【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有源器件，如 電子管 、晶體管等 4。為了實(shí)現(xiàn)放大，必須給放大器提供能量，常用的能源是直流 電源 ，放大作用就是通過把電源的 能量轉(zhuǎn)移 給輸出信號(hào)，輸入信號(hào)的作用是控制這種轉(zhuǎn)移，使放大器輸出信 號(hào)的變化重復(fù)或反映輸入信號(hào)的變化。 三極管放大工作原理 要了解半導(dǎo)體三極管放大原理，就要分析其內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)情況，首先必須要使半導(dǎo)體三極管有一個(gè)合理的偏置。半導(dǎo)體三極管內(nèi)部?jī)蓚€(gè) PN 結(jié)的 4 種偏置方式中，為體現(xiàn)放大作用，首先必須保證有足夠多的多子運(yùn)動(dòng)，所以發(fā)射結(jié)要正偏，這樣發(fā)射區(qū)能不斷向基區(qū)發(fā)射載流子；其次，集電極電流必須由非集電極本身的多子運(yùn)動(dòng)形成，才能體現(xiàn)其電流控制作用，因此，集電結(jié)要反偏。不管半導(dǎo)體三極管組成的放大電路形式如何變化，要使其具有放大作用，都必須滿足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 三極管 最基本的作用就是放大作用，它可以把微弱的電信號(hào)變成一定強(qiáng)度的電信號(hào)，當(dāng)然這種轉(zhuǎn)換仍然遵循能量守恒，它只是把電源的能量轉(zhuǎn)換成信號(hào)的能量罷了。三極管有一個(gè)重要參數(shù)就是電流放大系數(shù)，當(dāng)三極管的基極上加一個(gè)微小的電流時(shí)，在集電極上可以得到一個(gè)是注入電流幾十倍的電流，即集電極電流，集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用，不過放大過程中要特別注意信號(hào)不能失真，因?yàn)橹挥胁皇д娴男盘?hào)放大才有意義。本系統(tǒng)就是利用三極管的這種放大作用，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化來的電信 號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到能夠控制后續(xù)電路正常工作的目的。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第三章 聲光控制開關(guān)電路的設(shè)計(jì)及其性能分析 聲光控制系統(tǒng) 聲光控制開關(guān)電路就是通過 聲音信號(hào)與光信號(hào) 共同 控制燈 的亮或滅 ，白天或光線較亮?xí)r，聲光控制開關(guān)呈關(guān)閉狀態(tài)，無論外界有沒有聲音信號(hào)，燈都不亮；夜間或光線較暗時(shí)，當(dāng)有人經(jīng)過該開關(guān)附近， 駐極體話筒將采集到的 說話聲、腳步聲、拍手聲等聲源傳來的聲音信號(hào) 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后與光控電路轉(zhuǎn)化來的電信號(hào)一起送入 開關(guān)電路， 開關(guān)電路得到觸發(fā)信號(hào) 把控制開關(guān)打開，燈亮，延時(shí)約一分鐘后控制開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，燈滅 [5]。 系 統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)： （ 1） 白天或光線較亮?xí)r，無論外界有沒有聲音信號(hào)，開關(guān)都關(guān)閉，燈不亮； （ 2）夜晚或光線較暗時(shí)，無聲音信號(hào)，開關(guān)斷開，燈不亮；有聲音信號(hào)觸發(fā)，開關(guān)開啟，燈亮； （ 3）燈亮一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅，且延時(shí)時(shí)間可以設(shè)定； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求： （ 1）電路可靠性和穩(wěn)定性要高。這是對(duì)控制電路性能最基本的要求，否則對(duì)燈的自動(dòng)控制能力會(huì)變?nèi)酰瑖?yán)重時(shí) 可能還 會(huì)失去自動(dòng)控制功能。 （ 2）功耗要小。控制電路一直都接于交流 220 伏電路上，若功耗比較大，則不利于節(jié)約能源，而且還會(huì)大大縮短控制電路的使用壽命。 （ 3）靈敏度要能調(diào)節(jié)。 這是控制電路正常工作時(shí)，對(duì)聲光控制信號(hào)的基本要求，對(duì)于聲音信號(hào)感知的靈敏度和對(duì)光信號(hào)感知的靈敏度應(yīng)能滿足不同的環(huán)境要求。 （ 4）觸發(fā)延時(shí)時(shí)間要能按要求調(diào)節(jié)。延時(shí)時(shí)間至少在 1 分鐘內(nèi)可調(diào)。 聲光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 聲光控制開關(guān)電路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，整個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：全波整流電路將交流 220V 市電變成約為 200V 直流電壓，再經(jīng) 降壓濾波后 輸出 12V 直流電壓， 為其后的聲控電路、光控電路及整個(gè)電路提供所需的直流工作電壓。 