声控LED三稳态控制设计.doc

声控直流电机控制器设计报告关键词：声控、信号放大、三稳态一. 设计要求设计声音接收电路，当拍一次手时，控制电机（用红绿两个发光二极管模拟）正转红灯亮，当连续拍两次手时，电机反转绿灯亮，当连续拍三次手时，电机停下不亮。 （1）遥控距离：2m以上；（2）连续拍手时间间隔：0.5秒左右。（3）用两种不同的发光管显示电机不同的工作状态。二. 方案选择及电路的工作原理（一）.前级声音信号处理：方案一：声音信号用麦克风（咪头）采集，使用三极管作第一级信号放大，采用LM358进行第二级信号放大，LM358采用双电源供电。方案二：声音信号放大直接采用LM358进行两级放大，LM358采用单电源供电。然后采用电容整流，使用比较器输出脉冲。由于此设计题目不用考虑信号的失真，以及考虑到放大倍数可调性，最终选择方案二。（二）.后级逻辑电路处理方案一：采用数字芯片移位寄存器74LS194，搭建后级触发电路。方案二：采用数字芯片4017。方案三：使用三极管反相器搭建三稳态触发电路控制LED发光。考虑到此实验是模拟电路设计，所以最终选择方案三使用三极管搭建三稳态触发电路控制LED发光。三. 单元电路设计计算与元器件的选择1. 电源选择：此系统采用的是12V直流单电源供电2. 麦克风参数设定：经实验得知麦克风（咪头）工作在6.5V左右的声音信号最良好。3. 声音信号放大处理：声音信号放大处理采用运放LM358做两级放大处理，第一级采用正向放大，放大倍数为100倍。然后采用RC整流电路，对信号进行整流，再进行第二级信号放大。4. 比较电路：比较电路采用专用比较器LM393对信号处理，使输出信号为脉冲信号。5. 三稳态电路：三稳态触发电路采用三极管搭建。6. 元器件选择：LM358、LM393、三极管、开关二极管、LED、普通电容、电阻。LM358：LM358 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，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使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算放大器的场合。LM393：LM393 是双电压比较器集成电路。 工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2 36V， 双电源：118V； 消耗电流小， ICC=0.8mA； 输入失调电压小， VIO=2mV； 共模输入电压范围宽， VIC=0VCC-1.5V； 输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容。四. 设计的具体实现1 系统概述（1）、系统框图声 音 信 号 放 大整 流电 路声 音 信号 采 集三 稳 态触发电 路LED亮 灭比 较电 路 图一：（2）系统设计思路系统设计思路：系统设计主要是采用传统模拟电子电路设计方法，对声音信号进行采集、放大、整流、比较处理后将声音信号转换成脉冲信号。后级电路主要是采用的三极管搭建三稳态触发电路。系统主要是包括六个模块：（1）.声音信号采集、（2）信号放大、（3）信号整流、（4）比较电路、（5）三稳态触发电路2 单元电路设计、仿真与分析(1).声音信号采集声音信号采集是采用麦克风（咪头）将声音信号转化为电信号，经查资料和实验得知咪头的最佳工作电压为6.5V，工作静态直流为0.8mA左右。电容C1主要是隔直通交电容图二：（2）第一级信号放大第一级信号放大处理采用的是单电源供电的LM358正向放大，由深度负反馈可知：放大倍数：=100电容C2 作用为防止运放自激图三：（3）整流电路整流电路采用的是RC整流，利用电容两端的电压不能突变的原理。经过实验可得电容C3为47uF图四： 电阻R3为2K是实验效果比较好（4）第二级放大电路二级放大电路同样是采用单电源供电的LM358，利用LM358的同相放大放大倍数：图五：（5）比较电路比较电路采用的是单电源供电的LM393组成的图六：单限正向比较器，由于LM393是TTL器件，故接了一个上拉电阻R8，当输入电压高于门限电压时，输出为高电平+12V。（6）三稳态触发电路 图七： 三稳态触发电路：用三极管搭建反相器组成三稳态电路图七所示三稳态电路可以通过输入脉冲电路Ui来使三极管的稳态翻转，例如：设电路原来处于稳态一（Uce1截止，Uce2、Uce3导通）；当Ui输入一个脉冲时，此时稳态电路将会发生翻转，将会达到稳态二（Uce1导通、Uce2截止、Uce3导通）；当Ui再输入一个脉冲时，稳态将继续翻转，将会达到稳态三（Uce1、Uce2导通，Uce3截止）。如图八 图八 三稳态电路仿真： 图九仿真结果如下所示：3电路的安装与调试 介绍电路安装调试过程中所遇到的主要技术问题，给出现象记录、原因分析、解决措施及效果，详细介绍电路的性能指标或功能的测试方法、步骤、仪器设备、记录的图表和数据。