十九、天黑自動照明電燈

本作品每到天黑，就會自動點亮電燈，天明了電燈自動熄滅。在某些特定的場合，使用起來十分方便。

電路簡介

電路原理圖見圖24-191。電路由光線傳感器，脈沖整形電路，晶閘管交流開關和電源等部分組成。光線傳感器由光敏電阻Rg1和電阻R1組成，外界的環境光線通過光線傳感器變成電壓信號，輸入到由4093組成的脈沖整形電路；天亮的時候，光線強，光敏電阻Rg1的阻值比R1小，輸入到4093的電壓低于電源電壓的二分之一，通過脈沖整形電路門4輸出的信號為低電平；接在輸出端的發光二極管LED3不亮，晶閘管交流開關電路的光敏電阻Rg2的阻值在1MΩ以上，晶閘管不導通，電燈不亮。當天黑的時候，光線變弱，光敏電阻Rg1的阻值變大，輸入到4093的門1的電壓升高，導致門4輸出高電平；這時發光二極管LED3被點亮，光敏電阻Rg2的阻值變小，晶閘管導通，電燈被點亮。電源部分采用電阻降壓，通過二極管整流，把220V交流電變成直流電源。整個電路工作時耗電僅為0.5W。

圖24-191

制作要點

1．光線傳感器

要根據電燈使用的環境和用戶的要求進行調整光線傳感器的靈敏度。調整電阻R1的阻值，可以改變光線傳感器輸出的電壓的高低。此外R1的阻值也與光敏電阻Rg1的型號有關。光敏電阻Rg1選定之后，增大R1的阻值，電燈點亮的環境光線就暗一些；減少R1的阻值，電燈點亮的環境光線就亮一些。雖然電路有較強的抗干擾性能，安裝時應該避免使電燈直接照射到Rg1。

2．電路工作電壓原則上可用3～15V直流電源。決定工作電壓高低的是穩壓二極管的型號，電路采用兩個發光二極管LED1和LED2串聯代替穩壓管，工作電壓約為3.5V。整流電路中的降壓電阻R4的阻值大小決定直流電源輸出的電流能力。電路采用直徑3毫米的高亮度發光二極管直接照射光敏電阻，驅動晶閘管，只需1毫安電流就可以了。電源電路降壓電阻R4選用75k，功率用2W的就可以保證安全工作了。發光二極管LED1和LED2還可用來指示控制電路的工作狀態，當電燈點亮的時候，它變得比較暗。

學習、實驗與思考

1．4093施密特觸發器

4093為有施密特觸發器四2與非門，其管腳接線圖見圖24-192。作為非門使用，它與4011的功能相近。另一種和4069功能相近的施密特觸發器是40106，它有6個非門，都含有施密特觸發器。施密特觸發器的特點是它輸出的兩種電平狀態不是由脈沖信號觸發的，而是由輸入端信號的電位高低來觸發的。與普通的非門比較，它有兩個特點，一是當輸入電壓在轉折電壓上，輸出電平變化非常陡峭；二是它有兩個輸入閾值電壓VT-和VT+，且有 VT-〈1/2 Vdd〈VT+。當輸入電壓Vi由低電平逐漸升高時，當電壓升到VT-和1/2 Vdd時，輸出端電壓保持不變；只有上升到VT+ 時，輸出電平才由原來的高電平變為低電平，VT+叫做施密特觸發器的正觸發閾值電壓，一般VT+約為58～59%Vdd；與普通非門不同的是，當輸入電位Vi由高電位變低，當Vi降低到VT+ 時，輸出電平仍然保持低電平，并不翻轉；只有當Vi 繼續降低到VT-時，輸出電平才由低變高，VT-叫做施密特觸發器的負觸發閾值電壓，一般VT-約為38～39%Vdd。輸入信號只有超出VT-～VT+的范圍時，輸出電平才會翻轉。ΔVT＝VT+—VT-叫做施密特觸發器的回差電壓。與普通非門相比，施密特觸發器非門有很強的抗干擾能力，無論輸入何種模擬信號，輸出一律是脈沖信號。

圖24-192

施密特觸發器的輸入—輸出電壓變化圖像見圖24-193。從圖像上看，輸出電平有兩條變化曲線。當輸入電壓由低變高時，輸出電平按曲線A變化，當輸入電壓由高變低時，輸出電平按曲線B變化。

