音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭文雄，侯世英，卓 婭，梁 健，蔡 佳

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院;2.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

0 引言

目前生活應(yīng)用多的彩燈只是按預(yù)先設(shè)定程序進(jìn)行變化，缺少音樂節(jié)奏變化。音樂彩燈控制器和以往彩燈有所不同，通過音樂信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)燈泡亮度強(qiáng)弱和色彩變化。但多數(shù)音樂彩燈實(shí)現(xiàn)電路過于復(fù)雜，有的甚至用上了單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本文所提出的音樂彩燈控制器通過音量控制彩燈亮度，用頻率控制燈光顏色變化，而且只應(yīng)用少許集成塊實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。

本方案需要將音響設(shè)備的音頻信號(hào)接入裝置，而并非簡(jiǎn)單麥克風(fēng)，提高彩燈隨音樂變化的精度并使方案簡(jiǎn)單實(shí)用。一種方法是采用控制可控硅［1］導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)燈泡亮度;另一種方法是移相法，讓連續(xù)出現(xiàn)的同步觸發(fā)脈沖的相位，隨著音樂信號(hào)幅度大小的改變，燈泡亮度也隨之改變，

由于燈泡燈絲的熱慣性，燈泡明暗程度隨音樂連續(xù)變化，克服閃爍現(xiàn)象。但這種方法控制電路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。相比之下，控制可控硅導(dǎo)通時(shí)間方案來調(diào)節(jié)燈泡亮度更易實(shí)現(xiàn)，且由于燈泡隨音樂有節(jié)奏閃爍，增強(qiáng)了歡快氣氛。

1 控制器方案設(shè)計(jì)

音樂信號(hào)分3個(gè)頻率段，分別控制紅、黃、藍(lán)三種顏色彩燈。高頻段:2000-4000Hz控制藍(lán)燈;中頻段:500-1200Hz控制黃燈;低頻段:50-250Hz控制紅燈。每組彩燈的亮度隨各路輸入音樂信號(hào)的大小分為8個(gè)等級(jí)。輸入音樂信號(hào)最大時(shí)，彩燈最亮。如圖1系統(tǒng)總圖所示，當(dāng)音樂響起時(shí)，帶通濾波器把音樂信號(hào)分為三個(gè)頻段。經(jīng)精密整流器整流輸出隨音樂信號(hào)變化的負(fù)電壓，為電壓比較器的參考電壓，與另外輸入的階梯波比較，控制與門打開時(shí)間，從而控制一個(gè)周期內(nèi)觸發(fā)可控硅的脈沖個(gè)數(shù)，此時(shí)彩燈亮度隨可控硅觸發(fā)時(shí)間變化而變化。當(dāng)音樂信號(hào)停止，鑒別電路輸出高電平，或門打開，同步脈沖全部通過，可控硅持續(xù)觸發(fā)，彩燈全亮。

圖1 系統(tǒng)總圖［2］

2 控制器方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 電源電路

如圖2所示，220V交流電經(jīng)變壓器二次繞組降壓，再通過CW7805和CW7912等三端集成穩(wěn)壓器整流，得到+5V，±9V，±12V，±15V的直流電壓，供電平轉(zhuǎn)移電路和TTL數(shù)字集成電路使用。

圖2 電源電路圖［3］

2.2 同步脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

如圖3所示，運(yùn)算放大器 N1、電阻 R3和 R4組成滯回電壓比較器，其閾值電壓為

圖3 同步脈沖電路

滯回電壓比較器輸出電壓的波形如圖4所示。

圖4 U波圖

當(dāng)UC為高電平時(shí)三極管V1飽和導(dǎo)通，UD直接與地相接，與非門74LS00輸出高電平;當(dāng)UC為低電平時(shí)三極管 V1截止，UD高電平，與非門74LS00輸出低電平。最終得到100Hz的同步脈沖信號(hào)UE如圖5所示。

圖5 同步脈沖信號(hào)UE波形圖

2.3 階梯波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

同步脈沖信號(hào) UE作為4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CC40163的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)?shù)诰艂€(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)，Q3輸出高電平經(jīng)74LS00與非門接到計(jì)數(shù)器的清零端端，計(jì)數(shù)器清零，由此構(gòu)成九進(jìn)制計(jì)數(shù)器［1］。

