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音频动态声控应用电路
摘要
随着数字技术的发展，尤其是计算机技术在控制领域中的广泛应用，使得用数字电路处理模拟信号更加广泛。
论文通过对音频信号的处理，转化为数字信号控制LED的显示电路，用立体声左右声道的音频信号控制LED在垂直与水平位置上显示，使LED发光阵列随音乐节奏发光。
整个电路由两个十进制计数/分频器CD4017、点阵式LED显示器和运算放大器等组成。
关键词：
音频信号，计数/分频器CD4017，点阵式LED显示器
Title:
Audiodynamicsonicapplicationcircuit
Applicant:
NanFei（07010255）
Speciality:
ElectricalEngineeringandAutomation
ABSTRACT
Withthedevelopmentofdigitaltechnology,especiallyinthefieldofcomputertechnologyincontrol,makeswidelyusedindigitalcircuitprocessinganalogsignalsmoreextensive.
Paperonaudiosignalprocessing,intodigitalsignalcontrolLEDdisplaycircuit,thevocalaboutinstereoaudiosignalcontrolLEDinverticalandhorizontalpositionshows,makeLEDwithmusicrhythmglow.ArrayThewholecircuitconsistsoftwodecimalcount/pointsCD4017,dot-matrixfrequencyofanLEDmonitorandoperationalamplifieretc.
KEYWORDS:
Audiosignals,Count/pointsCD4017,Dot-matrixfrequencyofanLEDmonitor
目录
第1章绪论1
1.1音频动态声控应用电路的设计目的和意义1
1.2课题研究的主要内容1
第2章音频动态声控应用电路硬件介绍3
2.1音频信号3
2.2LED显示器4
2.2.1LED显示器简介及工作原理4
2.2.2点阵式LED显示器的工作原理及电路6
2.3计数/分频器CD4017的简介7
2.4运算放大器10
2.4.1运放的分类及特点10
2.4.2运放的主要参数12
第3章音频动态声控应用电路的设计17
3.1音频动态电路的组成17
3.2音频动态声控电路的介绍及工作原理17
第4章电路的调试与实验结果19
4.1电路的调试19
4.2实验结果及分析19
第5章结论与展望21
致谢23
参考文献25
第1章绪论
1.1音频动态声控应用电路的设计目的和意义
音频信号是（Audio）带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。
根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。
其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。
音频是多媒体中的一种重要媒体。
我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-2OkHz，其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。
声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成为数字音频。
音频信号的处理在语音、声纳、地震、通信系统、机械振动、遥感预测、故障诊断等众多领域都得到广泛应用。
对音频信号的处理时主要应用数字信号处理技术，灵活方便的实现复杂信号的处理任务，达到高精度、高稳定性和高机动性。
目前，信号处理技术、通信技术和多媒体技术的迅猛发展都得益于DSP技术的广泛应用。
但是对于便携式和家用的语音系统而言，基于一般的DSP芯片的设计方案并不理想。
首先DSP的芯片成本以及开发成本在现阶段仍然是比较高的，尤其是芯片成本，远远不及大批量ASIC芯片成本之低。
其次便携式的设备对体积要求十分苛刻，限制了一部分DSP芯片的使用，而体积正是ASIC芯片的优点之一。
1）数字信号处理大都采用DSP与FPGA现在方兴未艾的移动通信许多关键技术:
CDMA技术，软件无线电，多用户检测等技术都依靠高性能的DSP与FPGA来实现。
