基于Multisim11的音乐彩灯控制器的仿真设计

毕业设计（论文）任务书

基于Multisim11的音乐彩灯控制器的仿真设计摘要:如今的大千世界随着生活水平的不断提高，人们对环境的美化要求越来越高，在一些公

园、广场等公共娱乐场所，音乐彩灯是必不可少的装饰品。基于现代城市对彩灯控制的要求，本文详细阐述了音乐彩灯控制器的结构和功能，并对各组成部分的工作原理进行了比较详细的分析，而且对各组成部分的附加元件的参数设定也做了较为严密的计算。

关键词：彩灯；控制器；整流滤波；高通滤波；低通滤波。

Multisim11 Based Music Colored Light Controller Design And Simulation Abstract:Based on the demand of modern urban colored light control, the concept and construction on the music colored light controller are https://www.360docs.net/doc/0f16257091.html,stly,the principle of ever section is discussed.Furthermore, the paramenter of additional element is calculated tightly.

Key words:Colored light;Controller;Rectification strains waves;The high pass strains waves;Low strains waves.

目录

1. 绪论 (1)

2. 音乐大小控制彩灯 (2)

2.1 彩灯控制器原理框图 (2)

2.2 电路设计 (2)

2.2.1声电转换和放大电路 (2)

2.2.2 整流滤波电路 (3)

2.2.3 高通/低通滤波电路 (5)

2.2.4 驱动电路 (8)

2.2.5 整机电路 (8)

3. 软件仿真 (9)

4. 总结 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

1. 绪论

随着现代社会经济的飞速发展和夜市的兴起，各种彩灯装饰层出不穷，给城市的夜间带来绚丽的色彩。夜间漫步于城市的每一个角落，触目可及变幻莫测、摇曳生姿的各式彩灯，无一不诱惑着人们好奇的双眼。门面店铺灯光装潢大都采用时明时暗或部分循环点亮的流水模式，有新意的要属那些旋转上升变化的广告装饰灯。在公园里有树状的彩灯，它从底部开始亮起，然后快速沿枝干向上窜升，到达顶端后向各处散开，远远望去犹如仙女散花，煞是好看。有音乐的娱乐场所，比如说舞厅，酒吧间和咖啡厅的彩灯会随着悠扬的音乐闪烁生辉，这些场所的灯光一般比较幽暗，更加显得彩灯扑朔迷离、捉摸不定，一如可望而不可即的魑魅。而气势磅礴、规模宏大的当然是大型的节日彩灯，把许多组彩灯进行不同的组合，便得到花样众多的主题字型或代表喜庆吉祥的图案。这些彩灯不仅增添了节日的气氛，而且丰富了人们多姿多彩的生活。

本文介绍的彩灯控制器是一种组合式彩灯控制电路。由它控制的彩灯有一路会按音量的强弱变化，音量强时灯被点亮的数目增多；另一路则按音调的高低变化，低音时，某一部分灯被点亮，高音时，另一部分灯被点亮。这样组合起来会使人觉得彩灯随着乐曲起伏闪烁。

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2. 音乐大小控制彩灯

2.1 彩灯控制器原理框图

音乐彩灯控制器如图2.1所示，它由以下几个部分组成：声电转换装置和放大电路；整流滤波电路；高通/低通滤波电路；彩灯驱动电路。它控制两路彩灯伴随乐曲而闪烁发光。

图2.1所示的音乐彩灯控制器的工作过程是：声电转换装置将乐曲声响转变为电信号，经放大器放大后分为两路。一路经整流滤波后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，实现声音强弱对彩灯的控制；另一路经高通/低通滤波器后分频段输出信号，又经放大驱动相应的发光二极管发光，实现高低音对彩灯的控制。

图2.1 音乐彩灯控制器原理框图

2.2 电路设计

2.2.1声电转换和放大电路

声电转换和放大电路的功能有两个：一是将音乐信号转换成音频信号，即电信号；二是将电信号放大后输出。它由声电转换装置、话音放大电路和集成功率放大电路三部分组成。

图2.2 话音放大电路图2.3 LA4102的引脚排列

如图2.2所示的话音放大电路是由LM324组成的同相放大器和一些外部元件构成，具有很高的输入阻抗，能与高阻话筒配接完成声电转换和话音放大功能。图中V i加至同相端，输出信号V o1仍通过R12、R11返回反相端，形成深度电压串联负反馈。根据理想

