基于多路音控電路的任意控制的研究設(shè)計(jì)

　　音控電路既是用聲音對電路進(jìn)行控制，不必象無線遙控和紅外遙控一樣需要專門的遙控發(fā)射裝置，因而得到廣泛的應(yīng)用。目前市場上廣泛使用的樓道音控延時(shí)開關(guān)，音控玩具開關(guān)等即是如此。但是這只是一種輸出狀態(tài)的開關(guān)或只能順序控制多種輸出狀態(tài)的開關(guān)，不能任意控制輸出狀態(tài)。查閱國內(nèi)的一些刊物和雜志，目前還沒有發(fā)現(xiàn)對音控電路進(jìn)行任意控制輸出狀態(tài)的文章或論文。針對這一情況，研究音控電路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作出一種能任意控制輸出狀態(tài)的較廉價(jià)的抗噪性能較好的音控電路。

1 一般音控電路分析及任意控制輸出狀態(tài)音控電路設(shè)計(jì)思路

1.1 一般音控電路特點(diǎn)分析

　　無線遙控和紅外遙控容易對多路輸出進(jìn)行任意控制，其原因是都可以采用對發(fā)射裝置進(jìn)行狀態(tài)編碼，接收裝置又可以對收到的信號進(jìn)行解碼，因而可以任意控制輸出狀態(tài)。但音控電路一般無專門的發(fā)射裝置，無法對發(fā)射信號進(jìn)行編碼。另外，音控電路的最大缺點(diǎn)是抗干擾能力非常差，環(huán)境噪音很容易使音控電路產(chǎn)生誤動作，造成嚴(yán)重的不良結(jié)果。所以提高音控電路的抗噪能力是非常必要的。

1.2 設(shè)計(jì)思路

　　以掌聲作為輸入信號，見圖1波形示意圖，圖1(a)為掌聲輸入信號，圖1(b)為經(jīng)正向整流濾波后的波形示意圖。

　　由計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出經(jīng)RC電路選擇觸發(fā)T'觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)使開關(guān)電路動作。由圖2可知，RC電路的時(shí)間常數(shù)選擇得遠(yuǎn)大于掌聲輸入信號的間隔時(shí)間，電容上的電壓小于T'觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的電壓，雖然掌聲1和掌聲2使計(jì)數(shù)器的輸出y1，y2為高電平，但時(shí)間都很短暫，對應(yīng)1路和2路的RC電路輸出信號電平都很低，1，2路的開關(guān)電路都不動作。第3掌聲使計(jì)數(shù)器的輸出y3一直為高電平，(因?yàn)楹竺嬖贈]有掌聲了)該路的RC電路輸出信號為高電平，對應(yīng)T'觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)使開關(guān)電路動作。由此可見，用快速的連續(xù)掌聲就能任意控制音控電路的輸出狀態(tài)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路組成方框圖

　　(1)音控輸入放大電路：由駐極體話筒，三極管T1和外圍元件構(gòu)成，作用是進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換和初步放大。

　　(2)帶通放大電路：由RC網(wǎng)絡(luò)和雙運(yùn)放或4運(yùn)放LM324內(nèi)的1個(gè)運(yùn)放A1構(gòu)成帶通放大器，作用是進(jìn)行帶通放大，提高抗干擾能力。

　　(3)靈敏度控制與信號處理電路：由4運(yùn)放LM324內(nèi)的1個(gè)運(yùn)放A2及外圍元件和D1，C2等構(gòu)成，作用是進(jìn)行電壓放大，Rp可以調(diào)整音控電路靈敏度。放大的音頻信號再由D1，C2進(jìn)行整流和濾波，得到觸發(fā)脈沖信號。

　　(4)計(jì)數(shù)器電路：8進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4022對輸入的掌聲信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。8個(gè)輸出端只用了4個(gè)，當(dāng)計(jì)到5掌聲Y5為高點(diǎn)平時(shí)，觸發(fā)CD4022的異步復(fù)零端，使計(jì)數(shù)器復(fù)零。Y6，Y7未用。因?yàn)橹挥?路輸出。

