4000系列CMOS數(shù)字集成電路制作（4）

十九、天黑自動照明電燈

本作品每到天黑，就會自動點(diǎn)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(guān)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(huán)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(qiáng)，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(fā)光二極管LED3不亮，晶閘管交流開關(guān)電路的光敏電阻Rg2的阻值在1MΩ以上，晶閘管不導(dǎo)通，電燈不亮。當(dāng)天黑的時候，光線變?nèi)?，光敏電阻Rg1的阻值變大，輸入到4093的門1的電壓升高，導(dǎo)致門4輸出高電平；這時發(fā)光二極管LED3被點(diǎn)亮，光敏電阻Rg2的阻值變小，晶閘管導(dǎo)通，電燈被點(diǎn)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(diǎn)

1．光線傳感器

要根據(jù)電燈使用的環(huán)境和用戶的要求進(jìn)行調(diào)整光線傳感器的靈敏度。調(diào)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(guān)。光敏電阻Rg1選定之后，增大R1的阻值，電燈點(diǎn)亮的環(huán)境光線就暗一些；減少R1的阻值，電燈點(diǎn)亮的環(huán)境光線就亮一些。雖然電路有較強(qiáng)的抗干擾性能，安裝時應(yīng)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(wěn)壓二極管的型號，電路采用兩個發(fā)光二極管LED1和LED2串聯(lián)代替穩(wěn)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(fā)光二極管直接照射光敏電阻，驅(qū)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(fā)光二極管LED1和LED2還可用來指示控制電路的工作狀態(tài)，當(dāng)電燈點(diǎn)亮的時候，它變得比較暗。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4093施密特觸發(fā)器

4093為有施密特觸發(fā)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(fā)器是40106，它有6個非門，都含有施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)是它輸出的兩種電平狀態(tài)不是由脈沖信號觸發(fā)的，而是由輸入端信號的電位高低來觸發(fā)的。與普通的非門比較，它有兩個特點(diǎn)，一是當(dāng)輸入電壓在轉(zhuǎn)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(dāng)輸入電壓Vi由低電平逐漸升高時，當(dāng)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?yōu)榈碗娖剑琕T+叫做施密特觸發(fā)器的正觸發(fā)閾值電壓，一般VT+約為58～59%Vdd；與普通非門不同的是，當(dāng)輸入電位Vi由高電位變低，當(dāng)Vi降低到VT+ 時，輸出電平仍然保持低電平，并不翻轉(zhuǎn)；只有當(dāng)Vi 繼續(xù)降低到VT-時，輸出電平才由低變高，VT-叫做施密特觸發(fā)器的負(fù)觸發(fā)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(zhuǎn)。ΔVT＝VT+—VT-叫做施密特觸發(fā)器的回差電壓。與普通非門相比，施密特觸發(fā)器非門有很強(qiáng)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(fā)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(dāng)輸入電壓由低變高時，輸出電平按曲線A變化，當(dāng)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(fā)器與普通非門性能比較實(shí)驗(yàn)

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(xiàn)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(dāng)光線暗到一定的程度，電路翻轉(zhuǎn)，電燈被點(diǎn)亮。但是電燈點(diǎn)亮后，環(huán)境的光線加上電燈光線，就會變得比電燈點(diǎn)亮以前的環(huán)境光線亮一些，從而導(dǎo)致光線傳感器的光敏電阻阻值減少，電路就會又翻轉(zhuǎn)一次，導(dǎo)致電燈熄滅。熄滅后，隨著光線減弱，電燈就會再次被點(diǎn)亮。于是在環(huán)境光線由亮變暗的一段時間內(nèi)，上述過程就會周而復(fù)始地產(chǎn)生，結(jié)果是電燈處于閃亮的狀態(tài)，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(huán)境的光線進(jìn)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(tài)時為止。同樣的道理，當(dāng)環(huán)境光線由暗到亮的變化過程中，也會發(fā)生這樣的情況。讀者可以使用普通非門電路驗(yàn)證這種現(xiàn)象。

也可以用發(fā)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(shí)驗(yàn)。隨著光線變暗，電路中的發(fā)光二極管會被點(diǎn)亮。把發(fā)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(qiáng)弱變化模擬環(huán)境光線的變化。對于普通的非門，例如4011和4069，當(dāng)光線逐漸變暗時，發(fā)光二極管會有一段時間變得“半亮”，當(dāng)周圍光線進(jìn)一步變暗時，它才變成“全亮”。導(dǎo)致發(fā)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(qū)動能力不夠呢？不是。這是由于在環(huán)境光線處于非門翻轉(zhuǎn)的強(qiáng)度時，非門處于不斷來回翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)，輸出的是脈沖信號，用這個脈沖信號驅(qū)動發(fā)光二極管，二極管的亮度要比用高電平信號驅(qū)動暗一些。

