课程设计说明书

1、1 设计课题任务、功能要求说明及总体方案介绍1.1 设计课题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1.2 功能要求说明总共有 3 路电路实现音乐彩灯 第一路为音乐节奏控制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样。 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。 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。1.3 设计课题总体方案介绍及工作原理说明（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。 音乐的节奏往往由乐队的鼓点来体现，实质上它

2、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。 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。 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）控制器原理框图通过音箱输入电信号， 信号源经放大器放大后输出分别送往：（1）单稳态触发器， 输出脉冲信号通过驱动电

3、路来驱使彩灯发光； （ 2）多谐振荡器脉冲输出到计数器，计 数脉冲通过计数和译码驱使彩灯发光； （3）送往高低通电路，取出所需要频段信号后 驱动彩灯发光。图1.1控制器原理图2音乐彩灯控制器的仿真分析2.1音乐彩灯控制器的参数选择音乐节奏控制彩灯音频放大电路放大电路使用基极分压式射基偏置电路放大：工作电压为12V,三极管为9014,9014的放大倍数在1001000 ,而b-e极电压0.7V才能饱和导通，所以用 R22=1M的 电阻，同时兼顾其他指标，工程上一般取 VBQ=(3-5)V,所以R23取330K,使电压 适合于三极管的放大。由于9014承受的最大电流0.1A,R24=5.1K。R2

4、4 :5.1kQBJT NF丿 R23>1 330kQ:图2.1音频放大电路多谐振荡器图22多谐振荡器该电路工作电压Ucc设为12V,当R2远远大于R时，D 50%,此时输出的波形 为理想对称的方波，所以R2使用100K的可变电阻，这样实现了方波，也使 R2可以 调节电路的灵敏度。C1在充、放电过程中，其电压在 VCC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h可用以下式表示(即充电周期)，即?= 0.7(? + ?)? 2.13脚输出低电平时间t2 (即放电周期)：?2?= 0.7? 2.2振荡周期T :T = ?1?+ ?2?= 0.7(? + 2?)? 2.3根据

5、以上公式可以求出R1、C1、C2,由于电容在市场上的型号不多。所以就选相近 的?= 0.47uF, ?= 4.7 讨其他电路CD4017的供电的电压为3V15V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2.5V，为了不超过它的最大电流，所以要串联一个稳压电阻， 先选取R=1K的电阻。音乐大小控制彩灯放大电路由于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，故采用射基偏置电路。VT (9014) b-e极最大电流为0.1A，所以根据基尔霍夫定理得：U- Ur = U? 2.4U- I ?R1 = U? 2.5可得：Ri=330K,同时兼顾其他指标，

6、工程上一般取 VBQ=(3-5) V,所以R2=110kR51kD匚* ：22nF图2.3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G 0.022uF，设单稳态的暂 态时间为t 0.123ms。根据公式：t 1.1RC 2.6得、0.1 = 1.1 ?R1 ?C1 2.7所以R1取5k限流电阻R2的计算：由于U2的 脚电压V3为2V, LED的承受电流为30mA取R 的最大取值为：V32VR= = 667? 2.830mA30mA取 R=68C?音调高低控制彩灯R1ClHl-1 a 0 n FC21 aOnFU2AR12AAr-1BkQ R13-Vv%5500R2ViA'R

7、-3-Wv-图2.4高通电路RC有源高通滤波器参数的计算(设上限频率 f=1000HZ):(1)通常电容C的容量宜在微法数量级以下，R的值一般约为几百千欧内，vh由于电容容量档级较少，常先选用 C值，再计算电阻R1的值。选择Ci C2 0.1uF ,贝URiR21wiC=16K2.92 3.14 1000 0.1 10(2)考虑到二价巴特沃斯滤波器的 Q =0.707和Auf 1 R4 R3 1.5862.10故有R4=0.586R3,运算放大器两输入端的外接电阻必须满足平衡条件: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) 供电为12V,可LED承受的电流为30mA灯泡电压为2.5V，由U电 UR5 U灯2.14取 R5=550图2.5低通滤波电路由于高通滤波器与低通滤波器在电路结构上存在对偶关系，他们的幅频响应也存在对偶关系，设置的频率界限为1000Hz所以两个电路参数一样，只是接法不一样电源电路参数正向平均电流：IfId :1I ' O - 308 mA 154mA最大反向电压：UrmU R (max)2U 22 7V 10V滤波电容参数：(3 5)£1 3(3 5)- 20 103C122R'l2

