数电课程设计报告音乐彩灯控制器.docx
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数电课程设计报告音乐彩灯控制器
《数电课程设计报告,,,音乐彩灯控制器》
摘要：
设计滤波电路，实现音乐的音调控制彩灯，彩灯控制器整流滤波高低通滤波，0.707×
电子技术课程设计
题目名称：
音乐彩灯控制器
1.设计任务和要求
（1）任务
设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由三路不同控制方法的彩灯所组成，采用不同颜色的发光二极管作设计实验。
（2）要求
①第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。
②第二路按音量的强弱（信号幅度大小）控制彩灯。
强音时，灯的亮度加大，且灯被点亮的数目增多。
③第三路按音调高低（信号频率高低）控制彩灯。
低音时，某一部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。
摘
要
随着现代社会经济的飞速发展和夜市的兴起，各种彩灯装饰层出不穷，给城市的夜间带来绚丽的色彩。
夜间漫步于城市的每一个角落，触目可及变幻莫测、摇曳生姿的各式彩灯，无一不诱惑着人们好奇的双眼。
门面店铺灯光装潢大都采用时明时暗或部分循环点亮的流水模式，有新意的要属那些旋转上升变化的广告装饰灯。
在公园里有树状的彩灯，它从底部开始亮起，然后快速沿枝干向上窜升，到达顶端后向各处散开，远远望去犹如仙女散花，煞是好看。
有音乐的娱乐场所，比如说舞厅，酒吧间和咖啡厅的彩灯会随着悠扬的音乐闪烁生辉，这些场所的灯光一般比较幽暗，更加显得彩灯扑朔迷离、捉摸不定，一如可望而不可即的魑魅。
而气势磅礴、规模宏大的当然是大型的节日彩灯，把许多组彩灯进行不同的组合，便得到花样众多的主题字型或代表喜庆吉祥的图案。
这些彩灯不仅增添了节日的气氛，而且丰富了人们多姿多彩的生活。
本文介绍的彩灯控制器是一种组合式彩灯控制电路。
声控彩灯是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，使音乐的旋律伴以亮度、颜色和图案不断变换的灯光，使人的视觉和听觉结合在一起获得综合的艺术享受。
本设计伴随音乐的节奏、大小、音调而变化的彩灯控制器。
使彩灯在艺术上有了很大的提高，本文的主要内容有以下几点：
设计音乐信号放大电路；设计滤波电路，实现音乐的音调控制彩灯；555基本电路构成单稳态实现音乐大小控制彩灯；555基本电路构成多谐电路实现音乐节奏控制彩灯。
其次本文还详细阐述了音乐彩灯控制器的结构和功能，并对各组成部分的工作原理进行了比较详细的分析，而且对各组成部分的附加元件的参数设定也做了较为严密的计算。
关键字：
音乐的强弱节奏音调彩灯控制器整流滤波高低通滤波
555基本电路
一．方案设计
（1）设计思路
根据课题要求，本控制器可分别用三部分电路实现。
①音乐的节奏往往由乐队的鼓点来体现，实质上它是具有一定时间间隔的节拍脉冲信号。
因此，可采用计数、译码驱动电路构成节拍脉冲信号发生器（或称时间顺序控制器），使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。
②为实现声音信号强弱的控制，应该将声音信号变成电信号，经过放大、整流滤波，以信号的平均值驱动彩灯发亮。
信号强，则灯的亮度大，且点亮灯的数目增多。
③为实现高、低音（不同频率信号）对彩灯的控制，采用高、低通有源滤波电路。
低通滤波器限制高音频信号通过，而高通滤波器限制低音频信号通过，分频段输出信号，经过放大驱动相应的发光二极管点亮。
（2）控制器原理框图
①采用运算放大器或555定时器构成多谐振荡器，产生矩形波信号作为计数器的时钟脉冲。
②计数器输出经译码器可得多路译码输出信号，再通过驱动器使相应的彩灯点亮。
③采用动圈式话筒或者扬声器，将声响信号变成电信号输出，并经放大器将其放大。
由于音频信号的频率高于发光元件的响应频率，为使发光元件有适当的显示时间，可加入延时电路，减少发光元件闪烁现象。
④人耳听觉范围的信号频率在20Hz-20kHz，为简单起见，可将音频信号分成两个不同频段，分别用低、高通滤波器来区分这两段频率信号，然后经驱动电路使音响放大器的设计。
控制器原理图
二．具体方案的分块实现.
