救护车扬声器发声电路

数字电路课程设计报告姓名;王开举班级：20100521学号：2010052110设计项目名称：救护车扬声器发生系统一设计方案该电路主要通过两片555定时器模拟救护车扬声器发声电路，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警报声。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Vo1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。二.技术原理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。双极型时基集成电路最大的灌电流和拉电流都在200mA左右，因而可直接推动TTL或CMOS电路中的各种电路，包括能直接推动蜂呜器、小型继电器、喇叭和小型电动机等器件。集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。其主要参数见表1.1.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。2.555定时器内部结构及工作原理图1(a)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VCCV5~16电源电流ICCmA阈值电压VTHV32VCC触发电压VTRV31VCC输出低电平VOLV1输出高电平VOHV13.3最大输出电流IOMAXmA≤200最高振荡频率fMAXKHz≤300时间误差△tnS≤5①VTH即Vi1,VTR即Vi2。(b)CMOS型7555的主要性能参数参数名称符号单位参数电源电压VCCV3~18电源电流ICCμA60阈值电压VTHV32VDD触发电压VTRV31VDD输出低电平VV0.1输出高电平VV14.8最大输出电流IOMAXmA≤200最高振荡频率fMAXKHz≥500时间误差△tnS1内部结构：555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图1和图2所示。Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。VCO：控制电压端。VO：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31VCC和32VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2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G3。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）。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。不加控制电压时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。2工作原理：分析图1的电路：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，当VCO悬空时，比较器C1的同相输入端接参考电压TV=32VCC，比较器C2反相输入端接参考电压TV=31VCC；当VCO接控制电压eV时，比较器C1的同相输入端接参考电压TV=Ve，比较器C2反相输入端接参考电压TV=12Ve。现做如下规定：TH6TR2Dis7VCC8Rd4Q3GND1Vco555512345678GNDTRVoRdVcoTHDisVCC555..(a)555的逻辑符号(b)555的引脚排列图2555定时器逻辑符号和引脚图1555定时器内部结构R5KR5KR5KC1C2G1G2G3RdVi1(TH)Vi2(TR)VCCTVcoR1VoVo'DisQQSR..当TH端的电压TV时，写为VTH=1，当TH端的电压TV时，写为VTH=0。当TR端的电压TV时，写为VTR=1，当TR端的电压TV时，写为VTR=0。①低触发：当输入电压Vi2TV且Vi1TV时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端S=0、R=1，使Q＝1，Q＝0，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；②保持：若Vi2TV且Vi1TV，则VTR=1，VTH=0，S=R=1，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。③高触发：若Vi1TV，则VTH=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，VO＝0，T导通。这时称555定时器“高触发”。555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）整理为表2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,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。3.555定时器接成多谐振荡器1连接方法：将555定时器的Vi1和Vi2连在一起结成施密特触发器，然后将VO经RC积分电路接回输入端即构成了多谐振荡器，如图3（a）所示。2多谐振荡形成机理：初始时刻，Vc为0时，Vi2TV且Vi1TV，555定时器处于低触发状态，VO＝1，T截止，电容C经过R1、R2充电；当Vc上升到TV时，Vi2TV，Vi1TV，处于保持状态，电容继续充电，Vc继续升高，VO＝1，T截止；当Vc=TV时，Vi1TV，555定时器处于高出发状态，VO＝0，T导通，电容C经过R2、T放电，Vc降低，当Vc下降到TV时，Vi2TV且表2555定时器控制功能表输入输出THTRdRVODis×TVTVTV×TVTV×LHHHLH不变L导通截止不变导通Vi1TV，电路再次进入低触发状态，电容C经过R1、R2充电……以此循环往复，电容Vc上的电压在TV和TV之间往复振荡，Vo端输出具有一定占空比的方波脉冲，通过调节RW或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出，波形如图3（b）所示。3相关公式推导：通过Vc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：112lnCCTCCTVVTRRCVV放电时间2T计算公式：2220lnln0TTTTVVTRCRCVV故电路的振荡周期为：12122lnlnCCTTCCTTVVVTTTRRCRCVVV当Vco悬空（接电容后接地），TV=32VCCTV=31VCC时，112ln2TRRC22ln2TRC振荡周期：12(2)ln2TRRC振荡频率：121(2)ln2fTRRC二.方案实施及结果分析1.电路图设计及器件参数选择图3救护车扬声器发声电路图图四救护车扬声器发声效果仿真图(a)图五救护车扬声器发声效果仿真图（b）1电路概述：所设计的救护车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3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1OV输出占空比一定的方波信号控制555（2）的控制端电压，当1OV输出为高电平时，555（2）控制电压端Vco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1OV输出为低电平时，555（2）控制电压端Vco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。3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。结果如图4所示。图4救护车扬声器发声电路高低音输出波形2.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C1经R2放电时间T2，低音持续时间为C1经过R1、R2充电时间T1.高音持续时间：221ln24TRCms（即为低电平持续时间）低音持续时间：1121cc121()ln()ln26ccTTVVTRRCVVRRCms（即为高电平持续时间）②555（2）的5管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得：（如图5）R215kΩR235kΩR310kΩR225kΩ210VCC12VVCCVeVo1R310kΩRx3.3kΩC133uF450Vo1Ve2/3Vcc8v图5555（2）控制端电压Ve的戴维南等效电路图31135//(55)3.321083.33313.33XCCXOOEXRkRVRVVVRR③计算高频声音和低频声音振荡频率：当1OV=0V时，EV=6.00V，高音振荡频率：12452521()lnln211231100.005ln1000.005ln212617181582CCECCEHVVVVHHfRRCRCHzTusf仿真结果如图6所示：图6高音振荡波形及周期显示（581.897us）当1OV=12V时，EV=123.338108.813.33V低音振荡频率：12452521()lnln21124.41100.005ln1000.005ln2128.812221818CCECCELVVVVLLfRRCRCHzTusf仿真结果如图7所示：图7低音振荡波形及周期显示（862.069us）3.误差分析与总结经过多次参数调整，可使仿真波形近似完美地符合计算结果。输出振荡频率为1718Hz,持续时间为4ms的高音频信号以及振荡频率为1222Hz,持续时间为6ms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。参考文献：[1]阎石著.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社.、