音乐彩灯控制电路&PSPICE讲解

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1、1 课程简介课程简介 一、课程性质：设计性实验课 验证型 设计型 综合型 教材：电子技术基础实验（第三版）陈 大钦主编；高等教育出版社；2008.6 二、课程特点：开放式教学 教学内容开放 元器件开放 实验室和仪器开放 2 课程简介课程简介 三、教学时数：32+32（课内：课外=1:1） 学生需要另外预约实验时间：7个单元。可 登陆电信系开放实验管理系统进行预约： 四、实验报告要求 要求回答所有相关实验思考题，并就 实验中出现的问题现象、原因分析、解决 方法进行描述与分析论证。 3 课程简介课程简介 五、成绩评定 平时成绩：占35% 实验操作考试：占30% （开卷） 期末笔试：占20%（闭卷）

2、 综合性实验项目：占15% 不重考，只重修！ 4 课程简介课程简介 综合性实验项目以赛课结合方式进行，由团队按照 校内大赛及课程要求向大赛组委会及班级教师提交参赛 申请并提交参赛文档，由各班教师安排班内集中初赛测 试与答辩演示环节，进入决赛团队需经各班教师推荐或 组委会审查，获得决赛资格以进入决赛评奖环节。 学生可采用BASYS2或XILINX公司FPGA相关实验 板设计综合实验项目及电子系统作品申请参赛及评优， 优胜者可获校内大赛奖励及课内成绩加分的奖励。大赛 初赛环节安排在课程结束前5周进行，决赛环节拟在学 期结束前3周进行。 5 课程简介课程简介 六、实验内容安排 音乐彩灯控制电路（第8

3、、9周42） ISP器件的设计与应用（第10、11周4 ） 计数、译码、显示与简易数字钟（第12周4 ） 赛课结合班内初赛测试与展示（第14周4 ） ISP器件的设计与应用（第15、16周4 ） 数字钟插板实验（第17、18周 42 ） 操作考试（第19周） 6 实验室有关规定实验室有关规定 进入实验室，须遵守实验室规章制度； 上课前须签名，按学号对号入座； 按照学号使用对应号码的万用表； 上完课后，每班安排4人做卫生（班长安排）： 整理桌面：仪器归位、关闭电源、清扫桌面、摆 好凳子 扫拖地面：先扫后拖； 整理万用表：将表笔放好，并按顺序号放入柜内 。 7 实验室有关规定实验室有关规定 出现异

4、常情况（如冒烟、异味等）及时报告老师 并做相应处理，如切断电源等。 发现仪器有问题，报告老师，确认后在记录本上 做好登记。 无故旷课累计达总学时数三分之一的，本课程重 修。 课程任务提前完成者，老师验收后可以提前离开 实验室，或可以不来实验室。 不能在实验室内吃东西。 8 音乐彩灯控制电路音乐彩灯控制电路 一、实验任务 二、实验要求 三、设计步骤 四、设计原理 五、实验步骤 六、实验注意事项 七、实验报告要求 9 一、实验任务一、实验任务 音乐不仅仅可以通过听觉欣赏，也可以同时 通过视觉感受，这就是当今流行的彩色音乐。 设计一种组合式彩灯控制电路，该电路由两 路不同控制方法的彩灯组成，彩灯可采

5、用不同颜 色的发光二极管组成不同的图案来实现。 按话筒输出信号的音调的高低（信号频率高低 ）控制彩灯； 按话筒输出信号的音量的强弱（信号幅度的大 小）控制彩灯。 10 二、实验要求二、实验要求 设计电路、并采用PSpice等仿真软件对各电 路进行计算机模拟仿真，选取最佳参数。然后进 行系统联调、性能指标测试。 两路控制电路具体要求为： （1）第一路按话筒输出信号的音量的强弱（信 号幅度的大小）控制彩灯。音强时，彩灯的亮度 加大，反之，亮度减弱。 （2）第二路按话筒输出信号的音调的高低（信 号频率高低）控制彩灯。低音时，某一部分彩灯 点亮；高音时，另一部分彩灯点亮。 11 二、实验要求二、实验要

