音樂(lè)彩燈控制器設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、音樂(lè)彩燈控制器第一部分: 實(shí)驗(yàn)總述 音樂(lè)彩燈控制器是用音樂(lè)信號(hào)控制多組顏色的彩燈,利用其亮度變化反映音樂(lè)信號(hào)的強(qiáng)弱.從而使燈的變化規(guī)律與音頻信號(hào)的規(guī)律及電平大小相對(duì)應(yīng)，是一種將聽(tīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為視信號(hào)的裝置.用來(lái)調(diào)節(jié)聽(tīng)眾欣賞音樂(lè)時(shí)候的氣氛和情緒. 一.設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)音樂(lè)彩燈控制器,要求將輸入音樂(lè)信號(hào)分為高,中,低三個(gè)頻段,并且分別控制三種顏色的彩燈.每組彩燈的亮度隨各自輸入音樂(lè)信號(hào)大小分為八個(gè)等級(jí).輸入信號(hào)最大時(shí),彩燈最亮.當(dāng)輸入信號(hào)的幅度小于10mv時(shí),要求彩燈全亮.主要技術(shù)指標(biāo)如下:基本部分:(1) 高頻段 2000-4000HZ,控制黃燈(2) 中頻短 500-1200HZ, 控制綠燈

2、(3) 低頻段 50-250HZ, 控制紅燈(4) 電源電壓交流220V,輸入信號(hào)幅度>=10mv發(fā)揮部分:輸入信號(hào)幅度小于10mv時(shí),彩燈亮暗閃爍二.要求完成的任務(wù)(1)計(jì)算參數(shù),安裝調(diào)試設(shè)計(jì)的電路.(2)畫(huà)出完整電路圖,寫(xiě)出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告.第二部分:實(shí)驗(yàn)原理部分(一).設(shè)計(jì)框圖及電路系統(tǒng)概述設(shè)計(jì)框圖：電路系統(tǒng)概述：1聲音信號(hào)要分為三個(gè)頻段，所以第一步要通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，將音頻信號(hào)按要求分為三個(gè)頻段。2經(jīng)過(guò)放大器把毫伏級(jí)的聲音信號(hào)放大為與比較信號(hào)可比的信號(hào)。由于直流信號(hào)才可比較，所以在進(jìn)入比較器前先進(jìn)行整流。3同步脈沖通過(guò)簡(jiǎn)易的數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生階梯波，放大后的信號(hào)與其比較產(chǎn)生高低電平，再和

3、同步脈沖相與產(chǎn)生個(gè)數(shù)不同的脈沖去觸發(fā)三極管，由觸發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)決定彩燈的亮度。4如果音樂(lè)信號(hào)小于10mV，用比較器產(chǎn)生高電平使或門(mén)的輸出總為高電平，產(chǎn)生的高電平與1HZ的脈沖信號(hào)進(jìn)行與，從而使燈亮暗閃爍。 (二).實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)與分塊電路原理由本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求可將試驗(yàn)電路基本分為七個(gè)組成部分,即1電壓轉(zhuǎn)換部分2語(yǔ)音信號(hào)的輸入部分3基本信號(hào)的放大部分4，濾波選頻部分（核心）5幅度控制部分6 .輸出顯示部分710毫伏比較擴(kuò)展部分第三部分:各單元電路的設(shè)計(jì)方案及原理說(shuō)明下面分別從以上幾個(gè)分塊電路說(shuō)明該彩燈控制器的設(shè)計(jì)原理與過(guò)程.1. 電源電路：由于實(shí)驗(yàn)給出電源為220V交流電，而實(shí)驗(yàn)所需芯片的工作電壓大致

4、在512V，故需要首先設(shè)計(jì)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換部分，將220V的交流電轉(zhuǎn)換成5V，12V，相當(dāng)于一個(gè)直流穩(wěn)壓源，以供數(shù)字和模擬芯片正常工作。其轉(zhuǎn)換電路如下所示： 變壓器變壓，再經(jīng)過(guò)全波整流電路和濾波電容得+12V和-12V直流電壓作為運(yùn)算放大器的電源。+12V經(jīng)過(guò)W7805穩(wěn)壓后得到+5V的電壓，供TTL數(shù)字集成電路使用。2語(yǔ)音信號(hào)的輸入部分本實(shí)驗(yàn)中，音樂(lè)信號(hào)的輸入由MP3音樂(lè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)，可由下面兩種方式輸入： 方案一：直接輸入。 方案二：音樂(lè)信號(hào)由麥克輸入：本實(shí)驗(yàn)中音樂(lè)信號(hào)的輸入由小話筒實(shí)現(xiàn),外界的音樂(lè)信號(hào)通過(guò)麥克將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成為一定的電信號(hào)以驅(qū)動(dòng)后面電路隨音樂(lè)進(jìn)行變化。話筒上有兩個(gè)引腳，一引腳接地

