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1、两由2孽虎模拟电子技术课程设计说明书音乐彩灯限制器院、部：电气与信息工程学院学生姓名：李艺为指导老师：贾雅琼职称讲师专业：自动化班级:自本IOOI班完成时间：2012年6月3日音乐彩灯限制器是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，它由音乐声响限制彩灯灯光效果的限制电路.该彩灯限制器有三路,分别由不同颜色的1.ED组成，它随着音乐的节奏、大小、音调的变更而变更的，它的亮度、颜色和图案不断变换，使彩灯在艺术上有了很大的提高，也使人的视觉和听觉结合在一起获得综合的艺术享受。本文的主要内容有以下几点：1、设计音乐信号放大电路。2、555时基电路构成单稳态实现音乐大小限制彩灯。3、555时基电路构成多谐电路实现
2、音乐节奏限制彩灯。4、设计滤波电路，实现音乐的音调限制彩灯。关键字555时基电路；音乐大小；音乐节奏；音调凹凸ABSTRACTMbination1.ightco1.ored1.ights,itconsistsofmusicsoundcontro1.1.ights1.ightingeffectofthecontro1.circuit.The1.ightscontro1.1.erhavethreeroadzrespective1.ybydifferentco1.orsof1.EDzita1.ongwithmusicrhythmzsize,tonechanges,itsbrightness,co1.
3、orandpatterncontinuous1.ytransformation,makethe1.ightsonarthadtheverybigenhancement,a1.somakethepersonofvisua1.andauditorytogethergetcomprehensiveartenjoyment.Themaincontentofthisartic1.ehavethefo1.1.owing:1, designmusicsigna1.amp1.ifiercircuit.2, 555zasing1.estatecircuitrea1.izedmusicsizecontro1.1.
4、ights.3, 555zmorethanacircuitcircuitimp1.ementationmusicrhythmharmoniccontro1.1.ights.4, designfi1.tercircuit,rea1.izethemusicoftonecontro1.1.ights.KeywordsThe555circuit;Musicsize;Musicrhythm;Tonesdiscretion1 .设计课题一一音乐彩灯限制器11.1 设计课题任务11.2 功能要求说明11.3 音乐彩灯限制器总体方案介绍及工作原理说明12 .音乐节奏限制彩灯32.1 音乐节奏限制彩灯的工作原理
5、32.2 音乐节奏限制彩灯的电路设计32. 2.1音频放大电路33. 2.2多谐振荡器44. 2.3CD4017电路45. 2.4音乐节奏限制彩灯总电路图53.音量大小限制彩灯63.1 音量大小限制彩灯的工作原理63.2 音量大小限制彩灯的电路设计63. 2.1放大电路设计63. 2.2单稳态电路设计66. 2.3音量大小限制彩灯总电路图74.音调凹凸限制彩灯84.1 音调凹凸限制彩灯的工作原理84.2 音调凹凸限制彩灯的电路设计84. 2.1高通滤波电路84. 2.2低通滤波电路97. 2.3音调凹凸限制彩灯总电路图95 .小功率电源电路的设计106 .设计结论、误差分析、教学建议等11结束
6、语12参考文献13致谢14附录151 .设计题目一音乐彩灯限制器声控音乐彩灯是音乐声响与彩灯灯光的相互组合，使音乐的旋律伴以亮度、颜色和图案不断变换的灯光，使人的视觉和听觉结合在一起，获得导综合的艺术享受。1.1 设计课题任务设计一个音乐彩灯限制器。要求该音乐彩灯限制器电路由三路不同限制方法的彩灯所组成，采纳不同颜色的发光二极管显示。1.2 功能要求说明第一路为音乐节奏限制彩灯，按音乐节拍变换彩灯花样；其次路按音量的强弱（信号幅度大小）限制彩灯。强音时，灯的亮度加大，且灯被点亮的数目增多；第三路按音量凹凸（信号频率凹凸）限制彩灯。低音时，某一部分灯点亮；高音时，另一部分灯点亮。1.3 音乐彩灯
7、限制器总体方案介绍及工作原理说明1.3.1 设计思路依据课题要求，本限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，实质上它是具有肯定时间间隔的节拍脉冲信号。因此，可采纳计数、译码驱动电路构成节拍脉冲信号发生器（或称时间依次限制器），使相应的彩灯按节奏点亮和熄灭。为实现音量强弱（信号幅度大小）对彩灯的限制，应当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。为实现音调凹凸（信号频率凹凸）对彩灯的限制，采纳凹凸通有源滤波电路。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