圖24-193

2．施密特觸發器與普通非門性能比較實驗

本電路中采用與非門4093接成非門使用。如果使用普通的非門作脈沖整形電路，那么這個天黑自動照明燈會出現什么情況呢？從天亮到天黑，有一段光線逐漸變暗的過程，在這一過程中，光敏電阻Rg1的阻值變大，光線傳感器輸出的電壓逐漸升高；當光線暗到一定的程度，電路翻轉，電燈被點亮。但是電燈點亮后，環境的光線加上電燈光線，就會變得比電燈點亮以前的環境光線亮一些，從而導致光線傳感器的光敏電阻阻值減少，電路就會又翻轉一次，導致電燈熄滅。熄滅后，隨著光線減弱，電燈就會再次被點亮。于是在環境光線由亮變暗的一段時間內，上述過程就會周而復始地產生，結果是電燈處于閃亮的狀態，看起來其亮度比正常情況要暗一些。這種情況要一直維持到周圍環境的光線進一步變暗，到了即使有電燈的光線的影響，也不足以使控制電路改變狀態時為止。同樣的道理，當環境光線由暗到亮的變化過程中，也會發生這樣的情況。讀者可以使用普通非門電路驗證這種現象。

也可以用發光二極管作為輸出燈光，分別用普通的非門和施密特非門做一個對比實驗。隨著光線變暗，電路中的發光二極管會被點亮。把發光二極管靠近光敏電阻，距離為1厘米左右；然后用一個手電筒照射光敏電阻，用照射光線的強弱變化模擬環境光線的變化。對于普通的非門，例如4011和4069，當光線逐漸變暗時，發光二極管會有一段時間變得“半亮”，當周圍光線進一步變暗時，它才變成“全亮”。導致發光二極管“半亮”的原因是什么呢？是不是由于光線不夠暗而使非門的驅動能力不夠呢？不是。這是由于在環境光線處于非門翻轉的強度時，非門處于不斷來回翻轉的狀態，輸出的是脈沖信號，用這個脈沖信號驅動發光二極管，二極管的亮度要比用高電平信號驅動暗一些。

用施密特非門進行同樣的實驗，結果則不同。隨著光線的逐漸變暗，到了一定程度，觸發器翻轉，發光二極管變亮。雖然發光二極管點亮后，燈光加上環境光線，會使光敏電阻的阻值變得小一些，進而降低了施密特非門輸入端的電壓，但由于施密特觸發器的回差電壓的作用，只要輸入電平的變得不低于負觸發閾值電壓VT-，非門的狀態就不會翻轉，非門的輸出狀態就會維持剛才的狀態不變，發光二極管就會保持點亮的狀態。當光線由暗逐漸變亮，發光二極管就會在某一時刻熄滅。在以上實驗過程中，發光二極管只有全亮和熄滅兩種狀態，不會產生用普通非門電路實驗中的振蕩現象。施密特非門的這一性質，用來制作天黑自動照明燈十分有效。

3．如何使用晶閘管

晶閘管也叫可控硅，它相當于一個電子開關，有單向和雙向兩種型號，電路符號見圖24-194。單向可控硅有3個電極，1個陽極，1個陰極和1個控制極。使用時陽極與陰極串連在直流電路中，陽極接正電，陰極接負電。當控制極不接電壓時，陽極與陰極之間不導通，此時可控硅處于正向阻斷狀態。在控制極上加一個正觸發電壓，用很小的電流，可控硅就會導通，此時陽極和陰極之間可以通過很大的電流，滿足負載的工作需要。此外，當可控硅被觸發導通后，控制極上的觸發電壓降低或被切斷，可控硅仍能保持導通狀態。雙向可控硅有兩個負載電極T1和T2，一個控制極G；當雙向可控硅被觸發導通后，它的兩個負載電極T1和T2之間可以通過交流電。在控制極G與T1之間加上正觸發電壓或負觸發電壓都可以使雙向可控硅導通。本電路中工作時控制電壓為220V交流電，負載功率為100瓦，所以可使用400V耐壓、3A的雙向可控硅。

圖24-194

下面介紹用普通的指針式電表的R×1歐姆檔檢測可控硅的方法。把電表的正極表筆（紅色表筆）接T1，負極表筆（黑色表筆）接T2，此時電阻應為無窮大；然后將G極與T2（黑表筆）連通，此時電阻應變小；這時將G極與紅表筆斷開，T1與T2之間的電阻仍然很小，表示T1與T2之間已經導通，據此可以判斷可控硅是好的。對于雙向晶閘管，將黑表筆接T1，紅表筆接T2，然后將G極與T2連通，重復上述實驗，T1與T2之間仍可導通；而單向晶閘管則不能導通。如果不知道可控硅的電極，則可以利用它的上述性質，利用指針式電表來分辨。方法是使用指針式萬用電表的電阻R×1或R×10擋，測量每兩個管腳之間的電阻，對于雙向可控硅，有兩個電極之間的正反向電阻都很小，它們是T1和G；而T2和其他兩個電極之間的電阻均為無窮大。下一步就是利用試驗的方法分辨T1和G。這個問題請愛好者自己動手，通過實驗解決。

