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电路其他基本元器件(蜂鸣器、晶振等)

其他基本元器件:

蜂鸣器

蜂鸣器是一种综合电子信息器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话、定时器等电子产品。蜂鸣器主要分为压电蜂鸣器和电磁蜂鸣器。蜂鸣器在电路中使用字母H”或“HA(旧标准使用旧标准FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等)表示

分类

根据其驱动原理,可分为:有源蜂鸣器(包括驱动线路,也称为自激蜂鸣器)和无源蜂鸣器(外部驱动,也称为他激蜂鸣器);

这里的源不是指电源,而是指冲击源。也就是说,有源蜂鸣器内部有一个冲击源,所以只要通电就会叫;而无源内部没有冲击源,所以如果使用直流信号就不能叫它。必须使用2K-5K方波驱动它。有源蜂鸣器往往比无源蜂鸣器贵,因为里面有很多震荡电路。

蜂鸣器的优点是程序控制方便。 蜂鸣器的优点是:1。便宜;2.声音频率可控,可以达到多来米发索拉西的效果;3.在某些特殊情况下,可以和解LED复用控制口 在这里插入图片描述 a、b从外观上看,两种蜂鸣器似乎是一样的,但仔细看,它们的高度略有不同。如果把两种蜂鸣器的引脚放在上面,你可以看到蜂鸣器,没有电路板蜂鸣器。

他激型蜂鸣器的工作声原理是:方波信号输入谐振装置转换为声信号输出,无源他激型蜂鸣器的工作声原理图如图所示: 自激蜂鸣器的工作声音原理是:在谐振装置的作用下,直流电源输入通过振荡系统的放大取样电路产生声音信号。自激蜂鸣器的工作声音原理图如图所示:

主要参数

电磁蜂鸣器从1.5到24V; 3.压电蜂鸣器V到220V都是可行的,但一般压电建议9V为了获得更大的声音,上述电压。 根据电压的不同,电磁蜂鸣器有几十到几百毫安培; 压电蜂鸣器省电多,几毫安培就能正常移动,当蜂鸣器启动时,瞬间需要消耗约三倍的电流。 二种蜂鸣器都有自激式的,只要接上直流电(DC)由于动作原理不同,可以发出声音,因为驱动线已经建在蜂鸣器中, 电磁蜂鸣器驱动电磁蜂鸣器; 压电蜂鸣器的方波可以有更好的声音输出。 蜂鸣器的尺寸会影响音量和频率, 电磁蜂鸣器最小从7mm到最大的25mm; 12压电蜂鸣器mm到50mm或者更。 一般常见的有插针(DIP),焊线(Wire),贴片(SMD),大有锁紧螺钉的方法。 蜂鸣器常以10cm作为测试标准,距离增加一倍,可能会衰减6dB,相反,缩短一倍的距离会增加6dB, 电磁蜂鸣器可达85dB / 10cm的水准; 压电蜂鸣器可以大声制作,常见的报警器大多是压电蜂鸣器制作的。

驱动电路

由于蜂鸣器的工作电流一般较大,因此单片机I/O 口不能直接驱动(但是AVR可以驱动小功率蜂鸣器),所以要用放大电路驱动,一般用三极管放大电流。

NPN蜂鸣器由三极管控制

蜂鸣器作为续流二极管,本质上是一个感性元件,其电流不能瞬变,因此必须有续流二极管D1提供续流。否则,蜂鸣器两端会有反向感应电势,产生几十伏的尖峰电压,可能会损坏驱动三极管,干扰整个电路系统的其他部件。若电路工作电压较大,则应使用耐压值较大的二极管,而如果电路工作频率较高,则应选用高速二极管。 作为滤波电容器,过滤蜂鸣器电流对其他部件的影响也可以改善电源的交流阻抗。如果可能,最好并联220uF电解电容。 三极管Q1起开关作用,其基极的高电平使三极管饱和,使蜂鸣器发出声音;基极的低电平关闭三极管,蜂鸣器停止发出声音。(蜂鸣器不应放置发射极,因为发射极后蜂鸣器有内阻相当于提高发射极的电压UBE会变小,IB变小,进而导致IC蜂鸣器压降变小,蜂鸣器声音不足。 充当限流电阻,防止基极电流过大损坏三极管。 1.相当于基极的下拉电阻。如果A端被悬空,那是因为R2的存在可以使三极管保持在可靠的关闭状态(当电路关闭时,由于三极管有结间电容,三极管be段端电压由0.7V慢慢下降,三极管没有完全关闭,长时间放大会损坏三极管)。如果删除R2则当BUZZER输入端悬挂时,容易受到干扰,可能导致三极管状态意外翻转或进入预期放大状态,导致蜂鸣器意外发声。因此,增加下拉电阻进行放电。 2.提高高电平门槛电压。如果删除R2.三极管的高电平门槛电压仅为0.7V,即A端输入电压只要超过0.7V 导通(0.7V数字电路的门槛电压太低, 在电磁干扰环境中,很容易引起蜂鸣器鸣叫),添加R2的情况不同,当从A端输入电压达到2左右时.2V 具体计算过程如下: 假定β =120是晶体管参数的最小值,蜂鸣器的导电流是15mA。然后集电极电流IC=15mA。当三极管刚刚达到饱和导通时,基极电流是 IB=15mA/120=0.125mA。流经R2的电流是0.7V/3.3k?=0.212mA,流经R1的电流 IR1=0.212mA 0.125mA=0.337 mA。最后算出BUZZER端的门槛电压为0.7V 0.337mA× 4.7k?=2.2839V≈2.3V。 在强干扰环境下,可有效过滤干扰信号,避免蜂鸣器发音和意外声音 RFID射频通讯、Mifare应用卡时,这里初步选择0.1uF 可根据实际情况选择电容。 蜂鸣器发声时,向外发生1.87KHz,-2.91V 脉冲信号(这不一定)。因此,我们可以考虑添加过滤电容器来过滤脉冲信号。在有源蜂鸣器的两端添加104个过滤电容器C3.脉冲信号减少到-110mV,但由于电容充电过慢,顶部信号有点延迟。