第三代数字蜂窝通信系统和其它方兴为艾的高性能通信系统如宽带通信、MPEG-4和视频点播等的快速发展对DSPFPGA提出了许多新的要求。
随着超大规模集成电路技术的发展芯片做得越来越小，制造线宽越来越窄，集成的晶体管越来越多，时钟频率越来越高。
软件无线电技术的发展和实用取决于高速集成电路，如DSP与FPGA、模/数、数/模的技术发展情况。
2）我国FPGA技术和产品的研究开发相对国外落后我国在DSP技术和产品的研究开发成绩斐然，我国DSP技术起步较早，基本上与国外同步发展，而在FPGA方面的起步较晚。
全国有100来所高等院校从事DSP与FPGA的教学和科研，除了一部分DSP芯片需要从国外进口外，在信号处理理论和算法方面，与国外处于同等水平。
而在FPGA信号处理和系统方面，有了喜人的进展，正在进行与世界先进国家同样的研究。
1.2课题研究的主要内容
本次课题研究内容就是应用A/D转换方式，把模拟信号处理成数字信号，然后把数字信号通过点阵式LED显示出来。
先对用放大电路对音频信号处理，再通过计数/分频器CD4017对模拟信号进行转换，最后产生高低电平激发对相应的LED点阵显示器，来形成音频动态声控电路的设计。
第2章音频动态声控应用电路硬件介绍
2.1音频信号
1）数字音频信号的采集
音频信号是模拟信号，是通过麦克风捕获到的变成为一定电平的信号。
它是时间的连续函数。
我们知道这个信号振幅就是音量，频率就是音调。
一般来说人耳可感受的正弦波的范围是从20Hz的低频声音到20000Hz的高频声。
把这样的模拟信号转变成计算机以及网络能够接受的数字信号的第1步是对模拟信号进行采样，使其成为时间的离散函数（此为固定周期）。
为了以后恢复模拟信号的原貌，采样频率应该不低于模拟信号最高频率的两倍。
第2步就是对采样来的离散信号进行编码即所谓的脉冲编码调制（pulsecodemodulation，PCM），也就是用二进制码来表示每个离散信号的幅度。
硬件实现上主要是由采样保持器和模数转换器来完成的，即构成一个音频输入设备。
2）音频数据压缩
采集来的音频数据有着相当巨大的数据量，如果不经过压缩，保存它们需要大量的存贮空间，传输起来也比较困难，很自然，人们想到了压缩。
可以说，这一环节在数字音频技术中占有特别重要的地位。
目前常用的压缩方法有很多种，不同的方法具有不同的压缩比和还原音质。
编码的格式和算法也各不相同，其中某些压缩算法相当复杂，普通程序不可能去实现其编解码算法。
值得庆幸的是，Windows为数字音频技术提供了这方面的支持，引入了音频压缩管理器（audiocompressionmanager，ACM），它是负责管理系统中所有数字音频的编解码器（coderdecoder，CODEC）。
我们可以通过ACM提供的编程接口调用这些系统中现成的编解码器来实现音频数据的压缩和解压缩。
3）常见音频信号
常见的音频信号主要有电话音频信号、调频、调幅无线电广播音频信号和高保真数字的立体声音频信号。
由于用途不同，这些音频信号频带宽度也各不相同，而且，在音响设备中，通常以音频信号的带宽来衡量声音的质量。
图4-4中表示了这4种常见音频信号的带宽。
4）音频信号的获取
音频信号的获取框图如图2-1所示。
2-1音频信号的获取框图
5）音频信号的处理
不管多媒体信息是音频信号还是视频信号，其数据量都是十分巨大的。
如果像图2-1所示的那样，经A/D转换的数字化音频信号直接进入计算机进行存储（记录）或进行传送，是不可取的。
6）音频信号的回放
经压缩的音频信号以一定的格式记录在有关的媒体上，例如，磁带、磁盘及光盘等，或者以一定的格式传送到接收端。
在音频信号接收端或由媒体回放音频信号时，首先由专用的硬件或软件对压缩数据进行解压缩，恢复音频数字信号，然后，经由图2-2所示的电路框图对音频信号进行放音。
图2-2对音频信号进行放音框图
2.2LED显示器
2.2.1LED显示器简介及工作原理
1）LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。
由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。
LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。
无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。
目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条件的要求。
其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。
我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当发展潜力的产业。