1.节奏控制彩灯
1.1乐节奏控制彩灯的工作原理.
音乐的节奏往往是由乐队的鼓点来体现，实质上是具有一定时间间隔的脉冲信号。
我们的目标是要彩灯按照节奏依次闪亮。
因此，设计了一个多谐振荡器，由音乐信号调谐，产生计数脉冲，使彩灯循环点亮的速率随音乐的节奏而改变。
有了节奏脉冲，还应有相应的计数器和译码器，这样才能依次点亮彩灯。
当绿色的LED点亮时，由于脉冲电流过大所以还需要限流电阻保护LED。
由于在触发节奏脉冲的电压比输出的音频信号大，所以还需要一个音频放大电路。
电源与上电路公用一个。
电路工作原理：
音频信号输入后经过放大电路放大后进入多谐振荡调制其频率，多谐振荡产生出脉冲信号后送计数器计数后译码，再送入驱动电路驱动绿色的LED彩灯闪亮。
图1-1节奏流程框图
1.2音乐节奏控制彩灯的实现
1.2.1音乐节奏控制彩灯的主要参数计算
1、音频放大电路
放大电路使用共集电极放大：
工作电压为12V，三极管为9014，9014的放大倍数在100~1000,而b-e极电压小于0.7V才能饱和导通，所以用1M的电阻使电压适合于三极管的放大。
由于9014承受的最大电流,。
2、无稳态电路
图1-2无稳态电路
该电路工作电压设为12V，当远远大于时，,此时输出的波形为理想对称的方波，所以使用的可变电阻，这样实现了方波，也使
可以调节电路的灵敏度。
C1在充、放电过程中，其电压在的1/3到2/3之间变化，所以时基电路3脚输出高电平的时间可用以下式表示（即充电周期），即
3脚输出低电平时间（即放电周期）:
振荡周期：
振荡频率为：
输出脉冲占空比：
根据以上公式可以求出、、，由于电容在市场上的型号不多。
所以就选相近的,。
3其他电路
CD4017的供电的电压为3V～15V为了方便电源供电就选用12V作为供电电压。
LED的供电电压为3V，电流为15mA，所以要串联一个稳压电阻，由基尔霍夫定理得：
U-U=U,
所以=600Ω
1.2.2音乐节奏控制彩灯总电路实现
三极管构成放大电路,放大后送振荡电路。
用NE555够成自激振荡器送出方波，即是脉冲信号，计数器和译码器用CD4017，他集成了计数和译码两项功能，减小了电路，节约了成本，经过限流电阻使绿色的LED发光。
图1-3节奏电路图
用BJT晶体管Q1组成音频放大器，他将音频信号加以放大，然后通过电容C2，滑动变阻器R3加到ME555时基电路的5脚，对555构成的振荡器进行调制。
CD4017为十进制计数器，其CP端输入的计数脉冲来自NE555时基电路组成的多谐振荡器。
当CP端源源不断地输入计数脉冲时，它的输出端Q1-Q9就依次循环输出高电平。
使彩灯LED1～LED10依次点亮。
调节滑动变阻器，因改时基电路的振荡频率，故使彩灯LED1～LED4的循环速率。
音频信号经过放大、通过RP2加到A1的5脚，因改变5脚电平的高低，使555的阀值翻转，电平发生变化，即对振荡器频率进行调制，亦使U1的振荡频率随音乐的频率而变化，所以LED1～LED4的循环点亮的速率又随音乐的节奏而改变。
调节的阻值，则可调节电路的灵敏度。
2.音乐的音量强弱控制彩灯的工作原理
音乐的音量强弱，是原唱者的声音的强弱起伏，它在音频信号中表现为正弦波的波峰，所以在他达到波峰时说明他的音乐大。
在波谷是他就小，所以就需要设计一个触发电路，由声音的强弱控制，根据要求使用了NE555时基电路中的单稳态电路，触发后驱动红色的LED发光二极管发光。
但由于音频电压过小，所以还要重新设计一个放大电路。
图2-1音乐的音乐强弱
2.1乐的音量强弱控制彩灯的电路实现.
