4000系列CMOS数字集成电路制作（4）

十九、天黑自动照明电灯

本作品每到天黑，就会自动点亮电灯，天明了电灯自动熄灭。在某些特定的场合，使用起来十分方便。

电路简介

电路原理图见图24-191。电路由光线传感器，脉冲整形电路，晶闸管交流开关和电源等部分组成。光线传感器由光敏电阻Rg1和电阻R1组成，外界的环境光线通过光线传感器变成电压信号，输入到由4093组成的脉冲整形电路；天亮的时候，光线强，光敏电阻Rg1的阻值比R1小，输入到4093的电压低于电源电压的二分之一，通过脉冲整形电路门4输出的信号为低电平；接在输出端的发光二极管LED3不亮，晶闸管交流开关电路的光敏电阻Rg2的阻值在1MΩ以上，晶闸管不导通，电灯不亮。当天黑的时候，光线变弱，光敏电阻Rg1的阻值变大，输入到4093的门1的电压升高，导致门4输出高电平；这时发光二极管LED3被点亮，光敏电阻Rg2的阻值变小，晶闸管导通，电灯被点亮。电源部分采用电阻降压，通过二极管整流，把220V交流电变成直流电源。整个电路工作时耗电仅为0.5W。

图24-191

制作要点

1．光线传感器

要根据电灯使用的环境和用户的要求进行调整光线传感器的灵敏度。调整电阻R1的阻值，可以改变光线传感器输出的电压的高低。此外R1的阻值也与光敏电阻Rg1的型号有关。光敏电阻Rg1选定之后，增大R1的阻值，电灯点亮的环境光线就暗一些；减少R1的阻值，电灯点亮的环境光线就亮一些。虽然电路有较强的抗干扰性能，安装时应该避免使电灯直接照射到Rg1。

2．电路工作电压原则上可用3～15V直流电源。决定工作电压高低的是稳压二极管的型号，电路采用两个发光二极管LED1和LED2串联代替稳压管，工作电压约为3.5V。整流电路中的降压电阻R4的阻值大小决定直流电源输出的电流能力。电路采用直径3毫米的高亮度发光二极管直接照射光敏电阻，驱动晶闸管，只需1毫安电流就可以了。电源电路降压电阻R4选用75k，功率用2W的就可以保证安全工作了。发光二极管LED1和LED2还可用来指示控制电路的工作状态，当电灯点亮的时候，它变得比较暗。

学习、实验与思考

1．4093施密特触发器

4093为有施密特触发器四2与非门，其管脚接线图见图24-192。作为非门使用，它与4011的功能相近。另一种和4069功能相近的施密特触发器是40106，它有6个非门，都含有施密特触发器。施密特触发器的特点是它输出的两种电平状态不是由脉冲信号触发的，而是由输入端信号的电位高低来触发的。与普通的非门比较，它有两个特点，一是当输入电压在转折电压上，输出电平变化非常陡峭；二是它有两个输入阈值电压VT-和VT+，且有 VT-〈1/2 Vdd〈VT+。当输入电压Vi由低电平逐渐升高时，当电压升到VT-和1/2 Vdd时，输出端电压保持不变；只有上升到VT+ 时，输出电平才由原来的高电平变为低电平，VT+叫做施密特触发器的正触发阈值电压，一般VT+约为58～59%Vdd；与普通非门不同的是，当输入电位Vi由高电位变低，当Vi降低到VT+ 时，输出电平仍然保持低电平，并不翻转；只有当Vi 继续降低到VT-时，输出电平才由低变高，VT-叫做施密特触发器的负触发阈值电压，一般VT-约为38～39%Vdd。输入信号只有超出VT-～VT+的范围时，输出电平才会翻转。ΔVT＝VT+—VT-叫做施密特触发器的回差电压。与普通非门相比，施密特触发器非门有很强的抗干扰能力，无论输入何种模拟信号，输出一律是脉冲信号。

图24-192

施密特触发器的输入—输出电压变化图像见图24-193。从图像上看，输出电平有两条变化曲线。当输入电压由低变高时，输出电平按曲线A变化，当输入电压由高变低时，输出电平按曲线B变化。

