扬声器发声电路

扬声器发声电路

一、引言

1、选题意义

经过一学期的学习，我们已掌握了一些简单的电路的特性以及元器件的作用，但我们对生活中已经应用了许久的电路依然陌生，比如简单的喇叭、闹钟、信号灯等。我们在学习中刚刚接触到一些皮毛知识，而把这些知识运用到炉火纯青的地步是有一些难度的，所以我们以模拟扬声器声响电路为题设计电路，可以提高我们对555芯片的认识，可以巩固我们所学的相关理论知识，实践所掌握的电子制作技能，完成一个实际的电子产品，进一步提高分析问题、解决问题的能力。

2、设计目标

在电子技术课中我们学到了许多有关电子技术方面的知识，其中我们学到了555芯片的原理与功能，那些只是书本上的理论知识，我们没有将这些所学的知识应用到实践中去，不能说明我们对555芯片已经熟知，所以通过此次的设计我们要对555芯片的内部结构及其级联等方面的应用有更深层次的了解。比如应用一个555芯片可以带动扬声器发出声响，但这种声响声音单一，发音效果不太好听。此次课程设计不仅为了提高我们对555芯片的认识，也是为了拓宽我们的知识面，提高综合素质。通过电子元器件认识与系统设计，能够进一步熟悉电子元件的结构、工作原理和使用方法。其次，了解电路理论的实际应用，掌握电子系统的装配和调试工艺，提高我们自己的实际操作的能力。巩固课堂所学的知识，提高把理论知识应用于实际中的能力，同时通过实习活动，既要我们收集与自己设计题目有关的设计资料，又要掌握扬声器发声电路的设计方法和调试技术，数字模拟扬声器发声电路的综合设计、分析与调试方法。我们所做的是模拟扬声器发声的装置，该装置简单易懂，制作比较方便，通过对电路的设计，以及对电子市场中元器件的调查和焊接的过程，大大提高了我们的动手能力。

3、小组成员及分工

小组成员及分工情况如下所示。

小组成员及分工情况

姓名学号分工设计、查找、买元件、焊接、写报告

姓名学号分工设计、查找、买元件、焊接、写报告

二、作品说明

1、功能

本设计题目名称为扬声器发声模拟电路的设计。经过电路设计和市场调查,选择出简单可行且成本较低的扬声器发声模拟电路。该设计是由两片555芯片、五个电阻、三个电容、一个滑动变阻器、一个开关、一个扬声器、一节12V的干电池以及若干导线组成的。若电路焊接成功，则第一片555组成的多谐振荡器将会产生低频信号，第二片555组成的多谐振荡器将会产生高频信号来运载之前产生的低频信号，当信号传递到扬声器之后，扬声器会发出“滴答，滴答”的声音。

2、操作说明

按下开关便可以发生“滴答，滴答”的声音，调节滑动变阻器2R的阻值，通过改变第一片的555芯片的占空比，进而控制高音与低音的时间T H、T L，可以任意调节滴答声的效果。

三、基本原理

1、原理图

双极性型5G555的主要性能参数如表1所示。

表1 双极性型5G555的主要性能参数

参数名称符号单位参数

电源电压V

CC

V 5~16

电源电流I

CC

mA

阈值电压V

TH V cc

V

3

2

触发电压V

TR V cc

V

3

1

输出低电

平V

OL

V 1

输出高电

平V

OH

V 13.3

CMOS型7555的主要性能参数如表2所示。

表2 CMOS型7555的主要性能参数

参数名称符号单位参数

电源电压V

CC

V 3~18

电源电流I

CC

μA 60

阈值电压V

TH V Vdd

3

2

触发电压V

TR V Vdd

3

1

输出低电

平V

OL

V 0.1

输出高电

平V

OH

V 14.8

(1)555定时器器件特性

555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。集成时基电路555的电源电压范围较宽，可在5~16V范围内使用（TTL型，若为CMOS型的555芯片，则电压范围可在2~18V 内），电路的输出有缓冲器，因而有较强的带负载能力。

