音乐彩灯控制课程设计

1 前言················································5 1.1 技术指标········································5 1.2 要求完成的任务··································5 2 设计任务分析·······································5 3 系统设计方案·······································7 4 单元电路分析与设计·································7 4.1 同步脉冲发生器和阶梯波发生器的工作原理和设计······7

4.2 带通滤波器的工作原理和设计························10 4.3 精密整流器的工作原理和设计························11 4.4 电压比较器和同步脉冲控制电路······················11 4.5 10mV音乐信号鉴别器的原理与设计···················12

5 系统原理电路及印刷电路的绘制······················13 5.1 系统原理电路·····································13 5.2 印刷电路的绘制···································15 6 心得与体会········································15 参考文献············································16 附录················································17

1 引言

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，随着音乐节奏的起伏彩灯的亮度有节奏得变换来调节听众欣赏音乐时的情绪和气氛。 1.1 技术指标

要求电路把输入的音乐信号分为高、中、低三个频段，并分别控制三种颜色

的彩灯。每组彩灯的亮度随各自输入音乐信号的大小分八个等级。输入信号最大时，彩灯最亮。当输入音乐信号的幅度小于10mV时，要求彩灯全亮。 （1）高频段 2000Hz一4000Hz 控制蓝灯 （2）中频段 500Hz一1200Hz 控制绿灯 （3）低频段 50Hz一250Hz 控制红灯 （4）电源电压交流220V，输入音乐信号≥10mV。 1.2 要求完成的任务

（1）计算参数，安装、调试电路。

（2）画出总电路图，写出设计总结报告。

2 设计任务分析

图1是一个双向可控硅控制灯泡亮度电路，图2为控制波形图。如果输入交流220V正弦波电压过零点时在双向可控硅的控制极和阴极之间连续加入幅度大于3V，宽度大于1ms的同步触发脉冲，可控硅就可连续导通，忽略可控硅导通压降，正弦波电压将全部加到灯泡上，灯泡最亮。如果触发脉冲消失，可控硅就会在输入正弦波电压下一个过零点时自然截止，灯泡熄灭。可以设想，把同步触发脉冲每八个分为一组，利用音乐信号的大小控制每组脉冲出现的个数，就可以控制加在灯泡正弦波半波的个数，从而也就控制了灯泡的亮度。

把音乐信号分成三个频率段可用带通滤波器去实现。组成带通滤波器电路的形式很多，其中最简单的并且上、下限截止频率分别可调的是由低、高通滤波电路串联而成的带通滤波器。这种电路的缺点是所用元件较多，优点是调整方便，很容易实现指标要求。

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图1 双向可控硅控制灯泡亮度电路

图2 控制波形图

通过带通滤波器选出所需要的频率段的音乐信号，经过精密整流器变为直流，其直流电平随音乐信号大小而上下浮动。此电平作为参考电压加在电压比较器的一个输入端，由同步触发脉冲作为计数信号的数模转换器，输出阶梯波作为比较电压加在电压比较器的另一个输入端，使电压比较器的输出电压高电平的时间与参考电压成正比，并控制与门打开时间，以决定放过同步脉冲的个数去触发

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可控硅，从而控制灯泡的亮度。

3 系统设计方案

图3 音乐彩灯控制器方框图

由上述分析可知，音乐彩灯控制器大致由下面几个部分组成：①同步脉冲发生器，⑧阶梯波发生器，②带通滤波器和放大器，④精密整流器，⑤电压比较器，⑧与门和双向可控硅执行机构等组成。方框图如图1．3—2所示。

4 单元电路分析与设计

从图3方框图可以看出，除三个频率通道滤波器外，其他部分都相同。下面就一个频率通道电路，简述它们的电路组成工作原理和设计方法。 4.1 同步脉冲发生器和阶梯波发生器的工作原理和设计

同步脉冲和阶梯波产生电路如图4所示。变压器副边输出交流10V电压经D1—D4二极管组成的全波整流电路和滤波电容C1、C2，得到±12V直流电压，作为各运算放大器的电源。+12V经集成稳压电路W7805稳压后得到十5V电压，供电乎转移电路和各TTL数字集成电路使用。

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图4 同步脉冲和阶梯波产生电路

D5是隔离二极管。C1输出电压的平均值为十l 2V，当uA全波整流电压低于12V时，D5因反偏而截止，当uA电压波形高于12V时，D5导通被限幅，所以uA电压波形是被削顶的近似全波整流波形。uA、uB 、uC、uD、uE各点电压波形如图5所示。