图24-193

2．施密特触发器与普通非门性能比较实验

本电路中采用与非门4093接成非门使用。如果使用普通的非门作脉冲整形电路，那么这个天黑自动照明灯会出现什么情况呢？从天亮到天黑，有一段光线逐渐变暗的过程，在这一过程中，光敏电阻Rg1的阻值变大，光线传感器输出的电压逐渐升高；当光线暗到一定的程度，电路翻转，电灯被点亮。但是电灯点亮后，环境的光线加上电灯光线，就会变得比电灯点亮以前的环境光线亮一些，从而导致光线传感器的光敏电阻阻值减少，电路就会又翻转一次，导致电灯熄灭。熄灭后，随着光线减弱，电灯就会再次被点亮。于是在环境光线由亮变暗的一段时间内，上述过程就会周而复始地产生，结果是电灯处于闪亮的状态，看起来其亮度比正常情况要暗一些。这种情况要一直维持到周围环境的光线进一步变暗，到了即使有电灯的光线的影响，也不足以使控制电路改变状态时为止。同样的道理，当环境光线由暗到亮的变化过程中，也会发生这样的情况。读者可以使用普通非门电路验证这种现象。

也可以用发光二极管作为输出灯光，分别用普通的非门和施密特非门做一个对比实验。随着光线变暗，电路中的发光二极管会被点亮。把发光二极管靠近光敏电阻，距离为1厘米左右；然后用一个手电筒照射光敏电阻，用照射光线的强弱变化模拟环境光线的变化。对于普通的非门，例如4011和4069，当光线逐渐变暗时，发光二极管会有一段时间变得“半亮”，当周围光线进一步变暗时，它才变成“全亮”。导致发光二极管“半亮”的原因是什么呢？是不是由于光线不够暗而使非门的驱动能力不够呢？不是。这是由于在环境光线处于非门翻转的强度时，非门处于不断来回翻转的状态，输出的是脉冲信号，用这个脉冲信号驱动发光二极管，二极管的亮度要比用高电平信号驱动暗一些。

用施密特非门进行同样的实验，结果则不同。随着光线的逐渐变暗，到了一定程度，触发器翻转，发光二极管变亮。虽然发光二极管点亮后，灯光加上环境光线，会使光敏电阻的阻值变得小一些，进而降低了施密特非门输入端的电压，但由于施密特触发器的回差电压的作用，只要输入电平的变得不低于负触发阈值电压VT-，非门的状态就不会翻转，非门的输出状态就会维持刚才的状态不变，发光二极管就会保持点亮的状态。当光线由暗逐渐变亮，发光二极管就会在某一时刻熄灭。在以上实验过程中，发光二极管只有全亮和熄灭两种状态，不会产生用普通非门电路实验中的振荡现象。施密特非门的这一性质，用来制作天黑自动照明灯十分有效。

3．如何使用晶闸管

晶闸管也叫可控硅，它相当于一个电子开关，有单向和双向两种型号，电路符号见图24-194。单向可控硅有3个电极，1个阳极，1个阴极和1个控制极。使用时阳极与阴极串连在直流电路中，阳极接正电，阴极接负电。当控制极不接电压时，阳极与阴极之间不导通，此时可控硅处于正向阻断状态。在控制极上加一个正触发电压，用很小的电流，可控硅就会导通，此时阳极和阴极之间可以通过很大的电流，满足负载的工作需要。此外，当可控硅被触发导通后，控制极上的触发电压降低或被切断，可控硅仍能保持导通状态。双向可控硅有两个负载电极T1和T2，一个控制极G；当双向可控硅被触发导通后，它的两个负载电极T1和T2之间可以通过交流电。在控制极G与T1之间加上正触发电压或负触发电压都可以使双向可控硅导通。本电路中工作时控制电压为220V交流电，负载功率为100瓦，所以可使用400V耐压、3A的双向可控硅。

图24-194

下面介绍用普通的指针式电表的R×1欧姆档检测可控硅的方法。把电表的正极表笔（红色表笔）接T1，负极表笔（黑色表笔）接T2，此时电阻应为无穷大；然后将G极与T2（黑表笔）连通，此时电阻应变小；这时将G极与红表笔断开，T1与T2之间的电阻仍然很小，表示T1与T2之间已经导通，据此可以判断可控硅是好的。对于双向晶闸管，将黑表笔接T1，红表笔接T2，然后将G极与T2连通，重复上述实验，T1与T2之间仍可导通；而单向晶闸管则不能导通。如果不知道可控硅的电极，则可以利用它的上述性质，利用指针式电表来分辨。方法是使用指针式万用电表的电阻R×1或R×10挡，测量每两个管脚之间的电阻，对于双向可控硅，有两个电极之间的正反向电阻都很小，它们是T1和G；而T2和其他两个电极之间的电阻均为无穷大。下一步就是利用试验的方法分辨T1和G。这个问题请爱好者自己动手，通过实验解决。