用施密特非門進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果則不同。隨著光線的逐漸變暗，到了一定程度，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管變亮。雖然發(fā)光二極管點(diǎn)亮后，燈光加上環(huán)境光線，會使光敏電阻的阻值變得小一些，進(jìn)而降低了施密特非門輸入端的電壓，但由于施密特觸發(fā)器的回差電壓的作用，只要輸入電平的變得不低于負(fù)觸發(fā)閾值電壓VT-，非門的狀態(tài)就不會翻轉(zhuǎn)，非門的輸出狀態(tài)就會維持剛才的狀態(tài)不變，發(fā)光二極管就會保持點(diǎn)亮的狀態(tài)。當(dāng)光線由暗逐漸變亮，發(fā)光二極管就會在某一時刻熄滅。在以上實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)光二極管只有全亮和熄滅兩種狀態(tài)，不會產(chǎn)生用普通非門電路實(shí)驗(yàn)中的振蕩現(xiàn)象。施密特非門的這一性質(zhì)，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(dāng)于一個電子開關(guān)，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(fù)電。當(dāng)控制極不接電壓時，陽極與陰極之間不導(dǎo)通，此時可控硅處于正向阻斷狀態(tài)。在控制極上加一個正觸發(fā)電壓，用很小的電流，可控硅就會導(dǎo)通，此時陽極和陰極之間可以通過很大的電流，滿足負(fù)載的工作需要。此外，當(dāng)可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通后，控制極上的觸發(fā)電壓降低或被切斷，可控硅仍能保持導(dǎo)通狀態(tài)。雙向可控硅有兩個負(fù)載電極T1和T2，一個控制極G；當(dāng)雙向可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通后，它的兩個負(fù)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(fā)電壓或負(fù)觸發(fā)電壓都可以使雙向可控硅導(dǎo)通。本電路中工作時控制電壓為220V交流電，負(fù)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(fù)極表筆（黑色表筆）接T2，此時電阻應(yīng)為無窮大；然后將G極與T2（黑表筆）連通，此時電阻應(yīng)變?。贿@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(jīng)導(dǎo)通，據(jù)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(fù)上述實(shí)驗(yàn)，T1與T2之間仍可導(dǎo)通；而單向晶閘管則不能導(dǎo)通。如果不知道可控硅的電極，則可以利用它的上述性質(zhì)，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(yàn)的方法分辨T1和G。這個問題請愛好者自己動手，通過實(shí)驗(yàn)解決。

本電路采用光敏電阻輸出可控硅的驅(qū)動信號，它的好處是可以利用較小的直流電源功率驅(qū)動可控硅。一般3A的可控硅需要10毫安以上的電流驅(qū)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(fā)光二極管照亮光敏電阻Rg2，使用高亮度的發(fā)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(qū)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(shù)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(shù)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(shè)置時分秒的輸出，改變顯示數(shù)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(fā)生器，時間計數(shù)器、譯碼、驅(qū)動電路和數(shù)字顯示電路以及時間調(diào)整電路組成。時鐘脈沖發(fā)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(chǎn)生分、小時、天脈沖信號，分別輸出到計數(shù)器計數(shù)，然后再分別驅(qū)動分、小時數(shù)字顯示電路。計數(shù)器采用40110集成電路，它可以實(shí)現(xiàn)計數(shù)、譯碼和驅(qū)動功能，直接驅(qū)動7段發(fā)光二極管數(shù)碼管，顯示當(dāng)前時間是多少小時多少分。

圖24-201

制作要點(diǎn)

