一、設計方案簡介

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。是一種將聽信號轉換為視信號的裝置，用來調節聽眾欣賞音樂時的情緒和氣氛。

2、系統結構要求

設計一音樂彩燈控制器．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。當輸入信號的幅度小于10mV時，要求彩燈全亮。

3、測試指標

（1）、高頻段2000～4000Hz，控制藍燈。

（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、設計條件及主要參數表

1、設計框圖及電路系統概述

圖2.1 各頻段音樂彩燈控制器的電路框圖

電路系統概述：

（1）、聲音信號要分為三個頻段，所以第一步要通過濾波器進行濾波，將音頻信號按要求分為三個頻段。

（2）、經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，所以在進入比較器前先進行整流。

（3）、同步脈沖通過簡易的數模轉換產生階梯波，放大后的信號與其比較產生高低電平，再和同步脈沖相與產生個數不同的脈沖去觸發三極管，由觸發脈沖的個數決定彩燈的亮度。

（4）、如果音樂信號小于10mV，用比較器產生高電平使或門的輸出總為高電平，產生的高電平與1HZ的脈沖信號進行與，從而使燈亮暗閃爍。

2、實驗電路結構與分塊電路原理

由本實驗設計要求可將試驗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毫伏比較擴展部分

三、設計主要參數計算

1、電源部分

在Multisim當中電源部分有提供適合芯片使用個直流穩壓電源，So不用刻意去設計穩壓電源，直接采用軟件中5V，12V的電源即可。

若需要設計電源則變壓器變壓，再經過全波整流電路和濾波電容得+12V和-12V直流電壓作為運算放大器的電源。+12V經過W7805穩壓后得到+5V的電壓，供TTL數字集成電路使用。

2、語音信號的輸入部分

本實驗中，音樂信號的輸入由MP3音樂信號實現，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：

本實驗中音樂信號的輸入由小話筒實現,外界的音樂信號通過麥克將聲音信號轉換成為一定的電信號以驅動后面電路隨音樂進行變化。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,為了驅動后面的電路,必須將輸入信號放大后再經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,故本實驗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）

濾波部分是本實驗的重點和難點,選頻的結果將直接影響彩燈的最終顯示效果，但參數的設計也是本實驗的難點所在，理想狀態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現.滿足設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,切比雪夫濾波器,壓控電壓源濾波器,無限增益濾波器等多種，本實驗對此依依分析，仿真和搭接，并通過實際所得狀態圖進行合理恰當的選擇。

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 設計參數:

方案三

高頻段與中頻段的實驗效果與低頻段相似,均較為理想.            

改進:由于只需要對音頻信號分為三個頻段,而帶通濾波器對設計電路的要求較高,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.這樣使相同階數下濾波器的效果更加理想而不降低項目要求.由此得出以下方案.

采用有源帶通濾波電路來實現。如下圖所示，該帶通濾波電路由低通與高通濾波器級聯得到。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值即可實現要求的帶通頻率。

圖3.4 帶通濾波器電路

該方法的優點是：用該濾波方法構成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調整，因此多用作測量信號噪聲比的音頻帶通濾波器，但該實驗的帶通都較窄。

高低頻率的參數計算公式：

二階有源濾波器的低通濾波：

高通濾波：

表3.2 計算后得具體數值為：

方案四：

查閱相關資料得知，帶通濾波器的帶寬越窄，選擇性越好，也就是電路的品質因數Q越高。

其中Q=fo\BW ； Fo= ；BW=Fh—Fl 。

鑒于此，改用下述帶通濾波，以實現窄而穩定的通頻帶，符合實驗要求。

圖3.5 帶通濾波器電路

這種電路的優點在于改變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:

根據項目要求，考慮到高階濾波對非選通頻率的衰減大，我們設計了四階的帶通濾波器參數。

表3.3 具體參數如下所示：

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，穩定度高，但價錢較高，對于該實驗而言，需要三片芯片，會造成成本太高，不適宜產品的普及。方案二至方案四各有優缺點，經過在面包板上模擬，發現對于高中頻段，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，故采用低通濾波實現上限截頻。

根據項目要求，考慮到高階濾波對非選通頻率的衰減大，我們設計了四階的帶通濾波器。

表3.4 四階帶通濾波器參數表

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計

由于只有直流信號才可比較，因而信號在進入比較器之前需進行整流，將交流音樂信號轉為直流信號進行比較。經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得到。其中D1，D2，R構成A3的反饋網絡，2R作為級間反饋。R1，R2作為運放同相輸入端的平衡電阻。

