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音乐彩灯控制器设计


电子技术课程设计

音乐彩灯控制器
第一部分: 第一部分: 实验总述 音乐彩灯控制器是用音乐信号控制多组颜色的彩灯,利用其亮度变化反映音 乐信号的强弱.从而使灯的变化规律与音频信号的规律及电平大小相对应,是一 种将听信号转换为视信号的装置.用来调节听众欣赏音乐时候的气氛和情绪. 一.设计要求及技术指标 设计音乐彩灯控制器,要求将输入音乐信号分为高,中,低三个频段,并且分 别控制三种颜色的彩灯.每组彩灯的亮度随各自输入音乐信号大小分为八个等级. 输入信号最大时,彩灯最亮.当输入信号的幅度小于 10mv 时,要求彩灯全亮.主要 技术指标如下: 基本部分: (1) 高频段 2000--4000HZ,控制黄灯 (2) 中频短 500--1200HZ, 控制绿灯 (3) 低频段 50--250HZ, 控制红灯 (4) 电源电压交流 220V,输入信号幅度>=10mv 发挥部分: 输入信号幅度小于 10mv 时,彩灯亮暗闪烁 二.要求完成的任务 (1)计算参数,安装调试设计的电路. (2)画出完整电路图,写出设计总结报告. 第二部分: 第二部分:实验原理部分 ).设计框图及电路系统概述 (一).设计框图及电路系统概述 设计框图: 设计框图:

电路系统概述: 电路系统概述:

1.声音信号要分为三个频段,所以第一步要通过滤波器进行滤波,将音 频信号按要求分为三个频段。 2.经过放大器把毫伏级的声音信号放大为与比较信号可比的信号。由于 直流信号才可比较,所以在进入比较器前先进行整流。 3.同步脉冲通过简易的数模转换产生阶梯波,放大后的信号与其比较产 生高低电平,再和同步脉冲相与产生个数不同的脉冲去触发三极管,由触发脉冲 的个数决定彩灯的亮度。 4.如果音乐信号小于 10mV,用比较器产生高电平使或门的输出总为高 电平,产生的高电平与 1HZ 的脉冲信号进行与,从而使灯亮暗闪烁。 ).实验电路结构与分块电路原理 (二).实验电路结构与分块电路原理 由本实验设计要求可将试验电路基本分为七个组成部分,即 1.电压转换部分 2.语音信号的输入部分 3.基本信号的放大部分 4,滤波选频部分(核心) 5.幅度控制部分 6 .输出显示部分 7.10 毫伏比较扩展部分 第三部分: 第三部分:各单元电路的设计方案及原理说明 下面分别从以上几个分块电路说明该彩灯控制器的设计原理与过程. 1. 电源电路 电源电路: 由于实验给出电源为 220V 交流电,而实验所需芯片的工作电压大致在 5- 12V,故需要首先设计一个电压转换部分,将 220V 的交流电转换成 5V,12V,相 当于一个直流稳压源,以供数字和模拟芯片正常工作。其转换电路如下所示:

变压器变压,再经过全波整流电路和滤波电容得+12V 和-12V 直流电压作为 运算放大器的电源。+12V 经过 W7805 稳压后得到+5V 的电压,供 TTL 数字集成电 路使用。 2.语音信号的输入部分 语音信号的输入部分 本实验中,音乐信号的输入由 MP3 音乐信号实现,可由下面两种方式输入: 方案一:直接输入。 方案二:音乐信号由麦克输入: 本实验中音乐信号的输入由小话筒实现,外界 的音乐信号通过麦克将声音信号转换成为一定的

电信号以驱动后面电路随音乐进行变化。话筒上有两个引脚,一引脚接地,另一 引脚输出由话筒转化成的电信号。话筒本身是有源器件,不需要外加直流电源。 为了将比较微小的语音信号体现得比较清楚,在输出端给一个外加的直流电源, 与 1K 电阻相连后接到输出端,相当于加一个直流分量。 方案比较:由于考虑到麦克干扰比较大,效果不是特别理想,频率和幅度都不能 方案比较 达到理想的要求,相比之下 MP3 音乐信号纯度较好,而且存在小于 10mV 的语音 信号,所以把它作为语音信号的输入部分。 3.放大部分 放大部分: 3.放大部分: 由于音乐信号的幅度十分有限,仅为十几毫伏,为了驱动后面的电路,必须将 输入信号放大后再经过选频等一系列处理。 放大电路可以采用很多的形式,比如 LM339 芯片,普通的三极管放大等等。 由于无特殊要求,故本实验只选用普通的反相放大器即可.具体电路如图二所示: (以放大 26 倍为例)

