声控式防盗报警器的制作.

项目4声控式防盗报警器的制作一、项目描述二、学习目标三、知识准备四、任务实现五、考核评价六、拓展提高一、项目描述本项目介绍的声控式防盗报警器，是利用声音(脚步声和物体的振动声、撞击声等)作为触发信号的报警器，可用于库房、蔬菜、果园等场所的防盗报警。图4-1声控式防盗报警器二、学习目标通过本项目的学习与实践,可以让读者获得如下知识和技能：1、了解脉冲产生和整形电路的电路结构、工作原理、特点。2、能根据资料查阅了解集成单稳态触发器、施密特触发器的外引线排列、引脚功能和逻辑功能，并能正确选用。3、掌握555电路各引脚功能及其典型应用。4、会使用555电路组成脉冲产生和整形电路。5、学会利用仿真软件Multisim10观测脉冲产生和整形电路的工作波形。6、会制作、调试声控式防盗报警器。三、知识准备要完成以上要求的声控式防盗报警器的制作，需要具备以下一些相关的知识和技能，下面进行阐述。4.2.1多谐振荡器多谐振荡器可以产生连续的、周期性的脉冲波形。它是一种自激振荡电路。多谐振荡器有两个暂稳态，没有稳态，工作过程中在两个暂稳态之间按照一定的周期周而复始地依次翻转，从而产生连续的、周期性的脉冲波形。一、门电路构成多谐振荡器1．电路组成图4-2所示电路为门电路构成的典型对称式多谐振荡器。它由两个反相器（TTL或CMOS）和外接电阻、电容组成。一般有R1=R2=R,C1=C2=C。图4-2对称式多谐振荡器2.工作原理接通电源后，由于左右两部分电路总是存在差异，假设门G2的输出uo2高一些，通过C2的耦合使ui1信号增强，经过G1的作用，将使uo1下降。由于电容两端电压不能突变，uo1的下降就会通过C1传递给G2，使ui2也下降，再经G2的作用，使uo2得到进一步升高。这是一个正反馈过程：从而迅速使得uO1迅速跳变为低电平，uO2跳变为高电平，电路进入第一个暂稳态。与此同时，uO2经R2给C1充电，C2则经R1放电。这个暂稳态也不会维持多久。随着C1的充电，ui2逐渐上升，当ui2升高到G2的阈值电压VTH时，uo2开始下降，并引起另一个正反馈过程：使得uO2迅速跳变为低电平，uO1跳变为高电平，电路转入第二个暂稳态。同时，C1经R2放电，C2经R1充电。第二个暂稳态同样不会维持多久。随着C2的充电，ui1逐渐上升，当ui1升高到G1的阈值电压VTH时，电路又会迅速返回到第一个暂稳态。由此电路不停地在两个暂稳态之间振荡，输出矩形脉冲电压波形，如图4-3所示。图4-3振荡电路中各点电压波形3.振荡周期T的估算周期的估算:T≈1.4RC，其中R1=R2=R,C1=C2=C从上式可以看出，通过改变R和C的取值，可以改变振荡周期。二、石英晶体多谐振荡器上面所介绍用RC构成的多谐振荡器，由于半导体元件参数、阻容元件参数受温度的影响，同时门电路的转换电平也会受温度和电源波动等因素的影响，所以振荡频率稳定性较差。为了获得频率稳定度更高的脉冲信号，必须采取稳频措施，常采用在反馈回路中串入石英晶体，构成石英晶体多谐振荡器，电路如图4-3所示。图4-4电路结构与图4-2相似，石英晶体跨接在G2的输出端与G1的输入端之间，对于频率为fs的信号分量来说，晶体呈串联谐振状态，其等效阻抗很小且为纯阻性，因而形成正反馈，电路振荡频率完全取决于石英晶体固有的串联谐振频率fs。图4-4石英晶体多谐振荡器4.2.2单稳态触发器单稳态触发器的特点：（1）电路只有一个稳态，而另有一个状态是暂稳态。（2）在外界触发脉冲作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，又自动返回到稳态；（3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。单稳态触发器在数字电路中常用于脉冲整形、定时和延时电路。一、微分型单稳态触发器1.电路组成图4-5是用CMOS门电路和RC微分延时电路组成的单稳态触发器，称为微分型单稳态触发器。