七、光敏電阻調(diào)頻聲音報(bào)警器

多諧振蕩器可以發(fā)出音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。但是這種頻率固定的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)使人厭倦。為此，各種調(diào)制音頻信號(hào)被廣泛使用。光敏電阻可以用來(lái)解決聲音頻率的變化問(wèn)題。

電路原理

電路圖見圖24-071。電路由調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、光控電阻器、音頻振蕩器和陶瓷發(fā)聲片組成。光控電阻器由一個(gè)發(fā)光二極管、一個(gè)光敏電阻組合制作，見圖—。發(fā)光二極管由調(diào)制信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，發(fā)出固定頻率的閃亮燈光；光敏電阻的阻值跟隨調(diào)制頻率產(chǎn)生變化。由于光敏電阻是音頻振蕩器中反饋回路的一部分，所以音頻振蕩器的頻率也隨著調(diào)制頻率而發(fā)聲周期性變化。

圖24-071

制作要點(diǎn)

在實(shí)驗(yàn)未完成之前，應(yīng)在面包板上制作。此外還要注意發(fā)聲器的選擇也會(huì)影響到效果。如果使用壓電陶瓷片，音量較小，可作為模擬實(shí)驗(yàn)之用。如果采用喇叭，則應(yīng)加一級(jí)功率放大。喇叭和壓電陶瓷片發(fā)聲效果有很大區(qū)別，所以各個(gè)元件的參數(shù)應(yīng)重新通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．光控電阻器

用一個(gè)發(fā)光二極管和光敏電阻可組成一個(gè)非常實(shí)用的光控電阻器。為了縮小體積，可采用3毫米以下的發(fā)光管和直徑5毫米的光敏電阻，將它們頭對(duì)頭放置在一段黑色的絕緣管中即可，見圖24-072。當(dāng)它們的距離在10毫米以上時(shí)，信號(hào)輸入端與信號(hào)輸出端有良好的隔離性能，可以承受1000V以上的電壓。

圖24-072

2．聲音效果分析

從理論上看，頻率調(diào)制振蕩器產(chǎn)生矩形方波信號(hào)，控制發(fā)光二極管在亮和滅之間周期變化，因而音頻振蕩器輸出的聲音應(yīng)該是兩種頻率的聲音交替變化。但是實(shí)際上聲音是在兩種頻率之間變化。這是為什么呢？下面的解釋也許是正確的：發(fā)光二極管的亮度與驅(qū)動(dòng)電壓之間有滯后效應(yīng)；同樣，光敏電阻的阻值變化與接受的光線照度之間也有滯后效應(yīng)。從而導(dǎo)致聲音頻率的變化是從一個(gè)頻率逐漸變化到另一個(gè)頻率。

3．改進(jìn)聲音效果實(shí)驗(yàn)

為了獲得各種聲音效果，可改變兩個(gè)振蕩器的參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中選擇所需的聲音信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中要注意每次只改變一個(gè)參數(shù)。

如果在燈光驅(qū)動(dòng)電路中加入積分電路，使得發(fā)光二極管的亮度產(chǎn)生漸變，效果會(huì)更神奇。

八、偽隨機(jī)變色燈

偽隨機(jī)變色彩燈一旦開始運(yùn)轉(zhuǎn)，它的燈光顏色看起來(lái)一會(huì)兒是紅色，一會(huì)兒是綠色，一會(huì)兒是黃色，有時(shí)燈光還熄滅一會(huì)兒，令人不可捉摸。表面看起來(lái)這三種顏色的燈光及不亮的狀態(tài)是隨機(jī)的，但實(shí)際上它的變化在總體上是有規(guī)律的，只不過(guò)變化較為復(fù)雜而已。

電路原理

電路原理圖見圖24-081。本作品由兩個(gè)振蕩器，頻率調(diào)整器，燈光驅(qū)動(dòng)電路和燈光顯示電路組成。兩個(gè)振蕩器產(chǎn)生頻率不同的振蕩信號(hào)。振蕩頻率較低，振蕩周期在1秒鐘以上，由電阻R5和R8調(diào)整。工作時(shí)把兩個(gè)振蕩器的振蕩頻率調(diào)整為不相等的狀態(tài)，例如一個(gè)為2秒，另一個(gè)為2.5秒，再由它們分別控制紅色和綠色的燈光，則燈光就會(huì)發(fā)出紅色，綠色，黃色和不亮幾種狀態(tài)，它們以不固定的順序交替出現(xiàn)，而且每種顏色燈光點(diǎn)亮的時(shí)間也是互不相等的。表面看起來(lái)給人以隨機(jī)變色發(fā)光的效果。

圖24-081

制作要點(diǎn)

彩燈的燈光輸出一般為用數(shù)十只或數(shù)百只雙色發(fā)光二極管組成的圖案，要根據(jù)圖案的大小選擇發(fā)光二極管的直徑和數(shù)量，再計(jì)算出電源的電壓和電流以及驅(qū)動(dòng)電路的三極管的特性。例如制作“新年快樂(lè)”字樣的彩燈牌，每個(gè)字大小為30×30平方厘米，可采用直徑8毫米的雙色發(fā)光二極管共130個(gè)，每個(gè)發(fā)光二極管最大消耗電流為50mA，電源要有6A直流的輸出能力，電源電壓可在4～5V之間選用。燈光驅(qū)動(dòng)三極管可用硅大功率管3DD15。

焊接成功后要認(rèn)真檢查一遍電路，確保沒有短路等故障，才可接通電源實(shí)驗(yàn)。調(diào)整可變電阻R5和R8可改變燈光變色快慢和變色規(guī)律；調(diào)整可變電阻R6和R9可改變燈光亮度和顏色。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．偽隨機(jī)變色原理

把兩個(gè)頻率不同的振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)混合在一起，可產(chǎn)生混頻和差拍現(xiàn)象，這種現(xiàn)象作用在發(fā)光電路中，就產(chǎn)生了偽隨機(jī)變色現(xiàn)象。如果一個(gè)振蕩電路的振蕩周期是2秒，另一個(gè)振蕩電路的周期是2.5秒，則它們合成在一起，就產(chǎn)生了一個(gè)包含一系列的振蕩頻率的復(fù)雜的振蕩。如圖24-082。在本電路中，兩個(gè)不同頻率的振蕩信號(hào)分別由兩路顯示驅(qū)動(dòng)放大，然后分別輸出到雙色發(fā)光二極管中，在雙色發(fā)光二極管中進(jìn)行合成。在每一個(gè)雙色發(fā)光二極管中包含一個(gè)紅色燈和一個(gè)綠色燈。不妨認(rèn)為紅燈按照2秒的周期被點(diǎn)亮，每個(gè)周期亮1秒鐘暗1秒鐘，綠燈按照2.5秒的周期被點(diǎn)亮，每個(gè)周期亮1.25秒鐘暗1.25秒鐘。合成后的燈光有下面幾種情況：紅燈亮而綠燈不亮，發(fā)紅光；綠燈亮而紅燈不亮，發(fā)綠光；紅燈和綠燈同時(shí)亮，則發(fā)黃光；紅燈和綠燈同時(shí)熄滅，則不發(fā)光。從圖中不難看出，上述的變化過(guò)程中，每種情況出現(xiàn)的時(shí)間是不相等的，它們出現(xiàn)的順序表面看起來(lái)也沒有規(guī)律，可給人以隨機(jī)變化的感覺；但實(shí)際上燈光顏色的變化總體上是有規(guī)律的，是按照比每一個(gè)振蕩器的周期更長(zhǎng)的一個(gè)周期在進(jìn)行著循環(huán)變化，所以叫做偽隨機(jī)變色彩燈。在這個(gè)例子中，燈光顏色的變化周期是10秒。這一點(diǎn)也可通過(guò)一段長(zhǎng)時(shí)間的觀察看出來(lái)。