電源電壓采用3V直流供電，整機(jī)工作電流約為數(shù)十毫安。電路圖僅畫出了電池供電部分，讀者可根據(jù)實(shí)際情況采用其他電源供電。

電路設(shè)置分鐘和小時數(shù)字顯示，另用發(fā)光二極管LED閃爍顯示秒?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要確定數(shù)字的位數(shù)，比如增加秒和天的數(shù)字顯示。時間調(diào)整采用單向增加方式，由調(diào)整按鈕AN1、AN2和AN3來調(diào)整時間；它們的功能相同，但調(diào)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(jìn)鍵AN1，每1秒鐘可以快速向前調(diào)整時間約4個半小時；按動AN2，每1秒鐘可以向前調(diào)整約17分鐘；按動AN3約1秒鐘，可以向前調(diào)整1分鐘。電子表制作完成后可以用這3個按鈕重置當(dāng)前正確的時間。開關(guān)K1為清零開關(guān)，電路圖中為工作狀態(tài)，如果撥動到清零的位置，時鐘脈沖電路和計數(shù)器都停止工作，時間顯示也返回到0小時0分。開關(guān)K2為停止計時開關(guān)，電路圖中為關(guān)閉狀態(tài)，此時時鐘脈沖電路可正常工作。K2主要用來微調(diào)時間，它可以將表調(diào)慢；比如發(fā)現(xiàn)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(shù)字顯示數(shù)碼管必須采用共陰極型的。R13、R14、R15、R16中為27Ω，它用來限制數(shù)碼管的電流，調(diào)整它們的阻值可以改變顯示數(shù)字的亮度。如采用5011和5021型的數(shù)碼管，這4個電阻可以省略不用，將數(shù)碼管的陰極直接接地就可以了。如果用1吋以下的數(shù)碼管，增大這4個電路的阻值，亮度減低，反之則亮度增加。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(nèi)部的16384分頻器產(chǎn)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(chǎn)生秒信號和分信號，用第2級和第3級4040分頻器產(chǎn)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(chǎn)生，分信號由第1級4040組成120分頻電路產(chǎn)生；用第2級4040組成60分頻電路產(chǎn)生分信號，用第3級4040組成24分頻電路產(chǎn)生天信號。如果用12小時進(jìn)制，則第3級4040要組成12分頻電路。有關(guān)用4040組成任意分頻系數(shù)電路的原理和方法以前已經(jīng)介紹過，這里就不再贅述了。微調(diào)4060振蕩器電路中的半可變電容器C1，可以調(diào)整晶體振蕩器的頻率，從而微調(diào)表的快慢。

2．40110十進(jìn)制加減計數(shù)/譯碼/鎖存/驅(qū)動器集成電路簡介

40110是集計數(shù)、譯碼、驅(qū)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(jìn)位輸出端BO和CO，清零端CR，計數(shù)禁止端CT，顯示鎖存端LE和7個數(shù)碼驅(qū)動端。它輸入時鐘脈沖，按10進(jìn)制規(guī)律計數(shù)，并具有加計數(shù)和減計數(shù)的功能。它還有譯碼和驅(qū)動功能，可以直接驅(qū)動7段數(shù)碼管工作；它的驅(qū)動輸出端每個數(shù)字的筆劃可以輸出高達(dá)30毫安的電流強(qiáng)度。圖3給出了7段數(shù)碼管的各個筆劃名稱。40110帶有進(jìn)位輸出，可以組成多級級聯(lián)電路，完成任意位數(shù)的數(shù)字計數(shù)器功能。CO是加計數(shù)進(jìn)位輸出，BO是減計數(shù)進(jìn)位輸出。計數(shù)禁止端CT接高電平計數(shù)停止，但顯示正常。顯示鎖存端LE接高電平，顯示數(shù)字保持不變，但它的內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作，關(guān)閉鎖存功能后，可以繼續(xù)顯示當(dāng)前正確時間。清零端CR接高電位，計數(shù)器停止工作，顯示數(shù)字被強(qiáng)迫返回0。本電路用40110分別組成小時計數(shù)器和分鐘計數(shù)器，每個計數(shù)器使用2級級聯(lián)電路，接成10進(jìn)制位加法計數(shù)電路。

圖24-202

40110功能表

3．如何設(shè)計60（24）進(jìn)位計數(shù)器

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

用普通的10進(jìn)位計數(shù)器實(shí)現(xiàn)60進(jìn)位或24進(jìn)位的方法不止一種，還可以利用向7段數(shù)碼管輸出的脈沖信號構(gòu)成任意數(shù)字的進(jìn)位電路。設(shè)計方法是利用輸出60（24）時7段數(shù)碼管各筆劃電位的高低與其它數(shù)字的區(qū)別，再用門電路經(jīng)過運(yùn)算，輸出高電平脈沖信號驅(qū)動計數(shù)器的清零端，就可以實(shí)現(xiàn)返零，從而得到60（24）進(jìn)位的計數(shù)器電路。讀者如果有興趣，可以自己完成電路設(shè)計。