5、，另一引腳輸出由話筒轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)。話筒本身是有源器件，不需要外加直流電源。為了將比較微小的語(yǔ)音信號(hào)體現(xiàn)得比較清楚，在輸出端給一個(gè)外加的直流電源，與1K電阻相連后接到輸出端，相當(dāng)于加一個(gè)直流分量。方案比較：由于考慮到麥克干擾比較大，效果不是特別理想，頻率和幅度都不能達(dá)到理想的要求，相比之下MP3音樂(lè)信號(hào)純度較好，而且存在小于10mV的語(yǔ)音信號(hào)，所以把它作為語(yǔ)音信號(hào)的輸入部分。3.放大部分：由于音樂(lè)信號(hào)的幅度十分有限,僅為十幾毫伏,為了驅(qū)動(dòng)后面的電路,必須將輸入信號(hào)放大后再經(jīng)過(guò)選頻等一系列處理。放大電路可以采用很多的形式，比如LM339芯片，普通的三極管放大等等。由于無(wú)特殊要求,故本實(shí)驗(yàn)只選用普

6、通的反相放大器即可.具體電路如圖二所示:（以放大26倍為例） 4.濾波選頻部分（核心與難點(diǎn)）濾波部分是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn),選頻的結(jié)果將直接影響彩燈的最終顯示效果，但參數(shù)的設(shè)計(jì)也是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)所在，理想狀態(tài)下的濾波器是不存在的。在理想條件下,選頻可通過(guò)窄帶濾波器實(shí)現(xiàn).滿足設(shè)定頻率的信號(hào)部分可以通過(guò)濾波器控制后面的信號(hào)，不滿足的部分則被濾波，信號(hào)大大得到衰減。常用的濾波器有巴特沃斯濾波器,切比雪夫?yàn)V波器,壓控電壓源濾波器,無(wú)限增益濾波器等多種，本實(shí)驗(yàn)對(duì)此依依分析，仿真和搭接，并通過(guò)實(shí)際所得狀態(tài)圖進(jìn)行合理恰當(dāng)?shù)倪x擇。方案二原理圖如下:低頻段窄帶低通電路通帶與阻帶的幅度對(duì)比濾波效果較為理想,過(guò)渡帶較窄

7、,阻帶衰耗較大,基本滿足選頻要求, 設(shè)計(jì)參數(shù):頻段R1C1R2C2低32K0.1U6.4K0.047U中32K0.1U2.8K0.1U高8.2K0.01U8.2K0.047U 高頻段與中頻段的實(shí)驗(yàn)效果與低頻段相似,均較為理想.改進(jìn):由于只需要對(duì)音頻信號(hào)分為三個(gè)頻段,而帶通濾波器對(duì)設(shè)計(jì)電路的要求較高,所以用一個(gè)高通和一個(gè)低通濾波器代替原來(lái)高頻和低頻的兩個(gè)帶通濾波器.這樣使相同階數(shù)下濾波器的效果更加理想而不降低題目要求.由此得出以下方案. 方案三：采用有源帶通濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。如下圖所示，該帶通濾波電路由低通與高通濾波器級(jí)聯(lián)得到。其上限截止頻率取決于低通濾波器，下限截止頻率取決于高通濾波器。選取合適

8、的RC值即可實(shí)現(xiàn)要求的帶通頻率。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：用該濾波方法構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用作測(cè)量信號(hào)噪聲比的音頻帶通濾波器，但該實(shí)驗(yàn)的帶通都較窄。高低頻率的參數(shù)計(jì)算公式：二階有源濾波器的低通濾波： 高通濾波： 計(jì)算后得具體數(shù)值為：頻段R1=R2R5=R6R3=R7R4=R8C3=C4C1=C2低頻60 K300 K10 K15 K001F001F中頻32K6.4K 10K15 K0.1F0.1F高頻8k4010k15k1F001F方案四：查閱相關(guān)資料得知，帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質(zhì)因數(shù)Q越高。其中Q=foBW ； Fo= ； BW=FhFl

