声控报警器实验报告

实 验 报 告

《电子测量与电子电路》综合设计型实验

实验名称：声控报警电路设计

实验学生：____XXX_____

学生学号：____XXXXXXXXXX_

所属班级：____XXXXXXXXXX__

班内序号：_______XX_______

所属学院：___电子工程学院_

《电子测量与电子电路》综合设计型实验实验报告 2016年4月

一．

摘要

我们生活中最常见的声控电路就是楼道里的声控节能灯。用声响是它点亮，然后延时熄灭。本实验设计虽为声控报警电路，但其原理与其它声控电路相似。由于声控报警器体积小，灵敏度高具有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，其价格低廉、技术性能稳定等特点也受到广大用户和专业人士的欢迎。以此电路为依据，只需更换相应的报警显示元件即可改装成不同类型的报警器，如红外报警器, 红外线声先报警器等。本课程主要进行了简易的声控报警器的电路设计并实现了报警功能。本设计利用麦克风模拟异常响动,信号经过运算放大器LM358放大，再经过延时电路进行延时，随后通过比较器输出，输出的直流经过方波振荡器产生一个方波使蜂鸣器工作。

关键词：LM358，延时电路，比较器，方波振荡器。

二．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。

三.设计思路及总体结构框图

１．总体结构框图

２．设计思路

在麦克风近处击掌模拟异常响动，将声信号转化为交流电信号，此交流电信号经过LM358集成运放放大，放大的信号经过RC延时电路使其放大输出的高电位能够维持一段时间，随后经过一个比较器使输出的电位高于某一值时能够被输送给至方波振荡器，此时方波振荡器接受的是一个直流，此直流使其起振，输出一个方波，此时可以再加一级LM358集成运放把方波放大，再输送给蜂鸣器使其工作，达到报警的效果。

四.分块电路和总体电路的设计 1、驻极体麦克电路设计

参数分析：

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。若供电电压VCC在6V~8V时，可知RD约在2.2K~5.1K之间。实验电路可预取2.8K。C为隔直电容，可采用22uF的电解电容。

2、两级放大电路的设计及其输出波形 仿真电路：

输出波形：

参数分析:

由于LM358内集成运放放大倍数有限，过大的倍数会引起波形的失真，所以我通过两级放大实现功能。前置放大两级都采用反相比例电路完成。第一级和第二级放大都通过一个可变电阻实现负反馈来调节放大倍数，放大倍数表达是 Av=Rf /R1 R1为信号输入端的限流电阻

经过实际电路的调试，第一级放大20倍左右为最佳，第二级放大20倍。第一级放大设置电阻为2kΩ和40kΩ，第二级放大设置电阻为2kΩ和40kΩ，两级共放大了400倍左右，可以满足电路需求。

3、电压比较器及其输出波形 仿真电路：

输出波形：

设置一个电位器来调节阈值电压，电路中采用的是无滞回同相电压比较器，若直流偏置设置为5V，则阈值电压应调节在0.1974V左右。 4、RC延时单元

仿真电路:

输出波形：

用开关来控制信号输入，开关闭合时信号输入，电容迅速充电，开关断开电容缓慢放电，通过电容的快充慢放达到延时效果

5.方波振荡单元 仿真电路:

输出波形：

向方波振荡器输入高电平，输出方波。

经过CD4011组成的振荡器，便可将高电平转化成方波输入蜂鸣器，使蜂鸣器发声。 参数分析：

门3和门4组成了振荡器，它能不能振荡要受到门2的输出电平控制。当门2输出为低电平“0”时，门3有一个输入端为“0”，它的输出端电位就被锁定在高电平“1”上，门4的输出就是低电平“0”，不会跟随门3另一个输入端E的变化而改变了。这就是说，门3和门4组成的多谐振荡器不能产生振荡，从而使蜂鸣器也不发声。只有当门2输出高电平“1”时，振荡器产生自激振荡，蜂鸣器发出声响。 6、总电路图

五.所实现的功能说明 1.基本功能：

在麦克风近处击掌，蜂鸣器能发出警报声，能够持续8秒钟时间。

2.扩展功能：

设置了LED灯，在报警的同时会发出红色的灯光警告。 并且在输出去部分附加以及放大以增大输出功率。

在方波振荡器后面接入一个由LM358构成的放大输出级，进行同向放大，实现功率的增大。

3.主要测试数据：

输入端接入方波信号电压幅度：

200mV

频率：1kHz

比较器参考电压：4.5V 比较器输出高电平：8V 比较器输出低电平：-0.7V 方波输出幅度：7V 报警时长：8s

4.调试方法和过程：

1.面包板按照仿真原理图事先搭建好，到了实验室以后检查布线是否合理，电路搭建有无错误。

2.逐级接上示波器观察波形并调测，消除直流偏置及自激现象。

3.先不接入驻极体麦克，用函数发生器驱动蜂鸣器，看其是否正常发声。

4.接入驻极体麦克，击掌，看其是否正常发声，调节放大电路电位器以增强电路灵敏度，并调节RC电路的阻值和电容值，使蜂鸣器持续发声超过5秒。

5.实际电路图：

六、故障及问题分析

问题检验方法步骤：

(1) 首先检查电路连接，是否有无断点或可以点； (2) 用万用表测试所有线路，确保都为正常电路；

(3) 调节电源为6伏，用万用表测试电压，保证电压正常能使芯片工作；

(4) 正确连接电路，接上驻极体麦克，击掌看是否报警，报警为发声和发光，如果发光二极管不亮并且蜂鸣器不响，说明比较器之前的电路存在问题。如果发光二极管亮而蜂鸣器不响，说明方波振荡器存在问题，可以用示波器去检测方波振荡器的输出波形。