9、7.3桥式整流二极管参数计算2.15-2.162.170.001 0.00183F1000 1830 F取 C2=1000y F电容耐压：UCM212V 2.18取UCM 25 V,故电容参数为C:1000u F/25V。 通过稳压管7812后 稳压为12V,提供给各个电路。2.2音乐彩灯控制器的仿真结果仿真实验：图2.6音乐大小控制彩灯仿真波形图2.6中的斜线表示触发经放大后的音频信号，方波表示的是输出信号。由图可知，音频信号经过放大之后进入单稳态集成电路.从图2-6可以看出正弦波处于正半波上升沿是，单稳态触发并输出信号，由此可知当音乐音量大小改变时，正弦波 增大，那么彩灯闪亮的速率加快，音

10、量减小时，波的幅度减小，彩灯闪亮减慢或停 止。图2.7节奏电路仿真图图2.7中斜波表示的是放大后的音频信号，方波表示的是经音频信号调谐多谐振荡 后输出的触发信号。从图中可以看出经放大后的音频信号可以调制触发信号的脉宽, 从而使触发信号驱动彩灯，并使彩灯随音乐节奏的快慢而闪亮图2.8 音调高低仿真图图4-5为音调控制的输出仿真图，起伏大的线代表高通x1的波形，起伏小的线 代表低通x2的波形，当有高于1000Hz的脉冲到LM358时x1就输出波峰达到3v的 波形，而x2的波形就趋近X轴。2.3 音乐彩灯控制器的仿真调试调试方法：首先在软件中画好电路图，然后检查电路中各元件是否连接正确，连 接正确的

11、情况下加入信号，由于此软件不能直接加入音乐信号，所以用正弦（音频 电信号是由许多的正弦波叠加而形成）代替，加入信号后观察彩灯的闪亮情况，遇 到不正常时及时修改。调试中遇到的故障：故障1：放大电路不匹配。分析：单稳态电路需要的使反向电压，无稳态使用的事完整的正弦波。解决：在两个电路使用独立放大。故障2:接地信号的交叉。分析：交流接地不能直流接地接在一起。解决：两个接地单独接地。3音乐彩灯控制器硬件系统的设计3.1设音乐彩灯控制器硬件系统各模块功能简要介绍音乐大小控制彩灯的电路的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

12、路用 LED发光二极管。 * * :：|33(Bt©M0 ：w I j ii j e i a-r W ig «T -'CUT:6800 :R211kQ.R4 1kO :0JT HPH VIRTUAL丄门Z±22nF：tCH 1 - - mij a b a- M5 VIRTUAL :图3.1音乐大小电路图音频输入后，经过由VT组成的音频放大器电压放大。555时基电路与电阻R5 电容C3接成典型的单稳太工作模式，由于 R5 C3的取值较小，所以暂态时间非常 短，t 1.1R3C3 123.42 s。限流电阻R6构成保护电路，去驱动LED闪亮。音频输入时，经VT

13、反向放大，使时基电路2脚电平在Vdd 3上下波动。当电位不 大于Vdd 3时，时基电路置位，进入暂态，3脚输出高电平，晶闸管导通，LED发光。 由于暂态时间很短，很快又翻回稳态，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。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 LED发光。

14、R£1图3.2节奏电路图晶体管Q1组成音频放大器，他将音频信号加以放大，然后通过电容C8电位器R26加到ME555寸基电路的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LEDLLED10依次点亮。调节电位器，R29因改时基电路A2的振荡频率，故 使彩灯LED1LED4的循环速率。音频信号经过 Q2放大、通过R21加到A2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A

15、2的振荡频率随音乐的频率而变化，所以 LEDLED4的循环点亮的速 率又随音乐的节奏而改变。调节 R29的阻值，则可调节电路的灵敏度。音调高低控制彩灯的电路的实现音频经放大（放大电路和节奏电路合用）输入后分别送往高低通电路。高通电路：由C4入经过C5到U2（ LM358的3脚入，滤出低频，1脚出。在LM358 内滤出低频信号，高频信号从1脚出来后使Q1导通，驱动LED2发光。低通电路：由R12入经过R10到LM358的 5脚入，滤出高频，7脚出。在LM358内滤 出低频信号，高频信号从1脚出来后使R13导通，使LED2发光。图3.3音调电路图电源电路设计单稳态电路的工作电压在318V之间，选取

