电工电子技术课程设计.docx
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电工电子技术课程设计
题目音乐彩灯控制器设计
班级10材成2班
学号201010340
姓名李
指导江老师
时间2012/6/4---2012/6/11
景德镇陶瓷学院
电工电子技术课程设计任务书
姓名李班级__10材成2班_指导老师江老师
设计课题：
音乐彩灯控制器设计
设计任务与要求
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。
设计步骤
1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；
2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；
3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；
4、列出标准的元件清单；
5、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；
6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。
设计说明书字数不得少于3000字。
参考文献
【1】杨自厚.自动控制原理［M］.北京:
冶金工业出版社,1998
【2】邵惠鹤.工控制原理[M].北京：
国防工业出版社，2000.
【3】戴忠达.自动控制原理［M］.北京:
清华大学出版社,1991.
【4】孙丽霞.电子技术实践及仿真.高等教育出版社，2005
1、总体方案与原理说明.................................4
2、电源电路...................7
3、同步脉冲发生器和阶段波发生器的工作原理和设计…………………………..8
4、带通滤波器的工作原理和设计…………………...…………………………….11
5、放大电路...........................12
6、精密整流器的工作原理和设计…………………………………………………13
7、电压比较器和同步脉冲控制电路……………………………………………14
8、10mv音乐信号鉴别器的设计和原理；……………………………………….15
9、总体电路相关说明.......................................16
10、总体电路原理电路图.....................................…….17
11、原件清单……………………………………………………………………18
12、参考文献……………………………………………………………………19
13、心得体会……………………………………………………………………20
1、总体方案与原理说明
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。
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。
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可控硅，从而控制灯泡的亮度。
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。
方框图如图所示。
2．电源电路：
由于实验给出电源为220V交流电，而实验所需芯片的工作电压大致在5－12V，故需要首先设计一个电压转换部分，将220V的交流电转换成5V，12V，相当于一个直流稳压源，以供数字和模拟芯片正常工作。
其转换电路如下所示：
变压器变压，再经过全波整流电路和滤波电容得+12V和-12V直流电压作为运算放大器的电源。
+12V经过W7805稳压后得到+5V的电压，供TTL数字集成电路使用。
3.同步脉冲发生器和阶段波发生器的工作原理和设计
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。
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。
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l2V，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
图5uAuBuCuDuE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R2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。
5.放大电路
由于音乐信号的幅度十分有限,仅为十几毫伏,为了驱动后面的电路,必须将输入信号放大后再经过选频等一系列处理。
放大电路可以采用很多的形式，比如LM339芯片，普通的三极管放大等等。
由于无特殊要求,本实验采用三极管放大。
1）三极管的放大原理
如图所示，图中为NPN型三极管共基接法。
因为基区很薄，在发射区的电子，少部分与基区的空穴复合多数载流子电子扩散到基区形成正向发射极电流的同时，到达基区的大部分电子迅速扩散到集电结边缘，在反偏集电结的强电场吸引下，漂移过集电结形成集电极电流。
显然，流过正偏发射结的电流越大，则流过反偏集电结的电流也越大。
如果改变发射结的正偏电压，使发射结电流作相应变化，则集电结的电流也将随之变化。
从而实现了电流的控制和放大作用。
Ibq
三极管单极放大电路
元器件的选择
电阻20kΩ俩个,3kΩ一个、130kΩ一个、620kΩ一个、三极管俩个、稳压电源。
6.精密整流器的工作原理和设计
在图6中，A5、A6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。
