圖1:無(wú)源蜂鳴器常規驅動(dòng)電路
 

如圖1所示，此圖為無(wú)源蜂鳴器的常規驅動(dòng)電路。需要在輸入端輸入一定頻率PWM的信號才能使蜂鳴器發(fā)聲。為了解放PWM資源，實(shí)現簡(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，而由三極管構成的RC多諧振蕩電路顯然是一個(gè)不錯的選擇。
 

圖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通。首先，在電路上電時(shí)，分別通過(guò)R1與R4對電容C1與C2進(jìn)行充電。由于三極管元件的參數不可能完全一致，可以假設三極管Q1首先飽和導通，由于電容兩端的電壓不能突變，Q2的B極此時(shí)變成負壓，Q2截止，Vo端輸出高電平;C1通過(guò)R2進(jìn)行充電，當C2的電位使BE極正向偏置時(shí)，Q2導通，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)樨搲?，此時(shí)Q1截止。這樣循環(huán)往復，使在Vo端輸，一定頻率的方波信號。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)現與上面的分析是吻合的。
 

圖3:多諧振蕩電路充放電波形
 

從以上的分析可以看出，Vo的輸出信號頻率受到R2與C1，R3與C2充放電速度的控制。假設，以Q2的C極作為信號的輸出，R2與C1的充電時(shí)間T1決定了輸出信號高電平時(shí)間，而R3與C2的充電時(shí)間T2決定了信號輸出低電平時(shí)間。而信號的頻率為：f=1/(T1+T2)。由此，可以推導出輸出信號的公式。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)行電路參數設計了。而筆者手中的蜂鳴器振蕩頻率全是2.4KHz的，所以此處只計算此頻率的參數。設電容C1=C2=0.1μF，VCC=5V，Vbe=0.63V則可以計算出電阻參數：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，只需要參數比R2與R3小一些即可，而信號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。按照此計算的參數搭建電路，測試頻率如圖4所示，實(shí)際頻率與理論值接近。
 

圖4:多諧振蕩Vo實(shí)際輸出信號

 

無(wú)源蜂鳴器驅動(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。細心的讀者如果看過(guò)《EasyARM-iMX283教你設計蜂鳴器電路》，會(huì )發(fā)現在無(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。
 

蜂鳴器兩端的續流二極管的選擇十分的重要。如果二極管選擇不當，可能會(huì )引起蜂鳴器電路的不穩定。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5:無(wú)源蜂鳴器驅動(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的IO口，但此方法要求單片機IO處于開(kāi)漏或弱上拉狀態(tài)。當單片機輸出低電平時(shí)，B極電壓非常低，不會(huì )飽和導通，振蕩也就停止了，蜂鳴器不叫;當IO輸出高電平，由于處于弱上拉(內部上拉電阻一般幾十K歐姆)或開(kāi)漏狀態(tài)，對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)二極管對電路電路進(jìn)行隔離，如果單片機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，這樣不用擔心電路異常了，可以實(shí)現如(1)相同的簡(jiǎn)單控制。但要注意，此時(shí)二極管的導通壓降一定要比三極管的Vbe小，使三極管處于截止狀態(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6：無(wú)源蜂鳴器控制電路
 

圖7：無(wú)源蜂鳴器兼容設計電路
 

為了電路的兼容性的設計，即可驅動(dòng)無(wú)源蜂鳴器又能驅動(dòng)有源蜂鳴器，筆者設計如圖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，可以根據實(shí)際的工程應用，選擇合適的驅動(dòng)電路。
 

如果是驅動(dòng)無(wú)源蜂鳴器，如圖7的a圖所示，圖中標為紅色的器件都不用焊接。而如果在設計過(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。
 

其實(shí)，仔細的分析這個(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。在大多數環(huán)境下，其實(shí)電阻的穩定性是比較好的，電容最易受到溫度變化的影響。本次試驗筆者使用了100nF電容，通過(guò)廠(chǎng)家提供的器件手冊，在-55~+125度范圍內誤差為±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，因此，在高低溫的環(huán)境下音調可能會(huì )發(fā)生一定的變化。
 

為了驗證猜想，筆者也做了一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗作為驗證。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，確實(shí)如所預料的一般，振蕩頻率發(fā)生了改變，變成了2.7KHz左右，與預估的頻率相近。然后，為了測試電路的低溫特性，又將電路板的溫度控制到-40度左右。此時(shí)，測試蜂鳴器的輸出頻率為2.25KHz左右。這個(gè)數據也在初始的預計的范圍以?xún)?，有興趣的讀者也可以自己實(shí)踐試一試。
 

產(chǎn)品推薦
 

如圖8所示，此為廣州致遠電子設計的M283工業(yè)級核心板。此產(chǎn)品是基于Freescale i.MX283 ARM9高性能處理器設計，頻率高達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 )新性的應用，如智能網(wǎng)關(guān)、手持機、掃描儀以及便攜式醫療設備等。
 

圖8：M283核心板