ui为输入触发脉冲，高电平触发。4.2.2单稳态触发器单稳态触发器的特点：（1）电路只有一个稳态，而另有一个状态是暂稳态。（2）在外界触发脉冲作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，又自动返回到稳态；（3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。单稳态触发器在数字电路中常用于脉冲整形、定时和延时电路。一、微分型单稳态触发器1.电路组成图4-5是用CMOS门电路和RC微分延时电路组成的单稳态触发器，称为微分型单稳态触发器。ui为输入触发脉冲，高电平触发。图4-5微分型单稳态触发器2.工作原理（1）稳定状态无触发信号输入（ui=0）时，输入端为低电平，电源VCC通过R为G2输入端加上高电平，因此，uo为低电平，并加到G1的另一输入端，使uo1输出为高电平。电容C两端电压接近0，这是电路的稳态。在触发信号到来之前，电路一直保持这一稳态。（2）触发电路进入暂稳态当外加触发信号ui为高电平时，使uo1产生负跳变，由于C两端电压不能突变，使G2输入电压ui2产生负跳变，并使uo产生正跳变，又将其反馈到输入端。于是，电路产生如下正反馈过程。结果迅速使uo1为低电平，由于C两端电压不能突变，ui2为低电平，使uo输出高电平，电路进入暂稳态。（3）自动翻转当uo1为低电平时，电源VCC经R向C充电，电容C两端电压逐渐升高，即ui2升高。当ui2上升到UTH时，uo下降，ui1下降，uo1上升，又进一步使ui2上升，电路又产生另一个正反馈过程。正反馈过程迅速使uo1输出高电平，uo输出低电平。（4）恢复过程如果这时触发脉冲已消失(ud己回到低电平)，则uo输出低电平，uo1输出高电平，这时电容C经R放电，使C上电压恢复到稳态时的初始值uc=0。电路恢复到稳定状态，这一过程称为恢复过程。再输入触发正脉冲信号时，电路便重复上述过程。根据以上的分折，画出电路中各点的电压波形如图4-6所示。图4-6微分型单稳态触发器的工作波形二、集成单稳态触发器集成单稳态触发器有TTL和CMOS集成电路的产品，可用上升沿或下降沿触发，还具有置零和温度补偿等功能，工作稳定性能好，得到广泛应用。下面以TTL集成单稳态触发器74121为例说明。1.引脚图及各引脚的作用TTL集成单稳态触发器74121引脚如图4-7所示。图中CEXT和REXT/CEXT脚之间外接定时电容C；若使用集成电路内部电阻，则RINT端接电源VCC；若要使提高脉冲宽度，可在REXT/CEXT端与电源之间外接电阻R，若外接可调电阻，脉冲宽度可调（也可接在RINT与电源间）。74121各引脚的作用如表4-1。图4-774121引脚图表4-174121引脚作用2、74121的逻辑功能表功能说明：↓表示上升沿出发，↓表示下降沿触发，×表示信号状态任意；表中后五行表示加了触发电压，电路翻转为暂稳台。暂稳态时间的长短，即输出脉冲宽度tw由定时元件R、C决定。74121的应用举例R可以外接，也可以使用内部电阻，此时脉冲宽度tw≈0.7RCa)b)图4-874121的外部连接方法a)使用外部电阻Rext(下降沿触发)b)使用内部电阻Rint(上升沿触发)三、单稳态触发器的应用1、脉冲信号整形脉冲信号的整形就是把波形不规则的脉冲信号输入到单稳态触发器，在输出端获得具有一定的宽度和幅度、前后沿都比较陡峭的矩形脉冲，如图4-9所示。图4-9单稳态触发器的整形作用图4-10单稳态触发器的延时作用2、脉冲信号延时单稳态触发器在输入信号ui的下降沿被触发，输出一个正脉冲信号。此时输出信号的下降沿比输入信号的下降沿延迟了tw时间，如图4-10所示，改变RC时间常数可改变延时时间。3、定时控制利用电路的暂稳态脉冲信号可控制电子开关在规定时间动作，达到定时的目的，如图4-11所示。