2）led电子显示屏工作原理
（1）LED电子显示屏系统组成
本系统由计算机专用设备、显示屏幕、视频输入端口和系统软件等组成。
计算机及专用设备：
计算机及专用设备直接决定了系统的功能，可根据用户对系统的不同要求选择不同的类型。
显示屏幕：
显示屏的控制电路接收来自计算机的显示信号，驱动LED发光产生画面，并通过增加功放、音箱输出声音。
视频输入端口：
提供视频输入端口，信号源可以是录像机、影碟机、摄像机等，支持NTSC、PAL、S_Video等多种制式。
系统软件：
提供LED播放专用软件，powerpoint或ES98视频播放软件。
系统原理图如下：
（2）LED电子显示屏系统功能
该系统具备如下功能：
以计算机为处理控制中心，电子屏幕与电脑显示器（VGA）窗口某一区域逐点对应，显示内容实时同步，屏幕映射位置可调，可方便随意地选择显示画面的大小。
显示点阵采用超高亮度LED发光管（红、绿双基色），256级灰度，颜色变化组合65536种，色彩丰富逼真，并支持VGA24位真彩色显示模式。
配备图文信息及三维动画播放软件，可播放高质量的图文信息及三维动画。
播放软件显示信息的方式有覆盖、合拢、开帘、色彩交替、放大缩小等十多种形式。
使用专用节目编辑播放软件,可通过键盘,鼠标、扫描仪等不同的输入手段编辑、增加、删除和修改文字、图形、图像等信息。
编排存于控制主机或服务器硬盘,节目播放顺序与时间,实现一体化交替播放,并可相互叠加。
可以接收显示录像机、影碟机等视频信号。
2.2.2点阵式LED显示器的工作原理及电路
8X8点阵LED结构如下图所示
图2-3LED结构图
从图2-1中可以看出，8X8点阵共需要64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就亮；因此要实现一根柱形的亮法，如图49所示，对应的一列为一根竖柱，或者对应的一行为一根横柱，因此实现柱的亮的方法如下所述：
一根竖柱：
对应的列置1，而行则采用扫描的方法来实现。
一根横柱：
对应的行置0，而列则采用扫描的方法来实现。
2.3计数/分频器CD4017的简介
CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。
CR为高电平时，计数器清零。
Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。
CD4017逻辑结构图:
图2-4CD4017LogicDiagram逻辑图
CD4017引脚图:
图2-5CD4017的引脚图
CD4017引脚功能：
CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。
CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为：
A、频率输入脚：
CLOCK（Pin14），为频率信号的输入脚。
B、数据输出脚：
a、Q1-Q9（Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11），为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo电位。
b、CARRYOUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRYOUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。
D、控制脚：
a、CLEAR（Pin15）：
清除脚或称复位（Reset）脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。
b、CLOCKENABLE（Pin13），时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。
图2-6方框图
十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。
每输入10个计数脉冲，～O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出O0为高电平，其余输出端（O1～O9）均为低电平。
CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。
设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。
由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
图2-7CD4017引脚图
2.4运算放大器
2.4.1运放的分类及特点
