北邮电子电路综合实验声控报警器实验报告.docx
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北邮电子电路综合实验声控报警器实验报告
电子电路综合实验设计
实验名称：
声控报警电路设计
学院：
信息与通信工程学院
班级：
学号：
姓名：
班内序号：
1、课题名称
声控报警电路设计
2、摘要和关键词
（一）摘要
本实验分析并设计了声控报警电路，实现了在麦克近处鼓掌，电路能发出报警声并持续大约5秒。
报告中首先给出设计目标和电路功能分析，然后讨论各级电路具体设计和原理图，后给出实际搭建电路测试的数据和分析，最后总结本次实验。
（二）关键词
放大器，比较器，延时，方波振荡
3、设计任务要求
在驻极体麦克附近鼓掌，麦克捕捉声信号后电路发出报警声，持续时间大约五秒。
1声音传感器用驻极体式咪头，蜂鸣器用无源式蜂鸣器；
2用LM358构成两级放大器，合理设计放大倍数
3用LM358构成电压比较器电路。
4延时电路用RC电路构成，计算时间常数，保证一定的延时时常
四、设计思路、总体结构框图
（一）设计思路
麦克捕捉到声音信号后将其转变成微弱电信号，进入放大器进行放大，之后与电压比较器设定的参考电压进行比较，若高于门限值，比较器输出电平翻转，控制振荡器产生方波信号，使蜂鸣器发声。
为使蜂鸣器发声持续一段时间，要用一个延时电路保持比较器输出电平维持相应的时长。
（二）总体系统框图如图：
5、分块电路和总体电路设计
（一）麦克偏置电路
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。
它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
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。
在麦克近处击掌，使麦克可以输出一个瞬时电压脉冲。
麦克直流偏置电路如图所示：
电路说明：
麦克偏置电压约6V，通过电阻R接地，麦克两端电压通过一个0.1μ电容输出电压。
电容起隔直作用，消除直流的影响，使放大后的电压便于与比较器相比较。
（二）LM358组成的放大器
1、说明由于话筒提供的信号非常弱，一般在比较器前面加一个前置放大器。
考虑到设计电路对频率相应及零输入时的噪声、电流、电压的要求，前置放大器选用集成运算放大器LM358。
LM358里面包括有两个高增益，独立的，内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式。
它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。
本次实验用到的LM358主要特点有：
电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）；.直流电压增益高（约100dB）。
2、LM358内部电路图：
3、LM358集成器的引脚图及引脚功能图
4、设计前置放大电路由LM358组成的两级放大电路。
由于在麦克近处鼓掌时，驻极体麦克偏置电路输出电压约为20mv到50mv,结合之后电压比较器参考电压数值，先将放大器增益A设定为大约100倍。
则两级放大器的每级放大倍数约为：
A1=A2=10。
设置电路为两级同相放大，并且利用所发1kΩ与10kΩ电位器可设计出如下图;
5、放大器电路
6、电路说明：
结合LM358引脚图，令第一个运放U1A的3管脚为总同向输入端，第二个运放U1B的7管脚为总输出端。
则U1A的输出（1管脚）接U2A的同向输入端（5管脚）。
通过输出管脚1与7由反馈电阻接回反相输入管脚2与管脚5.管脚8接正电源12V，管脚4接负电源-12V.
由同相放大电路增益公式得如图所示放大电路增益：
第一级放大增益：
A1=1+R2/R6=1+10/（1*100%）=11；
第二级放大增益：
A2=1+R5/R7=1+100/（10*100%）=11.
则总放大增益
A=A1*A2=11*11=121.
放大电路的增益可通过调节两个电位器做调整。
减小电位器电阻值可增大放大电路增益。
即
A1=1+R2/1000*a
;A2=1+R5/10000*b;
A=A1*A2.
具体放大倍数要根据前级麦克偏置电路与后级电压比较器做调整，将在总电路说明中阐述。
（3）LM358组成的比较器
1、概述麦克产生的电压经过放大器放大后与电压比较器设定的参考电压进行比较，若高于门限值，比较器输出电平翻转，为后级振荡电路提供供电电压。
比较器仍用LM358集成块实现，LM358集成块的参数及引脚图等特征已在放大电路介绍中说明，此处不再赘述。
考虑到LM358为双运放且相互独立，等价，电压比较器选用其中一个运放即可。
选用哪一个具体可根据时基电路的连接安排。
经放大电路放大后的瞬时电压值约为3V，所以比较电压的设定应在3V左右，使得放大后的电压脉冲可以使电压比较器翻转。
电压比较器设为单限比较器，
2、电路图如图所示：
3、电路说明放大器输出电压接入比较器同向输入端（3管脚），反相输入端（2管脚）接参考电压。
暂定参考电压Vss=2V,则由运放虚断与虚短概念知，反向输入端电压Vo=Vss=2V;同向输入端电压Vp=Vo时出电压翻转。
且由于电压比较器为同向输入，则输入电压高于参考电压时输出电压翻转为高电平。
（四）555运放构成方波振荡
1、概述考虑到本实验蜂鸣器需要鸣叫需要方波输入，本实验中选用555芯片作为方波振荡器。
555是一个综合了数字电路与模拟电路特点于一身的集成电路，在一些与时间相关的电路上得到广泛的应用。
且其外围电路简单，易于实现。
2、555内部结构：
3、其各脚主要功能如图所示：
4、设计通过查找相关资料，得出NE555振荡器的电路连接图如图所示，其原理为通过电容的充放电与触发器等内部元件的作用，将直流形式电能转换为矩形波形式的电能，因而将输入的直流电压转换成矩形波输出。
5、电路图
6、电路说明：
电路4管脚，8管脚接高电平电压，1管脚接地，3管脚为方波输出端。
振荡器通过电容C2的充放电实现高低电平的转换。
输出方波的频率
f=1.44/[（R9+2R10）C2];
输出方波的占空比与R1,R2的相对大小有关，
q=（R1+R2）/（R1+2R2）。
考虑到后级蜂鸣器对方波输出要求，
令R9=1KΩ，
R10=560Ω
C2=0.33μF.
