北邮模电实验声控报警电路.docx

北京邮电大学
《电子电路测量与设计实验》实验报告

题目：声控报警电路
姓名：李英民
学号：2014210579
班级: 2014211120
学院: 信息与通信工程学院

2016年 4 月

一、 课题名称
声控报警电路
二、 摘要及关键字
（一） 摘要：
当今社会，对报警系统的需求越来越大，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。
本实验就针对声控报警电路进行设计和电路拼搭，通过实际面包板电路和仿真电路对报警电路的局部电路和整体电路两方面进行电路介绍和功能分析。并分析在实验中遇见的问题，困难及解决方法，最后总结本实验结束后的心得体验。
（二） 关键字：
报警器；CD4011；无源蜂鸣器；LM358

三、 设计任务要求
1、基本要求： 在麦克风近处击掌（模拟异常响动），电路能发出报警声，持续时间大于5 秒。声音传感器用驻极体式咪头，蜂鸣器用无源压电式蜂鸣器
2、提高要求： A、增加报警灯，使其闪烁报警。 B、增加输出功率，提高报警音量，加强威慑力。

四、 设计思路及总体结构框图
一） 设计思路：
驻极体式咪头作为声音传感器，将击掌产生的声信号转化为电信号，微弱
的电信号经过反相放大器放大，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信号，故还需要在比较器后加入延时电路，利用时间常数的特性来延长报警时间
（二） 总体结构框图：
麦克 放大器 电压比较器 方波振荡器
RC延时电路

蜂鸣器 闪烁电路
五、 分块电路和总体电路的设计
（一） 分块电路：
1、 蜂鸣器驱动电路

注意：
（1）蜂鸣器的构造，其背面带有三条小线的那一级是接地端
（2）麦克风中的场效应管的 UDS 一般在 1.5V~4.5V 之间，而 IDS 一般在
0.1mA~1mA之间，如果在Vcc=15V的条件下工作，计算得出上拉电阻的大小应该为15K左右

2、 信号放大单元
（1） 说明
实验中放大电路由LM358来实现，根据运算放大器的工作原理，u0=±(Rf/R1)ui（正相放大器或反相放大器均可）。可以通过改变两个电阻的阻值，使放大器的放大倍数为100倍。本实验中使用两级反相放大电路，最终放大效果仍为正向放大。
（2） LM358简介
LM358中含有两个运算放大器，所以可以设计成两级放大器。本实验中应用双电源工作模式，双电源(±12V)。其引脚图如下：

（3） 实际电路设计

（4） 设计过程
放大倍数：Av=100K/10K*100K/10K=100倍
考虑到电阻箱中的器材，选择10K和100K电阻作为实验元件
3、 电压比较器
（1）电压比较器也采用LM358组成，仍然采用双±12V电源。另外电压比较器拥有两个输入端，反相输入端通过上拉电阻连接+12V左右的电源，同相输入端输入前级放大器的输出。当比较信号大于参考电压（3V左右）时，输出+12V，当比较信号小于参考电压时，输出-12V。

（2）输出波形如下：

（3） 电路图如下：
RC延时电路

（4） 设计过程：
综合灵敏度和输出信号峰峰值的要求，选择比较电压为3V左右的VREF
VREF=Vcc*（R1/（R1+R3）），计算出R1=9K，R3=3K

4、 RC延时电路
（1） 原理
因为声控报警电路是以击掌为信号，击掌时间很短，而希望蜂鸣器可以长时间报警，所以需要设计一个延时电路，本实验采用RC电路。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高电平相等。当高电平变成低电平时，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。

（2） 原理图

（3） 实际电路设计
RC延时电路

（4） 设计过程
根据实验要求，延时时间应该大于5s，那么再根据实验箱内部的元器件，所选择的电阻、电容分别为：R5=1M，C1=10uF

5、 方波震荡电路
（1） 原理图
方波振荡器电路是由与非门与电阻电容组成，通过电容的充放电，来实现输出的高低电平的相互交换（矩形脉冲信号），从而出现合适的频率驱动后一级的蜂鸣器。

（2） 工作原理
当输入UO一个高电平时，该方波振荡器依靠电容 C的充电与放电引起反馈电压 VA的变化来实现振荡，当VA达到与非门的阀值电压Vth时，实现输入与出端的反相。（假设出示状态是门G1输出低电平VOL，门G２输出高电平VOH）工作过程如下：
（2.1）当VA正好降至阀值电压Vth，G1输出电压VB翻转，VO也跟随翻转，且跳变值均为VOH -VOL，由于电容C两端的电压不能突变，所以VA下降VOH-VOL，低于阈值电压Vth。此时，门G1输出高电平VOH，门G２输出低电平VOL。
（2.2）此后门G1电容Ｃ反向充，使VA逐渐上升至门G1的阀值电压Vth， VA上升VOH-VOL，电路各部分输出继续翻转，门G1输出低电平VOL，门G2输出高电平VOH。
（2.3）此后电容C开始放电，使VA开始下降。当VA下降至门G1的阀值电平Vth时，电路再次发生翻转门G1输出高电平VOH，门G2输出低电平VOL。经过电容C的耦合使的耦合使VA再次下降VOH -VOL，电路又回到第一次翻转后的状态，振荡器如此产生振荡。

