模块详解

1.拾音电路

拾音电路是整个系统的输入电路，如图3-3所示。

工作原理：由静电学可知，对于平行板电容，有如下的关系式：

式中，ε为极板间介质的介电常数；S为极板面积；d为极板间的距离。即电容的容量与介质的介电常数成正比，与两个极板的面积成正比，与两个极板之间的距离成反比。

另外，当一个电容充有Q量的电荷时，电容两个极板间要形成一定的电压，有如下关系式：

驻极体话筒由声电转换和阻抗变化两部分组成。其声电转换的关键元件是驻极体振动膜。对于一个驻极体话筒，内部存在一个由振膜、垫片和极板组成的电容器，因为膜片上充有电荷，并且是一个塑料膜，因此当膜片受到声压强的作用时，膜片会产生振动，从而改变了膜片与极板之间的距离、电容两个极板之间的距离，使其产生了一个Δd的变化，由式（3-1）可知，必然要产生一个ΔC的变化；由式（3-2）又知，由于ΔC有变化，充电电荷又是固定不变的，因此必然产生一个ΔU的变化。这样就初步完成了一个由声信号到电信号的转换。由于这个信号非常微弱，内阻非常高，不能直接使用，因此还要进行阻抗变换和放大。所以，在话筒内接入一只结型场效应管来进行阻抗变化。场效应管是一个电压控制元件，漏极的输出电流受源极与栅极电压的控制。由于电容器的两个极是接到场效应管的S极（源极）和G极（栅极）的，因此相当于在场效应管的S极与G极之间加了一个ΔU的变化量，漏极电流I就产生一个ΔI_d的变化量，这个电流的变化量就在电阻R上产生一个ΔV_d的变化量。因此，整个驻极体话筒就完成了一个声电的转换过程，如图3-4所示。

R4的阻值为经验取值，精度要求不高。

2.负反馈放大电路

负反馈放大电路如图3-5所示，它是把输出信号的一部分或全部送回输入端，以改变放大性能的放大电路。由输出端送回输入端的信号称为反馈信号。反馈信号在输入端与外加信号相加（或相减）组成放大器的净输入。反馈信号使净输入减弱从而使增益下降时，称为负反馈。

本设计中反相器采用的是CD4069芯片。CD4069是常规的6路反相器，每一路反相器都是相对独立的。CD4069采用单电源供电，供电范围为3～15V。没有使用的输入端必须接电源、地或其他输入端。CD4069具有较宽的温度使用范围（-40～125℃）。

图3-5中U1∶A～U1∶D组成奇数级负反馈放大器，U1∶C、U1∶D并联可以增大放大器的负载能力。R3为反馈电阻，调节R₃和R₂的比值可以调节电压增益，其典型增益可达100倍。

助听功能仿真如下。

由于电路具有助听功能，即将外界的声音进行放大，通过耳机传入人耳，而电路的音频信息采集是使用驻极体话筒来实现的，拾音电路输出的是变化的电压信号，所以直接使用模拟脉冲信号源来代替拾音电路进行仿真。由上面介绍的拾音电路可知，输出电压范围为0～V_dd（电源电压）。本设计中电源电压设为5V，所以输入的脉冲信号源高电平设为5V，低电平设为0V，上升和下降时间均为1μs，频率为1Hz，如图3-6所示。

采用音频图表来观测助听功能输出的音频。将音频图表添加到窗口后，选择刚才设置的输出位置处的电压指针，并将其拖到音频图表中。本例中设置音频图表的“Stop time”为4s，如图3-7、图3-8所示。

设置完毕后，将鼠标指针置于音频图表上，然后按下空格键，对音频图表进行仿真。助听模式下音频图表输出信号如图3-9所示。

3.低频信号发生器电路

图3-10中，U1∶E和U1∶F构成一个低频信号发生器，它是一个最简单的CMOS多谐振荡器。其振荡周期T=1.4RC=1.4s，则振荡频率≈0.7Hz。改变C₂或R₁，可以改变其振荡频率。

由CMOS门电路组成的多谐振荡器如图3-11所示，其原理如下。

假定门电路的电压传输特性曲线为理想化的折线，即开门电平V_ON和关门电平V_OFF相等，这个理想化的开门电平或关门电平称为门槛电平或阈值电平，记为V_TH，且设。

假定在t=0时接通电源，电容C尚未充电，电路初始状态为：ν_I为低电平，ν_O1为高电平，ν_O为低电平，即第一暂稳态。此时，电源V_DD给电容C充电，随着充电时间的增加，ν_I不断上升，当ν_I≥V_TH时，必然引起如图3-12所示的正反馈，从而使ν_O1迅速变成低电平，而ν_O迅速变成高电平，电路进入第二暂稳态。ν_O由0V上跳到V_DD，由于电容两端电压不突变，则ν_I也将上跳至V_DD。本应升至V_DD+V_TH，但由于保护二极管的钳位作用，ν_I仅上跳至V_DD+ΔV+。随后，电容C放电，使ν_I下降，当ν_I降至V_TH时，电路又产生如图3-13所示的正反馈，从而使ν_O1迅速变成高电平，ν_O迅速变成低电平，电路又回到第一暂稳态。此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个暂稳态翻转到另一个暂稳态，在反相器G2的输出端得到方波。

由上述分析不难看出，多谐振荡器的两个暂稳态的转换过程是通过电容C的充放电作用来实现的。其振荡周期T=RCln4≈1.4RC。

催眠功能仿真如下。

同样采用音频图表来观测催眠功能输出的音频。此次设置音频图表的“Stop time”为5s。设置完毕后，对音频图表进行仿真。催眠模式下音频图表输出信号如图3-14所示。

4.耳机接口电路

耳机接口电路如图3-15所示，为整个电路的输出，通过连接耳机使得助听、催眠电路的输出信号显示出来。