会汪汪叫的触摸式小狗电路设计

会汪汪叫的触摸式小狗电路设计 第 1 页 共 21页 玩具，几乎与人类文明历史一样久远。无论在埃及、希腊，还是在中国或罗 马，都出土了不少历代的玩具。中国有悠久的玩具史，玩具自古至今都伴随着人 们的生活。比如：“抛绣球”、风筝、纸鹤、纸风铃，还有今年红遍国内外的“中 国结”等。 玩具伴随着我们每一个人的成长，日常生活中的玩具更是随处可见。如今， 玩具已不再是儿童的专利，少年、青年、中年、老年，不同年龄段的朋友都有自 己的玩具。在中国，玩具同样是人们生活中的一部分，各种玩具收藏屋、玩具俱 乐部、玩具专卖店等非常受人们的欢迎。 玩具是我们成长过程中最亲密的伙伴，从传统的泥、陶玩具到积木、七巧板 等益智玩具再到电动、遥控玩具以及掌中游戏机等声、光、电控制的现代高科技 玩具，伴随着科学技术的发展与我们生活质量的不断提高，玩具也日益成为现代 人增加生活情趣的重要工具。 电路有五个模块组成：触摸模块、单稳态触发模块、模拟发光模块、模拟发 声模块、音频功放模块。其电路原理图如下图2.1所示。 触摸电路是通过人体的触摸感应，将感应信号经C1加至IC1的2脚，使555触发器置位，电路启动。 单稳态触发电路是采用时基集成芯片555，与R1，C2等组成。触发器2脚通过C1外接金属膜片M。人体的感应信号经C1加至IC1的2脚，使555触发器置位，其3脚转呈高电平，高电平的维持时间即单稳态的暂稳宽度td。td的大小取决于R1C2的时间常数，当C2上的电压充电至2/3Vdd时，则555复位，3脚转至呈低电平，td的值为td=1.1R1C2（图示参数的暂稳宽度约为4s）。3脚的高电平信号使LED1，LED2发光，同时触发IC2的触发端TG，使其触发发声。 模拟发声电路IC2采用语音集成电路HFC5201，它内储有狗的叫声，采用电 平，不保持触发方式，一旦有高电平信号触发其TG端，便将内储的三声“汪— —”叫声放出，通过VT1、VT2组成的达林顿型放大器放大后，驱动扬声器发声。 第 2 页 共 21页 图2.1 会汪汪叫的触摸式小狗电路原理图 电路供电采用6V电池组，因HFC5201的工作电压为2.4V-5V，为保证其安全使用，在它的供电通路内串接了一只电阻，用以降压，稳压二极管采用2CW52型（稳压输出4.5V）。C1采用CL11-63V-0.01uf涤纶电容器，C2采用33u的电解电容，C3采用0.01u电容。LED1，LED2选用?3mm棕色或黄色发光二极管， VT1选用小功率三极管9014，hfe?100，VT2选用小功率的三极管9012，hfe?120。R1－R4采用RTX-1/8W型碳膜电阻器，B采用YD100-6型电动扬声器。 一 在附录电路设计中，运用的是由两个三极管和五个电阻组成的双稳态触 发器，其在电路的连接过程中比较繁琐。在安装过程中尤其要考虑三极管的极性， 并且还要搭配使用二极管，就更增加了难度。本设计是采用555时基集成芯片，只要能正确连接芯片的几个引脚，加上几个电路和电容，就可以完成单稳态触发 器的基本功能。对于这一点，就对线路的连接带来了很大的方便。同时从性能上 考虑，芯片的性能相对比较稳定。根据前面所述，所以我在设计中选用555时基集成芯片组成单稳态触发电路。 二 功放的运用。在电路设计中功放采用的是达林顿管，也即复合管。它是 用几只普通三极管的连接而组成的，除了放大倍数增大以外，在功能上与普通三 第 3 页 共 21页 极管没有多大的区别。在音频功放电路中采用的就是复合管，而不是单纯的运用 三极管和其它形式。其主要考虑的就是能依据三极管的特性，灵活组成新的三极 管，以适应不同电路设计中功能的需要。 电路设计比较原理图，详细见附图1。 