找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 16606|回复: 13
收起左侧

音乐彩灯控制器设计说明书

  [复制链接]
ID:323480 发表于 2018-5-6 15:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

一、设计方案简介

1、整体功能要求

音乐彩灯控制器是用音乐信号控制多组颜色的灯泡,利用其亮度变化反映音乐信号。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的情绪和气氛。


2、系统结构要求

设计一音乐彩灯控制器.要求电路把输入的音乐信号分为高、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。


3、测试指标

(1)、高频段2000~4000Hz,控制蓝灯。

(2)、中频段500~1200Hz,控制绿灯。

(3)、低频段50~250Hz,控制红灯。

(4)、电源电压交流220V,输入音乐信号≥10mV。


设计条件及主要参数表

1、设计框图及电路系统概述

图2.1 各频段音乐彩灯控制器的电路框图

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较信号可比的信号。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,再和同步脉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)、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。

2、实验电路结构与分块电路原理

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

(7)、10毫伏比较扩展部分


设计主要参数计算

1、电源部分

在Multisim当中电源部分有提供适合芯片使用个直流稳压电源,So不用刻意去设计稳压电源,直接采用软件中5V,12V的电源即可。

若需要设计电源则变压器变压,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。为了将比较微小的语音信号体现得比较清楚,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。

方案比较:由于考虑到麦克干扰比较大,效果不是特别理想,频率和幅度都不能达到理想的要求,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十分有限,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。

放大电路可以采用很多的形式,比如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.具体电路如图所示:(以放大26倍为例)


图3.1 放大器仿真图


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.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。

方案一

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:

图3.2 低频段窄带低通电路


图3.3 通带与阻带的幅度对比


滤波效果较为理想,过渡带较窄,阻带衰耗较大,基本满足选频要求。





表3.1 设计参数:

频段

R1

C1

R2

C2

32K

0.1U

6.4K

0.047U

32K

0.1U

2.8K

0.1U

8.2K

0.01U

8.2K

0.047U


方案三

高频段与中频段的实验效果与低频段相似,均较为理想.            

改进: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.这样使相同阶数下滤波器的效果更加理想而不降低项目要求.由此得出以下方案.

采用有源带通滤波电路来实现。如下图所示,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。选取合适的RC值即可实现要求的带通频率。

图3.4 带通滤波器电路

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,因此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。

高低频率的参数计算公式:

二阶有源滤波器的低通滤波:

      

   

高通滤波:

      

      

表3.2 计算后得具体数值为:

频段

R1=R2

R5=R6

R3=R7

R4=R8

C3=C4

C1=C2

低频

60 K

300 K

10 K

15 K

0.01F

0.01F

中频

32K

6.4K

10K

15 K

0.1F

0.1F

高频

8k

40

10k

15k

1F

0.01F



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=fo\BW ; Fo= ;BW=Fh—Fl 。

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。

图3.5 带通滤波器电路

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:

根据项目要求,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。


表3.3 具体参数如下所示:


R1

R2

R3

C1

C2

50—250HZ

15K

22K

165K

0.01U

0.1U

500—1200HZ

15K

20K

30K

0.01U

0.01U

2000—4000HZ

1.8K

22K

8.1K

102J

0.01U

图3.6 四阶带通滤波器

方案比较

     方案一的集成度高,选择性好,稳定度高,但价钱较高,对于该实验而言,需要三片芯片,会造成成本太高,不适宜产品的普及。方案二至方案四各有优缺点,经过在面包板上模拟,发现对于高中频段,二阶有源滤波效果就可以满足要求;对于低频段,由于低频段较小,可以不做选择,故采用低通滤波实现上限截频。

根据项目要求,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。

表3.4 四阶带通滤波器参数表

频段

R1=R2

R5=R6

R3=R7

R4=R8

C3=C4

C1=C2

高频

8k

40

10k

10k

1F

0.01F

中频

32K

1.3K

15K

15K

0.1F

0.01F

低频

8.2k

39

10k

15k

0.01

1




以下是低通,中通,高通四阶滤波器的仿真图。

图3.7 低通滤波器仿真图


图3.8 中通滤波器仿真图



图3.9 高通滤波器仿真图


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。经过讨论决定采用精密整流器。

精密整流器

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的反馈网络,2R作为级间反馈。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,即使Vi的输入值很小,也可产生很大的Uo1使D1导通)。此时,D2,R形成的回路断开,Uo2近似为0,由A3形成的放大电压对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,从而得到正向电压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。从而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,可以组成整流电路,把交流变成直流。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,整流作用消失,即使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服这两方面的缺点。因而在整流器的选取上,采用该精密全波整流器,可以更好的进行后继工作。

