課程設計說明書

1、1 設計課題任務、功能要求說明及總體方案介紹1.1 設計課題任務設計一種組合式彩燈控制電路，該電路由三路不同控制方法的彩燈所組成，采 用不同顏色的發(fā)光二極管作設計實驗1.2 功能要求說明總共有 3 路電路實現(xiàn)音樂彩燈 第一路為音樂節(jié)奏控制彩燈，按音樂節(jié)拍變換彩燈花樣。 第二路按音量的強弱（信號幅度大?。┛刂撇薀?。強音時，燈的亮度加大， 且燈被點亮的數(shù)目增多。 第三路按音調高低（信號頻率高低）控制彩燈。低音時，某一部分燈點亮； 高音時，另一部分燈點亮。1.3 設計課題總體方案介紹及工作原理說明（1）設計思路根據(jù)課題要求，本控制器可分別用三部分電路實現(xiàn)。 音樂的節(jié)奏往往由樂隊的鼓點來體現(xiàn)，實質上它

2、是具有一定時間間隔的節(jié)拍 脈沖信號。因此，可采用計數(shù)、譯碼驅動電路構成節(jié)拍脈沖信號發(fā)生器（或稱時間 順序控制器），使相應的彩燈按節(jié)奏點亮和熄滅。 為實現(xiàn)聲音信號強弱的控制，應該將聲音信號變成電信號，經(jīng)過放大、整流 濾波，以信號的平均值驅動彩燈發(fā)亮。信號強，則燈的亮度大，且點亮燈的數(shù)目增 多。 為實現(xiàn)高、低音（不同頻率信號）對彩燈的控制，采用高、低通有源濾波電 路。低通濾波器限制高音頻信號通過，而高通濾波器限制低音頻信號通過，分頻段 輸出信號，經(jīng)過放大驅動相應的發(fā)光二極管點亮。（2）控制器原理框圖通過音箱輸入電信號， 信號源經(jīng)放大器放大后輸出分別送往：（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 輸出脈沖信號通過驅動電

3、路來驅使彩燈發(fā)光； （ 2）多諧振蕩器脈沖輸出到計數(shù)器，計 數(shù)脈沖通過計數(shù)和譯碼驅使彩燈發(fā)光； （3）送往高低通電路，取出所需要頻段信號后 驅動彩燈發(fā)光。圖1.1控制器原理圖2音樂彩燈控制器的仿真分析2.1音樂彩燈控制器的參數(shù)選擇音樂節(jié)奏控制彩燈音頻放大電路放大電路使用基極分壓式射基偏置電路放大：工作電壓為12V,三極管為9014,9014的放大倍數(shù)在1001000 ,而b-e極電壓0.7V才能飽和導通，所以用 R22=1M的 電阻，同時兼顧其他指標，工程上一般取 VBQ=(3-5)V,所以R23取330K,使電壓 適合于三極管的放大。由于9014承受的最大電流0.1A,R24=5.1K。R2

4、4 :5.1kQBJT NF丿 R23>1 330kQ:圖2.1音頻放大電路多諧振蕩器圖22多諧振蕩器該電路工作電壓Ucc設為12V,當R2遠遠大于R時，D 50%,此時輸出的波形 為理想對稱的方波，所以R2使用100K的可變電阻，這樣實現(xiàn)了方波，也使 R2可以 調節(jié)電路的靈敏度。C1在充、放電過程中，其電壓在 VCC的1/3到2/3之間變化，所以時基電路3 腳輸出高電平的時間h可用以下式表示(即充電周期)，即?= 0.7(? + ?)? 2.13腳輸出低電平時間t2 (即放電周期)：?2?= 0.7? 2.2振蕩周期T :T = ?1?+ ?2?= 0.7(? + 2?)? 2.3根據(jù)

5、以上公式可以求出R1、C1、C2,由于電容在市場上的型號不多。所以就選相近 的?= 0.47uF, ?= 4.7 討其他電路CD4017的供電的電壓為3V15V為了方便電源供電就選用12V作為供電電壓。LED的供電電壓為2.5V，為了不超過它的最大電流，所以要串聯(lián)一個穩(wěn)壓電阻， 先選取R=1K的電阻。音樂大小控制彩燈放大電路由于555單穩(wěn)態(tài)電路是低電平觸發(fā)，所以設計時采用了反向放大，三極管起反向 作用，故采用射基偏置電路。VT (9014) b-e極最大電流為0.1A，所以根據(jù)基爾霍夫定理得：U- Ur = U? 2.4U- I ?R1 = U? 2.5可得：Ri=330K,同時兼顧其他指標，