定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路，其逻辑功能 强，使用灵活，可以方便地组成多种多样的逻辑功能电路。示 555 定时器的逻辑功能， 传统的方法是使用功能表。但用功能表来分析 555 定时器的各种应用电路，显得很繁琐，不够形象直观，其电路工作原理不易理解，不方便学习和 应用。本文提出一个简化模型，可以全面地表示 555 定时器的逻辑功能，通过 该模型来分析 555 定时器的应用电路，可以使复杂的问题变得简单明了，使电 路的工作原理变得更形象、直观，有助于我们理解、掌握和进一步的运用。 555 定时器由 3 个 5KΩ 电阻构成的分压器、电压比较器 C1 和 C2、 基本 RS 触发器和放电管 Td组成，其符号见图 3.1，电路组成图见图3.2，功能表见表3-2。 图3.1 555引脚符号 第 4 页 共 21页 图3.2 555电路组成图 （1）比较器 比较器C1和C2是两个结构完全相同的理想运算放大器。比较器有两个输入 端，分用U+和U-表示相应输入端上所加的电压，用Uc表示比较器的比较结果。当U+>U-时，Uc＝Uh；而U+2/3Uol 导通 Vcc >1/3 Vcc 1 <2/3 保持 保持 Vcc >1/3 Vcc 1 × <1/3 Uoh 截止 Vcc Rd当=0 时，Q=0，输出电压 Uo =Uol 为低电平，Td 饱和导通。 ,Rd当=1，Uth> 2/3Vcc，U> 1/3Vcc时，电压比较器 C1 输出有效低电平， tr , C2 输出高电平，基本 RS触发器的端输入有效电平，所以 Q=0，Uo=Uol，TdR 饱和导通。 ,Rd当=1，Uth< 2/3Vcc，U> 1/3Vcc时，C1 和 C2 均出高电平( 均为无tr 效电平) ，基本 RS触发器保持原来状态不变， 因此Uo和 Td 也保持原来状态不变。 ,Rd当=1，Uth< 2/3Vcc，U< 1/3Vcc时，C1输出高平，C2 输出有效低电tr S平，基本 RS 触发器的端输入有效电平， 所以 Q=1，Uo=Uoh，Td 截止。 第 6 页 共 21页 ,当=1，Uth > 2/3Vcc，U< 1/3Vcc时，C1和C2输出低电平，对基本 RS Rdtr Q触发器而言其输入是约束要避免出现的情况。此时 Q=1，=1，Uo=Uoh，Td截 ,止。但当Uth、U同时变为无效时，其状态不能确定。这种情况在实际中是不tr 应出现，也不会出现的。 ,555 定时器的核心是通过 2 脚低电平有效(小于1/3Vcc) 的U 和6脚高tr电平有效(大于 2/3Vcc)的 Uth 来触发基本 RS 触发器，使触发器置 1、置 0或保持，从而使其输出Uo 为 Uoh、Uol、或保持，相应地使放电管 Td截止、饱 ,和导通或保持，三者之间有明确的逻辑关系；当U有效时，Q=1，Td 截止，tr Uo=Uoh；当Uth 有效时，Q=0，Td 饱和导通，Uo=Uol。3脚体现Q值(Uo值)，7脚体现Td的状态。可见输入控制 2 脚、6脚的状态与输出3脚、7脚的状态之间有明确的逻辑关系。 555 定时器的4脚是直接复位端(置零端)，是低电平有效的。在实际应用时 多为使其处于无效电平，或只在刚接通电源的瞬间起复位作用，然后就会处于无 效电平了。为了把上述逻辑关系表示得更形象直观，可以用如图 3.3所示的模型图来表示 555 定时器的逻辑功能。 图3.3 555定时器模型图 如图3.3所示，控制电路状态的2 脚和6脚( 还有直接复位的4脚) 通过接通或断开开关 K 而体现其作用。6 脚为高电平有效，2 脚为低电平有效，因 而在字母 TR 上加一非号(4脚也如此)。