电子学：第012课——实验 11：光和声

电子学：第xx课——实验 11：光和声

是时候让你自己开展第一个功能和目的齐备的项目了。最终你会做成一个非常简单的声音合成器。

需要的物品

• 面包板、连接线、剪线钳、剥线钳、万用表
• 9 V 电池和连接器 1 个
• 电阻器：470 Ω 2 个、1 kΩ 1 个、4.7 kΩ 4 个、100 kΩ 2 个、220 kΩ 2 个、470 kΩ 4 个
• 电容器：0.01 μF 2 个、0.1 μF 2 个、0.33 μF 2 个、1 μF 1 个、3.3 μF 2 个、33 μF 1 个、100 μF 1 个、220 μF 1 个
• 晶体管：2N2222，6 个
• 通用 LED1 个
• 1 英寸（2 英寸更佳）8 Ω 扬声器 1 个

振荡

图 2-108 展示了我希望你在面包板上搭建的电路。元件之间的空隙并不大，因此用钳子安装元件要比用手指容易。仔细地数一数面包板上孔的个数，再检查两遍，确保所有元件都安装在了正确的位置。

图 2-109 展示了各元件的值。

连接电源，LED 会点亮大约一秒钟，然后再熄灭大约一秒钟。

这样就结束了吗？不，我们才刚刚开始。但是，首先你需要了解电路的工作原理。如果你难以想象面包板内部元件的连接方式，就看一看图 2-110。然后看看图 2-111，你会发现元件之间的连接都是相同的。我将利用电路图解释电路中发生了什么。

你注意到的第一件事就是图 2-111 的对称性。这是否意味着电路的左右两部分都有相同的功能呢？是的，但它们不是同时运行的。实际上，一半电路点亮 LED，而另一半电路熄灭 LED。

要想细致理解这个电路比较困难，因为它的电压一直在波动，而且在任一给定时刻都有不止一件事件发生。我绘制了几张电路内部在工作间隙的快照，希望它们能将一切解释清楚。

所有图中，我都省略了第三个晶体管和 LED，因为它们对于形成振荡并没有作用。

图 2-112 展示了第一张快照。

我对导线进行了颜色编码。

• 黑色导线和元件的电压未知或不确定。
• 蓝色导线上的电压接近于零。
• 红色导线上的电压正在升高，接近电源电压。
• 白色导线上的电压短时间降到更低（低于接地端），其原因我即将进行解释。

关于晶体管，你要知道以下两点。

• 灰色的晶体管集电极至射极之间电流不导通。你可以认为它已经“关闭”。
• 粉色的晶体管正在导通。

晶体管分别标记为 Q1 和 Q2，这是标记晶体管的一般方式。老式金属罐晶体管上突出的小标签使它从上面看起来就像一个字母 Q，因而人们就养成了用字母 Q 标记晶体管的习惯。

为了区别电路的左右两侧，我把左侧的电阻器标记为 r1 和 R1，右侧的电阻器标记为 r2 和 R2。小写字母标记阻值较低的电阻器。

在我开始讲解之前，最后提醒一点。记住晶体管的以下基本特性。

• 当基极流入的电流“导通”晶体管时，晶体管的有效内阻就降到很低。因此，如果射极接地，其电压接近 0 V，那么集电极上的电压也将接近 0V，与集电极直接相连的任一元件电压也会降到 0 V。基极的电压也可以降到很低，但只要高于射极电压。你可以在快照 1 中观察到 Q2发生的现象。
• 当晶体管“阻断”时，它的有效内阻升高到至少 5 kΩ。因此，任何连接到晶体管集电极的元件都不再通过晶体管接地，而获得了正电压。

分步讲解

我将从电路开始运行后的任一时刻开始讲起。说明了一连串的事件后，我将回到最初的问题：振荡是如何开始的。

快照 1 中，假设 Q1 刚刚阻断，Q2 刚刚导通。r1 的末端通过 Q1 接地，但是现在 Q1 已经阻断，其集电极上的电压已经开始升高，从而也升高了 C1 左侧的电压。Q1 基极上的电压也开始升高，但是速度不如集电极快，因为 R2 的阻值较大。同时，由于 Q2 已经导通，它正在从 r2 吸收电流，从而使电压下降。Q2 的基极也正在吸收电流，通过晶体管流向负极。