2.1.1电源电路设计
单稳态电路的工作电压在3～18V之间，选取12V电压为电源电压，所以设计时使用220V交流电压经过变压后得到12V的交流电压，再经过桥式整流、整流滤波后由三端稳压7812稳压为12V，供给各个电路元件使用。
1．电源电路结构
常见小功率直流稳压电源系统由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等四部分组成，如图2-2所示。
图2-2电源电路结构图
稳压电路根据调整元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路，集成稳压电路等。
根据调整元件与负载连接方法，可分为并联型和串联型。
根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关型稳压电路。
本电路主要采用集成三端稳压电路。
图2-3电源电路
2.1.2电源电路的参数计算
（1）桥式整流二极管参数计算
正向平均电流：
最大反向电压：
（2）滤波电容参数：
取C2=1000μF
电容耐压：
取V,故电容参数为C:
1000μF/25V。
通过稳压管7812后稳压为12V，提供给各个电路。
2.1.3放大电路
由于555单稳态电路是低电平触发，所以设计时采用了反向放大，三极管起反向作用，放大电源由可得如图2-5所示。
图2-5放大电路
VT（9014）b-e极承受的极限电压在0.7V，最大电流为0.1A，所以根据基尔霍夫定理得：
U-U=U
U-IR=U可得：
=330K
RP为调谐电阻，由于单稳态电路的触发电压在Vdd/3左右，所以调整555的2脚电压在Vdd/3上下波动，这样才能是单稳态电路触发，由于电阻可变放大倍数不用计算，VT（9014）的放大倍数在100～1000之间足以使电压达到单稳态所需的Vdd/3=4V。
图：
2-7放大电路仿真图
3．单稳态电路：
图2-7单稳态电路
由于电容的容量和耐压不好选，所以就先选电容为，设单稳态的暂态时间为。
根据公式：
得
所以取5k
4.限流电阻的计算
由于的ƒ脚电压为2V，LED的承受电流为30mA，取的最大取值为：
===667Ω
=680Ω
2.1.4音乐的音量强弱控制彩灯的电路图的设计实现
设计电源电路为了NE555提供稳定的直流电源12V；设计NE555时基电路构成单稳态触发电路，经过限流电阻，点亮电路用红色LED发光二极管。
图2-8音乐的音量强弱的电路图
音频输入后，经过由VT组成的音频放大器电压放大。
555时基电路与电阻、电容接成典型的但问他了工作模式，由于、的取值较小，所以暂态时间非常短，。
限流电阻构成保护电路，去驱动红色的LED闪亮。
音频输入时，经VT反向放大，使时基电路2脚电平在1/3V上下波动。
当电位不大于1/3V时，时基电路置位，进入暂态，3脚输出高电平，晶闸管导通，红色的LED发光。
由于暂态时间很短，很快又翻回稳态，红色的LED彩灯熄灭，也就是说彩灯不会有停滞状态，它能随时基电路的2脚电平即音频电信号的变化而变化。
当变阻器的电阻越小，静态时555的2脚电平越高，电路的声控灵敏度就越低，所以根据需要调节变位器。
3.调高低控制彩灯
3.1音调高低控制彩灯的工作原理
音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。
对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升，所以应用滤波器滤出高频、低频，以方便驱动蓝色LED彩灯发光。
音调即是声音中的高音和低音，我们人类能识别的声音频率20～20,所以设置1以上为高音、以下则为低音，所以要一个高低音滤波器去驱动彩灯发光。
放大电路就和上面电路公用，电源公用一个。
音频放大后经高低通滤波，送限流电阻限流后使蓝色LED彩灯发光.
