模塊詳解

1.拾音電路

拾音電路是整個系統的輸入電路，如圖3-3所示。

工作原理：由靜電學可知，對于平行板電容，有如下的關系式：

式中，ε為極板間介質的介電常數；S為極板面積；d為極板間的距離。即電容的容量與介質的介電常數成正比，與兩個極板的面積成正比，與兩個極板之間的距離成反比。

另外，當一個電容充有Q量的電荷時，電容兩個極板間要形成一定的電壓，有如下關系式：

駐極體話筒由聲電轉換和阻抗變化兩部分組成。其聲電轉換的關鍵元件是駐極體振動膜。對于一個駐極體話筒，內部存在一個由振膜、墊片和極板組成的電容器，因為膜片上充有電荷，并且是一個塑料膜，因此當膜片受到聲壓強的作用時，膜片會產生振動，從而改變了膜片與極板之間的距離、電容兩個極板之間的距離，使其產生了一個Δd的變化，由式（3-1）可知，必然要產生一個ΔC的變化；由式（3-2）又知，由于ΔC有變化，充電電荷又是固定不變的，因此必然產生一個ΔU的變化。這樣就初步完成了一個由聲信號到電信號的轉換。由于這個信號非常微弱，內阻非常高，不能直接使用，因此還要進行阻抗變換和放大。所以，在話筒內接入一只結型場效應管來進行阻抗變化。場效應管是一個電壓控制元件，漏極的輸出電流受源極與柵極電壓的控制。由于電容器的兩個極是接到場效應管的S極（源極）和G極（柵極）的，因此相當于在場效應管的S極與G極之間加了一個ΔU的變化量，漏極電流I就產生一個ΔI_d的變化量，這個電流的變化量就在電阻R上產生一個ΔV_d的變化量。因此，整個駐極體話筒就完成了一個聲電的轉換過程，如圖3-4所示。

R4的阻值為經驗取值，精度要求不高。

2.負反饋放大電路

負反饋放大電路如圖3-5所示，它是把輸出信號的一部分或全部送回輸入端，以改變放大性能的放大電路。由輸出端送回輸入端的信號稱為反饋信號。反饋信號在輸入端與外加信號相加（或相減）組成放大器的凈輸入。反饋信號使凈輸入減弱從而使增益下降時，稱為負反饋。

本設計中反相器采用的是CD4069芯片。CD4069是常規的6路反相器，每一路反相器都是相對獨立的。CD4069采用單電源供電，供電范圍為3～15V。沒有使用的輸入端必須接電源、地或其他輸入端。CD4069具有較寬的溫度使用范圍（-40～125℃）。

圖3-5中U1∶A～U1∶D組成奇數級負反饋放大器，U1∶C、U1∶D并聯可以增大放大器的負載能力。R3為反饋電阻，調節R₃和R₂的比值可以調節電壓增益，其典型增益可達100倍。

助聽功能仿真如下。

由于電路具有助聽功能，即將外界的聲音進行放大，通過耳機傳入人耳，而電路的音頻信息采集是使用駐極體話筒來實現的，拾音電路輸出的是變化的電壓信號，所以直接使用模擬脈沖信號源來代替拾音電路進行仿真。由上面介紹的拾音電路可知，輸出電壓范圍為0～V_dd（電源電壓）。本設計中電源電壓設為5V，所以輸入的脈沖信號源高電平設為5V，低電平設為0V，上升和下降時間均為1μs，頻率為1Hz，如圖3-6所示。

采用音頻圖表來觀測助聽功能輸出的音頻。將音頻圖表添加到窗口后，選擇剛才設置的輸出位置處的電壓指針，并將其拖到音頻圖表中。本例中設置音頻圖表的“Stop time”為4s，如圖3-7、圖3-8所示。

設置完畢后，將鼠標指針置于音頻圖表上，然后按下空格鍵，對音頻圖表進行仿真。助聽模式下音頻圖表輸出信號如圖3-9所示。

3.低頻信號發生器電路

圖3-10中，U1∶E和U1∶F構成一個低頻信號發生器，它是一個最簡單的CMOS多諧振蕩器。其振蕩周期T=1.4RC=1.4s，則振蕩頻率≈0.7Hz。改變C₂或R₁，可以改變其振蕩頻率。

由CMOS門電路組成的多諧振蕩器如圖3-11所示，其原理如下。

假定門電路的電壓傳輸特性曲線為理想化的折線，即開門電平V_ON和關門電平V_OFF相等，這個理想化的開門電平或關門電平稱為門檻電平或閾值電平，記為V_TH，且設。

假定在t=0時接通電源，電容C尚未充電，電路初始狀態為：ν_I為低電平，ν_O1為高電平，ν_O為低電平，即第一暫穩態。此時，電源V_DD給電容C充電，隨著充電時間的增加，ν_I不斷上升，當ν_I≥V_TH時，必然引起如圖3-12所示的正反饋，從而使ν_O1迅速變成低電平，而ν_O迅速變成高電平，電路進入第二暫穩態。ν_O由0V上跳到V_DD，由于電容兩端電壓不突變，則ν_I也將上跳至V_DD。本應升至V_DD+V_TH，但由于保護二極管的鉗位作用，ν_I僅上跳至V_DD+ΔV+。隨后，電容C放電，使ν_I下降，當ν_I降至V_TH時，電路又產生如圖3-13所示的正反饋，從而使ν_O1迅速變成高電平，ν_O迅速變成低電平，電路又回到第一暫穩態。此后，電路重復上述過程，周而復始地從一個暫穩態翻轉到另一個暫穩態，在反相器G2的輸出端得到方波。

由上述分析不難看出，多諧振蕩器的兩個暫穩態的轉換過程是通過電容C的充放電作用來實現的。其振蕩周期T=RCln4≈1.4RC。

催眠功能仿真如下。

同樣采用音頻圖表來觀測催眠功能輸出的音頻。此次設置音頻圖表的“Stop time”為5s。設置完畢后，對音頻圖表進行仿真。催眠模式下音頻圖表輸出信號如圖3-14所示。

4.耳機接口電路

耳機接口電路如圖3-15所示，為整個電路的輸出，通過連接耳機使得助聽、催眠電路的輸出信號顯示出來。