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运放工作于线性区的两条结论和图中电路可以看出：

-V =112

1111

o V R R R + +V = i V

因为 +

-=V V

所以 i V

=

112

1111

o V R R R +

即 1o V = i V R R R 111211+ = （1+11

12

R R ）i V 故该电路的电压放大倍数为：

A v1 = i

o V V 1 = 1+1112

R R = 10（20dB ）

集成功率放大电路是将LA4102集成功放接成OTL 形式的电路如图2.4所示。它的主要功能是将话音放大电路输出的信号V o1再进行放大，以满足我们所需的电压增益要求。集成功放LA4102的引脚排列如图2.3所示。其外部元件的作用如下：

图2.4功率放大电路

①

R F 、C F 与内部电阻R 11

（20k Ω）组成交流反馈支路，控制功放级的电压增益A V2。

由于LA4102是由同相放大器组成，根据同相放大器的增益计算可知： A V2=1+R 11/R F

因为R 11/R F 的值较大，所以A V2≈R 11/R F =40。

②

C B 为相位补偿电容。C B 减小，带宽增加，可消除高频自激。C B 一般取几十皮法

至几百皮法（此电路取C B =51pF ）。

③ C C 为OTL 电路的输出端电容，两端的充电电压等于V cc /2，C C 一般取耐压值远大于V cc /2的几百微法的电容（此电路C C 取470μF/25V ）。

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④C D为反馈电容，消除自激振荡，C D一般取几百皮法（此电路取C D=560pF）。

⑤C H为自举电容，使内部复合管T12、T13的导通电流不随输出电压的升高而减小

（此电路取C H=220μF）。

⑥C23、C24可滤波除纹波，一般取几十微法至几百微法（此电路取C23=220μF，

C24=100μF）。

⑦C22为电源退耦滤波，可消除低频自激（此电路取C22=220μF）。

整个声电转换和放大电路的工作过程：音频信号V i经LM324放大后，获得同相输出电压V o1，其电压增益A V1=10；V o1作为输入信号加到LA4102的同相输入端，获得同相输出电压V o2，其电压增益A V2=40。

因为音乐信号经话筒转换为电信号后输出电压为5mV左右，所以最后的输出电压为V o2=5×10×40mV=2000mV=2V。

2.2.2 整流滤波电路

如图2.5所示为半波整流滤波电路，它包括一个整流二极管和一个滤波电容两部分。由放大器输出端输出的电压V o2经整流二极管整流后变换成单向脉动直流电压，后又经滤波电容减小输出电压中的纹波成分，降低脉动系数而变成平滑的直流电压V o3输出。

图2.5整流滤波电路

在V o2正半周到来时，二极管导通，输出电压V o3= V o2-V D（V D为二极管的导通电压），V o3只比V o2低一个二极管的正向压降V D。

当V o2低于V o3时,二极管截止,若忽略二极管的

反向饱和电流,则电容C只通过负载放电,输出电压

随时间指数下降。当输出电压比输入电压低一个V D时,二极管导通,电容C被充电,输出电压很快上升。到输入电压低于输出电压时,二极管又被反偏截止,电容开始放电。由此可知:

①只有在V o2比V o3大一个正向压降V D时,二极管才有电流流通。该电流的一部分

流过负载,一部分给电容充电,充电量等于电容在二极管截止期间向负载的放电量。

但二极管的导通时间很短,所以流过二极管的浪涌电流比较大。如果恰巧在输入电压的峰值时接入电路,此时电容上的电压为零,则二极管的瞬间电流将更大。

②这种滤波能得到较平滑的直流电压。当负载开路时,若忽略二极管的正向压降,

则输出电压等于输入交流电压的峰值,即V o3=2V o2=22V。

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③由电路图可知,二极管所承受的反向电压等于输出与输入电压之差,即

V R=V o3-V o2=22-2≈0.808V。最大反峰电压约为输出电压的两倍,即V RM=2V o3=42V。

2.2.3 高通/低通滤波电路

由运算放大器构成的高通/低通滤波电路如图2.6所示，它由高通滤波器和低通滤波器两部分组成。高通滤波器使低于特定截止频率f c的所有频率衰减，而让高于f c的频率通过；低通滤波器则相反，它使高于特定截止频率f c的所有频率衰减，而让低于f c的频率通过。

语言或音乐是频率处于20-2000Hz之间的声振动，因此取高通/低通滤波器的截止频率为f c=1kHz。此电路的高通滤波器是一个二阶无限增益多路反馈有源RC滤波器。信号从反向端输入，电容C31和R31电阻构成一个分压器。当V o2的频率低于f c时，C31的容抗很大，降压大部分V o2，R31上的电压降很小，并且由于电路是跟随器，所以V H 也低；当V o2的频率增加到高于f c时，C31的容抗很小，使更多的V o2降到R31上，因此V H变得较大。