圖24-082

2．三極管的直流放大作用

本電路中用4069作振蕩器，每個(gè)4069的非門輸出能力約為2mA，而燈光顯示電路工作時(shí)需輸出高達(dá)數(shù)安培的電流，所以要把非門的輸出電流進(jìn)行放大，以保證燈光顯示電路的正常工作。這里采用晶體三極管進(jìn)行直流電流放大。

晶體三極管簡(jiǎn)稱三極管，按元素類型分有鍺管和硅管。由于硅管性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉，因而被廣泛使用。三極管的主要性能是可以進(jìn)行電流放大。從基極到發(fā)射極之間輸入較小的電流Iin，在集電極和發(fā)射極之間就可以得到較大的輸出電流Iout。輸出電流Iout與輸入電流Iin的比值稱為三極管的直流放大倍數(shù)，直流放大倍數(shù)用hfe表示。一般地單個(gè)三極管的直流放大倍數(shù)在40～200之間；有的小功率三極管具有很高的放大倍數(shù)，如9014，放大倍數(shù)可達(dá)1000倍。

如何設(shè)計(jì)三極管直流放大電路呢？首先計(jì)算電路所需的總放大倍數(shù)。放大倍數(shù)K＝輸出電流/輸入電流。在本電路中，輸出電流＝3000mA，輸入電流＝2mA，K=3000/2=1500。顯然，用一個(gè)三極管是不能滿足設(shè)計(jì)的，所以決定用兩個(gè)三極管組成串聯(lián)放大。首先用9013小功率三極管進(jìn)行第一級(jí)放大，然后再用3DD15進(jìn)行第二級(jí)功率放大。9013的放大倍數(shù)可達(dá)100，3DD15的放大倍數(shù)約為50，兩級(jí)放大的總倍數(shù)可滿足設(shè)計(jì)要求。第二級(jí)功率放大電路要推動(dòng)燈光顯示電路，如果用5V工作電壓，每一路燈光顯示電路的消耗功率為5V×3A=15W；每一路的功率放大管在導(dǎo)通時(shí)集電極和發(fā)射極之間的直流壓降約為3V，輸出電流為3A，消耗功率約為10W。采用大功率的三極管3DD15，可滿足本電路的需要。為了保證長(zhǎng)時(shí)間工作，功率管應(yīng)加裝鋁質(zhì)散熱片。有關(guān)三極管的最大輸出功率，可查電子手冊(cè)得到。

常用的雙色發(fā)光二極管是共陰極的，也就是外部接線有三條，中間的一條是公共負(fù)極，兩邊的接線分別是紅燈和綠燈的正極。如果使用上百個(gè)發(fā)光管，要將同顏色的發(fā)光二極管并聯(lián)在一起，這就要求必須使用同一種型號(hào)的發(fā)光二極管，以保證在并聯(lián)狀態(tài)下工作電壓一致。為了驅(qū)動(dòng)共陰極的發(fā)光管，選用NPN硅晶體管驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用共集電極電路。由于實(shí)際上雙色發(fā)光二極管中紅色管和綠色管的工作電壓不同，所以在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中各自安裝了電流調(diào)整器，即可變電阻R6和R9，通過(guò)調(diào)整電阻R6和R9的大小來(lái)調(diào)整每一路驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流。電流調(diào)整器有兩個(gè)功能，調(diào)整和控制顯示驅(qū)動(dòng)電路的電流，以避免電流過(guò)大燒毀器件；此外還能調(diào)整紅色和綠色燈光的平衡，從而調(diào)整燈光的顏色。

3．電源的設(shè)計(jì)。首先確定電源輸出電流：當(dāng)紅色和綠色燈光同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，電流消耗最大，本機(jī)中電源的最大消耗電流為6A；當(dāng)只有紅色或綠色燈光點(diǎn)亮?xí)r電流約為3A；所以確定電源的直流輸出能力為6A。其次確定電源電壓：發(fā)光二極管采用并聯(lián)，工作電壓約為2.2V；共集電極放大實(shí)際上是電壓跟隨器，也就是電壓放大倍數(shù)為1，考慮到每個(gè)三極管工作時(shí)的壓降，電源電壓至少要在4V以上，但不應(yīng)超過(guò)5V，以免加大不必要的電源消耗。如用成品的穩(wěn)壓電源，可用輸出直流5V，輸出電流5A以上的交流直流變換器。也可以自己設(shè)計(jì)一個(gè)直流供電器。有關(guān)此種電路的設(shè)計(jì)很多書刊都有介紹，這里就不提及了。

九、聲音指示燈和紅外遙控信號(hào)顯示器

4069除了可以作為門電路，用來(lái)處理數(shù)字信號(hào)之外，還可以用作線性放大，處理模擬信號(hào)。本文介紹兩個(gè)作品，聲音指示燈和紅外遙控信號(hào)顯示器。聲音指示燈可以使我們“看見”聲音，每當(dāng)周圍出現(xiàn)聲音，哪怕是微小的聲音，都會(huì)使本作品的指示燈閃閃發(fā)光

電路原理

電路原理圖見圖24-091。聲音由MIC變成音頻信號(hào)，傳送到由4069組成的音頻放大器進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波電路變成脈動(dòng)信號(hào)，推動(dòng)發(fā)光二極管跟隨聲音信號(hào)發(fā)光。

圖24-091

制作要點(diǎn)

MIC采用駐極體話筒。發(fā)光二極管采用直徑3毫米的高亮度管。電源電壓可采用3V或4.5V，視所需發(fā)光亮度而定，電壓高則發(fā)光強(qiáng)。

整機(jī)按電路接好后即可工作。此時(shí)周圍如果有聲音，發(fā)光二極管D2就會(huì)閃亮。電路靈敏度很高，可響應(yīng)周圍環(huán)境微小的聲音。本機(jī)的靈敏度由R4與R5的值決定。比值R4/R5要求小于1，這個(gè)比值越接近1，靈敏度越高。如選用R4＝330k，R5＝470k，則靈敏度會(huì)下降。

如果使用的電池用舊了，其內(nèi)阻增加，電路可能產(chǎn)生自激振蕩，這時(shí)周圍既使很安靜，聲音指示燈也會(huì)閃亮。消除的方法是在電源上并聯(lián)一個(gè)100微法的電解電容。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4069用作線性放大的原理

4069包括6個(gè)非門，每個(gè)非門都可以進(jìn)行邏輯的非運(yùn)算，還可以用來(lái)做線性放大。典型的非門線性放大電路見圖24-092。這樣的電路為什么具有線性放大的功能呢？我們先從非門的輸入輸出性質(zhì)說(shuō)起。

圖24-092

一般說(shuō)來(lái)，非門輸入高電位則輸出低電位，輸入低電位則輸出高電位。如果輸入電壓正好為電源電壓的二分之一，也就是不高也不低，那末輸出電壓該如何呢？實(shí)際上非門的輸入電壓在電源電壓的二分之一附近有一個(gè)區(qū)間，稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，只要輸入電壓由很小的變化，就可以引起輸出電壓產(chǎn)生較大的變化，即輸出電壓與輸入電壓之間成線性放大的關(guān)系。圖24-93形象地表示出非門的線性放大性質(zhì)，水平軸上的線段AB就是輸入電壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)。非門電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)內(nèi)具有電壓放大功能，故狀態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)又叫線性放大區(qū)。

圖24-093

如果電源電壓是3V，則輸入電壓在1.5 V附近，從1.4V到1.6V之間變化，則可引起輸出電壓的線性變化。輸出電壓的變化范圍在0 V到3 V之間，其變化幅度大于輸入電壓的變化。一般地，一個(gè)非門的電壓放大倍數(shù)在20到30倍之間。

