数字电路课程设计报告姓名;王开举班级：学号：10设计项目名称：救护车扬声器发生系统一 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.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。

定时器内部结构及工作原理1> 内部结构：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31V CC 和32V CC 两个基准电压；两个电压比较器C 1、C 2；一个由与非门G 1、G 2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G 3。

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C 1、C 2的参考电压。

不加控制电压时，要在V CO 和地之间接0．01μF （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C 1的同相输入端接参考电压T V +=32V CC ，比较器C 2反相输入端接参考电压T V -=31V CC ；当V CO 接控制电压e V 时，比较器C 1的同相输入端接参考电压T V +=V e ，比较器C 2反相输入端接参考电压T V -=12V e 。

现做如下规定：.(a) 555的逻辑符号(b) 555的引脚排列图2 555定时器逻辑符号和引脚图1 555定时器内部结构..当TH 端的电压>T V +时，写为V TH =1，当TH 端的电压<T V +时，写为V TH =0。

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

① 低触发：当输入电压V i2<T V - 且V i1<T V +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V i2>T V - 且V i1<T V +，则V TR =1，V TH =0，S =R =1，基本RS 触发器保持，V O 和T 状态不变，这时称555定时器“保持”。

③ 高触发：若V i1>T V +，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，可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路，例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。

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<T V - 且V i1<T V +，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T V -时，V i2>T V - ，V i1<T V +，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= T V +时，V i1>T V +，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T V -时，V i2<T V - 且V i1<T V +，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上的电压在T V -和T V +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1T 和放电时间2T 计算公式如下： 充电时间1T 计算公式：()112lnCC T CC T V V T R R C V V -+-=+-放电时间2T 计算公式：2220lnln 0T T T T V VT R C R C V V ++---==-故电路的振荡周期为：()12122lnln CC T T CC T T V V VT T T R R C R C V V V -++--=+=++-当Vco 悬空（接电容后接地），T V +=32V CC T V -=31V CC 时，()112ln 2T R R C =+ 22ln 2T R C =振荡周期：12(2)ln 2T R R C =+ 振荡频率：121(2)ln 2f T R R C ==+二. 方案实施及结果分析1. 电路图设计及器件参数选择图3 救护车扬声器发声电路图图四救护车扬声器发声效果仿真图(a)图五 救护车扬声器发声效果仿真图（b ）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1O V 输出占空比一定的方波信号控制555（2）的控制端电压，当1O V 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1O V 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2.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：221ln 24T R C ms =≈（即为低电平持续时间）低音持续时间：1121cc 121()ln()ln26cc T T V V T R R C V V R R C ms-+-=+-≈+≈（即为高电平持续时间）②555（2）的5管脚输入电压可根据戴维南等效电路求得：（如图5）Vo1R310kΩRx 3.3kΩC133uF 45Vo1Ve 2/3Vcc 8v图5 555（2）控制端电压Ve 的戴维南等效电路图31135//(55) 3.32108 3.33313.33X CC X O O E X R k R V R V V V R R =+=Ω⨯+⨯+⨯==+ ③计算高频声音和低频声音振荡频率： 当1O V =0V 时，E V =， 高音振荡频率：12452521()lnln 211231100.005ln 1000.005ln 212617181582CC ECC EHV V V V H Hf R R C R C Hz T us f --=++=-⨯⨯+⨯-===仿真结果如图6所示：图6 高音振荡波形及周期显示（）当1O V =12V 时，E V =12 3.338108.813.33V⨯+⨯≈ 低音振荡频率：12452521()ln ln 2112 4.41100.005ln 1000.005ln 2128.812221818CC ECC EL V V V V L Lf R R C R C Hz T us f --=++=-⨯⨯+⨯-===仿真结果如图7所示：图7 低音振荡波形及周期显示（）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.、。