以上是初始设置。下一步呢？

快照 2 如图 2-113 所示，Q1 基极上的电压上升到了足够高的值，使晶体管开始导通。它正在通过 C1 和基极吸收电流，因此与之相连的导线现在为蓝色。C1 左侧电压的突然变化暂时引起了 C1 右侧电压的同等下降，这是实验 9 中叙述过的场效应（也可以描述为位移电流）的作用。实际上，C1 右侧的电压被拉低到了 0 V 以下，用白色导线表示。电压的瞬间下降引起了 Q2 基极上的负向偏置，从而立即阻断了 Q2。

在图 2-114 所示第三张快照中，Q1 仍然导通，Q2 仍然阻断。此图是快照 1 的镜像。C1 开始通过 R1 反方向充电，它正在逐渐抬升 Q2 基极的电压。

快照 4 如图 2-115 所示，Q2 已经开始导通，使 C2 的右侧接地。这一变化使得 C2 左侧的电压拉低到 0V 以下，并使 Q1 的基极接地从而阻断 Q1。此图是快照 2 的镜像。

在第四张快照之后，情形回到快照 1 并重复。若另有晶体管和 LED 按照图 2-111 连入电路，LED 应当在快照 1 和快照 4 中点亮。

耦合电容器

如你所见，振荡器比较难以理解，而这个电路是很常见的。实际上，用 图片搜索“振荡器”，你很容易找到这个电路，但是，仍然有很多人对此感到不解。

这个电路的关键在快照 2 和快照 4 中，电容器一侧的电压突降，在另一侧也产生了相同的电压突降——就是你在实验 9 中亲眼目睹的耦合作用。

但耦合是怎么开始的呢？

考虑到电路基本是对称的，当你第一次给电路通电时，为何不是两个晶体管都导通，或者两个晶体管都阻断呢？

在理想情况下，两个晶体管或电阻器能够完全相同，电路的初始化就会对称。但是事实上，电阻器和电容器总会存在一些制造误差，使得总有一个晶体管比另一个晶体管提前导通。这个现象一发生，电路就失去了平衡，从而出现我在前文描述过的振荡现象。

我需要解释的另一个问题是，如何决定在振荡器电路的哪个部位获取输出？在原电路中，请注意 r1 和 r2 的电阻远低于 R1 和 R2。这会使 C1 的左侧极板迅速充电，直至接近电源电压，C2 的右侧极板也一样。因此，我们可以从这两点中的任意一点测得幅度范围很大的电压。我选择了左侧的测量点，原因很简单：在这个点上向电路图添加元件更容易。

如果电路中的电流过大，电容器的充电速度将会减慢，进一步影响振荡器的时间设置和平衡。因此，我将输入信号通过一个 100 kΩ 的电阻器输入到另一个晶体管的基极。另一个晶体管的基极电流很小，但它会放大信号，所以你可以用晶体管做一些有用的事情。

为何如此复杂？

我认为但凡是振荡器电路，多少都有些难懂。

处理过的脉冲

你已经知道，两个晶体管可以发出断续的脉冲信号，而第三个晶体管能将信号放大，为 LED 提供电能。回想一下前面的实验，你从中学到了什么知识，可以应用到这个实验中呢？

本实验的电路波动速度十分缓慢，所以我们可以向电路中添加 RC 网络，使它变得更有趣。

看一看图 2-116，新添加的 RC 网络在图的底部。

图 2-117 中，新增添的或改变位置的元件绘在右下角，用彩色标出，而未变化的元件画成灰色。此时电路运行，LED 会缓慢地发出脉冲，而不是一亮一灭。你明白为什么吗？电容器通过第一个 470 Ω 电阻器充电，而通过第二个电阻器放电。这又有什么关系呢？让我们假设你正在考虑制作电子装饰品，对它的闪烁或脉冲方式的调整是一个非常重要的美学要素。在老式的苹果笔记本电脑上，商标会有脉冲式明暗交替，而没有闪烁。