如何實(shí)現(xiàn)非門的線性放大功能呢？在電路中，電阻R8起著關(guān)鍵的作用。從上面的分析可知，只有輸入電壓在電源電壓的一半附近的線性放大區(qū)內(nèi)，非門才能正常地進(jìn)行線性放大。電阻R8的作用就是將非門的輸入電壓偏置在線性放大區(qū)的中點(diǎn)，也就是在沒有信號(hào)輸入時(shí)，使非門的輸入電壓正好在線性放大區(qū)的中點(diǎn)。這是由R8的直流負(fù)反饋功能實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)電路中，非門的輸入端與輸出端通過(guò)反饋電阻相連，如果輸出端為高電位，則輸入端也為高電位，即輸出電壓Uo＝輸入電壓Ui，而輸入電壓高則會(huì)使輸出端電位變低。只要輸出電壓不在電源電壓Udd的二分之一處，通過(guò)R8反饋到輸入端，均會(huì)引起輸出電壓向Udd的二分之一處變化，直到最后輸出電壓和輸入電壓在該處達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止。也就是說(shuō)只有輸出端保持電源電壓的一半這一點(diǎn)上，非門的狀態(tài)才能保持穩(wěn)定。

如圖的放大電路中，因?yàn)镽8除了提供直流負(fù)反饋之外，還有交流負(fù)反饋的功能，所以其阻值不能太小，一般在1M左右。R7的作用是什么呢？R7與R8一起決定交流信號(hào)的反饋系數(shù)，從而決定電路的放大倍數(shù)。當(dāng)R8/R7的值小于非門線性放大器的開環(huán)放大倍數(shù)時(shí)，我們可近似地認(rèn)為這個(gè)電路的放大倍數(shù)是R8/R7。例如R8為1M，R7為100k，放大倍數(shù)為1000/100=10。R7還有一個(gè)作用是改善輸入電阻和輸入電路的頻率特性。電容C4的主要作用是隔離直流，傳輸交流信號(hào)。

2．檢波電路原理

經(jīng)過(guò)音頻電路放大后的信號(hào)是頻率范圍在幾十赫茲到幾千赫茲的交流信號(hào)，在本電路中則最后變成音頻的脈沖信號(hào)。為了更有效地驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，采用了由門F4、二極管D1、電阻R6、電容C3組成的檢波電路。它可以把音頻的脈動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成按音量大小變化的脈動(dòng)信號(hào)。D1具有單向?qū)щ姷男再|(zhì)，它的作用與通常的檢波電路的原理相同，但工作狀態(tài)有區(qū)別。從理論上說(shuō)，檢波電路輸入的交流信號(hào)，輸出直流信號(hào)。而在本電路中，D1輸入和輸出的都是直流信號(hào)，然而這只是表面現(xiàn)象，D1在電路中的作用在本質(zhì)上和典型的檢波電路完全相同。R6與C3組成積分電路，它的作用是把脈沖信號(hào)變成脈沖信號(hào)的包絡(luò)信號(hào)，它的時(shí)間常數(shù)決定發(fā)光的余輝的時(shí)間，這里選用0.1秒。

3．4069音頻放大器的設(shè)計(jì)

本機(jī)4069的線性應(yīng)用實(shí)際上是一個(gè)音頻放大電路，它除了可以指示聲音之外還有許多用途。比如用于話筒的前級(jí)放大，這時(shí)就需要對(duì)電路的性質(zhì)有較高的要求。下面就來(lái)討論有關(guān)問(wèn)題。

穩(wěn)定性。由于一個(gè)非門的放大倍數(shù)較小，通常采用多級(jí)非門串聯(lián)使用。為了使電路穩(wěn)定工作，在設(shè)計(jì)這樣的電路時(shí)要注意串聯(lián)的門的個(gè)數(shù)應(yīng)為3個(gè)或5個(gè)，避免用偶數(shù)個(gè)。原因是一個(gè)非門在做線性放大時(shí)，其輸出端與輸入端的信號(hào)的相位是相反的。這樣，采用奇數(shù)個(gè)非門，其最后輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位也是相反的。在這種情況下，即使整個(gè)放大電路的放大倍數(shù)很大，電路也不易產(chǎn)生自激振蕩。

負(fù)反饋問(wèn)題。單個(gè)非門用作線性放大，需用一個(gè)直流負(fù)反饋電阻，它同時(shí)具有交流負(fù)反饋功能。交流負(fù)反饋降低了放大倍數(shù)，但也減少了失真，可謂是有失有得。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)多加注意，利用負(fù)反饋，揚(yáng)長(zhǎng)避短。例如要設(shè)計(jì)一個(gè)電壓放大倍數(shù)為10左右的音頻放大電路，則可采用1個(gè)非門或3個(gè)非門串聯(lián)起來(lái)，采用如圖24-094的電路。如果要設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)在30倍以上的電路，則可采用3個(gè)非門或5個(gè)非門串聯(lián)。放大倍數(shù)決定后可按公式“放大倍數(shù)＝Rf /Ri”計(jì)算Rf和Ri的阻值。

圖24-094

當(dāng)電阻Ri給定之后，就可以根據(jù)最低工作頻率決定輸入電容的大小了；可用公式C=1/2πf R來(lái)計(jì)算。公式中f的單位是赫茲，取工作頻率范圍的最低值，R的單位是歐姆，C的單位是法拉。例如工作頻率范圍在200～4000Hz，則取f=200，電阻R2用100k，則C=1/2×3.14×200×100k=0.008微法，實(shí)際可用0.01～0.047微法。

4．非門工作點(diǎn)偏移實(shí)驗(yàn)

從理論上說(shuō)，采用3級(jí)門電路可以獲得10000倍的放大能力。但實(shí)際上存在著工作點(diǎn)偏移的問(wèn)題，電路不能保證后面的非門工作在線性放大區(qū)，因而不能有效地放大模擬信號(hào)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，門1的輸出為電源電壓的二分之一，門2的輸出則有微小的偏移，門3的輸出電壓已明顯偏移電源電壓的二分之一。如果是5級(jí)串聯(lián)放大，后面兩級(jí)非門的工作點(diǎn)已偏移到線性工作范圍之外了。作為模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，這樣的放大電路會(huì)產(chǎn)生很大的失真，應(yīng)盡量避免采用。但在聲音顯示電路中，可以利用這個(gè)特點(diǎn)簡(jiǎn)化電路。各種型號(hào)的4069的偏移情況是不同的，也就是在串聯(lián)級(jí)數(shù)固定的情況下，后面非門偏移的狀態(tài)是“上偏”還是“下偏”，還有偏移程度，可由實(shí)驗(yàn)確定。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，采用HDI4069，第5級(jí)非門輸出為“常高”，即在無(wú)信號(hào)輸入的情況下，輸出端為高電位。

5．CMOS電路輸出驅(qū)動(dòng)電流實(shí)驗(yàn)

本機(jī)電路采用兩個(gè)非門并聯(lián)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。并聯(lián)可以提高輸出能力。單個(gè)非門的輸出能力如何呢？讀者可通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到答案。把電流表按圖24-095接入，即可測(cè)出非門的輸出電流。一般電源電壓為3V，單個(gè)非門最大輸出電流約為0.7mA；電壓增至4.5V，這個(gè)電流增至3mA左右。初學(xué)者要注意，CMOS是半導(dǎo)體器件，不能用歐姆定律來(lái)解釋和計(jì)算電壓和電流的關(guān)系。使用兩個(gè)非門并聯(lián)，在3V電源電壓的情況下，可以輸出1mA的電流點(diǎn)亮發(fā)光二極管，對(duì)于直徑3mm的高亮度發(fā)光管來(lái)說(shuō)，還是可以的。

