音樂彩燈控制器

1、課程設(shè)計任務(wù)書中北大學(xué) 2011/2012 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名：徐茂杰 學(xué) 號：09050642X44 課程設(shè)計題目： 音樂彩燈控制器 起 迄 日 期： 2011年12月 18 日2012年1月 7 日 課程設(shè)計地點： 中北大學(xué) 指 導(dǎo) 教 師： 郝利華 韓建寧 系 主 任： 王浩全 下達任務(wù)書日期: 2011 年 12 月 18 日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目的：針對電子線路課程要求，對學(xué)生進行實用型電子線路設(shè)計、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)綜合性訓(xùn)練，配養(yǎng)學(xué)生運用課程中所學(xué)的理論與實踐緊密結(jié)合，獨立的解決實際問題的能力。電路設(shè)計

2、工具PROTEL或MULTISIM的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，應(yīng)用計算機的能力，用簡潔的文字,清晰的圖表來表達自己設(shè)計思想的能力。2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計一臺音樂彩燈燈光控制器，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。每種彩燈的亮度隨各自輸入音樂信號的大小呈現(xiàn)不同的亮度。規(guī)定輸入信號的幅度大于10MV。技術(shù)指標(biāo)：音樂信號分為三個頻段，分別控制紅、綠、藍三種顏色的彩燈。 高頻段：20004000Hz 控制藍燈。 中頻段：5001200Hz 控制綠燈。 低頻段：50250Hz 控制紅燈。 每組彩燈的亮度隨各路輸入信號的大小分

3、八個等級。輸入信號最大時，彩燈最亮。 規(guī)定輸入音樂信號大于10mV。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：（1） 畫出電路圖，并進行原理圖的詳細(xì)敘述，（2） 給出元器件的型號和數(shù)值，（3） 在軟件環(huán)境下進行調(diào)試仿真，（4） 寫出符合格式要求的設(shè)計報告。 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書4主要參考文獻：1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，19982畢滿清.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計.第3版.北京:機械工業(yè)出版社，20053陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊.北京:機械工業(yè)出版社，20044王遠.模擬電子技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社，2000.105孫余凱.精

4、選實用電子電路260例.北京:電子工業(yè)出版社，2007.26黃智偉.大學(xué)生電子設(shè)計競賽制作實訓(xùn).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007其他參考書請自行添加 5設(shè)計成果形式及要求：1）電路原理圖2）課程設(shè)計說明書6工作計劃及進度：2011年 12月 18日 12月 22日 資料調(diào)研12月 23日 12月 25 日 方案論證，進行詳細(xì)設(shè)計，電路仿真， 12月 26日 1月 28 日 分析仿真結(jié)果12月 29日 12月 30 日 完成設(shè)計總結(jié)報告（附完整電路圖）12月 30日 答辯或成績考核系主任審查意見： 簽字： 年 月 日目錄1 要求·····&

5、#183;·········································5 1.1 技術(shù)指標(biāo)······

6、83;·································5 1.2 要求完成的任務(wù)··············&#

7、183;···················52 設(shè)計任務(wù)分析·····························

8、;··········53 系統(tǒng)設(shè)計方案······································&#

9、183;74 單元電路分析與設(shè)計·································7 4.1 同步脈沖發(fā)生器和階梯波發(fā)生器的工作原理和設(shè)計······74.2 帶通濾波器的工作原理和設(shè)計

10、3;·······················104.3 精密整流器的工作原理和設(shè)計·······················

11、83;114.4 電壓比較器和同步脈沖控制電路······················114.5 10mV音樂信號鑒別器的原理與設(shè)計···················125 系統(tǒng)原理

12、電路 ·······································136 心得與體會·········

13、·······························15參考文獻··················

14、··························15附錄·······················&#

15、183;························161 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，隨著音樂節(jié)奏的起伏彩燈的亮度有節(jié)奏得變換來調(diào)節(jié)聽眾欣賞音樂時的情緒和氣氛。1.1 技術(shù)指標(biāo) 要求電路把輸入的音樂信號分為高、中、低三個頻段，并分別控制三種顏色的彩燈。每組彩燈的亮度隨各

