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【硬件設計】蜂鳴器常見錯誤電路分析

蜂鳴器(Buzzer)是一類常見的電聲器件,具有結構簡單、緊湊、體積小、重量輕、成本低等優點,發聲范圍一般有數百Hz到十幾kHz,廣泛應用于各種電子設備當中(空調、洗衣機、電腦等內部都有蜂鳴器)。蜂鳴器在電路中電路圖形符號用字母“H”或“HA”(舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。 下面我們介紹最常用的兩類蜂鳴器:有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。

從驅動方式分類,有源驅動和無源驅動,有源蜂鳴器又稱為直流蜂鳴器,其內部已經包含了一個多諧振蕩器,只要在兩端施加額定直流電壓即可發聲,具有驅動、控制簡單的特點,但價格略高。無源蜂鳴器又稱為交流蜂鳴器,內部沒有振蕩器,需要在其兩端施加特定頻率的方波電壓(注意并不是交流,即沒有負極性電壓)才能發聲,具有可靠、成本低、發聲頻率可調整等特點。

有源蜂鳴器與無源蜂鳴器有什么區別:這里的“源”不是指電源,而是指震蕩源。也就是說,有源蜂鳴器內部帶震蕩源,所以只要一通電就會叫。而無源內部不帶震蕩源,所以如果用直流信號無法令其鳴叫,必須用2K~5K的方波去驅動它。有源蜂鳴器往往比無源的貴,就是因為里面多了個震蕩電路。

圖7.22蜂鳴器

下面我們從EasyARM-i.MX283開發套件入手,就3.3V NPN三極管驅動有源蜂鳴器設計,從實際產品中分析電路設計存在的問題,提出電路的改進方案,使讀者能從小小的蜂鳴器電路中學會分析和改進電路的方法,從而設計出更好的產品,達到拋磚引玉的效果。

圖7.24錯誤接法1

圖7.24為典型的錯誤接法,當BUZZER端輸入高電平時蜂鳴器不響或響聲太小。當I/O口為高電平時,基極電壓為3.3/4.7*3.3V≈2.3V,由于三極管的壓降0.6~0.7V,則三極管射極電壓為2.3-0.7=1.6V,驅動電壓太低導致蜂鳴器無法驅動或者響聲很小。

圖7.25錯誤接法2

神马午夜圖7.25為第二種典型的錯誤接法,由于上拉電阻R2,BUZZER端在輸出低電平時,由于電阻R1和R2的分壓作用,三極管不能可靠關斷。

圖7.26錯誤接法3

圖7.26為第三種錯誤接法,三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V,即在BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導通,顯然0.7V的門檻電壓對于數字電路來說太低了,在電磁干擾的環境下,很容易造成蜂鳴器鳴叫。

圖7.27錯誤接法4

圖7.27為第四種錯誤接法,當CPU的GPIO管腳存在內部下拉時,由于I/O口存在輸入阻抗,也可能導致三極管不能可靠關斷,而且和圖7.26一樣 BUZZER端輸入電壓只要超過0.7V就有可能使三極管導通。

神马午夜圖7.28NPN三極管控制有源蜂鳴器常規設計

圖7.28為通用有源蜂鳴器的NPN三極管控制有源蜂鳴器常規設計驅動電路。電阻R1為限流電阻,防止流過基極電流過大損壞三極管。電阻R2有著重要的作用,第一個作用,R2相當于基極的下拉電阻,如果輸入端懸空則由于R2的存在能夠使三極管保持在可靠的關斷狀態,如果刪除R2則當BUZZER輸入端懸空時則易受到干擾而可能導致三極管狀態發生意外翻轉或進入不期望的放大狀態,造成蜂鳴器意外發聲。第二個作用,R2可提升高電平的門檻電壓。如果刪除R2,則三極管的高電平門檻電壓就只有0.7V,即A端輸入電壓只要超過0.7V就有可能導通,添加R2的情況就不同了,當從A端輸入電壓達到約2.2V時三極管才會飽和導通,具體計算過程如下:

假定β=120為晶體管參數的最小值,蜂鳴器導通電流是15mA,那么集電極電流IC=15mA,則三極管剛剛達到飽和導通時的基極電流是:

流經R2的電流是:

流經R1的電流:

神马午夜最后算出BUZZER端的門檻電壓是:

神马午夜圖7.28中的C2為電源濾波電容,濾除電源高頻雜波。C1可以在有強干擾環境下,有效的濾除干擾信號,避免蜂鳴器變音和意外發聲。在RFID射頻通訊、Mifare卡的應用中,這里初步選用0.1uF的電容,具體可以根據實際情況選擇。

在NPN 3.3V控制有源蜂鳴器時,在電路的BUZZER輸入高電平,讓蜂鳴器鳴叫,檢測蜂鳴器輸入管腳(NPN三極管的C極)處信號,發現蜂鳴器在發聲時,向外發生1.87KHZ,-2.91V的脈沖信號,如圖7.29所示。

圖7.29蜂鳴器自身發放脈沖

在電路的BUZZER輸入20Hz的脈沖信號,讓蜂鳴器鳴叫,檢測蜂鳴器輸入管腳處信號,發現蜂鳴器在發聲時,在控制電平上疊加了1.87KHz,-2.92V的脈沖信號,并且在蜂鳴器關斷時出現正向尖峰脈沖(≥10V),如圖7.30所示。

神马午夜圖7.30蜂鳴器自身發放脈沖

神马午夜圖7.30中1.87KHz,-2.92V的脈沖信號應該是有源蜂鳴器內部震蕩源釋放出來的信號常用有源蜂鳴器主要分為壓電式、電磁震蕩式兩種,i.MX283開發板上用的是壓電式蜂鳴器,壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成,而多諧震蕩器由晶體管或集成電路構成,我們所用的蜂鳴器內部含有晶體管震蕩電路(有興趣的朋友可以自己拆開看看)。

有源蜂鳴器產生脈沖信號能量不是很強,可以考慮增加濾波電容將脈沖信號濾除。消除蜂鳴器EMI輻射后改進電路圖如圖7.31所示,在有源蜂鳴器的兩端添加一個104的濾波電容后,脈沖信號削減到-110mV,如圖7.32所示,但頂部信號由于電容充電過慢,有點延時。

圖7.31NPN有源蜂鳴器控制電路改善后電路圖

圖7.32減少蜂鳴器自身發放脈沖