救护车扬声器发声电路

一、设计方案该电路主要通过两片555 定时器模拟救护车扬声器发声电路，输出周期性变化的高频信号和低频信号，驱动扬声器发出高音低音周期交替的警报声。

将两片555 定时器分别连接成多谐振荡器，其中555（1）的作用是控制高频声音和低频声音的持续时间，其输出Vo1 是555（2）的控制电压；555（2）的作用是控制高低音的频率，作为压控振荡器将555（1）输出的高低电平转化为频率，驱动扬声器发出响声。

二、技术原理1．555 定时器器件特性555 定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8 脚结构，体积很小，使用起来方便。

集成时基电路555 的电源电压范围较宽，可在5~16V 范围内使用（TTL 型，若为CMOS 型的555 芯片，则电压范围可在2~18V 内），电路的输出有缓冲器，因而有较强的带负载能力。

双极型时基集成电路最大的灌电流和拉电流都在200mA 左右，因而可直接推动TTL 或CMOS 电路中的各种电路，包括能直接推动蜂呜器、小型继电器、喇叭和小型电动机等器件。

集成555 定时器有双极性型和CMOS 型两种产品。

它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。

其主要参数见表1.1.① V TH 即V i1 ,V TR 即V i2基于以上对555 定时器参数及性能的分析，认为以555 定时器搭建的电路能够驱动小功率扬声器发音，选择适当的外部电阻电容等器件与555 定时器配合使用能够使此设计得以实现。

2.555 定时器内部结构及工作原理1> 内部结构：输入端接参考电压V T= 12V e。

现做如下规定：CCVDisTRTHQ555Vco(a) 555 的逻辑符号VCC Dis TH Vco87655551234GND TR Vo Rd(b) 555 的引脚排列图2 555 定时器逻辑符号和引脚555 定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图 1 和图2 所示。

V i1（TH ）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。

V i2（TR ）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR 。

V CO ：控制电压端。

V O ：输出端。

Dis：放电端。

Rd ：复位端。

555 定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生13 V CC和23 V CC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2 组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T 和输出反相缓冲器G3。

Rd是复位端，低电平有效。

复位后, 基本RS触发器的Q 端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。

V CO为控制电压端，在V CO端加入电压，可改变两比较器C1、C2 的参考电压。

不加控制电压时，要在V CO和地之间接0．01μ F（电容量标记为103）电容。

放电管T l 的输出端Dis 为集电极开路输出。

2> 工作原理：分析图1 的电路：在555 定时器的V CC端和地之间加上电压，当V CO悬空时，比较器C1的同相输入端接参考电压V T = 23 V CC，比较器C2反相输入端接参考电压V T = 13 V CC ；当V CO接控制电压V e时，比较器C1 的同相输入端接参考电压V T =V e，比较器C2反相当 TH 端的电压 >V T 时，写为 V TH =1，当 TH 端的电压 <V T 时，写为 V TH =0 。

当TR 端的电压 >V T 时，写为 V TR =1，当TR 端的电压 <V T 时，写为 V TR =0。

① 低触发 ：当输入电压 V i2<V T 且 V i1<V T 时，V TR =0，V TH =0 ，比较器 C 2输出为低 电平， C 1输出为高电平，基本 RS 触发器的输入端 S =0、 R =1，使 Q ＝1， Q ＝ 0，经输出 反相缓冲器后， V O ＝1，T 截止。

这时称 555 定时器“ 低触发 ”；② 保持：若 Vi2>V T 且 V i1<V T，则 VTR =1，V TH =0， S=R =1，基本 RS 触发器保3.555 定时器接成多谐振荡器1> 连接方法：将 555 定时器的 V i1 和 V i2 连在一起结成施密特触发器， 然后将 V O 经 RC 积分电路接回输 入端即构成了多谐振荡器，如图3（ a ）所示。

2> 多谐振荡形成机理：初始时刻， Vc 为 0时， V i2 <V T 且V i1<V T ，555定时器处于低触发状态， V O ＝ 1，T 截 止，电容 C 经过 R1、R2充电；当 Vc 上升到 V T 时， V i2 >V T ，V i1 <V T ，处于保持状态，电 容继续充电， Vc 继续升高， V O ＝1， T 截止；当 Vc= V T 时， V i1 >V T ，555 定时器处于高出 发状态， V O ＝0，T 导通，电容 C 经过 R2、T 放电， Vc 降低，当 Vc 下降到 V T 时，V i2<V TV i1 <V T ，电路再次进入低触发状态，电容 C 经过 R1、R2 充电⋯⋯以此循环往复，电容Vc持，VO和 T 状态不变， 这时称 555 定时器“保 持”。

③ 高触发 ：若 V i1>V T ，则 V TH =1，比 较器C 1输出为低电平，无论 C 2输出何种电平， 基本 RS 触发器因 R =0，使 Q ＝ 1，经输出反 相缓冲器后， V O ＝ 0， T 导通。

