音樂彩燈控制器設計

1、電子技術課程設計音樂彩燈控制器第一部分: 實驗總述音樂彩燈控制器是用音樂信號控制多組顏色的彩燈,利用其亮度變化反映音樂信號的強弱.從而使燈的變化規(guī)律與音頻信號的規(guī)律及電平大小相對應,是一種將聽信號轉換為視信號的裝置.用來調節(jié)聽眾欣賞音樂時候的氣氛和情緒. 一.設計要求及技術指標基本部分:(1 高頻段 2000-4000HZ,控制黃燈(2 中頻短 500-1200HZ, 控制綠燈(3 低頻段 50-250HZ, 控制紅燈(4 電源電壓交流220V,輸入信號幅度>=10mv發(fā)揮部分:輸入信號幅度小于10mv時,彩燈亮暗閃爍二.要求完成的任務(1計算參數(shù),安裝調試設計的電路.(2畫出完整電路圖

2、,寫出設計總結報告.第二部分:實驗原理部分(一.設計框圖及電路系統(tǒng)概述設計框圖: 電路系統(tǒng)概述:1.聲音信號要分為三個頻段,所以第一步要通過濾波器進行濾波,將音頻信號按要求分為三個頻段。2.經過放大器把毫伏級的聲音信號放大為與比較信號可比的信號。由于直流信號才可比較,所以在進入比較器前先進行整流。3.同步脈沖通過簡易的數(shù)模轉換產生階梯波,放大后的信號與其比較產生高低電平,再和同步脈沖相與產生個數(shù)不同的脈沖去觸發(fā)三極管,由觸發(fā)脈沖的個數(shù)決定彩燈的亮度。4.如果音樂信號小于10mV,用比較器產生高電平使或門的輸出總為高電平,產生的高電平與1HZ的脈沖信號進行與,從而使燈亮暗閃爍。(二.實驗電路結構

3、與分塊電路原理由本實驗設計要求可將試驗電路基本分為七個組成部分,即1.電壓轉換部分2.語音信號的輸入部分3.基本信號的放大部分4,濾波選頻部分(核心5.幅度控制部分6 .輸出顯示部分7.10毫伏比較擴展部分第三部分:各單元電路的設計方案及原理說明下面分別從以上幾個分塊電路說明該彩燈控制器的設計原理與過程.1.電源電路:由于實驗給出電源為220V交流電,而實驗所需芯片的工作電壓大致在5-12V,故需要首先設計一個電壓轉換部分,將220V的交流電轉換成5V,12V,相當于一個直流穩(wěn)壓源,以供數(shù)字和模擬芯片正常工作。其轉換電路如下所示: 變壓器變壓,再經過全波整流電路和濾波電容得+12V和-12V直

4、流電壓作為運算放大器的電源。+12V經過W7805穩(wěn)壓后得到+5V的電壓,供TTL數(shù)字集成電路使用。2.語音信號的輸入部分本實驗中,音樂信號的輸入由MP3音樂信號實現(xiàn),可由下面兩種方式輸入:方案一:直接輸入。方案二:音樂信號由麥克輸入: 本實驗中音樂信號的輸入由小話筒實現(xiàn),外界的音樂信號通過麥克將聲音信號轉換成為一定的電信號以驅動后面電路隨音樂進行變化。話筒上有兩個引腳,一引腳接地,另一引腳輸出由話筒轉化成的電信號。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音信號體現(xiàn)得比較清楚,在輸出端給一個外加的直流電源,與1K電阻相連后接到輸出端,相當于加一個直流分量。方案比較:由于考慮到

5、麥克干擾比較大,效果不是特別理想,頻率和幅度都不能達到理想的要求,相比之下MP3音樂信號純度較好,而且存在小于10mV的語音信號,所以把它作為語音信號的輸入部分。3.放大部分:由于音樂信號的幅度十分有限,僅為十幾毫伏,為了驅動后面的電路,必須將輸入信號放大后再經過選頻等一系列處理。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。由于無特殊要求,故本實驗只選用普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(核心與難點濾波部分是本實驗的重點和難點,選頻的結果將直接影響彩燈的最終顯示效果,但參數(shù)的設計也是本實驗的難點所在,理想狀態(tài)下的濾波器是不

6、存在的。在理想條件下,選頻可通過窄帶濾波器實現(xiàn).滿足設定頻率的信號部分可以通過濾波器控制后面的信號,不滿足的部分則被濾波,信號大大得到衰減。常用的濾波器有巴特沃斯濾波器,切比雪夫濾波器,壓控電壓源濾波器,無限增益濾波器等多種,本實驗對此依依分析,仿真和搭接,并通過實際所得狀態(tài)圖進行合理恰當?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比濾波效果較為理想,過渡帶較窄,阻帶衰耗較大,基本滿足選頻要求, 高頻段與中頻段的實驗效果與低頻段相似,均較為理想.改進:由于只需要對音頻信號分為三個頻段,而帶通濾波器對設計電路的要求較高,所以用一個高通和一個低通濾波器代替原來高頻和低頻的兩個