这种功能使单稳态触发器可用于自动熄灭路灯开关、电子照相机延时自动拍照电路图4-11单稳态触发器的定时作用4.2.3施密特触发器施密特触发器（SchmittTrigger）是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，利用它可以将正弦波、三角波以及其它一些周期性的脉冲波形变换成边沿陡峭的矩形波。另外，它还可以用作脉冲鉴幅、比较器。一、用门电路组成的施密特触发器1、电路组成用与非门构成的施密特触发器如图4-12所示，它有三个与非门G1、G2、G3和一个二极管VD组成。其中G1、G2构成基本RS触发器，二极管VD起到电平移位作用，用来产生回差电压。图4-12b)所示为它的逻辑符号。图4-12与非门施密特触发器a)原理图b)逻辑符号c)工作波形2、工作原理假设输入信号ui为三角波，与非门的开门电平为1.4V,二极管的导通电压UD为0.7V,下面结合图图4-8c)进行讨论。（1）当输入电压ui=0时，，，电路输出u0为高电平，这是施密特触发器的第一种稳定状态。（2）ui逐步上升,只要ui1.4V,尽管端电位达到并超过门G2的阀值电压UT(UT=1.4V)，但门G3不翻转使端仍为高电平。故RS触发器不翻转，而维持在第一种稳态。（3）当ui继续上升到ui=UT+=UT(UT=1.4V)时，门G3翻转使，RS触发器状态发生翻转，使电路输出u0变为低电平。电路翻转后ui再上升，电路状态保持不变，这是施密特触发器的第二种稳定状态。此时，ui值称为施密特触发器的上限触发电平。常用“UT+”表示。（4）当ui上升到最大值而下降时，若ui下降到UT，门G3翻转，。由于端接二极管VD正极，所以它的电位仍高于VT，故RS触发器不翻转，施密特触发器维持在第二种稳定状态。（5）当ui继续下降到ui=UT-=UT-UD(0.7V)时，=0，RS触发器状态发生翻转。施密特触发器又进入第一种稳定状态。此时,ui值称为施密特触发器的下限触发电平，常用“UT-”表示。S1R0S3、回差特性由上述分析可知，对于图4-8所示的施密特触发器，输入电平ui上升到UT+电平时，触发器状态发生翻转，输出下降到低电平。输入电压回降到UT+电平时，触发器却不翻转回初始状态。待ui继续下降至UT-时，才翻转至高电平。这种现象被称为施密特触发器的回差特性。UT+与UT-的差值△UT称为回差电压或滞后电压，即ΔUT=UT+-UT-显然，图4-8所示施密特触发器的回差电压为：△UT=UT+-UT-=UT-（UT-UD）=UD=0.7V因此，图4-8所示施密特触发器的缺点是回差电压太小，且不能调整。根据上限触发电平UT+与下限触发电平UT-定义，可以画出施密特触发器的回差特性曲线，也称为电压传输特性曲线，如图4-13所示。实际应用时，可根据要求在电路上采取措施，增大或减小回差电压。图4-13回差特性曲线二、集成施密特触发器集成施密特触发器产品中，国产TTL施密特触发器有六反相器，如CT74LS14；国产CMOS施密特触发器有CC4093四2输入施密特与非门。图4-14为上述两种施密特触发器的引脚图。a）b)图4-14CT74LS14、CC4093引脚图a）CT74LS14b)CC4093三、施密特触发器的应用1.用于波形变换利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。如图4-15的例子中，输入信号是由直流分量和正弦分量叠加而成的，只要输入信号的幅度大于UT+、UT—，即可在加密特触发器的畅出端得到同频率的矩形脉冲信。图4-15用施密特触发器实现波形变换2.用于脉冲整形图4-16用施密特触发器实现脉冲整形在数字系统中，矩形脉冲经传输后往往会发生波形畸变。如传输线上电容较大时，波形的上升沿和下降沿会明显变坏；当传输线较长，而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，信号上将出现附加的噪声等。都可以利用施密特触