PNP蜂鸣器由三极管控制

当网络节点Beep三极管是高电平时的Q截止日期,蜂鸣器无电流,不响。 当网络节点Beep三极管通常用于低电Q蜂鸣器有电流,会响。 蜂鸣器的限流电阻是一种非常常见的安装方法,主要起两个作用: 1.这两个电阻并联分流,使每个电阻上的热量不超过其额定功耗,保证电阻寿命;2.调试方便。如果能满足一个电阻功率,如果想增加蜂鸣器的响度,只需要并联一个电阻,不需要拆下原来的电阻,调试方便。同时,当无法选择合适的电阻时,也可以并联解决。 上拉电阻的目的是Beep节点悬挂时,三极管Q基极具有稳定的高电平。 限流电阻,防止基极电流过大损坏三极管。 滤波电容可以旁路使用刺耳的高频信号。 控制蜂鸣器。

晶振

晶体振动是数字电路的心脏,因为所有数字电路都需要高频、高稳定的工作时钟信号,为电路的工作提供时间基准,使各模块的工作能够有序进行。LC振荡器稳定性差,频率容易漂移(即交流信号频率容易变化),因此最常见的是晶体振动。可以说,只要有数字电路,就可以看到晶体振动。 石英晶体是振荡器中的一种特殊元件,可以产生高度稳定的信号,称为晶体振荡器

符号

分类

晶振分类: 晶体振荡器也分为两种类型。

无源晶振crystal(以下简称晶体,又称谐振器): 一般来说,直接插入两只脚的无极元件需要时钟电路来产生振荡信号。常见的有49U、49S封装。 有源晶振oscillator(以下简称晶振,又称振荡器): 一般表贴四脚包装,包括电源引脚、地引脚、频率输出引脚等。,只需供电即可产生振荡信号。一般分为7050、5032、3225、2520种包装形式。(,还有些封装是六脚的,可能多了控制脚等)

区别:

有源晶体振动相对昂贵,但有源晶体振动本身可以振动。无源晶体振动和有源晶体振动都有自己的优缺点。如果考虑到产品成本,建议选择无源晶体振动振电路;若考虑产品性能,建议选择有源晶振电路,省时方便也能保证产品性能。 无源晶振最高精度为5ppm,而有源晶振的精度则可以达到0.1ppm。精度越高,频率稳定性也更好。有源晶振在稳定性上要胜过无源晶振,但也有自身小小的缺陷,有源晶振的信号电平是固定,所以需要选择好合适输出电平,灵活性较差。 有源晶振一般4个脚,一个电源,一个接地,一个信号输出端,一个NC(空脚)。有个点标记的为1脚,按逆时针(管脚向下)分别为2、3、4。 无源晶振有2个引脚,需要借助于外部的时钟电路(接到主IC内部的震荡电路)才能产生振荡信号,自身无法振荡。有源晶振含内部的时钟电路,只需供电便可产生振荡信号。

工作原理

晶振具有压电效应,即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形,反过来如外力使晶片变形,则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压,晶片就会产生谐振(谐振频率与石英斜面倾角等有关系,且频率一定)。晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体,在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。利用该特性,晶振可以提供较稳定的脉冲,广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多为石英半导体材料,外壳用金属封装。 石英晶体有一种特性,如果在晶片某轴向上施加压力时,相应施力的方向会产生一定的电位。 相反的,在晶体的某些轴向施加电场时,会使晶体产生机械变形。

主要参数

不同的晶振标称频率不同,标称频率大都标注在晶振外壳上。一般核心频率的选择取决于频率需求元件的要求,比如时钟芯片就需要32.768KHz的晶振,MCU一般是一个范围,基本上从4M到几十M都有。