4.滤波选频部分(核心与难点) 滤波选频部分(核心与难点) 滤波选频部分 滤波部分是本实验的重点和难点,选频的结果将直接影响彩灯的最终显示 效果,但参数的设计也是本实验的难点所在,理想状态下的滤波器是不存在的。 在理想条件下,选频可通过窄带滤波器实现.满足设定频率的信号部分可以 通过滤波器控制后面的信号,不满足的部分则被滤波,信号大大得到衰减。 常用的滤波器有巴特沃斯滤波器,切比雪夫滤波器,压控电压源滤波器,无限 增益滤波器等多种,本实验对此依依分析,仿真和搭接,并通过实际所得状态图 进行合理恰当的选择。 方案二 原理图如下:

低频段窄带低通电路

通带与阻带的幅度对比 滤波效果较为理想,过渡带较窄,阻带衰耗较大,基本满足选频要求, 设计参数: 频段 R1 C1 R2 C2 低 32K 0.1U 6.4K 0.047U 中 32K 0.1U 2.8K 0.1U 高 8.2K 0.01U 8.2K 0.047U 高频段与中频段的实验效果与低频段相似,均较为理想. 改进:由于只需要对音频信号分为三个频段,而带通滤波器对设计电路的要求较 改进 高,所以用一个高通和一个低通滤波器代替原来高频和低频的两个带通滤波器. 这样使相同阶数下滤波器的效果更加理想而不降低题目要求.由此得出以下方案. 方案三: 方案三: 采用有源带通滤波电路来实现。如下图所示,该带通滤波电路由低通与高通 滤波器级联得到。其上限截止频率取决于低通滤波器,下限截止频率取决于高通 滤波器。选取合适的 RC 值即可实现要求的带通频率。

该方法的优点是:用该滤波方法构成的带通滤波器的通带较宽,通带截止频 率易于调整,因此多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器,但该实验的带通都 较窄。 高低频率的参数计算公式: 二阶有源滤波器的低通滤波: R1 = R2 = R
Q = 1/ ( 3 Auf

C1 = C2 = C

)

f n = 1/ ( 2π RC )

高通滤波:
R1 = R2 = R Q = 1/ ( 3 Auf C1 = C2 = C

)

R=

1 wn

计算后得具体数值为:

频段 低频 中频 高频

R1=R2 60 K 32K 8k

R5=R6 300 K 6.4K 40

R3=R7 10 K 10K 10k

R4=R8 15 K 15 K 15k

C3=C4 0.01 F 0.1 F 1 F

C1=C2 0.01 F 0.1 F 0.01 F

方案四: 方案四 查阅相关资料得知,带通滤波器的带宽越窄,选择性越好,也就是电路的品 质因数 Q 越高。 其中 Q=fo\BW ; Fo= Fh Fl ; BW=Fh—Fl 。

鉴于此,改用下述带通滤波,以实现窄而稳定的通频带,符合实验要求。

这种电路的优点在于改变 Rf 和 R1 的比值就可改变频宽而不影响中心频率。 带宽较窄,选择性好。 方案五: 方案五: 根据题目要求,考虑到高阶滤波对非选通频率的衰减大,我们设计了四阶的 带通滤波器参数。 具体参数如下所示: R1 R2 R3 C1 C2 50—250HZ 15K 22K 165K 0.01U 0.1U 500—1200HZ 15K 20K 30K 0.01U 0.01U 2000—4000HZ 1.8K 22K 8.1K 102J 0.01U

四阶带通滤波器 方案比较: 方案比较:

方案一的集成度高,选择性好,稳定度高,但价钱较高,对于该实验而言, 需要三片芯片,会造成成本太高,不适宜产品的普及。方案二至方案五各有优缺 点,经过在面包板上模拟,发现对于高中频段,二阶有源滤波效果就可以满足要 求;对于低频段,由于低频段较小,可以不做选择,故采用低通滤波实现上限截 频。 实验最终原理电路,滤波器部分: 实验最终原理电路,滤波器部分 1. 低通滤波器选择出低频段信号:

