課程設(shè)計(jì)說明書

1、1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)、功能要求說明及總體方案介紹1.1 設(shè)計(jì)課題任務(wù)設(shè)計(jì)一種組合式彩燈控制電路，該電路由三路不同控制方法的彩燈所組成，采 用不同顏色的發(fā)光二極管作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)1.2 功能要求說明總共有 3 路電路實(shí)現(xiàn)音樂彩燈 第一路為音樂節(jié)奏控制彩燈，按音樂節(jié)拍變換彩燈花樣。 第二路按音量的強(qiáng)弱（信號(hào)幅度大小）控制彩燈。強(qiáng)音時(shí)，燈的亮度加大， 且燈被點(diǎn)亮的數(shù)目增多。 第三路按音調(diào)高低（信號(hào)頻率高低）控制彩燈。低音時(shí)，某一部分燈點(diǎn)亮； 高音時(shí)，另一部分燈點(diǎn)亮。1.3 設(shè)計(jì)課題總體方案介紹及工作原理說明（1）設(shè)計(jì)思路根據(jù)課題要求，本控制器可分別用三部分電路實(shí)現(xiàn)。 音樂的節(jié)奏往往由樂隊(duì)的鼓點(diǎn)來體現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上它

2、是具有一定時(shí)間間隔的節(jié)拍 脈沖信號(hào)。因此，可采用計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成節(jié)拍脈沖信號(hào)發(fā)生器（或稱時(shí)間 順序控制器），使相應(yīng)的彩燈按節(jié)奏點(diǎn)亮和熄滅。 為實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)強(qiáng)弱的控制，應(yīng)該將聲音信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)過放大、整流 濾波，以信號(hào)的平均值驅(qū)動(dòng)彩燈發(fā)亮。信號(hào)強(qiáng)，則燈的亮度大，且點(diǎn)亮燈的數(shù)目增 多。 為實(shí)現(xiàn)高、低音（不同頻率信號(hào)）對(duì)彩燈的控制，采用高、低通有源濾波電 路。低通濾波器限制高音頻信號(hào)通過，而高通濾波器限制低音頻信號(hào)通過，分頻段 輸出信號(hào)，經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。（2）控制器原理框圖通過音箱輸入電信號(hào)， 信號(hào)源經(jīng)放大器放大后輸出分別送往：（1）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器， 輸出脈沖信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電

3、路來驅(qū)使彩燈發(fā)光； （ 2）多諧振蕩器脈沖輸出到計(jì)數(shù)器，計(jì) 數(shù)脈沖通過計(jì)數(shù)和譯碼驅(qū)使彩燈發(fā)光； （3）送往高低通電路，取出所需要頻段信號(hào)后 驅(qū)動(dòng)彩燈發(fā)光。圖1.1控制器原理圖2音樂彩燈控制器的仿真分析2.1音樂彩燈控制器的參數(shù)選擇音樂節(jié)奏控制彩燈音頻放大電路放大電路使用基極分壓式射基偏置電路放大：工作電壓為12V,三極管為9014,9014的放大倍數(shù)在1001000 ,而b-e極電壓0.7V才能飽和導(dǎo)通，所以用 R22=1M的 電阻，同時(shí)兼顧其他指標(biāo)，工程上一般取 VBQ=(3-5)V,所以R23取330K,使電壓 適合于三極管的放大。由于9014承受的最大電流0.1A,R24=5.1K。R2

4、4 :5.1kQBJT NF丿 R23>1 330kQ:圖2.1音頻放大電路多諧振蕩器圖22多諧振蕩器該電路工作電壓Ucc設(shè)為12V,當(dāng)R2遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R時(shí)，D 50%,此時(shí)輸出的波形 為理想對(duì)稱的方波，所以R2使用100K的可變電阻，這樣實(shí)現(xiàn)了方波，也使 R2可以 調(diào)節(jié)電路的靈敏度。C1在充、放電過程中，其電壓在 VCC的1/3到2/3之間變化，所以時(shí)基電路3 腳輸出高電平的時(shí)間h可用以下式表示(即充電周期)，即?= 0.7(? + ?)? 2.13腳輸出低電平時(shí)間t2 (即放電周期)：?2?= 0.7? 2.2振蕩周期T :T = ?1?+ ?2?= 0.7(? + 2?)? 2.3根據(jù)

