实 验 报 告
实验名称： 声控报警电路设计
实验学生：
所属班级：
班内序号：
一，摘要
近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，生活节奏的加快，人们对电子报警器的需求日益增加。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。例如声控报警系统在生活中处处可见，楼道里的声控节能灯，店铺联网报警器等等，其功能简单，成本较低，因而广泛应用于各种家用电器和小电子产品中。
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；LM358
二，引言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电子设备、电子仪器的出现日新月异，在市场上电子产品的竞争较为激烈。
本课程设计利用驻极体式咪头作为声传感器获得电压，经LM358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。
1，设计要求
1，设计任务要求
设计一个声控报警电路，在麦克风附近击掌（模拟异常响动），电路能发出报警声，持续时间大于5秒。声音传感器采用驻极体式咪头，蜂鸣器用无源式蜂鸣器。
2，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。
2，电路设计
1，系统组成框图
2，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V REF ，当放大信号高于比较电压V REF 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。
3，单元电路设计思路
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。
因为驻极体式麦克风内部结构含场效应管，所以驻极体话筒必须提供直流电压才能工作。本实验采用漏极输出型电路，电路图如下
实际电路参数
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。 3，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- = U i （“虚短”，但不是“虚地”）， I + = I- = 0
所以 U p =U i =U N
U N I i =R 1
同相输入运算放大器中，当R f =0或R 1 =∞时，A uf =1+（R f ／R 1）=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150mV ，故初步设定放大倍数为100倍，使放大级输出约为1.5V 。放大部分电路参数如图2.3.2（a ）。再放大之后，紧跟一级电压跟随缓冲，电压跟随器参数如图2.3.2（b ）所示。
3，电压比较单元
设计原理简述
电压比较器是对两个模拟电压比较其大小, 并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端) ，有一个输出端V OUT (输出电平信号) 。另外有电源V+及地(单电源比较器) ，同相端输入电压V A ，反相端输入V B 。V A 和V B 的变化如图2.3.3（a ）所示。在时间0～t1时，V A >VB ；在t1～t2时，V B >VA ；在t2～t3时，V A >VB 。在这种情况下，V OUT 的输出如图1(c)所示：V A >VB 时，V OUT 输出高电平(饱和输出) ；V B >VA 时，V OUT 输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大 。 如果把V A 输入到反相端，V B 输入到同相端，V A 及V B 的电压变化仍然如图1(b)所示，则V OUT 输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。
输
平变化与V A 、V B 的输入端有关。 出电
如果输入电压V A 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。实验原理图即如下
既此时有如下的电压输出关系，当V A > V B 时 , u O = +UOM
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
2.3.4 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。预计报警时长持续10s 左右。
2.3.5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。
本实验中采用CD4011实现方波振荡，电路图如下。
输入U O 一个高电平时，该方波振荡器主要依靠电整一个周期的波形变化如下。
而输入信号U O 是整个振荡器的开关电平，当U O 输入高于Vth 的高电平时，振荡器正常工作输出方波；当U O 输入低于Vth 的低电平时，门G1始终输出高电平V OH ，电路无法振荡输出方波。
实际电路参数
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
V A (t 1) =V th -(V OH -V OL ) ，终值为V A (∞) =V OH ，稳态值V A (t 2) =V th ，由此可得
T 1=RC ln V A (t 1) -V A (∞) V th -(V OH -V OL ) -V OH =RC ln V A (t 2) -V A (∞) V TH -V OH
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，V A 从Vth+(VOH-VOL)开始下降，到t=t3时V A 下降至Vth ，初值V A （t1）=Vth+（VOH-VOL ），终值为V A (∞) =V OL ，稳态值V A （t2）=Vth，由此可得 T 1=RC ln V A (t 1) -V A (∞) V th +(V OH -V OL ) -V OL =RC ln V A (t 2) -V A (∞) V th -V OL
综上，振荡周期是
T =T 1+T 2
欲使其驱动蜂鸣器和发光二极管，设置元件参数如下：
5，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。
实际电路参数
试验元件初置参数如图，采用NPN 管8050和电阻R=2K。
3，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，LM358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。
3，电路仿真
1，单元仿真
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。
设计符合该单元放大一百倍的基本要求。
图3.1.1（c ）
2，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。
3，延时单元仿真
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。
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。
图3.1.2（c ）
4，方波振荡单元仿真
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。
5，整体仿真测试
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
。
4， 电路搭建与调试
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
图3.2.2
4， 电路搭建与调试
1，信号放大单元搭建与调试
信号放大单元采用LM358实现，其芯片封装管脚图如图4.1.1所示，该单元电路图如图4.1.2所示，图中设置R2=1K便于放大倍数的更改，更改电阻R1即可快速改变该单元的放大倍数，例如图示电路图中R1为100K ，则有放大倍数为100倍，按图搭建电路如图4.1.3（a ）所示，并设置R1=50k。输入信号的参数如图4.1.3（b ）所示，频率为1KHz ，峰峰值为20mV 。输出波形如图4.1.3（c ）所示，频率为1KHz ，峰峰值为1V ，即设计和搭建符合要求。
最后需要注意，在级连调试时只需要更改R1阻值即可更改该单元的电压放大倍数。
2，电压比较单元搭建与调试
电压比较单元依旧是采用LM358来实现。
3，方波振荡单元搭建与调试
方波振荡的主要元件是CD4011
