个高电平时，该方波振荡器主要依靠电整一个周期的 波形变化如下。 而输入信号 UO是整个振荡器的开关电平，当 UO输入高于 Vth 的 高电平时，振荡器正常工作输出方

11、波；当 UO输入低于 Vth 的低电平 时，门 G1 始终输出高电平 VOH，电路无法振荡输出方波。 8 / 25 文档可自由编辑 实际电路参数 该多谐振荡器的振荡周期与时间常数 RC、门电路的阀值电压 Vth 均有关系，频率稳定性较差。此处做理想近似计算。 在 T1 期间 G1 输出高电平 VOH，G2 输出低电平 VOL，电容 C 充电。 为了便于计算，忽略门的输出电阻和输入端电流，则充电常数为 RC。初值，终值为，稳态值，)()(1OLOHthAVVVtVOHAVV)(thAVtV)(2 由此可得 OHTH OHOLOHth AA AA VV VVVV RC VtV VtV RCT )(

12、 ln )()( )()( ln 2 1 1 在 T2 期间 G1 输出低电平 VOL，G2 输出高电平 VOH，电容 C 反向 充电，VA 从 Vth+(VOH-VOL)开始下降，到 t=t3 时 VA 下降至 Vth， 初值 VA（t1）=Vth+（VOH-VOL），终值为，稳态值OLAVV)( VA（t2）=Vth，由此可得 OLth OLOLOHth AA AA VV VVVV RC VtV VtV RCT )( ln )()( )()( ln 2 1 1 综上，振荡周期是 21TTT 欲使其驱动蜂鸣器和发光二极管，设置元件参数如下： 5，无源式蜂鸣器报警单元设计原理简述 无源蜂鸣器内

13、部没有自带的振荡源，需要由前级输出的频率在 2K-5K 的方波来驱动。试验中加一晶体管放大再接蜂鸣器增加蜂鸣 9 / 25 文档可自由编辑 器的输入功率，以保证更好的实验效果。 实际电路参数 试验元件初置参数如图，采用 NPN 管 8050 和电阻 R=2K。 3，单元电路的组合设计 单元电路在组合的时候还需要考虑各个单元之间的输入输出阻抗 的平衡。先对各级之间组合的做如下连接说明： 1，声音采集单元与信号放大单元之间连接要注意，LM358 构成 的放大单元的输入阻抗理想情况接近于无穷大，放大单元的输入阻 抗作为声音采集系统的输出负载，导致声音采集单元输出的信号电 流过小且和电压脉冲变化不明显

14、，这将严重影响后级单元对信号的 接收和处理。故在电压放大单元的输入端与地之间并一个小阻值电 阻来减小声音采集单元的输出阻抗 2，电压比较单元和延时单元之间要防止电容对前级电路放电，电流 回流。故在电压比较单元和延时单元之间加一个 1N4148 二极管来实 现单向导通，禁止电容对前级电路放电的影响。 3，在方波振荡器和发光二极管之间需要串接一个 2K 左右的电阻来 降低通过发光二极管的电流，保护发光二极管因电流过大而损坏。 10 / 25 文档可自由编辑 3 3，电路仿真，电路仿真 1，单元仿真 测试信号放大单元工作情况，基本要求实现对小信号放大倍数 100 倍。 设计符合该单元放大一百倍的基本

15、要求。 图 3.1.1（c） 2，电压比较单元仿真 电路能够实现参考电压的比较，并且在不同的参考电压之下电压 比较器均能实现无滞回的同相电压比较功能。 11 / 25 文档可自由编辑 3，延时单元仿真 延时电路要求实现高电平下降的延时功能，在仿真中即给延时 电路输入一个短暂的高电平，检测输出会发现输出高电平缓慢下降。 若出现发现下降缓慢且时间大于 5S，则满足设计要求。 在延时电路输出端可以看到明显的快速充电和断开开关后缓慢放电 的过程。 12 / 25 文档可自由编辑 图 3.1.2（c） 4，方波振荡单元仿真 方波振荡器要求在前级输入高点电平时，震荡输出一个高频的 方波信号，以驱动后级的蜂

16、鸣器发出报警。 13 / 25 文档可自由编辑 5，整体仿真测试 模拟麦克风信号的输入，整体电路对该输入响应，最后应能检测出 能驱动蜂鸣器的方波信号。 14 / 25 文档可自由编辑 4， 电路搭建与调试 模拟麦克风信号的输入，整体电路对该输入响应，最后应能检测出模拟麦克风信号的输入，整体电路对该输入响应，最后应能检测出 能驱动蜂鸣能驱动蜂鸣 15 / 25 文档可自由编辑 图 3.2.2 4 4， 电路搭建与调试电路搭建与调试 1，信号放大单元搭建与调试 信号放大单元采用 LM358 实现，其芯片封装管脚图如图 4.1.1 所示，该单元电路图如图 4.1.2 所示，图中设置 R2=1K 便于