运算放大器从诞生至今，已有40多年的历史了。
最早的工艺是采用硅NPN工艺，后来改进为硅NPN-PNP工艺（后面称为标准硅工艺）。
在结型场效应管技术成熟后，又进一步的加入了结型场效应管工艺。
当MOS管技术成熟后，特别是CMOS技术成熟后，模拟运算放大器有了质的飞跃，一方面解决了低功耗的问题，另一方面通过混合模拟与数字电路技术，解决了直流小信号直接处理的难题。
论文对集成模拟运算放大器采用工艺分类法和功能/性能分类分类法等两种分类方法，便于读者理解，可能与通常的分类方法有所不同。
1）根据制造工艺分类
根据制造工艺，目前在使用中的集成模拟运算放大器可以分为标准硅工艺运算放大器、在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器、在标准硅工艺中加入了MOS工艺的运算放大器。
按照工艺分类，是为了便于初学者了解加工工艺对集成模拟运算放大器性能的影响，快速掌握运放的特点。
标准硅工艺的集成模拟运算放大器的特点是开环输入阻抗低，输入噪声低、增益稍低、成本低，精度不太高，功耗较高。
这是由于标准硅工艺的集成模拟运算放大器内部全部采用NPN-PNP管，它们是电流型器件，输入阻抗低，输入噪声低、增益低、功耗高的特点，即使输入级采用多种技术改进，在兼顾起啊挺能的前提下仍然无法摆脱输入阻抗低的问题，典型开环输入阻抗在1M欧姆数量级。
为了顾及频率特性，中间增益级不能过多，使得总增益偏小，一般在80~110dB之间。
标准硅工艺可以结合激光修正技术，使集成模拟运算放大器的精度大大提高，温度漂移指标目前可以达到0.15ppm。
通过变更标准硅工艺，可以设计出通用运放和高速运放。
典型代表是LM324。
在标准硅工艺中加入了结型场效应管工艺的运算放大器主要是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改进为结型场效应管，大大提高运放的开环输入阻抗，顺带提高通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。
典型开环输入阻抗在1000M欧姆数量级。
典型代表是TL084。
在标准硅工艺中加入了MOS场效应管工艺的运算放大器分为三类，一类是是将标准硅工艺的集成模拟运算放大器的输入级改进为MOS场效应管，比结型场效应管大大提高运放的开环输入阻抗，顺带提高通用运放的转换速度，其它与标准硅工艺的集成模拟运算放大器类似。
典型开环输入阻抗在10^12欧姆数量级。
典型代表是CA3140。
第二类是采用全MOS场效应管工艺的模拟运算放大器，它大大降低了功耗，但是电源电压降低，功耗大大降低，它的典型开环输入阻抗在10^12欧姆数量级。
第三类是采用全MOS场效应管工艺的模拟数字混合运算放大器，采用所谓斩波稳零技术，主要用于改善直流信号的处理精度，输入失调电压可以达到0.01uV，温度漂移指标目前可以达到0.02ppm。
在处理直流信号方面接近理想运放特性。
它的典型开环输入阻抗在10^12欧姆数量级。
典型产品是ICL7650。
2）按照功能/性能分类
本分类方法参考了《中国集成电路大全》集成运算放大器。
按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如程控运放、电流运放、电压跟随器等等。
实际上由于为了满足应用需要，运放种类极多。
本文以上述简单分类法为准。
需要说明的是，随着技术的进步，上述分类的门槛一直在变化。
例如以前的LM108最初是归入精密运放类，现在只能归入通用运放了。
另外，有些运放同时具有低功耗和高输入阻抗，或者与此类似，这样就可能同时归入多个类中。
通用运放实际就是具有最基本功能的最廉价的运放。
这类运放用途广泛，使用量最大。
低功耗运放是在通用运放的基础上大降低了功耗，可以用于对功耗有限制的场所，例如手持设备。
它具有静态功耗低、工作电压可以低到接近电池电压、在低电压下还能保持良好的电气性能。
随着MOS技术的进步，低功耗运放已经不是个别现象。
低功耗运放的静态功耗一般低于1mW。
精密运放是指漂移和噪声非常低、增益和共模抑制比非常高的集成运放，也称作低漂移运放或低噪声运放。
这类运放的温度漂移一般低于1uV/摄氏度。
由于技术进步的原因，早期的部分运放的失调电压比较高，可能达到1mV；现在精密运放的失调电压可以达到0.1mV；采用斩波稳零技术的精密运放的失调电压可以达到0.005mV。
精密运放主要用于对放大处理精度有要求的地方，例如自控仪表等等。
高输入阻抗运放一般是指采用结型场效应管或是MOS管做输入级的集成运放，这包括了全MOS管做的集成运放。
高输入阻抗运放的输入阻抗一般大于109欧姆。
作为高输入阻抗运放的一个附带特性就是转换速度比较高。
