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：±1～±18V；
　　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=0～VCC-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５００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６Ｖ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。
６、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
0.2V
10V（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：
PCB

3D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、104pF
LM358、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·2005.8
2·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·2012.2
4·许国殷·三稳态触发电路·无线电杂志·1978
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