6、工程上一般取 VBQ=(3-5) V,所以R2=110kR51kD匚* ：22nF圖2.3單穩(wěn)態(tài)電路由于電容的容量和耐壓不好選，所以就先選電容為G 0.022uF，設單穩(wěn)態(tài)的暫 態(tài)時間為t 0.123ms。根據(jù)公式：t 1.1RC 2.6得、0.1 = 1.1 ?R1 ?C1 2.7所以R1取5k限流電阻R2的計算：由于U2的 腳電壓V3為2V, LED的承受電流為30mA取R 的最大取值為：V32VR= = 667? 2.830mA30mA取 R=68C?音調高低控制彩燈R1ClHl-1 a 0 n FC21 aOnFU2AR12AAr-1BkQ R13-Vv%5500R2ViA'R

7、-3-Wv-圖2.4高通電路RC有源高通濾波器參數(shù)的計算(設上限頻率 f=1000HZ):(1)通常電容C的容量宜在微法數(shù)量級以下，R的值一般約為幾百千歐內，vh由于電容容量檔級較少，常先選用 C值，再計算電阻R1的值。選擇Ci C2 0.1uF ,貝URiR21wiC=16K2.92 3.14 1000 0.1 10(2)考慮到二價巴特沃斯濾波器的 Q =0.707和Auf 1 R4 R3 1.5862.10故有R4=0.586R3,運算放大器兩輸入端的外接電阻必須滿足平衡條件:R3/R4 R R 32K 2.11由R4= 0.586R3 2.12和R3/R4 R R 32K 2.13得R3

8、= 33K, R4= 20K, G C20.1uF , R R> 16K(3) 供電為12V,可LED承受的電流為30mA燈泡電壓為2.5V，由U電 UR5 U燈2.14取 R5=550圖2.5低通濾波電路由于高通濾波器與低通濾波器在電路結構上存在對偶關系，他們的幅頻響應也存在對偶關系，設置的頻率界限為1000Hz所以兩個電路參數(shù)一樣，只是接法不一樣電源電路參數(shù)正向平均電流：IfId :1I ' O - 308 mA 154mA最大反向電壓：UrmU R (max)2U 22 7V 10V濾波電容參數(shù)：(3 5)£1 3(3 5)- 20 103C122R'l2

9、7.3橋式整流二極管參數(shù)計算2.15-2.162.170.001 0.00183F1000 1830 F取 C2=1000y F電容耐壓：UCM212V 2.18取UCM 25 V,故電容參數(shù)為C:1000u F/25V。 通過穩(wěn)壓管7812后 穩(wěn)壓為12V,提供給各個電路。2.2音樂彩燈控制器的仿真結果仿真實驗：圖2.6音樂大小控制彩燈仿真波形圖2.6中的斜線表示觸發(fā)經(jīng)放大后的音頻信號，方波表示的是輸出信號。由圖可知，音頻信號經(jīng)過放大之后進入單穩(wěn)態(tài)集成電路.從圖2-6可以看出正弦波處于正半波上升沿是，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)并輸出信號，由此可知當音樂音量大小改變時，正弦波 增大，那么彩燈閃亮的速率加快，音

10、量減小時，波的幅度減小，彩燈閃亮減慢或停 止。圖2.7節(jié)奏電路仿真圖圖2.7中斜波表示的是放大后的音頻信號，方波表示的是經(jīng)音頻信號調諧多諧振蕩 后輸出的觸發(fā)信號。從圖中可以看出經(jīng)放大后的音頻信號可以調制觸發(fā)信號的脈寬, 從而使觸發(fā)信號驅動彩燈，并使彩燈隨音樂節(jié)奏的快慢而閃亮圖2.8 音調高低仿真圖圖4-5為音調控制的輸出仿真圖，起伏大的線代表高通x1的波形，起伏小的線 代表低通x2的波形，當有高于1000Hz的脈沖到LM358時x1就輸出波峰達到3v的 波形，而x2的波形就趨近X軸。2.3 音樂彩燈控制器的仿真調試調試方法：首先在軟件中畫好電路圖，然后檢查電路中各元件是否連接正確，連 接正確的

11、情況下加入信號，由于此軟件不能直接加入音樂信號，所以用正弦（音頻 電信號是由許多的正弦波疊加而形成）代替，加入信號后觀察彩燈的閃亮情況，遇 到不正常時及時修改。調試中遇到的故障：故障1：放大電路不匹配。分析：單穩(wěn)態(tài)電路需要的使反向電壓，無穩(wěn)態(tài)使用的事完整的正弦波。解決：在兩個電路使用獨立放大。故障2:接地信號的交叉。分析：交流接地不能直流接地接在一起。解決：兩個接地單獨接地。3音樂彩燈控制器硬件系統(tǒng)的設計3.1設音樂彩燈控制器硬件系統(tǒng)各模塊功能簡要介紹音樂大小控制彩燈的電路的實現(xiàn)設計電源電路為了 NE555提供穩(wěn)定的直流電源12V;設計NE555時基電路構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，經(jīng)過限流電阻，點亮電

