基于晶體三極管的簡易聲控燈設計

1、摘 要本文介紹作品采用Multisim10對簡易聲控燈電路進行繪制電路圖及仿真工作以及protel進行繪制電路圖制作PCB 板。主要介紹了聲控燈的制作原理以及Multisim10和protel的一些基本的操作和用法。例如，原理圖sch的繪制，當然其中也包括元件的制作；印刷電路板PCB的制作；對電路原理圖進行仿真。電路分塊清晰，PCB板美觀、模塊清晰。經(jīng)仿真電路原理正確。達到任務要求。運用PROTEL軟件繪制最小系統(tǒng)原理圖及部分外圍擴展，在使用該軟件當中，學會創(chuàng)建設計文檔管理庫，加載元件庫，繪制電路圖，放置電源部件，修改元件參數(shù)，生成網(wǎng)絡表文件，同時還要將自己設計的電路原理圖生成PCB電路板圖等

2、方法。在此基礎之上將自己設計的電路進行仿真，并對其波形及數(shù)據(jù)進行分析。關(guān)鍵詞：Multisim；protel；聲控燈；PCB目 錄摘 要I第一章 緒論1第二章 設計內(nèi)容及要求22.1 設計目的及主要任務2設計目的2設計任務及要求22.2 設計思想2第三章 聲控燈的工作與設計原理33.1 放大電路的原理33.2單穩(wěn)態(tài)電路的原理33.3 繼電器電路的原理43.4 整機電路的原理5第四章 整機電路的制作7第五章 軟件仿真與硬件調(diào)試85.1 multisim10仿真8仿真圖示8仿真結(jié)果85.2 Protel繪制PCB版圖115.3 硬件調(diào)試12元器件清單表13總結(jié)14參考文獻15致謝16 第一章 緒論

3、晶體管（transistor）是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關(guān)，和一般機械開關(guān)（如Relay、switch）不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。晶體管，本名是半導體三極管，是內(nèi)部含有兩個PN結(jié)，外部通常為三個引出電極的半導體器件。它對電信號有放大和開關(guān)等作用，應用十分廣泛。輸入級和輸出級都采用晶體管的邏輯電路，叫做晶體管晶體管邏輯電路，書刊和實用中都簡稱為TTL電路，它屬于半導體集成電路的一種，

4、其中用得最普遍的是TTL與非門。TTL與非門是將若干個晶體管和電阻元件組成的電路系統(tǒng)集中制造在一塊很小的硅片上，封裝成一個獨立的元件.晶體管是半導體三極管中應用最廣泛的器件之一，在電路中用“V”或“VT”（舊文字符號為“Q”、“GB”等）表示。本文介紹了基于晶體管的簡易聲控燈設計。聲控燈已經(jīng)廣泛應用在居民樓的樓道中，它給人民的生活帶來很多的方便。這些聲控燈電路中幾乎都使用了集成電路，并且直接使用220V的交流電源。雖然這樣做簡化了電路，但對于初學者來說他們理解電路有一定的困難,調(diào)試電路也具有一定的危險性。這里介紹一個簡單的聲控燈電路，采用了三極管等分立元件和低壓電源，不僅適合初學者的學習，而且

5、通過電路中的繼電器也可以控制其它電器進行工作。當你對著聲控電路拍手或喊叫時，電路中的繼電器會動作,如果用它控制小燈，可以使小燈工作幾秒鐘,然后自動關(guān)閉。第二章 設計內(nèi)容及要求2.1 設計目的及主要任務 設計目的提高電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；學習晶體管電路的基本設計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調(diào)試與檢測；使用適當?shù)能浖M行仿真和制作PCB板圖。 設計任務及要求根據(jù)已知條件，完成通過基于晶體管的聲控燈的設計、連接與仿真。須符合以下要求：1.采用晶體管設計電路完成一個簡易聲控燈的設計；2.通過聲音震動使燈發(fā)光，并且延遲10