6、求 验收要求 u 按话筒输出信号的音量的强弱（信号幅度 的大小）控制彩灯。音强时，彩灯的亮度加大（ 或个数增加），反之，亮度减弱。要求能播放音 乐（话筒输出到扬声器）；输出功率0.3w 。 u 能把输入的音乐信号分为高、低两个频段， 并且分别控制两种颜色的彩灯。主要技术指标： 高频段：20006000Hz，控制绿灯 低频段：低于2000Hz，控制红灯 扩展要求 其它功能扩展（可加分）。 12 三、设计步骤三、设计步骤 根据任务要求，经过可行性的分析与论证， 得出系统总体设计方案。 画出总体设计结构框图。 根据设计的技术要求，选择合适的功能单元电 路。 确定所需要的具体器件(型号及参数)。 将元

7、器件及单元电路安装起来，设计出完整的 系统电路。 13 四、设计原理四、设计原理 总体方案总体方案 根据任务要求，本控制器可分为两部分电路 来实现： （1）实现声音信号强弱的控制，则应将声音 信号变为电信号，经过放大、整流滤波，以 信号平均值驱动彩灯发亮。信号越强，则灯 的亮度越大。 （2）为实现高、中、低音（不同频率信号 ）对彩灯的控制，采用高、带、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，然后经过放大器驱动电路使相应 的发光二极管点亮。 14 四、设计原理四、设计原理 总体方案总体方案 彩灯控制器原理框图 15 四、设计原理四、设

8、计原理 语音输入与放大 语音输入是指能将声音信号转换为音频电信 号的拾音设备，即传声器话筒（也称麦 克风Microphone）。 话筒的种类很多，按工作原理可以分为电动 式话筒和电容式话筒。电容式话筒是目前常 用的拾音设备。 驻极体电容话筒（ECM）的主要技术参数： 灵敏度典型值：-66-56dB或515mV/Pa； 频率响应典型值：50Hz12kHz； 输出阻抗典型值：不大于2k； 工作电压：DC1.512V。 16 话筒的输出信号一般只有5mV左右，话筒的 输出阻抗有高阻（约20k）、亦有低输出 阻抗的话筒，如20，600等。 本实验中采用输出阻抗为600的电容话筒 。 由于话筒的输出信号

9、只有5mV左右，为了使 放大器能够不失真地放大话筒输出信号，其 输入阻抗应远大于话筒的输出阻抗(10倍左 右)。 由于在典型情况下，共模噪声可能高达几伏 ，故放大器输入漂移和噪声等因素对于总的 精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性 也同等重要。因此放大电路应该是一个高输 入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放 大电路。 四、设计原理四、设计原理 语音输入与放大 17 同相放大电路具有输入阻抗非常高，输出 阻抗很低的特点，广泛应用于前置放大电 路。 同相放大电路： 由A1、A2两级同相放大电路串联而成 四、设计原理四、设计原理 语音输入与放大 18 电路总的电压增益为两级电压增益的乘积 。 由

10、于话筒输出信号较小，本级电路的电压 增益需达到100倍左右。Rp与R2是平衡电 阻，用于消除运放输入偏置电流的影响， 要求RpR1/Rf，R2R3/R4。 输出电压 输入电阻 式中，ric为运放本身 同相端对地的共模输入电阻，一般为1M 。 四、设计原理四、设计原理 语音输入与放大 19 在实际的电子系统中，输入信号往往包含 有一些不需要的信号成分，必须设法将它 衰减到足够小的程度或者把有用信号挑 选出来。为此，需要采用滤波器。 根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率 的相对关系，滤波器可分为低通滤波器、 高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等 种类。 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 20