8、应的发光二极管点亮。1.3.2 限制器原理框图采纳动圈式话筒或者扬声器，将声响信号变成电信号输出，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）送往凹凸通电路，取出所须要频段信号后驱动彩灯发光。,流电一,流电_叁谐振荡单稳态_触发一流电4计数谛f码电能I1.ED I限制器原理图2 .音乐节奏限制彩灯2.1 音乐节奏限制彩灯的原理音乐的节奏往往是由乐队的鼓点来体现，实质上是具有肯定时间间隔的脉冲信号。我们的目标是要彩灯依据节奏依次闪亮。因此，设计了一个多谐振荡器，由音乐信号
9、调谐，产生计数脉冲，使彩灯循环点亮的速率随音乐的节奏而变更。有了节奏脉冲，还应有计数和译码，这样才能依次点亮彩灯。1.ED点亮时，由于脉冲电流过大所以还须要限流电阻爱护1.EDo由于在触发节奏脉冲的电压比输出的音频信号大，所以还须要一个音频放大电路。电源与上电路公用一个。电路工作原理：音频信号输入后经过放大电路放大后进入多谐振荡调制其频率，多谐振荡产生出脉冲信号后送计数器计数后译码，再送入驱动电路驱动彩灯闪亮。图3-1节奏流程框图2.2 音乐节奏限制彩灯的实现2.2.1 音频放大电路放大电路运用基极分压式射极偏置电路：工作电压为12V,同时，为了增加电路稳定静态工作点的效果，同时兼顾其他指标，
10、工程上一般取Vbq=(3-5)V,11=(5-10)Ibq2.1另外，(1.+)Re10(Rb1.I1.Rb2)2.2三极管为9013,9013的放大倍数为229,而b-e极限电压为0.7V才能饱和导通，由于9013集电极承受的最大电流为0.5A,R2=5.IK,所以用R1.=IM的电阻使电压适合于三极管的放大。2.2.2 多谐振荡器该电路工作电压UCC设为12V,输出级的驱动电流可达225mA。当R4远远大于R3时，D=50%,此时输出的波形为志向对称的方波，所以R4运用IoOK的可变电阻，这样实现了方波，也使R4可以调整电路的灵敏度。C1.在充、放电过程中，其电压在VCC的1/3到2/3之
11、间变更，所以时基电路3脚输出高电平的时间1.可用以下式表示（即充电周期），即T1.=O.7(R3+R4)C42.33脚输出低电平常间七(即放电周期)：t2=0.7R4C142.4振荡周期T：T=t1.+t2=0.7(R3+2R4)C42.5f=15Hz依据以上公式可以求出R3、C3、C4,由于电容在市场上的型号不多。所以就选相近的2.2.3 CD4017电路CD4017的供电的电压为3V15V为了便利电源供电就选用12V作为供电电压。1.ED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=320的电阻。2.3 音乐节奏限制彩灯总电路实现三极管构成放大电路,放大后
12、送振荡电路。用NE555够成自激振荡器送出方波，即是脉冲信号，通过计数器和译码器后，经过限流电阻1.ED发光。晶体管QI组成音频放大器，他将音频信号加以放大，然后通过电容C3电位器R7力口至IJNE555时基电路的5脚，对555构成的振荡器进行调制。CD4017为十进制计数/译码器，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，通过译码器使彩灯1.ED1.1.EDIo依次点亮（由于工作区大小有限，发光二极管并未全部画出）。调整电位器，R7变更时基电路U5的振荡频率，故使彩灯1.EDI1.ED4的循环速率。音频信号经过QI放大、通过R7加到UI的
13、5脚，因变更5脚电平的凹凸，使555的阀值翻转，电平发生变更，即对振荡器频率进行调制，亦使U1.的振荡频率随音乐的频率而变更，所以1.ED1.1.ED4的循环点亮的速率又随音乐的节奏而变更。调整R7的阻值，则可调整电路的灵敏度。3 .音乐大小限制彩灯1 .1音乐大小限制彩灯的工作原理音乐的大小，是原唱者的声音的强弱起伏，它在音频信号中表现为正弦波的波峰，所以在他达到波峰时说明他的音乐大。在波谷是他就小，所以就须要设计一个触发电路，由声音的强弱限制，依据要求运用了NE555时基电路中的单稳态电路，触发后驱动1.ED发光。由于音频电压过小，所以还要设计一个放大电路。图2-2音乐大小3 .2音乐大小
14、限制彩灯的实现3.1.1 音频反向放大电路由于555单稳态电路是低电平触发，触发电压在Vdd/3左右，调整555的2脚电压在Vdd/3上下波动，这样才能是单稳态电路触发，由于电阻可变,放大倍数不用计算，9013的放大倍数在229之间足以使电压达到单稳态所需Vdd3=4V,所以设计时采纳了反向放大,三极管起反向作用，故采纳射基偏置电路。VT(S9014C)b-e极承受的极限电压在0.7V,最大电流为0.5A,所以依据基尔霍夫定理得：U-Ur=Ubc3.1U-I*R=Ubc3.2可得：R=330Ko3.2.2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C5=0.022uF,设单稳态的暂态