4．時間調(diào)整電路

電路開機(jī)后，小時和分的顯示數(shù)字均為零，也就是零小時零分。如果當(dāng)前時間不是零點(diǎn)，就要對電子表進(jìn)行時間調(diào)整。不論當(dāng)前的時間是多少，都需要用時間快進(jìn)調(diào)整按鈕AN1~AN3進(jìn)行設(shè)置。使用過程中，如果發(fā)現(xiàn)表慢了，也可以用它們將時間調(diào)快，但是不能將時間調(diào)慢。如果發(fā)現(xiàn)表快了一些，可以使用時間開關(guān)K2進(jìn)行調(diào)整。將時間開關(guān)打開，電子表就停止了計時，停在原來的時間。當(dāng)時間到了顯示的時間，再撥動一下K2就可以了。本電路調(diào)整時間的電路原理是向計數(shù)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(dāng)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(jù)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(jù)自己的習(xí)慣和需要，另行選擇快速調(diào)整按鈕的倍率；方法是改變調(diào)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(shù)：Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q12、Q13、Q14，分頻系數(shù)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(dāng)發(fā)現(xiàn)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(shù)字按照時間規(guī)律進(jìn)行進(jìn)位；對于分鐘來說，只有到了60分鐘的時候，小時才應(yīng)該進(jìn)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(yīng)該進(jìn)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(guān)K1，則時鐘脈沖發(fā)生器停止工作，3個4040分頻計數(shù)器內(nèi)部均返回到0值；40110計數(shù)器也停止計數(shù)，各位計數(shù)器返回并且顯示數(shù)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(guān)，電子表開始重新計時。

5．設(shè)計更新穎的電子表電路

讀者可以根據(jù)自己的需要，在這款電路的基礎(chǔ)上，自行設(shè)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(shù)，如秒、分鐘、小時、天的數(shù)字顯示。并可改變顯示數(shù)字的大小、顏色，根據(jù)自己的愛好和習(xí)慣組合，一改傳統(tǒng)數(shù)字鐘表呆板的面孔。

②用秒脈沖信號控制數(shù)碼顯示管的亮滅，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字間歇顯示的功能。讓小時、分、秒的數(shù)字輪流發(fā)光顯示，例如在1秒鐘內(nèi)，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(jié)省一半的電源消耗，而且具有動感。

③在電源方面，可以設(shè)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(shí)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(fā)生器、壓控頻率振蕩器、壓電陶瓷片組成。多諧振蕩器產(chǎn)生方波信號，經(jīng)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(guī)律發(fā)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(fā)出音調(diào)就會有規(guī)律變化的聲音，聽起來就有類似警笛的發(fā)聲效果。

圖24-211

制作要點(diǎn)

電路無需調(diào)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(lián)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(fā)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(diào)試可從聲音的基調(diào)和變化的快慢兩方面進(jìn)行。用電阻R1可以調(diào)整報警聲音的基礎(chǔ)頻率的高低。通過改變4069多諧振蕩器的頻率可以改變調(diào)制速度。調(diào)制速度改變后，產(chǎn)生鋸齒波的積分電路的時間常數(shù)，也就是R4和C2的取值也要進(jìn)行調(diào)整。一般地，調(diào)制速度變化越快，積分電路的時間常數(shù)也越小；調(diào)整時應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)來確定，以得到預(yù)期的報警聲音。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4046鎖相環(huán)集成電路

4046鎖相環(huán)集成電路是一種多功能的復(fù)合型集成電路，其內(nèi)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(diào)制

④鎖相環(huán)電路（鑒頻）

圖24-212

圖24-213是4046的邏輯圖。對于比較復(fù)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(guān)利用4046的電壓控制振蕩的性質(zhì)的實(shí)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(shí)驗(yàn)

4046內(nèi)部的壓控振蕩器，可以在電壓的控制下產(chǎn)生從極低頻率到數(shù)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?？刂贫说碾妷涸礁撸袷幤鬏敵鲱l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(qū)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(diào)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(jù)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(nèi)進(jìn)行壓控振蕩器實(shí)驗(yàn)，可用壓電陶瓷片接在輸出端4腳，用來監(jiān)聽振蕩器的輸出頻率。可用一電位器調(diào)整R1控制電壓的高地，就可以聽到頻率在發(fā)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(fù)上述實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，逐漸調(diào)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(dá)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(jī)，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(chǎn)生的振蕩信號對收音機(jī)產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象。調(diào)整電壓控制振蕩器的頻率，收音機(jī)發(fā)出的干擾信號也會隨之變化；這是因?yàn)殡妷嚎刂普袷幤鳟a(chǎn)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(jī)產(chǎn)生了干擾現(xiàn)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(chǎn)生一個基礎(chǔ)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(jìn)行變化的聲音了。