（3） 实际电路设计

（4） 设计过程
其频率计算公式为：f=1/（2.2*R3*C2），在R2阻值大于20*R3的情况下，可以设计其参数值为 R2=820K，R3=47K，C2=0.01uF
6、 报警电路
（1） 原理：
本实验中提供的是无源蜂鸣器，而无源内部不带振荡源所以直流信号无法令其鸣叫。必须用方波振荡器提供一个频率为2K~5K的方波去驱动它。根据无源蜂鸣器无法用直流电压确定的特点，可以为其设置一个直流偏压。当报警声音较小时，可用晶体管来放大。
（2） 实际电路：

（3）可通过调节电位器的大小来改变蜂鸣器的声音大小

7、 灯光闪烁电路
（1） 原理：
发光二极管产生人眼可识别的闪烁，需要用振荡器产生一个频率较低的方波，CD4011与非门中包含四个与非门电路，其中两个用于驱动蜂鸣器，可以用另外两个与非门来驱动发光二极管，两者原理相同，只是产生的信号的频率不同，只需要改变电容或者电阻的大小。

（2） CD4011变频电路

计算可知把输出方波的频率设计在60HZ左右

（3） 实际电路

注意二极管之前一定要接一个几百欧的限流电阻

放大单元
延迟比较电路
（二） 总体电路设计：

方波震荡电路
延迟电路

六、 实现功能简介及说明
（一） 基本要求：
1、 报警时间大于5S
（1） 在基本电路搭建完成之后，报警时长大概在7S左右，满足实验基本要求
（2） 基本实验电路如下：

（二） 提高要求：
1、 增加报警音量
（1） 在蜂鸣器前加入电位器
（2） 给蜂鸣器加入直流偏置
（3） 实际电路

2、 增加报警灯
（1） 改变CD4011震荡频率
（2） 加入限流电阻
（3） 增加发光二极管
（4） CD4011变频

（5） 实际电路

七、 故障及问题分析
（一） 故障一：
声音采集单元输出的电压过小，无法正常传输到下一级
处理方法：
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
改变的电路如下：

（二） 故障二：
拍手声音过小，则延时时间不达标
处理方法：
延长时间过短是因为比较器输出的电压过低，高电平在下降很短时
间内即已无法驱动后级。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，该高电平在下降过程中，有相对较长的一段时间可以达到驱动后级的标准。这样反复试验调节即可使音量较小的输入也可以从高电平缓慢下降，正常延时
（三） 故障三：
蜂鸣器声音过小，不够洪亮
处理方法：
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。边调节边听声音，也防止过大电流烧坏蜂鸣器
（四） 故障四：
发光二极管只亮不闪烁
处理方法：
错误的将发光二极管跨接在蜂鸣器方波驱动器的输出端，因为蜂鸣器的驱动需要频率在 2K-5K 的方波，该频率下的发光二极管不可能产生肉眼可见的闪烁。故再设置一个振荡频率小的方波振荡器即可
（五） 故障五：
电源接通蜂鸣器即发声
处理方法：
由于直流原因，会导致电源接通蜂鸣器即发出声音，应该在放大级后边串联一个隔直电容
电路如下：

隔直电容

八、 总结和结论
（一） CD4011引脚图

（二） 心得
（1） 一定要提前做好预习工作，到了实验室不是临时查阅资料而是直接按预习操作，否则两次试验很难直接完成实验，我就是提前做了预习，所以一次课就把基本实验要求全部做完，并且盖完了所有的章。
（2） 弄清楚实验原理才是关键，很多人做实验并不知道实验原理，只会抄网上的实验电路，连一个参数都不改，这样必定会造成实验失败，因为网上的电路都是错的。
（3） 搭建面包板电路时，要有秩序：从左到右，从上到下。特别需要注意有以下几点：电阻阻值是否正确，电解电容、二极管等器件正负极是否连接正确，运算放大器，、与非门是否接地、接正电压，引脚是否连接正确，电路元件在面包板上是否正确连接。
九、 Multisim仿真原理图、波形图
（一） 放大电路：
（1）电路设计

（2）测试波形

（二） 延迟比较电路：
（1） 电路设计

（2） 测试波形

（三） 震荡电路：
（1） 电路设计

（2） 测试波形

十、 所用元器件及测试仪表清单
（一）所用测试仪表：
万用表、函数信号发生器、DSO-X2022A示波器、SS1793D直流稳定电源。
（二）所用元器件：
2个LM358运算放大器、
1个CD4011与非门、
1个驻极体麦克风、
1个蜂鸣器、
1个8050二极管、
2个电位器:100kΩ，10kΩ、
导线若干、电阻若干、电容若干、
面包板一个。

十一、 参考文献
《电子电路测量与设计实验》 主编：陈凌霄、张晓磊 北京邮电大学出版社
22