11、四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 21 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 根据滤波器中是否使用有源器件,可分为有 源滤波器和无源滤波器。 如果在一级RC低通电路的输出端再加上一 个电压跟随器，使之与负载很好地隔离开 来，就构成了一个简单的一阶有源低通滤 波电路。由于电压跟随器的输入阻抗很高 、输出阻抗很低，因此，其带负载能力得 到加强。 如果希望电路不仅有滤波功能而且能起放 大作用，则只要将电路中的电压跟随器改 为同相比例放大电路即可。 但由于集成运放的带宽有限，目前有源滤 波器的最高工作频率只能达到1MHz左右。 22 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 23 无源滤波电路主要存在

12、如下问题： 电路没有增益，且对信号有衰减。 带负载能力差。在无源滤波电路的输出端 接上负载电阻RL时，则其幅频特性将随RL 的变化而变化。 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 24 人耳听觉范围的信号频率在20Hz20kHz 之间。为简便起见，可将音频信号分为两个 不同的频段，分别用低、高通滤波器来区分 这两段频率信号，然后经驱动电路使彩灯工 作。 低、高通滤波器电路可参考P106实验十二 ，采用二阶有源滤波电路，根据截止频率， 选取适当参数即可。 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 25 二阶二阶有源有源低通滤波器低通滤波器 图4.12.1 瓷片 103 Vip-p=2V 上限截止频率:

13、 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 26 如设低通滤波器的上限截止频率 fH=500Hz 首先选择电容C0.01F，由于 ， 则 取标称值30k串1.8k。 考虑到二阶巴特沃斯滤波器的Q0.707和 ，则Rf0.586R1 再由Rf/R163.7 k，可求得R1 172.4k和Rf101.02k。R1取标称值160 k串13 k，Rf取标称值100 k串1k。 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 27 二阶二阶有源有源高通滤波器高通滤波器 RC互换位置 下限截止频率: 图4.12.2 四、设计原理四、设计原理 滤波器设计 28 四、设计原理四、设计原理 整流、滤波电路设计 整流、滤波电路

14、的作用就是将前级放大电路 输出的交流信号经整流滤波后，把交流电压 变成平均值电压（直流），其直流电平随音 乐信号大小而上下浮动，进而控制灯的亮度 。 图7.30.4所示电路是反相输入的半波整流平 均值电路。A1可组成半波整流电路，A2构 成反相比例放大电路，C为滤波电容，以减 小输出波形的脉动。 29 半波整流电路 四、设计原理四、设计原理 整流、滤波电路设计 30 当VI0（即正半周）时，D1截止，D2导 通，此时 当选择R1=Rf1时， 当VI 0（即负半周）时，D1导通，D2截 止，此时 C和R4组成滤波电路，以减小整流后的纹 波电压。可选C为10F,最后在调试中确 定. 精密全波整流电

15、路见P104图4.11.1 四、设计原理四、设计原理 整流、滤波电路设计 31 四、设计原理四、设计原理 发光二极管驱动 发光二极管和普通二极管一样都具有单向导电 性，正向导通时才能发光，光的亮度随导通电 流增大而增强。 发光二极管正向导通电压表 颜色 红 黄 绿 VF（10mA）/V 1.61.8 2.02.2 2.2 2.4 需注意发光二极管的导通电流不能太大（小 于20mA），否则会损坏。使用时应在LED电 路中串接限流电阻R，其阻值由下式计算： 式中，VO为本系统中整流、滤波电路输出 电压，IF为发光二极管导通电流，一般为2mA 10mA。 32 四、设计原理四、设计原理 发光二极管驱动 式中，VO为本系统中整流、滤波电路输 出电压，IF为发光二极管导通电流，一般为 2mA10mA。 33 五、实验步骤五、实验步骤 第一步：设计原理电路。 1. 分配各级电路的电压增益 根据本系统任务要求，整级电路分为两大部分 ，一部分由两级电路组成，一部分由三级电路 组成。电路总的电压增益为各级电路电压增益 之