音乐彩灯控制器的设计与实现

2012-08-23彭文雄侯世英

电气电子教学学报 2012年1期

彭文雄，侯世英，卓娅，梁健，蔡佳

(重庆大学电气工程学院;2.机械工程学院，重庆 400044)

0 引言

目前生活应用多的彩灯只是按预先设定程序进行变化，缺少音乐节奏变化。音乐彩灯控制器和以往彩灯有所不同，通过音乐信号的强弱自动调节灯泡亮度强弱和色彩变化。但多数音乐彩灯实现电路过于复杂，有的甚至用上了单片机来实现。本文所提出的音乐彩灯控制器通过音量控制彩灯亮度，用频率控制灯光颜色变化，而且只应用少许集成块实现，电路结构简单，易于实现，应用性和可扩展性强。

本方案需要将音响设备的音频信号接入装置，而并非简单麦克风，提高彩灯随音乐变化的精度并使方案简单实用。一种方法是采用控制可控硅［1］导通时间调节灯泡亮度;另一种方法是移相法，让连续出现的同步触发脉冲的相位，随着音乐信号幅度大小的改变，灯泡亮度也随之改变，

由于灯泡灯丝的热惯性，灯泡明暗程度随音乐连续变化，克服闪烁现象。但这种方法控制电路复杂，调试困难。相比之下，控制可控硅导通时间方案来调节灯泡亮度更易实现，且由于灯泡随音乐有节奏闪烁，增强了欢快气氛。

1 控制器方案设计

音乐信号分3个频率段，分别控制红、黄、蓝三种颜色彩灯。高频段:2000-4000Hz控制蓝灯;中频段:500-1200Hz控制黄灯;低频段:50-250Hz控制红灯。每组彩灯的亮度随各路输入音乐信号的大小分为8个等级。输入音乐信号最大时，彩灯最亮。如图1系统总图所示，当音乐响起时，带通滤波器把音乐信号分为三个频段。经精密整流器整流输出随音乐信号变化的负电压，为电压比较器的参考电压，与另外输入的阶梯波比较，控制与门打开时间，从而控制一个周期内触发可控硅的脉冲个数，此时彩灯亮度随可控硅触发时间变化而变化。当音乐信号停止，鉴别电路输出高电平，或门打开，同步脉冲全部通过，可控硅持续触发，彩灯全亮。

图1 系统总图［2］

2 控制器方案设计实现

2.1 电源电路

如图2所示，220V交流电经变压器二次绕组降压，再通过CW7805和CW7912等三端集成稳压器整流，得到+5V，±9V，±12V，±15V的直流电压，供电平转移电路和TTL数字集成电路使用。

图2 电源电路图［3］

2.2 同步脉冲发生器的设计与实现

如图3所示，运算放大器 N1、电阻 R3和 R4组成滞回电压比较器，其阈值电压为

图3 同步脉冲电路

滞回电压比较器输出电压的波形如图4所示。

图4 U波图

当UC为高电平时三极管V1饱和导通，UD直接与地相接，与非门74LS00输出高电平;当UC为低电平时三极管 V1截止，UD高电平，与非门74LS00输出低电平。最终得到100Hz的同步脉冲信号UE如图5所示。

图5 同步脉冲信号UE波形图

2.3 阶梯波信号发生器设计

同步脉冲信号 UE作为4位二进制计数器CC40163的时钟信号，当第九个脉冲信号到达时，Q3输出高电平经74LS00与非门接到计数器的清零端端，计数器清零，由此构成九进制计数器［1］。

如图 6 所示 R8，R9，R10，R11为权电阻，R8=8R12，R9=4R12、R10=2R12，分别接到计数器的 Q0、Q1、Q2、Q3端，与电阻 R12、运算放大器 N12相连构成反向比例运算电路。N2输出如图7所示，有八个阶梯的阶梯波信号UF，由于运放N2输出电压范围为0至－5V，因此每个阶梯的高度为0.625V。

图6 阶梯波电路

2.4 带通滤波器设计

图7 阶梯波UF信号

音乐信号可看成是不同频率的正弦波的叠加，利用滤波器可以把音乐信号分成低、中、高三个频段的信号。有源滤波器相对于无源滤波器除了有体积小、效率高、频率特性好的优点之外，还具有放大音乐信号(一般最多几百毫伏)的功能。由于音乐信号只有几十到几百毫伏，因此使用有源带通滤波器的信号放大功能很好地满足设计要求。

带通滤波器由低通滤波器和高通滤波器串联而成，上限截止频率取决于低通滤波器，下限截止频率取决于高通滤波器。如图8所示，运算放大器N3、电阻 R13、R14、R15、R16，电容 C11、C12构成低通滤波器，运算放大器 N4、电容 C13、C14电阻 R17、R18、R19、R20，构成高通滤波器。

