綜合性實驗項目聲控系統(tǒng)電路設(shè)計與實踐

關(guān)鍵詞：電工電子學(xué)實驗；綜合性實驗；聲控系統(tǒng)電路；實驗設(shè)計

文章編號：1671-489X（2025）10-0126-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.10.126

0 引言

實驗教學(xué)是高等教育的重要組成部分。電工電子學(xué)實驗是一門實踐性很強的課程，既包括電路基礎(chǔ)實驗，又包括模擬電子技術(shù)實驗和數(shù)字電子技術(shù)實驗。隨著技術(shù)知識的快速更新，為了讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)掌握更多技術(shù)，實驗教學(xué)內(nèi)容的合理設(shè)置就顯得尤為重要[1-4]。綜合性實驗項目對提升實驗教學(xué)質(zhì)量具有顯著的推動作用，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，增強學(xué)生對基本知識和實驗技能的靈活運用能力，培養(yǎng)學(xué)生獨立解決實際問題的能力，并激發(fā)創(chuàng)新意識[5-8]。

本文設(shè)計了一個基于聲控系統(tǒng)的綜合性實驗項目一聲控系統(tǒng)電路，該電路由聲音信號采集、聲音信號放大、聲音信號峰值檢測、比較控制、繼電器執(zhí)行和發(fā)光二極管顯示等六個單元電路構(gòu)成，由聲音信號驅(qū)動。通過該綜合性實驗的制作與電路調(diào)試，學(xué)生能夠深入理解電子控制系統(tǒng)的工作原理，掌握單元電路在信號變換中的應(yīng)用，學(xué)會復(fù)雜系統(tǒng)的分級調(diào)試方法以及瞬時信號的捕捉與觀測技巧。這不僅有助于學(xué)生提升對電子技術(shù)的認知，還能使其更好地運用所學(xué)知識解決實際問題。

1 實驗?zāi)康?/p>

本實驗旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的綜合應(yīng)用，了解電子控制系統(tǒng)的工作原理，體會單元電路模塊在信號變換中作用，熟練掌握數(shù)字示波器的使用以及較復(fù)雜系統(tǒng)的分級調(diào)試方法。

2 實驗任務(wù)

1）要求學(xué)生認識和檢測本實驗所用到的所有電子元器件，主要包括電阻、電解電容、發(fā)光二極管、開關(guān)二極管、三極管、電子繼電器、駐極體傳聲器和LM358。

2）要求學(xué)生熟練掌握焊接工藝，并利用PCB板焊接制作聲控系統(tǒng)電路。當傳聲器接收到聲音后，發(fā)光二極管自動點亮；當聲音消失后，發(fā)光二極管自動熄滅。

3）如果焊接完成的聲控系統(tǒng)電路不能正常工作，則要求學(xué)生自主調(diào)試。引導(dǎo)學(xué)生進行分段調(diào)試，直到發(fā)現(xiàn)問題，進而解決問題，使電路正常工作。

4）要求學(xué)生熟練使用數(shù)字示波器，用示波器觀測單元電路模塊的波形，并進行波形記錄與分析。

3 實驗原理

電子控制系統(tǒng)是模擬電子技術(shù)的綜合應(yīng)用，也是各類智能設(shè)備的核心部件，通常由傳感器、電子控制器和執(zhí)行器三個基本環(huán)節(jié)組成。其中，傳感器負責(zé)采集各種信息；電子控制器的作用是分析處理傳感器采集的信號，并向執(zhí)行器發(fā)出控制指令；執(zhí)行器則根據(jù)控制器的指令完成具體的動作操作[9]

本文設(shè)計的聲控系統(tǒng)電路由六個單元電路組成：聲音信號采集電路、聲音信號放大電路和聲音信號峰值檢測電路構(gòu)成電子控制系統(tǒng)的傳感器部分；由于直接采集到的聲音信號通常較微弱，需要經(jīng)過放大和峰值提取處理，才能生成可供后續(xù)比較控制電路使用的有效信號；比較控制電路對應(yīng)電子控制器環(huán)節(jié)負責(zé)信號的分析與處理；繼電器執(zhí)行電路對應(yīng)執(zhí)行器環(huán)節(jié)；發(fā)光二極管顯示電路作為執(zhí)行器的控制對象，通過發(fā)光二極管的亮滅直觀地展示控制效果。

聲音傳感器采用駐極體電容傳聲器（俗稱麥克風(fēng)），控制器是電壓比較器，執(zhí)行器是電子繼電器，其他為輸入輸出接口電路，工作原理如圖1所示。系統(tǒng)正常工作時，麥克風(fēng)感知外界聲響，依次經(jīng)電容耦合、放大器放大以及后續(xù)電路峰值提取后，交由比較器進行二值比較，輸出相應(yīng)的高電平或低電平信號，然后經(jīng)三極管控制繼電器執(zhí)行開關(guān)動作，進而控制照明電路的通斷。

在充分理解聲控系統(tǒng)的工作原理之后，學(xué)生還需要熟悉并掌握實驗中所使用的電子元器件的性能及使用方法。完成必要的焊接培訓(xùn)和練習(xí)后，每位學(xué)生將領(lǐng)取元器件并手工焊接到PCB板上進行調(diào)試與觀測，焊接效果如圖2所示。

3.1聲音信號采集電路

聲音信號采集電路負責(zé)把聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。接通電源后，12V直流電源經(jīng)電阻R1限流后對麥克風(fēng)MIC1供電，此處麥克風(fēng)采用靈敏度為52dB的駐極體電容傳聲器。電容C1起交流耦合作用，負責(zé)把聲音信息轉(zhuǎn)換為交流信號輸出，測試點為圖2中的 v_I1 ，所測波形如圖3所示。這一步通過使用示波器觀測波形，可以檢測聲音信號采集模塊是否能夠正常采集并轉(zhuǎn)化聲音信號。

