綜合性實驗項目聲控系統(tǒng)電路設計與實踐

關鍵詞：電工電子學實驗；綜合性實驗；聲控系統(tǒng)電路；實驗設計

文章編號：1671-489X（2025）10-0126-04

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

0 引言

實驗教學是高等教育的重要組成部分。電工電子學實驗是一門實踐性很強的課程，既包括電路基礎實驗，又包括模擬電子技術實驗和數字電子技術實驗。隨著技術知識的快速更新，為了讓學生在有限的時間內掌握更多技術，實驗教學內容的合理設置就顯得尤為重要[1-4]。綜合性實驗項目對提升實驗教學質量具有顯著的推動作用，能夠有效激發(fā)學生的學習主動性，增強學生對基本知識和實驗技能的靈活運用能力，培養(yǎng)學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成，由聲音信號驅動。通過該綜合性實驗的制作與電路調試，學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用，學會復雜系統(tǒng)的分級調試方法以及瞬時信號的捕捉與觀測技巧。這不僅有助于學生提升對電子技術的認知，還能使其更好地運用所學知識解決實際問題。

1 實驗目的

本實驗旨在讓學生學習模擬電子技術的綜合應用，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，熟練掌握數字示波器的使用以及較復雜系統(tǒng)的分級調試方法。

2 實驗任務

1）要求學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、開關二極管、三極管、電子繼電器、駐極體傳聲器和LM358。

2）要求學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，則要求學生自主調試。引導學生進行分段調試，直到發(fā)現問題，進而解決問題，使電路正常工作。

4）要求學生熟練使用數字示波器，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)是模擬電子技術的綜合應用，也是各類智能設備的核心部件，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)行器則根據控制器的指令完成具體的動作操作[9]

本文設計的聲控系統(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；比較控制電路對應電子控制器環(huán)節(jié)負責信號的分析與處理；繼電器執(zhí)行電路對應執(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），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，麥克風感知外界聲響，依次經電容耦合、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，輸出相應的高電平或低電平信號，然后經三極管控制繼電器執(zhí)行開關動作，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和練習后，每位學生將領取元器件并手工焊接到PCB板上進行調試與觀測，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把聲音信號轉化為電信號。接通電源后，12V直流電源經電阻R1限流后對麥克風MIC1供電，此處麥克風采用靈敏度為52dB的駐極體電容傳聲器。電容C1起交流耦合作用，負責把聲音信息轉換為交流信號輸出，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化聲音信號。

3.2聲音信號放大電路

信號放大電路負責放大傳感器產生的微弱信號（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導通特性實現信號處理。當放電電阻的阻值較小時，電路主要用于包絡線檢波；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，會導致快充慢放，因而實現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)行電路負責控制照明電路的通斷，由三極管驅動繼電器線圈來實現。本設計采用常見的NPN型小功率三極管9014，起電子開關作用。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，實現繼電器線圈的通斷電控制。繼電器觸點的開關狀態(tài)由線圈控制，當三極管Q1導通時，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學時，其中焊接電路板2學時，調試和觀測波形2學時。為準確評估學生的學習效果和掌握程度，特設計綜合性實驗評價表[13-14]，如表1所示。該評價方法要求學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，學生需要掌握通過調節(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)不僅注重實驗的結果，更注重實驗過程中的細節(jié)觀測，旨在引導學生重視焊接技能的練習，深入理解并掌握綜合性實驗項目的每個實驗模塊。

5 教學效果

1）本實驗涉及常用電子儀器和工具的使用，比如電烙鐵、數字萬用表、雙通道示波器和直流穩(wěn)壓電源。通過實驗，學生能夠提升焊接技能，熟練掌握這些儀器設備的使用方法，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)電工電子學實驗模塊的多個知識點，這些內容不僅可以幫助學生鞏固對以往所學實驗模塊的理解，提升綜合實踐能力，鍛煉實踐動手能力，而且理論聯系實際，使課堂知識得到具體應用。

6 結束語

本文所設計的聲控系統(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，要求學生按照單元電路逐步進行調試。通過這一過程，學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、電路調試能力以及綜合實驗能力。

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