A1、R3、R4组成滞回电压比较器。二极管D6的正向导通电压UR作为比较器的参考电压，R5是D6的限流电阻。由电路参数可算出比较器的阈值电压UTH。

设D6导通电压UR=0.7V，运算放大器的正，负饱和输出电压Uc=±10V,则有

公式1

Uc=±10v代入上式可得

公式2

5

图5 uA uB uC uD uE电压波形图

可见阈值电压UTH 只与R3和R4的比值有关。因为比较器的输入电压uB由全波整流电压经分压电阻得到，其值都为正值，为保证比较器可靠翻转，所以必须满足UTH＞0这个条件，由此得到

公式 3

如设定R3和R4的比值和其中一个电阻值，另外一个电阻值很容易算出，并得到

公式 4

公式 5

代入已设定的R3／R4的值，UTH1和UTH2即可算出

为使可控硅可靠触发，同步触发脉冲宽度不应小于1ms。由图1．3—4可知脉冲宽度TW=△t1+△t2，按照正弦波变化规律，可以列出UTH1和UTH2的表达式，其中，Um为变压器副边输出正弦波峰值电压。如设定R1和R2的比值并把已算出的

6

UTH1和UTH2代入以上二式，可算出△t1和△t2，如发现TW=△t1+△t2小于1ms，重新设定R1和R 2的比值再计算直至TW＞1ms为止。

公式 6

公式 7

图1．3—3中CC40163四位二进制计数器和运算放大器A2组成了阶梯波发生器。用反馈归零法使CC40163构成八进制计数器。R7、R8、R9、R10为权电阻，如使R7＝8R11,R8=4R11，R9=2R11,R10=R11，就可以使A2的输出uF为八个台阶的阶梯波电压，如设计数器Q端输出高电平为5V，低电平为0V，那么每个台阶的高度为5／8＝0．625V，为了减轻CC40163的负载R11的选择不应小于l0k。因为计数器用同步触发脉冲作计数脉冲，所以每个台阶的宽度为l0ms。 4.2 带通滤波器的工作原理和设计

图6 音乐通道电路原理图

音乐通道电路结构如图6所示。A3和A4分别为低通和高通滤波器。只要这两种滤波器相串联并且使通频带相重叠，就可组成带通滤波器，其上限截止频率取

7

决于低通滤波,其下限截止频率取决于高通滤波器。

如果选R12＝R13、C7＝C8、R16＝R17、C9＝C10，其上、下限截止频率分别由下式决定

公式 8

fH和fL是技术指标给定的已知量，如设定C7和C9的值，运用上两式可以很方便地求出R12和R16的值。

为了避免自激振荡，R14／R15和R18／Rl9，的比值应小于2。

4．3 精密整流器的工作原理和设计

在图6中，A5、A 6组成半波精密整流电路。D8、D9为整流二极管。当A5的同相输入端输入信号为正半波时，D8导通并通过R20形成强的负反馈，A5工作在电压跟随状态，其输出为正。A 6的同相输入端通过R22接地，D9因反偏而截止，A6同样工作在电压跟随状态，其输出为零。当A5的同相输入端输入负半波时，D8截止，D9导通，并通过R21与A6串联组成两级电压跟随器使A6输出为负半波波形，由于运用了理想运放输入端虚断、虚短和开环电压放大倍数无穷大的概念，使整流输出电压克服了二极管死区电压的影响，即使输入电压的幅度小于0．7V，只要大于0V，该整流器也可以进行精密整流。音乐信号被整流后，就会在RW上形成与音乐信号的幅度成正比的负的直流电压。C11是滤波电容，以减小输出波形的脉动。

D8、D9以选用管压降小的锗管为宜。R20和R21的作用主要是在输入正半波时，通过D8流入A6输出端的电流，因此R20和R21的电阻值应选在l0k以上。

C11和R22起平滑作用以减小输出波形的脉动，但还必须保证输出电压能跟随输入音乐信号的变化，所以C11和R22的乘积不能太大。它们的数值可以在调试中确定。

4．4 电压比较器和同步脉冲控制电路

在图6中，A7和T2组成电压比较器和同步触发脉冲控制电路。由A6输出反映音乐信号大小的负直流电压的变化要比阶梯波的变化缓慢，因此可把uG看成比较

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器的参考电压。阶梯波uF作为被比较电压，当|uF|＜|uG|时，A7输出低电平，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uH去触发可控硅。当阶梯波的变化为|uF|>|uG|时，A7输出高电平，T2截止，其集电极输出为低电平，与门，同步触发脉冲通不过，可控硅截止。