②三角波的產(chǎn)生原理

由4069多諧振蕩器產(chǎn)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?yàn)樵诰匦蚊}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(shù)規(guī)律上升；同時由于適當(dāng)?shù)卦O(shè)定積分電路的時間常數(shù)，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(shù)規(guī)律下降。如此周而復(fù)始，在積分電路上的電容器的電壓就呈現(xiàn)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(shù)可取脈沖的周期二分之一左右。

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

4．設(shè)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(dá)1012Ω，因此可利用這一性質(zhì)制作一個聲音測電筆。

聲音測電筆利用發(fā)出的聲音音調(diào)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(dǎo)線作為探測電極，再接一個二極管和電容器并聯(lián)在控制端，一個聲音電場感應(yīng)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(fā)出尖叫，頻率越高，表示電場越強(qiáng)。具體電路可仿照前面介紹的感應(yīng)驗(yàn)電筆設(shè)計。

5．創(chuàng)新設(shè)計——超聲波驅(qū)蚊器

據(jù)說超聲波可以用來驅(qū)除蚊蟲，有關(guān)這方面的電路也層出不窮。比較可信的電路是一種發(fā)出頻率可以改變的超聲波的驅(qū)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(yīng)也不同。如果驅(qū)蚊器只能發(fā)出某種固定頻率的超聲波，驅(qū)蚊的效果就要大打折扣；如果驅(qū)蚊器可以發(fā)出頻率范圍很寬的超聲波，就會有比較好的驅(qū)蚊效果。如何設(shè)計一種可以發(fā)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(shí)驗(yàn)之后，能夠獨(dú)立設(shè)計出用4046制作的超聲波驅(qū)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(fā)出的聲音信號音調(diào)就會變化，提示人們發(fā)現(xiàn)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(dāng)金屬物靠近它時，就會改變線圈的電感量，從而導(dǎo)致高頻振蕩器的頻率發(fā)生變化；頻率比較器由4046電路組成，其內(nèi)部有一固定頻率振蕩發(fā)生器，高頻振蕩器產(chǎn)生的信號與4046內(nèi)部的信號進(jìn)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(nèi)部振蕩信號，使之與線圈產(chǎn)生的信號的差頻為音頻信號，這樣，當(dāng)探頭靠近金屬物體時，輸出音頻信號頻率就會產(chǎn)生變化，人利用聽覺，就會發(fā)現(xiàn)“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(diǎn)

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(shù)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(shí)驗(yàn)確定。電路中的兩個發(fā)光二極管用來指示工作狀態(tài)。電路可采用3～6V的電壓，因?yàn)?046壓控振蕩器對電壓變化很靈敏，所以要用新電池或者經(jīng)過穩(wěn)壓的電源電路。如果電源電壓用9V，可使用4046自身帶的穩(wěn)壓二極管DZ，通過電阻和DZ將工作電壓穩(wěn)定在5V。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．探測金屬原理

本電路使用了4046鎖相環(huán)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(jù)實(shí)驗(yàn)，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(fā)生變化，輸出的音頻信號頻率也會發(fā)生變化。

2．基調(diào)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(jù)使用者的習(xí)慣加以調(diào)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(dǎo)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(diào)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(diào)變化又如何呢？不管怎樣，兩種實(shí)驗(yàn)的變化是相反的。至于為什么變化不確定，請通過實(shí)驗(yàn)來解決。

在探頭振蕩回路參數(shù)不變的情況下，調(diào)整4046內(nèi)部固定頻率振蕩電路的振蕩頻率，會發(fā)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(shí)驗(yàn)就會徹底掌握這一問題的答案。

4．壓控振蕩器發(fā)射中波信號實(shí)驗(yàn)

4046的壓控振蕩可產(chǎn)生中波范圍的高頻信號，并可用中波收音機(jī)接收。電路中產(chǎn)生的高頻信號被音頻脈沖信號調(diào)制。按電路接好，打開收音機(jī)，就可以聽到音頻信號。調(diào)整發(fā)射天線、距離等，做好實(shí)驗(yàn)記錄。電路可利用4046的頻率合成原理，可以進(jìn)行中波調(diào)制無線信號的發(fā)生實(shí)驗(yàn)。將一中波收音機(jī)放在距離實(shí)驗(yàn)電路10厘米之處，就可以聽到電路發(fā)出的中波調(diào)制信號。電路可用4069產(chǎn)生音頻調(diào)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(jīng)過音頻信號調(diào)制的中波信號。在相位比較器的輸出端接有一段數(shù)厘米長的導(dǎo)線做為發(fā)射天線，中波收音機(jī)收到了這個信號，就可以在喇叭放出音頻調(diào)制信號。具體電路請讀者自行設(shè)計。