本電路采用光敏電阻輸出可控硅的驅動信號，它的好處是可以利用較小的直流電源功率驅動可控硅。一般3A的可控硅需要10毫安以上的電流驅動，所以自動控制電路中通常采用變壓器或者高耐壓的大容量電容降壓，來獲取控制電路的直流電源；這樣會使成本增加，體積大，故障率也高。本電路用發光二極管照亮光敏電阻Rg2，使用高亮度的發光二極管只需1毫安電流就可以改變光敏電阻的阻值，從而可靠地驅動可控硅。這樣電路的直流電源可以直接使用電阻降壓取得；從而可以簡化電路，縮小電路體積，并減少了故障率。

二十、自制數字時鐘

雖然制作電子表可以使用專門的集成電路，但是這里介紹的自制數字電子時鐘可以滿足使用者的一些特殊的要求，輸出方式靈活，如可以隨意設置時分秒的輸出，改變顯示數字的大小。

電路簡介

電路原理圖見圖24-201。電路由時鐘脈沖發生器，時間計數器、譯碼、驅動電路和數字顯示電路以及時間調整電路組成。時鐘脈沖發生器用4060和4040制作，用32768Hz石英晶體振蕩器與4060組成時鐘脈沖振蕩電路，再由3級4040分頻器分別產生分、小時、天脈沖信號，分別輸出到計數器計數，然后再分別驅動分、小時數字顯示電路。計數器采用40110集成電路，它可以實現計數、譯碼和驅動功能，直接驅動7段發光二極管數碼管，顯示當前時間是多少小時多少分。

圖24-201

制作要點

電源電壓采用3V直流供電，整機工作電流約為數十毫安。電路圖僅畫出了電池供電部分，讀者可根據實際情況采用其他電源供電。

電路設置分鐘和小時數字顯示，另用發光二極管LED閃爍顯示秒。可以根據實際需要確定數字的位數，比如增加秒和天的數字顯示。時間調整采用單向增加方式，由調整按鈕AN1、AN2和AN3來調整時間；它們的功能相同，但調整的速度不同；由4060的“9”腳引出的按鈕AN1的速度最快，“7”腳的AN2速度次之，“14”腳的AN3最慢。按動快進鍵AN1，每1秒鐘可以快速向前調整時間約4個半小時；按動AN2，每1秒鐘可以向前調整約17分鐘；按動AN3約1秒鐘，可以向前調整1分鐘。電子表制作完成后可以用這3個按鈕重置當前正確的時間。開關K1為清零開關，電路圖中為工作狀態，如果撥動到清零的位置，時鐘脈沖電路和計數器都停止工作，時間顯示也返回到0小時0分。開關K2為停止計時開關，電路圖中為關閉狀態，此時時鐘脈沖電路可正常工作。K2主要用來微調時間，它可以將表調慢；比如發現表快了1分鐘，撥動K2，表就停止計時，1分鐘后再撥動一下K2，表就按照正確時間工作了。數字顯示數碼管必須采用共陰極型的。R13、R14、R15、R16中為27Ω，它用來限制數碼管的電流，調整它們的阻值可以改變顯示數字的亮度。如采用5011和5021型的數碼管，這4個電阻可以省略不用，將數碼管的陰極直接接地就可以了。如果用1吋以下的數碼管，增大這4個電路的阻值，亮度減低，反之則亮度增加。

學習、實驗與思考

1．時鐘脈沖電路原理

由IC1、IC2、IC3和IC4組成了時鐘脈沖電路，它可以產生和輸出電子表工作所需要的秒脈沖信號、分脈沖信號、小時脈沖信號和天脈沖信號。它利用4060組成32768Hz振蕩器，再用其內部的16384分頻器產生2Hz的脈沖信號，由它的“9”腳輸出。此脈沖信號再用第1級4040組成分頻器產生秒信號和分信號，用第2級和第3級4040分頻器產生小時信號和天信號。秒信號由第1級4040的2分頻輸出端直接產生，分信號由第1級4040組成120分頻電路產生；用第2級4040組成60分頻電路產生分信號，用第3級4040組成24分頻電路產生天信號。如果用12小時進制，則第3級4040要組成12分頻電路。有關用4040組成任意分頻系數電路的原理和方法以前已經介紹過，這里就不再贅述了。微調4060振蕩器電路中的半可變電容器C1，可以調整晶體振蕩器的頻率，從而微調表的快慢。