15、（高电平）时间为t=0.123ms,f=8kHzo依据公式：t=1.IRC3.3得0.123*10-3=1.1*R1*C13.4所以R1.取5k限流电阻R15的计算：由于U6的3脚电压为2V,输出级的驱动电流可达225mAo,1.ED的承受电流为30mA,取R的最大取值为：V12VR=-=6673.530mA30mA3.3音乐大小限制彩灯总电路图的实现设计电源电路为了NE555供应稳定的直流电源12V；设计NE555时基电路构成单稳态触发电路，经过限流电阻，点亮电路用1.ED发光二极管。3.6音频输入后，经过由Q1.组成的音频放大器电压放大。555时基电路与电阻R2、电容CI接成典型的单稳态工
16、作模式，由于R2,C1.的取值较小，所以暂态时间特别短，/=1.1.RG=123.423限流电阻6构成爱护电路，去驱动1.ED闪亮。音频输入时，经Q1.反向放大，使时基电路2脚电平在上下波动。当电位不大于四%时，时基电路置位，进入暂态，3脚输出高电平，晶闸管导通，1.ED发光。由于暂态时间很短，很快又翻回稳态，1.ED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更而变更。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，所以依据须要调整电位器。4 .音调凹凸限制彩灯4.1 音调凹凸限制彩灯的工作原理音调主要由声音的频率确定，同时也与声音强
17、度有关。对肯定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对肯定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升，所以应用滤波器滤出高频、低频，以便利驱动彩灯发光。音调即是声音中的高音和低音，我们人类能识别的声音频率20Hz20kHz,所以设置IkHZ以上为高音、以下则为低音，所以要一个凹凸音滤波器去驱动彩灯发光。放大电路就和上面电路公用，电源公用一个。音频放大后经凹凸通滤波，送限流电阻限流后使彩灯发光。图4-1音调电路结构框图4.2 音调凹凸限制彩灯的分电路设计高通滤波电路RC有源高通滤波器参数的计算(设上限频率f=1.kHZ):(1)通常电容C的容量宜在微法数量级以下，
18、R的值一般约为几百千欧内,由于电容容量档级较少，常先选用C值，再计算电阻R的值。选择C1.=C2=0.O1.uF,R1.=R2=1.(2*pi*f*C)4.1(2)考虑到二价巴特沃斯滤波器的Q=0.707和A=1.+R4R3=1.5864.2故有R4=0.586R3,运算放大器两输入端的外接电阻必需满意平衡条件：由R4=0.586R3和R3R4=R1+R2=32k4.3得：R3=33k,R4=20k,C1.=C2=0.O1.uF,R1.=R2=16k（3）供电为12V,可1.ED承受的电流为30mA灯泡电压为2.5V,由U恺一Ur，=Uk4.4R5=550o低通滤波电路由于高通滤波器与低通滤波
19、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。音频经放大（放大电路和节奏电路合用）输入后分别送往凹凸通电路。高通电路：由入C1.经过C4到U1.,在U1.内滤出低频信号，高频信号输出来,驱动1.ED1.发光。低通电路：由R6入经过R7到U2的输入端，滤出高频，低频信号S输出来后使R1.O导通，使1.ED2发光。5 .小功率电源电路的设计5.1 电源电路单稳态电路的工作电压在318V之间，选取12V电压为电源电压，所以设计时运用220V沟通电压经过变压后得到12V的沟通电压，再经过桥式整流、整流滤波后由三端稳压781
20、2稳压为12V,供应各个电路元件运用。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、稳压电路等四部分组成，如图。(1)桥式整流二极管参数计算正向平均电流：IfId=-o=308nA=154,a5.1最大反向电压：UrmUR(max)=4U2=27V10V5.2(2)滤波电容参数:(3-5)-(3-5)-20103C1.2_=2=0.0010.00183F=1000-1830W-5.3R1.27.3C1.=IOOOUF,电容耐压：Ucm2t2=12v5.4取Ucm25V,故电容参数为C1.:1000F25V0D1220Vrms 泮Z+C1. Z1mF=bC21FU