6、秒左右后熄滅；3.利用仿真軟件Pspice或Multisim仿真電路，并學習PROTEL軟件，并用其繪制電路的原理圖和PCB圖，要求圖紙繪制清晰，布線合理，符合繪圖規(guī)范；4.完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調(diào)試及設計總結(jié)）。2.2 設計思想本次設計要求完成基于晶體管的聲控燈的設計、連接與仿真，選擇適合三極管。而整個設計的核心部分就在采用了三極管等分立元件和低壓電源,通過電路中的繼電器也可以控制其它電器進行工作的設計，當你對著聲控電路拍手或喊叫時，電路中的繼電器會動作,如果用它控制小燈,可以使小燈工作幾秒鐘，然后自動關(guān)閉。該模塊完成的功能主要包括放大電路和單穩(wěn)態(tài)電路以及繼電器控制電路。隨后

7、運用Multisim10中的仿真功能對其予以仿真，從仿真的結(jié)果中分析程序的正確性。然后運用Protel畫出電路圖待所有模塊的功能正確之后，然后制作相應的PCB板。最后照著原理圖進行整機電路的連接。第三章 聲控燈的工作與設計原理3.1 放大電路的原理如下圖所示，在本次設計電路中使用了一只20的壓電陶瓷片，它的符號和外形見圖3.1所示，壓電陶瓷片所轉(zhuǎn)換的電信號很微弱，只有通過由三極管VT1組成的放大器把微弱的信號進行放大后，才能去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路。所以要設置一個簡單的放大電路，將微弱的信號放大，才能觸發(fā)后邊的電路。圖3.1 壓電陶瓷片的符號和外形圖3.2所示為放大電路的組成，將信號放大。由R1和R2

8、比例控制放大的倍數(shù)。圖中Vo輸出了放大的信號。圖3.2 放大電路部分3.2 單穩(wěn)態(tài)電路的原理圖3.3中三極管VT2、VT3及其電阻器、電容器組成了單穩(wěn)態(tài)電路。電阻器R3為三極管VT2提供了基極電流；而三極管VT3的基極電流則是從三極管VT2的集電極電阻R4上得到的。三極管VT2集電極與三極管VT3基極之間是直接耦合的；而三極管VT3集電極與三極管VT2基極之間的耦合則是由電容器C2來完成的。電阻器R4是三極管VT2的集電極負載，三極管VT3的集電極負載是電阻器R5。單穩(wěn)態(tài)電路的特點是它只有一個穩(wěn)定狀態(tài)。電路在沒有信號輸入時，選擇合理的R3使三極管VT2穩(wěn)定在飽和狀態(tài)，此時它的集電極電壓約為0.

9、3V以下。這樣使三極管VT3穩(wěn)定在截止狀態(tài)。這就是單穩(wěn)態(tài)電路的穩(wěn)定狀態(tài)。圖3.3 單穩(wěn)態(tài)電路部分當一個負脈沖通過C1到達三極管VT2的基極時，三極管VT2開始趨向截止，它的集電極電流減小，集電極電壓升高；經(jīng)過直接耦合，使三極管VT3的基極電壓升高，三極管VT3開始導通，它的集電極電壓下降；經(jīng)電容C2的藕合又使三極管VT2的基極電壓進一步下降(雖然這時負脈沖已經(jīng)不再存在)，形成一個正反饋，很快達到一個新的狀態(tài)。此時三極管VT2截止，三極管VT3飽和導通。這就是單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。單穩(wěn)態(tài)電路的暫穩(wěn)態(tài)是不能持久的。在暫穩(wěn)態(tài)期間，電容器C2通過電阻器R3進行放電,隨著放電的進行,三極管VT2的基極

10、電壓逐漸升高，當它達到0.5V以上時，三極管VT2開始導通,正反饋現(xiàn)象再次發(fā)生,整個電路很快又回到VT2飽和導通，VT3截止的穩(wěn)定狀態(tài)。電容C2通過電阻R3的放電過程決定了電路暫穩(wěn)態(tài)的維持時間。根據(jù)計算，這個時間t =0.7×R3×C2。在本電路中電阻R3為330K，電容C2為47F,所以t=0.7×330×103×47×10-6=1ls.根據(jù)這個公式改變電阻R3或電容C2的參數(shù),可以延長或縮短電路的延遲時間。電路復原后,電容器C2通過電阻器R5和三極管VT2的發(fā)射結(jié)進行充電。充電完成后電路才可以接收下一次的觸發(fā)。3.3 繼電器電路的

