音乐彩灯控制器.doc

电子综合应用实践

目 录

一、设计方案简介 ………………………………… 02
设计内容、设计要求、软件学习、实验原理图、电力系统概述、
试验结构分块
二、设计条件及主要参数表 ……………………… 05
电源电路、语音信号的输入、放大部分、滤波选频部分、整流器的工作原理与设计、阶梯波与同步脉冲实现幅度控制、输出显示部分
三、设计主要参数计算 …………………………… 13
音乐彩灯控制器原理电路图
四、设计结果 ……………………………………… 14
仿真电路图及仿真结果
五、实验结果分析 ………………………………… 15
实验工作原理
六、设计评述 ……………………………………… 16
心得体会
七、参考文献 ……………………………………… 18

一、设计方案简介
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，从而使灯的变化规律与音频信号的规律及点评大小相对应，是一种将听信号转换为是信号的装置，用来调节听众欣赏音乐时候的气氛和情绪。
1、设计内容
设计一台音乐声响与彩灯灯光相互组合的彩灯控制电路。要求电路把输入的音乐信号分成高、中、低三个频段，并分别控制三种颜色的灯。每组彩灯的亮度随各自输入音乐信号大小分八个等级。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mie。
2、设计要求
   高频段2000~4000Hz,控制蓝灯；  中频段500~1200Hz,控制绿灯；低频段50~250Hz,控制红灯；电源电压交流220V，输入音乐信号≧10mV.。
3、PROTEL软件学习：
（1）首先建立一个专用文件夹，用以集中存放相关电路设计文件，便于管理；
（2）当直接双击“PROTEL99SE”图标后，进入第一层“Design Explorer”设计管理器窗口；
（3）在这个窗口中，可对设计数据库建立等操作，首先要建立一个新的设计数据库。点击File/New命令出现建立新的设计数据库路径对话框；
（4）建立设计数据库后，就要建立需要的各种电路设计文件。在进入一个设计数据库后，执行File/New命令后弹出新文档对话框，选择要增加文件类型后单击OK，新建电路设计文件及添加到了设计数据库中。
（5）文件的操作。在设计数据管理窗口中，在选择电路设计文件上单击右键后，弹出快捷菜单，可对其文件进行操作。
（6）当建立电路文件后可对其进行电路设计（编辑）工作，即双击电路原理图文件就进入了电路原理图编辑窗口；
（7）放置元件。在电路原理图编辑窗口放置电子元件。首先要装入需要的数据元件库，操作方法：单击设计数据管理窗口中的Browse Sch中的 Libraris命令进入元件库和元件管理器，然后单击 Add/Remove按钮，选择\Design Explorer 99SE\Library\Sch路径，再选择所用的元件库文件，单击Add按钮增加到元件库管理器，单击OK，就可以看到选择的元件库已装到元件库管理器窗口中。
（8）当元件管理器装入元件库后就可以放置元件，在元件浏览区中，用鼠标左键单击要放置的元件，然后单击元件浏览区中的Place按钮，鼠标上便附加了光标和浮动的被选中元件。把光标移动到要放置的位置后，单击左键，这个元件就放置好了。在放置元件的过程如要转动元件方向，按一次空格键元件就逆时针转90°。
（9）布线。选择所需要的连线工具将电路连接起来。
（10编辑元件的属性（元件名、封装、参数等），鼠标左键双击要编辑元件，就弹出选中元件属性设置对话窗口，根据需要对元件属性进行设置。
（11）电器规则检查，主要是检查元件之间的相互连接。单击菜单Tool/ERC,启动电气规则检查设置对话框窗口，单击OK按钮就开始进行检查。
（12）元件报告表的产生，点击菜单Report/Bill of Material，启动元件生成表，点击Next系统将生成元件报告表文件 。
（13）生成网络表。启动建立网络表菜单Design/Create Netlist后出现网络表设置对话框窗口，设置好后点击OK，即生成网络表格文件。
4、实验原理图

具体框图：
高频段通道
中频段通道
低频段通道
放大器
放大器
放大器
整流
整流
整流
耦合
驱动器
耦合
驱动器
耦合
驱动器
音乐信号
双向
晶闸管
蓝灯
双向
晶闸管
双向
晶闸管
绿灯
红灯

5、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较信号科比的信号。由于直流信号才可比较，所以在进入比较器前先进行整流。
（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较产生高低电平，在和同步脉冲相遇产生个数不同的脉冲触发三极管，有触发脉冲的个数决定彩灯的亮度。
（4）如果音乐信号小于10mV，用比较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，从而使灯亮暗闪烁。
6、实验电路结构及分块原理
由于本实验设计要求可将实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
⑤ 幅度控制部分
⑥ 输出显示部分
⑦ 10mV比较扩展部分
二、设计条件及主要参数表
下面分别从以上几个分块电路说明该彩灯控制器的设计原理与过程。
1、电源电路
由于实验给出电源为220V交流电，而实验所需芯片的工作电压大致在5-12V，故需要首先设计一个电压转换部分，将220V的交流电转换成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：