　　(5)延時(shí)選擇電路：R13～R19和C5～C8組成RC充放電積分回路，D3～D6是電容C的放電二極管。作用是對前級輸出信號的脈沖進(jìn)行分離和選擇。

　　(6)雙穩(wěn)態(tài)電路：2塊上升沿雙D觸發(fā)器中的4個(gè)D觸發(fā)器接成4路T'觸發(fā)器，具有翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)和保持功能。

　　(7)開關(guān)控制電路：三極管T2～T5工作于開關(guān)狀態(tài)，雙向可控硅BCR1～BCR4受到三極管T2-T5的控制而導(dǎo)通或關(guān)斷，從而交流供電通路導(dǎo)通或關(guān)斷。

　　(8)電源：因?yàn)檎麄€(gè)電路耗電極微，由R21，C9，D11，Q10，D12組成簡單的穩(wěn)壓電源。

2.2 電路工作原理與電路設(shè)計(jì)

　　電原理圖如圖4所示。

　　圖4(a)為音控輸入放大電路、帶通放大電路、靈敏度控制與信號處理電路和計(jì)數(shù)器電路的電原理圖。圖4(b)圖為雙穩(wěn)態(tài)電路、開關(guān)控制電路和電源電路的電原理圖。

2.2.1 音控輸入放大電路

　　駐極體話筒將掌聲轉(zhuǎn)換成微弱的音頻信號送入到三極管T1的基極，該級為共射小信號放大器。若β=100，R1=5.1 MΩ時(shí)，Ic△0.14 mA，R3為20多kΩ，為了適應(yīng)不同的三極管，R1用5.1 MΩ的可調(diào)電阻，R3用51 kΩ的可調(diào)電阻。電壓增益為：

2.2.2 帶通放大電路

　　帶通濾波器是由高通濾波器和低通濾波器組合而成的，其典型電路及幅頻特性曲線見圖5。

　　輸入端的電阻R和電容C組成低通電路，另一個(gè)電容C和電阻R2組成高通電路，二者串聯(lián)起來接在集成運(yùn)放的同相輸入端，設(shè)R2=2R，R3=R，帶通濾波器的電壓放大倍數(shù)為：

　　由式(2)可知，改變電阻RF或R1阻值可以調(diào)節(jié)通帶寬度，但中心頻率fo不受影響。

　　掌聲頻率若為500 Hz，由式(1)，取C=0.1μF，可計(jì)算出：R=3.3 kΩ，f0=483 Hz，若Q取5，Aup=2.8(特別注意Aup不能大于或等于3，否則電路要產(chǎn)生自激)，R1=10 kΩ，RF=18 kΩ，(為調(diào)整方便RF可選33 kΩ的可調(diào)電阻)，由式(2)可知，通帶寬度B=0.2f0=96.6 Hz。

2.2.3 靈敏度控制與信號處理電路

　　本級為音控信號的電壓增益主放大器，波形失真對音控信號觸發(fā)計(jì)數(shù)器影響不太大。因而運(yùn)放的最大電壓增益設(shè)計(jì)為500，R11取2 kΩ2時(shí)，R12取1 kΩ的可調(diào)電阻，整流濾波的波形如圖6所示，取R12=10 kΩ，C4=10μF。濾波后的波形與矩形脈沖相似，矩形脈沖幅度為0.45 VCC大于手冊查到的CD4022的最小高電平觸發(fā)脈沖幅度0.3VCC，脈沖下降沿的時(shí)間滯后由電容C4的放電時(shí)間決定，約為C4R12=0.1 s(略去了CD4022輸入電阻的影響)，此值不可取得過大，若掌聲間隔時(shí)間過小，則電容上的電壓未降到CD4022的最大低電平觸發(fā)脈沖幅度，后面的掌聲不會起到任何作用。