圖24-095

6.壓電陶瓷片當(dāng)作話筒

圖24-096的電路采用了駐極體話筒，其特點(diǎn)是靈敏度較高，頻率范圍較寬。但在本電路中不免有些大材小用，況且它需用一個(gè)偏置電阻，在靜態(tài)時(shí)消耗電流?？梢杂脡弘娞沾善鳛楸緳C(jī)的MIC，電路如圖—，這樣不但簡(jiǎn)化了路，而且在靜態(tài)時(shí)整機(jī)消耗電流僅為幾微安。

圖24-096

7.思考

本電路給出了一級(jí)聲音燈光指示，你能設(shè)計(jì)出多級(jí)音量的指示燈嗎？比如設(shè)計(jì)一種環(huán)境噪聲模擬顯示器，分別用綠、黃、紅三色燈光顯示周圍環(huán)境為安靜、正常、吵鬧三種情況。

8.紅外遙控信號(hào)接收實(shí)驗(yàn)

①制作

紅外遙控信號(hào)顯示器可以接收各種家用電器的紅外遙控發(fā)射器的信號(hào)，并用燈光的形式顯示出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，讀者可以利用家電的紅外遙控發(fā)射器制作紅外遙控裝置。電路原理圖如圖24-097。它主要由紅外信號(hào)接收器、放大器和燈光驅(qū)動(dòng)和顯示電路組成。紅外發(fā)射器發(fā)出的紅外信號(hào)由紅外接收二極管D1接收并變成電信號(hào)，輸送到由4069組成的放大電路，再由放大電路放大。經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)由二極管組成的檢波電路將高頻調(diào)制信號(hào)變成低頻脈沖信號(hào)，最后推動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光。這個(gè)電路與聲音指示燈電路幾乎完全相同。不同之處在于傳感器電路，原電路的R1改成了Rt，在原來(lái)接MIC的地方接入了一個(gè)紅外接收二極管。還有將原電路的電容C1換成了Ct。其余部分則完全相同。

圖24-097

按電路圖裝好后，即可用一種家電的紅外遙控器對(duì)準(zhǔn)接收器的紅外接收管，按動(dòng)其中任何一鍵。此時(shí)如電路正常，接收器應(yīng)發(fā)出脈動(dòng)的亮光，表示制作成功。

如果電路不能正常工作，則應(yīng)首先檢查4069各非門的輸出輸入端的電壓。檢查時(shí)要使用數(shù)字式電壓表。4069的線性放大部分的輸入輸出端電壓應(yīng)為電源電壓的一半。此后，可檢查紅外接收二極管D3的極性是否接線正確。D3的正確接法是正極接地（電源負(fù)極），負(fù)極接電源正極。對(duì)于不知道極性的紅外接收二極管可用指針式萬(wàn)用電表測(cè)量它的極性。使用歐姆表R×1k擋測(cè)量電阻值，和普通的二極管一樣，當(dāng)電阻較大時(shí)，電表的紅色表筆接觸的那一端為二極管的正極。與普通二極管不同的是，此時(shí)用白熾電燈照射紅外接收二極管，其電阻值應(yīng)明顯變小，表示紅外二極管具有接收紅外信號(hào)的功能。如果有幾個(gè)紅外接收管，可用這種方法區(qū)分出它們的靈敏度，一般在白熾燈照射下，阻值變化較大的靈敏度較高。

②陶瓷濾波器性能實(shí)驗(yàn)

紅外遙控信號(hào)的頻率與聲音頻率范圍不同，放大器的電路也要隨之改變。聲音放大電路的工作頻率范圍一般在20～20000Hz之間，而紅外遙控信號(hào)的頻率是455kHz。為了提高接收器的抗干擾性，電路使用了一個(gè)頻率為455kc的陶瓷濾波器。如果沒有這種陶瓷濾波器，可以用一個(gè)100pF的電容器代替。

③抗干擾能力實(shí)驗(yàn)

這個(gè)電路能用來(lái)制作遙控裝置的紅外接收器嗎？回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。將接收器放在臺(tái)燈旁邊，然后打開和關(guān)閉臺(tái)燈，就會(huì)發(fā)現(xiàn)紅外信號(hào)接收器的顯示燈隨著開關(guān)的動(dòng)作閃亮。這是怎么回事呢？這是220V交流電源的電線發(fā)出的干擾信號(hào)引起的。每次在開燈和關(guān)燈時(shí)的一瞬間，電燈線路內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生電流的躍變，從而在電燈及電線周圍產(chǎn)生電磁波干擾。放在附近的紅外遙控信號(hào)顯示器受到干擾，就產(chǎn)生了燈光閃亮的現(xiàn)象。這說(shuō)明用它來(lái)作為紅外遙控信號(hào)接收器是不可靠的，極易受到外界的干擾而導(dǎo)致誤動(dòng)作。看來(lái)這個(gè)簡(jiǎn)單的電路只能用來(lái)顯示紅外信號(hào)的存在，不能用在正式的接收設(shè)備中。如果要利用家電的紅外遙控發(fā)射器制作紅外遙控裝置，其接收器必須具有抗干擾的性能。另外，雷電也能被它接收到，導(dǎo)致顯示器的燈光閃亮。不過(guò)我們換一個(gè)角度來(lái)思考問(wèn)題，這個(gè)電路易受外接干擾的缺點(diǎn)也可以變成優(yōu)點(diǎn)。比如用它來(lái)制作一種紅外遙控電子玩具的接收裝置，它就不但是一個(gè)遙控玩具，而且還有雷電信號(hào)指示的功能。

十、二進(jìn)制數(shù)演示器

數(shù)字時(shí)代的一個(gè)帶有革命性的發(fā)明就是采用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行計(jì)算。然而二進(jìn)制數(shù)不象十進(jìn)制數(shù)那樣直觀，很多人對(duì)它感到陌生甚至困惑。二進(jìn)制數(shù)演示器可以讓我們演示二進(jìn)制數(shù)的產(chǎn)生、累加和進(jìn)位法則，通過(guò)親身體驗(yàn)掌握二進(jìn)制數(shù)的性質(zhì)。此外還可以用它設(shè)計(jì)出一些有趣的游戲。

電路簡(jiǎn)介

電路用4040集成電路制作，電路原理圖見圖24-101。電路由加1按鈕AN1，加法計(jì)數(shù)器，數(shù)碼顯示器和清零按鈕AN2等組成。數(shù)碼顯示器有12個(gè)發(fā)光二極管，用來(lái)顯示12位二進(jìn)制數(shù)字。接通電源后，12個(gè)發(fā)光二極管均不亮，表示當(dāng)前的數(shù)字為0。每按動(dòng)并松開一次加1按鈕開關(guān)AN1，就向計(jì)數(shù)器輸入數(shù)字“1”，計(jì)數(shù)器就會(huì)把輸入的數(shù)累加起來(lái)，再由數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)。例如我們總共按動(dòng)了10次加1按鈕，數(shù)碼顯示器就會(huì)顯示“000000001010”，其中發(fā)光二極管點(diǎn)亮表示數(shù)字“1”，熄滅表示數(shù)字“0”。無(wú)論何時(shí)按動(dòng)清零按鈕AN2，12個(gè)發(fā)光二極管均變成熄滅狀態(tài)，輸出的數(shù)字變成0。

圖24-101

制作要點(diǎn)

