声控延时综合实验设计与实践

王燕杰， 吴 霞， 贾生尧

（中国计量大学机电工程学院，杭州310018）

0 引 言

电工电子实验课程是高校工科专业学生的重要专业基础课程［1］。为了提高学生电路设计实践能力，国内高校许多老师都进行了电工电子实验教学创新研究，如姚缨英等［2］在电路实验教学中进行了模块化开放式电路综合实验教学研究，申文达等［3］在电工电子实验教学中引入了启发式教学方法，朱雷平等［4］在电工电子实验中进行个性教育的开放实验教学，陈萍［5］在电路教学中进行了综合实验的探索。在实践教学中曾发现大部分学生只会做单个实验，每当涉及到综合实验，就束手无策，无从下手，并没有真正做到所学内容融会贯通，基于此开发设计了综合性强，让学生理解运用所学知识，提升学生实践能力和学习效果的多项综合实验［6-7］。

在实施综合实验项目时，要求学生先完成常用电子仪器，分压偏置式单管放大电路，运放放大器的线性应用，RC正弦波振荡电路，组合逻辑电路设计，计数与显示电路，555 定时器应用电路等模拟和数字电路基础实验。本文介绍其中一个综合实验项目“声控延时实验”。该实验要求学生在2 周内，按照布置的任务和要求，利用现有的模拟和数字电路实验箱，独立设计一套完整的声控延时控制电路，并完成实验设计报告。该实验包括模拟电路和数字电路的多个模块：数字示波器，分压偏置式单管放大电路，运算放大器线性应用电路，NE555 定时器电路，计数显示电路，LED 驱动电路等，将模拟电路、数字电路内容串联起来。学生通过设计并仿真电路，理解并熟练掌握电路原理后，动手操作完成该实验。

1 实验任务

1.1 实验任务要求

（1）要求使用模拟或者数字电路实验箱设计一个声控延时电路，当咪头接收到声音时，电路点亮LED灯；当声音消失后，电路延时1s 自动关闭LED 灯，延时时间用1 位数码管显示。

（2）要求延时时间0 ～10 s可调。

（3）扩展内容：自由发挥或用延时开关作为报警灯的开关，当声音达到阈值后，延时开关接通并控制报警灯以10 Hz频率闪烁。

1.2 实验目的

让学生熟练掌握数字示波器的使用；熟练运用多级放大电路、NE555 定时器电路和计数与显示电路等模块进行电路设计，并实现完成声控延时电路的功能。

1.3 实验方案设计

采用实验室模拟电路实验箱现有声音信号进行两级放大，放大后的信号经过整形，驱动由NE555 组成的单稳态定时时间闸门电路的方案。其原理框图如图1 所示。通过咪头采集声音信号，然后通过一级或者二级放大电路把声音信号的幅值放大至5V 以上，再经过波形整形电路整形成标准的TTL 电平信号，以产生稳定的下降沿触发信号，进而可靠地启动延时控制电路，延时控制电路控制计数显示电路，显示并锁定延时时间值。

图1 声控延时电路原理框图

声控延时电路图如图2 所示，图中M1表示用来接收声音的咪头，R1、M1、C1组成声音信号的输入电路，声音信号通过C1耦合到后面由R2、R3、R4、R5、R6、和Q1组成的分压偏置式单管放大电路，该单管放大电路作为第一级声音信号放大电路，第一级放大电路的输出经过电容C2耦合到由R7、R8、R9和运放UA741组成的第二级声音信号放大电路，经过两级信号放大后的声音信号，再接入施密特触发器CD40106 进行整形，整形后的声音信号变为方波信号，其下降沿可以触发由NE555 定时器组成的单稳态电路进行定时延时。单稳态电路的输出控制发光二极管发光，发光二极管用来模拟声控开关。

NE555 定时器与R10、C4组成的单稳态电路，一方面输出触发信号，使发光二极管发光；另一方面组成延时闸门控制电路，在延时时间内输出高电平，控制计数器的使能端，使计数显示电路正常计数，当延时时间到时输出低电平，停止计数，同时保持计数器的计数数值。