提高速度

还能怎样修改这个电路呢？你可以很容易地调整电路的速度。用两个 0.33 μF 的电容器替换两个3.3 μF 的电容器。充电速度大约要快 10 倍，所以 LED 的闪烁速度也会提高 10 倍。是不是这样？

如果你进一步把电容器的容值减小到 0.01 μF，又会发生什么？振荡频率大于每秒钟 50 次，你就从可以看到的频域转变到了可以听到的频域。

如何把电路的输出从看得见变成听得见呢？很简单！拿掉 LED、470 Ω 电阻器和 220 μF 电容器，换上小扬声器、100 μF 耦合电容器和 1 kΩ 电阻器，如图 2-118 所示。电阻器把晶体管的射极接地，因为晶体管只有在射极的电压确定低于基极电压时才能工作。电容器阻碍了信号的直流分量，同时允许交流分量通过。电路图中，我只画出了有变化的元件。它们应该如何安装在面包板上呢？你一定能想出来。

进一步修改

既然电路已经发出了声音，那么提高一下音调如何？只需替换振荡器电路中的小电阻器或小电容器即可。你可以移除 470 kΩ 的电阻器，用 220 kΩ 电阻器（或某个中间的阻值）替换。晶体管每秒开关信号的次数可达一百万次，因此振荡器频率的提高肯定不会超越晶体管的极限。每秒钟振荡一万次的信号听起来已经音调很高了。如果再提高到每秒两万次，就超出了几乎所有人耳的听觉范围。

那么改变一下音色怎么样？

在图 2-119 的上半部，我用一个 1 μF 的耦合电容器取代了原先的 100 μF 电容器，将它与扬声器串联。电容器的容值减小后，只能通过较高的频率（短脉冲），从而使声音失去一些低音共振。

如果你在扬声器两端并联一个电容器，如图2-119 的下半部所示，会怎么样呢？会出现相反的情况，因为电容器仍然通过高频信号，却让它们绕过了扬声器。这个电容器的作用就是旁路电容器。

电路有很多种简单的修改方法。如果感到更加斗志昂扬，你可以复制这个电路，用一部分电路去控制另一部分。

恢复图 2-109 中的原始元件值，电路就以原来的速度缓慢运行。然后，使用电路的输出给面包板上的复制电路提供电能，复制电路使用 0.01 μF 的电容器，用来产生音频。总电路如图 2-120 所示，电路中原有的元件画成了灰色，音频部分在最底端。

标记为 A 的红色导线改变了位置，以便电路的下半部分从上半部分的输出获取电能。标记为 B的红色、蓝色导线是新添加的，用来填补面包板上总线之间的空缺。

如果你改变电路上半部分的容值或阻值来调快电路下半部分的振荡频率，会发生什么呢？

如果你把一个 220 μF 的电容器连接在各点（电路的上半部分和下半部分）和接地端之间，又会发生什么呢？这样做不会损坏任何元件，所以请你尽情试验。

另一种选择是回到图 2-116 产生的“经处理的脉冲”光信号，改变元件的物理连接方式。你可以把元件从面包板上取下，把它们做成一个小型可穿戴装置。

背景知识：安装扬声器

扬声器的膜片也叫纸盆，用来发出声音。但是，随着扬声器上下振荡，它的正反两面都发出声波。因为两列声波彼此反相，它们很容易互相抵消。

如果在扬声器周围加一个喇叭，将正面输出的声波聚焦，接收到的扬声器输出就能大幅度增加。对于一个 1 英寸大的小扬声器，你可以把一张大卡片弄弯，粘在它周围，如图 2-121 所示。

更好的方法是，把扬声器安装在盒子里，盒子上钻有小孔，允许扬声器正面发出的声音向外辐射，而盒子封闭的背面吸收了扬声器反面发出的声波。