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【硬件设计】蜂鸣器常见错误电路分析

蜂鸣器(Buzzer)是一类常见的电声器件,具有结构简单、紧凑、体积小、重量轻、成本低等优点,发声范围一般有数百Hz到十几kHz,广泛应用于各种电子设备当中(空调、洗衣机、电脑等内部都有蜂鸣器)。蜂鸣器在电路中电路图形符号用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。 下面我们介绍最常用的两类蜂鸣器:有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。

从驱动方式分类,有源驱动和无源驱动,有源蜂鸣器又称为直流蜂鸣器,其内部已经包含了一个多谐振荡器,只要在两端施加额定直流电压即可发声,具有驱动、控制简单的特点,但价格略高。无源蜂鸣器又称为交流蜂鸣器,内部没有振荡器,需要在其两端施加特定频率的方波电压(注意并不是交流,即没有负极性电压)才能发声,具有可靠、成本低、发声频率可调整等特点。

有源蜂鸣器与无源蜂鸣器有什么区别:这里的“源”不是指电源,而是指震荡源。也就是说,有源蜂鸣器内部带震荡源,所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源,所以如果用直流信号无法令其鸣叫,必须用2K~5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往往比无源的贵,就是因为里面多了个震荡电路。

图7.22蜂鸣器

下面我们从EasyARM-i.MX283开发套件入手,就3.3V NPN三极管驱动有源蜂鸣器设计,从实际产品中分析电路设计存在的问题,提出电路的改进方案,使读者能从小小的蜂鸣器电路中学会分析和改进电路的方法,从而设计出更好的产品,达到抛砖引玉的效果。

图7.24错误接法1

图7.24为典型的错误接法,当BUZZER端输入高电平时蜂鸣器不响或响声太小。当I/O口为高电平时,基极电压为3.3/4.7*3.3V≈2.3V,由于三极管的压降0.6~0.7V,则三极管射极电压为2.3-0.7=1.6V,驱动电压太低导致蜂鸣器无法驱动或者响声很小。

图7.25错误接法2

图7.25为第二种典型的错误接法,由于上拉电阻R2,BUZZER端在输出低电平时,由于电阻R1和R2的分压作用,三极管不能可靠关断。

图7.26错误接法3

图7.26为第三种错误接法,三极管的高电平门槛电压就只有0.7V,即在BUZZER端输入电压只要超过0.7V就有可能使三极管导通,显然0.7V的门槛电压对于数字电路来说太低了,在电磁干扰的环境下,很容易造成蜂鸣器鸣叫。

图7.27错误接法4

图7.27为第四种错误接法,当CPU的GPIO管脚存在内部下拉时,由于I/O口存在输入阻抗,也可能导致三极管不能可靠关断,而且和图7.26一样 BUZZER端输入电压只要超过0.7V就有可能使三极管导通。

图7.28NPN三极管控制有源蜂鸣器常规设计

图7.28为通用有源蜂鸣器的NPN三极管控制有源蜂鸣器常规设计驱动电路。电阻R1为限流电阻,防止流过基极电流过大损坏三极管。电阻R2有着重要的作用,第一个作用,R2相当于基极的下拉电阻,如果输入端悬空则由于R2的存在能够使三极管保持在可靠的关断状态,如果删除R2则当BUZZER输入端悬空时则易受到干扰而可能导致三极管状态发生意外翻转或进入不期望的放大状态,造成蜂鸣器意外发声。第二个作用,R2可提升高电平的门槛电压。如果删除R2,则三极管的高电平门槛电压就只有0.7V,即A端输入电压只要超过0.7V就有可能导通,添加R2的情况就不同了,当从A端输入电压达到约2.2V时三极管才会饱和导通,具体计算过程如下:

假定β=120为晶体管参数的最小值,蜂鸣器导通电流是15mA,那么集电极电流IC=15mA,则三极管刚刚达到饱和导通时的基极电流是:

流经R2的电流是:

流经R1的电流:

最后算出BUZZER端的门槛电压是:

图7.28中的C2为电源滤波电容,滤除电源高频杂波。C1可以在有强干扰环境下,有效的滤除干扰信号,避免蜂鸣器变音和意外发声。在RFID射频通讯、Mifare卡的应用中,这里初步选用0.1uF的电容,具体可以根据实际情况选择。

在NPN 3.3V控制有源蜂鸣器时,在电路的BUZZER输入高电平,让蜂鸣器鸣叫,检测蜂鸣器输入管脚(NPN三极管的C极)处信号,发现蜂鸣器在发声时,向外发生1.87KHZ,-2.91V的脉冲信号,如图7.29所示。

图7.29蜂鸣器自身发放脉冲

在电路的BUZZER输入20Hz的脉冲信号,让蜂鸣器鸣叫,检测蜂鸣器输入管脚处信号,发现蜂鸣器在发声时,在控制电平上叠加了1.87KHz,-2.92V的脉冲信号,并且在蜂鸣器关断时出现正向尖峰脉冲(≥10V),如图7.30所示。

图7.30蜂鸣器自身发放脉冲

图7.30中1.87KHz,-2.92V的脉冲信号应该是有源蜂鸣器内部震荡源释放出来的信号常用有源蜂鸣器主要分为压电式、电磁震荡式两种,i.MX283开发板上用的是压电式蜂鸣器,压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成,而多谐震荡器由晶体管或集成电路构成,我们所用的蜂鸣器内部含有晶体管震荡电路(有兴趣的朋友可以自己拆开看看)。

有源蜂鸣器产生脉冲信号能量不是很强,可以考虑增加滤波电容将脉冲信号滤除。消除蜂鸣器EMI辐射后改进电路图如图7.31所示,在有源蜂鸣器的两端添加一个104的滤波电容后,脉冲信号削减到-110mV,如图7.32所示,但顶部信号由于电容充电过慢,有点延时。

图7.31NPN有源蜂鸣器控制电路改善后电路图

图7.32减少蜂鸣器自身发放脉冲

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