图2.6高通/低通滤波电路

通用运算放大器F007引脚安排如图2.7所示：

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图2.7通用运算放大器F007引脚

设定高通滤波器的增益A V =1，品质因数Q=α

1

=0.707（α为衰减系数），则高通滤波

器的各特性参数为： A V =

33

31

C C 33

323231012C C R R f c =

=πω

()32

33

333233

323132

31

C C C C C C C R R ++

=

α

① 根据f c =1kHz ，取C 31=C 32=0.1μF=C ；

② 由A V =1可得电容C 33=C 31/A V =0.1μF ；

③ R 31 = )21(1

0V A C +αω

= Q C

f c π21（1+2A V ）

= 0.707×)21(10

1.0100021

6

+???-π = 3376Ω

≈3.4k Ω ④ R 32 =

)

21(0V V

A C A +ωα

=

)

1(2V c V

A C f Q A +π

=3

101.01000707.021

6??????-π ≈750Ω

此电路的低通滤波器部分是一个二阶无限增益多路反馈有源RC 滤波器。电路接成

一个电压跟随器，在反向输入端的电阻

R 33和电容C 34构成一个分压器。对于低于f c 频

率的V o2，电容的容抗很大，几乎所有的V o2都降到C 34上，V o2大，V L 也大，对于这些较

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低频率的输入信号，级增益最大；如果V o2的频率增加到高于f c ，电容器的容抗减小，大部分V o2降到电阻上，结果，电容把较多的V o2分流到地，则V o2小，V L 也小。

设定该低通滤波器的增益A V =1，品质因数Q=α

1

=0.707（α为衰减系数），则低通滤

波器的各特性参数为：

A V =33

35R R

35

34353401

2C C R R fC ==πω

(

)34

353335

343534

34

35R R R R R R R C C ++=

α

① 根据f c =1kHz ，取C 34=0.1μF=C ，则C 35=κC=0.2C=0.02μF ；

② R 35 =()????????

+-±2

014112ακκωαV A C =()[

]2141141Q A C

f Q V c +-±κκπ =()[

]

26

707.0112.041110

10002.0707.041

?+??-±?????-π

计算可得： R 35=8146Ω≈8.1k Ω 或 R 35=3109Ω≈3.1k Ω ③ R 33===3535R A R

V

8.1k 或3.1k

④ R 34=2

20351

C

R κω =

()2

23521

C

f R c πκ 将R 35=8.1k 和 R 35=3.1k 分别代入可得： R 34=1563Ω≈1.6k Ω

或 R 34=4085Ω≈4.1k Ω

根据以上计算，我们取其中一组数据，即：

R 35= R 33=8.2k Ω， R 34=1.5k Ω。

高通/低通滤波电路将输入信号V o2分两个频段输出，即高通滤波器让频率高于

1kHz 的输入信号通过，再经放大后驱动其中一部分彩灯发亮；而低通滤波器则让低于1kHz 的输入信号通过，经放大后驱动另一部分彩灯发亮。由此达到以高、低音控制彩

灯的目的。

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2.2.4 驱动电路

彩灯驱动电路有两种：一种是经整流滤波后以信号的平均值驱动彩灯发亮的驱动电路如图2.8所示；另一种是以经高通/低通滤波器分频后的输出信号驱动彩灯发亮的驱动电路如图2.9所示。

图2.8所示的驱动电路由三电压比较器和一些外部元件组成。V o3作为输入信号从三比较器的同相端输入，其参考电压V R1、V R2和V R3由电源V cc =5V 经4个电阻分压给出，

则V R1= cc V 83，V R2=cc V 41，V R3= cc V 8

1

。

当V R3

当V R2

当V o3> V R1时，比较器C 1输出高电平，驱动输出端与地之间的六个发光二极管发光。

根据以上分析可知以信号的平均值驱动彩灯发亮，信号强时，点亮的灯的数目越多，从而达到以信号强弱控制彩灯的目的。

图2.9所示的驱动电路由一个放大器和一个二电压比较器构成。经高通滤波器或低通滤波器输出的信号从放大器的同相输入端输入，因为放大器是一个同相放大器，根据同相放大器的增益计算公式可知：A V =1+R 5f /R 51=4,所以输出电压为2×4=8V 。再经一个二电压比较器驱动彩灯发亮，其原理与前面所讲的一样。

图2.8驱动电路I 图2.9驱动电路Ⅱ

2.2.5 整机电路

经过以上几个单元电路的设计，可以得到音乐彩灯控制器的整机电路，如图 2.10