大学课程设计音乐彩灯控制器

电力电子技术产业作为当代高新技术尤其是信息技术产业与传统产业的接口，在

国民经济中扮演着越来越重要的角色。此设计论述了彩灯的总体控制，彩灯将会

随着音乐的节奏闪亮，大大的改善了人们的娱乐环境，人们将在音乐和灯光当中

消除工作一天的疲惫，并且彩灯的控制不需要人为的操作控制，将会完全自动的

运行，使人们感受到了娱乐场所的智能化，人性化。此设计采用了平时常用的集

成电路，包括时钟电路、阶梯波电路、滤波器等等，将会很清晰的呈现出它的工

作原理，它是电子技术的实例应用。

关键词：电子技术 音乐 彩灯 集成电路。

Abstract

As the joint between the present hi-Tech industry especially the

informationtechnology industry and tradition industry, power electronics industry has

been playing amore and more important role in the country economy. Although this

industry in Chinahas made some progress through developing more than 30 years,

compared with thedeveloped countries the gap is still quite big. This industry can"t

meet the demands of thecountry economy development in china. Constituting a series

of systemic and scientificdeveloping strategy to speed this industry is the purpose of

this paper. The importanteffects of this industry on country economy are discussed,

the shaping and developingcondition of this industry is analyzed, and the advantages

and disadvantages of thisindustry in China are pointed in this paper. On the basis of

referring the advancedexperience of developed countries.

keyword: electronic technique music illumination unicircuit

目录

第一章 绪论.................................................................................................................. 1

1.1 音乐彩灯控制器的研究目的与意义............................................................. 1

第二章 音乐彩灯控制器方案的确定.......................................................................... 2

2.1设计任务与要求：.......................................................................................... 2

第三章：音乐彩灯控制器系统设计............................................................................ 3

3.1电源电路.......................................................................................................... 3

3.2音乐信号：...................................................................................................... 4

3.3放大部分：...................................................................................................... 5

3.4带通滤波器：.................................................................................................. 6

2.5整流器的工作原理与设计: .......................................................................... 13

2.6阶梯波发生器: .............................................................................................. 15

2.7比较器：........................................................................................................ 22

2.8移位寄存器：................................................................................................ 25

2.9 数据选择器: ................................................................................................. 28

2.10门电路：...................................................................................................... 29

2.11三极管的开关特性: . .................................................................................... 30

2.12发光二极管: ................................................................................................ 30

2.13运放的选择: ................................................................................................ 32

第四章 结束语............................................................................................................ 33

致 谢.......................................................................................................................... 34

参考文献......................................................................................................................37