2．40110十進制加減計數/譯碼/鎖存/驅動器集成電路簡介

40110是集計數、譯碼、驅動等功能于一身的集成電路。它的管腳接線圖見圖24-202。它有兩個時鐘輸入端CP+和CP-，兩個進位輸出端BO和CO，清零端CR，計數禁止端CT，顯示鎖存端LE和7個數碼驅動端。它輸入時鐘脈沖，按10進制規律計數，并具有加計數和減計數的功能。它還有譯碼和驅動功能，可以直接驅動7段數碼管工作；它的驅動輸出端每個數字的筆劃可以輸出高達30毫安的電流強度。圖3給出了7段數碼管的各個筆劃名稱。40110帶有進位輸出，可以組成多級級聯電路，完成任意位數的數字計數器功能。CO是加計數進位輸出，BO是減計數進位輸出。計數禁止端CT接高電平計數停止，但顯示正常。顯示鎖存端LE接高電平，顯示數字保持不變，但它的內部計數器仍正常工作，關閉鎖存功能后，可以繼續顯示當前正確時間。清零端CR接高電位，計數器停止工作，顯示數字被強迫返回0。本電路用40110分別組成小時計數器和分鐘計數器，每個計數器使用2級級聯電路，接成10進制位加法計數電路。

圖24-202

40110功能表

3．如何設計60（24）進位計數器

數字電子表需要計數器有60進位和24進位的功能，如何用10進制的計數器實現60進位的功能呢？40110電路的分鐘數字的60進位是用小時的脈沖信號獲得的。每到60分鐘時，小時計數器就獲得一個計數脈沖，這個脈沖在將小時的計數器加1的同時，還加到了40110分鐘計數器的清零端，強迫分鐘計數器清零返回；這樣，分鐘數字每到60就會變成0，從而實現了分鐘數字要求的60進位。同理，小時的24進位采用了天計數脈沖，計數器每到24小時，天脈沖發生器就會向小時計數器的清零端輸出一個脈沖信號，強迫顯示0小時，并重新開始計時。

用普通的10進位計數器實現60進位或24進位的方法不止一種，還可以利用向7段數碼管輸出的脈沖信號構成任意數字的進位電路。設計方法是利用輸出60（24）時7段數碼管各筆劃電位的高低與其它數字的區別，再用門電路經過運算，輸出高電平脈沖信號驅動計數器的清零端，就可以實現返零，從而得到60（24）進位的計數器電路。讀者如果有興趣，可以自己完成電路設計。

4．時間調整電路

電路開機后，小時和分的顯示數字均為零，也就是零小時零分。如果當前時間不是零點，就要對電子表進行時間調整。不論當前的時間是多少，都需要用時間快進調整按鈕AN1~AN3進行設置。使用過程中，如果發現表慢了，也可以用它們將時間調快，但是不能將時間調慢。如果發現表快了一些，可以使用時間開關K2進行調整。將時間開關打開，電子表就停止了計時，停在原來的時間。當時間到了顯示的時間，再撥動一下K2就可以了。本電路調整時間的電路原理是向計數器輸入比正常時間快若干倍的時鐘脈沖。電子表正常工作時，4060振蕩/分頻器向4040分頻器輸出的脈沖信號頻率為2Hz。按鈕AN1接在32768振蕩器的輸出端，當按下AN1時，向4040分頻器輸出的脈沖信號頻率變成32768Hz，這樣，電子表的計時就比正常時間快了16384倍，按下1秒鐘，電子表就走了16384秒。AN2和AN3分別接在4060的16分頻和256分頻輸出端，它們可以分別向4040輸出2048 Hz和128Hz的脈沖，根據同樣的道理，它們分別比正常時間快了1024倍和64倍。讀者可以根據自己的習慣和需要，另行選擇快速調整按鈕的倍率；方法是改變調整按鈕接在4060分頻器輸出端的位置。4060提供了以下倍率的分頻系數：Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q12、Q13、Q14，分頻系數分別為2--4、25、26、27、28、29、210、212、213、214，加上不加分頻的輸出端，共有11種選擇。

K1的作用是可以在電子表的使用過程中，隨時將時間清零。當發現電子表顯示的時間不同步的時候就要使用它。所謂時間同步，就是指顯示的時間數字按照時間規律進行進位；對于分鐘來說，只有到了60分鐘的時候，小時才應該進位，而且分鐘變成0分；對于小時來說，只有到了23小時60分鐘的時候，才應該進位，并立即返回到0小時0分；否則就是不同步。這時可撥動一下清零開關K1，則時鐘脈沖發生器停止工作，3個4040分頻計數器內部均返回到0值；40110計數器也停止計數，各位計數器返回并且顯示數字0值；此時電子表停止了工作，顯示0小時0分；只有再撥動一下清零開關，電子表開始重新計時。