本电路采用光敏电阻输出可控硅的驱动信号，它的好处是可以利用较小的直流电源功率驱动可控硅。一般3A的可控硅需要10毫安以上的电流驱动，所以自动控制电路中通常采用变压器或者高耐压的大容量电容降压，来获取控制电路的直流电源；这样会使成本增加，体积大，故障率也高。本电路用发光二极管照亮光敏电阻Rg2，使用高亮度的发光二极管只需1毫安电流就可以改变光敏电阻的阻值，从而可靠地驱动可控硅。这样电路的直流电源可以直接使用电阻降压取得；从而可以简化电路，缩小电路体积，并减少了故障率。

二十、自制数字时钟

虽然制作电子表可以使用专门的集成电路，但是这里介绍的自制数字电子时钟可以满足使用者的一些特殊的要求，输出方式灵活，如可以随意设置时分秒的输出，改变显示数字的大小。

电路简介

电路原理图见图24-201。电路由时钟脉冲发生器，时间计数器、译码、驱动电路和数字显示电路以及时间调整电路组成。时钟脉冲发生器用4060和4040制作，用32768Hz石英晶体振荡器与4060组成时钟脉冲振荡电路，再由3级4040分频器分别产生分、小时、天脉冲信号，分别输出到计数器计数，然后再分别驱动分、小时数字显示电路。计数器采用40110集成电路，它可以实现计数、译码和驱动功能，直接驱动7段发光二极管数码管，显示当前时间是多少小时多少分。

图24-201

制作要点

电源电压采用3V直流供电，整机工作电流约为数十毫安。电路图仅画出了电池供电部分，读者可根据实际情况采用其他电源供电。

电路设置分钟和小时数字显示，另用发光二极管LED闪烁显示秒。可以根据实际需要确定数字的位数，比如增加秒和天的数字显示。时间调整采用单向增加方式，由调整按钮AN1、AN2和AN3来调整时间；它们的功能相同，但调整的速度不同；由4060的“9”脚引出的按钮AN1的速度最快，“7”脚的AN2速度次之，“14”脚的AN3最慢。按动快进键AN1，每1秒钟可以快速向前调整时间约4个半小时；按动AN2，每1秒钟可以向前调整约17分钟；按动AN3约1秒钟，可以向前调整1分钟。电子表制作完成后可以用这3个按钮重置当前正确的时间。开关K1为清零开关，电路图中为工作状态，如果拨动到清零的位置，时钟脉冲电路和计数器都停止工作，时间显示也返回到0小时0分。开关K2为停止计时开关，电路图中为关闭状态，此时时钟脉冲电路可正常工作。K2主要用来微调时间，它可以将表调慢；比如发现表快了1分钟，拨动K2，表就停止计时，1分钟后再拨动一下K2，表就按照正确时间工作了。数字显示数码管必须采用共阴极型的。R13、R14、R15、R16中为27Ω，它用来限制数码管的电流，调整它们的阻值可以改变显示数字的亮度。如采用5011和5021型的数码管，这4个电阻可以省略不用，将数码管的阴极直接接地就可以了。如果用1吋以下的数码管，增大这4个电路的阻值，亮度减低，反之则亮度增加。

学习、实验与思考

1．时钟脉冲电路原理

由IC1、IC2、IC3和IC4组成了时钟脉冲电路，它可以产生和输出电子表工作所需要的秒脉冲信号、分脉冲信号、小时脉冲信号和天脉冲信号。它利用4060组成32768Hz振荡器，再用其内部的16384分频器产生2Hz的脉冲信号，由它的“9”脚输出。此脉冲信号再用第1级4040组成分频器产生秒信号和分信号，用第2级和第3级4040分频器产生小时信号和天信号。秒信号由第1级4040的2分频输出端直接产生，分信号由第1级4040组成120分频电路产生；用第2级4040组成60分频电路产生分信号，用第3级4040组成24分频电路产生天信号。如果用12小时进制，则第3级4040要组成12分频电路。有关用4040组成任意分频系数电路的原理和方法以前已经介绍过，这里就不再赘述了。微调4060振荡器电路中的半可变电容器C1，可以调整晶体振荡器的频率，从而微调表的快慢。