如圖 6 所示 R8，R9，R10，R11為權(quán)電阻，R8=8R12，R9=4R12、R10=2R12，分別接到計(jì)數(shù)器的 Q0、Q1、Q2、Q3端，與電阻 R12、運(yùn)算放大器 N12相連構(gòu)成反向比例運(yùn)算電路。N2輸出如圖7所示，有八個(gè)階梯的階梯波信號(hào)UF，由于運(yùn)放N2輸出電壓范圍為0至－5V，因此每個(gè)階梯的高度為0.625V。

圖6 階梯波電路

2.4 帶通濾波器設(shè)計(jì)

圖7 階梯波UF信號(hào)

音樂信號(hào)可看成是不同頻率的正弦波的疊加，利用濾波器可以把音樂信號(hào)分成低、中、高三個(gè)頻段的信號(hào)。有源濾波器相對(duì)于無源濾波器除了有體積小、效率高、頻率特性好的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有放大音樂信號(hào)(一般最多幾百毫伏)的功能。由于音樂信號(hào)只有幾十到幾百毫伏，因此使用有源帶通濾波器的信號(hào)放大功能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。

帶通濾波器由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)而成，上限截止頻率取決于低通濾波器，下限截止頻率取決于高通濾波器。如圖8所示，運(yùn)算放大器N3、電阻 R13、R14、R15、R16，電容 C11、C12構(gòu)成低通濾波器，運(yùn)算放大器 N4、電容 C13、C14電阻 R17、R18、R19、R20，構(gòu)成高通濾波器。

圖8 帶通濾波器電路［4］

令 R13=R14，C11=C12，R17=R18，C13=C14帶通濾波器的上、下限頻率:

fC=1/2πC13R18fH=1/2πC11R13

帶通濾波器的放大作用取決于 和 的比值，N3和N4分別與 R15、R16及 R19、R20構(gòu)成同相比例運(yùn)算電路，放大倍數(shù)A3、A4分別為

A3=1+R15/R16，A4=1+R19/R20

然而R15/R16和R19/R20的比值過大會(huì)引起自激振蕩。因此在實(shí)際電路中通過調(diào)節(jié)電位器R16和R20，能獲得良好放大效果且能避免自激振蕩。

2.5 精密整流器設(shè)計(jì)

音樂信號(hào)經(jīng)過帶通濾波之后仍然是交流信號(hào)，為了使得音樂信號(hào)能夠和階梯波信號(hào)進(jìn)行比較，濾波之后的音樂信號(hào)需要再經(jīng)整流而獲得與音樂信號(hào)幅度成正比的負(fù)直流電壓。

若考慮采取簡(jiǎn)單的橋式整流電路，當(dāng)輸入電壓的幅度小于0.7V時(shí)，整流電路會(huì)因二極管死區(qū)電壓而失效，但是精密整流器運(yùn)用了理想運(yùn)放條件，可以很好地克服這一干擾，在輸入信號(hào)非常小時(shí)也能進(jìn)行精密整流。

如圖9所示的精密整流器電路由運(yùn)算放大器N5、N6組成半波精密整流電路，當(dāng)N5的同相端輸入正半波時(shí)，二極管D3導(dǎo)通，使電阻R21形成負(fù)反饋，由于“虛短”，電阻R21兩端電壓跟隨N5同相端電壓變化。另外由于N5是限流電阻以及運(yùn)算器N6“虛斷”，N6的反相端以及輸出端的電流接近為零，二極管D4截止使得N6同向端的輸入電壓為零，最終N6的輸出同樣為零;當(dāng)N5的同相端輸入負(fù)半波時(shí)，D3截止、D4導(dǎo)通，并通過R21和N6串聯(lián)組成二級(jí)電壓跟隨器輸出負(fù)半波。