改变R10和C4的值，可以调节延时时间，延时时间的计算公式为T ＝1.1R10C4。

图2 声控延时电路

本实验具有多种设计方案，如：将图2 中的虚线部分换成同相或者反向运算比例放大电路，也可实现相同的电路功能；计数器电路也可以分别采用74ls161和74ls192 两种不同的计数器芯片。学生们可采用多种方案来完成本次实验任务。

2 实验实施过程中的模块化调试方法

由于涉及多个电路模块，造成实验系统连线较多。因此要求学生学会分步调试电路模块［8］。本实验可以分6 个模块进行分步调试，简化实验过程。

2.1 声音采集电路的实验波形观测

从咪头两端采样声音信号的波形，需要学生熟练掌握数字示波器的使用。如图3 所示的声音信号采集电路，静态时输出直流信号，在观测声音信号的动态波形时，示波器耦合类型需设置为交流。示波器探头X10 档的输入阻抗比X1 档要高10 倍，在测试驱动能力较弱的信号波形时，把探头设置到X10 档可更准确地测量。咪头采集的声音信号非常微弱，示波器探头衰减开关可设置在X10 处。示波器触发类型需设为单次触发，当有声音信号时，示波器能准确采样并锁定波形信号。

图3 咪头两端的声音信号波形

本调试步骤训练的知识点是：示波器探头好坏判断，示波器耦合类型设置，示波器探头衰减设置，示波器触发方式设置等4 个知识点。

2.2 声音信号第一级放大电路的波形观测

第一级声音信号放大使用的是分压偏置式单管放大电路，需要学生先学会设置合适的静态工作点［9］，再使用单管放大电路进行交流电压放大。让学生理解单管交流放大是反向电压放大，掌握观察双踪波形的示波器耦合方式选择。图4 中CH1 通道黄色波形是单管放大前的声音信号，CH2 通道蓝色波形是单管放大后的声音信号。CH1 通道的电压观测刻度为100 mV/格，CH2 通道的电压观测刻度为2 V/格，本方案采用实验箱自带的单管放大电路的动态电压放大倍数设计值为倍。第一级放大后音频信号幅值达到2.4 V，不足以驱动延时电路，需进行第二级放大。

图4 声音信号第一级放大波形

本调试步骤训练的知识点是：单管放大电路静态工作点的设置，单管放大电路的动态放大倍数，数字示波器双踪波形观察等3 个知识点。

2.3 声音第二级放大电路的波形观测

声音信号的第二级放大采用的是运算放大器实现反向放大，该调试步骤要求学生掌握检测运放好坏的判断，熟练运用运算放大器进行线性应用设计。图5中的CH1 通道黄色波形是运算放大器放大前的声音信号，CH2 通道蓝色波形是运算放大器放大后的声音信号，本文运算放大器的放大倍数Auf＝- R9／R7＝-3.3。第二级放大后音频信号幅值达到8 V，足够驱动延时电路。

图5 声音信号第二级放大波形

本调试步骤训练的知识点是：运算放大器的好坏判断和运算放大器的反向放大等2 个知识点。

2.4 声音信号波形整形

经过两次反向放大后的声音信号，其波形为正值，幅值为8 V，波形整形电路［10］是把放大后的声音信号整形成标准的TTL电平信号，整形后的信号其陡峭的下降沿可以稳定可靠地触发单稳态延时电路。图6 中CH1 通道黄色波形是施密特整形前的声音信号，CH2通道蓝色波形是施密特整形后的声音信号。

本调试步骤训练的知识点是施密特触发器的应用。

2.5 NE555 定时器电路的波形观测

图6 声音信号波形整形

声控延时的延时时间主要由NE555 定时电路来实现，图7 中的黄色波形为施密特电路提供给单稳态电路［11-12］的触发信号，蓝色波形为NE555 单稳态电路输出的定时波形，其高电平时间T ＝1.1R10C4＝1 s，改变R10C4值可以改变高电平时间。在该高电平时间内计数器正常计数，若计数频率为1 Hz，高电平截至时锁定的计数器数值，即为延时时间的数字显示。