高输入阻抗运放用途十分广泛，例如采样保持电路、积分器、对数放大器、测量放大器、带通滤波器等等。
高速运放是指转换速度较高的运放。
一般转换速度在100V/us以上。
高速运放用于高速AD/DA转换器、高速滤波器、高速采样保持、锁相环电路、模拟乘法器、机密比较器、视频电路中。
目前最高转换速度已经可以做到6000V/us。
宽带运放是指-3dB带宽（BW）比通用运放宽得多的集成运放。
很多高速运放都具有较宽的带宽，也可以称作高速宽带运放。
这个分类是相对的，同一个运放在不同使用条件下的分类可能有所不同。
宽带运放主要用于处理输入信号的带宽较宽的电路。
高压运放是为了解决高输出电压或高输出功率的要求而设计的。
在设计中，主要解决电路的耐压、动态范围和功耗的问题。
高压运放的电源电压可以高于±20VDC，输出电压可以高于±20VDC。
当然，高压运放可以用通用运放在输出后面外扩晶体管/MOS管来代替。
2.4.2运放的主要参数
集成运放的参数较多，其中主要参数分为直流指标和交流指标。
其中主要直流指标有输入失调电压、输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）、输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）、差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比、输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压。
主要交流指标有开环带宽、单位增益带宽、转换速率SR、全功率带宽、建立时间、等效输入噪声电压、差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗。
1）直流指标
输入失调电压VIO：
输入失调电压定义为集成运放输出端电压为零时，两个输入端之间所加的补偿电压。
输入失调电压实际上反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电压越小。
输入失调电压是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。
对于精密运放，输入失调电压一般在1mV以下。
输入失调电压越小，直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。
所以对于精密运放是一个极为重要的指标。
输入失调电压的温度漂移（简称输入失调电压温漂）αVIO：
输入失调电压的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电压的变化与温度变化的比值。
这个参数实际是输入失调电压的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
一般运放的输入失调电压温漂在±10~20μV/℃之间，精密运放的输入失调电压温漂小于±1μV/℃。
输入偏置电流IIB：
输入偏置电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端的偏置电流平均值。
输入偏置电流对进行高阻信号放大、积分电路等对输入阻抗有要求的地方有较大的影响。
输入偏置电流与制造工艺有一定关系，其中双极型工艺（即上述的标准硅工艺）的输入偏置电流在±10nA~1μA之间；采用场效应管做输入级的，输入偏置电流一般低于1nA。
输入失调电流IIO：
输入失调电流定义为当运放的输出直流电压为零时，其两输入端偏置电流的差值。
输入失调电流同样反映了运放内部的电路对称性，对称性越好，输入失调电流越小。
输入失调电流是运放的一个十分重要的指标，特别是精密运放或是用于直流放大时。
输入失调电流大约是输入偏置电流的百分之一到十分之一。
输入失调电流对于小信号精密放大或是直流放大有重要影响，特别是运放外部采用较大的电阻。
输入失调电流的温度漂移（简称输入失调电流温漂）：
输入偏置电流的温度漂移定义为在给定的温度范围内，输入失调电流的变化与温度变化的比值。
这个参数实际是输入失调电流的补充，便于计算在给定的工作范围内，放大电路由于温度变化造成的漂移大小。
输入失调电流温漂一般只是在精密运放参数中给出，而且是在用以直流信号处理或是小信号处理时才需要关注。
差模开环直流电压增益：
差模开环直流电压增益定义为当运放工作于线性区时，运放输出电压与差模电压输入电压的比值。
由于差模开环直流电压增益很大，大多数运放的差模开环直流电压增益一般在数万倍或更多，用数值直接表示不方便比较，所以一般采用分贝方式记录和比较
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