本電路電源可采用3V或4.5 V，不使用時(shí)其耗電甚微，所以不設(shè)電源開關(guān)。發(fā)光二極管要采用3毫米高亮度的，建議用紅色發(fā)光管。本機(jī)可在面包板上完成。12個(gè)發(fā)光二極管可排成一條直線，用來(lái)演示二進(jìn)制數(shù)；也可排成其它形狀的，用來(lái)做游戲以增加趣味。但無(wú)論排成什么形狀，都必須注意二進(jìn)制數(shù)的規(guī)律。為了正確演示二進(jìn)制數(shù)，12個(gè)發(fā)光二極管從右到左必須分別表示20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211。它們?cè)陔娐分蟹謩e用Q1、Q2、…、Q12來(lái)表示。電容C1的作用是防止按動(dòng)按鈕開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)脈沖對(duì)輸入信號(hào)的干擾，它和電阻R1組成積分電路，電容C1的數(shù)值可酌情調(diào)整，以做到既不產(chǎn)生誤動(dòng)，又能保證快速輸入數(shù)字；除此之外電路不需進(jìn)行任何調(diào)整即可正常工作。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4040集成電路工作原理

4040叫做12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器，主要用于計(jì)數(shù)和分頻。它有16個(gè)管腳，按雙排封裝的4040管腳排列接線圖見圖24-102。它的管腳包括兩個(gè)電源極Vdd和Vss，一個(gè)計(jì)數(shù)輸入極CP，一個(gè)清零（復(fù)位）極R和12個(gè)計(jì)數(shù)輸出極Q1～Q12。計(jì)數(shù)輸入極用來(lái)接受數(shù)字脈沖信號(hào)，每當(dāng)輸入到這個(gè)電極的脈沖輸入信號(hào)為下降沿時(shí)，計(jì)數(shù)器就開始計(jì)數(shù)。其內(nèi)部的計(jì)數(shù)器為加法計(jì)數(shù)。表1為4040的邏輯真值表。

圖24-102

表1，4040邏輯真值表

4040的計(jì)數(shù)原理為二進(jìn)制計(jì)數(shù)，它共有12級(jí)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它們互相串聯(lián)。每當(dāng)從輸入端輸入兩個(gè)脈沖，其最低位的輸出端Q1（20）輸出一個(gè)脈沖。在4040內(nèi)部，輸出端Q1 是下一級(jí)計(jì)數(shù)器的輸入端。也就是每當(dāng)Q1輸出兩個(gè)脈沖，輸出端Q2輸出一個(gè)脈沖。以下依此類推，所以4040也叫12級(jí)2分頻計(jì)數(shù)器。

2．二進(jìn)制數(shù)累加器演示實(shí)驗(yàn)。

接通電源，此時(shí)所有的發(fā)光二極管都不亮。按動(dòng)一下按鈕開關(guān)AN1，最右邊的發(fā)光二極管則被點(diǎn)亮。再按動(dòng)一下AN1，最右邊的發(fā)光二極管熄滅，而右邊第二個(gè)被點(diǎn)亮。依次按下去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)亮的順序如下：

…0001

…0010

…0011

…0100

……

其中“1”表示被點(diǎn)亮，“0”表示熄滅。此時(shí)按下清零鍵AN2，所有的發(fā)光二極管均熄滅。

重新開始。與上次不同的是，這次按下AN1并保持不動(dòng)，觀察發(fā)光二極管，你看到了什么？所有的發(fā)光管均不亮。然后釋放按鈕開關(guān)AN1，你又看到了什么？在釋放AN1的一瞬間，最右邊的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，4040的計(jì)數(shù)是在輸入脈沖信號(hào)的下降沿開始的。它還表明，輸入端和Q1端的計(jì)數(shù)關(guān)系確實(shí)是二進(jìn)制的關(guān)系，也就是二分頻的關(guān)系。即每當(dāng)輸入端輸入一個(gè)脈沖，Q1輸出半個(gè)脈沖（Q1端的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮）；當(dāng)輸入端輸入兩個(gè)脈沖，Q1輸出一個(gè)完整的脈沖（發(fā)光二極管熄滅）；而此時(shí)Q2被點(diǎn)亮，表示Q 1 和Q 2也是2分頻的關(guān)系。通過(guò)4040的時(shí)序脈沖波形圖（圖24-103）可以很清楚地看出4040的計(jì)數(shù)原理。

圖24-103

3．如何觀察時(shí)序脈沖波形圖

圖24-104為4040的時(shí)序脈沖波形圖，簡(jiǎn)稱波形圖。一般每種數(shù)字集成電路的性能手冊(cè)里都有波形圖。波形圖是了解數(shù)字集成電路的性能，正確進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，應(yīng)逐步熟悉它，了解它，最終掌握利用波形圖進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的方法。在4040的波形圖里，最上面一行是輸入端（CP）的電壓波形，第二行是復(fù)位端（R）的電壓波形，從第三行開始是輸出端Q1～Q12的電壓波形，為簡(jiǎn)便計(jì)輸出端只畫出了輸出端Q1～Q3的波形圖，余下Q4～Q12的波形圖請(qǐng)讀者根據(jù)二進(jìn)制數(shù)的性質(zhì)，自己畫出。如何使用波形圖呢？從中我們可以得到哪些信息呢？波形圖的橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電壓。首先我們用一條垂直于坐標(biāo)橫軸，也就是垂直于時(shí)間坐標(biāo)軸的直線（圖中的垂直虛線），從左到右逐漸移動(dòng)，然后查看這條虛線與各端電壓波形圖的交點(diǎn)的狀態(tài)是高電位還是低電位，就可以了解4040的工作狀態(tài)和工作過(guò)程。在數(shù)字電路中，各端的電壓只有兩種狀態(tài)，高和低，相對(duì)應(yīng)的數(shù)字為1和0。以圖中的最左邊的一條垂線為例，這是在輸入端輸入的脈沖信號(hào)完成了一個(gè)周期，電壓開始從高變低的時(shí)刻，也就是第一個(gè)脈沖信號(hào)的下降沿之處，4040的工作狀態(tài)。從波形圖上可以看出，輸出端Q2～Q12均為低電位，表示輸出0，而Q1則變成高電位，表示輸出1。讀者不難自己判斷出圖中第二條虛線之處，也就是輸入端輸入了兩個(gè)脈沖后，各個(gè)輸出端的狀態(tài)。時(shí)間再往后推，情況又如何呢？讀者可自己用一把尺子垂直放置，逐漸從左向右移動(dòng)，加以驗(yàn)證。用這個(gè)方法可以比較直觀地弄清楚輸入了3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)……脈沖之后，各個(gè)輸出端的狀態(tài)。如圖中第三條虛線表示輸入了6個(gè)脈沖信號(hào)后的結(jié)果；圖中的最右邊的一條虛線表示復(fù)位端變?yōu)楦唠娢恢?，?jì)數(shù)被強(qiáng)行終止，各個(gè)輸出端均變成0的情況。

4．計(jì)數(shù)小游戲

兩個(gè)人分別制作一個(gè)電路，可以在兩個(gè)人之間進(jìn)行計(jì)數(shù)游戲比賽。在此推薦4個(gè)游戲：①稱12個(gè)發(fā)光二極管都被點(diǎn)亮為“大滿貫”，比一比看誰(shuí)最先做成大滿貫的圖形。②算一算，為了得到大滿貫，需要按動(dòng)多少次開關(guān)？也就是二進(jìn)制數(shù)1111111111112換算成十進(jìn)制數(shù)是多少？③由一個(gè)裁判指定一種特定的圖形，雙方進(jìn)行比賽，看誰(shuí)用的時(shí)間最少。④限時(shí)游戲，規(guī)定一個(gè)時(shí)間，例如5秒鐘，看誰(shuí)點(diǎn)亮的發(fā)光二極管個(gè)數(shù)最多（注意不是數(shù)字最大）。