圖9 精密整流器電路

電容C15和電阻R23的選擇尤為關(guān)鍵，一方面較大的C11和R22乘積可以平滑輸出的波形，另一方面兩者過大的乘積會(huì)使得整流器輸出的波形滯后于輸入波形的變化。在具體調(diào)試中，應(yīng)優(yōu)先考慮輸出波形的延遲現(xiàn)象。

經(jīng)實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)精密整流器的輸出電壓最多為供電電壓的一半，因此為避免輸出波形飽和截?cái)啵\(yùn)算放大器的供電電壓應(yīng)改為±15V，使整流范圍更大，效果更好。

2.6 音樂信號(hào)鑒別器設(shè)計(jì)

當(dāng)音樂停止或者音量過小時(shí)，要求三盞彩燈全亮。借助10mV鑒別電路可判斷音幅是否大于10mV，當(dāng)小于10mV時(shí)，彩燈全亮。

如圖10所示的10mV音樂信號(hào)鑒別電路，運(yùn)放器N7和電阻R24、R25構(gòu)成電壓放大電路，該電路的放大倍數(shù)為

Av=－R25/R24

圖10 10mv音樂信號(hào)鑒別器電路圖

二極管D5和電阻R25構(gòu)成半波整流電路，得到能反映音幅的直流信號(hào);運(yùn)算器N8和二極管 構(gòu)成電壓比較電路。當(dāng)整流輸出電壓高于－0.7V，N9輸出UL為高電平，當(dāng)整流輸出電壓低于－0.7V時(shí)，輸出UL為低電平。

2.7 比較電路的設(shè)計(jì)

比較電路如圖11所示。N9是電壓比較器，當(dāng)音樂信號(hào)小于10mV時(shí)，UL為高電平，三極管V4飽和導(dǎo)通，并給V4提供偏流使其導(dǎo)通，集電極輸出高電平，與門74LS08打開，UE連續(xù)通過與門74LS08觸發(fā)可控硅，彩燈全亮。當(dāng)音幅大于10mV時(shí)，UL為低電平，V4截止，此時(shí)將精密整流器輸出的反映音樂信號(hào)大小的負(fù)直流電壓UZ作為N9比較器的同相輸入端。由于階梯波的變化比音樂信號(hào)快，可將其作為被比較電壓輸入電壓比較器的反向輸入端。當(dāng)UF＞UZ時(shí)，N9輸出低電平，三極管V2飽和導(dǎo)通，集電極輸出為高電平，與門74LS08打開，同步脈沖UE通過與門74LS08，射極輸出UH作為觸發(fā)電壓控制可控硅;當(dāng)UF＜UZ時(shí)，N9輸出高電平，V2截止，集電極輸出低電平，與門74LS08封鎖，同步脈沖不能通過與門74LS08，可控硅截止。因此通過音樂信號(hào)和階梯波的比較可以把音樂信號(hào)的大小分為8個(gè)等級(jí)，從而把彩燈的亮度分成八個(gè)等級(jí)。

2.8 可控硅電路設(shè)計(jì)

圖11 比較電路

在雙向可控 的控制極與陰極之間，連續(xù)加入的觸發(fā)電壓，觸發(fā)時(shí)間大于1ms的同步觸發(fā)脈沖，可控硅就可以連續(xù)導(dǎo)通，給燈泡供電的正弦波將全部加到燈泡兩端，燈泡最亮。但是如果觸發(fā)脈沖消失，雙向可控硅就會(huì)在正弦波過零電壓時(shí)截止，燈泡熄滅。因此在階梯波一個(gè)周期內(nèi)，比較電路輸出的脈沖個(gè)數(shù)可以控制雙向可控硅觸發(fā)時(shí)間，就可以控制燈泡亮度。

3 結(jié)語

通過本次音樂彩燈控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，本項(xiàng)目組成員三名學(xué)生分析問題、解決問題及整體素質(zhì)得到提高。后來，其中兩人被保研，一人雖非電專業(yè)畢業(yè)，但用人單位看重了其實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為他安排電專業(yè)方面的工作。可見，今后如何加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，走出一條綜合培養(yǎng)全方位提高學(xué)生綜合素質(zhì)的道路，是個(gè)值得深思的問題。

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