基于以上对555定时器参数及性能的分析，认为以555定时器搭建的电路能够驱动小功率扬声器发音，选择适当的外部电阻电容等器件与555定时器配合使用能够使此设计得以实现。

2、电路图设计及器件参数选择

(1) 电路概述：

所设计的扬声器发声电路主要有两个连接为多谐振荡器的555定时器及相关外围组件组成。具体电路图如图1所示。通过555(1)控制高频声音和低频声音的持续时间，555(2)作为压控振荡器将555(1)输出的高低电平转化为频率，驱动扬声器发出响声。

(2) 扬声器高低音发声机理：

555(1)主要通过V

01

输出占空比一定的方波信号控制555(2)的控制端电压，当V01输出为高电平时，555(2)控制电压端V co为高电平，由振荡频率f的计算公式可知此时振荡频率较低，为低音；相对应，当V01输出为低电平时，555(2)控制电压端V co为低电平，此时振荡频率较高，为高音。而高低音的持续时间则由555(1)决定。

扬声器发声电路如图1所示。

R1

10.0kΩ

R2

150.0kΩ

R3

10.0kΩ

R4 10.0kΩ

R5 100.0kΩ

C1 10μF

C2

30μF

C3

0.01μF

VCC

OUT

U1

555_TIMER_RATED

GND

DIS

RST

THR

CON

TRI

VCC

12V

R6

100Ω

Key=A

40 %

XLV1

Input

U2

555_VIRTUAL

GND

DIS

OUT

RST

VCC

THR

CON

TRI

图1 扬声器发声电路图

3、555定时器内部结构及工作原理(1)内部结构：

555定时器内部结构如图2所示。

555定时器逻辑符号和引脚如图3所示。

V i1(TH)：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH 。 V i2(TR )：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR 。 V CO ：控制电压端。 V O ：输出端。 Dis ：放电端。

Rd ：复位端。

555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R 组成的分压网络，产生31V CC 和32V CC

图2 555定时器内部结构

R

5K

R

5K

R

5K

C1

C2

G1

G2

G3

Rd

Vi1(TH)

Vi2

(TR)

VCC

T

Vco

R1

Vo

Vo'

Dis Q

Q S

R

.

.

TH

6

TR 2Dis

7V C C

8R d

4

Q

3

G N D

1

Vco

5

555

1

2345

6

7

8GND

TR

Vo

Rd

Vco TH

Dis VCC 555

.

.

(a ) 555的逻辑符号

(b ) 555的引脚排列

图3 555定时器逻辑符号和引脚

两个基准电压；两个电压比较器C

1、C

2

；一个由与非门G

1

、G

2

组成的基本RS触发器(低

电平触发)；放电三极管T和输出反相缓冲器G

3

。

Rd是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的Q端为1(高电平)，经反相缓冲器后，输出为0(低电平)。V CO为控制电压端，在V CO端加入电压，可改变两比较器

C 1、C

2

的参考电压。不加控制电压时，要在V CO和地之间接0．01μF(电容量标记为103)

电容。放电管T

l

的输出端Dis为集电极开路输出。

(2)工作原理:

该电路主要通过两片555定时器模拟扬声器发声电路，输出周期性变化的高频信号和低频信号，驱动扬声器发出高音低音周期交替的声音。将两片555定时器分别连接成多谐振荡器，其中555(1)的作用是控制高频声音和低频声音的持续时间，其输出V o1是555(2)的控制电压；555(2)的作用是控制高低音的频率，作为压控振荡器将555(1)输出的高低电平转化为频率，驱动扬声器发出响声。

