救护车扬声器发声电路

选择题目2基于555触发器的实用电路设计名称救护车扬声器发音电路姓名学号班级电子081一、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。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△tnS2.555定时器内部结构及工作原理1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..输入端接参考电压TV=12Ve。现做如下规定：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三、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.、