5．設計更新穎的電子表電路

讀者可以根據自己的需要，在這款電路的基礎上，自行設計出符合自己需要的電子表電路。下面提出幾種方案參考。

①增加輸出的位數，如秒、分鐘、小時、天的數字顯示。并可改變顯示數字的大小、顏色，根據自己的愛好和習慣組合，一改傳統數字鐘表呆板的面孔。

②用秒脈沖信號控制數碼顯示管的亮滅，從而實現數字間歇顯示的功能。讓小時、分、秒的數字輪流發光顯示，例如在1秒鐘內，小時顯示半秒鐘，然后熄滅半秒鐘，而分鐘熄滅半秒鐘，顯示半秒鐘。這樣不但可以節省一半的電源消耗，而且具有動感。

③在電源方面，可以設計出具有防電源停電功能的電路。解決的思路由很多種，比較實用的可以使用兩組電源供電，一組電池供電，外加一路交流電源供電。

如果找不到40110集成電路，也可以用4510和4511兩種集成電路組合使用完成40110的功能。

廿一、變音報警器

電路原理

電路圖見圖24-211。電路由多諧振蕩器、鋸齒波發生器、壓控頻率振蕩器、壓電陶瓷片組成。多諧振蕩器產生方波信號，經過積分電路變成鋸齒波，將鋸齒波接入到由4046組成的壓控音頻振蕩器的頻率控制端。隨著控制電壓以鋸齒波的規律發生變化，壓控音頻振蕩器輸出的音頻信號的頻率會隨之改變，輸出電路壓電陶瓷片就會發出音調就會有規律變化的聲音，聽起來就有類似警笛的發聲效果。

圖24-211

制作要點

電路無需調試即可正常工作。電源電壓為直流3～6V，如果所用電池比較舊，可以在電源上并聯一個100μf的電解電容器。聲音輸出電路采用壓電陶瓷片模擬發聲。如果需要比較大的音量輸出，可以在輸出端增加放大電路。

通過改變振蕩器的頻率可以得到很多種報警器的聲響。變音的調試可從聲音的基調和變化的快慢兩方面進行。用電阻R1可以調整報警聲音的基礎頻率的高低。通過改變4069多諧振蕩器的頻率可以改變調制速度。調制速度改變后，產生鋸齒波的積分電路的時間常數，也就是R4和C2的取值也要進行調整。一般地，調制速度變化越快，積分電路的時間常數也越小；調整時應通過實驗來確定，以得到預期的報警聲音。

學習、實驗與思考

1．4046鎖相環集成電路

4046鎖相環集成電路是一種多功能的復合型集成電路，其內部接線如圖24-212。它包括輸入整形電路、頻率比較器Ⅰ、頻率比較器Ⅱ、壓控振蕩器等，它的基本用途有以下幾種：

①電壓控制振蕩

②頻率合成

③頻率調制

④鎖相環電路（鑒頻）

圖24-212

圖24-213是4046的邏輯圖。對于比較復雜的電路，可以采用分解的方式逐步掌握；本文首先介紹有關利用4046的電壓控制振蕩的性質的實用電路。

圖24-213

2．變音報警器電路原理分析

①壓控振蕩器原理和實驗

4046內部的壓控振蕩器，可以在電壓的控制下產生從極低頻率到數兆赫茲的寬范圍脈沖信號。振蕩的中心頻率由R1腳外接的電阻確定，振蕩的最低頻率由R2腳外接的電阻確定。控制端的電壓越高，振蕩器輸出頻率也越高。電壓控制振蕩器VCO的中心振蕩頻率由外接電容C1、外接電阻R1和R2決定。其振蕩頻率還可由外部控制電壓改變。這個控制電壓從9腳VCOin輸入，電壓越高，振蕩頻率也越高，4腳Qvco為電壓控制振蕩器VCO的振蕩輸出端。R1與R2都可以決定振蕩頻率，它們的區別在于：只用R1而不用R2，振蕩頻率范圍沒有下限，可以從最高調到最低；而接入R2，振蕩器的頻率就有一個下限，只能從某一頻率開始，隨著電壓的升高，頻率從這個頻率開始升高。使用時可以根據需要決定是否接入R2。