变压器变压，在经过全波整流电路和滤波电容的+12V和-12V直流电压作为运算放大器的电源。+12经过W7805（稳压管）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，考虑到外界因素的干扰，同时为了使频率和幅度都能达到理想的要求，我们采用MP3音乐信号直接输入的方法。
3、放大部分
由于音乐信号的幅度十分有限，仅为十几毫伏，为了驱动后面的电路，必将输入信号放大后再经过选频等一系列处理。
放大电路可以采用很多的形式，由于无特殊要求，故本实验只选用普通的反相放大器即可。
4、滤波选频部分
滤波部分是本实验的重点，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。满足设定频率的信号部分可以通过滤波器控制后面的信号，不满足的部分则被滤波，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。本实验采用的是低通滤波器，通过带通滤波器选择出低频段信号，如图：
低频滤波器选择出低频段信号

输入信号为10Hz的幅度

输入信号为250Hz的幅度

实际搭接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。
中低频段和高频段的电路：

中频段：500——1.2KHZ
高频段：2000——4000HZ
频段
R1=R2
R5=R6
R3=R7
R4=R8
C3=C4
C1=C2
高频
8K
40
10K
10K
1uF
0.01uF
中频
32K
1.3K
15K
15K
0.1uF
0.01uF
输入模拟正弦波时，输出波形基本不是真，但由于阶数较低，过渡带比较宽，阻带衰减比较缓慢，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可以降低一些，因此该滤波器基本实现要求的功能。
5、整流器的工作原理与设计
由于只有直流信号才可比较，因而信号在进入比较器之前需进行整流，将交流音乐信号转为直流信号进行比较。由于考虑到实验的复杂度及效果影响，本实验我们采用了全波桥式整流来实现。
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。因而想到用一节梯度发生器产生8个阶梯，作为参考电压与音乐信号进行比较，从而决定了比较器输出的高电平的个数，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，满足设计要求。

（1）阶梯波电路及其产生波形。电路图如下：

具体数据为：

R5
R6
R7
阻值
43K
22K
10K
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、071V、0V
（2）555晶振产生的同步脉冲
该同步脉冲由555晶振电路产生。具体电路为：
矩形波振荡周期TW的近似计算公式为
TW≈ tH + tL≈0.7(R1+2R2)C
矩形波振荡频率f的近似计算公式为

R1
R2
C
1Hz
470ohm
1.6k
1uF
400Hz
10k
82k
10uF
7、输出显示部分
根据设计要求，不同幅值的音乐信号对应着彩灯的不通亮度。可通过音乐信号与阶梯波的比较去控制。
本实验，我们利用集成运放和三极管组成电压比较器和同步脉冲控制电路，电路图如下：

三、设计主要参数计算
音乐彩灯控制器原理电路图

四、设计结果
仿真电路图及仿真结果；

仿真电路图
该图是利用Multisim软件设计的电路原理图。

仿真结果
五、实验结果分析
当输入信号大于10毫伏时，蓝绿红三路灯分别受三路滤波器的控制而发亮，当输入信号频率在2000—4000Hz时，高频滤波器被选通，相应蓝灯点亮；同理，当输入信号频率在500—1200Hz时，中频滤波器被选通，相应绿灯被点亮；而当输入信号频率在50—250Hz之间时，红灯被点亮，于是实现了彩灯随着信号频率的变化而变化。该部分主要受滤波器的控制，因而对滤波器的精度要求比较高。较好的滤波器可以更精确的实现彩灯的控制。音乐信号通过滤波器后，进行幅度选择，音乐信号按幅度大小分为八个亮度段，当输入音乐声音大时，电信号幅度也会相应增大，灯的亮度也增加；反之，当输入音乐信号声音较小时，电信号幅度也相应减小，灯的亮度减小。

六、设计评述
在实践中掌握理论
———记课程设计心得体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在短短的两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次数电课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做数电课程设计，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在指导老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我学得到很多实用的知识。总体来说,这次实习我受益匪浅.在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,特别有趣,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐. 这次课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，数字电路这门课程在科学发展中的至关重要性2，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。3，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，比如电路设计中的选频器的设计，开始并不理解选频器的原理，但是和其他的同学讨论后，理解了选频器的基本原理后，很快的设计了电路原理图。
通过本次学习和上机实践，我们初步掌握了相关软件的使用，学会了软件中的一些基本操作和利用电路设计软件设计一些简单的电路；同时，我们还通过查阅相关资料、请教指导老师和小组讨论等方式，对设计电路进行性能考证。最后，利用Protel软件和Multisim软件将设计好的电路图在计算机上画出来，并对其进行仿真，得到仿真正确结果。此次课程设计让我们学到了很多在书本上所没有学到过的内容，上机操作能力也得到了提高，把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，真正学到了知识；
在这次课程设计中，我们充分发挥了团队合作精神。我们坚信，在这样一个飞速发展的时代，没有优秀的个人，只有优秀的团队。同时，在设计中我们也遇到了很多困难，我们清楚的看到了我们的不足，但我们有信心，在以后的课程学习中，努力提升自我，不断完善自我，为迎接新一天的阳光而不断奋斗！

七、参考文献
1、王文秀,龙井院.电子元器件.北京：人民邮电出版社,1985.5
2、李振声,勒希敏.实验电子技术.北京：国防工业出版社,2001
3、席志红.电子技术.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2004.2
4、张常年.综合电子设计与实践.北京：清华大学出版社,2005.2
5、毕满清.电子技术实验与课程设计.北京:机械工业出版社，2005
6、阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998
7、孙余凯.精选实用电子电路260例.北京:电子工业出版社，2007.2
8、网上资料

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中北大学 信息与通信工程学院