12、路用 LED發(fā)光二極管。 * * :：|33(Bt©M0 ：w I j ii j e i a-r W ig «T -'CUT:6800 :R211kQ.R4 1kO :0JT HPH VIRTUAL丄門Z±22nF：tCH 1 - - mij a b a- M5 VIRTUAL :圖3.1音樂大小電路圖音頻輸入后，經(jīng)過由VT組成的音頻放大器電壓放大。555時基電路與電阻R5 電容C3接成典型的單穩(wěn)太工作模式，由于 R5 C3的取值較小，所以暫態(tài)時間非常 短，t 1.1R3C3 123.42 s。限流電阻R6構成保護電路，去驅動LED閃亮。音頻輸入時，經(jīng)VT

13、反向放大，使時基電路2腳電平在Vdd 3上下波動。當電位不 大于Vdd 3時，時基電路置位，進入暫態(tài)，3腳輸出高電平，晶閘管導通，LED發(fā)光。 由于暫態(tài)時間很短，很快又翻回穩(wěn)態(tài)，LED彩燈熄滅，也就是說彩燈不會有停滯狀態(tài)， 它能隨時基電路的2腳電平即音頻電信號的變化而變化。當變阻器的電阻越小，靜 態(tài)時555的2腳電平越高，電路的聲控靈敏度就越低，所以根據(jù)需要調節(jié)變位器。音樂節(jié)奏控制彩燈總電路實現(xiàn)三極管構成放大電路，放大后送振蕩電路。用 NE555夠成自激振蕩器送出方波, 即是脈沖信號，計數(shù)器和譯碼器用 CD4017他集成了計數(shù)和譯碼兩項功能，減小了 電路，節(jié)約了成本，經(jīng)過限流電阻 LED發(fā)光。

14、R£1圖3.2節(jié)奏電路圖晶體管Q1組成音頻放大器，他將音頻信號加以放大，然后通過電容C8電位器R26加到ME555寸基電路的5腳，對555構成的振蕩器進行調制。CD4017為十進制計數(shù)器，其CP端輸入的計數(shù)脈沖來自NE555時基電路組成的多 諧振蕩器。當CP端源源不斷地輸入計數(shù)脈沖時，它的輸出端 Q1-Q9就依次循環(huán)輸出 高電平。使彩燈LEDLLED10依次點亮。調節(jié)電位器，R29因改時基電路A2的振蕩頻率，故 使彩燈LED1LED4的循環(huán)速率。音頻信號經(jīng)過 Q2放大、通過R21加到A2的5腳， 因改變5腳電平的高低，使555的閥值翻轉，電平發(fā)生變化，即對振蕩器頻率進行 調制，亦使A

15、2的振蕩頻率隨音樂的頻率而變化，所以 LEDLED4的循環(huán)點亮的速 率又隨音樂的節(jié)奏而改變。調節(jié) R29的阻值，則可調節(jié)電路的靈敏度。音調高低控制彩燈的電路的實現(xiàn)音頻經(jīng)放大（放大電路和節(jié)奏電路合用）輸入后分別送往高低通電路。高通電路：由C4入經(jīng)過C5到U2（ LM358的3腳入，濾出低頻，1腳出。在LM358 內濾出低頻信號，高頻信號從1腳出來后使Q1導通，驅動LED2發(fā)光。低通電路：由R12入經(jīng)過R10到LM358的 5腳入，濾出高頻，7腳出。在LM358內濾 出低頻信號，高頻信號從1腳出來后使R13導通，使LED2發(fā)光。圖3.3音調電路圖電源電路設計單穩(wěn)態(tài)電路的工作電壓在318V之間，選取

16、12V電壓為電源電壓，所以設計時 使用220V交流電壓經(jīng)過變壓后得到12V的交流電壓，再經(jīng)過橋式整流、整流濾波后 由三端穩(wěn)壓7812穩(wěn)壓為12V,供給各個電路元件使用。1 電源電路結構常見小功率直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路圖3.4電源電路結構圖穩(wěn)壓電路根據(jù)調整元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、可控硅穩(wěn)壓 電路，集成穩(wěn)壓電路等。根據(jù)調整元件與負載連接方法，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。 根據(jù)調整元件工作狀態(tài)不同，可分為線性和開關型穩(wěn)壓電路。本電路主要采用集成 三端穩(wěn)壓電路。60Hz討眄:'NLT'T1：:U1：:LM7S12CTina - - -