5、以上公式可以求出R1、C1、C2,由于電容在市場(chǎng)上的型號(hào)不多。所以就選相近 的?= 0.47uF, ?= 4.7 討其他電路CD4017的供電的電壓為3V15V為了方便電源供電就選用12V作為供電電壓。LED的供電電壓為2.5V，為了不超過它的最大電流，所以要串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓電阻， 先選取R=1K的電阻。音樂大小控制彩燈放大電路由于555單穩(wěn)態(tài)電路是低電平觸發(fā)，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用了反向放大，三極管起反向 作用，故采用射基偏置電路。VT (9014) b-e極最大電流為0.1A，所以根據(jù)基爾霍夫定理得：U- Ur = U? 2.4U- I ?R1 = U? 2.5可得：Ri=330K,同時(shí)兼顧其他指標(biāo)，

6、工程上一般取 VBQ=(3-5) V,所以R2=110kR51kD匚* ：22nF圖2.3單穩(wěn)態(tài)電路由于電容的容量和耐壓不好選，所以就先選電容為G 0.022uF，設(shè)單穩(wěn)態(tài)的暫 態(tài)時(shí)間為t 0.123ms。根據(jù)公式：t 1.1RC 2.6得、0.1 = 1.1 ?R1 ?C1 2.7所以R1取5k限流電阻R2的計(jì)算：由于U2的 腳電壓V3為2V, LED的承受電流為30mA取R 的最大取值為：V32VR= = 667? 2.830mA30mA取 R=68C?音調(diào)高低控制彩燈R1ClHl-1 a 0 n FC21 aOnFU2AR12AAr-1BkQ R13-Vv%5500R2ViA'R

7、-3-Wv-圖2.4高通電路RC有源高通濾波器參數(shù)的計(jì)算(設(shè)上限頻率 f=1000HZ):(1)通常電容C的容量宜在微法數(shù)量級(jí)以下，R的值一般約為幾百千歐內(nèi)，vh由于電容容量檔級(jí)較少，常先選用 C值，再計(jì)算電阻R1的值。選擇Ci C2 0.1uF ,貝URiR21wiC=16K2.92 3.14 1000 0.1 10(2)考慮到二價(jià)巴特沃斯濾波器的 Q =0.707和Auf 1 R4 R3 1.5862.10故有R4=0.586R3,運(yùn)算放大器兩輸入端的外接電阻必須滿足平衡條件:R3/R4 R R 32K 2.11由R4= 0.586R3 2.12和R3/R4 R R 32K 2.13得R3

8、= 33K, R4= 20K, G C20.1uF , R R> 16K(3) 供電為12V,可LED承受的電流為30mA燈泡電壓為2.5V，由U電 UR5 U燈2.14取 R5=550圖2.5低通濾波電路由于高通濾波器與低通濾波器在電路結(jié)構(gòu)上存在對(duì)偶關(guān)系，他們的幅頻響應(yīng)也存在對(duì)偶關(guān)系，設(shè)置的頻率界限為1000Hz所以兩個(gè)電路參數(shù)一樣，只是接法不一樣電源電路參數(shù)正向平均電流：IfId :1I ' O - 308 mA 154mA最大反向電壓：UrmU R (max)2U 22 7V 10V濾波電容參數(shù)：(3 5)£1 3(3 5)- 20 103C122R'l2

9、7.3橋式整流二極管參數(shù)計(jì)算2.15-2.162.170.001 0.00183F1000 1830 F取 C2=1000y F電容耐壓：UCM212V 2.18取UCM 25 V,故電容參數(shù)為C:1000u F/25V。 通過穩(wěn)壓管7812后 穩(wěn)壓為12V,提供給各個(gè)電路。2.2音樂彩燈控制器的仿真結(jié)果仿真實(shí)驗(yàn)：圖2.6音樂大小控制彩燈仿真波形圖2.6中的斜線表示觸發(fā)經(jīng)放大后的音頻信號(hào)，方波表示的是輸出信號(hào)。由圖可知，音頻信號(hào)經(jīng)過放大之后進(jìn)入單穩(wěn)態(tài)集成電路.從圖2-6可以看出正弦波處于正半波上升沿是，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)并輸出信號(hào)，由此可知當(dāng)音樂音量大小改變時(shí)，正弦波 增大，那么彩燈閃亮的速率加快，音