当6脚电平有效时， 等效于闸刀开关 K 被合上，所以 6 脚的控制线的箭头为向上，此时 K 接通(TD饱和导通)， Uo=Uol。当2脚电平有效时，K断开，所以2脚控制线的箭头向下，此时Uo=Uoh。 第 7 页 共 21页 考虑到直接复位端不是经常起作用，故其控制开关 K 的过程画成一虚线。当6脚和 2 脚同时为有效电平时，由上面的分析可知，K 是断开的，这是基本 RS 触发器约束要避免出现的情况。 考虑到7脚一般都会有外接电阻至电源 Vcc，所以图3.3中8脚内接的电阻还可以省去。还要说明的是这里的箭头线是不通电的，只是控制开关状态的控制 线。如果5 脚外接有控制电平Vco，则6脚的有效高电平变为Vco，2脚的有效低电平变为0.5Vco。 3.4.1 多谐振荡器 用 555 定时器构成的多谐振荡器如图3.4所示。 图3.4 多谐振荡器 由图3.4很容易分析出电路的工作原理。接通电源时，4脚为 Vcc，是无效电平，2 脚因电容 C 未被充电而为0电平，2脚电平有效，所以 K 断开，Uo=Uoh，C 被 Vcc 通过R1和 R2充电，充电时间常数τ=(R1+R2) C。 当 uc被充至2/3Vcc时，6 脚电平有效，2 脚变为无效，使 K 接通，Uo=Uol，C 通过 R2、开关 K 放电，放电时间常数τ=R2C。 当 C 继续放电至 1/3Vcc，2 脚电平有效，6 脚变为无效， 使 K 断开， C 又被充电。上述过程周而复始，从而形成振荡。C 的充放电电压在 1/3Vcc～2/3Vcc之间，由此可以计算出振荡周期 T=0.7(R1+2R2)C。 第 8 页 共 21页 3.4.2 单稳态触发器 单稳态触发器具有下列特点：1）它有一个稳定状态和一个暂稳状态；2）在外来触发脉冲的作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；3）暂稳状态维持一段时间以后，将自动返回到稳定状态，而暂稳状态的时间长短，与触发脉冲无关， 仅决定于电路本身的参数。 用 555 定时器构成的单稳态触发器如图3.5所示，由图3.5也很容易分析出电路的工作原理。在没有触发信号( ui为高电平)，即2 脚为无效的高电平、 6 脚为无效的低电平时，电路保持在稳定状态；K 接通，Uo=Uol。如果刚接通电源时电路处于 K 断开、Uo=Uoh的状态(暂稳态)，则C会被 Vcc 通过R 充电，当uc上升至2/3Vcc时，6 脚变为有效电平，电路翻转为稳态( K 接通，Uo =Uol)，C 通过开关 K迅速放电完毕。然后 6 脚和 2 脚都变为无效电平，使电路保持 在稳态。 当输入有效的触发信号，即2脚 ui 输入为低电平时，K 断开，Uo =Uoh，电路处于暂稳态。暂稳态的维持时间由电容C充电过程决定；C被 Vcc 通过 R 从0充至2/3Vcc时，6脚电平变为有效，导致K接通，电路返回稳态，C上的电压 uc 很快又通过 K放至0。暂稳态维持的时间 tw=1.1RC，就是单稳态触发器输出 脉冲宽度，可作为定时控制时间。 图3.5 单稳态触发电路 单稳态触发器的工作波形图如下图3.6所示 第 9 页 共 21页 图3.6 单稳态触发器工作波形图 鉴于单稳态触发器所具有的特点，它在数字系统和装置中，一般应用于定时 （产生一定宽度的方波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的脉 冲）以及延时（将输入信号延迟一定的时间之后输出）等方面。 3.4.3 施密特触发器 用 555 定时器构成的施密特触发器如图3.7 所示，由图 3.7也很容易分析出电路的工作原理。