音乐彩灯控制器设计报告.doc

音乐彩灯控制器设计报告【设计目的】通过设计过程中对问题的分析与思考、小组成员之间的密切合作，掌握电子电路的一般设计方法，并锻炼自己的学习能力和动手能力，培养良好的团结协作精神。【设计要求】要求电路把输入的信号分为高、中、低三个频段，并分别控制三种颜色的彩灯。（1）高频段 2000Hz一4000Hz 控制蓝灯（2）中频段 800Hz一1200Hz 控制绿灯（3）低频段 50Hz一250Hz 控制红灯（4）电源电压交流220V，输入信号的有效值为20mV。【设计步骤】1电路图设计（1）确定方案：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输。根据系统功能，选择各模块所用电路形式。（2）确定参数:根据电路原理及设计要求确定元器件参数。2电路仿真、实际调试（1）仿真：用Multisim进行电路仿真，初步调整电路。（2）实验调试：在模电实验箱上模拟连接电路，检测是否符合技术指标，修改电路参数。（3）焊接完成电路，最终确定电路参数。【设计思路】该电路初步可分为信号放大部分，滤波部分和稳压整流部分，由信号放大部分将20mv的输入信号放大，滤波部分进行分频，因为其中需要用到运放，故设计稳压整流部分将220交流电转化为22v的直流偏置作为运放的使能部分。1.信号放大部分电路设计思路图1 负反馈放大电路作为信号放大部分由于晶体管的参数会随着环境温度的改变而改变，不仅放大器的工作点、放大倍数不稳定，还存在失真和干扰等问题。为了改善放大器的这些性能，常在放大电路中引入反馈环节。故本次电路采用负反馈放大电路作为信号放大部分，其放大倍数为：Avf=1+R2/R1 (1)2.分频滤波部分电路设计思路（1）在滤波部分，因为三个彩灯的频率范围都有上下限，故使用带通滤波器执行这一部分功能。带通滤波器由低通与高通串接而成。（2）相对于普通的二阶有源滤波器，sallen_key模式滤波器的带宽更宽，震荡更小，也更易于控制Q点。经小组讨论决定采用sallen_key模式滤波器。（3）由于三个彩灯要同时控制亮度，故将三个滤波器并接组成最终的滤波部分。（4）翻阅资料及上网搜索后得到sallen_key模式滤波器的经典电路连接方式如下图。图2.sallen_key模式滤波器电路连接方式其幅频特性曲线如下图。图3.sallen_key模式滤波器幅频特性由图3可知，使用该滤波器在带宽方面的表现较好，只是因为运放输出阻抗的原因，会产生零点，导致在高频端会由-40dB/dec变成-2OdB/dec。但由于本次设计的最高频率范围只有4000HZ,故不会对彩灯信号造成太大影响。（5）经小组成员初步仿真，决定确认滤波器实际连接方式如图4。如图，取R1=R2=R5=R,C1=C2=C,则经由电路分析可得增益公式为：Avf=1+R4/R3 （2）中心角频率为：W0=1.414(RC) （3）品质因数Q值（即f0/(fH-fL）为：Q= 1.414/（5-Avf） （4）图4.初步确定的滤波器连接方式（6）综合公式（2）（3）（4）及根据设计要求初步确定电路参数如表1与表2。表1.由设计要求得出的电路参数频带（Hz）中心频率fo（Hz）中心角频率wo品质因数Q增益Avf502501509420.753.1138001200100062832.54.434.5200040003000188501.54.064表2.由公式及表1所得元件参数频带HzRCR4R3502504703.3u2101008001200470470n35010020004000510147n300100（7）初步确定电路参数后，便可以进行仿真验证。3.整流稳压部分电路设计思路（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图5。 图5.直流稳压电路原理图（5）整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图6所示。在U2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。图6.桥式全波整流原理（6）稳压电路可选集成三端稳压器电路。本实验所用集成稳压器为三端固定正稳压器KA7815，它的主要参数有：输出直流电压 U022V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R00.15，输入电压UI的范围2530V 。