音乐彩灯控制器设计-课程设计(1)要点.pdf
键入文字 1 课程设计说明书 题目 : 音乐彩灯控制器 院（部）：理学院 专业班级：应用物理14-1 学号： 2014305070 学生姓名：王伟洲 指导教师：李学超 键入文字 2 安徽理工大学课程设计（论文）任务书 理学院（部）物理系 学号2014305070 学生姓名王伟洲专业（班级）应用物理 14-1 题目 音乐彩灯控制器 设计 技术 参数 设计 要求 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 工 作 量 查阅相关材料，设计电路图和程序，完成课程设计说明书，共18 页。 工作 计划 (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 . 参考 资料 指导教师签字教研室主任签字 键入文字 3 前言 随着现在社会的发展， 人们生活水平的提高， 人们对娱乐环境的 要求越来越高， 娱乐环境中的灯光控制， 成了一个重要的部分。 为此， 特意设计了关于音乐彩灯的控制。 本设计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。 键入文字 4 第一部分 : 实验原理部分 ( 一). 设计框图及电路系统概述 设计框图： 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。 ( 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 710 毫伏比较扩展部分 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 ： 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： 键入文字 5 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 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 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： 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） 键入文字 6 4. 滤波选频部分（核心与难点） 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 键入文字 7 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 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： 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： 12 RRR 12 CCC 1/ 3 uf QA 1/ 2 n fRC 高通滤波： 12 RRR 12 CCC 1/ 3 uf QA 1 n R w 键入文字 8 计算后得具体数值为： 频段R1=R2 R5=R6 R3=R7 R4=R8 C3=C4 C1=C2 低频60 K300 K10 K15 K001F 001F 中频32K6.4K10K15 K 0.1F 0.1F 高频8k4010k15k1F 001F 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=foBW ； Fo=FlFh； 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 : 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 50250HZ 15K 22K 165K 0.01U 0.1U 5001200HZ 15K 20K 30K 0.01U 0.01U 20004000HZ 1.8K 22K 8.1K 102J 0.01U 键入文字 9 四阶带通滤波器 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 : 1. 低通滤波器选择出低频段信号: 键入文字 10 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 : 键入文字 11 中频段 :500-1.5KHZ 高频段 :2000 4000HZ 频段R1=R2 R5=R6 R3=R7 R4=R8 C3=C4 C1=C2 高频8k4010k10k1F 001F 中频32K1.3K15K15K 0.1F 0.01F 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：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 键入文字 12 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：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。 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： 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 方案一： 方案二： 电路图如下 键入文字 13 产生的波形 Ua,Ub,Uc,Ud,Ue,Uf 如下图： 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，而且产生负 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 键入文字 14 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： R1 R2 C 1Hz 470ohm 1.6k 1F 400Hz 10k 82k 10F 7. 输出显示部分： 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 : 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： 键入文字 15 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 UinUr 时，输出为高电平UOH。图 1b 为其传输特性。 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 键入文字 16 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： 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. 键入文字 17 经多次实验和修改，得到最终的确定方案。电路图如下： 键入文字 18