因为 2脚和 6 脚连接在一起作为 ui 端，所以当 ui< 1/3Vcc时，2 脚为有效电平，此时 K 断开，Uo=Uoh；当 1/3Vcc2/3Vcc时，6脚为有效电平，此时K接通，Uo =Uol。可见施密特触发器是一个具有滞回特性的反相器， 其上限阈值电压和下限阈值电压分别为 2/3Vcc和 1/3Vcc。 图3.7施密特触发器 第 10 页 共 21页 模拟发光电路主要是由普通的半导体发光二极管和限流电阻来完成的。如图 4.1所示。 图4.1 模拟发光电路图 LED1，LED2选用?3mm棕色或黄色发光二极管，R2采用RTX-118W型碳膜电阻器。 发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，发光二极管的发光颜 色决定于所用的

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。目前，有红、黄、绿、橙等色，其外形可以制成各种形状 的管子，如长方形、圆形等。 发光二极管具有单向导电性，只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时 才会发光，它的开启电压比普通二极管的大，红色的在1.6－1.8V之间，绿色的约2V。正向电流越大，发光愈强，使用时，应特别注意不要超过最大的功耗、 最大正向电流和反向击穿电压等极限参数。 发光二极管因其驱动电压低，功耗小，寿命长，可靠性高等优点，广泛应用 在显示电路中。 电阻R对应适量的值，可以保障发光二极管的正常发光且不损坏。 5 模拟发声电路主要引用的是语音集成电路芯片HFC5201，它的内部储有狗叫声，采用电平、不保持触发方式，一旦有高电平触发其触发端TG，便将内储的三声“汪――”叫声放出。HFC5201的工作电压在2.4－5V之间，为保证使用的安全性，在它的供电通路内串连接电阻，用以降压。其输出的驱动电流还是比较 小，无法驱动扬声器发声，因此，在对后极的连接过程中，连接功放电路，用以 第 11 页 共 21页 驱动扬声器使其发声。 电路原理图如图5.1所示。 图5.1 模拟发声电路原理图 （一）功率放大电路 与实用的多级放大器一样，集成运放的输出级要驱动负载。能够为负载提供 足够大功率的放大电路称为功率放大电路。从这个意义上讲，任何多级放大电路 的最后一级均为功率放大电路。 （2） 功率放大电路的主要参数 1） 最大输出功率 功率放大电路在输入正弦波信号且基本不失真的情况下，负载能够获得的最 大交流功率Pom。若最大不失真输出电压（有效值）为Uom，负载电阻为Rl，则最大输出功率： 2Pom＝Uom/Rl。 2） 效率 最大输出功率Pom与此时直流电源所提供的平均功率Pv之比称为效率η。即η＝Pom/Pv（Pv等于直流电源输出电流平均值与电源电压之积） （3） 功率放大电路的特点、功放管的工作状态和选择。 对功率放大电路的基本要求是在供电电源一定情况下，使负载获得尽可能大 的交流电压和电流，并获得尽可能高的功率。电源提供的功率除了消耗在负载上 第 12 页 共 21页 外，其余部分基本消耗在放大管上，因此，在组成功率放大电路时，应使得放大 管消耗的功率尽可能小。为此，通常使功放管在静态时工作在临界导通状态，甚 至工作在截止状态，使直流功耗趋于零。 在功放中，应依据功放管工作时所流过的最大集电极电流Icmax，所承受的 最大管压降Ucemax，所消耗的最大功率Ptmax来选择功放管。若晶体管的最大集电极电流、集电极耗散功率和最大管压降分别是Icm，Pcm，U(br)ceo则 Icmax上册

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