生活科技（傳播科技篇）Ch06

第六章
創意設計與製作

章節架構

6-1 聲音訊號
6-2 閃爍訊號
6-3 載波訊號
6-4 邏輯電路
6-5 七段顯示器
6-6 數位IC電路

 聲音訊號 

聲音是藉由物體振動產生的波動，藉由介質（空氣或固體、液體）傳播被人或動物聽覺器官所感知的波動現象。例如敲擊一個大鼓，鼓面的振動會引起介質──空氣分子有節奏的振動，使周圍的空氣產生疏密變化，形成疏密相間的縱波，這就產生了聲波，但是這波動受空氣阻力的影響，振幅會慢慢降低，最後聲音就會慢慢消失，所以傳遞距離較短。
因此，透過電子電路的轉換與放大，聲音訊號可以更強，藉由載波的結合，可傳遞得更遠。

音頻震盪電路
我們可以利用電晶體自動開關的特性，電晶體TR1、TR2及電阻R2連同揚聲器構成一個聲音的放大器，而C1及R1構成一個阻容頻率產生器，與放大器形成正反饋。當接上電源後，電路馬上出現振盪，輸出的頻率高低決定於R1及C1的值，電阻值愈大，則電路電流較小，因此放電的時間需較久，所以頻率較低；同樣的，如果電容值較小，則充電時間較短，相對的頻率較高。一旦頻率達到20Hz～20KHz，揚聲器便會發出特定頻率的聲音。

電子琴電路
如果我們把電路稍加修改，則變成如下頁圖所示。R1至R9除了是電晶體TR1的偏壓電阻外，更與C1構成正反饋電路，開關SW1-SW8控制R1-R8中某個電阻接入電路，不同的電阻值跟C1組合後便會輸出不同的振盪頻率。於是產生了不同的音階，形成電子琴。

 常識補給站  電子零件符號表

電阻器
電阻主要功能是在控制電子電路中電流的大小，讓其他元件可以獲得適當的電流量，發揮特定功效。電阻器的種類有碳膜電阻器、水泥電阻器、金屬氧化膜電阻器、低阻值金屬膜電阻器等。

 閃爍訊號 

燈號的閃爍，是一個注意的訊息，也是生活中常見的一種提醒或警示的訊號，舉凡汽車方向燈、平交道閃爍信號燈，乃至於現在的腳踏車警示燈，都是利用燈號的閃爍來造成訊號，達到預警的效果。

利用電晶體開關功能，以成對的方式控制LED的亮滅，產生閃爍效果。下頁的閃爍電路圖中，藉由控制電容器C1、C2及電阻器R3、R4來調整閃爍的頻率。舉例來說，當提高C1、C2電容值，因充電需時較長，相對的放電時間也較長，故閃爍頻率就比較慢。

另外，當提高R3、R4的電阻值，因為流過的電流變小，所以對C1、C2的充電時間就較長，故閃爍頻率也比較慢。若左右兩電路的電容值或電阻值不同，則兩邊LED的閃爍將不對稱。而在電路中LED前必須加上電阻R1、R2，控制流過的電流，以防電流過大LED燒毀。

 小辭典  電晶體

電晶體主要的功能，在類比電路中常用於音頻放大器、射頻放大器、穩壓電路；在電子電路的電源供應中，主要用於開關電源；在數位電路中，主要是當成電子開關，根據輸入的電壓，來控制流出的電流。電子開關和一般機械開關（如relay、switch）不同處在於電晶體是利用電子訊號來控制，而且開關速度非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上，因此可以進行快速的0、1數位運算。

 載波訊號 

聲音因受空氣阻力的影響，無法傳遞至較遠的地方，若將聲音訊號與射頻訊號（載波）混合，稱為調製，即可將訊號傳遞至較遠的地方。載波就好像是一個載具將訊號由甲地帶到乙地。一個單純的載波就像是一個正弦波，同時以接近光速的速度傳播。

不同頻率（波長）的載波也會有不同的傳播特性，基本上，較低頻率的載波傳遞距離較遠；反之，較高頻率的載波傳遞距離較近。載波類比轉換的類型包括了調幅（AM）、調頻（FM）及調相。

簡易FM發射器
FM發射器可以利用簡單的電容C1與電感L1產生載波。同時訊號輸入之後，經由TR1及TR2二次放大後與載波結合，即可發出FM訊號，如下圖之簡易FM發射器電路圖所示。