9、。鑒于此，改用下述帶通濾波，以實(shí)現(xiàn)窄而穩(wěn)定的通頻帶，符合實(shí)驗(yàn)要求。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于改變Rf和R1的比值就可改變頻寬而不影響中心頻率。帶寬較窄，選擇性好。方案五:根據(jù)題目要求，考慮到高階濾波對(duì)非選通頻率的衰減大，我們?cè)O(shè)計(jì)了四階的帶通濾波器參數(shù)。具體參數(shù)如下所示： R1 R2 R3 C1 C250250HZ 15K 22K 165K 0.01U 0.1U 5001200HZ 15K 20K 30K 0.01U 0.01U20004000HZ 1.8K 22K 8.1K 102J 0.01U 四階帶通濾波器方案比較： 方案一的集成度高，選擇性好，穩(wěn)定度高，但價(jià)錢(qián)較高，對(duì)于該實(shí)驗(yàn)而言，需要三片芯片，

10、會(huì)造成成本太高，不適宜產(chǎn)品的普及。方案二至方案五各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)在面包板上模擬，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高中頻段，二階有源濾波效果就可以滿足要求；對(duì)于低頻段，由于低頻段較小，可以不做選擇，故采用低通濾波實(shí)現(xiàn)上限截頻。 實(shí)驗(yàn)最終原理電路,濾波器部分:1. 低通濾波器選擇出低頻段信號(hào):輸入信號(hào)為10Hz時(shí)的幅度輸入信號(hào)為250Hz時(shí)的幅度實(shí)際搭界電路與理論值有差距，將兩個(gè)電阻分別改為2.7K和4.3K,實(shí)現(xiàn)了截頻為290Hz的低通濾波.2.中低頻段和高頻段的電路:中頻段:500-1.5KHZ 高頻段:20004000HZ 頻段R1=R2R5=R6R3=R7R4=R8C3=C4C1=C2高頻8k4010k10k1F

11、001F中頻32K1.3K15K15K0.1F0.01F輸入模擬正弦波時(shí),輸出波形基本不失真,但由于階數(shù)較低,過(guò)渡帶比較寬,阻帶衰減比較緩慢,但由于語(yǔ)音信號(hào)頻率都相對(duì)較低,所以對(duì)于高通濾波器的要求可以降低一些,因此該濾波器基本實(shí)現(xiàn)要求的功能.我們通過(guò)不斷的嘗試,實(shí)際搭接多種濾波器最終組合成以上三個(gè)電路,雖然與理論有些差距,但從實(shí)際實(shí)現(xiàn)的效果看來(lái)已經(jīng)可以基本符合了要求,基本做到了精益求精.5.整流器的工作原理與設(shè)計(jì) 由于只有直流信號(hào)才可比較，因而信號(hào)在進(jìn)入比較器之前需進(jìn)行整流，將交流音樂(lè)信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)進(jìn)行比較。方案一：精密整流器該部分電路由線性半波整流跟一加法器級(jí)聯(lián)得到。其中D1，D2，R構(gòu)成

12、A3的反饋網(wǎng)絡(luò)，2R作為級(jí)間反饋。R1，R2作為運(yùn)放同相輸入端的平衡電阻。當(dāng)Vi為負(fù)值時(shí)，A3反向輸出，Uo1為正值。D2因反向偏置而截止，D1受正向壓降作用而導(dǎo)通。（由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)很高，即使Vi的輸入值很小，也可產(chǎn)生很大的Uo1使D1導(dǎo)通）。此時(shí)，D2，R形成的回路斷開(kāi)，Uo2近似為0，由A3形成的放大電壓對(duì)A4基本無(wú)影響。輸入電壓經(jīng)2R加在A4的反向輸入端，經(jīng)A4反向放大輸出，從而得到正向電壓Uo。當(dāng)Ui為正值時(shí)，A3反向輸出，Uo1為負(fù)值。此時(shí)，D1反向偏置截止，D2受正向壓降作用導(dǎo)通，Uo2為負(fù)值。從而Uo3為負(fù)值，經(jīng)A4反向放大輸出，得到正向電壓Uo。利用集成運(yùn)放虛地