電壓控制振蕩器的中心頻率f0由C1、R1（R2）決定，一般有f0=1/2πR1C1。

如果在音頻范圍內進行壓控振蕩器實驗，可用壓電陶瓷片接在輸出端4腳，用來監聽振蕩器的輸出頻率。可用一電位器調整R1控制電壓的高地，就可以聽到頻率在發生變化。提高控制端的輸入電壓，振蕩頻率逐漸升高，到了20kHz左右，聲音變得越來越小，最后就聽不見了，但是振蕩器仍然在工作，只不過工作在20kHz以上，人耳無法聽見。

取下R1，接入到R2的位置，重復上述實驗，驗證一下R2的功能。

同時接入R1和R2（各為20k），看看輸出有什么變化。

在剛才的實驗中，逐漸調高輸出頻率，一直到聽不到聲音為止。這時從理論上判斷，振蕩頻率超過了20kHz，振蕩器仍然在工作。只不過由于頻率高達幾十kHz到上百kHz，人耳無法聽到。如何證明這時電壓控制振蕩器仍然在工作呢？可以用一個中波收音機，打開后放在電壓控制振蕩器旁邊。這時就可以聽到電壓控制振蕩器產生的振蕩信號對收音機產生的干擾現象。調整電壓控制振蕩器的頻率，收音機發出的干擾信號也會隨之變化；這是因為電壓控制振蕩器產生的振蕩的高次諧波落入了中波無線電信號的頻率范圍，因而對收音機產生了干擾現象。

②變音振蕩原理

了解了4046電壓控制振蕩電路原理，就不難理解變音報警器的電路原理了。變音報警器由4046產生一個基礎音頻振蕩。同時，它的電壓控制振蕩輸入端接入一個電壓不斷從低漸漸變高，然后再由高漸漸變低的鋸齒波（也叫三角波），這樣，電壓控制振蕩器的輸出就是一個頻率逐漸由低變高，再逐漸由高變低進行變化的聲音了。

②三角波的產生原理

由4069多諧振蕩器產生矩形方波，再通過積分電路，就會變成近似的三角波。這時因為在矩形脈沖的上升階段，積分電路上電容的電壓不能躍變，只能以指數規律上升；同時由于適當地設定積分電路的時間常數，在電容上的電壓還沒有上升到接近脈沖峰值電壓時，方波電壓就到了下降階段；這樣，電容上的電壓就會以指數規律下降。如此周而復始，在積分電路上的電容器的電壓就呈現出近似三角波的脈沖電壓；見圖24-211。由以上分析可以得出積分電路的時間常數可取脈沖的周期二分之一左右。

如果積分電路的時間常數與脈沖周期的比值在一定的范圍變化，報警器發出的聲音的音色也會產生變化。由此可見，要調整變音報警器的音色，可以改變其基調的頻率，也可以改變調制的頻率，還可以改變積分電路的時間常數。通過以上三方面的調整，就可以得出變化多端的變音報警聲音。

4．設計聲音測電筆

4046電壓控制振蕩器的控制電壓輸入端的輸入阻抗很高，高達1012Ω，因此可利用這一性質制作一個聲音測電筆。

聲音測電筆利用發出的聲音音調改變來檢測周圍物體的帶電情況。從電壓控制端接出一段導線作為探測電極，再接一個二極管和電容器并聯在控制端，一個聲音電場感應測試儀就制作完畢。此時用探測電極接近帶電物體，例如220V電源線，就會聽到壓電陶瓷片發出尖叫，頻率越高，表示電場越強。具體電路可仿照前面介紹的感應驗電筆設計。

5．創新設計——超聲波驅蚊器

據說超聲波可以用來驅除蚊蟲，有關這方面的電路也層出不窮。比較可信的電路是一種發出頻率可以改變的超聲波的驅蚊電路。蚊蟲的種類不同，對超聲波的敏感程度也不同，對各種頻率的反應也不同。如果驅蚊器只能發出某種固定頻率的超聲波，驅蚊的效果就要大打折扣；如果驅蚊器可以發出頻率范圍很寬的超聲波，就會有比較好的驅蚊效果。如何設計一種可以發出頻率范圍很寬的超聲波電路呢？采用壓控變頻振蕩電路就可以解決這個問題。這個問題留給讀者，希望讀者在做了本文所提供的各種實驗之后，能夠獨立設計出用4046制作的超聲波驅蚊器。