2．40110十进制加减计数/译码/锁存/驱动器集成电路简介

40110是集计数、译码、驱动等功能于一身的集成电路。它的管脚接线图见图24-202。它有两个时钟输入端CP+和CP-，两个进位输出端BO和CO，清零端CR，计数禁止端CT，显示锁存端LE和7个数码驱动端。它输入时钟脉冲，按10进制规律计数，并具有加计数和减计数的功能。它还有译码和驱动功能，可以直接驱动7段数码管工作；它的驱动输出端每个数字的笔划可以输出高达30毫安的电流强度。图3给出了7段数码管的各个笔划名称。40110带有进位输出，可以组成多级级联电路，完成任意位数的数字计数器功能。CO是加计数进位输出，BO是减计数进位输出。计数禁止端CT接高电平计数停止，但显示正常。显示锁存端LE接高电平，显示数字保持不变，但它的内部计数器仍正常工作，关闭锁存功能后，可以继续显示当前正确时间。清零端CR接高电位，计数器停止工作，显示数字被强迫返回0。本电路用40110分别组成小时计数器和分钟计数器，每个计数器使用2级级联电路，接成10进制位加法计数电路。

图24-202

40110功能表

3．如何设计60（24）进位计数器

数字电子表需要计数器有60进位和24进位的功能，如何用10进制的计数器实现60进位的功能呢？40110电路的分钟数字的60进位是用小时的脉冲信号获得的。每到60分钟时，小时计数器就获得一个计数脉冲，这个脉冲在将小时的计数器加1的同时，还加到了40110分钟计数器的清零端，强迫分钟计数器清零返回；这样，分钟数字每到60就会变成0，从而实现了分钟数字要求的60进位。同理，小时的24进位采用了天计数脉冲，计数器每到24小时，天脉冲发生器就会向小时计数器的清零端输出一个脉冲信号，强迫显示0小时，并重新开始计时。

用普通的10进位计数器实现60进位或24进位的方法不止一种，还可以利用向7段数码管输出的脉冲信号构成任意数字的进位电路。设计方法是利用输出60（24）时7段数码管各笔划电位的高低与其它数字的区别，再用门电路经过运算，输出高电平脉冲信号驱动计数器的清零端，就可以实现返零，从而得到60（24）进位的计数器电路。读者如果有兴趣，可以自己完成电路设计。

4．时间调整电路

电路开机后，小时和分的显示数字均为零，也就是零小时零分。如果当前时间不是零点，就要对电子表进行时间调整。不论当前的时间是多少，都需要用时间快进调整按钮AN1~AN3进行设置。使用过程中，如果发现表慢了，也可以用它们将时间调快，但是不能将时间调慢。如果发现表快了一些，可以使用时间开关K2进行调整。将时间开关打开，电子表就停止了计时，停在原来的时间。当时间到了显示的时间，再拨动一下K2就可以了。本电路调整时间的电路原理是向计数器输入比正常时间快若干倍的时钟脉冲。电子表正常工作时，4060振荡/分频器向4040分频器输出的脉冲信号频率为2Hz。按钮AN1接在32768振荡器的输出端，当按下AN1时，向4040分频器输出的脉冲信号频率变成32768Hz，这样，电子表的计时就比正常时间快了16384倍，按下1秒钟，电子表就走了16384秒。AN2和AN3分别接在4060的16分频和256分频输出端，它们可以分别向4040输出2048 Hz和128Hz的脉冲，根据同样的道理，它们分别比正常时间快了1024倍和64倍。读者可以根据自己的习惯和需要，另行选择快速调整按钮的倍率；方法是改变调整按钮接在4060分频器输出端的位置。4060提供了以下倍率的分频系数：Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q12、Q13、Q14，分频系数分别为2­­4、25、26、27、28、29、210、212、213、214，加上不加分频的输出端，共有11种选择。

