如何設(shè)計(jì)低成本蜂鳴器？

在實(shí)際的應(yīng)用中，雖然有源蜂鳴器控制簡(jiǎn)單，缺陷是成本比較高，在潮濕的環(huán)境用久了，容易損壞。而無(wú)源蜂鳴器彌補(bǔ)了有源蜂鳴器缺點(diǎn)，但問(wèn)題是無(wú)源蜂鳴器需要PWM驅(qū)動(dòng)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，微控制器的PWM資源往往是比較緊張的，同時(shí)使用PWM驅(qū)動(dòng)也加大了軟件開(kāi)發(fā)的難度。接下來(lái)筆者將引領(lǐng)大家學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)需PWM也能驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器的低成本電路。
1.1 無(wú)源蜂鳴器常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路

圖1.1 無(wú)源蜂鳴器常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路

如圖1所示，此圖為無(wú)源蜂鳴器的常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路。需要在輸入端輸入一定頻率PWM的信號(hào)才能使蜂鳴器發(fā)聲。為了解放PWM資源，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制，必須如有源蜂鳴器一樣提供一個(gè)振蕩電路。而有源蜂鳴器主要使用LC振蕩，如果要實(shí)際搭建此電路，電感參數(shù)比較難控制，而且成本高。此時(shí)，自然會(huì)想到簡(jiǎn)易的RC振蕩，而由三極管構(gòu)成的RC多諧振蕩電路顯然是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
1.2 三極管多諧振蕩電路

圖1.2 三極管多諧振蕩電路

三極管多諧振蕩的通用電路如圖2所示。這個(gè)電路起振的原理主要是通過(guò)電阻與電容的充放電使三極管交替導(dǎo)通。首先，在電路上電時(shí)，分別通過(guò)R1與R4對(duì)電容C1與C2進(jìn)行充電。由于三極管元件的參數(shù)不可能完全一致，可以假設(shè)三極管Q1首先飽和導(dǎo)通，由于電容兩端的電壓不能突變，Q2的B極此時(shí)變成負(fù)壓，Q2截止，Vo端輸出高電平；C1通過(guò)R2進(jìn)行充電，當(dāng)C2的電位使BE極正向偏置時(shí)，Q2導(dǎo)通，Vo端輸出低電平；同理C2電容兩端電壓不能突變，Q1的B極電壓變?yōu)樨?fù)壓，此時(shí)Q1截止。這樣循環(huán)往復(fù)，使在Vo端輸，一定頻率的方波信號(hào)。如圖3所示，筆者使用示波器截取了Q1與Q2的B極和E極的波形，可以發(fā)現(xiàn)與上面的分析是吻合的。

圖1.3 多諧振蕩電路充放電波形

從以上的分析可以看出，Vo的輸出信號(hào)頻率受到R2與C1，R3與C2充放電速度的控制。假設(shè)，以Q2的C極作為信號(hào)的輸出，R2與C1的充電時(shí)間T1決定了輸出信號(hào)高電平時(shí)間，而R3與C2的充電時(shí)間T2決定了信號(hào)輸出低電平時(shí)間。而信號(hào)的頻率為：f=1/(T1+T2)。由此，可以推導(dǎo)出輸出信號(hào)的公式。由于RC充電時(shí)間公式：t=R*C*Ln[(E-V0)/(E-Vt)]，在本電路中，E為VCC，V0為-(VCC-Vbe)，Vt為Vbe，則，最終的公式為：t=R*C*Ln[(2*VCC-Vbe)/(VCC-Vbe)]。

接下來(lái)，就可以進(jìn)行電路參數(shù)設(shè)計(jì)了。而筆者手中的蜂鳴器振蕩頻率全是2.4KHz的，所以此處只計(jì)算此頻率的參數(shù)。設(shè)電容C1=C2=0.1μF，VCC=5V，Vbe=0.63V則可以計(jì)算出電阻參數(shù)：R=1/(2*10-7*2.4*103*Ln[(2*5-0.63)/(5-0.63)])=2.7KΩ。至于R1與R4的取值，只需要參數(shù)比R2與R3小一些即可，而信號(hào)輸出的邊沿的陡峭程度受這兩個(gè)電阻影響，電阻越小，邊沿越陡峭。按照此計(jì)算的參數(shù)搭建電路，測(cè)試頻率如圖4所示，實(shí)際頻率與理論值接近。

圖1.4 多諧振蕩Vo實(shí)際輸出信號(hào)

1.3 無(wú)源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路改進(jìn)
上面的振蕩電路已經(jīng)有了，下面又該如何驅(qū)動(dòng)并且控制無(wú)源蜂鳴器呢？其實(shí)，只需要將電路進(jìn)行簡(jiǎn)單修改即可實(shí)現(xiàn)目的。

第一，將原電路R4替換成為蜂鳴器，并在蜂鳴器兩端并聯(lián)二極管。細(xì)心的讀者如果看過(guò)《EasyARM-iMX283教你設(shè)計(jì)蜂鳴器電路》，會(huì)發(fā)現(xiàn)在無(wú)源蜂鳴器兩端沒(méi)有并聯(lián)電容。通過(guò)實(shí)際的電路測(cè)量，無(wú)源蜂鳴器并沒(méi)有產(chǎn)生尖峰脈沖，所以去掉此電容，如圖5所示。

