音樂彩燈控制器設(shè)計(jì)說明書

一、設(shè)計(jì)方案簡介

1、整體功能要求

音樂彩燈控制器是用音樂信號控制多組顏色的燈泡，利用其亮度變化反映音樂信號。是一種將聽信號轉(zhuǎn)換為視信號的裝置，用來調(diào)節(jié)聽眾欣賞音樂時的情緒和氣氛。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求

設(shè)計(jì)一音樂彩燈控制器．要求電路把輸入的音樂信號分為高、中、低三個頻段，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大小分八個等級。輸入信號最大時，彩燈最亮。當(dāng)輸入信號的幅度小于10mV時，要求彩燈全亮。

3、測試指標(biāo)

（1）、高頻段2000～4000Hz，控制藍(lán)燈。

（2）、中頻段500～1200Hz，控制綠燈。

（3）、低頻段50～250Hz，控制紅燈。

（4）、電源電壓交流220V，輸入音樂信號≥10mV。

二、設(shè)計(jì)條件及主要參數(shù)表

1、設(shè)計(jì)框圖及電路系統(tǒng)概述

圖2.1 各頻段音樂彩燈控制器的電路框圖

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(jìn)行濾波，將音頻信號按要求分為三個頻段。

（2）、經(jīng)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(jìn)入比較器前先進(jìn)行整流。

（3）、同步脈沖通過簡易的數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生階梯波，放大后的信號與其比較產(chǎn)生高低電平，再和同步脈沖相與產(chǎn)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(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的脈沖信號進(jìn)行與，從而使燈亮暗閃爍。

2、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)電路基本分為七個組成部分,即

（1）、電壓部分

（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(kuò)展部分

三、設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算

1、電源部分

在Multisim當(dāng)中電源部分有提供適合芯片使用個直流穩(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。

2、語音信號的輸入部分

本實(shí)驗(yàn)中，音樂信號的輸入由MP3音樂信號實(shí)現(xiàn)，可由下面兩種方式輸入：

方案一：直接輸入。

方案二：音樂信號由麥克輸入：

本實(shí)驗(yàn)中音樂信號的輸入由小話筒實(shí)現(xiàn),外界的音樂信號通過麥克將聲音信號轉(zhuǎn)換成為一定的電信號以驅(qū)動后面電路隨音樂進(jìn)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(zhuǎn)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(dāng)于加一個直流分量。

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(qū)動后面的電路,必須將輸入信號放大后再經(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）

圖3.1 放大器仿真圖

4、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)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。

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:

圖3.2 低頻段窄帶低通電路

圖3.3 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。

表3.1 設(shè)計(jì)參數(shù):

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):由于只需要對音頻信號分為三個頻段,而帶通濾波器對設(shè)計(jì)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項(xiàng)目要求.由此得出以下方案.

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。

圖3.4 帶通濾波器電路

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，因此多用作測量信號噪聲比的音頻帶通濾波器，但該實(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：

表3.2 計(jì)算后得具體數(shù)值為：

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=fo\BW ； Fo= ；BW=Fh—Fl 。

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。

圖3.5 帶通濾波器電路

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。

方案五:

根據(jù)項(xiàng)目要求，考慮到高階濾波對非選通頻率的衰減大，我們設(shè)計(jì)了四階的帶通濾波器參數(shù)。

表3.3 具體參數(shù)如下所示：

圖3.6 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(shí)驗(yàn)而言，需要三片芯片，會造成成本太高，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(shí)現(xiàn)上限截頻。

根據(jù)項(xiàng)目要求，考慮到高階濾波對非選通頻率的衰減大，我們設(shè)計(jì)了四階的帶通濾波器。

表3.4 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。

圖3.7 低通濾波器仿真圖

圖3.8 中通濾波器仿真圖

圖3.9 高通濾波器仿真圖

5、整流器的工作原理與設(shè)計(jì)

由于只有直流信號才可比較，因而信號在進(jìn)入比較器之前需進(jìn)行整流，將交流音樂信號轉(zhuǎn)為直流信號進(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波整流跟一加法器級聯(lián)得到。其中D1，D2，R構(gòu)成A3的反饋網(wǎng)絡(luò)，2R作為級間反饋。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，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，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(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，A3反向輸出，Uo1為負(fù)值。此時，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Ui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。

我們知道，利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦裕�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(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。