13、、虛斷、虛短的特性，不難得出輸出電壓Uo與輸入U(xiǎn)i在數(shù)值上呈線性比例關(guān)系，即整流器輸出全波成比例正的直流信號(hào)。我們知道，利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?，可以組成整流電路，把交流變成直流。但是二極管的門(mén)限電壓約為0.7V，當(dāng)被整流的信號(hào)電壓低于門(mén)限電壓時(shí)，二極管截止，整流作用消失，即使被整流的電壓值大于0.7V，由于二極管的彎曲，還會(huì)產(chǎn)生非線性誤差。但利用該集成運(yùn)放電路可有效地克服這兩方面的缺點(diǎn)。因而在整流器的選取上，采用該精密全波整流器，可以更好的進(jìn)行后繼工作。方案二：全波橋式整流方案比較：顯然精密整流比橋式整流的效果好。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。然而，對(duì)于該實(shí)驗(yàn)而言，二者整流的差別并不會(huì)對(duì)后續(xù)

14、實(shí)驗(yàn)造成影響。而使用精密整流需用到LM324芯片，電路較復(fù)雜，故最終采用橋式整流來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.階梯波與同步脈沖實(shí)現(xiàn)幅度控制： 設(shè)計(jì)要求根據(jù)音樂(lè)信號(hào)的大小控制彩燈的亮度。因而想到用一階梯波發(fā)生器產(chǎn)生8個(gè)階梯，作為參考電壓與音樂(lè)信號(hào)進(jìn)行比較，從而決定了比較器輸出的高電平的個(gè)數(shù)，最終由平均電壓大小來(lái)控制燈的亮度。每次不同的個(gè)數(shù)，將燈的亮度分為8個(gè)程度，滿足設(shè)計(jì)要求。（1）階梯波電路及其產(chǎn)生波形方案一：方案二：電路圖如下產(chǎn)生的波形Ua,Ub,Uc,Ud,Ue,Uf如下圖：方案比較：方案一中的階梯波發(fā)生器產(chǎn)生的波形失真比較嚴(yán)重，而且產(chǎn)生負(fù)電壓。方案二是由簡(jiǎn)易的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯波，波形比較規(guī)整，但產(chǎn)生的

15、最高電平是+5V，這就要求放大電路的增益不能過(guò)大。在選擇了合適的放大增益的前提下，顯然第二方案較優(yōu)。實(shí)驗(yàn)后，最終選用方案二。但經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)權(quán)電阻產(chǎn)生的階梯波經(jīng)運(yùn)放后幅值為負(fù)值，考慮到后續(xù)需要，舍棄運(yùn)放。具體數(shù)據(jù)為：R5R6R7阻值43k22k10k產(chǎn)生的階梯波幅值分8個(gè)狀態(tài)，分別為：5V，4.26V，3.55V，2.84V，2.13V，1.42V，0.71V，0.00V。（2）555晶振產(chǎn)生的同步脈沖該同步脈沖由555晶振電路產(chǎn)生。具體電路為：具體參數(shù)為：R1R2C1Hz470ohm1.6k1F 400Hz10k82k10F7.輸出顯示部分：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不同幅值的音樂(lè)信號(hào)對(duì)應(yīng)著彩燈的不同亮

16、度?？赏ㄟ^(guò)音樂(lè)信號(hào)與階梯波的比較去控制。具體而言：電壓比較電路:方案一：使用LM339或LM111四電壓比較器。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。管腳圖如下：LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)

17、稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門(mén)限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的

18、值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。下圖給出了一個(gè)基本單限比較器。輸入信號(hào)Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓（門(mén)限電平）Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，輸出為高電平UOH。圖1b為其傳輸特性。方案二：利用集成運(yùn)放和三極管組成電壓比較器和同步脈沖控制電路。具體電路為：該圖中，A8為電壓比較器電路的主要部分。A7與R1、R2、C構(gòu)成電壓跟隨器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整流后的直流電壓進(jìn)行電流放大，更為重要的是利用電壓跟隨電路的帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，增強(qiáng)了電路的帶載能力。 經(jīng)過(guò)整流的音樂(lè)信號(hào)電壓作為參考電壓，階梯波信號(hào)作為被比較電壓。當(dāng)音樂(lè)信號(hào)電壓大于階梯波信號(hào)電壓Uf時(shí)，A8輸出低電平，T2飽和導(dǎo)通，其集電極輸出為高電平，與門(mén)打開(kāi)，同步觸發(fā)脈沖Ue通過(guò)與門(mén)，由射極跟隨器輸出,去觸發(fā)三極管。當(dāng)輸入信號(hào)小