當Vi為負值時，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通。（由于集成運放的開環電壓放大倍數很高，即使Vi的輸入值很小，也可產生很大的Uo1使D1導通）。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2R加在A4的反向輸入端，經A4反向放大輸出，從而得到正向電壓Uo。

當Ui為正值時，A3反向輸出，Uo1為負值。此時，D1反向偏置截止，D2受正向壓降作用導通，Uo2為負值。從而Uo3為負值，經A4反向放大輸出，得到正向電壓Uo。

利用集成運放虛地、虛斷、虛短的特性，不難得出輸出電壓Uo與輸入Ui在數值上呈線性比例關系，即整流器輸出全波成比例正的直流信號。

我們知道，利用半導體二極管的單向導電性，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，還會產生非線性誤差。但利用該集成運放電路可有效地克服這兩方面的缺點。因而在整流器的選取上，采用該精密全波整流器，可以更好的進行后繼工作。

于是我們進行了仿真，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現幅度控制

設計要求根據音樂信號的大小控制彩燈的亮度。因而想到用一階梯波發生器產生8個階梯，作為參考電壓與音樂信號進行比較，從而決定了比較器輸出的高電平的個數，最終由平均電壓大小來控制燈的亮度。每次不同的個數，將燈的亮度分為8個程度，滿足設計要求。

（1）方案一：

圖3.11 階梯波電路及其產生波形（1）

方案二：

圖3.12 階梯波電路及其產生波形（2）

產生的波形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生器產生的波形失真比較嚴重，而且產生負電壓。方案二是由簡易的數模轉換器產生的階梯波，波形比較規整，但產生的最高電平是+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。

實驗后，最終選用方案二。但經過實驗，發現權電阻產生的階梯波經運放后幅值為負值，考慮到后續需要，舍棄運放。

表3.5 具體數據為：

產生的階梯波幅值分8個狀態，分別為：5V，4.26V，3.55V，2.84V，2.13V，1.42V，0.71V，0.00V。

（2）555晶振產生的同步脈沖

該同步脈沖由555晶振電路產生。具體電路為：

3.14 555晶體震蕩電路波形圖

表3.6 具體參數為：

圖3.15 階梯波發生器仿真圖

圖3.16 同步脈沖發生器仿真圖

7、輸出顯示部分：

根據設計要求，不同幅值的音樂信號對應著彩燈的不同亮度�？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集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1）失調電壓小，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類似于增益不可調的運算放大器。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），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，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。因為當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構成電壓跟隨器，從而實現對整流后的直流電壓進行電流放大，更為重要的是利用電壓跟隨電

路的帶負載能力強的特點，增強了電路的帶載能力。

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飽和導通，其集電極輸出為高電平，與門打開，同步觸發脈沖Ue通過與門，由射極跟隨器輸出,去觸發三極管。當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，同步觸發脈沖通不過，三極管截止。

8、發揮部分

當音樂信號小于10毫伏時，所有的彩燈亮暗閃爍。

根據該設計要求，可想到當音樂信號小于10毫伏時，可通過另外一通路產生周期高電平。將該高電平與前幾路信號相或，則可使得三極管周期性導通，進而控制彩燈亮暗閃爍。

具體而言，音樂信號經放大后與一恒定電壓進行比較，從而得到高電平。該高電平在與低頻信號進行與，得到周期性的高電平，最終實現功能。經過實驗發現，當信號頻率小于20HZ即可大致辨別出燈的閃爍，為使效果明顯，采用555產生1HZ的信號。恒定電壓由二極管導通時的壓降為0.7V產生，故要求電壓放大70倍。將輸入信號放大70倍后與0.7V電壓進行比較,如果輸入信號小于10mV，則經放大70倍后，信號小于0.7V，輸出為高電平，反之若信號大于10mV ,經放大后大于0.7V，輸出為低電平，使發光二極管導通發光并亮暗閃爍。

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脈沖的個數及彩燈的亮度。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，要保證相應的與門輸入端為低電平，R6應小于與門的開門電阻RoN.

四、設計結果

1、原理圖繪制

經多次實驗和修改，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 同步脈沖發生器仿真圖和階梯波發生器電路圖

2、仿真結果

根據原理圖用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藍燈亮。

圖4.6 輸入3200Hz藍燈亮

五、設計評述

通過這次的設計使我有了一個實踐的機會，把我所學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，導致在導出PCB 板的時候出現很多錯誤，在老師和同學的耐心幫助下終于完成了電路圖得繪制。

再次通過這次的設計使自己對自己更加有信心，對以后的工作學習都有一定的積極得影響。在這里我要感謝我的指導老師們，因為在這次設計過程中給了我相當大的幫助。相信在以后的學習過程中，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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