7、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實現(xiàn)。如下圖所示,該帶通濾波電路由低通與高通濾波器級聯(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。選取合適的RC值即可實現(xiàn)要求的帶通頻率。 該方法的優(yōu)點是:用該濾波方法構成的帶通濾波器的通帶較寬,通帶截止頻率易于調整,因此多用作測量信號噪聲比的音頻帶通濾波器,但該實驗的帶通都較窄。高低頻率的參數(shù)計算公式: 二階有源濾波器的低通濾波: 12R R R = 12C C C =(1/3uf Q A =-(1/2n f RC = 高通濾波:12R R R = 12C

8、 C C =(1/3uf Q A =-1nR w =計算后得具體數(shù)值為: 方案四:查閱相關資料得知,帶通濾波器的帶寬越窄,選擇性越好,也就是電路的品質因數(shù)Q 越高。其中Q=foBW ;Fo=Fl Fh ; BW=Fh Fl 。鑒于此,改用下述帶通濾波,以實現(xiàn)窄而穩(wěn)定的通頻帶,符合實驗要求。 這種電路的優(yōu)點在于改變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,考慮到高階濾波對非選通頻率的衰減大,我們設計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 0.1U5001200HZ 1

9、5K 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,但價錢較高,對于該實驗而言,需要三片芯片,會造成成本太高,不適宜產品的普及。方案二至方案五各有優(yōu)缺點,經過在面包板上模擬,發(fā)現(xiàn)對于高中頻段,二階有源濾波效果就可以滿足要求;對于低頻段,由于低頻段較小,可以不做選擇,故采用低通濾波實現(xiàn)上限截頻。實驗最終原理電路,濾波器部分:1.低通濾波器選擇出低頻段信號: 輸入信號為10Hz時的幅度 輸入信號為250Hz時的幅度2.中低頻段和高頻段的電路: 中頻段:500-1.5KHZ

10、衰減比較緩慢,但由于語音信號頻率都相對較低,所以對于高通濾波器的要求可以降低一些,因此該濾波器基本實現(xiàn)要求的功能.我們通過不斷的嘗試,實際搭接多種濾波器最終組合成以上三個電路,雖然與理論有些差距,但從實際實現(xiàn)的效果看來已經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計由于只有直流信號才可比較,因而信號在進入比較器之前需進行整流,將交流音樂信號轉為直流信號進行比較。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聯(lián)得到。其中D1,D2,R構成A3的反饋網絡,2R作為級間反饋。R1,R2作為運放同相輸入端的平衡電阻。當Vi為負值時,A3反向輸出,Uo1為正值。D2因反向

11、偏置而截止,D1受正向壓降作用而導通。(由于集成運放的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高,即使Vi的輸入值很小,也可產生很大的Uo1使D1導通。此時,D2,R形成的回路斷開,Uo2近似為0,由A3形成的放大電壓對A4基本無影響。輸入電壓經2R加在A4的反向輸入端,經A4反向放大輸出,從而得到正向電壓Uo。當Ui為正值時,A3反向輸出,Uo1為負值。此時,D1反向偏置截止,D2受正向壓降作用導通,Uo2為負值。從而Uo3為負值,經A4反向放大輸出,得到正向電壓Uo。利用集成運放虛地、虛斷、虛短的特性,不難得出輸出電壓Uo與輸入Ui 在數(shù)值上呈線性比例關系,即整流器輸出全波成比例正的直流信號。我們知道,利用半導

12、體二極管的單向導電性,可以組成整流電路,把交流變成直流。但是二極管的門限電壓約為0.7V,當被整流的信號電壓低于門限電壓時,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,還會產生非線性誤差。但利用該集成運放電路可有效地克服這兩方面的缺點。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。經過實驗,也驗證了這一點。然而,對于該實驗而言,二者整流的差別并不會對后續(xù)實驗造成影響。而使用精密整流需用到LM324芯片,電路較復雜,故最終采用橋式整流來實現(xiàn)。6.階梯波與同步脈沖實現(xiàn)幅度控制:設計要

13、求根據(jù)音樂信號的大小控制彩燈的亮度。因而想到用一階梯波發(fā)生器產生8個階梯,作為參考電壓與音樂信號進行比較,從而決定了比較器輸出的高電平的個數(shù),最終由平均電壓大小來控制燈的亮度。每次不同的個數(shù),將燈的亮度分為8個程度,滿足設計要求。(1階梯波電路及其產生波形方案一: 方案二:電路圖如下 產生的波形Ua,Ub,Uc,Ud,Ue,Uf如下圖: 方案比較:方案一中的階梯波發(fā)生器產生的波形失真比較嚴重,而且產生負電壓。方案二是由簡易的數(shù)模轉換器產生的階梯波,波形比較規(guī)整,但產生的最高電平是+5V,這就要求放大電路的增益不能過大。在選擇了合適的放大增益的前提下,顯然第二方案較優(yōu)。實驗后,最終選用方案二。但