認識廣播電台：工程部介紹

 邏輯電路 

生活中的類比訊號常會因為干擾及衰減，造成訊號的失真，因此藉由對類比訊號的取樣與量化技術，將類比的訊號經數位化處理後，變成一串數據資料，亦即只有0與1兩個數字組成的「二進位」型式訊號。透過數位訊號處理，可以消除雜訊干擾，並且改善類比訊號因長距離傳輸而衰減失真的影響，使訊號能保持清晰及細緻，獲得更好的影像及聲音品質。

邏輯電路元件
邏輯電路是二進位制的運算，訊號只有「0」（低電位）與「1」（高電位），因此，在組成電路時會以邏輯閘來控制「0」或「1」的輸出，基本的邏輯閘與輸出的關係如下頁表所示：

基本邏輯閘符號與輸出真值表

搶答電路
如下頁之搶答電路圖所示，最下面兩個AND邏輯閘主要用來點亮LED燈，並配合1N4148單向導通二極體提供持續訊號，使放開按鈕之後LED燈依然亮著；而當比較快導通的那一個會將輸出的訊號送到對方NAND的邏輯閘上，則NAND邏輯閘上的兩個輸入都為「1」，輸出就為「0」了，就會切斷其對應下方的AND的輸入，導致阻斷。

 七段顯示器 

七段顯示器為常用顯示數字的電子元件，因為藉由七個發光二極體以不同組合來顯示數字，所以稱為七段顯示器，而七劃旁的點為它的「第八劃」。

七段顯示器分為共陽極及共陰極，共陽極七段顯示器的正極為七個發光二極體的共有正極（或陽極），其他接點為獨立發光二極體的負極（或陰極），使用者只需把正極接電，不同的負極接地，就能控制七段顯示器顯示不同的數字。共陰極的七段顯示器與共陽極的差異只是接點接駁方法都相反而已。

二進位轉十進位七段顯示器
應用電路圖

七段顯示器得到5之電路圖

 常識補給站  IC 4511 
4511是七段顯示器的驛碼IC。
藉由四個輸入端的二進位制，編譯成七段顯示器的數字0-9。

 數位IC電路 

市面上大部分的數位電子產品，內部都含有積體電路（IC），而且數位電路變化多端，控制IC也無奇不有，每個都有其特殊功能，利用現有的積體電路，即可輕鬆完成多樣的電路設計，也可節省電子電路許多共通電路的設計。

訊號產生電路
右圖即利用555計時器產生連續方波，透過LED的明滅，檢視方波的頻率。此電路可透過更改C1電容值即可改變閃爍的速度。

 常識補給站  IC 555
可在單穩態狀態下完成計時、觸發及震盪等功能。
單穩態：一個電路單元不管是否有外來訊號觸發，皆可以在一個穩定的狀態下持續產生訊號。

跑馬燈電路
右圖即藉由555計時器產生脈衝波，將訊號輸入至4017十進位計數器中，將4017解碼後的訊號透過LED輸出，即可得到跑馬燈的效果。此電路中透過更改C1電容值即可控制跑馬燈的速度。

跑馬燈電路（同時亮兩燈）
電路中也可以加入一些邏輯閘來改變亮燈的個數，如右圖所示，即可一次亮兩個燈。

 常識補給站  IC 4017
4017是十進位解碼器，當CLOCK輸入訊號後，IC內部會自己計數，由接腳0-9分別輸出訊號。

 常識補給站  類比轉數位訊號
將類比訊號按時間方向分割為固定時間間隔，此項作業稱為離散化（或稱取樣）。再來將分割的資料按振幅方向進行分割，此項作業稱為量化。而量化後的資料會以數值的方式呈現，每一個數值都是每個時間間隔時類比訊號的振幅值，這樣就可將類比訊號轉換成數位訊號。
這類的轉換如果時間方向與振幅方向的分割數愈多，則轉換時愈能貼近真實狀態，但相對的資料量也會增加，因此必須在精準度跟資料量中進行取捨。

 常識補給站  數位轉類比訊號
數位訊號是以0或1組合而成的一連串資料，這樣對於真實世界是無法使用的，必須轉換成連續時間的類比訊號才行。數位訊號經過類比轉換，會稍微接近類比訊號，但是這樣還不完全，會有鋸齒狀，因此需要再通過積分電路，讓訊號變得平滑，其中積分電路所發揮的作用就叫做低通濾波器。