分析图1的电路：在555定时器的V CC端和地之间加上电压，

当V CO悬空时，比较器C1的同相输入端接参考电压V T+=3

2V CC，比较器C2反相输入端接参考电压V T-=3

1V CC；

当V CO接控制电压V e时，比较器C1的同相输入端接参考电压V T+=V e，比较器C2反相输入端接参考电压V T-=2

1V e。

现做如下规定：

当TH端的电压>V T+时，写为V TH=1，当TH端的电压

当TR端的电压>V T-时，写为V TR=1，当TR端的电压

低触发：当输入电压V i2

保持：若V i2>V T-且V i1

高触发：若V i1>V T+，则V TH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因R=0，使Q＝1，经输出反相缓冲器后，V O＝0，T导通。这时称555定时器“高触发”。

根据555定时器的控制功能，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,施密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。

4、555定时器接成多谐振荡器

(1)连接方法：

将555定时器的V i1和V i2连在一起结成施密特触发器，然后将V O经RC积分电路接回输入端即构成了多谐振荡器。

多谐振荡器原理图如图4所示。

图4 多谐振荡器原理图

(2) 多谐振荡形成机理：

初始时刻，V c为0时，V i2

止，电容C经过R

1、R

2

充电；当V c上升到V T-时，V i2>V T-，V i1

继续充电，V c继续升高，V O＝1，T截止；当V c=V T+时，V i1>V T+，555定时器处于高出发状态，V O＝0，T导通，电容C经过R2、T放电，V c降低，当V c下降到V T-时，V i2

i1

(3)相关公式推导：

通过V c 的波形球的电容C 的充电时间1T 和放电时间2T 计算公式如下： 充电时间1T 计算公式：()112ln

CC T CC T V V T R R C V V -

+

-=+-

放电时间2T 计算公式：2220ln

ln 0T T T T V V

T R C R C V V ++--

-==- 故电路的振荡周期为：()12122ln

ln CC T T CC T T V V V

T T T R R C R C V V V -++-

-=+=++-

当V co 悬空（接电容后接地），+T V =32V CC ,-T V =31 V CC 时，

()112ln 2T R R C =+ 22ln 2T R C = 振荡周期：12(2)ln 2T R R C =+ 振荡频率：121

(2)ln 2

f T R R C ==

+

四、方案实施及结果分析 1、元件清单

元器件清单如表所示。

元件 参数 个数 555芯片

2 电阻 10K 100K 150K 5 电容 0.01u 10u 30u

3 扬声器 1 滑动变阻器 100欧 1 开关 1 电池 12V 1 导线

若干

2、电路仿真及器件参数选择 电路元件选取及仿真：

根据经验和查阅相关资料，同时参考相应模型，选取各电路元件参数，使555(1)输出电压周期数量级为毫秒级(ms),高低音振荡周期数量级为微秒级(us)。

通过仿真软件Multisim 仿真电路，调节参数，观测波形。 扬声器发声电路高低音输出波形如图5所示。

图5 扬声器发声电路高低音输出波形

3、计算结果与仿真结果

(1)计算高频声音和低频声音的持续时间：

高音(高频信号)时间即为C 1经R 2放电时间T 2，低音持续时间为C 1经过R 1、R 2充电时间T 1。

高音持续时间：

ms C R T 57.3462ln 122≈=(即为低电平持续时间)

低音持续时间：

ms

C R R V V V V C R R T T cc T cc 89.4152ln )()

ln(

)(1211211≈+≈--+=+-

(即为高电平持续时间)

(2)555(2)的5管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得：

555(2)控制端电压V e 的戴维南等效电路图如图6所示。

R215kΩ

R235kΩR310kΩ

R225kΩ210

VCC 12V VCC Ve Vo1

R3

10kΩ

Rx 3.3kΩ

C1

33uF 4

5

Vo1Ve 2/3Vcc 8v

图6 555(2)控制端电压Ve 的戴维南等效电路图

Ω≈+=k R x 33.3)55//(5

33

.1333.341032

01301

V R R V R R V x x x E +?=++?=

(3)计算高频声音和低频声音振荡频率：

当1O V =0V 时，E V =3.00V ， 高音振荡频率：

s

f T Hz

C R V V V V C R R f H

H E

cc E

cc H

μ570117562

ln 005.01003

65.16ln 005.01101

2ln 21

ln

)(1

2554==≈??+--?=+--+=

高音振荡波形及周期显示如图7所示。

图7 高音振荡波形及周期显示(581.897us)

当1O V =12V 时，33

.1333.341032

01301

V R R V R R V x x x E +?=++?