K1的作用是可以在电子表的使用过程中，随时将时间清零。当发现电子表显示的时间不同步的时候就要使用它。所谓时间同步，就是指显示的时间数字按照时间规律进行进位；对于分钟来说，只有到了60分钟的时候，小时才应该进位，而且分钟变成0分；对于小时来说，只有到了23小时60分钟的时候，才应该进位，并立即返回到0小时0分；否则就是不同步。这时可拨动一下清零开关K1，则时钟脉冲发生器停止工作，3个4040分频计数器内部均返回到0值；40110计数器也停止计数，各位计数器返回并且显示数字0值；此时电子表停止了工作，显示0小时0分；只有再拨动一下清零开关，电子表开始重新计时。

5．设计更新颖的电子表电路

读者可以根据自己的需要，在这款电路的基础上，自行设计出符合自己需要的电子表电路。下面提出几种方案参考。

①增加输出的位数，如秒、分钟、小时、天的数字显示。并可改变显示数字的大小、颜色，根据自己的爱好和习惯组合，一改传统数字钟表呆板的面孔。

②用秒脉冲信号控制数码显示管的亮灭，从而实现数字间歇显示的功能。让小时、分、秒的数字轮流发光显示，例如在1秒钟内，小时显示半秒钟，然后熄灭半秒钟，而分钟熄灭半秒钟，显示半秒钟。这样不但可以节省一半的电源消耗，而且具有动感。

③在电源方面，可以设计出具有防电源停电功能的电路。解决的思路由很多种，比较实用的可以使用两组电源供电，一组电池供电，外加一路交流电源供电。

如果找不到40110集成电路，也可以用4510和4511两种集成电路组合使用完成40110的功能。

廿一、变音报警器

电路原理

电路图见图24-211。电路由多谐振荡器、锯齿波发生器、压控频率振荡器、压电陶瓷片组成。多谐振荡器产生方波信号，经过积分电路变成锯齿波，将锯齿波接入到由4046组成的压控音频振荡器的频率控制端。随着控制电压以锯齿波的规律发生变化，压控音频振荡器输出的音频信号的频率会随之改变，输出电路压电陶瓷片就会发出音调就会有规律变化的声音，听起来就有类似警笛的发声效果。

图24-211

制作要点

电路无需调试即可正常工作。电源电压为直流3～6V，如果所用电池比较旧，可以在电源上并联一个100μf的电解电容器。声音输出电路采用压电陶瓷片模拟发声。如果需要比较大的音量输出，可以在输出端增加放大电路。

通过改变振荡器的频率可以得到很多种报警器的声响。变音的调试可从声音的基调和变化的快慢两方面进行。用电阻R1可以调整报警声音的基础频率的高低。通过改变4069多谐振荡器的频率可以改变调制速度。调制速度改变后，产生锯齿波的积分电路的时间常数，也就是R4和C2的取值也要进行调整。一般地，调制速度变化越快，积分电路的时间常数也越小；调整时应通过实验来确定，以得到预期的报警声音。

学习、实验与思考

1．4046锁相环集成电路

4046锁相环集成电路是一种多功能的复合型集成电路，其内部接线如图24-212。它包括输入整形电路、频率比较器Ⅰ、频率比较器Ⅱ、压控振荡器等，它的基本用途有以下几种：

①电压控制振荡

②频率合成

③频率调制

④锁相环电路（鉴频）

图24-212

图24-213是4046的逻辑图。对于比较复杂的电路，可以采用分解的方式逐步掌握；本文首先介绍有关利用4046的电压控制振荡的性质的实用电路。

图24-213

2．变音报警器电路原理分析

①压控振荡器原理和实验

4046内部的压控振荡器，可以在电压的控制下产生从极低频率到数兆赫兹的宽范围脉冲信号。振荡的中心频率由R1脚外接的电阻确定，振荡的最低频率由R2脚外接的电阻确定。控制端的电压越高，振荡器输出频率也越高。电压控制振荡器VCO的中心振荡频率由外接电容C1、外接电阻R1和R2决定。其振荡频率还可由外部控制电压改变。这个控制电压从9脚VCOin输入，电压越高，振荡频率也越高，4脚Qvco为电压控制振荡器VCO的振荡输出端。R1与R2都可以决定振荡频率，它们的区别在于：只用R1而不用R2，振荡频率范围没有下限，可以从最高调到最低；而接入R2，振荡器的频率就有一个下限，只能从某一频率开始，随着电压的升高，频率从这个频率开始升高。使用时可以根据需要决定是否接入R2。