16、自輸入音樂信號的大小分八個等級。輸入信號最大時，彩燈最亮。當(dāng)輸入音樂信號的幅度小于10mV時，要求彩燈全亮。 （1）高頻段 2000Hz一4000Hz 控制藍燈 （2）中頻段 500Hz一1200Hz 控制綠燈 （3）低頻段 50Hz一250Hz 控制紅燈 （4）電源電壓交流220V，輸入音樂信號10mV。1.2 要求完成的任務(wù) （1）計算參數(shù)，安裝、調(diào)試電路。 （2）畫出總電路圖，寫出設(shè)計總結(jié)報告。2 設(shè)計任務(wù)分析圖1是一個雙向可控硅控制燈泡亮度電路，圖2為控制波形圖。如果輸入交流220V正弦波電壓過零點時在雙向可控硅的控制極和陰極之間連續(xù)加入幅度大于3V，寬度大于1ms的同步觸發(fā)脈沖，可控

17、硅就可連續(xù)導(dǎo)通，忽略可控硅導(dǎo)通壓降，正弦波電壓將全部加到燈泡上，燈泡最亮。如果觸發(fā)脈沖消失，可控硅就會在輸入正弦波電壓下一個過零點時自然截止，燈泡熄滅?？梢栽O(shè)想，把同步觸發(fā)脈沖每八個分為一組，利用音樂信號的大小控制每組脈沖出現(xiàn)的個數(shù)，就可以控制加在燈泡正弦波半波的個數(shù)，從而也就控制了燈泡的亮度。把音樂信號分成三個頻率段可用帶通濾波器去實現(xiàn)。組成帶通濾波器電路的形式很多，其中最簡單的并且上、下限截止頻率分別可調(diào)的是由低、高通濾波電路串聯(lián)而成的帶通濾波器。這種電路的缺點是所用元件較多，優(yōu)點是調(diào)整方便，很容易實現(xiàn)指標(biāo)要求。圖1 雙向可控硅控制燈泡亮度電路圖2 控制波形圖通過帶通濾波器選出所需要的頻率

18、段的音樂信號，經(jīng)過精密整流器變?yōu)橹绷?，其直流電平隨音樂信號大小而上下浮動。此電平作為參考電壓加在電壓比較器的一個輸入端，由同步觸發(fā)脈沖作為計數(shù)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，輸出階梯波作為比較電壓加在電壓比較器的另一個輸入端，使電壓比較器的輸出電壓高電平的時間與參考電壓成正比，并控制與門打開時間，以決定放過同步脈沖的個數(shù)去觸發(fā)可控硅，從而控制燈泡的亮度。3 系統(tǒng)設(shè)計方案圖3 音樂彩燈控制器方框圖由上述分析可知，音樂彩燈控制器大致由下面幾個部分組成：同步脈沖發(fā)生器，階梯波發(fā)生器，帶通濾波器和放大器，精密整流器，電壓比較器，與門和雙向可控硅執(zhí)行機構(gòu)等組成。方框圖如圖132所示。4 單元電路分析與設(shè)計從圖3方框圖

19、可以看出，除三個頻率通道濾波器外，其他部分都相同。下面就一個頻率通道電路，簡述它們的電路組成工作原理和設(shè)計方法。4.1 同步脈沖發(fā)生器和階梯波發(fā)生器的工作原理和設(shè)計同步脈沖和階梯波產(chǎn)生電路如圖4所示。變壓器副邊輸出交流10V電壓經(jīng)D1D4二極管組成的全波整流電路和濾波電容C1、C2，得到±12V直流電壓，作為各運算放大器的電源。+12V經(jīng)集成穩(wěn)壓電路W7805穩(wěn)壓后得到十5V電壓，供電乎轉(zhuǎn)移電路和各TTL數(shù)字集成電路使用。圖4 同步脈沖和階梯波產(chǎn)生電路D5是隔離二極管。C1輸出電壓的平均值為十l 2V，當(dāng)uA全波整流電壓低于12V時，D5因反偏而截止，當(dāng)uA電壓波形高于12V時，D5