14、經過實驗,發(fā)現(xiàn)權電阻產生的階梯波經運放后 產生的階梯波幅值分8個狀態(tài),分別為:5V,4.26V,3.55V,2.84V,2.13V,1.42V,0.71V,0.00V。(2555晶振產生的同步脈沖該同步脈沖由555晶振電路產生。具體電路為: 根據(jù)設計要求,不同幅值的音樂信號對應著彩燈的不同亮度。可通過音樂信號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集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器,該電壓比較器的特點是:1失調電壓小,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對比較信

15、號源的內阻限制較寬;4共模范圍很大,為0(Ucc-1.5VVo;5差動輸入電壓范圍較大,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類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端,用“+”表示,另一個稱為反相輸入端,用“-”表示。用作比較兩個電壓時,任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓(也稱為門限電平,它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點,另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時,輸出管截止,相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時,輸出管飽和,相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別

16、大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài),因此,把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管,在使用時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影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時,它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。另外,各比較器的輸出端允許連接在一起使用。下圖給出了一個基本單限比較器。輸入信號Uin,即待比較電壓,它加到同相輸入端,在反相輸入端接一個參考電壓(門限電平Ur。當輸入電壓Uin>Ur。圖1b為其傳輸特性。時,輸出為高電平UOH 方案二:利

17、用集成運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構成電壓跟隨器,從而實現(xiàn)對整流后的直流電壓進行電流放大,更為重要的是利用電壓跟隨電路的帶負載能力強的特點,增強了電路的帶載能力。 經過整流的音樂信號電壓作為參考電壓,階梯波信號作為被比較電壓。當音樂信號電壓大于階梯波信號電壓Uf時,A8輸出低電平,T2飽和導通,其集電極輸出為高電平,與門打開,同步觸發(fā)脈沖Ue通過與門,由射極跟隨器輸出,去觸發(fā)三極管。當輸入信號小于階梯波信號電壓Uf時,A8輸出為高電平,T2截止,其集電極輸出為低電平,與門被封鎖,同步觸發(fā)脈沖通不過,三極管

18、截止。8.發(fā)揮部分:當音樂信號小于10毫伏時,所有的彩燈亮暗閃爍。根據(jù)該設計要求,可想到當音樂信號小于10毫伏時,可通過另外一通路產生周期高電平。將該高電平與前幾路信號相或,則可使得三極管周期性導通,進而控制彩燈亮暗閃爍。具體而言,音樂信號經放大后與一恒定電壓進行比較,從而得到高電平。該高電平在與低頻信號進行與,得到周期性的高電平,最終實現(xiàn)功能。經過實驗發(fā)現(xiàn),當信號頻率小于20HZ即可大致辨別出燈的閃爍,為使效果明顯,采用555產生1HZ的信號。恒定電壓由二極管導通時的壓降為0.7V產生,故要求電壓放大70倍。將輸入信號放大70倍后與0.7V電壓進行比較,如果輸入信號小于10mV,則經放大70

19、倍后,信號小于0.7V,輸出為高電平,反之若信號大于10mV ,經放大后大于0.7V,輸出為低電平,使發(fā)光二極管導通發(fā)光并亮暗閃爍。音樂信號電壓值大于10mv時,其值的大小決定了輸出低電平的時間,同時A8也決定了通過與門同步觸發(fā)脈沖的個數(shù)及彩燈的亮度。R3、R4分別為T2、T1的基極偏置電阻。R7為與門輸出端的限流電阻,它們的阻值選取關系到電路能否正常工作。R6為T2截止時,與門的接地電阻,要保證相應的與門輸入端為低電平,R6應小于與門的開門電阻Ro N.經多次實驗和修改,得到最終的確定方案。電路圖如下: 第三部分調試過程及結果分析當輸入信號大于10毫伏時,紅綠黃三路燈分別受三路濾波器的控制而

20、發(fā)亮,當輸入信號頻率在20004000HZ時,高頻濾波器被選通,相應紅燈點亮;同理,當輸入信號頻率在500-1200HZ時,中頻濾波器被選通,相應黃燈被點亮;而當輸入信號頻率在250以下時,綠燈被點亮,于是實現(xiàn)了彩燈隨著信號頻率的變化而變化。該部分主要受濾波器的控制,因而對于濾波器的精度要求比較高。較好的濾波器可以更精確的實現(xiàn)彩燈的控制。音樂信號經過濾波器后,進行幅度選擇,音樂信號按幅度大小分為八個亮度段,當輸入音樂聲音大時,電信號幅度也會相應增大,燈的亮度也增大;反之,當輸入音樂信號聲音較小時,電信號幅度也相應減小,燈的亮度減小。將當輸入頻率信號小于10毫伏時,經過LM324的控制以及7408的巧妙應用,使輸入燈的電平在高低之間循環(huán),從而實現(xiàn)了燈的亮暗閃爍。事實上,如果對所給的音頻信號的頻率進行