17、放大倍 数的更改，更改电阻 R1 即可快速改变该单元的放大倍数，例如图示 电路图中 R1 为 100K，则有放大倍数为 100 倍，按图搭建电路如图 4.1.3（a）所示，并设置 R1=50k。输入信号的参数如图 4.1.3（b） 所示，频率为 1KHz，峰峰值为 20mV。输出波形如图 4.1.3（c）所 示，频率为 1KHz，峰峰值为 1V，即设计和搭建符合要求。 最后需要注意，在级连调试时只需要更改 R1 阻值即可更改该单 元的电压放大倍数。 16 / 25 文档可自由编辑 2，电压比较单元搭建与调试 电压比较单元依旧是采用 LM358 来实现。 3，方波振荡单元搭建与调试 方波振荡的主

18、要元件是 CD4011 17 / 25 文档可自由编辑 , ,4 ， 18 / 25 文档可自由编辑 整体级联调试 5 5，实验总结与探讨，实验总结与探讨 1，电阻阻值使用错误，最简单的事情是差错之后最难检查的事情， 因而保险起见，在第一步时候就先用万用表确认阻值。 2，电解电容方向错误，易发生爆炸。 3，芯片管脚接错，因为管脚较密，故在连接时一定要细心。, 6 6，实验元件与仪器资料，实验元件与仪器资料 1，驻极体式咪头 构造与原理构造与原理 驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关 19 / 25 文档可自由编辑 键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面 蒸发

19、上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻 有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另 一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金 属极板之间就形成一个电容。当驻 极体膜片遇到声波振动时， 引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的 交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为 几十 pF。因而它的输出阻抗值很高 (Xc12tfc)，约几十兆 欧以上。 这样高的阻抗是不能直接与 音频放大器相匹配的。所以在话 筒内接入一只结型场效应 晶体三极管来进行阻抗变换。 场效应管 的特点是输入 阻抗极高、噪声系数低。普通 场效应管有源极(S)

20、、 栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再 复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管 受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样， 20 / 25 文档可自由编辑 驻极体话筒的输出线便有三根。即源极 S，一般用蓝色塑线，漏 极 D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。 2，极性判断 它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三 根引出线，漏极 D 接电源正极，源极 S 经电阻接地，再经一电容作 信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极 D 经一电阻接至电源正极， 再经一电容作信号输出，源极 S 直接接地。所以，在使用驻极体话

21、筒之前首先要对其进行极性的判别。 在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二 极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极 D 和源极 S。 将万用表拨至 R1k 档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。 再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源 极，红表笔接的是漏极。 6.1.5 电路接法 接法 1：源极输出 源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极 D 接电源正极。源极 S 与地之间接一电阻 Rs 来提供源极电压，信号 由源极经电容 C 输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻 抗小于 2k，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。 接法

22、 2：漏极输出 漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。 21 / 25 文档可自由编辑 漏极 D 与电源正极间接一漏极电阻 RD，信号由漏极 D 经电容 C 输出。 源极 S 与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度 比源极输出时要高，但电路动态范围略小。 1，集成运放芯片 LM358 6.2.2 LM358 简介 LM358 是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内 部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使 用，也适用于双电源工作模式。 6.2.3 LM358 特性 直流电压增益高(约 100dB) 。 单位增益频带宽(约 1MHz) 。

23、 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5 一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 22 / 25 文档可自由编辑 输出电压摆幅大（0 至 Vcc-1.5V) 。 6.2.4 LM358 参数 输入偏置电流 45 nA 输入失调电流 50 nA 输入失调电压 2.9mV 输入共模电压最大值 VCC1.5 V 3，与非门芯片 CD40011 CD4011 是集成了四个与非门的芯片，即可采用单电源供电，又 可采用双电源供电。 5，无源式蜂鸣器与发光二极管 无源蜂鸣器 无源蜂鸣器内部没

24、有自带的振荡源，需要由前级输出的频率在 2K-5K 的方波来驱动。试验中加一晶体管放大再接蜂鸣器增加蜂鸣 器的输入功率，以保证更好的实验效果。 发光二极管 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极 管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给 发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由 N 区注 23 / 25 文档可自由编辑 入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的 空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴 所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同， 释放出的能量越多，

25、则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿 光或黄光的二极管。 发光二极管的反向击穿电压大于 5 伏。它的正向伏安特性曲线 很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电 阻 R 可用下式计算：R=（EUF）/IF。式中 E 为电源电压，UF为 LED 的正向压降，IF为 LED 的正常工作电流。发光二极管的核心部分是 由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片，在 P 型半导体和 N 型半导 体之间有一个过渡层，称为 PN 结。在某些半导体材料的 PN 结中， 注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式 释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载 流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二 极管叫发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时（即两端 加上正向电压），