北京邮电大学声控报警器实验报告.docx

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北京邮电大学声控报警器实验报告

实验报告

《电子测量与电子电路》

实验名称：

声控报警电路设计

实验学生：

所属班级

班内序号：

所属学院：

《电子测量与电子电路》

综合设计型实验实验报告

201年月日

摘要

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。

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试。

关键词：

报警器；CD4011；无源蜂鸣器；LM358P

引言

本课程设计利用驻极体式咪头作为声传感器获得电压，经LM358P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。

设计要求

设计概述

本设计是在指导老师给定课题的基础上经过分析，采用驻极体式咪头作声传感器。

能利用物体的撞击、行人的脚步声、车辆行驶的震动声作为触发信号（试验中用击掌模拟），使蜂鸣器发出报警信号。

设计要求

基本要求

设计一个声控报警电路，在麦克风附近击掌，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。

提高要求

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。

元件及设计准备

参考自资料及网络

驻极体式咪头

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。

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（Xc＝1／2~tfc），约几十兆欧以上。

电路接法：

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。

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。

漏极D与电源正极间接漏极电阻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。

集成运放芯片LM358P

LM358引脚图

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。

LM358特性

直流电压增益高（约100dB）。

单位增益频带宽（约1MHz）。

电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；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。

输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）。

LM358参数

输入偏置电流45nA

输入失调电流50nA

输入失调电压2.9mV

输入共模电压最大值VCC~1.5V

共模抑制比80dB

电源抑制比100dB

与非门芯片CD40011

CD4011芯片引脚图

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。

无源式蜂鸣器

无源蜂鸣器内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，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=（E－UF）/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），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同的光线，光的强弱与电流有关。

电路设计

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。

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。

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。

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

故有

，则

即闭环电压放大倍数为

可以看出：

Uo与Ui是比例关系，改变比例系数，即改变Rf／R1，即可改变Uo的值。

同相输入运算放大器中，当Rf=0或R1=∞时，Auf=1+（Rf／R1）=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100mV，故初步设定放大倍数为100倍，使放大级输出约为1.0V。

电压比较单元

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。

此时有如下的电压输出关系，当VA>VB时,uo=+Uom，当VA

实际电路参数

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，参考电压从反向端输入。

RC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R=100k，电容C=0.01uF。

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。

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

，由此可得

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VA（t2）=Vth，由此可得

综上，振荡周期是

无源式蜂鸣器报警单元

设计原理简述

无源蜂鸣器内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器的输入功率，以保证更好的实验效果。

发光二极管报警单元（提高篇）

设计原理简述

欲使发光二极管闪烁，也需要用振荡器产生一个频率较低的方波，才能使发光二极管产生能被肉眼识别的明显闪烁。

二极管只需要跨接在方波振荡器的输出端和地之间。

实际电路参数

实际参数设计只需要再设计一个方波振荡器，产生一个与蜂鸣器驱动方波频率不一样的驱动信号，来专门驱动发光二极管。

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，LM358P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，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。

电路仿真

信号放大单元仿真

仿真预期目标

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。

仿真实际记录

输入信号是频率为1KHz，有效值为10mV的正弦波。

输出波形是频率为1KHz，有效值为1V的正弦波。

故设计符合该单元放大一百倍的基本要求。

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。

仿真实际记录

当设置参考电压在350mV时,输入的待比较的信号是频率为1Hz，有效值为1V的正弦波。

可以观察当输入电压大于参考电压时，输出电平输出高电平，符合基本设计要求。

调节电路图中的电位器之后，观察发现电压比较器依旧正常工作。

故电路符合该单元设计要求。

延时单元仿真

仿真预期目标

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。

仿真实际记录

通过开关控制给延时电路输入一个高电平后断开，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，观察记录即可知满足设计要求。

方波振荡单元仿真

仿真预期目标

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，以驱动后级的蜂鸣器发出报警。

仿真实际记录

仿真过程中对Vi直接输入10V的高电平，输出波形为一个高频的方波信号。

整体仿真测试

仿真预期目标

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。

仿真实际记录

用函数信号发生器和开关的组合来实现麦克风输入信号的模拟，仿真电路图通过示波器在方波振荡器的输入端检测输出波形。

第四章电路搭建与调试

信号放大单元搭建与调试

电压比较单元搭建与调试

4.3方波振荡单元搭建与调试

整体级联调试

问题：

声音采集单元输出的电压过小

解决：

由于LM358搭建的放大电路输入阻抗过大，声音采集单元无法驱动该大负载，故在声音采集单元输出端与地之间跨接一个2K的电阻，减小输出阻抗。

问题：

拍手声音过小，延时时间不达标

解决：

延长时间过短是因为比较器输出的电压过低，故增大放大倍数，即增大比较器的输入，同时相应调高参考电压，即可使比较器输出较高电压的高电平，保证了有相对较长的一段时间可以达到驱动后级的标准。

问题：

蜂鸣器声音过小

解决：

调节蜂鸣器旁的电位器，使其电阻减小，增大输入到三极管B极的电流，继而增加C级流过蜂鸣器的电流，以达到增加蜂鸣器驱动功率的效果。

系统最终演示效果

间段内，方波振荡器输出驱动方波，蜂鸣器发出洪亮报警。

实验总结与探讨

1电阻阻值使用错误，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。

3芯片管脚接错。

4二极管的单向导通，连接时注意方向。

在调解过程中，避免出现过大和过小的情形，防止造成电路的不可逆损坏。

一般选择合适的中间值。

反复试验，直到合适。

实验体会

搭建：

按照设计图搭出来，检查发现是某一个管脚接错或者电阻阻值用错，这样的低级错误应尽量避免，所以把电路正确的搭建出来的能力十分重要。

调试：

仿真和实际电路是有一定的区别的，仿真成功，实际电路未能成功运行，这样就要仔细分析问题产生的原因，一级级的排查纠错，运用电路分析的知识对参数进行调整。

沟通：

无法解决的问题是常有的，要及时与实验老师和同学请教。

及时的沟通可以加快实验的进度，也便于深入了解一些复杂的实验问题，拓宽知识面。