廿二、模擬金屬探測器

用金屬靠近模擬金屬探測器的探頭，探測器發出的聲音信號音調就會變化，提示人們發現了“地雷”。

電路原理

電路圖見圖24-221。電路由金屬探頭、高頻振蕩器、頻率比較器和音頻輸出電路組成。高頻振蕩器由4069電路和振蕩回路組成；金屬探頭為一磁棒線圈，是振蕩回路的線圈，當金屬物靠近它時，就會改變線圈的電感量，從而導致高頻振蕩器的頻率發生變化；頻率比較器由4046電路組成，其內部有一固定頻率振蕩發生器，高頻振蕩器產生的信號與4046內部的信號進行比較，其差頻在2腳的相位比較器Ⅰ輸出。選擇一定頻率的內部振蕩信號，使之與線圈產生的信號的差頻為音頻信號，這樣，當探頭靠近金屬物體時，輸出音頻信號頻率就會產生變化，人利用聽覺，就會發現“地雷”。4069的另一組非門組成緩沖電路，可將音頻輸出信號的電壓放大為原來的2倍，從而提高音量。

圖24-221

制作要點

振蕩線圈也可以采用空心線圈，形狀為圓形或矩形均可；面積可在數十平方厘米以上。至于磁棒線圈與空心線圈哪一種的探測靈敏高，則需實驗確定。電路中的兩個發光二極管用來指示工作狀態。電路可采用3～6V的電壓，因為4046壓控振蕩器對電壓變化很靈敏，所以要用新電池或者經過穩壓的電源電路。如果電源電壓用9V，可使用4046自身帶的穩壓二極管DZ，通過電阻和DZ將工作電壓穩定在5V。

學習、實驗與思考

1．探測金屬原理

本電路使用了4046鎖相環電路的相位比較器的頻率合成功能。4046有2個相位比較器，本電路使用的相位比較器Ⅰ兼有頻率合成功能。在第14腳輸入一種脈沖振蕩，在第3腳輸入4046自身的脈沖振蕩，在相位比較器Ⅰ輸出端就可以得到這兩種不同頻率的脈沖合成后的脈沖振蕩。據實驗，這種合成脈沖包括輸入的兩種不同頻率脈沖的差頻；例如4046自身的振蕩頻率為400kHz，外部輸入脈沖頻率為402kHz，則在第2腳相位輸出端可輸出402-400=2kHz的脈沖信號，這個信號正好落在音頻范圍。顯然，如果輸入脈沖信號頻率發生變化，輸出的音頻信號頻率也會發生變化。

2．基調頻率的選擇

人耳對不同頻率的聲音的敏感程度不同，在沒有探測到金屬的時候，探測儀的聲音頻率可以根據使用者的習慣加以調整，以在這一頻率上升高或降低最為明顯為好。

3．不同金屬對線圈電感量的影響

一般說來，鐵等導磁金屬靠近線圈，可以增加線圈的電感量，所以用鐵或鐵芯靠近探頭，線圈電感量變大，高頻振蕩器的輸出信號頻率降低。這時聲音輸出到底是音調變高還是變低？這時，再用銅鋁等金屬靠近線圈，線圈電感量會變小，高頻振蕩器的輸出信號頻率會升高。這時聲音輸出的音調變化又如何呢？不管怎樣，兩種實驗的變化是相反的。至于為什么變化不確定，請通過實驗來解決。

在探頭振蕩回路參數不變的情況下，調整4046內部固定頻率振蕩電路的振蕩頻率，會發生什么情況呢？要注意聲音的輸出是兩個振蕩器的頻率之差的絕對值。相信通過實驗就會徹底掌握這一問題的答案。

4．壓控振蕩器發射中波信號實驗

4046的壓控振蕩可產生中波范圍的高頻信號，并可用中波收音機接收。電路中產生的高頻信號被音頻脈沖信號調制。按電路接好，打開收音機，就可以聽到音頻信號。調整發射天線、距離等，做好實驗記錄。電路可利用4046的頻率合成原理，可以進行中波調制無線信號的發生實驗。將一中波收音機放在距離實驗電路10厘米之處，就可以聽到電路發出的中波調制信號。電路可用4069產生音頻調制信號，這個信號輸出到4046的相位比較器的輸入端。4046的電壓控制振蕩器工作在中波波段。這樣，從相位比較器的輸出端就可以得到經過音頻信號調制的中波信號。在相位比較器的輸出端接有一段數厘米長的導線做為發射天線，中波收音機收到了這個信號，就可以在喇叭放出音頻調制信號。具體電路請讀者自行設計。

5．提高探測靈敏度的實驗

此電路對金屬物品的靈敏度較低，如何進行改進呢？希望讀者自己通過實驗來解決這一問題。影響靈敏度的因素較多，電路工作頻率是一項重要因素。此外，LC振蕩器中電感L與電容C的數值選取也有很大的關系。對于某一特定頻率來說，取決于LC的乘積。問題是究竟電感L取得大一些，還是取得小一些可以提高靈敏度呢？此外，電感可以采用空心線圈，也可以采用磁棒以縮小體積。但是，它們的靈敏度又會產生如何變化呢？希望讀者不要拘泥于本電路推薦的數值，自己通過實驗得出正確的結論。