实 验 报 告
实验名称： 声控报警电路设计
实验学生：
所属班级：
班内序号：
一，摘要
近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，生活节奏的加快，人们对电子报警器的需求日益增加。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。例如声控报警系统在生活中处处可见，楼道里的声控节能灯，店铺联网报警器等等，其功能简单，成本较低，因而广泛应用于各种家用电器和小电子产品中。
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；LM358
二，引言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电子设备、电子仪器的出现日新月异，在市场上电子产品的竞争较为激烈。
本课程设计利用驻极体式咪头作为声传感器获得电压，经LM358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。
1，设计要求
1，设计任务要求
设计一个声控报警电路，在麦克风附近击掌（模拟异常响动），电路能发出报警声，持续时间大于5秒。声音传感器采用驻极体式咪头，蜂鸣器用无源式蜂鸣器。
2，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。
2，电路设计
1，系统组成框图
2，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V REF ，当放大信号高于比较电压V REF 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。
3，单元电路设计思路
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。
因为驻极体式麦克风内部结构含场效应管，所以驻极体话筒必须提供直流电压才能工作。本实验采用漏极输出型电路，电路图如下
实际电路参数
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。 3，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- = U i （“虚短”，但不是“虚地”）， I + = I- = 0
所以 U p =U i =U N
U N I i =R 1
同相输入运算放大器中，当R f =0或R 1 =∞时，A uf =1+（R f ／R 1）=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150mV ，故初步设定放大倍数为100倍，使放大级输出约为1.5V 。放大部分电路参数如图2.3.2（a ）。再放大之后，紧跟一级电压跟随缓冲，电压跟随器参数如图2.3.2（b ）所示。
3，电压比较单元
设计原理简述
电压比较器是对两个模拟电压比较其大小, 并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端) ，有一个输出端V OUT (输出电平信号) 。另外有电源V+及地(单电源比较器) ，同相端输入电压V A ，反相端输入V B 。V A 和V B 的变化如图2.3.3（a ）所示。在时间0～t1时，V A >VB ；在t1～t2时，V B >VA ；在t2～t3时，V A >VB 。在这种情况下，V OUT 的输出如图1(c)所示：V A >VB 时，V OUT 输出高电平(饱和输出) ；V B >VA 时，V OUT 输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大 。 如果把V A 输入到反相端，V B 输入到同相端，V A 及V B 的电压变化仍然如图1(b)所示，则V OUT 输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。
输
平变化与V A 、V B 的输入端有关。 出电
如果输入电压V A 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。实验原理图即如下
既此时有如下的电压输出关系，当V A > V B 时 , u O = +UOM
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
2.3.4 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。预计报警时长持续10s 左右。
2.3.5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。
本实验中采用CD4011实现方波振荡，电路图如下。
输入U O 一个高电平时，该方波振荡器主要依靠电整一个周期的波形变化如下。
而输入信号U O 是整个振荡器的开关电平，当U O 输入高于Vth 的高电平时，振荡器正常工作输出方波；当U O 输入低于Vth 的低电平时，门G1始终输出高电平V OH ，电路无法振荡输出方波。
实际电路参数
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
V A (t 1) =V th -(V OH -V OL ) ，终值为V A (∞) =V OH ，稳态值V A (t 2) =V th ，由此可得
T 1=RC ln V A (t 1) -V A (∞) V th -(V OH -V OL ) -V OH =RC ln V A (t 2) -V A (∞) V TH -V OH
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，V A 从Vth+(VOH-VOL)开始下降，到t=t3时V A 下降至Vth ，初值V A （t1）=Vth+（VOH-VOL ），终值为V A (∞) =V OL ，稳态值V A （t2）=Vth，由此可得 T 1=RC ln V A (t 1) -V A (∞) V th +(V OH -V OL ) -V OL =RC ln V A (t 2) -V A (∞) V th -V OL
综上，振荡周期是
T =T 1+T 2
欲使其驱动蜂鸣器和发光二极管，设置元件参数如下：
5，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。
实际电路参数
试验元件初置参数如图，采用NPN 管8050和电阻R=2K。
3，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，LM358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。
3，电路仿真
1，单元仿真
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。
设计符合该单元放大一百倍的基本要求。
图3.1.1（c ）
2，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。
3，延时单元仿真
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。
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。
图3.1.2（c ）
4，方波振荡单元仿真
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。
5，整体仿真测试
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
。
4， 电路搭建与调试
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
图3.2.2
4， 电路搭建与调试
1，信号放大单元搭建与调试
信号放大单元采用LM358实现，其芯片封装管脚图如图4.1.1所示，该单元电路图如图4.1.2所示，图中设置R2=1K便于放大倍数的更改，更改电阻R1即可快速改变该单元的放大倍数，例如图示电路图中R1为100K ，则有放大倍数为100倍，按图搭建电路如图4.1.3（a ）所示，并设置R1=50k。输入信号的参数如图4.1.3（b ）所示，频率为1KHz ，峰峰值为20mV 。输出波形如图4.1.3（c ）所示，频率为1KHz ，峰峰值为1V ，即设计和搭建符合要求。
最后需要注意，在级连调试时只需要更改R1阻值即可更改该单元的电压放大倍数。
2，电压比较单元搭建与调试
电压比较单元依旧是采用LM358来实现。
3，方波振荡单元搭建与调试
方波振荡的主要元件是CD4011