输入信号为 10Hz 时的幅度

输入信号为 250Hz 时的幅度 实际搭界电路与理论值有差距,将两个电阻分别改为 2.7K 和 4.3K,实现了截频 为 290Hz 的低通滤波. 2.中低频段和高频段的电路:

中频段:500--1.5KHZ 高频段:2000—4000HZ 频段 R1=R2 高频 中频 8k 32K

R5=R6 40 1.3K

R3=R7 10k 15K

R4=R8 10k 15K

C3=C4 1 F 0.1 F

C1=C2 0.01 F 0.01 F

输入模拟正弦波时,输出波形基本不失真,但由于阶数较低,过渡带比较宽,阻带 衰减比较缓慢,但由于语音信号频率都相对较低,所以对于高通滤波器的要求可 以降低一些,因此该滤波器基本实现要求的功能. 我们通过不断的尝试,实际搭接多种滤波器最终组合成以上三个电路,虽然 与理论有些差距,但从实际实现的效果看来已经可以基本符合了要求,基本做到 了精益求精. 5.整流 整流器的工作原理与设计 5.整流器的工作原理与设计 由于只有直流信号才可比较,因而信号在进入比较器之前需进行整流,将交

流音乐信号转为直流信号进行比较。 方案一: 方案一:精密整流器

该部分电路由线性半波整流跟一加法器级联得到。其中 D1,D2,R 构成 A3 的反馈网络,2R 作为级间反馈。R1,R2 作为运放同相输入端的平衡电阻。 当 Vi 为负值时,A3 反向输出,Uo1 为正值。D2 因反向偏置而截止,D1 受正 向压降作用而导通。 (由于集成运放的开环电压放大倍数很高,即使 Vi 的输入值 很小,也可产生很大的 Uo1 使 D1 导通) 。此时,D2,R 形成的回路断开,Uo2 近 似为 0,由 A3 形成的放大电压对 A4 基本无影响。输入电压经 2R 加在 A4 的反向 输入端,经 A4 反向放大输出,从而得到正向电压 Uo。 当 Ui 为正值时,A3 反向输出,Uo1 为负值。此时,D1 反向偏置截止,D2 受正向压降作用导通,Uo2 为负值。从而 Uo3 为负值,经 A4 反向放大输出,得 到正向电压 Uo。 利用集成运放虚地、虚断、虚短的特性,不难得出输出电压 Uo 与输入 Ui 在数值上呈线性比例关系,即整流器输出全波成比例正的直流信号。 我们知道,利用半导体二极管的单向导电性,可以组成整流电路,把交流变 成直流。但是二极管的门限电压约为 0.7V,当被整流的信号电压低于门限电压 时,二极管截止,整流作用消失,即使被整流的电压值大于 0.7V,由于二极管 的弯曲,还会产生非线性误差。但利用该集成运放电路可有效地克服这两方面的 缺点。因而在整流器的选取上,采用该精密全波整流器,可以更好的进行后继工 作。 方案二: 方案二:全波桥式整流 方案比较: 显然精密整流比桥式整流的效果好。 经过实验, 也验证了这一点。 方案比较: 然而,对于该实验而言,二者整流的差别并不会对后续实验造成影响。而使用精 密整流需用到 LM324 芯片,电路较复杂,故最终采用桥式整流来实现。 6.阶梯波与同步脉冲实现幅度控制: 阶梯波与同步脉冲实现幅度控制 6.阶梯波与同步脉冲实现幅度控制: 设计要求根据音乐信号的大小控制彩灯的亮度。因而想到用一阶梯波发生 器产生 8 个阶梯,作为参考电压与音乐信号进行比较,从而决定了比较器输出的 高电平的个数,最终由平均电压大小来控制灯的亮度。每次不同的个数,将灯的 亮度分为 8 个程度,满足设计要求。 (1)阶梯波电路及其产生波形 阶梯波电路及其产生波形 方案一: 方案一:

方案二: 电路图如下

产生的波形 Ua,Ub,Uc,Ud,Ue,Uf 如下图:

方案比较: 而且产生负 方案比较:方案一中的阶梯波发生器产生的波形失真比较严重, 电压。方案二是由简易的数模转换器产生的阶梯波,波形比较规整,但产生的最 高电平是+5V,这就要求放大电路的增益不能过大。在选择了合适的放大增益的 前提下,显然第二方案较优。 实验后,最终选用方案二。但经过实验,发现权电阻产生的阶梯波经运放后 幅值为负值,考虑到后续需要,舍弃运放。具体数据为: R5 R6 R7 阻值 43k 22k 10k 产生的阶梯波幅值分 8 个状态,分别为:5V,4.26V,3.55V,2.84V,2.13V, 1.42V,0.71V,0.00V。 (2)555 晶振产生的同步脉冲 该同步脉冲由 555 晶振电路产生。具体电路为:

具体参数为: 1Hz 400Hz 7.输出显示部分: 7.输出显示部分: 输出显示部分 R1 470ohm 10k R2 1.6k 82k C 1 F 10 F

根据设计要求,不同幅值的音乐信号对应着彩灯的不同亮度。可通过音乐信 号与阶梯波的比较去控制。具体而言: 电压比较电路: 电压比较电路: 方案一: 方案一: 使用 LM339 或 LM111 四电压比较器。LM339 集成块内部装有四个独立的电压 比较器,该电压比较器的特点是:1)失调电压小,典型值为 2mV;2)电源电压 范围宽,单电源为 2-36V,双电源电压为±1V-±18V;3)对比较信号源的内阻 限制较宽;4)共模范围很大,为 0~(Ucc-1.5V)Vo;5)差动输入电压范围较 大,大到可以等于电源电压;6)输出端电位可灵活方便地选用。管脚图如下:

LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输 出端。两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示,另一个称为反相输入端, 用“-”表示。用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电 压(也称为门限电平,它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点) ,另一端加一 个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时,输出管截止,相当于输出 端开路。当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。 两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种 状态,因此,把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339 的输出端相 当于一只不接集电极电阻的晶体三极管, 在使用时输出端到正电源一般须接一只 电阻(称为上拉电阻,选 3-15K) 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位 的值。因为当输出晶体三极管截止时,它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与 负载的值。另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。 下图给出了一个基本单限比较器。输入信号 Uin,即待比较电压,它加到同 相输入端,在反相输入端接一个参考电压(门限电平)Ur。当输入电压 Uin>Ur 时,输出为高电平 UOH。图 1b 为其传输特性。

方案二: 方案二: 利用集成运放和三极管组成电压比较器和同步脉冲控制电路。 具体电路为: 该图中,A8 为电压比较器电路的主要部分。A7 与 R1、R2、C 构成电压跟随 器,从而实现对整流后的直流电压进行电流放大,更为重要的是利用电压跟随电 路的带负载能力强的特点,增强了电路的带载能力。

经过整流的音乐信号电压作为参考电压,阶梯波信号作为被比较电压。 当音乐信号电压大于阶梯波信号电压 Uf 时,A8 输出低电平,T2 饱和导通,其集 电极输出为高电平,与门打开,同步触发脉冲 Ue 通过与门,由射极跟随器输出, 去触发三极管。当输入信号小于阶梯波信号电压 Uf 时,A8 输出为高电平,T2 截止, 其集电极输出为低电平, 与门被封锁, 同步触发脉冲通不过, 三极管截止。 8.发挥部分 发挥部分: 8.发挥部分:当音乐信号小于 10 毫伏时,所有的彩灯亮暗闪烁。 根据该设计要求,可想到当音乐信号小于 10 毫伏时,可通过另外一通路产 生周期高电平。将该高电平与前几路信号相或,则可使得三极管周期性导通,进 而控制彩灯亮暗闪烁。 具体而言,音乐信号经放大后与一恒定电压进行比较,从而得到高电平。该 高电平在与低频信号进行与,得到周期性的高电平,最终实现功能。经过实验发 现,当信号频率小于 20HZ 即可大致辨别出灯的闪烁,为使效果明显,采用 555 产生 1HZ 的信号。恒定电压由二极管导通时的压降为 0.7V 产生,故要求电压放 大 70 倍。 将输入信号放大 70 倍后与 0.7V 电压进行比较,如果输入信号小于 10mV, 则经放大 70 倍后,信号小于 0.7V,输出为高电平,反之若信号大于 10mV ,经放 大后大于 0.7V,输出为低电平,使发光二极管导通发光并亮暗闪烁。 音乐信号电压值大于 10mv 时,其值的大小决定了输出低电平的时间,同时 A8 也决定了通过与门同步触发脉冲的个数及彩灯的亮度。R3、R4 分别为 T2、T1 的基极偏置电阻。R7 为与门输出端的限流电阻,它们的阻值选取关系到电路能 否正常工作。R6 为 T2 截止时,与门的接地电阻,要保证相应的与门输入端为低 电平,R6 应小于与门的开门电阻 RoN.