20、導(dǎo)通被限幅，所以uA電壓波形是被削頂?shù)慕迫ㄕ鞑ㄐ?。uA、uB 、uC、uD、uE各點電壓波形如圖5所示。A1、R3、R4組成滯回電壓比較器。二極管D6的正向?qū)妷篣R作為比較器的參考電壓，R5是D6的限流電阻。由電路參數(shù)可算出比較器的閾值電壓UTH。設(shè)D6導(dǎo)通電壓UR=0.7V，運算放大器的正，負(fù)飽和輸出電壓Uc=±10V,則有 公式1Uc=±10v代入上式可得公式2圖5 uA uB uC uD uE電壓波形圖可見閾值電壓UTH 只與R3和R4的比值有關(guān)。因為比較器的輸入電壓uB由全波整流電壓經(jīng)分壓電阻得到，其值都為正值，為保證比較器可靠翻轉(zhuǎn)，所以必須滿足UTH0這

21、個條件，由此得到 公式 3如設(shè)定R3和R4的比值和其中一個電阻值，另外一個電阻值很容易算出，并得到 公式 4公式 5代入已設(shè)定的R3R4的值，UTH1和UTH2即可算出為使可控硅可靠觸發(fā)，同步觸發(fā)脈沖寬度不應(yīng)小于1ms。由圖134可知脈沖寬度TW=t1+t2，按照正弦波變化規(guī)律，可以列出UTH1和UTH2的表達式，其中，Um為變壓器副邊輸出正弦波峰值電壓。如設(shè)定R1和R2的比值并把已算出的UTH1和UTH2代入以上二式，可算出t1和t2，如發(fā)現(xiàn)TW=t1+t2小于1ms，重新設(shè)定R1和R 2的比值再計算直至TW1ms為止。公式 6公式 7圖133中CC40163四位二進制計數(shù)器和運算放大器A2

22、組成了階梯波發(fā)生器。用反饋歸零法使CC40163構(gòu)成八進制計數(shù)器。R7、R8、R9、R10為權(quán)電阻，如使R78R11,R8=4R11，R9=2R11,R10=R11，就可以使A2的輸出uF為八個臺階的階梯波電壓，如設(shè)計數(shù)器Q端輸出高電平為5V，低電平為0V，那么每個臺階的高度為580625V，為了減輕CC40163的負(fù)載R11的選擇不應(yīng)小于l0k。因為計數(shù)器用同步觸發(fā)脈沖作計數(shù)脈沖，所以每個臺階的寬度為l0ms。4.2 帶通濾波器的工作原理和設(shè)計圖6 音樂通道電路原理圖音樂通道電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。A3和A4分別為低通和高通濾波器。只要這兩種濾波器相串聯(lián)并且使通頻帶相重疊，就可組成帶通濾波器，其

23、上限截止頻率取決于低通濾波,其下限截止頻率取決于高通濾波器。如果選R12R13、C7C8、R16R17、C9C10，其上、下限截止頻率分別由下式?jīng)Q定公式 8fH和fL是技術(shù)指標(biāo)給定的已知量，如設(shè)定C7和C9的值，運用上兩式可以很方便地求出R12和R16的值。為了避免自激振蕩，R14R15和R18Rl9，的比值應(yīng)小于2。 43 精密整流器的工作原理和設(shè)計在圖6中，A5、A 6組成半波精密整流電路。D8、D9為整流二極管。當(dāng)A5的同相輸入端輸入信號為正半波時，D8導(dǎo)通并通過R20形成強的負(fù)反饋，A5工作在電壓跟隨狀態(tài)，其輸出為正。A 6的同相輸入端通過R22接地，D9因反偏而截止，A6同樣工作在電

24、壓跟隨狀態(tài)，其輸出為零。當(dāng)A5的同相輸入端輸入負(fù)半波時，D8截止，D9導(dǎo)通，并通過R21與A6串聯(lián)組成兩級電壓跟隨器使A6輸出為負(fù)半波波形，由于運用了理想運放輸入端虛斷、虛短和開環(huán)電壓放大倍數(shù)無窮大的概念，使整流輸出電壓克服了二極管死區(qū)電壓的影響，即使輸入電壓的幅度小于07V，只要大于0V，該整流器也可以進行精密整流。音樂信號被整流后，就會在RW上形成與音樂信號的幅度成正比的負(fù)的直流電壓。C11是濾波電容，以減小輸出波形的脈動。D8、D9以選用管壓降小的鍺管為宜。R20和R21的作用主要是在輸入正半波時，限制通過D8流入A6輸出端的電流，因此R20和R21的電阻值應(yīng)選在l0k以上。C11和R2