电路板调试主要技术问题：1、 前级声音信号转换电信号不理想原因分析：麦克风端电压较小，声音信号转换成电信号较弱解决措施：通过查资料得知麦克风的最佳工作电压为6.5V左右，调节分压电阻阻值，使麦克风工作在最佳的状态。2、 放大电路放大倍数不够原因分析：LM358采用的是单电源供电的正向放大，放大倍数有负方的两个电阻决定。解决措施：将负方向的反馈电阻加大，使其放大倍数加大，已达到凡达效果，所以此处使用电位器以方便后级电路的调试。3、 无信号输入时，仍有信号输出原因分析：LM358的放大倍数太大，电路产生自激震荡。解决措施：在反馈电阻上并联一个1000pF的电容，使交流小信号不能够放大。4、 比较器电压输出为0.8V原因分析：经过电路的检查，没有发现电路连接问题，初步分析为LM393可能被烧坏。解决措施：换一个LM393电路正常工作。5、 三稳态电路灯的亮灭不符合题目要求 现象：调试过程中发现三个LED的亮灭与题目要求是相反的，即有两个灯亮，一个灯灭，依次循环下去。原因分析：如果三极管不并联LED时，三极管的导通截止是一个截止，两个导通。而并联上LED后，三极管导通截止的平衡被LED破坏，LED的导通压降为1.8V，而三极管截止时应该有6V左右。解决措施：方案一,不直接接LED，使用三极管搭建反相器，减小对前级电路的影响。方案二，在并联的LED上串联上一个欧左右的电阻，分的一定的电压，是三极管的电截止电压能在左右。如图所示：经过电路的仿真以及电路板的搭建，最终选择方案二。、整流电路效果不是很好现象：通过数字式示波器观察知道，拍掌时希望能产生一个方波电路，但是事与愿违，出来的波形总是不令人满意。出来的波形总是不止一个脉冲信号。原因分析：整流电路的整流效果不好， 电容的取值比较小，整流电路是采用的比较简单的RC整流电路，效果不是很好。以及后级的比较电路方案选择不是很好。解决措施：增大电容的容值，经过调试最终选择47uF，其次调节门限比较器的门限电压，门限电压比较电压设定为2.2V比较合理。电路测试方法：电路调试过程使用的是信号追踪的方法，即根据信号的流向，逐级进行调试。有时也可根据实际情况从后级向前检测。系统缺点：信号处理不稳定，使得触发电路具有不确定性。改进方法：将比较器改为迟滞比较器。电路板参数：元件静态参数动态参数麦克风6.5V、0.8mA 10mV交流比较电路正向输入0.2V10V（max）6V（一般）比较电路门限电压2.2V三极管电压6V(截止)0.3V（饱和）五心得体会及建议赵江鸿：通过这次电子实验课程设计，再一次对模拟电子技术基础作了回顾；对运算放大器的使用又进一步的掌握，加深了对电路性能和信号保护的考虑；熟悉了protel 99SE及Altium designer 6软件的使用。学会了自己制作电路板。调试电路过程中，由于是自己搭建的三稳态电路，不是很稳定，出现了信号的干扰。实验本身很简单，只是由于没有数字芯片，所以调试了很久；希望以后的实验，不要规定方法，只要能够实现功能就应该被允许。赵勋：通过此次课程设计，我学到了很多东西，这不仅仅是从理论到实践的飞跃，更重要的是我的动手能力的到了锻炼。学习不仅仅是书本上的，更重要的是将书本上的知识应用到实践当中。电子系统设计提供了一个很好的平台，这次的设计题目是声控直流电机，关于这个题目，可以说我是一步步的见证了它的成长。由最初的查找资料、方案论证、调试电路、到方案选择、原理图绘制、PCB绘制、电路板制作焊接等等一系列的工作。在这个过程中对于制作电路板没有太多经验的我来说，学到了很多。在这个过程中虽然有几次失败制作了三块电路板，但是做每一块电路板我都是怀着期待与兴奋的心情。这也是我为什么能够在调试板子过程中一次次坚持下来的原因。在设计过程中遇到了许多的问题，第一次方案没有论证好，就很匆忙的做了快电路板，结果可想而知失败。第二次方案论证好，可是实际与理论是有差距的，又一次的失败了。在一次次的失败中我们坚持到了最后。通过查资料，问老师、学长来充实自己，完成电子系统的设计。画PCB心得元件一定要根据信号的走向来布局。通过电子系统设计我们小组学到了很多，不仅是将我自己学到的东西用于设计，更重要的是我用自己学到的东西帮助了同学。我的建议：希望电子实验中心能够支持这种课程，能够在平时也能够为同学们提供开放实验室，以让同学们能够有地方法调试、焊接电路板，六附录电路原理图：PCB3D显示效果（正面）电路板实物图电源跳线冒LED麦克风元件明细表：C9013三支咪头（麦克风）一支LED两支电容33uF、104pFLM358、LM393各一支电阻若干精密滑动变阻器4支开关二极管3只七参考文献1电子基础教学实验中心电子技术基础实验四川大学出版社2005.82电子实验中心模拟电子技术基础成都信息工程学院3何健新数字逻辑设计基础高等教育出版社2012.24许国殷三稳态触发电路无线电杂志1978 11 / 11