第一章 绪论

1.1 音乐彩灯控制器的研究目的与意义

随着现在社会的发展，人们生活水平的提高，人们对娱乐环境的要求越来越

高，娱乐环境中的灯光控制，成了一个重要的部分，为此，特意设计了关于音乐

彩灯的控制，本设计要求，灯光根据音乐的高低起伏来进行花式闪烁，当有音乐

时候，将音乐分成三个不同的频段，用以分别控制三组不同颜色的彩灯，高频段、

中频段、低频段分别各自控制一组彩灯，这样使人们用灯光的颜色变化来感受音

乐的不同频率变化；此外灯光的亮度将随着音乐幅度的强弱来实现7个梯度的变

化，这样使人们将听觉享受转换成视觉上的享受，另外当无音乐信号时，通常都

没有灯光变换，让人感觉很单调，本设计基于这点，另外还设计了无音乐时彩灯

的花式闪亮。

1.2 音乐彩灯控制的前景和发展方向

在当今这个社会，音乐彩灯的发展方向非常广泛，各种娱乐场所，酒店，广场等，

都采用了彩灯烘托环境的美好，尤其是在各类娱乐场所，灯光的配置几乎成了其

硬件的主要部分，如果灯光的设计合理化，智能化，将会给客人以涣然一心的感

觉，这种身心上的享受，将会成为娱乐公司抓住客户的必要手段，而音乐彩灯能

在音乐的节奏下闪耀，更能给客人以全新的感觉。传统的彩灯都是机械的控制彩

灯的闪亮，甚至还需要人为的操作开关，这种单调的控制方法，从目前社会的发

展趋势看，已经越来越不能适应人们对物质生活和精神生活的追求了，彩灯在人

们心中的地位也变得越来越不重要，不是因为它本身就没有什么存在的价值，而

是因为它的智能化程度已经跟不上时代的潮流了，如果彩灯能与音乐完美的结

合，将是怎样一种状况，如果音乐彩灯能与音乐喷泉一起飞舞一定让人更赏心悦

目。此外，随着电子技术的高速发展，对于音乐彩灯的控制也就相当的容易了，

无论是从技术上讲还是从需求上讲，音乐彩灯都有很高的发展前景。

第二章 音乐彩灯控制器方案的确定

2.1设计任务与要求：

要求将音乐分成四个不同的频段，将彩灯分为四组，各组彩灯颜色不同，每

组彩灯包含两个颜色相同的彩灯。

1 当音乐处于高频段 2000--4000HZ 第一组彩灯根据音乐幅度强弱不同

产生不同的亮度； 2 当音乐处于中频段 500--1200HZ 第二组彩灯根据音乐幅度强弱不同

产生不同的亮度；

3 当音乐处于低频段 50HZ--250HZ 第三组彩灯根据音乐幅度强弱不同产

生不同的亮度；

4 当音乐在这些频段之外，要求所有彩灯按照1HZ 频率节奏性的闪烁； 5当无音乐输入的时候，要求6组彩灯顺序交替移动点亮；

2.2 音乐彩灯控制器的程序流程：

首先将彩灯系分为6组，每组彩灯有两个灯，每组彩灯颜色不同，颜色分别为红、

橙、黄、绿、蓝、紫，并且每组彩灯设置了两个彩灯以增加其效果。当有音乐信

号时，将音乐信号进行放大，若音乐信号频率处于2000—4000HZ 时，触发第一

路彩灯使其点亮；当音乐信号处于500--1200HZ 时，触发第二路彩灯使其点亮；

当音乐信号处于50HZ--250HZ 时，触发第三路彩灯并使其点亮；当不同频率的

音乐信号在触发每组彩灯点亮的时候，产生一个阶梯波信号与整流后的信号进行

比较，比较后产生一串数字信号，再将这串与400HZ 的方波进行与，输出占空

比不同数字信号，由于占空比不同，输出平均电压的大小也不同，这样就可以改

变彩灯的亮度。当音乐信号处于这三个频段之外时，通过整流滤波产生一个高电

平和1HZ 的方波进行与使6组彩灯以1HZ 的频率闪亮。当无音乐信号时，一个

6位双向移位寄存器，以计数器和数据选择器进行设置，使6组彩灯双向移动闪

亮。

现在确定音乐彩灯控制器设计的总体方案，其结构框图如下:

第三章：音乐彩灯控制器系统设计

3.1电源电路

由于本设计所用的电源为220V 交流电，而设计所需芯片的工作电压大致在5－

12V ，故需要首先设计一个电压转换部分，将220V 的交流电转换成5V ，12V ，

相当于一个直流稳压源，以供数字和模拟芯片正常工作。其转换电路如下所示：

变压器变压，再经过全波整流电路和滤波电容得+12V和-12V 直流电压作为运算放大器的电源。+12V经过W7805稳压后得到+5V的电压，供TTL 数字集成电路使用。

3.2音乐信号：

本设计中采用MP3输入音乐信号 ，这种信号电压幅度大约是0—20mV ，所以之后必须对信号进行放大才能对彩灯进行控制。

方案一：直接输入。

方案二：音乐信号由麦克输入：

本实验中音乐信号的输入由小话筒实现, 外界的

音乐信号通过麦克将声音信号转换成为一定的

电信号以驱动后面电路随音乐进行变化。话筒

上有两个引脚，一引脚接地，另一引脚输出由

话筒转化成的电信号。话筒本身是有源器件，

不需要外加直流电源。为了将比较微小的语音

信号体现得比较清楚，在输出端给一个外加的

直流电源，与1K 电阻相连后接到输出端，相当于加一个直流分量。

方案比较：由于考虑到麦克干扰比较大，效果不是特别理想，频率和幅度都不能达到理想的要求，相比之下MP3音乐信号纯度较好，而且存在小于10mV 的语音信号，所以把它作为语音信号的输入部分。

3.3放大部分：

由于音乐信号的幅度十分有限, 仅为十几毫伏, 为了驱动后面的电路, 必须将输入信号放大后再经过选频等一系列处理。

放大电路可以采用很多的形式，比如LM339芯片，普通的三极管放大等等。由于无特殊要求, 故本设计只选用普通的反相放大器即可. 具体电路如图二所示:（以放大50倍为例）。

3.4带通滤波器：

要求将音乐分为三个不同的频段，所以必须设计一个适用的带通滤波器，对音乐进行滤波，这个带通滤波器的效果将直接影响彩灯的闪亮效果，所以是本设计的核心部分，参数设计也是本设计中的难点。

滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率次（通常是某个频率范围）的信号通过，而其他频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC 元件或RC 元件构成的无缘滤波器，也可以由RC 元件和有源器件构成的有源滤波器。

根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF ），高通滤波器（HPF ），带通滤波器（BPF ），和带阻滤波器（BEF ）四种。从实现方法上可分为FIR ，IIR 滤波器。