11、原理電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。如圖3.4為繼電器電路原理圖。圖3.4 繼電器電路原

12、理圖在本實驗中，觸點那端應該連接外部的電路控制燈。如圖3.5所示。圖3.5 電路中的繼電器部分控制的電路當有電流經(jīng)過線圈時，開關(guān)閉合使右邊的二極管發(fā)光；當電流逐漸消失時，發(fā)光二極管熄滅，實現(xiàn)控制功能。電路圖中，二極管接到K的線圈兩端起到保護作用。3.4 整機電路的原理如下圖3.6所示，電路中的B是一只壓電陶瓷片,它能將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。壓電陶瓷片所轉(zhuǎn)換的電信號很微弱,只有通過由三極管VT1組成的放大器把微弱的信號進行放大后，才能去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路。放大后信號中的負脈沖作用在三極管VT2的基極上時，可以使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)。電路中的電容器C3是電源退耦濾波電容器。在電路的穩(wěn)態(tài)過程下，單穩(wěn)態(tài)電路中三

13、極管VT2導通,三極管VT3截止。三極管VT3的集電極為高電平，接在它上面的三極管VT4是PNP型三極管，所以三極管VT4沒有導通,繼電器不工作。一旦有外界的聲音來觸發(fā)電路，單穩(wěn)態(tài)電路中三極管VT2的基極受到負脈沖的作用而截止，單穩(wěn)態(tài)電路處在了暫態(tài)的過程中。這時三極管VT3導通，它的集電極電壓下降，導致與它連接的三極管VT4也導通,繼電器吸合。由于單穩(wěn)態(tài)電路的暫態(tài)時間是由電阻器R3與電容器C2的參數(shù)決定的,所以十秒鐘后單穩(wěn)態(tài)電路會自動恢復到穩(wěn)態(tài)過程下，繼電器停止工作。圖3.6 聲控電路電原理圖第四章 整機電路的制作圖4.1是聲控燈電路的整機圖。對照電原理圖4.1中元器件的數(shù)值認清元器件。安裝時

14、首先將六只電阻器焊到電路板上,然后依次將電容器、二極管、三極管、繼電器焊到電路板上,注意電解電容器的極性和三極管的管腳排列。壓電陶瓷片要通過導線與電路板連接,注意在焊接壓電陶瓷片時，時間不能太長以免燙壞壓電陶瓷片的鍍銀層。小型開關(guān)和電池夾也通過導線與電路板連接。圖4.1 聲控燈整機電路圖元器件裝好后可接通直流電源進行調(diào)試。首次通電時繼電器會吸合幾秒鐘然后釋放。這時可以拍手來觸發(fā)聲控電路,每拍一下手，繼電器就應吸合，十秒鐘后繼電器會自動釋放。繼電器的一組常開觸點可以作為受控電路的開關(guān)，這一部分在電原理圖中沒有畫出。電路板安裝圖的右邊兩接點即為繼電器的常開觸點。聲控電路調(diào)試成功后就可用這兩點作為電

15、燈開關(guān)。電路是按HRS4H-S型5V繼電器的尺寸設計的，也可以根據(jù)需要選用其他符合要求的繼電器。第五章 軟件仿真與硬件調(diào)試5.1 multisim10仿真 仿真圖示打開multisim10，文件-新建-原理圖，在按照圖4.1所示連接電路圖。將整機電路，將壓電陶瓷片換成個電阻串聯(lián)個開關(guān)，實現(xiàn)輸入信號的控制。因為壓電陶瓷片在仿真中不能自啟動，形成不了負脈沖信號，采用個開關(guān)，當閉合時，VT1的基極是正電壓，當瞬間斷開時，產(chǎn)生一個類似的負脈沖信號。所以采用開關(guān)模擬壓電陶瓷片的瞬間交流信號。整機仿真電路如圖5.1所示。圖5.1 整機仿真電路快速的閉合開關(guān)然后再斷開開關(guān)，則會看到發(fā)光二極管變亮，然后延遲1