于是我们进行了仿真,得到下图。

图3.10 精密整流器仿真图


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)方案一:

        

图3.11 阶梯波电路及其产生波形(1)

方案二:

图3.12 阶梯波电路及其产生波形(2)

产生的波形Ua,Ub,Uc,Ud,Ue,Uf如下图:





图3.13 阶梯波

方案比较方案一中的阶梯波发生器产生的波形失真比较严重,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,波形比较规整,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。在选择了合适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幅值为负值,考虑到后续需要,舍弃运放。

表3.5 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,0.71V,0.00V。

(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:

3.14 555晶体震荡电路波形图

表3.6 具体参数为:


R1

R2

C

1Hz

470ohm

1.6k

1F

400Hz

10k

82k

10F




图3.15 阶梯波发生器仿真图



图3.16 同步脉冲发生器仿真图



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同亮度。可通过音乐信号与阶梯波的比较去控制。具体而言:

电压比较电路:

方案一:

使用LM339或LM111四电压比较器。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是:1)失调电压小,典型值为2mV;2)电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V;3)对比较信号源的内阻限制较宽;4)共模范围很大,为0~(Ucc-1.5V)Vo;5)差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;6)输出端电位可灵活方便地选用。管脚图如下:

图3.17 LM339管脚图

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示,另一个称为反相输入端,用“-”表示。用作比较两个电压时,任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平,它可选择LM339输入共模范围的任何一点),另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时,输出管截止,相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管,在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻,选3-15K)。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时,它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。

下图给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin,即待比较电压,它加到同相输入端,在反相输入端接一个参考电压(门限电平)Ur。当输入电压Uin>Ur时,输出为高电平UOH。图1b为其传输特性。

图3.18 基本单线比较器及其传输特性图

方案二:

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。

具体电路为:

该图中,A8为电压比较器电路的主要部分。A7与R1、R2、C构成电压跟随器,从而实现对整流后的直流电压进行电流放大,更为重要的是利用电压跟随电


路的带负载能力强的特点,增强了电路的带载能力。

图3.19 电压比较器和同步脉冲控制电路

经过整流的音乐信号电压作为被比较电压,阶梯波信号作为参考电压。当音乐信号电压大于阶梯波信号电压Uf时,A8输出高电平,T2饱和导通,其集电极输出为高电平,与门打开,同步触发脉冲Ue通过与门,由射极跟随器输出,去触发三极管。当输入信号小于阶梯波信号电压Uf时,A8输出为低电平,T2截止,其集电极输出为低电平,与门被封锁,同步触发脉冲通不过,三极管截止。

8、发挥部分

当音乐信号小于10毫伏时,所有的彩灯亮暗闪烁。

根据该设计要求,可想到当音乐信号小于10毫伏时,可通过另外一通路产生周期高电平。将该高电平与前几路信号相或,则可使得三极管周期性导通,进而控制彩灯亮暗闪烁。

具体而言,音乐信号经放大后与一恒定电压进行比较,从而得到高电平。该高电平在与低频信号进行与,得到周期性的高电平,最终实现功能。经过实验发现,当信号频率小于20HZ即可大致辨别出灯的闪烁,为使效果明显,采用555产生1HZ的信号。恒定电压由二极管导通时的压降为0.7V产生,故要求电压放大70倍。将输入信号放大70倍后与0.7V电压进行比较,如果输入信号小于10mV,则经放大70倍后,信号小于0.7V,输出为高电平,反之若信号大于10mV ,经放大后大于0.7V,输出为低电平,使发光二极管导通发光并亮暗闪烁。

音乐信号电压值大于10mv时,其值的大小决定了输出低电平的时间,同时A8也决定了通过与门同步触发脉冲的个数及彩灯的亮度。R3、R4分别为T2、T1的基极偏置电阻。R7为与门输出端的限流电阻,它们的阻值选取关系到电路能否正常工作。R6为T2截止时,与门的接地电阻,要保证相应的与门输入端为低电平,R6应小于与门的开门电阻RoN.