因为一般UI要比 U0大35V ，才能保证集成稳压器工作在线性区。图7.KA7815系列外形及接线图图8.由KA7815构成的串联型稳压电源图8是用三端式稳压器KA7815构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆），型号为2W06(或KBP306)，内部接线和外部管脚引线如图7所示。滤波电容C1、C2一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33F ），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4(0.1F)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。由于运放需要正反两个直流偏置，所以需要在W7815外再并联一个L7915提供反向电压偏置。【仿真调试】1滤波部分电路仿真根据购置的LED彩灯的导通电压确定Multisim仿真软件的LED的下限电压，并以此调整电路参数。仿真得到的滤波电路全图如图9。图9.仿真所得滤波部分电路 如图9，在仿真过程中由于三个滤波器并联后的互相影响，因此调整了信号放大部分的放大倍数，调整至86倍放大。并为调整频带范围，将三个滤波器的反馈电阻依次改为180,150以及170。以下是三个频段的输出幅频特性图。图11.低频带通滤波输出幅频特性图由图知中心频率约为160HZ，另仿真所得亮度明显的频带范围为：70HZ-300HZ,基本满足设计要求，可在实验室进行进一步的调试。图12.中频带通滤波输出幅频特性图由图知中心频率约为1.6KHZ，另仿真所得亮度明显的频带范围为：800HZ-1.9KHZ,基本满足设计要求，可在实验室进行进一步的调试。图13.高频带通滤波输出幅频特性图由图知中心频率约为3.3kHZ，另仿真所得亮度明显的频带范围为：2KHZ-4.5KHZ,基本满足设计要求，可在实验室进行进一步的调试。2.整流稳压电路的仿真调试经过初步调试，决定采用以下电路进行测试，以下是测试电路图14.稳压部分仿真电路图初步测试结果如下：（1）输入波形：. 输入的有效值为220V，频率为50Hz。（2）整流后的输出波形如下：（3）滤波后的输出波形：（4）稳压后的输出：从输出波形上看，基本满足稳定输出直流偏置的要求，可在实验室进行进一步的调试。【实际焊接调试】1. 实验用具1.万用表2.示波器3.交流毫伏表4.稳压芯片：KA7815（+15V）,L7915CV(-15V)5.变压器：EI-10VA 220V15V 50Hz6.uA741四片7.LED彩灯三个8.电阻电容若干2.实验过程（1）本次焊接试验遇到很多问题，在第一次焊接完成后电路输出不稳定，在多次测试无果的情况下小组讨论重新焊接电路。但重新焊接完成后有输出而LED不亮，我们排查后发现是运放在第一次焊接时已烧坏。经换上新的运放后焊接基本成功。这次失败提醒我们在焊接过程中要做好电路检查，防止焊接线路出错以及芯片损坏。 （2）在实际的测试中，由于LED的导通情况与理论及仿真有一定误差，在多次调试后，小组决定通过改变LED限流电阻的阻值来精确频带范围，最终三个频段的LED的限流电阻为：低频：100 中频：50 高频：100 其他参数与仿真结果无明显偏差。（3）在稳压部分，由于我们事先没有搞清楚7915的公共端管脚标号，导致接错端口，烧坏了一片7915，这提醒我们要做好芯片资料的准备工作，避免不必要的损失和时间消耗。最终实际的稳压效果为：KA7815稳压15V，L7915稳压-22V，7915芯片的相对误差较大，这是因为7915的稳压电流至少为5mA,实际的电流达不到，故产生了误差，但对运放的影响比较小，小组讨论后决定对这一部分忽略不计。（4）最终将两部分电路连接完成后，实验的测试结果如下：图15. 低频段带通幅频传输特性曲线彩灯亮度明显的频段为：70HZ-370HZ图16. 中频段幅频传输特性曲线彩灯亮度明显的频段为：700HZ-1500HZ图17. 高频段带通幅频传输特性曲线彩灯亮度明显的频段为：2000HZ-3800HZ（5）各频段除低频的上限外，误差均在10%以内，可认为基本满足实验要求。由于低频的效应变化不明显，故小组讨论后决定不进行进一步调试。最终确定的实验原理图及相关实物图如下：图18 最终确定的电路原理图图19.滤波部分电路实物图图20.稳压部分电