=

低音振荡频率：

s

T Hz C R V V V V C R R f L E

cc E

cc L μ85011762ln 005.01005

.465

.421

6ln 005.011012ln 21ln

)(1

25254=≈??+-?-?=

+--+=

低音振荡波形及周期显示如图8所示。

图8 低音振荡波形及周期显示(862.069us)

五、制作与调试

在整个焊接实物的过程中，我们都非常的小心、仔细。首先初步规划了电路图，确定了元件的具体安放位置，接着我们根据跳线的需要把需要调整的元件进行了调整，在实验板上做了相应的记号之后我们开始了元件的焊接工作。我的主要工作是电子元器件的焊接和实验报告的排版与检验。在焊接电路的过程中基本没有出现太大的问题，只有两了555芯片的焊接出现了困难。由于555芯片的引脚之间的距离特别小，而且每个引脚上还得焊接一根导线，在这样情况下还必须注意两引脚之间不能短路且不能出现虚焊或漏焊等现象，这无疑增加了焊接的难度。在焊接电容的时候要注意分清电解电容的正负极，应遵循长正短负的原则。此片电容和电阻的焊接相对来说就简单得多了。在焊接电路时，要认真细心，一部分一部分有条理得焊，防止漏焊和错焊。焊接的时候要思考线的布局，尽量是焊接美观。

在完成电路的焊接后，刚开始加了电源以后，扬声器不工作。我们首先检查了焊点是否出现了虚焊或漏焊现象，排除了焊点出错的情况。接着我们检查了两个555芯片的所有引脚以及所有相邻很近的焊点，看是否出现了短路的现象，经过检查我们发现第二片555芯片的第六引脚和第七引脚发生了短路。检查完短路问题之后我们检查了断路问题，发现第一片555芯片的第一引脚和导线之间发生了断路。找出错误之后我们对其进行了修改，最后再检查了一遍，没有发现问题。加了电源以后扬声器发出了“滴答，滴答”的声音。

六、设计小结

通过这次的课程设计，我们进一步知道了555芯片的引脚图。也进一步了解到自己对很多元件的功能，一开始都是一知半解并且对于其在电路中的使用有很多误解。而且平时看课本时，觉得自己很了解的内容在实际的制作时才发现那些元件的实际应用、性价比、市场行情、可替代元件等现实方面都是自己所不了解的。但经过元器件的采买和市场调查我觉得这些都可以掌握了。

性价比：

(1)利用555定时器做出多谐振荡器相比于由门电路组成的多谐振荡器而言，在由频率计算电阻的时候要简便的多，而且555定时器组成的多谐振荡器的元件也比较的少而经济。

(2)在较低价位的情况下，555定时器组成的多谐振荡器可以较高质量的完成模拟扬声器声响的电路，可以说性价比比较高。

经过多次参数调整，可使仿真波形近似完美地符合计算结果。输出振荡频率为1756Hz，持续时间为346.57ms的高音频信号以及振荡频率为1176Hz，持续时间为415.89ms的低音频信号，由其驱动扬声器发声即为救护车扬声器发声信号。

在仿真过程中由于受仿真软件的不确定性性质，高音频第一周期内存在一次漏波，但基本不影响高音发声；另外，若要使高低音循环周期达到秒级，虽然计算结果可通过参数选择实现，却无法用仿真结果验证。

七、参考文献

[1] 王连英主编.基于multisim 10的电子仿真实验与设计.北京: 北京邮电大学出版社,2009.

[2] 张金编著.电子设计与制作100例.北京:电子工业出版社,2009.

[3] 黄智伟主编.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析.北京:电子工业出版社,2008.

[4] 阎石主编.数字电子技术基础[第五版].北京:高等教育出版社,2006.