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1、音乐彩灯控制器设计课程设计音乐彩灯控制器第一部分:实验总述音乐彩灯控制器是用音乐信号控制多组颜色的彩灯,利用其亮度变化反映音乐信号的强弱.进而使灯的变化规律与音频信号的规律及电平大小相对应，是一种将听信号转换为视信号的装置.用来调节听众欣赏音乐时候的气氛和情绪.一.设计要求及技术指标设计音乐彩灯控制器,要求将输入音乐信号分为高,中,低三个频段,并且分别控制三种颜色的彩灯.每组彩灯的亮度随各自输入音乐信号大小分为八个等级.输入信号最大时,彩灯最亮.当输入信号的幅度小于10mv时,要求彩灯全亮.主要技术指标如下:基本部分:(1)高频段2000-4000HZ,控制黄灯(2)中频短500-1200HZ
2、,控制绿灯(3)低频段50-250HZ,控制红灯(4)电源电压沟通220V,输入信号幅度=10mv发挥部分:输入信号幅度小于10mv时,彩灯亮暗闪烁二.要求完成的任务(1)计算参数,安装调试设计的电路.(2)画出完好电路图,写出设计总结报告.第二部分:实验原理部分(一).设计框图及电路系统概述设计框图：电路系统概述：1声音信号要分为三个频段，所以第一步要通过滤波器进行滤波，将音频信号按要求分为三个频段。2经过放大器把毫伏级的声音信号放大为与比拟信号可比的信号。由于直流信号才可比拟，所以在进入比拟器前先进行整流。3同步脉冲通过简易的数模转换产生阶梯波，放大后的信号与其比拟产生高低电平，再和同步脉
3、冲相与产生个数不同的脉冲去触发三极管，由触发脉冲的个数决定彩灯的亮度。4假如音乐信号小于10mV，用比拟器产生高电平使或门的输出总为高电平，产生的高电平与1HZ的脉冲信号进行与，进而使灯亮暗闪烁。(二).实验电路构造与分块电路原理由本实验设计要求可将试验电路基本分为七个组成部分,即1电压转换部分2语音信号的输入部分3基本信号的放大部分4，滤波选频部分核心5幅度控制部分6.输出显示部分710毫伏比拟扩展部分第三部分:各单元电路的设计方案及原理讲明下面分别从以上几个分块电路讲明该彩灯控制器的设计原理与经过.1.电源电路：由于实验给出电源为220V沟通电，而实验所需芯片的工作电压大致在512V，故需
4、要首先设计一个电压转换部分，将220V的沟通电转换成5V，12V，相当于一个直流稳压源，以供数字和模拟芯片正常工作。其转换电路如下所示：变压器变压，再经过全波整流电路和滤波电容得+12V和-12V直流电压作为运算放大器的电源。+12V经过W7805稳压后得到+5V的电压，供TTL数字集成电路使用。2语音信号的输入部分本实验中，音乐信号的输入由MP3音乐信号实现，可由下面两种方式输入：方案一：直接输入。方案二：音乐信号由麦克输入：本实验中音乐信号的输入由小话筒实现,外界的音乐信号通过麦克将声音信号转换成为一定的电信号以驱动后面电路随音乐进行变化。话筒上有两个引脚，一引脚接地，另一引脚输出由话筒转
5、化成的电信号。话筒本身是有源器件，不需要外加直流电源。为了将比拟微小的语音信号体现得比拟清楚，在输出端给一个外加的直流电源，与1K电阻相连后接到输出端，相当于加一个直流分量。方案比拟：由于考虑到麦克干扰比拟大，效果不是十分理想，频率和幅度都不能到达理想的要求，相比之下MP3音乐信号纯度较好，而且存在小于10mV的语音信号，所以把它作为语音信号的输入部分。3.放大部分：由于音乐信号的幅度特别有限,仅为十几毫伏,为了驱动后面的电路,必须将输入信号放大后再经过选频等一系列处理。放大电路能够采用很多的形式，比方LM339芯片，普通的三极管放大等等。由于无特殊要求,故本实验只选用普通的反相放大器即可.详
6、细电路如图二所示:以放大26倍为例4.滤波选频部分核心与难点滤波部分是本实验的重点和难点,选频的结果将直接影响彩灯的最终显示效果，但参数的设计也是本实验的难点所在，理想状态下的滤波器是不存在的。在理想条件下,选频可通过窄带滤波器实现.知足设定频率的信号部分能够通过滤波器控制后面的信号，不知足的部分则被滤波，信号大大得到衰减。常用的滤波器有巴特沃斯滤波器,切比雪夫滤波器,压控电压源滤波器,无限增益滤波器等多种，本实验对此依依分析，仿真和搭接，并通过实际所得状态图进行合理恰当的选择。方案二原理图如下:低频段窄带低通电路通带与阻带的幅度比照滤波效果较为理想,过渡带较窄,阻带衰耗较大,基本知足选频要求
7、,高频段与中频段的实验效果与低频段类似,均较为理想.改良:由于只需要对音频信号分为三个频段,而带通滤波器对设计电路的要求较高,所以用一个高通和一个低通滤波器代替原来高频和低频的两个带通滤波器.这样使一样阶数下滤波器的效果愈加理想而不降低题目要求.由此得出下面方案.方案三：采用有源带通滤波电路来实现。如下列图所示，该带通滤波电路由低通与高通滤波器级联得到。其上限截止频率取决于低通滤波器，下限截止频率取决于高通滤波器。选取适宜的RC值即可实现要求的带通频率。该方法的优点是：用该滤波方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因而多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器，但该实验的带通都较窄。