从设计方法上可分为切比雪夫滤波器，巴特沃思滤波器。从处理信号方面可分为经典滤波器和现代滤波器。

在这里介绍两种具体的滤波器设计方法：

（1）切比雪夫滤波器：是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器”，在阻带波动的为“II型切比雪夫滤波器”。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。 这种滤波器来自切比雪夫多项式，因此得名，用以记念俄罗斯数学家巴夫尼提·列波维其·切比雪夫（Пафнутий Львович Чебышёв）。

（2）巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。

巴特沃斯滤波器的特性

巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上, 从某一边界角频率开始, 振幅随着角频率的增加而逐步减少, 趋向负无穷大。

无源滤波器与有源滤波器的比较

无源滤波器：这种电路主要有无源元件R 、L 和C 组成有源滤波器：集成运放和R 、C 组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。、

方案一：

原理图如下

:

低频段窄带低通电路

通带与阻带的幅度对比

滤波效果较为理想, 过渡带较窄, 阻带衰耗较大, 基本满足选频要求, 设计参数:

高频段与中频段的实验效果与低频段相似, 均较为理想.

改进:由于只需要对音频信号分为三个频段, 而带通滤波器对设计电路的要求较高, 所以用一个高通和一个低通滤波器代替原来高频和低频的两个带通滤波器. 这样使相同阶数下滤波器的效果更加理想而不降低题目要求. 由此得出以下方案. 方案二：

采用有源带通滤波电路来实现。如下图所示，该带通滤波电路由低通与高通滤波器级联得到。其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。选取合适的

RC

值即可实现要求的带通频率。

该方法的优点是：用该滤波方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器，但该实验的带通都较窄。 高低频率的参数计算公式： 二阶有源滤波器的低通滤波：

R 1=R 2=R C 1=C 2=C

Q =1/(3-A uf ) f n =1/(2πRC ) 高通滤波：

R 1=R 2=R C 1=C 2=C

Q =1/(3-A uf )

R =

1 w n

计算后得具体数值为：

方案三：

查阅相关资料得知，带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q 越高。 其中Q=fo\BW ； Fo=Fh ∙Fl ； BW=Fh—Fl 。

鉴于此，改用下述带通滤波，以实现窄而稳定的通频带，符合实验要求。

这种电路的优点在于改变Rf 和R1的比值就可改变频宽而不影响中心频率。带宽较窄，选择性好。 方案四:

根据题目要求，考虑到高阶滤波对非选通频率的衰减大，我们设计了四阶的带通滤波器参数。 具体参数如下所示：

R1 R2 R3 C1 C2

50—250HZ 15K 22K 165K 0.01U 0.1U 500—1200HZ 15K 20K 30K 0.01U 0.01U 2000—4000HZ 1.8K 22K 8.1K 102J 0.01U

四阶带通滤波器 方案比较：

方案一的集成度高，选择性好，稳定度高，但价钱较高，对于该实验而言，需要三片芯片，会造成成本太高，不适宜产品的普及。方案二至方案五各有优缺点，经过在面包板上模拟，发现对于高中频段，二阶有源滤波效果就可以满足要求；对于低频段，由于低频段较小，可以不做选择，故采用低通滤波实现上限截频。

实验最终原理电路, 滤波器部分:

这种波是根据切比雪夫滤波器的原理所实现的，它和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，虽然通频带内存在幅度波动，但对本设计的影响不大。一般的滤波器分为带通滤波和带阻滤波，高通滤波和低通滤波，而高通滤波器和低通滤波器并联就形成带阻滤波器，高通滤波器和低通滤波器串联变形成了如上所示的带通滤波器。

该方法的优点是：用该滤波方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器。 高低频率的参数计算公式： 二阶有源滤波器的低通滤

R 1=R 2=R C 1=C 2=C

Q =1/(3-A uf ) f n =1/(2πRC ) 高通滤波：

R 1=R 2=R C 1=C 2=C

Q =1/(3-A uf )

R =

1

。 w n

2.5整流器的工作原理与设计:

方案一：由于只有直流信号才可比较，因而信号在进入比较器之前需进行整流，将交流音乐信号转为直流信号进行比较。 精密整流器

精密整流器

该部分电路由线性半波整流跟一加法器级联得到。其中D1，D2，R 构成A3的反馈网络，2R 作为级间反馈。R1，R2作为运放同相输入端的平衡电阻。 当Vi 为负值时，A3反向输出，Uo1为正值。D2因反向偏置而截止，D1受正向压降作用而导通。（由于集成运放的开环电压放大倍数很高，即使Vi 的输入值很小，也可产生很大的Uo1使D1导通）。此时，D2，R 形成的回路断开，Uo2近似为0，由A3形成的放大电压对A4基本无影响。输入电压经2R 加在A4的反向输入端，经A4反向放大输出，从而得到正向电压Uo 。