A6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，限制通过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。
7.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，与门被封锁，同步触发脉冲通不过，可控硅截止。
图7uHuOuTuGuF电压波形图
由此可见，|uG|的大小决定了A7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、uT、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。
8.10mV音乐信号鉴别器的原理与设计
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T2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810mv音乐信号鉴别电路原理图
9.总体电路原理相关说明
当输入信号大于10毫伏时，红绿黄三路灯分别受三路滤波器的控制而发亮，当输入信号频率在2000—4000HZ时，高频滤波器被选通，相应蓝灯点亮；同理，当输入信号频率在500-1200HZ时，中频滤波器被选通，相应黄灯被点亮；而当输入信号频率在250以下时，红灯被点亮，于是实现了彩灯随着信号频率的变化而变化。
该部分主要受滤波器的控制，因而对于滤波器的精度要求比较高。
较好的滤波器可以更精确的实现彩灯的控制。
音乐信号经过滤波器后，进行幅度选择，音乐信号按幅度大小分为八个亮度段，当输入音乐声音大时，电信号幅度也会相应增大，灯的亮度也增大；反之，当输入音乐信号声音较小时，电信号幅度也相应减小，灯的亮度减小。
将当输入频率信号小于10毫伏时，经过LM324的控制以及7408的巧妙应用，使输入灯的电平在高低之间循环，从而实现了灯的全亮。
10.总体电路原理图
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
李茂林201010340212
11.原件清单
名称
位号
型号规格
数量
名称
位号
型号规格
数量
运放
R1
150K
9
晶体三极管
VT1
2n3904或（9014）
4
数字集成块
R2
24K
3
整流二极管
D1-D4
1N4001
4
集成稳压块
R5
CW7850
1
电容
C1C2C3C4
1000uf/16v电解电容
4
电容
C4C6
0.033uf/63v薄膜电容
2
电阻
R12-R13
13K
2
电阻
R3
10K
1
电阻
R16R17
33K
2
电阻
R4
200K
1
电容
C7C9
0.01uf
2
电阻
R5
2.2K
1
整流管
D8D9
2AP9
2
电阻
R1
10K
1
电阻
R20R21
10K
2
电阻
R10
10K
1
电容
C11
10uf
1
电阻
R9
20K
1
电阻
R22
20K
1
电阻
R8
40k
1
电阻
R25
680K
1
电阻
R7
80K
1
电阻
R23
25K
1
电阻
R27
2K
1
电阻
R29
5K
1
电阻
R30
360
1
电容
C12
10UF
1
电阻
R32
2.2
1
12.参考文献
【1】秦曾煌；电工学简明教程；高等教育出版社；2007.6
【2】王澄非；电路与数字逻辑设计实践；东南大学出版社；1999.10
【3】李银华；电子线路设计指导；北京航空航天大学出版社；2005.6
【4】韩振振；数字电路逻辑设计；大连理工大学出版社；2000.1
【5】高吉祥；电子技术基础实验与课程设计；电子工业出版社；2002.2
【6】康光华；电子技术基础（第五版）；北京：
高等教育出版社；2006
【7】朱红永；陈勇王博；555定时器构成的报警电路设计；海军蚌埠士官学校基础部,安徽蚌埠 233012；2009年增刊
【8】李健；555定时器及其应用；沈阳师范大学物理科学与技术学院辽宁沈阳110000
【9】孙丽霞.电子技术实践及仿真.高等教育出版社，2005
【10】陈辉；555定时器在定时控制电路中的应用研究；西北师范大学物理与电子工程学院甘肃兰州730070
【11】杨宇赵玉霞徐刚；555定时器功能及应用的探讨；陆军航空兵学院信息技术教研室，北京101123；2007.5
12.心得体会
本次电工设计可以说来的比较突然，对我自己来说是一个很大的挑战。
以前从来没有想过有一天要自己设计电路，而且是永那些很精细复杂的的原件。
但是既然这是这个星期的作业，自己硬着头皮也得把它做完。
这次的实验是一个设计实验，我们都得自己做。
我首先在网上找资料，我发现网上的资源就那么几篇，大多数是类似的。
都不够详细，读不懂。
后来去找了视频，去找了书籍的资料，好不容易定下了一个设计题目。
可是画图确实一个很大的难题。
老师提供的参考绘图软件，那是相当的难啊！
全是英文版的符号的，不知道什么对应的是什么元器件，这又得查阅资料去寻找需要的元器件的英文名，从而画出相应的图来。
外国人都说我们的动手能力不够强，也许正是我们在自己动手方面比较欠缺，这样的设计实验应该多多开展，有利于大家动手能力的提高。
总的来说，这个实验是很难的，花了我很多时间去做这个实验，也查阅了很多资料。
在这次的学习过程中，我收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
在这段时间，可以说是繁忙而充实的。
这个课程实验趣味性强，不仅锻炼能力，而且可以学到很多东西自己在这段时间确实学到了不少东西，很感谢这次富有挑战性的设计实验。
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