蜂鳴器兩端的續(xù)流二極管的選擇十分的重要。如果二極管選擇不當(dāng)，可能會(huì)引起蜂鳴器電路的不穩(wěn)定。通常使用的1N4148開(kāi)關(guān)二極管，可能會(huì)使電路的充電回路不穩(wěn)定，使蜂鳴器的發(fā)聲比較嘶啞。在此電路中筆者建議二極管最好選擇肖特基類(lèi)型的二極管。

圖1.5 無(wú)源蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

第二，為電路加入了一個(gè)控制端。在實(shí)際的電路中，不能讓蜂鳴器一直鳴叫，所以需要進(jìn)行控制?？刂齐娐?，筆者想到了兩種，讀者也可以發(fā)揮自己的想象，改進(jìn)電路。

（1）在Q的B極通過(guò)一個(gè)小的電阻接到單片機(jī)的IO口，但此方法要求單片機(jī)IO處于開(kāi)漏或弱上拉狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，B極電壓非常低，不會(huì)飽和導(dǎo)通，振蕩也就停止了，蜂鳴器不叫；當(dāng)IO輸出高電平，由于處于弱上拉（內(nèi)部上拉電阻一般幾十K歐姆）或開(kāi)漏狀態(tài)，對(duì)電路的充放電電路幾乎沒(méi)有影響，電路開(kāi)始振蕩，蜂鳴器鳴叫，電路如圖6的a圖所示。

（2）使用一個(gè)二極管對(duì)電路電路進(jìn)行隔離，如果單片機(jī)IO一不小心處于了推挽輸出狀態(tài)，使用第一種方式電路的頻率就將被改變。如果使用二極管隔離，這樣不用擔(dān)心電路異常了，可以實(shí)現(xiàn)如（1）相同的簡(jiǎn)單控制。但要注意，此時(shí)二極管的導(dǎo)通壓降一定要比三極管的Vbe小，使三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電路如圖6的b圖所示。
通過(guò)比較兩種方式可以發(fā)現(xiàn)加一個(gè)小電阻是一個(gè)即簡(jiǎn)單又廉價(jià)的控制方式，但如果想要“偷懶”，二極管的隔離是很好的選擇。

圖1.6 無(wú)源蜂鳴器控制電路

1.4 無(wú)源蜂鳴器電路兼容設(shè)計(jì)

圖1.7 無(wú)源蜂鳴器兼容設(shè)計(jì)電路

為了電路的兼容性的設(shè)計(jì)，即可驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器又能驅(qū)動(dòng)有源蜂鳴器，筆者設(shè)計(jì)如圖7所示的改進(jìn)電路。與圖6的b圖所示的電路比較，主要增加了兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容。在實(shí)際的使用的過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際的工程應(yīng)用，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路。

如果是驅(qū)動(dòng)無(wú)源蜂鳴器，如圖7的a圖所示，圖中標(biāo)為紅色的器件都不用焊接。而如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中想讓電路使用有源蜂鳴器，可以修改為如圖7的b圖所示的電路，同樣圖中的紅色的器件不用焊接即可。

1.5 驅(qū)動(dòng)電路局限性分析
其實(shí)，仔細(xì)的分析這個(gè)電路也存在一定的局限性。由于此三極管多諧振蕩電路的振蕩頻率主要是通過(guò)RC的沖放電時(shí)間來(lái)決定的。所以，電阻和電容的選擇尤其的重要。在大多數(shù)環(huán)境下，其實(shí)電阻的穩(wěn)定性是比較好的，電容最易受到溫度變化的影響。本次試驗(yàn)筆者使用了100nF電容，通過(guò)廠家提供的器件手冊(cè)，在-55~+125度范圍內(nèi)誤差為±10%。也就是說(shuō)，如果常溫（25度）頻率為2.4KHz，在惡劣的溫度環(huán)境下振蕩將在2.16KHz~2.64KHz范圍內(nèi)，因此，在高低溫的環(huán)境下音調(diào)可能會(huì)發(fā)生一定的變化。

為了驗(yàn)證猜想，筆者也做了一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)作為驗(yàn)證。筆者將電路板的溫度控制到85度左右，然后使用示波器抓取此時(shí)三極管的輸出波形。通過(guò)示波器發(fā)現(xiàn)，確實(shí)如所預(yù)料的一般，振蕩頻率發(fā)生了改變，變成了2.7KHz左右，與預(yù)估的頻率相近。然后，為了測(cè)試電路的低溫特性，又將電路板的溫度控制到-40度左右。此時(shí)，測(cè)試蜂鳴器的輸出頻率為2.25KHz左右。這個(gè)數(shù)據(jù)也在初始的預(yù)計(jì)的范圍以?xún)?nèi)，有興趣的讀者也可以自己實(shí)踐試一試。

1.6 產(chǎn)品推薦
如圖3.1所示，此為廣州致遠(yuǎn)電子設(shè)計(jì)的M283工業(yè)級(jí)核心板。此產(chǎn)品是基于Freescale i.MX283 ARM9高性能處理器設(shè)計(jì)，頻率高達(dá)454MHz，電源管理單元集成高效片上DC/DC，極低功耗，支持鋰離子電池供電。M283核心板適用于快速開(kāi)發(fā)一系列最具創(chuàng)新性的應(yīng)用，如智能網(wǎng)關(guān)、手持機(jī)、掃描儀以及便攜式醫(yī)療設(shè)備等。

圖3.1 M283核心板