16、1秒左右，然后熄滅。示波器查看C2兩端電壓，開關(guān)閉合斷開后，C2的電壓由5.5V左右一直降低直至降到負值，同時，繼電器兩端電壓保持6V，延遲11秒后直接變?yōu)?，引起繼電器斷開，發(fā)光二極管熄滅。 仿真結(jié)果當開關(guān)閉合時，電路仿真如圖5.2所示。圖5.2 開關(guān)閉合瞬間仿真圖然后將開關(guān)瞬間斷開，模擬壓電陶瓷片的交流信號，電路仿真如圖5.3所示。圖5.3 開關(guān)再次斷開后的電路仿真待電路延遲11秒左右后，發(fā)光二極管自動熄滅。如圖5.4所示。圖5.4 延遲11秒后電路仿真情況經(jīng)過示波器查看電容C2兩端電壓變化和繼電器兩端的電壓變化。如圖5.5所示。圖5.5 電路工作在暫穩(wěn)態(tài)的示波器情況圖5.6 暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后

17、進入穩(wěn)態(tài)的波形根據(jù)示波器觀察，其中A通道為電容C2兩端電壓，通道B為繼電器兩端電壓，在暫穩(wěn)態(tài)的時間內(nèi)，A通道的電壓逐漸減小，B通道兩端電壓一直持續(xù)在6V左右，繼電器一直在工作，此時發(fā)光二極管發(fā)光，當C2放電結(jié)束時，A通道變?yōu)?V，B點電壓瞬跳至0V，此時發(fā)光二極管熄滅然后電容兩端經(jīng)過充電又回到6V，但是由于沒有負脈沖信號觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路反轉(zhuǎn)，所以電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖5.6所示。5.2 Protel繪制PCB版圖打開Protel 99SE，新建一個設計，輸入名稱*.ddb，然后點擊文件，新建一個Schematic Document文件，然后利用畫圖元件按照圖4.1連接，連接完成，如圖5.7所示。

18、然后分別填寫各個元件的封裝號。圖5.7 protel連接圖然后點擊TOOLS-ERC，檢驗自己的電路是否出錯。點擊DESIGN-CREATE NETLIST，生成網(wǎng)絡表，檢驗電路連接元件完整。然后新建一個PCB文檔，進入后選擇Keepoutlayer，然后將網(wǎng)絡表載入PCB，將元件放置緊密合適，然后點擊AUTO ROUTE-ALL，全部自動布線，完成如圖5.8所示的PCB版圖。圖5.8 整機電路的PCB版圖5.3 硬件調(diào)試根據(jù)本設計中的電路原理圖進行實物的連接，焊接連接各元件即可。連接完成后，引出兩根根導線，一根導線接+5V電源的正極，另一根導線接地，接好線后，剛開始第一次閉合開關(guān)，繼電器會自

19、動吸合一次，然后自動松開，接著拍手來觸發(fā)聲控電路，每拍一下手，繼電器就應吸合，發(fā)光二極管發(fā)光，然后延遲11秒后發(fā)光二極管自動熄滅。與設計的內(nèi)容基本相符合。同樣設計中仍然存在誤差，這是由于元器件參數(shù)的精度不夠、實物連接時引入附加阻值、性能不夠高以及環(huán)境溫度等多方面的影響所致。在實際生活中可以通過多種措施來提高輸出音頻信號的的穩(wěn)定度，如可以選擇電容的并聯(lián)使電容的值更精確；同時外界溫度也會影響實驗的精確性。元器件清單表表6.1 元件清單表序號名稱型號數(shù)量備注1電阻680k1R12電阻6801R23電阻330k1R34電阻13k1R45電阻2.7k2R5、R66二極管1N41481D17電解電容10uF1C18電解電容47uF1C29電解電容100uF1C310三極管90133VT1VT311三極管90151VT412壓控陶瓷片201B13繼電器HRS4H-S型5V1K14開關(guān)1×2小型開關(guān)1S總結(jié)本次課設是完成一個簡易聲控燈電路設計，首先通過查找書籍資料，首先進行電路原理圖的設計、繪制以及PCB版圖制作，然后對電路中的各個部分進行調(diào)整修改，按照設計的電路原理圖完成實物的連接，連接后在實驗室不斷地調(diào)試、修改，最后得到設計要求的輸出波形。此次晶體管課程設計對我們的總體電路的設計的要求更嚴格，需要通過翻閱復習以前學過的知識確立