聲控濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 電路通過駐極體話筒采集聲音信號(hào)，將采集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，光控電路通過光敏電 阻采集光強(qiáng)信號(hào)，將采集到的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后與駐極體話筒采集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化而來的電信號(hào)一起送到三極管放大電路，經(jīng)放大電路放大以后觸發(fā)開關(guān)電路工作，從而 控制受控開關(guān)的閉合，以達(dá)到控制燈亮或燈滅以及燈亮?xí)r間長(zhǎng)短的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的聲光自動(dòng)控制功能。 圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 所謂橋式整流電路，就是用二極管組成的一個(gè)整流電橋，整流電路如圖 2 所示，它是由圖中的極管 D D D D組成，其功能是將 220V 的交流市電轉(zhuǎn)換為直流電壓 以提供后續(xù)聲控電路、光控電路延時(shí)電路及開關(guān)電路等電路所需的工作電壓。 整流電路的 工作原理 ： 橋式整流電路是最基本的將交流 電 轉(zhuǎn)換為直流 電 的電路 ，整流電路中的二極管作為開關(guān) 使用 ，具有單向?qū)щ娦?， 根據(jù)圖 2 中 的 橋式二極管整流電路以及圖 3 中的整流波形圖 可知：當(dāng)正半周時(shí)，二極管 D D3 導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到 的是 正弦波的正半周 ； 當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管 D D4 導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到 的是 正弦波的負(fù)半周 ； 在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓 ，再經(jīng)降壓濾波后就可為后續(xù)電路提供所需的工作電壓。 放大電路 整流電路 延時(shí)電路 開關(guān)電路 光控電路 聲控電路 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 2 橋式二極管整流電路 圖 3 橋式二極管整流電路波形 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 聲控電路 設(shè)計(jì)聲控電路時(shí)，我們首先需要知道怎樣才能把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，而且對(duì)聲音信號(hào)感應(yīng)的靈敏度也有很高要求，即不能太低，也不能太高，太高或太低都難以對(duì)聲控電路實(shí)現(xiàn)較好的控制，對(duì)聲音信號(hào)感應(yīng)的靈敏度應(yīng)能接收到像人的說話聲、拍手聲、腳步聲等比較常見的聲音信號(hào)為準(zhǔn)。我們可以使用常見的聲音傳感器將這類聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，其中比較常用的聲音傳感器有電容式和磁電式兩類。電容式聲音傳感器是通過聲音的振動(dòng)，從而引起電容量的改變，來得到聲音信號(hào)到電 信號(hào)的轉(zhuǎn)化，目前常見的有駐極體話筒；磁電式聲音傳感器是通過用聲音的振動(dòng)，帶動(dòng)導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生電流，以達(dá)到聲音信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，目前常見的就是動(dòng)圈式話筒。駐極體話筒體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電聲性能好，價(jià)格低廉，應(yīng)用非常廣泛，考慮到元器件本身成本及使用方便等問題，這里使用駐極體話筒，利用駐極體話筒采集外界聲音信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。駐極體 話筒的基本結(jié)構(gòu) 是 由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個(gè)上面有若干小孔的金屬電極構(gòu)成 ， 駐極體面與背電極相對(duì)，中間有一個(gè)極小的空氣隙，形成一個(gè)以空氣隙和駐極體作 絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個(gè)電極構(gòu)成 的 一個(gè)平 行 板電容器 ， 電容的兩極之間有輸出電極 ， 高分子極化膜上生產(chǎn)時(shí)就注入了一定的永久自由 電荷 Q，由于沒有放電回路，這個(gè)電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動(dòng)，因此 駐極體 和背極的距離也跟著變化， 即 改變了電容兩極 板 之間的距離，從而引起電容的容量 C 發(fā)生變化， 而 駐極體上的 自由 電荷數(shù) Q 始終保持 不變 ，根據(jù)公式： CUQ? 