基于多路音控电路的任意控制的研究设计

1 一般音控电路分析及任意控制输出状态音控电路设计思路

1.1 一般音控电路特点分析

无线遥控和红外遥控容易对多路输出进行任意控制，其原因是都可以采用对发射装置进行状态编码，接收装置又可以对收到的信号进行解码，因而可以任意控制输出状态。但音控电路一般无专门的发射装置，无法对发射信号进行编码。另外，音控电路的最大缺点是抗干扰能力非常差，环境噪音很容易使音控电路产生误动作，造成严重的不良结果。所以提高音控电路的抗噪能力是非常必要的。

1.2 设计思路

以掌声作为输入信号，见图1波形示意图，图1(a)为掌声输入信号，图1(b)为经正向整流滤波后的波形示意图。

由计数器进行计数，计数器输出经RC电路选择触发T'触发器翻转使开关电路动作。由图2可知，RC电路的时间常数选择得远大于掌声输入信号的间隔时间，电容上的电压小于T'触发器翻转的电压，虽然掌声1和掌声2使计数器的输出y1，y2为高电平，但时间都很短暂，对应1路和2路的RC电路输出信号电平都很低，1，2路的开关电路都不动作。第3掌声使计数器的输出y3一直为高电平，(因为后面再没有掌声了)该路的RC电路输出信号为高电平，对应T'触发器翻转使开关电路动作。由此可见，用快速的连续掌声就能任意控制音控电路的输出状态。

2 电路设计

2.1 电路组成方框图

(1)音控输入放大电路：由驻极体话筒，三极管T1和外围元件构成，作用是进行声电转换和初步放大。

(2)带通放大电路：由RC网络和双运放或4运放LM324内的1个运放A1构成带通放大器，作用是进行带通放大，提高抗干扰能力。

(3)灵敏度控制与信号处理电路：由4运放LM324内的1个运放A2及外围元件和D1，C2等构成，作用是进行电压放大，Rp可以调整音控电路灵敏度。放大的音频信号再由D1，C2进行整流和滤波，得到触发脉冲信号。

(4)计数器电路：8进制计数器CD4022对输入的掌声信号进行计数。8个输出端只用了4个，当计到5掌声Y5为高点平时，触发CD4022的异步复零端，使计数器复零。Y6，Y7未用。因为只有4路输出。

(5)延时选择电路：R13～R19和C5～C8组成RC充放电积分回路，D3～D6是电容C的放电二极管。作用是对前级输出信号的脉冲进行分离和选择。

(6)双稳态电路：2块上升沿双D触发器中的4个D触发器接成4路T'触发器，具有翻转计数和保持功能。

(7)开关控制电路：三极管T2～T5工作于开关状态，双向可控硅BCR1～BCR4受到三极管T2-T5的控制而导通或关断，从而交流供电通路导通或关断。

(8)电源：因为整个电路耗电极微，由R21，C9，D11，Q10，D12组成简单的稳压电源。

2.2 电路工作原理与电路设计

电原理图如图4所示。

图4(a)为音控输入放大电路、带通放大电路、灵敏度控制与信号处理电路和计数器电路的电原理图。图4(b)图为双稳态电路、开关控制电路和电源电路的电原理图。

2.2.1 音控输入放大电路

驻极体话筒将掌声转换成微弱的音频信号送入到三极管T1的基极，该级为共射小信号放大器。若β=100，R1=5.1 MΩ时，Ic△0.14 mA，R3为20多kΩ，为了适应不同的三极管，R1用5.1 MΩ的可调电阻，R3用51 kΩ的可调电阻。电压增益为：

2.2.2 带通放大电路

带通滤波器是由高通滤波器和低通滤波器组合而成的，其典型电路及幅频特性曲线见图5。

输入端的电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R2组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端，设R2=2R，R3=R，带通滤波器的电压放大倍数为：