一個(gè)簡(jiǎn)單的二進(jìn)制數(shù)演示器竟然有如此多的樂(lè)趣，相信你也能設(shè)計(jì)出更有意思的游戲。

5．如何更快地得到大滿貫？

如果我計(jì)算沒有錯(cuò)誤，用上面的方法得到大滿貫需要按動(dòng)212-1（=4095）次開關(guān)?？磥?lái)這個(gè)游戲沒有幾十分鐘是不行的。怎樣才能在一分鐘內(nèi)就得到大滿貫?zāi)兀?/p>

有的讀者可能會(huì)想，制作一個(gè)音頻脈沖振蕩器，向計(jì)數(shù)器輸入音頻脈沖，結(jié)合使用按鈕開關(guān)，就可以在一瞬間得到大滿貫。這的確是一個(gè)好方法，而且也可行（希望讀者自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)解決這個(gè)問(wèn)題）。但如果規(guī)定雙方不得在原電路的基礎(chǔ)上增加電路，又該如何解決呢？當(dāng)然，允許每人用兩根導(dǎo)線解決問(wèn)題。解決的途徑之一是將電路設(shè)計(jì)的更簡(jiǎn)單一些。想想電路中電容C1的作用，它可以保證用按鈕開關(guān)輸入脈沖信號(hào)時(shí)避免抖動(dòng)信號(hào)的干擾。如果取消電容C1，又當(dāng)如何呢？通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)銜?huì)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)按動(dòng)一下開關(guān)，數(shù)字不是加1，而是加2甚至更多。如果這時(shí)把AN1的兩端分別接上兩根導(dǎo)線，然后用這兩根導(dǎo)線代替AN1，情況會(huì)如何呢？動(dòng)手一試你會(huì)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)把兩根導(dǎo)線一接觸，發(fā)光二極管會(huì)一下子亮好幾個(gè)，運(yùn)氣好一些，只需幾秒鐘就可以點(diǎn)亮近10個(gè)發(fā)光二極管。不過(guò)要注意，如果你不小心，使輸入的數(shù)字超過(guò)212后，計(jì)數(shù)器會(huì)從0開始重新計(jì)數(shù)。也就是用導(dǎo)線接觸的方法可以很快地把數(shù)字加大，但是不能得到指定的數(shù)字。所以對(duì)比賽來(lái)說(shuō)，用導(dǎo)線接觸要和用開關(guān)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行，才能保證你能獲勝。實(shí)踐表明，允許使用兩根導(dǎo)線進(jìn)行大滿貫游戲比起前幾個(gè)游戲要精彩的多。通過(guò)以上設(shè)計(jì)游戲和計(jì)數(shù)游戲比賽，可以使讀者更好地掌握4040的特性和設(shè)計(jì)電路的本領(lǐng)，開拓和提高讀者創(chuàng)新求變的能力。

十一、模擬聲音頻率計(jì)

在接收到聲音信號(hào)時(shí)，模擬聲音頻率計(jì)的發(fā)光二極管就會(huì)閃亮。根據(jù)燈光信號(hào)閃動(dòng)的快慢，就可以換算出所接收到的聲音信號(hào)的頻率。

電路原理

電路原理圖見圖24-111。電路用14位2進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器和振蕩器4060集成電路制作。用駐極體話筒接收聲音信號(hào)，用4060的兩個(gè)非門組成線性放大電路，把由話筒接收到的聲音信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的音頻信號(hào)通過(guò)計(jì)數(shù)分頻器進(jìn)行分頻。復(fù)位端R接地，以保證放大器和計(jì)數(shù)器正常工作。在4060的各級(jí)分頻輸出端，接有發(fā)光二極管，每個(gè)發(fā)光二極管都會(huì)根據(jù)該分頻端輸出的頻率顯示相應(yīng)的燈光信號(hào)，以供人工計(jì)數(shù)，再換算出聲音的頻率。比如一個(gè)發(fā)光二極管接在Q9輸出端，其分頻系數(shù)是29（=512），觀察它閃動(dòng)的次數(shù)，同時(shí)用手表計(jì)數(shù)，如測(cè)得燈光在10秒鐘內(nèi)閃動(dòng)8次，則可換算出所測(cè)量聲音的頻率為512×8÷10≈410Hz。

圖24-111

制作要點(diǎn)

電路電壓范圍3V4.5V。話筒采用駐極體微型話筒，電阻R1是話筒的直流偏置電阻，阻值范圍一般在3k10k之間?？烧{(diào)整電阻R1的阻值，使A點(diǎn)的電壓為電源電壓的一半，這樣從話筒輸出的音頻信號(hào)最強(qiáng)。此外電路不需調(diào)整，組裝無(wú)誤即可正常工作。調(diào)試時(shí)對(duì)著話筒說(shuō)話，就可以看到接在輸出端的二極管閃亮。為了清楚地觀察到二極管的閃亮頻率是根據(jù)所接收到的聲音的頻率變化而變化的，要注意以下兩點(diǎn)：⑴應(yīng)將話筒靠近聲音源；⑵所測(cè)量的聲音頻率應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定，比如電話摘機(jī)后的提示音，人唱歌時(shí)發(fā)出的聲音等?？梢愿鶕?jù)所測(cè)量的聲音的頻率范圍，決定使用4060的哪一個(gè)輸出端的燈光信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。比如測(cè)量低于1000赫茲的聲音，可以使用接在Q8或Q9上的發(fā)光二極管；測(cè)量高于1000赫茲的聲音，可以使用接在Q10或Q12上的發(fā)光二極管。4060有一個(gè)復(fù)位端R，為使4060正常工作，必須使復(fù)位端保持低電位；一旦復(fù)位端為高電位，所有的輸出端均被強(qiáng)制在低電位，振蕩器也停振。4060共有10個(gè)分頻輸出端，可根據(jù)需要選用，不用的輸出端可空置。為了使用方便，可以同時(shí)接入幾個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，并注意給每一個(gè)顯示燈光標(biāo)記上分頻系數(shù)。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4060集成電路的工作原理

14位2進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器和振蕩器4060集成電路的管腳排列圖見圖24-112。4060由兩部分電路構(gòu)成，一部分電路是14級(jí)分頻計(jì)數(shù)器，另一部分電路是振蕩器。分頻器部分與4040相似，分頻系數(shù)為1616384，由Q4Q14輸出；振蕩器部分可由其內(nèi)部的兩個(gè)非門和外接電阻和電容構(gòu)成RC振蕩器，振蕩頻率為f =1/2.2RC；也可以用外接晶體構(gòu)成高精度的晶體振蕩器；連接方法分別由圖24-113和圖24-114所示。

4060真值表

圖24-112

圖24-113

2．測(cè)量聲音頻率實(shí)驗(yàn)

測(cè)量聲音可用頻率計(jì)。在沒有頻率計(jì)的情況下，可用本電路間接測(cè)量聲音的頻率。聲音頻率一般高達(dá)幾百赫茲至幾千赫茲，用這樣高的頻率驅(qū)動(dòng)聲音信號(hào)或燈光信號(hào)，人眼睛和耳朵是無(wú)法計(jì)數(shù)的。本電路采用分頻的方法，把聲音頻率降低到幾赫茲甚至幾分之一赫茲，通過(guò)燈光信號(hào)顯示出來(lái)，然后再用眼睛測(cè)量出它的頻率。最后把結(jié)果換算成原來(lái)的聲音的頻率。下面用測(cè)量電話機(jī)摘機(jī)后的提示聲音的頻率的例子，說(shuō)明具體的方法。