圖3.10 精密整流器仿真圖

6、階梯波與同步脈沖實(shí)現(xiàn)幅度控制

設(shè)計(jì)要求根據(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(chǎn)生8個階梯，作為參考電壓與音樂信號進(jìn)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(shè)計(jì)要求。

（1）方案一：

圖3.11 階梯波電路及其產(chǎn)生波形（1）

方案二：

圖3.12 階梯波電路及其產(chǎn)生波形（2）

產(chǎn)生的波形Ua,Ub,Uc,Ud,Ue,Uf如下圖：

圖3.13 階梯波

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)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。

表3.5 具體數(shù)據(jù)為：

產(chǎn)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。

（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：

3.14 555晶體震蕩電路波形圖

表3.6 具體參數(shù)為：

圖3.15 階梯波發(fā)生器仿真圖

圖3.16 同步脈沖發(fā)生器仿真圖

7、輸出顯示部分：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不同幅值的音樂信號對應(yīng)著彩燈的不同亮度�？赏ㄟ^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(nèi)部裝有四個獨(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）對比較信號源的內(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：

圖3.17 LM339管腳圖

LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)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(diǎn)），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個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用在弱信號檢測等場合是比較理想的。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?yàn)楫?dāng)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(fù)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(dāng)輸入電壓Uin>Ur時，輸出為高電平UOH。圖1b為其傳輸特性。

圖3.18 基本單線比較器及其傳輸特性圖

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。

圖3.19 電壓比較器和同步脈沖控制電路

經(jīng)過整流的音樂信號電壓作為被比較電壓，階梯波信號作為參考電壓。當(dāng)音樂信號電壓大于階梯波信號電壓Uf時，A8輸出高電平，T2飽和導(dǎo)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(dāng)輸入信號小于階梯波信號電壓Uf時，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。

8、發(fā)揮部分

當(dāng)音樂信號小于10毫伏時，所有的彩燈亮暗閃爍。

根據(jù)該設(shè)計(jì)要求，可想到當(dāng)音樂信號小于10毫伏時，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(chǎn)生1HZ的信號。恒定電壓由二極管導(dǎo)通時的壓降為0.7V產(chǎn)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(jìn)行比較,如果輸入信號小于10mV，則經(jīng)放大70倍后，信號小于0.7V，輸出為高電平，反之若信號大于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(guān)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(yīng)的與門輸入端為低電平，R6應(yīng)小于與門的開門電阻RoN.

四、設(shè)計(jì)結(jié)果

1、原理圖繪制

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：

圖4.1 音樂彩燈控制器電路圖

圖4.2 同步脈沖發(fā)生器仿真圖和階梯波發(fā)生器電路圖

2、仿真結(jié)果

根據(jù)原理圖用Multisim仿真如下圖：

圖4.3 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。

圖4.4 輸入200Hz紅燈亮

     輸入中頻段500--1200Hz綠燈亮。

圖4.5 輸入800Hz綠燈亮

     輸入高頻段2000--4000Hz藍(lán)燈亮。

圖4.6 輸入3200Hz藍(lán)燈亮

五、設(shè)計(jì)評述

通過這次的設(shè)計(jì)使我有了一個實(shí)踐的機(jī)會，把我所學(xué)得知識和身邊日常生活連接在一起。使我的綜合運(yùn)用各科知識能力有所提高，分析問題，解決問題的思維方式有很大程度上的改變。懂得了設(shè)計(jì)的一般步驟，從資料得查找到資料的整理，再到資料的分析到從中取出自己想要的信息，等等都使自己的檢索能力，分類整理能力都有大的提高。

在繪制系統(tǒng)原理電路圖的過程中，由于自身知識的欠缺，不知道一些元器件的正確接法，導(dǎo)致在導(dǎo)出PCB 板的時候出現(xiàn)很多錯誤，在老師和同學(xué)的耐心幫助下終于完成了電路圖得繪制。

再次通過這次的設(shè)計(jì)使自己對自己更加有信心，對以后的工作學(xué)習(xí)都有一定的積極得影響。在這里我要感謝我的指導(dǎo)老師們，因?yàn)樵谶@次設(shè)計(jì)過程中給了我相當(dāng)大的幫助。相信在以后的學(xué)習(xí)過程中，我會更加努力拓展自己得知識面，虛心的向老師請教以得到更好的鍛煉和提高。

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