5．提高探測靈敏度的實(shí)驗(yàn)

此電路對金屬物品的靈敏度較低，如何進(jìn)行改進(jìn)呢？希望讀者自己通過實(shí)驗(yàn)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(xiàng)重要因素。此外，LC振蕩器中電感L與電容C的數(shù)值選取也有很大的關(guān)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(chǎn)生如何變化呢？希望讀者不要拘泥于本電路推薦的數(shù)值，自己通過實(shí)驗(yàn)得出正確的結(jié)論。

廿三、音頻遙控開關(guān)

每發(fā)出一個特定頻率的聲音，就會控制開關(guān)改變一次狀態(tài)；開關(guān)對環(huán)境中的其他頻率的聲音沒有反應(yīng)。

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(huán)電路和開關(guān)輸出電路組成。音頻放大電路將話筒得到的聲音信號進(jìn)行放大。外界的聲音信號經(jīng)過放大后接到鎖相環(huán)電路的輸入端。鎖相環(huán)電路內(nèi)部有一個壓控振蕩器，平時工作在設(shè)定的工作頻率上。當(dāng)外界的聲音信號傳入鎖相環(huán)電路，每當(dāng)接收到與壓控振蕩器工作頻率相同的聲音信號時，鎖相環(huán)電路就處于鎖定狀態(tài)，輸出電路的電壓由低變高，控制開關(guān)輸出電路改變開關(guān)狀態(tài)。

圖24-231

制作要點(diǎn)

電路可用口哨聲音進(jìn)行控制。調(diào)整電路的接受頻率，使得電路只對特定的口哨聲音產(chǎn)生反應(yīng)。仔細(xì)調(diào)整，使得電路靈敏度最高，控制距離最遠(yuǎn)。如果制作者比較有經(jīng)驗(yàn)，也可以使用嘴吹出口哨進(jìn)行電路的調(diào)整。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．鎖相環(huán)電路原理

鎖相環(huán)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(nèi)部的脈沖信號的中心頻率進(jìn)行頻率比較，當(dāng)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(nèi)部的振蕩信號，其頻率都會產(chǎn)生漂移，實(shí)際上兩者的頻率不可能相同，鎖相環(huán)電路可能處于失鎖狀態(tài)。為了解決這一問題，鎖相環(huán)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(nèi)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(tài)到最終的鎖定狀態(tài)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(guān)原理

現(xiàn)有的一些利用鎖相環(huán)電路做選頻開關(guān)的缺點(diǎn)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(jī)電路與現(xiàn)有的4046鎖相環(huán)電路的區(qū)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(jìn)行控制，所以捕捉范圍比較窄。當(dāng)然，這個范圍很容易通過改變電壓的比例進(jìn)行調(diào)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(chǔ)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(huán)輸出的鎖定電壓通過R8與R7組成的分壓器分配后，與基礎(chǔ)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(diào)節(jié)選頻開關(guān)的選擇頻率捕捉范圍；基礎(chǔ)電壓所占比例大，選擇性好，捕捉范圍較窄；鎖相環(huán)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(fā)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(shù)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(rèn)；這樣就實(shí)現(xiàn)了對干擾信號的有效抑制，確保了電路在強(qiáng)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(jìn)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(chǎn)生TDMF信號，也可利用電話機(jī)中產(chǎn)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(shù)編碼進(jìn)行解碼，也可以利用4046鎖相環(huán)電路組成特定雙音頻信號解碼器。原理是用兩個4046鎖相環(huán)電路組成兩個選頻開關(guān)，分別對雙音頻信號中的一種進(jìn)行選頻；然后再用與門電路將接收的控制信號合成，只有當(dāng)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(shí)現(xiàn)遙控開關(guān)

隨著電話的普及，人們可以利用電話對家中的電器進(jìn)行遙控。比較簡便可靠的方法就是利用雙音頻信號發(fā)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(dá)到控制遠(yuǎn)距離電器的目的。

讀者可自己開發(fā)設(shè)計利用雙音頻信號解碼電路的實(shí)驗(yàn)電路和遙控設(shè)備。