由式(2)可知，改变电阻RF或R1阻值可以调节通带宽度，但中心频率fo不受影响。

掌声频率若为500 Hz，由式(1)，取C=0.1μF，可计算出：R=3.3 kΩ，f0=483 Hz，若Q取5，Aup=2.8(特别注意Aup不能大于或等于3，否则电路要产生自激)，R1=10 kΩ，RF=18 kΩ，(为调整方便RF可选33 kΩ的可调电阻)，由式(2)可知，通带宽度B=0.2f0=96.6 Hz。

2.2.3 灵敏度控制与信号处理电路

本级为音控信号的电压增益主放大器，波形失真对音控信号触发计数器影响不太大。因而运放的最大电压增益设计为500，R11取2 kΩ2时，R12取1 kΩ的可调电阻，整流滤波的波形如图6所示，取R12=10 kΩ，C4=10μF。滤波后的波形与矩形脉冲相似，矩形脉冲幅度为0.45 VCC大于手册查到的CD4022的最小高电平触发脉冲幅度0.3VCC，脉冲下降沿的时间滞后由电容C4的放电时间决定，约为C4R12=0.1 s(略去了CD4022输入电阻的影响)，此值不可取得过大，若掌声间隔时间过小，则电容上的电压未降到CD4022的最大低电平触发脉冲幅度，后面的掌声不会起到任何作用。

2.2.4 计数分配电路

8进制计数器CD4022对输入的掌声信号进行计数分配。该电路与常见的计数器设计完全相同，8个输出端只甩了6个，将Y5输出信号送到CD4022的复位端RD端，梅成6进制计数器。第1掌声Y0为高电平，Y0为空脚，作为关断电路之用。当计到5掌声Y5为高电平时，触发CD4022的异步复零端，使计数器复零。Y6，Y7未用。

2.2.5 延时选择电路

R12～R15和C6～C9组成4路RC充电回路，实际构成RC积分电路。D3～D6是电容C的放电二极管。放电时间常数为RdC6，Rd是放电二极管的内阻，随通过二极管的电流而变；由于Rd很小，放电时间常数很短。

RC充电回路的时间常数：

此时C5上的电压为0.63 VCC=3.8 V。实际上电容上的电压只要大于双D触发器的最小高电平触发电压0.3 VCC=1.8 V，双D触发器就会翻转。由RC一阶零状态响应规律可导出对应的时间为：

图7是延时选择电路输出电压波形(以连续4掌声为例)。

第1掌声无脉冲，第2、第3掌声脉冲宽度很窄，输出电压uC1，2很小，不能使T'触发器翻转，只有第4掌声脉冲宽度很宽，输出电压uC3很高，可以使T'触发器翻转。只要连续击掌周期小于0.8 s，就可以对输出电路进行任意控制。

2.2.6 双稳态保持电路与开关控制电路

两块上升沿双D触发器中的4个D触发器都是独立的，将输入端D与输出端Q相连就成为T'触发器，具有翻转计数和保持功能。触发器输出高电平电压约为VCC，低电平电压约为0 V。

三极管T2～T5工作于开关状态，设双向可控硅选用最大阳极电流IA为3 A。控制极电流IG为10 mA，三极管β=100，限流电阻R21为：

为使三极管可靠饱和，R21～R24取20 kΩ，并在三极管T2～T5的集电极加200 Ω的限流电阻。

2.2.7 电源

因为整个电路耗电极微，由R21，C9，D11，C10，D12组成电容降压，半波整流，电容滤波，稳压二极管稳压常见的简单稳压电源。但注意的是电路接地端与220 V交流相连。调整时要特别注意安全。

3 结 语

根据设计制作出的音控装置达到任意控制4路输出的目的。功能为：间断掌声(间断时间大于0.8 s)可使前几路或4路都同时通电；连续掌声(间断时间小于0.8 s)可选择任意路通电；连续掌声加间断掌声可使后几路或第4路都同时通电；第5掌声使CD4022复位，但通电的路数仍保持通电；CD4022复位后，也可以采用前述的间断掌声或连续掌声切断欲关断的路数。如果要简单地切断任意一路输出，可将双D触发器的异步复位端RD由接地改为接8进制计数器CD4022的Y0输出端。当Y0为高电平，4路D触发器都被复位，4路输出都被切断。