21、11.M7812CT1.INEVREG VOLTAGECOMMON1B4B423通过稳压管后稳压为12V,供应应各个电路6 .设计结论、误差分析、教学建议等本次设计主要是应用数字电路和模拟电路的学问来设计音乐彩灯限制器。运用了NE555时基电路的单稳态电路和无稳态电路实现音乐节奏限制彩灯和音乐大小限制彩灯,运用凹凸通电路实现音调限制彩灯。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。对一些学问也有了全新的感悟,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，仍有很多学问盲点，而且有时候实际的东西并不像课本上所说的那么简洁，还须要我们接着深化
22、的学习。这只是设计用的演示电路并不成熟，假如用于实际生活和生产中，还有肯定的差距，主要表现在以下几方面：1、电压的匹配上，试验电路的电压在12V,彩灯只有2.5V,但在实际中运用的都是220V电压，这样运用时就不是很便利。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，要随时调整灵敏度，这样即麻烦而且还会使限制器达不到最好的设计效果。结束语本次课程设计主要是应用数字电路和模拟电路的学问来设计音乐彩灯限制器。运用了NE555时基电路的单稳态电路和多谐振荡电路实现音乐节奏限制彩灯和音乐大小限制彩灯；运用凹凸通电路实现音调限制彩灯。通过这次课程设计，充分的熬炼了我的动手实力，让我对模
23、拟电路和数字电路有了更深一步的理解。对一些学问也有了全新的感悟，不像以前一样只停留在理论上。这次课程设计，让我明白了我所了解的东西都很片面，在实际操作中，仍有很多学问盲点，而且有时候实际的东西并不像理论上所说的那么简洁，还须要我们接着深化的学习。经过一个多月的设计，学会了怎么去用InUItSimII和prote1.99SE这两个软件，熟识了在InUItSim1.I里面仿真和在PrOte1.99里制作画原理图和PCB图，这为以后的课程设计打下了坚实的基础，以后我将接着的努力，做到理论与实践相结合,进一步的熬炼自己的动手实力。参考文献1.1.3康华光.电子技术基础：模拟部分.5版.北京：高等教化出
24、版社，20112 阎石.数字电子技术（第五版）.北京：高等教化出版社，20113 曹才开等.电路与电子技术试验.长沙：电南高校出版社，20104 熊幸明.电工电子实训教程.北京：清华高校出版社，20115 555定时器一百度百科6 优555_百度百科7 CD4017集成电路应用200例-docin豆丁网:/docinp-56631099.htm1.本设计是在贾雅琼老师的悉心指导下完成的，贾老师渊博的学问，严谨的治学看法，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我学习的楷模。在此谨向导师表示诚心的感谢和崇高的敬意。同时感谢试验室的老师，他们给我们供应了必要的试验器材，供应了很大的便利。感谢我的同学
25、们，在做这个设计期间，他们在学习上对我有很大的帮助，最终，再一次感谢老师能在百忙之中对我的论文进行审察，由于本人学问有限，不足之处在所难免，还请老师指责指正。附录1音乐彩灯限制器电路原理图音频的输入可以是话筒或扬声器；电路图中，由于绘图区大小有限,表示的彩灯个数有限，在实际中彩灯的个数还可以接着添加，每个发光二极管的颜色不尽相同，以达到实际绚丽的效果。附录2音乐彩灯限制器电路PCB图附录3音乐彩灯限制器元器件清单数量描述符号1FWB,1B4B42D1.1CAP_E1.ECTRO1.IT,ImFC1.1CAPACITOR,IPFC21VO1.TAGE_REGU1.ATOR,1.M7812CTU1
26、.1RESISTOR,330kR91RESISTOR,330kR121RESISTOR,1.0kR145RESISTOR,320R5,R6,R7,R8,R154RESISTOR,16kR18,R20,R21,R232RESISTOR,20kR24,R251TRANSISTORS_VIRTUA1.,BJT_NPN_VIRTUA1.Q1.1TRANSISTORS_VIRTUA1.,BJT_NPN_VIRTUA1.Q21CAPACITOR,4.7FC31CAPACITOR,470nFC41CM0S_5V_IC,4017BP_5VU321.EDb1.ue1.ED1.,1.ED521.ED_green1.ED2,1.ED621.ED_ir1.ED3,1.ED711.ED_orange1.ED41CAPACITOR,22nFC52RESISTOR,33kR26,R272DIPSW1.J1.,J25CAPACITOR,IOnFC6,C7,C8,C9,C1.O4RESISTOR,1.kR3,R17,R19,R221RESISTOR,IMR1.1RESISTOR,110kR162TIMER,1.M555CMU2,U41RESISTOR,1.kR1.O1RESISTOR,5.1.kR2附录4实物图1附录4实物图1