準(zhǔn)備好一塊手表，然后摘下電話機(jī)，把電話機(jī)的耳機(jī)或喇叭對(duì)準(zhǔn)本電路的話筒；這時(shí)接在Q9處的發(fā)光二極管會(huì)發(fā)出閃亮，觀察手表的秒針，記錄下10秒鐘內(nèi)Q9處的發(fā)光二極管閃亮的次數(shù)是9次，再除以10就可以得到這個(gè)發(fā)光二極管閃亮的頻率為0.9赫茲。因?yàn)镼9的分頻系數(shù)是29（=512），所以用0.9赫茲再乘以512，得460赫茲，也就是電話聽筒里提示聲音的頻率為460赫茲。這樣測(cè)量的誤差較大，尤其是取時(shí)區(qū)間越短，誤差越大。為了提高測(cè)量精度，可以延長(zhǎng)采樣的時(shí)間，比如測(cè)出100秒鐘內(nèi)發(fā)光二極管閃亮的次數(shù)，就可以提高測(cè)量精度。

本電路的特點(diǎn)是只能測(cè)量在一段時(shí)間內(nèi)保持頻率穩(wěn)定的聲音，對(duì)那些頻率變化較快的聲音是無(wú)濟(jì)于事的。如果要測(cè)量自己唱歌的頻率，可用嘴對(duì)準(zhǔn)話筒發(fā)音，并保持?jǐn)?shù)秒鐘，然后記錄下某一個(gè)發(fā)光二極管的閃亮次數(shù)，就可以按照上述的方法測(cè)出你唱歌的發(fā)聲頻率。

3．4060秒脈沖信號(hào)發(fā)生器電路實(shí)驗(yàn)

按照?qǐng)D24-114的電路可以組裝一個(gè)秒脈沖信號(hào)發(fā)生器。用4060組成32768赫茲晶體振蕩器，再由Q14端輸出16384分頻后的2赫茲脈沖信號(hào)，再由4040進(jìn)行2分頻，就得到1赫茲的秒脈沖信號(hào)。這個(gè)秒信號(hào)在4040的Q1端輸出，用發(fā)光二極管以燈光的形式顯示出來(lái)。燈光每秒鐘閃亮一次，滅0.5秒，亮0.5秒。在本電路中，電壓最低可用到3V。振蕩電路能否正常工作的關(guān)鍵在于非門的反饋電阻Rs，它的阻值應(yīng)大于10MΩ。

圖24-114

4．定時(shí)器電路實(shí)驗(yàn)

4060廣泛用于定時(shí)器電路中。采用如圖24-113的RC振蕩器，可以獲得周期為T秒的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分頻，就可以在各個(gè)輸出端獲得周期為2-C *T秒的脈沖信號(hào)，其中c=4~14，從而得到幾分鐘到幾小時(shí)的定時(shí)電路。這樣的電路讀者應(yīng)該能夠自行設(shè)計(jì)。

5．聽無(wú)線電波

以前我們只能用耳朵聽出聲音頻率的高低，用本電路的分頻器原理，用眼睛也可以判斷出聲音頻率的高低。此外，我們還能應(yīng)用分頻器的原理做什么實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?a target="_blank">電子愛好者對(duì)無(wú)線電波并不陌生，人們天天都在和各種無(wú)線電波打交道。無(wú)線電波看不見也摸不著，我們實(shí)際上根本沒有直接接觸過(guò)它。用收音機(jī)，我們可以聽到它的載波信號(hào)；用電視機(jī)，我們可以看到它攜帶的視頻圖像。用頻率計(jì)，我們可以測(cè)量出它的頻率。而用4060分頻器，我們可以直接感受到無(wú)線電波的存在。

把一個(gè)陶瓷發(fā)聲片接在4060的10分頻輸出端，在11腳輸入中波無(wú)線電信號(hào)，就可以聽見陶瓷發(fā)聲片的鳴叫。中波無(wú)線電信號(hào)可以從中波收音機(jī)的本機(jī)振蕩器引出，通過(guò)一個(gè)10pF的電容器把中波信號(hào)連接到4060的11腳。具體電路請(qǐng)讀者自行設(shè)計(jì)，電路組裝成功后，就可以進(jìn)行聽中波無(wú)線電波的實(shí)驗(yàn)了。調(diào)整電波信號(hào)頻率的高低，鳴叫的聲音頻率也發(fā)出相應(yīng)的變化。也可以用4060的振蕩器產(chǎn)生頻率為100k～2M赫茲的信號(hào)，同樣可以聽見中波振蕩信號(hào)的“聲音”。以上實(shí)驗(yàn)有什么使用價(jià)值呢？我們?cè)谡{(diào)試有中波振蕩信號(hào)的電子電路時(shí)，需要隨時(shí)判斷中波振蕩信號(hào)是否工作正常，如果手頭沒有頻率計(jì)，可以用本實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷中波信號(hào)的存在；如果有幾種不同頻率的信號(hào)，還可以用它來(lái)比較出頻率的高低。

如何把中波無(wú)線電信號(hào)變成發(fā)光二極管的燈光信號(hào)呢？在聽無(wú)線電波信號(hào)的實(shí)驗(yàn)電路基礎(chǔ)上，再加一個(gè)4040分頻器就可以解決這個(gè)問(wèn)題。請(qǐng)讀者自己設(shè)計(jì)這個(gè)電路，然后進(jìn)行看中波無(wú)線電波的實(shí)驗(yàn)。

十二、玩具BP機(jī)

BP機(jī)是一種常用的通訊工具，每當(dāng)有人呼叫的時(shí)候，它會(huì)發(fā)出特定的聲音，提醒用戶查看信息。玩具BP機(jī)可以模仿BP機(jī)的呼叫提醒功能，每按動(dòng)一次按鈕，就會(huì)聽到一段BP機(jī)的提示叫聲。

電路簡(jiǎn)介

電路見圖24-121，用4011與非門集成電路制作，由觸發(fā)定時(shí)按鈕、開關(guān)脈沖振蕩器和聲光顯示器組成。每按動(dòng)一下觸發(fā)定時(shí)按鈕AN，電容C1被充電， 4011與非門的一個(gè)輸入端由原來(lái)的低電位變成高電位，第一級(jí)開關(guān)振蕩器開始工作，產(chǎn)生周期約為1.5秒的振蕩信號(hào)；該信號(hào)輸入到第二級(jí)開關(guān)振蕩器的控制端，產(chǎn)生周期約為0.3秒的間歇振蕩信號(hào)；第二級(jí)開關(guān)振蕩器在每1.5秒鐘內(nèi)工作0.75秒，產(chǎn)生三個(gè)方波脈沖，然后停止振蕩0.75秒；這個(gè)間歇振蕩信號(hào)控制聲光顯示電路，并通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)有源IC喇叭發(fā)出模仿BP機(jī)的三次短促的提示聲。這個(gè)過(guò)程大約持續(xù)30秒鐘，從按下AN開始，電容C1通過(guò)R1放電，4011與非門的控制輸入端的電壓由高電位逐漸降至低電位，第一級(jí)開關(guān)振蕩器工作30秒后停止工作，同時(shí)輸出低電位；這樣，第二級(jí)開關(guān)振蕩器停止工作并輸出低電位，控制聲光顯示電路停止工作。在電路發(fā)出聲音呼叫信號(hào)的同時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出同步的閃光。

圖24-121

制作要點(diǎn)

整機(jī)電源用3V電壓。有源IC喇叭必須采用工作電壓為3V的。調(diào)整積分電路R1C1的數(shù)值可以控制聲光提示持續(xù)的時(shí)間，讀者可根據(jù)自己的愛好自行調(diào)整，一般要求聲光提示時(shí)間保持30～60秒。調(diào)整開關(guān)振蕩器的電阻和電容的數(shù)值可以改變間歇振蕩器的工作頻率，從而改變呼叫聲的快慢節(jié)奏。電路用觸發(fā)定時(shí)按鈕控制，不另設(shè)電源開關(guān)。作品可以在面包板上完成，也可組裝在一個(gè)外形與BP機(jī)相同的盒子內(nèi)，制成一個(gè)玩具BP機(jī)。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4011與非門的輸入輸出特性