电压控制振荡器的中心频率f0由C1、R1（R2）决定，一般有f0=1/2πR1C1。

如果在音频范围内进行压控振荡器实验，可用压电陶瓷片接在输出端4脚，用来监听振荡器的输出频率。可用一电位器调整R1控制电压的高地，就可以听到频率在发生变化。提高控制端的输入电压，振荡频率逐渐升高，到了20kHz左右，声音变得越来越小，最后就听不见了，但是振荡器仍然在工作，只不过工作在20kHz以上，人耳无法听见。

取下R1，接入到R2的位置，重复上述实验，验证一下R2的功能。

同时接入R1和R2（各为20k），看看输出有什么变化。

在刚才的实验中，逐渐调高输出频率，一直到听不到声音为止。这时从理论上判断，振荡频率超过了20kHz，振荡器仍然在工作。只不过由于频率高达几十kHz到上百kHz，人耳无法听到。如何证明这时电压控制振荡器仍然在工作呢？可以用一个中波收音机，打开后放在电压控制振荡器旁边。这时就可以听到电压控制振荡器产生的振荡信号对收音机产生的干扰现象。调整电压控制振荡器的频率，收音机发出的干扰信号也会随之变化；这是因为电压控制振荡器产生的振荡的高次谐波落入了中波无线电信号的频率范围，因而对收音机产生了干扰现象。

②变音振荡原理

了解了4046电压控制振荡电路原理，就不难理解变音报警器的电路原理了。变音报警器由4046产生一个基础音频振荡。同时，它的电压控制振荡输入端接入一个电压不断从低渐渐变高，然后再由高渐渐变低的锯齿波（也叫三角波），这样，电压控制振荡器的输出就是一个频率逐渐由低变高，再逐渐由高变低进行变化的声音了。

②三角波的产生原理

由4069多谐振荡器产生矩形方波，再通过积分电路，就会变成近似的三角波。这时因为在矩形脉冲的上升阶段，积分电路上电容的电压不能跃变，只能以指数规律上升；同时由于适当地设定积分电路的时间常数，在电容上的电压还没有上升到接近脉冲峰值电压时，方波电压就到了下降阶段；这样，电容上的电压就会以指数规律下降。如此周而复始，在积分电路上的电容器的电压就呈现出近似三角波的脉冲电压；见图24-211。由以上分析可以得出积分电路的时间常数可取脉冲的周期二分之一左右。

如果积分电路的时间常数与脉冲周期的比值在一定的范围变化，报警器发出的声音的音色也会产生变化。由此可见，要调整变音报警器的音色，可以改变其基调的频率，也可以改变调制的频率，还可以改变积分电路的时间常数。通过以上三方面的调整，就可以得出变化多端的变音报警声音。

4．设计声音测电笔

4046电压控制振荡器的控制电压输入端的输入阻抗很高，高达1012Ω，因此可利用这一性质制作一个声音测电笔。

声音测电笔利用发出的声音音调改变来检测周围物体的带电情况。从电压控制端接出一段导线作为探测电极，再接一个二极管和电容器并联在控制端，一个声音电场感应测试仪就制作完毕。此时用探测电极接近带电物体，例如220V电源线，就会听到压电陶瓷片发出尖叫，频率越高，表示电场越强。具体电路可仿照前面介绍的感应验电笔设计。

5．创新设计——超声波驱蚊器

据说超声波可以用来驱除蚊虫，有关这方面的电路也层出不穷。比较可信的电路是一种发出频率可以改变的超声波的驱蚊电路。蚊虫的种类不同，对超声波的敏感程度也不同，对各种频率的反应也不同。如果驱蚊器只能发出某种固定频率的超声波，驱蚊的效果就要大打折扣；如果驱蚊器可以发出频率范围很宽的超声波，就会有比较好的驱蚊效果。如何设计一种可以发出频率范围很宽的超声波电路呢？采用压控变频振荡电路就可以解决这个问题。这个问题留给读者，希望读者在做了本文所提供的各种实验之后，能够独立设计出用4046制作的超声波驱蚊器。

