音樂彩燈控制器

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013屆本科課程設(shè)計(jì)說明書 第一部分: 實(shí)驗(yàn)總述 音樂彩燈控制器是用音樂信號(hào)控制多組顏色的燈泡，利用其亮度變化反映音樂信號(hào)。是一種將聽信號(hào)轉(zhuǎn)換為視信號(hào)的裝置，用來調(diào)節(jié)聽眾欣賞音樂時(shí)的情緒和氣氛。一.設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo)：設(shè)計(jì)一音樂彩燈控制器要求電路把輸入的音樂信號(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信號(hào)大小分八個(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： 高頻段20004000Hz，控制藍(lán)燈。 中頻段5001200Hz，控制綠燈。 低頻段50250Hz，控制

2、紅燈。 電源電壓交流220V，輸入音樂信號(hào)10mV。 二.要求完成的任務(wù) (1) 課程設(shè)計(jì)說明書; (2) 電路原理圖; (3) 仿真結(jié)果。 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如果音樂信號(hào)小于10mV，用

3、比較器產(chǎn)生高電平使或門的輸出總為高電平，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電壓部分2語音信號(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)方案及原理說明下面分別從以上幾個(gè)分塊電路說明該彩燈控制器的設(shè)計(jì)原理與過程. 一.電源部分：在Multisim當(dāng)中電源部分有提供適合芯片使用個(gè)直流穩(wěn)壓電源，So不用刻意去設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源，直接采用軟件中5V，12V的電源即可。若需要設(shè)計(jì)電源則變壓器變壓，再經(jīng)過全波整流電

4、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W7805穩(wěn)壓后得到+5V的電壓，供TTL數(shù)字集成電路使用。 二.語音信號(hào)的輸入部分本實(shí)驗(yàn)中，音樂信號(hào)的輸入由MP3音樂信號(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：音樂信號(hào)由麥克輸入：本實(shí)驗(yàn)中音樂信號(hào)的輸入由小話筒實(shí)現(xiàn),外界的音樂信號(hào)通過麥克將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成為一定的電信號(hào)以驅(qū)動(dòng)后面電路隨音樂進(jìn)行變化。話筒上有兩個(gè)引腳，一引腳接地，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)

5、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音樂信號(hào)純度較好，而且存在小于10mV的語音信號(hào)，所以把它作為語音信號(hào)的輸入部分。三.放大部分：由于音樂信號(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(shí)驗(yàn)只選用普通的反相放大器即可.具體電路如圖所示:（以放大26倍為例） 放大器仿真圖四.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)

6、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。方案一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,過渡帶較窄,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8.2K0.01U8.2K

7、0.047U 方案三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

8、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 。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

9、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)錢較高，對(duì)于該實(shí)驗(yàn)而言，需要三片芯片，會(huì)造成成本太高，不適宜產(chǎn)品的普及。方案二至方案四各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過在面包板上模擬，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

10、，可以不做選擇，故采用低通濾波實(shí)現(xiàn)上限截頻。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。頻段R1=R2R5=R6R3=R7R4=R8C3=C4C1=C2高頻8k4010k10k1F001F中頻32K1.3K15K15K0.1F0.01F低頻8.2k3910k15k0.011四階帶通濾波器參數(shù)表以下是低通，中通，高通四階濾波器的仿真圖低頻濾波器仿真圖 中通濾波器仿真圖高通濾波器仿真圖 五.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，將交流音樂信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)進(jìn)行比較。經(jīng)過討論決定采用精密整流器。精密整流器該部分電路由線性半

11、波整流跟一加法器級(jí)聯(lián)得到。其中D1，D2，R構(gòu)成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，Uo2近似為0，由A3形成的放大電壓對(duì)A4基本無影響。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

12、反向放大輸出，得到正向電壓Uo。利用集成運(yùn)放虛地、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。但是二極管的門限電壓約為0.7V，當(dāng)被整流的信號(hào)電壓低于門限電壓時(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。于是我們進(jìn)行了仿真，得到下圖。精密整流器仿真圖 六.階梯波與同步脈沖實(shí)現(xiàn)幅度控制設(shè)計(jì)要求

13、根據(jù)音樂信號(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(shí)驗(yàn)后，最終選用方案二。但經(jīng)過實(shí)

14、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 400Hz10k82k10F階梯波發(fā)生器仿真圖同步脈沖發(fā)生器仿真圖七.輸出顯示部分：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不同幅值的音樂信號(hào)對(duì)應(yīng)著彩燈的不同亮度。可通過音樂信號(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LM1

15、11四電壓比較器。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)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（也稱為門限電平，它可選擇LM

16、339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

17、。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（門限電平）Ur。當(dāng)輸入電壓UinUr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)過整流的音樂信號(hào)電壓作為被比較電壓，階梯波信號(hào)作為參考電壓。當(dāng)音樂信號(hào)電壓大于階梯波信號(hào)電壓Uf時(shí)，A8輸出高電平，T2飽和導(dǎo)通，其集電極輸出為高電

18、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(dāng)輸入信號(hào)小于階梯波信號(hào)電壓Uf時(shí)，A8輸出為低電平，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，三極管截止。八.發(fā)揮部分：當(dāng)音樂信號(hào)小于10毫伏時(shí)，所有的彩燈亮暗閃爍。根據(jù)該設(shè)計(jì)要求，可想到當(dāng)音樂信號(hào)小于10毫伏時(shí)，可通過另外一通路產(chǎn)生周期高電平。將該高電平與前幾路信號(hào)相或，則可使得三極管周期性導(dǎo)通，進(jìn)而控制彩燈亮暗閃爍。具體而言，音樂信號(hào)經(jīng)放大后與一恒定電壓進(jìn)行比較，從而得到高電平。該高電平在與低頻信號(hào)進(jìn)行與，得到周期性的高電平，最終實(shí)現(xiàn)功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)頻率小于20HZ即可大致辨別出燈的閃

19、爍，為使效果明顯，采用555產(chǎn)生1HZ的信號(hào)。恒定電壓由二極管導(dǎo)通時(shí)的壓降為0.7V產(chǎn)生，故要求電壓放大70倍。將輸入信號(hào)放大70倍后與0.7V電壓進(jìn)行比較,如果輸入信號(hào)小于10mV，則經(jīng)放大70倍后，信號(hào)小于0.7V，輸出為高電平，反之若信號(hào)大于10mV ,經(jīng)放大后大于0.7V，輸出為低電平，使發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光并亮暗閃爍。音樂信號(hào)電壓值大于10mv時(shí)，其值的大小決定了輸出低電平的時(shí)間，同時(shí)A8也決定了通過與門同步觸發(fā)脈沖的個(gè)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(guān)系到電路能否正常工作。R6為T2截止時(shí)，與門的接地電阻，要保證相應(yīng)的與門輸入端為低電平，R6應(yīng)小于與門的開門電阻RoN.第四部分 原理圖繪制及仿真結(jié)果經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)和修改，得到最終的確定方案。電路圖如下： 根據(jù)原理圖用Multisim仿真如下圖：Multisim仿真電路圖最終做好電路后按照要求仿真結(jié)果如下輸入低頻段50-250Hz紅燈亮 輸入200Hz紅燈亮 輸入中頻段500-1200Hz綠燈亮 輸入800Hz綠燈亮 輸入高頻段2000-4000Hz藍(lán)燈亮 輸入3200Hz藍(lán)燈亮第五部分：心得與體會(huì)通過這次的課程設(shè)計(jì)使我有了一個(gè)實(shí)踐的機(jī)會(huì)，把我所學(xué)得知識(shí)和身邊日常生活連接在一起。使我的綜合