音樂彩燈控制器的設計與實現(xiàn)

彭文雄，侯世英，卓 婭，梁 健，蔡 佳

(重慶大學電氣工程學院;2.機械工程學院，重慶 400044)

0 引言

目前生活應用多的彩燈只是按預先設定程序進行變化，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，通過音樂信號的強弱自動調(diào)節(jié)燈泡亮度強弱和色彩變化。但多數(shù)音樂彩燈實現(xiàn)電路過于復雜，有的甚至用上了單片機來實現(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，而且只應用少許集成塊實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，應用性和可擴展性強。

本方案需要將音響設備的音頻信號接入裝置，而并非簡單麥克風，提高彩燈隨音樂變化的精度并使方案簡單實用。一種方法是采用控制可控硅［1］導通時間調(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雜，調(diào)試困難。相比之下，控制可控硅導通時間方案來調(diào)節(jié)燈泡亮度更易實現(xiàn)，且由于燈泡隨音樂有節(jié)奏閃爍，增強了歡快氣氛。

1 控制器方案設計

音樂信號分3個頻率段，分別控制紅、黃、藍三種顏色彩燈。高頻段:2000-4000Hz控制藍燈;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的大小分為8個等級。輸入音樂信號最大時，彩燈最亮。如圖1系統(tǒng)總圖所示，當音樂響起時，帶通濾波器把音樂信號分為三個頻段。經(jīng)精密整流器整流輸出隨音樂信號變化的負電壓，為電壓比較器的參考電壓，與另外輸入的階梯波比較，控制與門打開時間，從而控制一個周期內(nèi)觸發(fā)可控硅的脈沖個數(shù)，此時彩燈亮度隨可控硅觸發(fā)時間變化而變化。當音樂信號停止，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 控制器方案設計實現(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)生器的設計與實現(xiàn)

如圖3所示，運算放大器 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UC為高電平時三極管V1飽和導通，UD直接與地相接，與非門74LS00輸出高電平;當UC為低電平時三極管 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UE如圖5所示。

圖5 同步脈沖信號UE波形圖

2.3 階梯波信號發(fā)生器設計

同步脈沖信號 UE作為4位二進制計數(shù)器CC40163的時鐘信號，當?shù)诰艂€脈沖信號到達時，Q3輸出高電平經(jīng)74LS00與非門接到計數(shù)器的清零端端，計數(shù)器清零，由此構(gòu)成九進制計數(shù)器［1］。

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

圖6 階梯波電路

2.4 帶通濾波器設計

圖7 階梯波UF信號

音樂信號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分成低、中、高三個頻段的信號。有源濾波器相對于無源濾波器除了有體積小、效率高、頻率特性好的優(yōu)點之外，還具有放大音樂信號(一般最多幾百毫伏)的功能。由于音樂信號只有幾十到幾百毫伏，因此使用有源帶通濾波器的信號放大功能很好地滿足設計要求。

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，運算放大器N3、電阻 R13、R14、R15、R16，電容 C11、C12構(gòu)成低通濾波器，運算放大器 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的比值過大會引起自激振蕩。因此在實際電路中通過調(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 精密整流器設計

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

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

如圖9所示的精密整流器電路由運算放大器N5、N6組成半波精密整流電路，當N5的同相端輸入正半波時，二極管D3導通，使電阻R21形成負反饋，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N5的同相端輸入負半波時，D3截止、D4導通，并通過R21和N6串聯(lián)組成二級電壓跟隨器輸出負半波。

圖9 精密整流器電路

電容C15和電阻R23的選擇尤為關鍵，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，應優(yōu)先考慮輸出波形的延遲現(xiàn)象。

經(jīng)實際調(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斷，運算放大器的供電電壓應改為±15V，使整流范圍更大，效果更好。

2.6 音樂信號鑒別器設計

當音樂停止或者音量過小時，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，當小于10mV時，彩燈全亮。

如圖10所示的10mV音樂信號鑒別電路，運放器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;運算器N8和二極管 構(gòu)成電壓比較電路。當整流輸出電壓高于－0.7V，N9輸出UL為高電平，當整流輸出電壓低于－0.7V時，輸出UL為低電平。

2.7 比較電路的設計

比較電路如圖11所示。N9是電壓比較器，當音樂信號小于10mV時，UL為高電平，三極管V4飽和導通，并給V4提供偏流使其導通，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。當音幅大于10mV時，UL為低電平，V4截止，此時將精密整流器輸出的反映音樂信號大小的負直流電壓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UF＞UZ時，N9輸出低電平，三極管V2飽和導通，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UF＜UZ時，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。因此通過音樂信號和階梯波的比較可以把音樂信號的大小分為8個等級，從而把彩燈的亮度分成八個等級。

2.8 可控硅電路設計

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)時間大于1ms的同步觸發(fā)脈沖，可控硅就可以連續(xù)導通，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，雙向可控硅就會在正弦波過零電壓時截止，燈泡熄滅。因此在階梯波一個周期內(nèi)，比較電路輸出的脈沖個數(shù)可以控制雙向可控硅觸發(fā)時間，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計和實現(xiàn)，本項目組成員三名學生分析問題、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踐經(jīng)驗，為他安排電專業(yè)方面的工作?？梢姡窈笕绾渭訌娎碚撆c實踐相結(jié)合，走出一條綜合培養(yǎng)全方位提高學生綜合素質(zhì)的道路，是個值得深思的問題。

［1］ Jr.NickHolonyak.The Silicon p-n-p-n Switch and Controlled Rectifier(thyristor) ［J］ .IEEE Transactlons on Power Electronics.2001，16(1):8－16

［2］ 劉潤華，李震梅.《模擬電子技術(shù)基礎》［M］.山東::中國石油大學出版社.2007

［3］ 侯世英.電工學I(電路與電子技術(shù))［M］.北京:高等教育出版社.2007.8

［4］ 陳文淵，沈斌堅.二階帶通濾波器的仿真與實現(xiàn)［J］.浙江:聲學電子工程，2010

［5］ 紀宗南.精密整流器原理及其應用［J］.江蘇:江蘇電器，1990

［6］ 馬場清太郎.運算放大器應用電路設計［M］.北京:科學出版社，2007