图3-1音调电路结构框图
3.2音调高低控制彩灯的电路设计
3.2.1高通/低通滤波电路
由运算放大器构成的高通/低通滤波电路如图3.2.1（a）所示，它由高通滤波器和低通滤波器两部分组成。
高通滤波器使低于特定截止频率fc的所有频率衰减，而让高于fc的频率通过；低通滤波器则相反，它使高于特定截止频率fc的所有频率衰减，而让低于fc的频率通过。
语言或音乐是频率处于20∽20000Hz之间的声振动，因此取高通/低通滤波器的截止频率为fc=1kHz。
此电路的高通滤波器是一个二阶无限增益多路反馈有源R
C滤波器。
信号从反向端输入，电容C31和R31电阻构成一个分压器。
当Vo2的频率低于fc时，C31的容抗很大，降压大部分Vo2，R31上的电压降很小，并且由于电路是跟随器，所以VH也低；当Vo2的频率增加到高于fc时，C31的容抗很小，使更多的Vo2降到R31上，因此VH变得较大。
设定高通滤波器的增益AV=1，品质因数
Q==0.707（为衰减系数），则高通滤波器的
图3.2.1（a）高通/低通滤波电路
各特性参数为：
AV=
①根据fc=1kHz，取C31=C32=0.1μF=C；
②由AV=1可得电容C33=C31/AV=0.1μF；
③R31==Q（1+2AV）=0.707×
=3376≈3.4k
④R32==
=≈750
此电路的低通滤波器部分是一个二阶无限增益多路反馈有源RC滤波器。
电路接成一个电压跟随器，在反向输入端的电阻R33和电容C34构成一个分压器。
对于低于fc频率的Vo2，电容的容抗很大，几乎所有的Vo2都降到C34上，Vo2大，VL也大，对于这些较低频率的输入信号，级增益最大。
如果Vo2的频率增加到高于fc，电容器的容抗减小，大部分Vo2降到电阻上，结果，电容把较多的Vo2分流到地，则Vo2小，VL也小。
设定该低通滤波器的增益AV=1，品质因数Q==0.707（为衰减系数），则低通滤波器的各特性参数为：
AV=
①根据fc=1kHz，取C34=0.1μF=C，则C35=κC=0.2C=0.02μF；
②R35==
=
计算可得：
R35=8146≈8.1k
或R35=3109≈3.1k
③R33=8.1k或3.1k
①R34==
将R35=8.1k和R35=3.1k分别代入可得：
R34=1563≈1.6k或
R34=4085≈4.1k
根据以上计算，我们取其中一组数据，即：
R35=R33=8.2k，
R34=1.5k。
高通/低通滤波电路将输入信号Vo2分两个频段输出，即高通滤波器让频率高于1kHz的输入信号通过，再经放大后驱动其中一部分彩灯发亮；而低通滤波器则让低于1kHz输入信号通过，经放大后驱动另一部分彩灯发亮。
由此达到以高、低音控制彩灯的目的。
电脑作图：
高低通电路
到此，整个彩灯控制器设计完毕，上述部分包括了彩灯控制器的各个功能对应的电路，从图中可具体了解到不同功能又怎样的电路构成从而得以实现。
元件清单
图示标号
元件类别
参数
数量
T1
变压器
NLTPQ4-10220/12V
1
R1
电阻
430K
1
R2R6R7
滑动变阻器
100K
3
R3
电阻
5K
1
R4
电阻
680K
1
R5
电阻
10K
1
R8R9R10
电阻
1K
3
R11R16R21
电阻
1K
3
R12R14
电阻
32K
4
R17R18
电阻
32K
2
R13R19
电阻
168K
2
R15R20
电阻
100K
2
C1
电容
0.022uF
1
C2C5C6
电容
0.01uF
3
C7C8C9
电容
0.01uF
3
C3
电容
0.47uF
1
C4
电容
4.7uF
1
C10
电容
0.033uF
1
C11
电容
25V/1000uF
1
Q1
三极管
2N910
1
D9
整流二极管
1B4B42
4
U1
三端稳压
7809
1
U2U3
555定时器
NE555
2
U4
十进制计数译码
CD4017
1
U5
运算放大器
LM358
1
总的电路图如下图所示：
三．设计收获、体会和建议
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，在短短的一个星期的日子里，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，比如说在此次课程设计中我基本上学会了Multisim仿真软件的用法。
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，最后在自己不懈的努力和同学的帮助下，终于迎刃而解。
同时，在老师和同学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等方式，对设计电路进行性能考证。
最后，利用
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也遇到了很多困难，我清楚的看到了自己的不足，但我有信心，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！
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