四、设计结果

1、原理图绘制

经多次实验和修改,得到最终的确定方案。电路图如下:

图4.1 音乐彩灯控制器电路图

图4.2 同步脉冲发生器仿真图和阶梯波发生器电路图


2、仿真结果

根据原理图用Multisim仿真如下图:

图4.3 Multisim仿真电路图

最终做好电路后按照要求仿真结果如下

输入低频段50--250Hz红灯亮。

图4.4 输入200Hz红灯亮

     输入中频段500--1200Hz绿灯亮。

      

图4.5 输入800Hz绿灯亮

     输入高频段2000--4000Hz蓝灯亮。

  

图4.6 输入3200Hz蓝灯亮



五、设计评述

通过这次的设计使我有了一个实践的机会,把我所学得知识和身边日常生活连接在一起。使我的综合运用各科知识能力有所提高,分析问题,解决问题的思维方式有很大程度上的改变。懂得了设计的一般步骤,从资料得查找到资料的整理,再到资料的分析到从中取出自己想要的信息,等等都使自己的检索能力,分类整理能力都有大的提高。

在绘制系统原理电路图的过程中,由于自身知识的欠缺,不知道一些元器件的正确接法,导致在导出PCB 板的时候出现很多错误,在老师和同学的耐心帮助下终于完成了电路图得绘制。

再次通过这次的设计使自己对自己更加有信心,对以后的工作学习都有一定的积极得影响。在这里我要感谢我的指导老师们,因为在这次设计过程中给了我相当大的帮助。相信在以后的学习过程中,我会更加努力拓展自己得知识面,虚心的向老师请教以得到更好的锻炼和提高。


以上图文的Word格式文档下载(内容和本网页上的一模一样,方便保存):

xxxxxx音乐彩灯控制器.doc (1.62 MB, 下载次数: 134)

回复

使用道具 举报

ID:448039 发表于 2018-12-17 15:28 | 显示全部楼层
附件图片是高清嘛
回复

使用道具 举报

ID:281113 发表于 2020-1-9 20:05 | 显示全部楼层
不错不错!
回复

使用道具 举报

ID:253767 发表于 2020-1-15 07:22 | 显示全部楼层
谢谢分享!!!
回复

使用道具 举报

ID:561714 发表于 2020-6-12 13:24 | 显示全部楼层
请问截图看的清楚吗
回复

使用道具 举报

ID:944745 发表于 2021-6-25 20:15 | 显示全部楼层
这个图能不能清楚点
回复

使用道具 举报

ID:986986 发表于 2021-12-1 22:36 来自手机 | 显示全部楼层
图片还是看不清,浪费我20块钱,差评!!
回复

使用道具 举报

ID:986986 发表于 2021-12-1 22:42 来自手机 | 显示全部楼层
有些电阻和电容没有标参数,还有右下角也没标是什么芯片。
回复

使用道具 举报

ID:262 发表于 2021-12-2 06:24 | 显示全部楼层
h1658234167 发表于 2021-12-1 22:42
有些电阻和电容没有标参数,还有右下角也没标是什么芯片。

这个就是右下角就是这2个芯片
1.png
回复

使用道具 举报

ID:986986 发表于 2021-12-2 09:15 来自手机 | 显示全部楼层
heicad 发表于 2021-12-2 06:24
这个就是右下角就是这2个芯片

右下角的电容是多少?
回复

使用道具 举报

ID:986986 发表于 2021-12-2 09:37 来自手机 | 显示全部楼层
heicad 发表于 2021-12-2 06:24
这个就是右下角就是这2个芯片

为什么你的这么清晰,你能帮我看看这个电容吗
IMG_20211202_093349.png
回复

使用道具 举报

ID:941265 发表于 2021-12-3 10:33 | 显示全部楼层
51黑,有你更精彩
回复

使用道具 举报

ID:1066941 发表于 2023-11-1 11:40 | 显示全部楼层
有高清图嘛
回复

使用道具 举报

ID:1100002 发表于 2023-11-18 16:49 | 显示全部楼层
heicad 发表于 2021-12-2 06:24
这个就是右下角就是这2个芯片

您哪里弄来的高清图
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

手机版|小黑屋|51黑电子论坛 |51黑电子论坛6群 QQ 管理员QQ:125739409;技术交流QQ群281945664

Powered by 单片机教程网

快速回复 返回顶部 返回列表