17、721ES :WTASS .I a f I *1|> I圖3.5電源電路3.2電路原理圖、PCB圖7圖3.6電路原理圖呂巳住釧%LHP HP圖3.7PCB圖4 設計結論、誤差分析、教學建議4.1 音樂彩燈控制器的設計結論及使用說明 本次設計主要是應用數(shù)字電路和模擬電路的知識來設計音樂彩燈控制器。使用 了 NE555 時基電路的單穩(wěn)態(tài)電路和無穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)音樂節(jié)奏控制彩燈和音樂大小控 制彩燈；使用高低通電路實現(xiàn)音調控制彩燈。軟件仿真和實物都能達到設計要求。4.2 設計課題的硬件調試安裝完成后，通電并加入信號。 發(fā)現(xiàn)彩燈常亮， 檢修思路：檢測電源是否正常， 用萬用表檢測時發(fā)現(xiàn)電源電壓只有 8V

18、,正常應當在12V。然后判斷故障是在電源電 路是在電源還是負載，斷開負載發(fā)現(xiàn)電源恢復到12V。證明故障在負載，為了方便檢 修,把三個負載電路分別斷開,分別通電檢測。故障 1：音樂大小電路，通電檢測電壓時發(fā)現(xiàn)點要只有8V。分析: 證明電路有輕微短路， 用電阻發(fā)檢測各個焊點間無短路狀況， 證明短路在 原件，由以前的經(jīng)驗。電阻壞是不可能是阻值變小，只可能變大。分析電路發(fā)現(xiàn)只 有一個三極管和一個電容，除了就是 NE555有可能壞.解決：分別取下電容和三極管檢測，發(fā)現(xiàn)三極管的 ce 極的電阻為 0，證明三極 管壞，換上新的三極管后，電壓正常，彩燈依舊常亮。故障2:檢測NE555的輸出端，發(fā)現(xiàn)電壓為7V,

19、有電壓跳變。但跳變時間很短， 要仔細才能分辨。分析:有可能使暫態(tài)時間過短，或限流電阻過大。解決:檢測 2腳調諧端， 電壓為交流 -3V, 證明各端電壓正常在工作。但單穩(wěn)態(tài)電 路暫態(tài)時間過短，導致我們不能識別。根據(jù) T=1.1RC可知增大電阻或電容都能使時 間變大，所以就把電容改為 0.1uF. 再檢測電路，正常。圖4.1故障1.2所在點故障3：節(jié)奏電路通電和加入信號彩燈不閃動。分析：可能使電容擊穿或是三極管放大有問題。解決：檢測電源電壓，9V正常用萬用表去檢測NE555的3腳，發(fā)現(xiàn)電壓恒為0V, 無跳變，再檢測2腳和6腳調諧端，V6=V2=0V分析電路，6腳和2腳通過電容c4 接地，斷電用電阻

20、法測2腳對地電阻為0。取下c4檢測，發(fā)現(xiàn)c4穿。換上后電路正 常。圖4.2故障所在點VIRTUALC3J.7pF再通電在音調電路時，接通后單個彩燈閃亮，電路正常再連接各電路檢測，運行 正常，調試完成。4.3音樂彩燈控制器的誤差分析由于商店提供的元器件型號有限，所以有些器件是用相近的型號大小代替，因 此產(chǎn)生誤差。原件本身參數(shù)不穩(wěn)定也是產(chǎn)生誤差的重要原由4.4設計體會通過這次設計，我對模擬電路和數(shù)字電路有了更加深刻的理解。對一些知識也 有了全新的感悟，不像以前一樣只停留在課本上。這次設計試驗，讓我明白了，我 所了解的東西都很片面，在實際操作中，仍有許多知識盲點，而且有時候實際的東 西并不像課本上所

21、說的那么簡單，還需要我們繼續(xù)深入的學習。這只是設計用的演示電路并不成熟， 如果用于實際生活和生產(chǎn)中，還有一定的差 距，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1、電壓的匹配上，實驗電路的電壓在 12V,彩燈只有2.5V，但在實際中使用的 都是220V電壓，這樣使用時就不是很方便。并且有了變壓器重量增加，不利于生產(chǎn)和運輸。2、設計時用了電位器，要隨時調節(jié)靈敏度，這樣即麻煩而且還會使控制器達不 到最好的設計效果。3、設計時用的是信號直接輸入，有線連接，這樣不便于安裝。下一步的工作將進一步完善電路，使其在實際應用中更加方便，使彩燈早藝術 上更加完美。在視覺感受更加美好參考文獻1 康華光編電子技術基礎（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.225132 閻 石編.數(shù)字電子技術基礎（第五版）.北京：高等教育出版社，2004.4664943 曹才開編.電路與電子技術