每個(gè)4011有4個(gè)與非門，每個(gè)與非門有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其內(nèi)部管腳接線圖見圖24-122。其中每個(gè)與非門的特性是只有當(dāng)兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入高電位，輸出端才能輸出低電位；只要有一個(gè)輸入端輸入低電位，則輸出端輸出高電位。根據(jù)它的這個(gè)特點(diǎn)，所以稱“與非門”。

圖24-122

4011真值表

2．開關(guān)振蕩器電路實(shí)驗(yàn)

從表1可以看出：①如果輸入端A、B并聯(lián)，它的功能相當(dāng)于一個(gè)非門；②如果其中的一個(gè)輸入端固定接高電位，例如A端接高電位，則B輸入端和輸出端也相當(dāng)于一個(gè)非門的功能；③如果其中的一個(gè)固定接低電位，則無(wú)論另一個(gè)輸入端的電位如何變化，輸出端恒輸出高電位。也就是說(shuō)，利用特性①可以把4011當(dāng)作非門使用；根據(jù)特性②和③，可以用與非門其中的一個(gè)輸入端作為控制開關(guān)，控制這個(gè)與非門的工作狀態(tài)：當(dāng)一個(gè)輸入端為高電位時(shí)，這個(gè)與非門可以作為普通的非門使用，而當(dāng)它為低電位時(shí)，這個(gè)與非門被鎖定，其輸出端保持在高電位狀態(tài)。開關(guān)振蕩器（見圖24-123）就是一種典型的應(yīng)用。通過(guò)這個(gè)電路實(shí)驗(yàn)，可以幫助我們理解與非門的特性。這個(gè)開關(guān)振蕩器由按鈕開關(guān)AN控制。當(dāng)未按下按鈕開關(guān)時(shí)，與非門的一個(gè)輸入端的電位由下拉電阻控制，保持在低電位，這時(shí)無(wú)論這個(gè)門的另一個(gè)輸入端的電位如何，其輸出均為高電位，于是多諧振蕩器不能工作，陶瓷蜂鳴器不發(fā)聲。當(dāng)按下按鈕開關(guān)，與非門的控制輸入端變成高電位，這個(gè)與非門與下一級(jí)已經(jīng)接成普通非門的與非門電路組成的多諧振蕩器開始工作，輸出音頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)陶瓷蜂鳴器發(fā)出聲音。很顯然,這個(gè)試驗(yàn)電路就是一個(gè)帶開關(guān)的門鈴電路。圖24-124是開關(guān)振蕩器的振蕩波形的示意圖。

圖24-123

圖24-124

3．模仿BP機(jī)叫聲的電路設(shè)計(jì)

我們先分析一種BP機(jī)呼叫聲音信號(hào)的特點(diǎn)。如果呼叫信號(hào)為“嘀嘀嘀-嘀嘀嘀-……”，則需要兩種頻率的脈沖信號(hào)。只有當(dāng)這兩種不同頻率的脈沖信號(hào)同時(shí)處于高電位時(shí)，才能控制喇叭發(fā)出叫聲。為了更簡(jiǎn)明地說(shuō)明這一點(diǎn)，我們把這兩種頻率的脈沖信號(hào)和它們的合成結(jié)果的波形圖畫在一起，見圖24-125。為了得到這種信號(hào)，可把4011的4個(gè)與非門分成兩組，組成兩個(gè)不同頻率的開關(guān)振蕩器。第一級(jí)開關(guān)受控振蕩器由RC積分電路控制，每按動(dòng)一次觸發(fā)按鈕開關(guān)，積分電路的電容上的電壓變成高電位，松開按鈕開關(guān)后其電壓按指數(shù)規(guī)律降低，可使與非門的控制輸入端得到大約30秒鐘的高電位。在4011的這個(gè)與非門的控制輸入端電位保持在高電位的時(shí)間內(nèi)，可使這一級(jí)振蕩器工作30秒鐘,產(chǎn)生周期為1.5秒的方波信號(hào)。第二級(jí)開關(guān)振蕩器則由第一級(jí)開關(guān)振蕩器輸出的周期為1.5秒的方波信號(hào)控制，在每個(gè)周期內(nèi)，控制電位有0.75秒的高電位，0.75秒的低電位；每當(dāng)控制電位處于高電位時(shí)，第二級(jí)振蕩器產(chǎn)生周期為0.25秒的振蕩信號(hào)，每當(dāng)控制電位處于低電位時(shí)，它停止振蕩，輸出低電位。第二級(jí)受控振蕩器輸出的信號(hào)如圖5最下面一行所示的波形，它每隔0.75秒產(chǎn)生三次脈沖信號(hào)，用這個(gè)脈沖信號(hào)控制喇叭發(fā)出模仿BP機(jī)的叫聲。

4．有源IC微型喇叭的驅(qū)動(dòng)。本機(jī)使用一種自帶音樂(lè)集成電路的微型喇叭，它由兩個(gè)接線管腳，分正負(fù)極，見圖6。其內(nèi)部的集成電路有很多種，可產(chǎn)生各種聲音，如歌曲，報(bào)警聲等；其外部電源電壓分3V、6V、9V等不同的品種，使用時(shí)要根據(jù)電源電壓合理選用；在額定的工作電壓下，其工作電流約為數(shù)十毫安。本機(jī)采用一種長(zhǎng)鳴的喇叭，電壓采用3V的，只要正確接通電源，就會(huì)發(fā)出鳴叫，永不停止。為了模仿BP機(jī)的聲音，采用兩級(jí)開關(guān)受控振蕩器控制發(fā)聲的時(shí)間。但是4011的控制信號(hào)輸出只有不到1毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)有源IC微型喇叭，本電路采用了三極管9013驅(qū)動(dòng)喇叭工作。將控制信號(hào)輸入到9013的基極，喇叭接在集電極。為了在發(fā)出聲音提示的同時(shí)得到燈光提示信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)一個(gè)發(fā)光二極管從4011傳送到9013的基極。在這里要提醒一下，由于控制信號(hào)直接從振蕩電路輸出，這個(gè)發(fā)光二極管還有緩沖的作用，以保證振蕩電路的正常工作，因此是不能省略的。如果不用這個(gè)發(fā)光二極管而直接將控制信號(hào)接入9013的基極，振蕩電路就不能工作。關(guān)于這一點(diǎn)有興趣的讀者不妨試驗(yàn)一下，根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果分析一下脈沖振蕩器的工作原理。

沒有有源IC微型喇叭怎么辦？這就需要自制一個(gè)音頻發(fā)聲器了。為了做到這一點(diǎn)，需要增加一個(gè)集成電路，4011或4069都可以；喇叭可以用壓電陶瓷片。具體電路的設(shè)計(jì)相信讀者自己能夠獨(dú)立完成。

5．最后請(qǐng)大家想一想，這個(gè)玩具BP機(jī)有什么實(shí)用價(jià)值呢？在有些場(chǎng)合，我們需要有禮貌地辭別客人。這時(shí)如果BP機(jī)響了，就是一個(gè)很好的借口。也就是我們需要一個(gè)“禮貌辭客機(jī)”。要是這個(gè)玩具BP機(jī)可以在預(yù)定的時(shí)間發(fā)出BP機(jī)的呼叫聲就行了。大家可能會(huì)想起在本刊今年的第一期上刊登的“定時(shí)聲光提醒器”，如果把這兩個(gè)作品結(jié)合起來(lái)，就能實(shí)現(xiàn)在預(yù)定的時(shí)間發(fā)出BP機(jī)的呼叫聲，這樣人們就可以體面地告別客人離去。有興趣的讀者不妨自己動(dòng)腦筋設(shè)計(jì)這樣的電路。