2.2.4 計(jì)數(shù)分配電路

　　8進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4022對輸入的掌聲信號進(jìn)行計(jì)數(shù)分配。該電路與常見的計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)完全相同，8個(gè)輸出端只甩了6個(gè)，將Y5輸出信號送到CD4022的復(fù)位端RD端，梅成6進(jìn)制計(jì)數(shù)器。第1掌聲Y0為高電平，Y0為空腳，作為關(guān)斷電路之用。當(dāng)計(jì)到5掌聲Y5為高電平時(shí)，觸發(fā)CD4022的異步復(fù)零端，使計(jì)數(shù)器復(fù)零。Y6，Y7未用。

2.2.5 延時(shí)選擇電路

　　R12～R15和C6～C9組成4路RC充電回路，實(shí)際構(gòu)成RC積分電路。D3～D6是電容C的放電二極管。放電時(shí)間常數(shù)為RdC6，Rd是放電二極管的內(nèi)阻，隨通過二極管的電流而變；由于Rd很小，放電時(shí)間常數(shù)很短。

　　RC充電回路的時(shí)間常數(shù)：

　　此時(shí)C5上的電壓為0.63 VCC=3.8 V。實(shí)際上電容上的電壓只要大于雙D觸發(fā)器的最小高電平觸發(fā)電壓0.3 VCC=1.8 V，雙D觸發(fā)器就會翻轉(zhuǎn)。由RC一階零狀態(tài)響應(yīng)規(guī)律可導(dǎo)出對應(yīng)的時(shí)間為：

　　圖7是延時(shí)選擇電路輸出電壓波形(以連續(xù)4掌聲為例)。

　　第1掌聲無脈沖，第2、第3掌聲脈沖寬度很窄，輸出電壓uC1，2很小，不能使T'觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，只有第4掌聲脈沖寬度很寬，輸出電壓uC3很高，可以使T'觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。只要連續(xù)擊掌周期小于0.8 s，就可以對輸出電路進(jìn)行任意控制。

2.2.6 雙穩(wěn)態(tài)保持電路與開關(guān)控制電路

　　兩塊上升沿雙D觸發(fā)器中的4個(gè)D觸發(fā)器都是獨(dú)立的，將輸入端D與輸出端Q相連就成為T'觸發(fā)器，具有翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)和保持功能。觸發(fā)器輸出高電平電壓約為VCC，低電平電壓約為0 V。

　　三極管T2～T5工作于開關(guān)狀態(tài)，設(shè)雙向可控硅選用最大陽極電流IA為3 A?？刂茦O電流IG為10 mA，三極管β=100，限流電阻R21為：

　　為使三極管可靠飽和，R21～R24取20 kΩ，并在三極管T2～T5的集電極加200 Ω的限流電阻。

2.2.7 電源

　　因?yàn)檎麄€(gè)電路耗電極微，由R21，C9，D11，C10，D12組成電容降壓，半波整流，電容濾波，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓常見的簡單穩(wěn)壓電源。但注意的是電路接地端與220 V交流相連。調(diào)整時(shí)要特別注意安全。

3 結(jié) 語

　　根據(jù)設(shè)計(jì)制作出的音控裝置達(dá)到任意控制4路輸出的目的。功能為：間斷掌聲(間斷時(shí)間大于0.8 s)可使前幾路或4路都同時(shí)通電；連續(xù)掌聲(間斷時(shí)間小于0.8 s)可選擇任意路通電；連續(xù)掌聲加間斷掌聲可使后幾路或第4路都同時(shí)通電；第5掌聲使CD4022復(fù)位，但通電的路數(shù)仍保持通電；CD4022復(fù)位后，也可以采用前述的間斷掌聲或連續(xù)掌聲切斷欲關(guān)斷的路數(shù)。如果要簡單地切斷任意一路輸出，可將雙D觸發(fā)器的異步復(fù)位端RD由接地改為接8進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4022的Y0輸出端。當(dāng)Y0為高電平，4路D觸發(fā)器都被復(fù)位，4路輸出都被切斷。