电子学：第xx课——实验 11：光和声
是时候让自己开展第一个功能和目的齐全的项目了。最后，您将制作一个非常简单的声音合成器。
需要的物品
- 面包板、连接线、剪线钳、剥线钳、万用表
- 9 V 电池和连接器 1 个
- 电阻器：470 Ω 2 个、1 kΩ 1 个、4.7 kΩ 4 个、100 kΩ 2 个、220 kΩ 2 个、470 kΩ 4 个
- 电容器：0.01 μF 2 个、0.1 μF 2 个、0.33 μF 2 个、1 μF 1 个、3.3 μF 2 个、33 μF 1 个、100 μF 1 个、220 μF 1 个
- 晶体管：2N2222，6 个
- 通用 LED1 个
- 1 英寸（2 英寸更佳）8 Ω 扬声器 1 个
振荡
图 2-108 展示了我希望你在面包板上搭建的电路。元件之间的空隙并不大，因此用钳子安装元件要比用手指容易。仔细地数一数面包板上孔的个数，再检查两遍，确保所有元件都安装在了正确的位置。
振荡器电路的面包板布局">
图 2-109 展示每个元件的值。
连接电源，LED 点亮大约一秒钟，然后熄灭大约一秒钟。
这就结束了吗？不，我们才刚刚开始。然而，首先，您需要了解电路的工作原理。如果你无法想象面包板内部部件的连接，请查看图片 2-110 2-111，你会发现元件之间的连接是一样的。我将用电路图解释电路中发生了什么。
你注意到的第一件事就是图 2-111 对称性。这是否意味着电路的左右两部分具有相同的功能？是的，但它们不同时运行。事实上，一半的电路被点亮了 LED，另一半电路熄灭 LED。
很难仔细理解这个电路，因为它的电压一直在波动，任何给定时间都有不止一个事件发生。我在工作间隙画了几张电路内的快照，希望他们能把一切都解释清楚。
在所有图片中，我省略了第三个晶体管和 LED，因为它们对振荡的形成没有影响。
图 2-112 展示第一张快照。
我编码了导线的颜色。
- 电压未知或不确定未知或不确定。
- 蓝线上的电压接近零。
- 红线上的电压正在上升，接近电源电压。
- 我很快就会解释为什么白线上的电压在短时间内降低到更低（低于接地端）。
关于晶体管，你要知道以下两点。
- 灰色晶体管集电极与射极之间的电流不导通。你可以认为它已经关闭了。
- 粉色晶体管正在导通。
晶体管分别标记为 Q1 和 Q2.这是标记晶体管的一般方法。旧金属罐晶体管上突出的小标签使它看起来像字母 Q，因此，人们养成了使用字母 Q 标记晶体管的习惯。
为了区分电路的左右两侧，我将左电阻标记为 r1 和 R1.右侧的电阻标记为 r2 和 R2.小写字母标记电阻值低的电阻器。
在我开始解释之前，最后提醒一下。记住晶体管的基本特性。
- 当基极流入的电流导通晶体管时，晶体管的有效内阻降至很低。因此，如果射极接地，其电压接近 0 V，那么集电极上的电压也会接近 0V，任何直接连接到集电极的元件的电压也会降低到 0 V。只要高于射极电压，基极的电压也可以降低到很低的水平。你可以快照 1 中观察到 Q2发生的现象。
- 当晶体管阻断时，其有效内阻至少会升高 5 kΩ。因此，任何连接到晶体管集电极的元件都不再通过晶体管接地而获得正电压。
分步讲解
我将从电路运行后的任何时刻开始。在解释了一系列事件后，我将回到最初的问题：。
快照 1 中，假设 Q1 刚刚阻断，Q2 刚刚导通。r1 的末端通过 Q1 但是现在 Q1 它被阻断了，集电极上的电压开始上升，从而上升 C1 左侧电压。Q1 基极上的电压也开始上升，但速度不如集电极快，因为 R2 阻值大。同时，由于 Q2 它已经导通了，它正在从 r2 吸收电流，降低电压。Q2 通过晶体管将电流吸收到负极。
以上是初始设置。下一步呢？
快照 2 如图 2-113 所示，Q1 基极上的电压上升到足够高的值，使晶体管开始导通。它正在通过 C1 与基极吸收电流，所以现在连接的导线是蓝色的。C1 左侧电压的突然变化暂时引起了 C1 实验是右侧电压的同等下降 9 场效应(也可以描述为位移电流)的作用。实际上，C1 右侧的电压被拉低到 0 V 下面，用白线表示。电压瞬间下降导致电压瞬间下降 Q2 基极上的负偏置立即被阻断 Q2。
在图 2-114 在第三张快照中，Q1 仍然导通，Q2 仍然被阻断。这张照片是快照。 1 的镜像。C1 开始通过 R1 反向充电正在逐渐上升 Q2 基极电压。
快照 4 如图 2-115 所示，Q2 已经开始导通，使 C2 右侧接地。这种变化使它变化。 C2 左侧电压降至 0V 以下，并使 Q1 接地阻断基极 Q1.这张照片是快照 2 的镜像。
第四张快照后，情况回到快照 1 并重复。如果有其他晶体管和 LED 按照图 2-111 连入电路，LED 应当在快照 1 和快照 4 中点亮。
耦合电容器
正如你所看到的，振荡器很难理解，而且这个电路很常见。事实上，使用 图片搜索振荡器，你很容易找到这个电路，但还是有很多人对此感到困惑。
这个电路的关键在于快照 2 和快照 4 在实验中，电容器一侧的电压突降，另一侧也产生相同的电压突降—— 9 中目睹的耦合效应。
但是耦合是如何开始的呢？