廿三、音頻遙控開關

每發出一個特定頻率的聲音，就會控制開關改變一次狀態；開關對環境中的其他頻率的聲音沒有反應。

電路原理

電路原理圖見圖24-231。電路由音頻放大電路、鎖相環電路和開關輸出電路組成。音頻放大電路將話筒得到的聲音信號進行放大。外界的聲音信號經過放大后接到鎖相環電路的輸入端。鎖相環電路內部有一個壓控振蕩器，平時工作在設定的工作頻率上。當外界的聲音信號傳入鎖相環電路，每當接收到與壓控振蕩器工作頻率相同的聲音信號時，鎖相環電路就處于鎖定狀態，輸出電路的電壓由低變高，控制開關輸出電路改變開關狀態。

圖24-231

制作要點

電路可用口哨聲音進行控制。調整電路的接受頻率，使得電路只對特定的口哨聲音產生反應。仔細調整，使得電路靈敏度最高，控制距離最遠。如果制作者比較有經驗，也可以使用嘴吹出口哨進行電路的調整。

學習、實驗與思考

1．鎖相環電路原理

鎖相環電路包括相位比較器、低通濾波器和電壓控制振蕩器3部分組成。相位比較器的功能是對外界的聲音信號與內部的脈沖信號的中心頻率進行頻率比較，當頻率相同時，從第1腳輸出高電位；無論是外界的聲音信號還是內部的振蕩信號，其頻率都會產生漂移，實際上兩者的頻率不可能相同，鎖相環電路可能處于失鎖狀態。為了解決這一問題，鎖相環電路可通過低通濾波器將相位比較器輸出的電壓反饋到電壓控制振蕩器，改變內部振蕩脈沖的頻率，使之與外界信號的頻率相同，這種由起始的失鎖狀態到最終的鎖定狀態所允許的輸入信號頻率范圍叫作頻率捕捉范圍。

2．選頻開關原理

現有的一些利用鎖相環電路做選頻開關的缺點在于幾乎沒有選擇性，它利用了壓控振蕩，幾乎對所有接近外來信號頻率的干擾信號都可接收。本機電路與現有的4046鎖相環電路的區別在于，對相位比較器輸出的控制電壓采取了分壓，只允許電壓的一小部分對壓控振蕩器進行控制，所以捕捉范圍比較窄。當然，這個范圍很容易通過改變電壓的比例進行調整。

具體措施：①壓控振蕩器的控制電壓由兩部分組成；②基礎電壓決定壓控振蕩器工作頻率與接收信號的頻率一致，這個電壓由電位器R6提供；③4046鎖相環輸出的鎖定電壓通過R8與R7組成的分壓器分配后，與基礎電壓一起加到壓控振蕩器上；④通過控制兩種電壓的比例，可以任意調節選頻開關的選擇頻率捕捉范圍；基礎電壓所占比例大，選擇性好，捕捉范圍較窄；鎖相環輸出的鎖定電壓所占比例大，選擇性差，捕捉范圍較寬。

3．開發DTMF雙音頻信號自動控制電路

①什么是DTMF雙音頻信號

DTMF雙音頻信號有16個，分別由4個高頻信號和4個低頻信號組合而成，例如數字 “1”由高頻組的1209Hz與低頻組的697Hz組成，接收時需使用專用解碼電路，只有信號同時包含這兩種特定頻率的信號，才能被確認；這樣就實現了對干擾信號的有效抑制，確保了電路在強干擾條件下的可靠工作。程控電話使用了其中12個。程控電話可以使用雙音頻信號進行撥號和其它功能的控制。

下表為DTMF雙音頻信號編碼表。

②如何得到雙音頻信號

可利用專用集成電路產生TDMF信號，也可利用電話機中產生的雙音頻信號。

③如何將雙音頻信號解碼

可利用專用集成電路；如果僅對其中少數編碼進行解碼，也可以利用4046鎖相環電路組成特定雙音頻信號解碼器。原理是用兩個4046鎖相環電路組成兩個選頻開關，分別對雙音頻信號中的一種進行選頻；然后再用與門電路將接收的控制信號合成，只有當兩路信號都通過時，與門電路才有輸出信號。

④利用雙音頻信號實現遙控開關

隨著電話的普及，人們可以利用電話對家中的電器進行遙控。比較簡便可靠的方法就是利用雙音頻信號發出特定的控制碼，然后通過解碼電路將控制信號輸出，從而達到控制遠距離電器的目的。

讀者可自己開發設計利用雙音頻信號解碼電路的實驗電路和遙控設備。