10、量減小時(shí)，波的幅度減小，彩燈閃亮減慢或停 止。圖2.7節(jié)奏電路仿真圖圖2.7中斜波表示的是放大后的音頻信號(hào)，方波表示的是經(jīng)音頻信號(hào)調(diào)諧多諧振蕩 后輸出的觸發(fā)信號(hào)。從圖中可以看出經(jīng)放大后的音頻信號(hào)可以調(diào)制觸發(fā)信號(hào)的脈寬, 從而使觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)彩燈，并使彩燈隨音樂節(jié)奏的快慢而閃亮圖2.8 音調(diào)高低仿真圖圖4-5為音調(diào)控制的輸出仿真圖，起伏大的線代表高通x1的波形，起伏小的線 代表低通x2的波形，當(dāng)有高于1000Hz的脈沖到LM358時(shí)x1就輸出波峰達(dá)到3v的 波形，而x2的波形就趨近X軸。2.3 音樂彩燈控制器的仿真調(diào)試調(diào)試方法：首先在軟件中畫好電路圖，然后檢查電路中各元件是否連接正確，連 接正確的

11、情況下加入信號(hào)，由于此軟件不能直接加入音樂信號(hào)，所以用正弦（音頻 電信號(hào)是由許多的正弦波疊加而形成）代替，加入信號(hào)后觀察彩燈的閃亮情況，遇 到不正常時(shí)及時(shí)修改。調(diào)試中遇到的故障：故障1：放大電路不匹配。分析：單穩(wěn)態(tài)電路需要的使反向電壓，無穩(wěn)態(tài)使用的事完整的正弦波。解決：在兩個(gè)電路使用獨(dú)立放大。故障2:接地信號(hào)的交叉。分析：交流接地不能直流接地接在一起。解決：兩個(gè)接地單獨(dú)接地。3音樂彩燈控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1設(shè)音樂彩燈控制器硬件系統(tǒng)各模塊功能簡要介紹音樂大小控制彩燈的電路的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電源電路為了 NE555提供穩(wěn)定的直流電源12V;設(shè)計(jì)NE555時(shí)基電路構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，經(jīng)過限流電阻，點(diǎn)亮電

12、路用 LED發(fā)光二極管。 * * :：|33(Bt©M0 ：w I j ii j e i a-r W ig «T -'CUT:6800 :R211kQ.R4 1kO :0JT HPH VIRTUAL丄門Z±22nF：tCH 1 - - mij a b a- M5 VIRTUAL :圖3.1音樂大小電路圖音頻輸入后，經(jīng)過由VT組成的音頻放大器電壓放大。555時(shí)基電路與電阻R5 電容C3接成典型的單穩(wěn)太工作模式，由于 R5 C3的取值較小，所以暫態(tài)時(shí)間非常 短，t 1.1R3C3 123.42 s。限流電阻R6構(gòu)成保護(hù)電路，去驅(qū)動(dòng)LED閃亮。音頻輸入時(shí)，經(jīng)VT

13、反向放大，使時(shí)基電路2腳電平在Vdd 3上下波動(dòng)。當(dāng)電位不 大于Vdd 3時(shí)，時(shí)基電路置位，進(jìn)入暫態(tài)，3腳輸出高電平，晶閘管導(dǎo)通，LED發(fā)光。 由于暫態(tài)時(shí)間很短，很快又翻回穩(wěn)態(tài)，LED彩燈熄滅，也就是說彩燈不會(huì)有停滯狀態(tài)， 它能隨時(shí)基電路的2腳電平即音頻電信號(hào)的變化而變化。當(dāng)變阻器的電阻越小，靜 態(tài)時(shí)555的2腳電平越高，電路的聲控靈敏度就越低，所以根據(jù)需要調(diào)節(jié)變位器。音樂節(jié)奏控制彩燈總電路實(shí)現(xiàn)三極管構(gòu)成放大電路，放大后送振蕩電路。用 NE555夠成自激振蕩器送出方波, 即是脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器和譯碼器用 CD4017他集成了計(jì)數(shù)和譯碼兩項(xiàng)功能，減小了 電路，節(jié)約了成本，經(jīng)過限流電阻 LED發(fā)光。