16、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、稳压电路图3.4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。60Hz討眄:'NLT'T1：:U1：:LM7S12CTina - - -

17、721ES :WTASS .I a f I *1|> I图3.5电源电路3.2电路原理图、PCB图7图3.6电路原理图吕巳住釧%LHP HP图3.7PCB图4 设计结论、误差分析、教学建议4.1 音乐彩灯控制器的设计结论及使用说明 本次设计主要是应用数字电路和模拟电路的知识来设计音乐彩灯控制器。使用 了 NE555 时基电路的单稳态电路和无稳态电路实现音乐节奏控制彩灯和音乐大小控 制彩灯；使用高低通电路实现音调控制彩灯。软件仿真和实物都能达到设计要求。4.2 设计课题的硬件调试安装完成后，通电并加入信号。 发现彩灯常亮， 检修思路：检测电源是否正常， 用万用表检测时发现电源电压只有 8V

18、,正常应当在12V。然后判断故障是在电源电 路是在电源还是负载，断开负载发现电源恢复到12V。证明故障在负载，为了方便检 修,把三个负载电路分别断开,分别通电检测。故障 1：音乐大小电路，通电检测电压时发现点要只有8V。分析: 证明电路有轻微短路， 用电阻发检测各个焊点间无短路状况， 证明短路在 原件，由以前的经验。电阻坏是不可能是阻值变小，只可能变大。分析电路发现只 有一个三极管和一个电容，除了就是 NE555有可能坏.解决：分别取下电容和三极管检测，发现三极管的 ce 极的电阻为 0，证明三极 管坏，换上新的三极管后，电压正常，彩灯依旧常亮。故障2:检测NE555的输出端，发现电压为7V,

19、有电压跳变。但跳变时间很短， 要仔细才能分辨。分析:有可能使暂态时间过短，或限流电阻过大。解决:检测 2脚调谐端， 电压为交流 -3V, 证明各端电压正常在工作。但单稳态电 路暂态时间过短，导致我们不能识别。根据 T=1.1RC可知增大电阻或电容都能使时 间变大，所以就把电容改为 0.1uF. 再检测电路，正常。图4.1故障1.2所在点故障3：节奏电路通电和加入信号彩灯不闪动。分析：可能使电容击穿或是三极管放大有问题。解决：检测电源电压，9V正常用万用表去检测NE555的3脚，发现电压恒为0V, 无跳变，再检测2脚和6脚调谐端，V6=V2=0V分析电路，6脚和2脚通过电容c4 接地，断电用电阻

20、法测2脚对地电阻为0。取下c4检测，发现c4穿。换上后电路正 常。图4.2故障所在点VIRTUALC3J.7pF再通电在音调电路时，接通后单个彩灯闪亮，电路正常再连接各电路检测，运行 正常，调试完成。4.3音乐彩灯控制器的误差分析由于商店提供的元器件型号有限，所以有些器件是用相近的型号大小代替，因 此产生误差。原件本身参数不稳定也是产生误差的重要原由4.4设计体会通过这次设计，我对模拟电路和数字电路有了更加深刻的理解。对一些知识也 有了全新的感悟，不像以前一样只停留在课本上。这次设计试验，让我明白了，我 所了解的东西都很片面，在实际操作中，仍有许多知识盲点，而且有时候实际的东 西并不像课本上所

21、说的那么简单，还需要我们继续深入的学习。这只是设计用的演示电路并不成熟， 如果用于实际生活和生产中，还有一定的差 距，主要表现在以下几方面：1、电压的匹配上，实验电路的电压在 12V,彩灯只有2.5V，但在实际中使用的 都是220V电压，这样使用时就不是很方便。并且有了变压器重量增加，不利于生产和运输。2、设计时用了电位器，要随时调节灵敏度，这样即麻烦而且还会使控制器达不 到最好的设计效果。3、设计时用的是信号直接输入，有线连接，这样不便于安装。下一步的工作将进一步完善电路，使其在实际应用中更加方便，使彩灯早艺术 上更加完美。在视觉感受更加美好参考文献1 康华光编电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.225132 阎 石编.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2004.4664943 曹才开编.电路与电子技术