一、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

1、整體功能要求

音樂(lè)彩燈控制器是用音樂(lè)信號(hào)控制多組顏色的燈泡，利用其亮度變化反映音樂(lè)信號(hào)。是一種將聽(tīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為視信號(hào)的裝置，用來(lái)調(diào)節(jié)聽(tīng)眾欣賞音樂(lè)時(shí)的情緒和氣氛。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求

設(shè)計(jì)一音樂(lè)彩燈控制器．要求電路把輸入的音樂(lè)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(lè)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。

3、測(cè)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(lè)信號(hào)≥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(lè)彩燈控制器的電路框圖

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(guò)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(guò)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(guò)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(lè)信號(hào)小于10mV，用比較器產(chǎn)生高電平使或門(mén)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。

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(gè)組成部分,即

（1）、電壓部分

（2）、語(yǔ)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

（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(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(guò)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(guò)W7805穩(wěn)壓后得到+5V的電壓，供TTL數(shù)字集成電路使用。

2、語(yǔ)音信號(hào)的輸入部分

本實(shí)驗(yàn)中，音樂(lè)信號(hào)的輸入由MP3音樂(lè)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(lè)信號(hào)由麥克輸入：

本實(shí)驗(yàn)中音樂(lè)信號(hào)的輸入由小話筒實(shí)現(xiàn),外界的音樂(lè)信號(hào)通過(guò)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(lè)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(yǔ)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)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(lè)信號(hào)純度較好，而且存在小于10mV的語(yǔ)音信號(hào)，所以把它作為語(yǔ)音信號(hào)的輸入部分。

3、放大部分

由于音樂(lè)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(duì)比

濾波效果較為理想,過(guò)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(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(lái)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項(xiàng)目要求.由此得出以下方案.

采用有源帶通濾波電路來(lái)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。

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(cè)量信號(hào)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(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)。

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(jià)錢(qián)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(guò)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，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(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。

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(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(lè)信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)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(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(kāi)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(kāi)，Uo2近似為0，由A3形成的放大電壓對(duì)A4基本無(wú)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娦裕�可以組成整流電路，把交流變成直流。但是二極管的門(mén)限電壓約為0.7V，當(dāng)被整流的信號(hào)電壓低于門(mén)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。

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(lè)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(lè)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(lái)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）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(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(guò)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(guò)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(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：

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(lè)信號(hào)對(duì)應(yīng)著彩燈的不同亮度。可通過(guò)音樂(lè)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LM111四電壓比較器。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：

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(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(mén)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(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(kāi)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。

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(mén)限電平）Ur。當(dāng)輸入電壓Uin>Ur時(shí)，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(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。

圖3.19 電壓比較器和同步脈沖控制電路

經(jīng)過(guò)整流的音樂(lè)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(lè)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平，與門(mén)打開(kāi)，同步觸發(fā)脈沖Ue通過(guò)與門(mén)，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(mén)被封鎖，同步觸發(fā)脈沖通不過(guò)，三極管截止。

8、發(fā)揮部分

當(dāng)音樂(lè)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(lè)信號(hào)小于10毫伏時(shí)，可通過(guò)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(lè)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(guò)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(lè)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(guò)與門(mén)同步觸發(fā)脈沖的個(gè)數(shù)及彩燈的亮度。R3、R4分別為T(mén)2、T1的基極偏置電阻。R7為與門(mén)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T(mén)2截止時(shí)，與門(mén)的接地電阻，要保證相應(yīng)的與門(mén)輸入端為低電平，R6應(yīng)小于與門(mén)的開(kāi)門(mén)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(lè)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(píng)述

通過(guò)這次的設(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。使我的綜合運(yùn)用各科知識(shí)能力有所提高，分析問(wèn)題，解決問(wèn)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(guò)程中，由于自身知識(shí)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(shí)候出現(xiàn)很多錯(cuò)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(guò)這次的設(shè)計(jì)使自己對(duì)自己更加有信心，對(duì)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(guò)程中給了我相當(dāng)大的幫助。相信在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，我會(huì)更加努力拓展自己得知識(shí)面，虛心的向老師請(qǐng)教以得到更好的鍛煉和提高。

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