考虑到电路基本对称，为什么当你第一次给电路通电时，两个晶体管都没有导通，或者两个晶体管都被阻断？
理想情况下，两个晶体管或电阻器可以完全相同，电路的初始化将是对称的。但事实上，电阻器和电容器之间总是有一些制造错误，使得总有一个晶体管比另一个晶体管更早。这种现象一发生，电路就失去了平衡，导致我上面描述的振荡。
我需要解释的另一个问题是如何决定在振荡器电路的哪个部分获得输出？请注意原电路 r1 和 r2 电阻远低于 R1 和 R2。这会使 C1 左极板快速充电，直到接近电源电压，C2 右极板也是如此。因此，我们可以从这两点中的任何一点测量范围很大的电压。我选择了左侧的测量点，原因很简单：更容易将元件添加到电路图中。
如果电路中的电流过大，电容器的充电速度会减慢，进一步影响振荡器的时间设置和平衡。因此，我通过一个信号输入信号 100 kΩ 将电阻输入另一个晶体管的基极。另一个晶体管的基极电流很小，但它会放大信号，所以你可以用晶体管做一些有用的事情。
为什么这么复杂？
我觉得振荡器电路有些难懂。
处理过的脉冲
你已经知道两个晶体管可以发出间歇性的脉冲信号，而第三个晶体管可以放大信号 LED 提供电能。回顾之前的实验，你从中学到了什么知识，可以应用到这个实验中？
本实验的电路波动非常缓慢，因此我们可以将其添加到电路中 RC 网络，让它更有趣。
看一看图 2-116，新添加的 RC 网络在图的底部。
图 2-117 在中间，在右下角绘制新添加或改变位置的元件，并用颜色标记，而不改变的元件画成灰色。此时，电路运行，LED 脉冲会慢慢发出，而不是一亮一灭。你明白为什么吗？通过第一个电容器 470 Ω 电阻充电，通过第二个电阻放电。这又有什么关系呢？假设你正在考虑制作电子装饰品，它的闪烁或脉冲调节是一个非常重要的审美元素。在旧的苹果笔记本电脑上，商标将在没有闪烁的情况下闪烁。
提高速度
如何修改电路？您可以很容易地调整电路的速度。使用两个 0.33 μF 更换两个3的电容器.3 μF 电容器。充电速度快 10 倍，所以 LED 闪烁速度也会提高 10 倍。是这样吗？
如果你进一步降低电容器的容降低到 0.01 μF，会发生什么？振荡频率大于每秒 50 第二，你从可见频域转变为可见频域。
如何将电路的输出从看得见变为听得见？很简单！拿掉 LED、470 Ω 电阻器和 220 μF 换上小扬声器和100个电容器 μF 耦合电容器和 1 kΩ 如图所示，电阻器 2-118 所示。电阻器接地晶体管的射极，因为晶体管只能在确定射极电压低于基极电压时工作。电容器阻碍信号的直流分量，允许交流分量通过。在电路图中，我只画了变化的元件。它们应该如何安装在面包板上？你一定能想出来。
进一步修改
既然电路已经发出了声音，那么如何提高音调呢？只需更换振荡器电路中的小电阻或小电容器。您可以删除它 470 kΩ 电阻器，用 220 kΩ 更换电阻器（或中间电阻值）。晶体管每秒开关信号可达100万次，因此振荡器频率的增加肯定不会超过晶体管的极限。每秒振荡1万次的信号听起来像音调高了。如果再提高到每秒两万次，就超出了几乎所有人耳的听觉范围。
那么改变一下音色怎么样？
在图 2-119 的上半部，我用一个 1 μF 的耦合电容器取代了原先的 100 μF 电容器，将它与扬声器串联。电容器的容值减小后，只能通过较高的频率（短脉冲），从而使声音失去一些低音共振。
如果你在扬声器两端并联一个电容器，如图2-119 的下半部所示，会怎么样呢？会出现相反的情况，因为电容器仍然通过高频信号，却让它们绕过了扬声器。这个电容器的作用就是旁路电容器。
电路有很多种简单的修改方法。如果感到更加斗志昂扬，你可以复制这个电路，用一部分电路去控制另一部分。
恢复图 2-109 中的原始元件值，电路就以原来的速度缓慢运行。然后，使用电路的输出给面包板上的复制电路提供电能，复制电路使用 0.01 μF 的电容器，用来产生音频。总电路如图 2-120 所示，电路中原有的元件画成了灰色，音频部分在最底端。
标记为 A 的红色导线改变了位置，以便电路的下半部分从上半部分的输出获取电能。标记为 B的红色、蓝色导线是新添加的，用来填补面包板上总线之间的空缺。
如果你改变电路上半部分的容值或阻值来调快电路下半部分的振荡频率，会发生什么呢？
如果你把一个 220 μF 的电容器连接在各点（电路的上半部分和下半部分）和接地端之间，又会发生什么呢？这样做不会损坏任何元件，所以请你尽情试验。
另一种选择是回到图 2-116 产生的“经处理的脉冲”光信号，改变元件的物理连接方式。你可以把元件从面包板上取下，把它们做成一个小型可穿戴装置。
背景知识：安装扬声器
扬声器的膜片也叫纸盆，用来发出声音。但是，随着扬声器上下振荡，它的正反两面都发出声波。因为两列声波彼此反相，它们很容易互相抵消。
如果在扬声器周围加一个喇叭，将正面输出的声波聚焦，接收到的扬声器输出就能大幅度增加。对于一个 1 英寸大的小扬声器，你可以把一张大卡片弄弯，粘在它周围，如图 2-121 所示。
更好的方法是，把扬声器安装在盒子里，盒子上钻有小孔，允许扬声器正面发出的声音向外辐射，而盒子封闭的背面吸收了扬声器反面发出的声波。