经多次实验和修改,得到最终的确定方案。电路图如下:

调试过程及结果分析 第三部分 调试过程及结果分析 当输入信号大于 10 毫伏时, 红绿黄三路灯分别受三路滤波器的控制而发亮, 当输入信号频率在 2000—4000HZ 时,高频滤波器被选通,相应红灯点亮;同理, 当输入信号频率在 500-1200HZ 时,中频滤波器被选通,相应黄灯被点亮;而当 输入信号频率在 250 以下时,绿灯被点亮,于是实现了彩灯随着信号频率的变化 而变化。该部分主要受滤波器的控制,因而对于滤波器的精度要求比较高。较好 的滤波器可以更精确的实现彩灯的控制。 音乐信号经过滤波器后, 进行幅度选择, 音乐信号按幅度大小分为八个亮度段,当输入音乐声音大时,电信号幅度也会相 应增大,灯的亮度也增大;反之,当输入音乐信号声音较小时,电信号幅度也相 应减小,灯的亮度减小。将当输入频率信号小于 10 毫伏时,经过 LM324 的控制 以及 7408 的巧妙应用,使输入灯的电平在高低之间循环,从而实现了灯的亮暗 闪烁。事实上,如果对所给的音频信号的频率进行控制,即对此进行分频,当频

率降低到一定的程度时,交流信号本身就可以使灯亮暗闪烁,而当频率过大,闪 烁就不明显,基本上无法体现。这也是实现亮暗闪烁的又一方案,虽然我们没有 采用。 1.滤波部分: 我们对于三个频段的滤波电路都采用低通滤波和带通滤波, 设计的参数理论 上满足低频段 10-290HZ,中频段 500HZ-1500HZ,高频段 2000HZ-4000HZ;实际 调试中由于该部分排线过密,器件较多加之焊工不是很过关,导致中低频段出现 短路现象,无法选频。相应的彩灯一直不亮。而高频段用示波器测量结果大体与 理论值相符。后续实验进行了改进,使结果符合要求。 2. 10 毫伏的比较部分 对于 10 毫伏的比较部分,由于输入信号经过 324 后变成了相应频率变化的 方波,而 LM324 可以实现直流电压的比较,所以,首先将输入信号经过整流滤波 放大,送入 324 的五管脚,而四管脚为固定给定的 10 毫伏,当输入信号大于 10 毫伏时,输出为高阻态,反之,为低电平。该低电平经 7404 后理论上成为一个 高电平,如果将此电平与 555 出来的方波信号相与,便形成一个同频率变化的方 波,若将此方波送入灯的一个输入端,便可实现灯的亮暗闪烁。当输入信号小于 10 毫伏时,339 输出为高阻态,7408 输出低电平,之后送入 7432 或门,可以认 为此时不参与灯的亮度的控制,灯仅由滤波器输出控制。 而在调试过程中发现:不通过或门,即可实现。所以最终未用或门。 3.由于一般的交流市电频率为 50HZ,故而同步脉冲的频率选用 400HZ,使得每个 阶梯对应着 50HZ 的频率。实际调试过程中发现产生的脉冲频率为 409HZ,基本 满足。 (1) 由于本实验基本是属于模拟实验,用到的芯片个数是比较少,但也导 致了我们的连线工作的繁琐。需要连接的导线近乎百根,给我们的工 作带来了不便, 同时 PCB 板的方案也由于对滤波器的顾虑而没有使用。 所以焊接工作也可谓是一项庞大而繁琐的工程。 第四部分 实验总结与体会 …… …… …… 第五部分 参考文献 王文秀,龙开源 电子元器件 北京 : 人民邮电出版社, 1985.5 李振声主编 靳希敏编著 实验电子技术 北京 : 国防工业出版社, 2001 席志红主编 电子技术 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社, 2004.2 张常年 综合电子设计与实践 清华大学, 2005,2 网上资料


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