图7 NE555单稳态电路延时波形

本调试步骤训练的知识点是：NE555 单稳态电路的定时原理和定时时间的计算等2 个知识点。

2.6 计数显示电路

关于延时时间的显示，在常规实验教程的计数器章节介绍了2 种不同的方案，本节调试均可采用。如图2 所示的方案：先使用16 进制加法计数器74ls161连接成每秒计数一次的10 进制计数显示电路，然后把NE555 单稳态电路输出端接在74ls161 的使能端。当有声音信号时，NE555 单稳态电路输出高电平，74ls161 使能开始计数，计数时间为NE555 单稳态电路输出高电平的时间（即延时时间）。方案2 如图8所示，先使用10 进制加减计数器74ls192 连接成每秒计数一次的10 进制计数显示电路，然后把NE555 单稳态电路输出端接在74ls192 的使能端。

图8 74ls192十进制计数

本调试步骤训练的知识点是使用16 进制加法74ls161 进行10 进制计数显示，使用10 进制加减74ls192进行10 进制计数显示，计数器使能端的使用等3 个知识点。

3 综合实验项目评价环节

我校声控延时综合实验建议学时为7 学时，其中仿真2 学时。

综合实验是2 人1 组，团队协作完成，为了区分学生学习程度，设计了如表1 所示的实验验收评价表格，对每个同学进行分别验收［13］。

表1 声控延时开关实验验收评价表

用表1 先验收学生的电路仿真结果，然后教师提问，再要求学生实际操作示波器逐级观测声音信号采集电路，声音信号放大电路，信号整形电路，单稳态延时电路等实验模块的波形，显示出倒计时和拓展功能结果，最后验收实验报告。该评价环节不仅注重实验的结果，还更注重实验过程中的细节观测，让学生更深入理解掌握综合实验的每个实验模块。

4 对电工电子实验教学的帮助及教学效果

（1）整个实验过程中，涉及常用电子仪器的使用，分压偏置式单管放大电路，运放放大器的线性应用，施密特波形整形电路，NE555 单稳态电路，计数显示电路等6 个常规电工电子实验模块的15 个知识点，多个知识点的融合，加深了学生对以往所学常规实验模块的理解，提高了学生综合实践能力，锻炼了学生的实践动手能力，同时理论联系实际，课堂知识得到了具体的应用。这种做法不仅有效利用了实验室现有的教学模块资源，大大节省了硬件投入成本，同时也发挥学生的能动性，如学生为了解决综合实验中存在的问题，必须主动反思前面所学的常规实验模块。

（2）该实验综合性较强，系统调试时间久，碰到有难题的地方时，学生可采取小组讨论的方式进行解决，引导了学生自行设计电路并进行仿真与搭建，提高了学生的综合电路系统的设计能力，让学生形成先学后做再回头思考着学的闭环学习［14-15］，开拓了学生的思路，促进了学生的科学实验基本能力和素质的培养。

（3）分别在2017 ～2018 年两个学期选择机电类本科生的不同班级参与声控延时综合实验的教学，其中第一学期所选的班级没有参与综合实验，期末考试卷面成绩优秀率21.21%，良好率15.15%，优良率合计36.36%，不及格率48.48%；第二学期所选的班级全员参与综合实验，期末考试卷面成绩优秀率2.86%，良好率37.14%，优良率合计40%，不及格率14.29%。对比结果如下：学生参与声控延时综合试验后，学生期末考试卷面成绩，优良率从36.36%增加到40%，不及格率从48.48%大幅下降到14.29%，说明本文设计的声控延时综合实验，可以帮助电路理论基础较薄弱的本科生理解和掌握常规电工电子实验的15 个知识点，有助于他们提高对实验知识点的掌握。

5 结 语

本实验设计了融合6 个常规电工电子实验15 个知识点的综合实验系统，给出了评价完成实验项目的评价标准，并将其应用于学生的实践教学中，锻炼了学生的电路实践设计能力，加深了学生对实验课程各模块的理解，取得了良好的教学效果。该实验项目可进一步完善和改进，比如增大延时时间0 ～30 s可调，两位数码管显示延时时间等，锻炼学生使用多个数码管进行计数显示的能力。