这时称 555 定 时器“ 高触发 ”。

555定时器的“低触发”、“高触发” 和“保 持”三种基本状态和进入状态的条件 （即 V TH 、 V TR 的“ 0”、“ 1”）整理为表 2根据 555 定时器的控制功能， 可以制成各种 史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。

例如,表 2 555 定时器控制功能表上的电压在V T和V T之间往复振荡，Vo 端输出具有一定占空比的方波脉冲，通过调节R W 或电容C，可得到不同的时间常数；还可产生周期和脉宽可变的方波输出，波形如图3（b）所示。

3>相关公式推导：通过Vc的波形球的电容C的充电时间T1和放电时间T2 计算公式如下：充电时间T1 计算公式：T1 R1 R2 Cln VCC V TV CC V T放电时间T2 计算公式：T20 V TR2Cln TVTR2Cln T2 0 V T 2V T故电路的振荡周期为：T T1 T2 R1 R2 VCC V T V T Cln CC T R2Cln TV CC V T V T 当Vco悬空（接电容后接地），V T= 23V CC V T= 13 V CC时，T1 R1 R2 Cln2 T2 R2Cln 2振荡周期：T (R1 2R2)Cln 2振荡频率： f T 1(R1 2R2)Cln 2三、 方案实施及结果分析1. 电路图设计及器件参数选择1＞电路概述： 所设计的救护车扬声器发声电路主要有两个连接为多谐振荡器的 555 定时器及相关外围组 件组成。

具体电路图如图 3 所示。

通过 555（ 1）控制高频声音和低频声音的持续时间，555（2）作为压控振荡器将 555（1）输出的高低电平转化为频率，驱动扬声器发出响声。

2＞扬声器高低音发声机理：555（1）主要通过 V O1输出占空比一定的方波信号控制 555（ 2）的控制端电压，当 V O1输出为高电平时， 555（ 2）控制电压端 Vco 为高电平，由振荡频率 f 的计算公式可知此时振荡频 率较低，为低音；相对应，当 V O1 输出为低电平时， 555（ 2）控制电压端 Vco 为低电平，此 时振荡频率较高，为高音。

而高低音的持续时间则由 555（ 1）决定。

3＞电路元件选取及仿真： 根据经验和查阅相关资料，同时参考相应模型，选取各电路元件参数，使555（ 1）输出电压周期数量级为毫秒级（ ms ）, 高低音振荡周期数量级为微秒级（ us ）。

通过仿真软件 Multisim 仿真电路，调节参数，观测波形。

结果如图 4 所示。

图 4救护车扬声器发声电路高低音输出波形图 3 救护车扬声器发声电路图H11L2. 计算结果与仿真结果： ①计算高频声音和低频声音的持续时间：高音（高频信号）时间即为 C1 经 R2 放电时间 T2，低音持续时间为 C1经过 R1、R2充电时 间T1.高音持续时间：T 2 R 2C 1 ln 2 4ms （即为低电平持续时间）低音持续时间：（R 1 R 2 ）C 1ln2 6ms （即为高电平持续时间）② 555（2）的 5 管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得： （如图 5）VCC VCC12V R215k Ω图 5 555（2）控制端电压 Ve 的戴维南等效电路图R X 5/ /(5 5) 3.3k③ 计算高频声音和低频声音振荡频率： 当V O1=0V 时， V E =6.00V ， 高音振荡频率：Vo1R310kΩVeR3Vo110k ΩVe 4Rx8v3.3k Ω 5C1 33uF2/3VccVER3 3V CCR X VO110 8 3.33 V O1R 3 R X13.33(R 1R22 5kΩ 21VCC12V ER5)C 2 lnV CC V E12 3110 0.005 ln 100 0.005ln 212 61718Hz1 T H 582us Hf H仿真结果如图 6 所示：6 581.897us12 3.33 8 108.8V当V O1=12V 时， V E =8.8V低音振荡频率：1LV CC 1V E(R 4 R 5)C 2 ln VCC 2V ER 5C 2 ln21 12 4.4110 0.005 ln 100 0.005ln 212 8.81222Hz 818us(R 4R 5C 2 ln213.33T LH11L仿真结果如图 7 所示：图 7 低音振荡波形及周期显示( 862.069us )3. 误差分析与总结 经过多次参数调整，可使仿真波形近似完美地符合计算结果。

输出振荡频率为 1718Hz, 持续时间为 4ms 的高音频信号以及振荡频率为 1222Hz, 持续时间为 6ms 的低音频信号， 由其 驱动扬声器发声即为救护车扬声器发声信号。

在仿真过程中由于受仿真软件的不确定性性质， 高音频第一周期内存在一次漏波， 但基 本不影响高音发声； 另外， 若要使高低音循环周期达到秒级， 虽然计算结果可通过参数选择 实现，却无法用仿真结果验证。

参考文献：[1] 阎石著. 数字电子技术基础(第五版) . 高等教育出版社 .。