14、R£1圖3.2節(jié)奏電路圖晶體管Q1組成音頻放大器，他將音頻信號(hào)加以放大，然后通過電容C8電位器R26加到ME555寸基電路的5腳，對(duì)555構(gòu)成的振蕩器進(jìn)行調(diào)制。CD4017為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其CP端輸入的計(jì)數(shù)脈沖來自NE555時(shí)基電路組成的多 諧振蕩器。當(dāng)CP端源源不斷地輸入計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，它的輸出端 Q1-Q9就依次循環(huán)輸出 高電平。使彩燈LEDLLED10依次點(diǎn)亮。調(diào)節(jié)電位器，R29因改時(shí)基電路A2的振蕩頻率，故 使彩燈LED1LED4的循環(huán)速率。音頻信號(hào)經(jīng)過 Q2放大、通過R21加到A2的5腳， 因改變5腳電平的高低，使555的閥值翻轉(zhuǎn)，電平發(fā)生變化，即對(duì)振蕩器頻率進(jìn)行 調(diào)制，亦使A

15、2的振蕩頻率隨音樂的頻率而變化，所以 LEDLED4的循環(huán)點(diǎn)亮的速 率又隨音樂的節(jié)奏而改變。調(diào)節(jié) R29的阻值，則可調(diào)節(jié)電路的靈敏度。音調(diào)高低控制彩燈的電路的實(shí)現(xiàn)音頻經(jīng)放大（放大電路和節(jié)奏電路合用）輸入后分別送往高低通電路。高通電路：由C4入經(jīng)過C5到U2（ LM358的3腳入，濾出低頻，1腳出。在LM358 內(nèi)濾出低頻信號(hào)，高頻信號(hào)從1腳出來后使Q1導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LED2發(fā)光。低通電路：由R12入經(jīng)過R10到LM358的 5腳入，濾出高頻，7腳出。在LM358內(nèi)濾 出低頻信號(hào)，高頻信號(hào)從1腳出來后使R13導(dǎo)通，使LED2發(fā)光。圖3.3音調(diào)電路圖電源電路設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)電路的工作電壓在318V之間，選取

16、12V電壓為電源電壓，所以設(shè)計(jì)時(shí) 使用220V交流電壓經(jīng)過變壓后得到12V的交流電壓，再經(jīng)過橋式整流、整流濾波后 由三端穩(wěn)壓7812穩(wěn)壓為12V,供給各個(gè)電路元件使用。1 電源電路結(jié)構(gòu)常見小功率直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路圖3.4電源電路結(jié)構(gòu)圖穩(wěn)壓電路根據(jù)調(diào)整元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、可控硅穩(wěn)壓 電路，集成穩(wěn)壓電路等。根據(jù)調(diào)整元件與負(fù)載連接方法，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。 根據(jù)調(diào)整元件工作狀態(tài)不同，可分為線性和開關(guān)型穩(wěn)壓電路。本電路主要采用集成 三端穩(wěn)壓電路。60Hz討眄:'NLT'T1：:U1：:LM7S12CTina - - -

17、721ES :WTASS .I a f I *1|> I圖3.5電源電路3.2電路原理圖、PCB圖7圖3.6電路原理圖呂巳住釧%LHP HP圖3.7PCB圖4 設(shè)計(jì)結(jié)論、誤差分析、教學(xué)建議4.1 音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)結(jié)論及使用說明 本次設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用數(shù)字電路和模擬電路的知識(shí)來設(shè)計(jì)音樂彩燈控制器。使用 了 NE555 時(shí)基電路的單穩(wěn)態(tài)電路和無穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)音樂節(jié)奏控制彩燈和音樂大小控 制彩燈；使用高低通電路實(shí)現(xiàn)音調(diào)控制彩燈。軟件仿真和實(shí)物都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4.2 設(shè)計(jì)課題的硬件調(diào)試安裝完成后，通電并加入信號(hào)。 發(fā)現(xiàn)彩燈常亮， 檢修思路：檢測(cè)電源是否正常， 用萬用表檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)電源電壓只有 8V