图7 uH uO uT uG uF电压波形图

由此可见，|uG|的大小决定了A 7输出低电平的时间，同时也决定了通过与门同步触发脉冲的个数及彩灯的亮度。uF、uG、u T、uH的波形对应关系如图7所示。R23和R26分别为T2和T3的基极偏流电阻和A7和与门输出端的限流电阻，它们的阻值选择关系到电路能否正常工作。R25在T2截止时是与门的接地电阻，要保证相应的与门的输入端为低电平，R25应小于与门的开门电阻RON。 4．5 10mV音乐信号鉴别器的原理与设计

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技术指标要求，输入音乐信号小于10mV时。彩灯全亮。当输入音乐信号大于10mV时彩灯亮度随输入音乐信号的大小分为八个等级。为实现此项要求，电路中必须设有10mV音乐信号鉴别电路，如图1．3—7所示。

在图8中，A8为电压放大器，A9是电压比较器。音乐信号通过耦合电容经A8

放大后由R31和D10进行半波整流。当整流输出负电压的值高于A9反相输入端闭值电压－0.7V时，A9输出uL为高电平，此时T4饱和导通，并通过R28给T 2提供偏流，T2也饱和导通，其集电极输出高电平，与门打开，同步触发脉冲连续通过与门，彩灯全亮。当输入信号高于10mV时，uL为低电平，T4截止,A7输出低电乎的时间受音乐信号强弱的控制，使彩灯的亮度随输入音乐信号的大小而变化。由以上分析可知，合理选择R30和R29的比值，是设计10mV鉴别电路的关键。

A9的阈值电压为－0.7V，要使输入音乐信号在10mV以上时A9翻转输出uL为低电平，A8的电压放大倍数必须大于70。

图8 10mv音乐信号鉴别电路原理图

5 系统原理电路及印刷电路的绘制

5．1 系统原理电路

假设电路选择的是中频段，利用PROTEL软件绘制的原理电路如下图所示，在同步脉冲和阶梯波产生电路的设计中,没有使用模块电路中的电源电路,因为在PROTEL软件中有备用的±12V和±5V的直流电源。

如图所示，系统原理电路由同步脉冲发生器、阶梯波发生器、带通滤波器和放大器、精密整流器、电压比较器、与门和双向可控硅执行机构等组成。

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192701-12VSRPEP3P2P1P01263R30R322.2K1312U3A74F10R3310K+12V4PCPCECET4TC4A9D131511121314O-3O-2O-1O-01111R210K11411

+5V+5V+5V+12VA040162U1A1274F00A1A2141210K*R4200KD71N34+12V+12VA2A312R310KR52.7K*31R6T12N9303+12VR110K-12VD111N34R11R7R8R9R10804K0K20K10K10K-12VD61N34-12VR2110KR17+12V1N34A6AA5D2D914810114360K+12VC12R29A8C9D1010uF5K8101N34*-12VC130.01uFR3110K11 R20+12V10K4D8INPUT33K+12V4C70.01uFA4C133121N34*11+5V+12V44+12V19C10*A3B6C9R120.01uF11R13*-12V7A7BRw67R235U2A5*1113K-12V13K0.01uF*R1810K-12V25KPOT2R2810K-12V374F08R2610K11T212N29042Q1T3TRIAC2N930DS1-12VR1633K10KR22C1120K10uFC80.01uFLAMPR250.68KR2410KT42N930R272KR14图9 系统原理电路图 R1910KR1510K 5.2 印刷电路的绘制

利用PROTEL绘制的印刷电路如图10所示:

图10 PCB图

6 心得与体会

通过这次的课程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。

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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。

再次通过这次的课程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，因为在这次课程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。

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方案实现过程中的参数选择：

(1)同步脉冲发生器和阶梯波发生器电路参数的选择：R7＝2.7k，R3＝10k，R4＝200k，R1＝10k，R2＝30k，R11＝10k，R10＝10k，R9＝20k，R8＝40k，R7＝80k。 (2)音乐通道电路参数的选择：C7＝C9＝0.01uF，R12=13k，R16=33k，R12=R13，C7=C8，R16=R17，C9＝C10，R20＝R21＝10k，D8、D9选择点接触型锗管2AP9型，C11＝10uF，R22＝20k，R24＝0.68k，R23＝25k，R27＝2k。

(3)10mV音乐信号鉴别电路的参数选择：R29＝5k，R30＝360k，C12＝10uF，R32＝2.2k。

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