廿二、模拟金属探测器

用金属靠近模拟金属探测器的探头，探测器发出的声音信号音调就会变化，提示人们发现了“地雷”。

电路原理

电路图见图24-221。电路由金属探头、高频振荡器、频率比较器和音频输出电路组成。高频振荡器由4069电路和振荡回路组成；金属探头为一磁棒线圈，是振荡回路的线圈，当金属物靠近它时，就会改变线圈的电感量，从而导致高频振荡器的频率发生变化；频率比较器由4046电路组成，其内部有一固定频率振荡发生器，高频振荡器产生的信号与4046内部的信号进行比较，其差频在2脚的相位比较器Ⅰ输出。选择一定频率的内部振荡信号，使之与线圈产生的信号的差频为音频信号，这样，当探头靠近金属物体时，输出音频信号频率就会产生变化，人利用听觉，就会发现“地雷”。4069的另一组非门组成缓冲电路，可将音频输出信号的电压放大为原来的2倍，从而提高音量。

图24-221

制作要点

振荡线圈也可以采用空心线圈，形状为圆形或矩形均可；面积可在数十平方厘米以上。至于磁棒线圈与空心线圈哪一种的探测灵敏高，则需实验确定。电路中的两个发光二极管用来指示工作状态。电路可采用3～6V的电压，因为4046压控振荡器对电压变化很灵敏，所以要用新电池或者经过稳压的电源电路。如果电源电压用9V，可使用4046自身带的稳压二极管DZ，通过电阻和DZ将工作电压稳定在5V。

学习、实验与思考

1．探测金属原理

本电路使用了4046锁相环电路的相位比较器的频率合成功能。4046有2个相位比较器，本电路使用的相位比较器Ⅰ兼有频率合成功能。在第14脚输入一种脉冲振荡，在第3脚输入4046自身的脉冲振荡，在相位比较器Ⅰ输出端就可以得到这两种不同频率的脉冲合成后的脉冲振荡。据实验，这种合成脉冲包括输入的两种不同频率脉冲的差频；例如4046自身的振荡频率为400kHz，外部输入脉冲频率为402kHz，则在第2脚相位输出端可输出402-400=2kHz的脉冲信号，这个信号正好落在音频范围。显然，如果输入脉冲信号频率发生变化，输出的音频信号频率也会发生变化。

2．基调频率的选择

人耳对不同频率的声音的敏感程度不同，在没有探测到金属的时候，探测仪的声音频率可以根据使用者的习惯加以调整，以在这一频率上升高或降低最为明显为好。

3．不同金属对线圈电感量的影响

一般说来，铁等导磁金属靠近线圈，可以增加线圈的电感量，所以用铁或铁芯靠近探头，线圈电感量变大，高频振荡器的输出信号频率降低。这时声音输出到底是音调变高还是变低？这时，再用铜铝等金属靠近线圈，线圈电感量会变小，高频振荡器的输出信号频率会升高。这时声音输出的音调变化又如何呢？不管怎样，两种实验的变化是相反的。至于为什么变化不确定，请通过实验来解决。

在探头振荡回路参数不变的情况下，调整4046内部固定频率振荡电路的振荡频率，会发生什么情况呢？要注意声音的输出是两个振荡器的频率之差的绝对值。相信通过实验就会彻底掌握这一问题的答案。

4．压控振荡器发射中波信号实验

4046的压控振荡可产生中波范围的高频信号，并可用中波收音机接收。电路中产生的高频信号被音频脉冲信号调制。按电路接好，打开收音机，就可以听到音频信号。调整发射天线、距离等，做好实验记录。电路可利用4046的频率合成原理，可以进行中波调制无线信号的发生实验。将一中波收音机放在距离实验电路10厘米之处，就可以听到电路发出的中波调制信号。电路可用4069产生音频调制信号，这个信号输出到4046的相位比较器的输入端。4046的电压控制振荡器工作在中波波段。这样，从相位比较器的输出端就可以得到经过音频信号调制的中波信号。在相位比较器的输出端接有一段数厘米长的导线做为发射天线，中波收音机收到了这个信号，就可以在喇叭放出音频调制信号。具体电路请读者自行设计。

5．提高探测灵敏度的实验

此电路对金属物品的灵敏度较低，如何进行改进呢？希望读者自己通过实验来解决这一问题。影响灵敏度的因素较多，电路工作频率是一项重要因素。此外，LC振荡器中电感L与电容C的数值选取也有很大的关系。对于某一特定频率来说，取决于LC的乘积。问题是究竟电感L取得大一些，还是取得小一些可以提高灵敏度呢？此外，电感可以采用空心线圈，也可以采用磁棒以缩小体积。但是，它们的灵敏度又会产生如何变化呢？希望读者不要拘泥于本电路推荐的数值，自己通过实验得出正确的结论。