25、2起平滑作用以減小輸出波形的脈動，但還必須保證輸出電壓能跟隨輸入音樂信號的變化，所以C11和R22的乘積不能太大。它們的數(shù)值可以在調(diào)試中確定。 44 電壓比較器和同步脈沖控制電路在圖6中，A7和T2組成電壓比較器和同步觸發(fā)脈沖控制電路。由A6輸出反映音樂信號大小的負(fù)直流電壓的變化要比階梯波的變化緩慢，因此可把uG看成比較器的參考電壓。階梯波uF作為被比較電壓，當(dāng)|uF|uG|時，A7輸出低電平，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uH去觸發(fā)可控硅。當(dāng)階梯波的變化為|uF|>|uG|時，A7輸出高電平，T2截止，其集電極輸出為低電平，與門

26、被封鎖，同步觸發(fā)脈沖通不過，可控硅截止。圖7 uH uO uT uG uF電壓波形圖由此可見，|uG|的大小決定了A 7輸出低電平的時間，同時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。uF、uG、u T、uH的波形對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。R23和R26分別為T2和T3的基極偏流電阻和A7和與門輸出端的限流電阻，它們的阻值選擇關(guān)系到電路能否正常工作。R25在T2截止時是與門的接地電阻，要保證相應(yīng)的與門的輸入端為低電平，R25應(yīng)小于與門的開門電阻RON。45 10mV音樂信號鑒別器的原理與設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求，輸入音樂信號小于10mV時。彩燈全亮。當(dāng)輸入音樂信號大于10mV時彩燈亮度隨輸入音樂信號的

27、大小分為八個等級。為實現(xiàn)此項要求，電路中必須設(shè)有10mV音樂信號鑒別電路，如圖137所示。在圖8中，A8為電壓放大器，A9是電壓比較器。音樂信號通過耦合電容經(jīng)A8放大后由R31和D10進行半波整流。當(dāng)整流輸出負(fù)電壓的值高于A9反相輸入端閉值電壓0.7V時，A9輸出uL為高電平，此時T4飽和導(dǎo)通，并通過R28給T 2提供偏流，T2也飽和導(dǎo)通，其集電極輸出高電平，與門打開，同步觸發(fā)脈沖連續(xù)通過與門，彩燈全亮。當(dāng)輸入信號高于10mV時，uL為低電平，T4截止,A7輸出低電乎的時間受音樂信號強弱的控制，使彩燈的亮度隨輸入音樂信號的大小而變化。由以上分析可知，合理選擇R30和R29的比值，是設(shè)計10mV

28、鑒別電路的關(guān)鍵。A9的閾值電壓為0.7V，要使輸入音樂信號在10mV以上時A9翻轉(zhuǎn)輸出uL為低電平，A8的電壓放大倍數(shù)必須大于70。圖8 10mv音樂信號鑒別電路原理圖5 系統(tǒng)原理電路假設(shè)電路選擇的是中頻段，利用PROTEL軟件繪制的原理電路如下圖所示，在同步脈沖和階梯波產(chǎn)生電路的設(shè)計中,沒有使用模塊電路中的電源電路,因為在PROTEL軟件中有備用的±12V和±5V的直流電源。如圖所示，系統(tǒng)原理電路由同步脈沖發(fā)生器、階梯波發(fā)生器、帶通濾波器和放大器、精密整流器、電壓比較器、與門和雙向可控硅執(zhí)行機構(gòu)等組成。圖9 系統(tǒng)原理電路圖6 心得與體會通過這次的課程設(shè)計使我有了一個實踐的

29、機會，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。再次通過這次的課程設(shè)計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，因為在這次課程設(shè)計過程中給了我相當(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。參 考 文 獻1 楊自厚.自動控制原理M.北京:冶金工業(yè)出版社,1998.2 黃繼昌. 檢測專用集成電路及其應(yīng)用M. 北京：人民郵電出版社，2006-10.3 徐鳳霞，趙成安AT89C51單片機溫度控制系統(tǒng)J齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2004-03，20（1):64-66 4 王錦標(biāo),方崇智. 過程計算機控制M.北京：清華大學(xué)出版社，1997.5 邵惠鶴. 工控制原理M.北京：國防工業(yè)出版