图8 带通滤波器电路［4］

令 R13=R14，C11=C12，R17=R18，C13=C14带通滤波器的上、下限频率:

fC=1/2πC13R18fH=1/2πC11R13

带通滤波器的放大作用取决于和的比值，N3和N4分别与 R15、R16及 R19、R20构成同相比例运算电路，放大倍数A3、A4分别为

A3=1+R15/R16，A4=1+R19/R20

然而R15/R16和R19/R20的比值过大会引起自激振荡。因此在实际电路中通过调节电位器R16和R20，能获得良好放大效果且能避免自激振荡。

2.5 精密整流器设计

音乐信号经过带通滤波之后仍然是交流信号，为了使得音乐信号能够和阶梯波信号进行比较，滤波之后的音乐信号需要再经整流而获得与音乐信号幅度成正比的负直流电压。

若考虑采取简单的桥式整流电路，当输入电压的幅度小于0.7V时，整流电路会因二极管死区电压而失效，但是精密整流器运用了理想运放条件，可以很好地克服这一干扰，在输入信号非常小时也能进行精密整流。

如图9所示的精密整流器电路由运算放大器N5、N6组成半波精密整流电路，当N5的同相端输入正半波时，二极管D3导通，使电阻R21形成负反馈，由于“虚短”，电阻R21两端电压跟随N5同相端电压变化。另外由于N5是限流电阻以及运算器N6“虚断”，N6的反相端以及输出端的电流接近为零，二极管D4截止使得N6同向端的输入电压为零，最终N6的输出同样为零;当N5的同相端输入负半波时，D3截止、D4导通，并通过R21和N6串联组成二级电压跟随器输出负半波。

图9 精密整流器电路

电容C15和电阻R23的选择尤为关键，一方面较大的C11和R22乘积可以平滑输出的波形，另一方面两者过大的乘积会使得整流器输出的波形滞后于输入波形的变化。在具体调试中，应优先考虑输出波形的延迟现象。

经实际调试发现精密整流器的输出电压最多为供电电压的一半，因此为避免输出波形饱和截断，运算放大器的供电电压应改为±15V，使整流范围更大，效果更好。

2.6 音乐信号鉴别器设计

当音乐停止或者音量过小时，要求三盏彩灯全亮。借助10mV鉴别电路可判断音幅是否大于10mV，当小于10mV时，彩灯全亮。

如图10所示的10mV音乐信号鉴别电路，运放器N7和电阻R24、R25构成电压放大电路，该电路的放大倍数为

Av=－R25/R24

图10 10mv音乐信号鉴别器电路图

二极管D5和电阻R25构成半波整流电路，得到能反映音幅的直流信号;运算器N8和二极管构成电压比较电路。当整流输出电压高于－0.7V，N9输出UL为高电平，当整流输出电压低于－0.7V时，输出UL为低电平。

2.7 比较电路的设计

比较电路如图11所示。N9是电压比较器，当音乐信号小于10mV时，UL为高电平，三极管V4饱和导通，并给V4提供偏流使其导通，集电极输出高电平，与门74LS08打开，UE连续通过与门74LS08触发可控硅，彩灯全亮。当音幅大于10mV时，UL为低电平，V4截止，此时将精密整流器输出的反映音乐信号大小的负直流电压UZ作为N9比较器的同相输入端。由于阶梯波的变化比音乐信号快，可将其作为被比较电压输入电压比较器的反向输入端。当UF＞UZ时，N9输出低电平，三极管V2饱和导通，集电极输出为高电平，与门74LS08打开，同步脉冲UE通过与门74LS08，射极输出UH作为触发电压控制可控硅;当UF＜UZ时，N9输出高电平，V2截止，集电极输出低电平，与门74LS08封锁，同步脉冲不能通过与门74LS08，可控硅截止。因此通过音乐信号和阶梯波的比较可以把音乐信号的大小分为8个等级，从而把彩灯的亮度分成八个等级。

2.8 可控硅电路设计

图11 比较电路

在双向可控的控制极与阴极之间，连续加入的触发电压，触发时间大于1ms的同步触发脉冲，可控硅就可以连续导通，给灯泡供电的正弦波将全部加到灯泡两端，灯泡最亮。但是如果触发脉冲消失，双向可控硅就会在正弦波过零电压时截止，灯泡熄灭。因此在阶梯波一个周期内，比较电路输出的脉冲个数可以控制双向可控硅触发时间，就可以控制灯泡亮度。