廿三、音频遥控开关

每发出一个特定频率的声音，就会控制开关改变一次状态；开关对环境中的其他频率的声音没有反应。

电路原理

电路原理图见图24-231。电路由音频放大电路、锁相环电路和开关输出电路组成。音频放大电路将话筒得到的声音信号进行放大。外界的声音信号经过放大后接到锁相环电路的输入端。锁相环电路内部有一个压控振荡器，平时工作在设定的工作频率上。当外界的声音信号传入锁相环电路，每当接收到与压控振荡器工作频率相同的声音信号时，锁相环电路就处于锁定状态，输出电路的电压由低变高，控制开关输出电路改变开关状态。

图24-231

制作要点

电路可用口哨声音进行控制。调整电路的接受频率，使得电路只对特定的口哨声音产生反应。仔细调整，使得电路灵敏度最高，控制距离最远。如果制作者比较有经验，也可以使用嘴吹出口哨进行电路的调整。

学习、实验与思考

1．锁相环电路原理

锁相环电路包括相位比较器、低通滤波器和电压控制振荡器3部分组成。相位比较器的功能是对外界的声音信号与内部的脉冲信号的中心频率进行频率比较，当频率相同时，从第1脚输出高电位；无论是外界的声音信号还是内部的振荡信号，其频率都会产生漂移，实际上两者的频率不可能相同，锁相环电路可能处于失锁状态。为了解决这一问题，锁相环电路可通过低通滤波器将相位比较器输出的电压反馈到电压控制振荡器，改变内部振荡脉冲的频率，使之与外界信号的频率相同，这种由起始的失锁状态到最终的锁定状态所允许的输入信号频率范围叫作频率捕捉范围。

2．选频开关原理

现有的一些利用锁相环电路做选频开关的缺点在于几乎没有选择性，它利用了压控振荡，几乎对所有接近外来信号频率的干扰信号都可接收。本机电路与现有的4046锁相环电路的区别在于，对相位比较器输出的控制电压采取了分压，只允许电压的一小部分对压控振荡器进行控制，所以捕捉范围比较窄。当然，这个范围很容易通过改变电压的比例进行调整。

具体措施：①压控振荡器的控制电压由两部分组成；②基础电压决定压控振荡器工作频率与接收信号的频率一致，这个电压由电位器R6提供；③4046锁相环输出的锁定电压通过R8与R7组成的分压器分配后，与基础电压一起加到压控振荡器上；④通过控制两种电压的比例，可以任意调节选频开关的选择频率捕捉范围；基础电压所占比例大，选择性好，捕捉范围较窄；锁相环输出的锁定电压所占比例大，选择性差，捕捉范围较宽。

3．开发DTMF双音频信号自动控制电路

①什么是DTMF双音频信号

DTMF双音频信号有16个，分别由4个高频信号和4个低频信号组合而成，例如数字 “1”由高频组的1209Hz与低频组的697Hz组成，接收时需使用专用解码电路，只有信号同时包含这两种特定频率的信号，才能被确认；这样就实现了对干扰信号的有效抑制，确保了电路在强干扰条件下的可靠工作。程控电话使用了其中12个。程控电话可以使用双音频信号进行拨号和其它功能的控制。

下表为DTMF双音频信号编码表。

②如何得到双音频信号

可利用专用集成电路产生TDMF信号，也可利用电话机中产生的双音频信号。

③如何将双音频信号解码

可利用专用集成电路；如果仅对其中少数编码进行解码，也可以利用4046锁相环电路组成特定双音频信号解码器。原理是用两个4046锁相环电路组成两个选频开关，分别对双音频信号中的一种进行选频；然后再用与门电路将接收的控制信号合成，只有当两路信号都通过时，与门电路才有输出信号。

④利用双音频信号实现遥控开关

随着电话的普及，人们可以利用电话对家中的电器进行遥控。比较简便可靠的方法就是利用双音频信号发出特定的控制码，然后通过解码电路将控制信号输出，从而达到控制远距离电器的目的。

读者可自己开发设计利用双音频信号解码电路的实验电路和遥控设备。