故障分析：

(1) 两级放大的输出失真严重:在调试两级放大的过程中，发现输出电压失真严重，分析原因是阻容耦合的不适当，在调节级联之间电阻和电容的匹配之后，两级放大输出波形得以恢复。

(2) 同时发现有些元件是多余的，甚至会有反作用，在电路中一些没有必要的电容反而会影响电路的性能，从而导致一些失真。

(3) 电容使用不当，造成电路自激，接通电源就会报警，但是与正常的报警声存在区别，频率较低，经验证和调试，调节耦合电容或者去掉一些不必要的电容（保证电路稳定性的前提下），电路能够正常工作

(4) 延时电路的选择上，刚开始延时电路是加在方波振荡器的前端，发现电路的延时功能不是特别好，对方波振荡器也有影响。之后调试放在比较器的输入前端，调节RC之间的大小，来改变时间常数，从而控制延时时长。

(5) 在电路实现的过程中，通过RC之后的比较器输入应该是直流高电平，出现发光二极管亮，但是蜂鸣器不响的情况时，说明方波振荡器没有发生振荡。

(6) 蜂鸣器的声音不是特别响，但是方波振荡器的输出电压有5V，通过一个耦合电容使其与蜂鸣器匹配，效果比之前要好，再通过一级放大器使其功率得到提高。

七．总结和结论

一、 实验总结：

通过这次实验，我对驻极体麦克以及延时电路和方波振荡器有了更深的了解，对模拟电路设计过程和方法有了基本的了解和认识，学习和加强了multisim的使用，对知识点有了更深的理解。同时在上学期的基本实验的基础上，去实现一个多模块化的系统电路设计对自身的协调解决问题能力是个很好的锻炼。

二、 实验结论：

实验虽然原理和结构不难，但是在调试的过程中还是有很多问题暴露

出来，这要求我们不仅仅停留在课本的知识上，还需要去拓展知识，耐心的寻找和改正错误，使我们解决问题的能力得到很大的提高。在实验的过程中，必须特别严谨，尤其是在模电实验中，可能读数的一点点误差都会很难得出正确的实验结论，所以在模电实验中，我们必须认真对待实验的每一个步骤，来不得半点马虎，而这种精神不仅是在实验中，在我们以后的工作中都是很重要的。

八．实验元件与仪器资料

8.1驻极体式咪头

8.1.1驻极体咪头简介

驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极

体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。

8.1.2极性判断

它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。

在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。

将万用表拨至R×1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。

8.1.3灵敏度检测

在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响送话和录放效果。这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。

将万用表拨至R×100档，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。对于三根引脚驻极体电容式话筒检测方法同上，只是黑表棒接输出引脚2脚，红表棒接引脚3脚。

8.1.5电路接法

接法1：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与地之间接一电阻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。

接法2：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与电源正极间接一漏极电阻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。

8.2集成运放芯片LM358

8.2.1 LM358引脚图

8.2.2 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。

6.2.3 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) 。

8.2.4 LM358参数

输入偏置电流45 nA

输入失调电流50 nA

输入失调电压2.9mV

输入共模电压最大值VCC~1.5 V

共模抑制比80dB

电源抑制比100dB

8.3与非门芯片CD40011

8.3.1 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。

8.3无源式蜂鸣器与发光二极管

①无源蜂鸣器

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。

②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颜色的光线，光的强弱与电流有关。

8.5实验仪器

试验所使用的测量和辅助仪器主要包括：万用表、函数信号发生器、DSO-X2022A示波器、SS1793D直流稳定电源。

下列根绝个人实验列出几点注意：

①万用表测电阻不可以在电路中测量，需要单独取出测量。

②函数信号发生器和直流稳压电源别忘OUTPUT。

③示波器一定要注意接地，否则将出现错误波形。

八．所用元器件及测试仪表清单

数字万用表 1台

直流稳压电源 1台

示波器 1台

函数信号发生器 1台

毫伏表 1台

运算放大器 LM358 2个

门电路 CD4011 1个

555定时器 1个

压电式无源蜂鸣器 1个

电阻、电容 若干

电位器 若干

二极管 1N4148 1个

驻极体麦克 1个

九．参考文献

[1].张晓东，报警集成电路和报警器制作实例，北京人民邮电出版社，2001.4

[2].彭介华,电子技术课程设计指导,高等教育出版社出版,第二版,2006年 [3].曾建唐,电工电子基础实践教程,机械工业出版社,2002年

[4].北京邮电大学电路实验中心网站http://cclab.see.bupt.cn/index.php