3.2聲音信號放大電路

信號放大電路負責(zé)放大傳感器產(chǎn)生的微弱信號（毫伏級），以滿足后級比較控制器對輸入電平的要求。放大電路采用集成運放 LM358^[10-11] 。交流耦合電容確保只放大交流，放大后的波形如圖4所示。

這一步測試為雙通道同時觀測，通道一的測試點為 v_I1 ，通道二的測試點為 v₀1 ，可以清楚地對比聲音信號放大前后的波形，同時可以判斷放大器是否正常工作。

3.3聲音信號峰值檢測電路

聲音信號峰值檢測電路利用二極管的單向?qū)ㄌ匦詫崿F(xiàn)信號處理。當放電電阻的阻值較小時，電路主要用于包絡(luò)線檢波；而當放電電阻的阻值較大時，電路則可提取前級信號的最大峰值，作為后級比較器的輸入信號。

在該電路中，二極管1N4148控制充放電電流的方向：在充電時，電流通過二極管D2流向電容C2；在放電時，電流則從電容C2流向接地電阻R4。由于運算放大器的輸出電阻遠小于R4的阻值，會導(dǎo)致快充慢放，因而實現(xiàn)暫存峰值電壓的功能。在測試過程中采用雙通道測試，測試點分別為v₀1 和 V_I2 。波形圖如圖5所示，其中 v₀1 測試點檢測到兩次聲音信號， v_I2 測試點則檢測到兩個峰值電壓。

3.4比較控制電路

比較控制電路是整個系統(tǒng)的控制器，當同相端輸入的聲音信號大于參考值時，電壓比較器輸出高電平。滯回比較器可提高抗干擾能力，回差由電阻R5和電位器RP2的值決定，調(diào)節(jié)電位器可以改變回差的大小，進而決定了發(fā)光二極管燈亮的時長。滯回比較器避免輸入信號在參考值附近波動或抖動時，導(dǎo)致后級控制系統(tǒng)頻繁動作，影響使用壽命[12]。在測試過程中使用雙通道示波器進行觀測，通道一的測試點為 V_I2 ，通道二的測試點為 V₀2 ，波形如圖6所示。

3.5繼電器執(zhí)行電路和發(fā)光二極管顯示電路

繼電器執(zhí)行電路負責(zé)控制照明電路的通斷，由三極管驅(qū)動繼電器線圈來實現(xiàn)。本設(shè)計采用常見的NPN型小功率三極管9014，起電子開關(guān)作用。在基極信號控制下，三極管Q1在飽和與截止兩個狀態(tài)間切換，實現(xiàn)繼電器線圈的通斷電控制。繼電器觸點的開關(guān)狀態(tài)由線圈控制，當三極管Q1導(dǎo)通時，線圈通電，其常開觸點閉合，被控照明電路回路接通。

發(fā)光二極管（LED）是一種常用的狀態(tài)指示燈和照明光源。照明電路的開關(guān)控制由繼電器電路完成，兩個電路之間通過繼電器的磁耦合實現(xiàn)連接與控制。

4實驗項目評價環(huán)節(jié)

本聲控系統(tǒng)電路綜合性實驗項目共計4學(xué)時，其中焊接電路板2學(xué)時，調(diào)試和觀測波形2學(xué)時。為準確評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和掌握程度，特設(shè)計綜合性實驗評價表[13-14]，如表1所示。該評價方法要求學(xué)生通過實際操作示波器，逐級觀測聲音信號采集電路、聲音信號放大電路、聲音信號峰值檢測電路、比較控制電路等模塊的波形，并展示發(fā)光二極管的發(fā)光效果。同時，學(xué)生需要掌握通過調(diào)節(jié)電位器來控制發(fā)光二極管亮滅時長的方法，并完成實驗報告的撰寫。

該評價環(huán)節(jié)不僅注重實驗的結(jié)果，更注重實驗過程中的細節(jié)觀測，旨在引導(dǎo)學(xué)生重視焊接技能的練習(xí)，深入理解并掌握綜合性實驗項目的每個實驗?zāi)K。

5 教學(xué)效果

1）本實驗涉及常用電子儀器和工具的使用，比如電烙鐵、數(shù)字萬用表、雙通道示波器和直流穩(wěn)壓電源。通過實驗，學(xué)生能夠提升焊接技能，熟練掌握這些儀器設(shè)備的使用方法，尤其是在分段檢測環(huán)節(jié)，可以進一步加深對模塊化調(diào)試方法的理解與掌握。

2）整個實驗過程涉及聲音信號采集電路、聲音信號放大電路、聲音信號峰值檢測電路、比較控制電路、繼電器執(zhí)行電路和發(fā)光二極管顯示電路等六個常規(guī)電工電子學(xué)實驗?zāi)K的多個知識點，這些內(nèi)容不僅可以幫助學(xué)生鞏固對以往所學(xué)實驗?zāi)K的理解，提升綜合實踐能力，鍛煉實踐動手能力，而且理論聯(lián)系實際，使課堂知識得到具體應(yīng)用。

6 結(jié)束語

本文所設(shè)計的聲控系統(tǒng)電路綜合性實驗項目整合了六個單元電路模塊，基于PCB板的焊接操作，要求學(xué)生按照單元電路逐步進行調(diào)試。通過這一過程，學(xué)生能夠更加熟練地使用常用電子儀器和工具，從而不斷提升焊接水平、電路調(diào)試能力以及綜合實驗?zāi)芰Α?/p>

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