8、高低频率的参数计算公式：二阶有源滤波器的低通滤波：12RRR=12CCC=()1/3ufQA=-()1/2nfRC=高通滤波：12RRR=12CCC=()1/3ufQA=-1nRw=计算后得详细数值为：方案四：查阅相关资料得知，带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q越高。其中Q=foBW；Fo=FlFh?；BW=FhFl。鉴于此，改用下述带通滤波，以实现窄而稳定的通频带，符合实验要求。这种电路的优点在于改变Rf和R1的比值就可改变频宽而不影响中心频率。带宽较窄，选择性好。方案五:根据题目要求，考虑到高阶滤波对非选通频率的衰减大，我们设计了四阶的带通滤波器参数。详细参数如下所示
9、：R1R2R3C1C250250HZ15K22K165K0.01U0.1U5001200HZ15K20K30K0.01U0.01U20004000HZ1.8K22K8.1K102J0.01U四阶带通滤波器方案比拟：当前位置：文档视界音乐彩灯控制器设计课程设计音乐彩灯控制器设计课程设计输入信号为250Hz时的幅度实际搭界电路与理论值有差距，将两个电阻分别改为2.7K和4.3K,实现了截频为290Hz的低通滤波.2.中低频段和高频段的电路:中频段:500-1.5KHZ衰减比拟缓慢,但由于语音信号频率都相对较低,所以对于高通滤波器的要求能够降低一些,因而该滤波器基本实现要求的功能.我们通过不断的尝试
10、,实际搭接多种滤波器最终组合成以上三个电路,固然与理论有些差距,但从实际实现的效果看来已经能够基本符合了要求,基本做到了精益求精.5.整流器的工作原理与设计由于只要直流信号才可比拟，因此信号在进入比拟器之前需进行整流，将交流音乐信号转为直流信号进行比拟。方案一：精细整流器该部分电路由线性半波整流跟一加法器级联得到。其中D1，D2，R构成A3的反应网络，2R作为级间反应。R1，R2作为运放同相输入端的平衡电阻。当Vi为负值时，A3反向输出，Uo1为正值。D2因反向偏置而截止，D1受正向压降作用而导通。由于集成运放的开环电压放大倍数很高，即便Vi的输入值很小，可以产生很大的Uo1使D1导通。此时，
11、D2，R构成的回路断开，Uo2近似为0，由A3构成的放大电压对A4基本无影响。输入电压经2R加在A4的反向输入端，经A4反向放大输出，进而得到正向电压Uo。当Ui为正值时，A3反向输出，Uo1为负值。此时，D1反向偏置截止，D2受正向压降作用导通，Uo2为负值。进而Uo3为负值，经A4反向放大输出，得到正向电压Uo。利用集成运放虚地、虚断、虚短的特性，不难得出输出电压Uo与输入Ui在数值上呈线性比例关系，即整流器输出全波成比例正的直流信号。我们知道，利用半导体二极管的单向导电性，能够组成整流电路，把沟通变成直流。但是二极管的门限电压约为0.7V，当被整流的信号电压低于门限电压时，二极管截止，整
12、流作用消失，即便被整流的电压值大于0.7V，由于二极管的弯曲，还会产生非线性误差。但利用该集成运放电路可有效地克制这两方面的缺点。因此在整流器的选取上，采用该精细全波整流器，能够更好的进行后继工作。方案二：全波桥式整流方案比拟：显然精细整流比桥式整流的效果好。经过实验，也验证了这一点。然而，对于该实验而言，二者整流的差异并不会对后续实验造成影响。而使用精细整流需用到LM324芯片，电路较复杂，故最终采用桥式整流来实现。6.阶梯波与同步脉冲实现幅度控制：设计要求根据音乐信号的大小控制彩灯的亮度。因此想到用一阶梯波发生器产生8个阶梯，作为参考电压与音乐信号进行比拟，进而决定了比拟器输出的高电平的个
13、数，最终由平均电压大小来控制灯的亮度。每次不同的个数，将灯的亮度分为8个程度，知足设计要求。1阶梯波电路及其产生波形方案一：当前位置：文档视界音乐彩灯控制器设计课程设计音乐彩灯控制器设计课程设计方案比拟：方案一中的阶梯波发生器产生的波形失真比拟严重，而且产生负电压。方案二是由简易的数模转换器产生的阶梯波，波形比拟规整，但产生的最高电平是+5V，这就要求放大电路的增益不能过大。在选择了适宜的放大增益的前提下，显然第二方案较优。实验后，最终选用方案二。但经过实验，发现权电阻产生的阶梯波经运放后产生的阶梯波幅值分8个状态，分别为：5V，4.26V，3.55V，2.84V，2.13V，1.42V，0.71V，0.00V。2555晶振产生的同步脉冲该同步脉冲由555晶振电路产生。详细电路为：