18、,正常應(yīng)當(dāng)在12V。然后判斷故障是在電源電 路是在電源還是負(fù)載，斷開負(fù)載發(fā)現(xiàn)電源恢復(fù)到12V。證明故障在負(fù)載，為了方便檢 修,把三個(gè)負(fù)載電路分別斷開,分別通電檢測(cè)。故障 1：音樂大小電路，通電檢測(cè)電壓時(shí)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)要只有8V。分析: 證明電路有輕微短路， 用電阻發(fā)檢測(cè)各個(gè)焊點(diǎn)間無短路狀況， 證明短路在 原件，由以前的經(jīng)驗(yàn)。電阻壞是不可能是阻值變小，只可能變大。分析電路發(fā)現(xiàn)只 有一個(gè)三極管和一個(gè)電容，除了就是 NE555有可能壞.解決：分別取下電容和三極管檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)三極管的 ce 極的電阻為 0，證明三極 管壞，換上新的三極管后，電壓正常，彩燈依舊常亮。故障2:檢測(cè)NE555的輸出端，發(fā)現(xiàn)電壓為7V,

19、有電壓跳變。但跳變時(shí)間很短， 要仔細(xì)才能分辨。分析:有可能使暫態(tài)時(shí)間過短，或限流電阻過大。解決:檢測(cè) 2腳調(diào)諧端， 電壓為交流 -3V, 證明各端電壓正常在工作。但單穩(wěn)態(tài)電 路暫態(tài)時(shí)間過短，導(dǎo)致我們不能識(shí)別。根據(jù) T=1.1RC可知增大電阻或電容都能使時(shí) 間變大，所以就把電容改為 0.1uF. 再檢測(cè)電路，正常。圖4.1故障1.2所在點(diǎn)故障3：節(jié)奏電路通電和加入信號(hào)彩燈不閃動(dòng)。分析：可能使電容擊穿或是三極管放大有問題。解決：檢測(cè)電源電壓，9V正常用萬用表去檢測(cè)NE555的3腳，發(fā)現(xiàn)電壓恒為0V, 無跳變，再檢測(cè)2腳和6腳調(diào)諧端，V6=V2=0V分析電路，6腳和2腳通過電容c4 接地，斷電用電阻

20、法測(cè)2腳對(duì)地電阻為0。取下c4檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)c4穿。換上后電路正 常。圖4.2故障所在點(diǎn)VIRTUALC3J.7pF再通電在音調(diào)電路時(shí)，接通后單個(gè)彩燈閃亮，電路正常再連接各電路檢測(cè)，運(yùn)行 正常，調(diào)試完成。4.3音樂彩燈控制器的誤差分析由于商店提供的元器件型號(hào)有限，所以有些器件是用相近的型號(hào)大小代替，因 此產(chǎn)生誤差。原件本身參數(shù)不穩(wěn)定也是產(chǎn)生誤差的重要原由4.4設(shè)計(jì)體會(huì)通過這次設(shè)計(jì)，我對(duì)模擬電路和數(shù)字電路有了更加深刻的理解。對(duì)一些知識(shí)也 有了全新的感悟，不像以前一樣只停留在課本上。這次設(shè)計(jì)試驗(yàn)，讓我明白了，我 所了解的東西都很片面，在實(shí)際操作中，仍有許多知識(shí)盲點(diǎn)，而且有時(shí)候?qū)嶋H的東 西并不像課本上所

21、說的那么簡單，還需要我們繼續(xù)深入的學(xué)習(xí)。這只是設(shè)計(jì)用的演示電路并不成熟， 如果用于實(shí)際生活和生產(chǎn)中，還有一定的差 距，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1、電壓的匹配上，實(shí)驗(yàn)電路的電壓在 12V,彩燈只有2.5V，但在實(shí)際中使用的 都是220V電壓，這樣使用時(shí)就不是很方便。并且有了變壓器重量增加，不利于生產(chǎn)和運(yùn)輸。2、設(shè)計(jì)時(shí)用了電位器，要隨時(shí)調(diào)節(jié)靈敏度，這樣即麻煩而且還會(huì)使控制器達(dá)不 到最好的設(shè)計(jì)效果。3、設(shè)計(jì)時(shí)用的是信號(hào)直接輸入，有線連接，這樣不便于安裝。下一步的工作將進(jìn)一步完善電路，使其在實(shí)際應(yīng)用中更加方便，使彩燈早藝術(shù) 上更加完美。在視覺感受更加美好參考文獻(xiàn)1 康華光編電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.225132 閻 石編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）.北京：高等教育出版社，2004.4664943 曹才開編.電路與電子技術(shù)