當(dāng) C 變化時(shí)必然引起電容器兩端電壓 U 的變化，從而輸出電信號(hào)，實(shí) 現(xiàn)聲音信號(hào)到電信號(hào)的變換 [6]。由于所形成的電容器的電容量很小，使得駐極體話筒轉(zhuǎn)化來的電信號(hào)相對(duì)較弱，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)必須經(jīng)過一定放大才能起到良好的控制作用，可作為放大用的電路有功率放大電路、運(yùn)算放大電路等，通常都選用運(yùn)算放大電路，運(yùn)放電路不僅可以提高信號(hào)的輸出電壓，而且還可以抑制零點(diǎn)漂移，但是使用運(yùn)放電路會(huì)大大增加電路的體積和成本；而采用晶體三極管組成的放大電路來放大駐極體話筒產(chǎn)生的電信號(hào)，不僅簡(jiǎn)化了聲控電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且對(duì)聲音信號(hào)的控制作用也濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 更榮易實(shí)現(xiàn) ，因此本文使用由三極管組成的放大電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的放大。由于電路的設(shè)計(jì)對(duì)元器件的要求較高，因此電路設(shè)計(jì)中所用到的元器件特別是半導(dǎo)體器件必須要保證較高的靈敏度，各元器件的性能參數(shù)也要精確穩(wěn)定，只有這樣電路才能高效工作，正常發(fā)揮電路應(yīng)有的功能。 聲控電路如圖 4 所示 ,由 Q R1 、 R2 、 R3 、 C2 、 MIC 組成。其中 MIC 為駐極體話筒 ,它把采集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào) ,經(jīng)電容 C2 耦合至三極管 Q1 的基極，然后通過與門電路與光敏電阻轉(zhuǎn)化來的電信號(hào)一起送入后續(xù)電路。外界有聲音信號(hào)時(shí) ,如果環(huán)境的聲音信號(hào)很弱 ,三 極管 Q1 仍處于飽和狀態(tài) ,集電極輸出為低電平；當(dāng)外界聲音信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí) ,駐極體話筒將轉(zhuǎn)化來的電信號(hào)經(jīng) C2耦合到 Q1的基極 ,三極管由飽和進(jìn)入放大狀態(tài) ,集電極電位隨著聲音信號(hào)的強(qiáng)弱而高低變化 ,當(dāng)聲音信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí) ,其 集電極由低電平轉(zhuǎn)變成高電平，聲控電路導(dǎo)通，并將信號(hào)傳遞至開關(guān)電路，控制燈的亮或滅。 圖 4 聲控電路 圖 5 光控電路 光控電路 光控電路一般可由光電傳感器和電子元器件構(gòu)成，電路有很多設(shè)計(jì)方案，由于光控電路對(duì)電路元器件本身有很高的要求，設(shè)計(jì)電路時(shí)必須充分考慮各個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性以及每個(gè)元器件的各項(xiàng)性能等問題。光控電路控制功能實(shí)現(xiàn)的核心是光電傳感器，因此選擇光電傳感器時(shí)必須選擇可靠、穩(wěn)定、靈敏度高的光電傳感器，濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 以保證電路各項(xiàng)參數(shù)的可靠、精確和穩(wěn)定，正常發(fā)揮電路應(yīng)有的功能和作用，為此在設(shè)計(jì)光控電路時(shí)，不僅要盡量簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低成本，而且要使電路功能能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠 [7]。光電傳感器 是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，此處可以選用光敏電阻作為光信號(hào)采集元件，光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制做，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件，用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物和碲化物等半導(dǎo)體，通常采用涂敷、噴涂等方法在絕緣襯底上制做很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少，當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能 量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子 — 空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小，光照愈強(qiáng)，光生電子 — 空穴對(duì)就越多，阻值就愈低，當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照強(qiáng)度增大而增大，入射光消失，電子 空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流逐漸減小。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。利用光敏電阻的阻值隨光