负载电容是指晶振的两条引线连接的集成电路(IC)内部及外部所有有效电容之和,可看作晶振片在电路中串接电容。负载电容不同,振荡器的振荡频率不同。但标称频率相同的晶振,负载电容不一定相同。一般来说,有低负载电容(串联谐振晶体)和高负载电容(并联谐振晶体)之分。因此,标称频率相同的晶体互换时还必须要求负载电容一致,不能轻易互换,否则会造成电路工作不正常。

频率准确度是指在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(25℃)以及其他条件保持不变时,晶体振荡器的频率相对于其规定标称值的最大允许偏差,即(fmax-fmin)/f0。精度一般常见的有0.5ppm、±5ppm、±10ppm、±20ppm、±50ppm等等。精度的选择一般要参考频率需求器件对精度的要求,比如高精度的时钟芯片一般在±5ppm以内,普通的应用都选择在±20ppm左右。

温度稳定度是指其他条件保持不变时,在规定温度范围内晶体振荡器输出频率的最大变化量相对于温度范围内输出频率极值之和的允许频偏值,即(fmax-fmin)/(fmax+fmin)。之所以把工作温度单独拿出来,主要是由于晶振是个物理的器件,工作温度与价格是成正比,工作温度要求越高,价格越高,所以选择晶振时也需要重点考虑工作温度。

应用电路

并联型晶体振荡器

单片机和其他一些IC的振荡电路的真名叫“三点式电容振荡电路”,这样的组成可以使晶振处于并联谐振模式。反相器提供了180°的相移,晶振、R1、C1、C2组成的π型网络产生另外180°的相移。所以整个环路的相移为360°。这满足了保持振荡的一个条件。另外一个条件是要求闭环增益应≥1,才能正确起振和保持振荡。

串联型晶体振荡器

接通电源后,三极管VT1、VT2导通,VT2发射极输出变化的Ie电流中包含各种频率的信号,石英晶体X1对其中的f0信号阻抗很小,f0信号经X1、RP1反馈到VT1的发射极,该信号经VT1放大后从集电极输出,又加到VT2放大后从发射极输出,然后又通过X1反馈到VT1放大,如此反复进行,VT2输出的f0信号幅度越来越大,VT1、VT2组成的放大电路放大倍数越来越小,当放大倍数等于反馈衰减系数时,输出f0信号幅度不再变化,电路输出稳定的f0信号。

检测

电容测量法:晶体在结构上类似一只小电容,所以可用电容表测量晶体的容量,通过所测和的容量值来判断它是否正常。 以下是常用晶体的容量参考值。

晶振电容的作用

1、匹配电容

无源晶振电路中不只是有一个晶振,为了满足谐振条件让晶振起振正常工作,通常还有两个电容,两个电容一般称为“匹配电容”或者“谐振电容”。 (晶振的负载电容是已知的,在出厂时已经定下来了,一般是几十pF)。

要求高的场合还要考虑IC输入端的对地电容。一般晶振两端所接电容是所要求的负载电容的两倍。这样并联起来就接近负载电容了。

电容值的大小影响谐振频率(也就是会发生频偏),一般情况下**,增大电容会使震荡频率下降,减小电容会使震荡频率升高。**

2、 负载电容

晶振有一个重要的参数,即负载电容CL(Load capacitance), (不是晶振外接的匹配电容), 通过调整负载电容,就可以将振荡器的工作频率微调到标称值。

3、负载电容计算

一般单片机都会有这样的电路。晶振的两个引脚与芯片(如单片机)内部的反相放大器相连接,再结合外部的匹配电容CL1、CL2、R1、R2,组成一个皮尔斯振荡器(Pierce oscillator)。 增益很大的反相放大器。 晶体。相当于电容三点式电路里面的电感。 匹配电容。是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点。以接地点即分压点为参考点,输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡,它们会稍微影响振荡频率,主要用与微调频率和波形,并影响幅度。 反馈电阻(一般≥1MΩ)它使反相器在振荡初始时处于线性工作区。 限流电阻,与匹配电容组成网络,提供180度相移,同时起到限制振荡幅度,防止反向器输出对晶振过驱动将其损坏。

负载电容的公式如下所示:

4、匹配电容计算

为了保持晶体的负载平衡,在实际应用中,一般要求CL1 =CL2 ,所以进一步可以得到下式: Cic + △C 一般为 3 - 5 pF

CL负载电容(load capacitance),常用的标准值有12.5 pF,16 pF,20 pF,30pF,负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的,负载电容变小时,频率偏差量变大;负载电容提高时,频率偏差减小。

STM32F103系列芯片使用32.768kHz晶振典型应用,负载电容CL取6pF时,当Cstary取2pF,则

5、选取原则

1、选择NPO/COG高频材质的贴片陶瓷电容(外观看起来是白色的)。 2、尽量选择小封装的电容(封装小的器件寄生参数小)。 3、因为每一种晶振都有各自的特性,所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。 4、在许可范围内,C1,C2值越低越好。C值偏大虽有利于振荡器的稳定,但将会增加起振时间。 5、最好C2值大于C1值,这样可使上电时,加快晶振起振。

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