则输出的方波频率为
f=1.44/[（R9+2R10）C2]=1.44/[（1000+2*560）*0.33*0.001]KHz=2.06]KHz.
（五）RC延时电路
1、概述考虑到在麦克近处击掌，产生的较大的电压脉冲持续时间较短，而期望报警器报警持续一段时间，所以在电路中应加相应的延时电路来保证方波振荡器有持续几秒的高电平输入。
将延时电路接在比较器输入端。
具体选用RC并联延时电路如下图所示；
2、电路图
3、电路说明:
当瞬时的高电压经过二极管，电容快速充电使其有一定存储电荷。
当瞬时高电压消失，电容通过R11放电，使比较器输入端电压不会立即降低为零，而是缓慢减小。
如是，只要电容两端电压高于参考电压，比较器便可输出高电平给方波振荡器供电，达到延时目的。
（六）总体电路
1、概述在麦克近处鼓掌，麦克直流偏置电路输出一个瞬时电压脉冲，将这个脉冲输入放大电路使其放大后，经过延时接入电压比较器输入端与参考电压比较。
若高于门限电压则输出高电平，使振荡器工作，输出方波，使蜂鸣器鸣叫报警。
总体电路如图所示：
2、电路图
3、电路说明麦克偏置电路电压通过两个5.1kΩ分压电阻实现。
通过测试，在麦克近处击掌麦克直流偏执电路输出有一个瞬时脉冲电压，幅度大约为50mV.经过放大电路，瞬时电压峰值被放大为约5V，波形图见附图。
经过一个延时电路输入到电压比较器。
电压比较器参考电压为2.5V，实际电路中通过阻值为15kΩ，3.9kΩ分压电阻实现。
实际电路中还要增加一个适当电容后接蜂鸣器。
六、所实现的功能说明
通过调测，电路实现了在麦克近处鼓掌，蜂鸣器发出报警声且持续一段时间。
改变蜂鸣器前的电容值大小可以影响蜂鸣器响度和音调。
在蜂鸣器两端并联一个发光二极管可以使报警时灯光亮起一段时间，起到报警灯光的作用。
放大器：
放大器注意负电源接法，用信号源测试。
用示波器观察输入输出波形，通过调节电位器，使输入峰峰值为40mV（击掌时麦克输出峰峰值）输出电压峰峰值大约10V.。
不允许出现严重失真，否则会影响电路正常报警。
方波振荡器：
用直流电压源测试方波输出，改变电阻与电容值使输出方波频率适当。
7、故障及问题分析
1、将电路总体接通后击掌，蜂鸣器没有反应。
原因可能放大电路放大倍数过小不足以使电压比较器电平翻转。
应重新测试调节放大倍数，注意不能出现严重失真。
2.报警时长不适当。
报警时长过短则有可能为比较电压过大，应改变分压电阻。
可能为放大倍数过小，应调节电位器。
可能延时电路参数不适当，应调节。
3.蜂鸣器叫声过小：
改变蜂鸣器的输出电容可以调节蜂鸣器鸣叫的响度与音调。
8、心得体会
本次实验是综合类实验，是电子电路实验从单功能电路到综合电路的转折。
不仅考验了我们电子电路课程理论知识，更加锻炼了我们实际动手搭建电路的能力。
不仅在调测放大电路，比较电路等单个电路块时需要扎实的理论基础，在电路拼接后的一系列问题中也需要我们有思考问题和解决问题的能力。
实验前通过大量查找资料，相互交流，分析电路功能，在仿真软件中搭建电路仿真工具可以使我们在动手搭建电路时有可靠清楚的实验思路。
在电路出现故障时，我们要冷静思考，不慌不忙，通过查阅资料，相互交流来解决问题。
本次实验的电路比较复杂，在实验前我需要提前规划好面包板的使用，这锻炼了我的布局策划能力。
在实践中提高我们的知识水平和动手能力。
9、Multisim仿真原理图波形图
（1）仿真及测试如图所示：
因驻极体麦克没有被引进multisim软件，所以用信号发生器进行模拟。
正弦波峰峰值约为麦克直流偏置的输出。
（二）信号源
（3）放大倍数
放大器脉冲的输入与输出波形。
放大倍数约为100倍。
（四）电比较器输出电压
（5）方波振荡器输出信号：
十、所用元器件及测试仪表清单
1、元器件：
序号
名称
数量
序号
名称
数量
1
电阻1kΩ
1
10
LM358
2
2
电阻10kΩ
3
11
555
1
3
电阻5.1kΩ
3
12
1N4148
1
4
电阻560Ω
1
5
电阻1MΩ
1
6
电容10μF
1
7
电容0.1μF
2
8
电容0.33μF
1
9
面包板
1
2、所用仪表仪器：
示波器
万用表
函数发生器
直流稳压电源
参考文献：
1.电子测量与电子电路实践，北京：
北京邮电大学电路中心，2012
2.刘宝玲等，电子电路基础，北京：
高等教育出版社，2008
实验实拍图片
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