当Ui 为正值时，A3反向输出，Uo1为负值。此时，D1反向偏置截止，D2受正向压降作用导通，Uo2为负值。从而Uo3为负值，经A4反向放大输出，得到正向电压Uo 。

利用集成运放虚地、虚断、虚短的特性，不难得出输出电压Uo 与输入Ui 在数值上呈线性比例关系，即整流器输出全波成比例正的直流信号。

我们知道，利用半导体二极管的单向导电性，可以组成整流电路，把交流变成直流。但是二极管的门限电压约为0.7V ，当被整流的信号电压低于门限电压时，二极管截止，整流作用消失，即使被整流的电压值大于0.7V ，由于二极管的弯曲，还会产生非线性误差。但利用该集成运放电路可有效地克服这两方面的缺点。因而在整流器的选取上，采用该精密全波整流器，可以更好的进行后继工作。 方案二：当音乐信号不这三个频段之内，同样需要对音乐信号进行整流，这时整流已经不需要前面的要求，由于前面的精密整流器成本高，所以现在我们采用桥式整流滤波：

桥式整流滤波

方案比较：将音乐信号分为三个频段来进行滤波，用于控制不同颜色的彩灯，此外还要控制彩灯的亮度，整流器直接影响到灯光的效果，对整流器的要求比较高，所以应采用精密整流器。而当音乐频段不在那三个频段之内时，整流器的作用只是用于简单的整流，滤波，将信号成一个持续的高电平信号，对整流器的要求并不是那么高，所以从经济成本上来考虑应该采用桥式整流滤波。

2.6阶梯波发生器:

设计要求根据音乐信号的大小控制彩灯的亮度。因而想到用一阶梯波发生器产生7个阶梯，作为参考电压与音乐信号进行比较，从而决定了比较器输出的高电平的个数，最终由平均电压大小来控制灯的亮度。每次输出不同的高电平个数，从而产生一串占空比不同的数字信号，由于占空比不同，从使平均电压的大小发生7个不同的变化，将灯的亮度分为7个程度，本设计采用555时钟脉+计数器（74LS161）+DA转换器（DAC0832）作为阶梯波发生器的组成部分，这样产生的阶梯波，波形比较规整，产生的最高电平是+5V。

时钟脉冲：

在数字系统中，经常要用到不同宽度和幅度的矩形脉冲波形，矩形波的产生、整形和变换的电路形式很多，现在介绍555集成定时器的组成和功能以及由集成定时器构成的多谐振荡器。

CC7555定时器定时器有8个端子，其引线端子摆列如图：1端接地;2端为低触发端TR ；3端为输出端OUT ；4端为复位端CO ；6端为高触发端TH ；7端为放电端D ；8端为电源点压UDD 。

现在讲解其基本功能，当复位端R=0,输出OUT=0，放电管导通，其他输入端

不起作用。当TH 端大于2/3UDD，TR 端电压大于1/3时，R=1，S=0，RS 触器被置0，输出低电平，放电管VT 导通，D 端对地短路。当TH 端电压下降到小于2/3UDD时，只要TR 电压大于1/3UDD，触发器状态不变，输出仍然为低电平，如果TR 引入负脉冲，则触发器翻转，输出为高电平，放电管VT 截止。CC7555定时器逻辑功能表如下：

多谐振荡器：

多谐振荡器是一种不需外加触发信号便能自动地、周期性翻转，从而产生连续矩形波的电路，由555定时器构成的多谐振荡器如图（a ）。

设接通电源时，Uc=0，故U6=U2﹤1/3UDD,U0为高电平。放电管VT 截止，电容C 将被充电，充电回路为UDD —R1—R2—C —地，电路处于第一暂稳态，随着C 的充电，电容C 两端电压Uc 逐渐升高，当Uc ﹥2/3UDD,即U6=U2﹥2/3UDD，U0为低电平，此时，放电VT 由截止转为导通，电路C 放电，放电回路为C —R —VT —地，电路处于第二暂稳态，C 放电至Uc ﹤1/3UDD后，电路又

翻转到第一稳态，电容C 放电结束，C 再次被充电，电路重复上述过程。

由理论分析得知：

T1=0.7(R1+R2)C; T2=0.7R2C; T=T1+T2 =0.7(R1+2R)C; 计数器：

74LS161是一同步4位二进制计数器，下面介绍几种利用它构成N 进制的计数方法：

反馈归零法：反馈归零法是利用芯片的复位端CR 使之归零的一种方法，当计数器计数到N 种状态后，它的下一个状态要通过门电路使CR=0，即直接置0，计数器的第N+1种状态是计数器的最初状态。

预置数归零法：预置数归零法利用的是芯片的预置控制端LD 和预置输入端D3 D2 D1 D0,给D3 D2 D1 D0首先预置0 0 0 0，当计数器计数到N-1种状态时，使LD=0，那么它在第N 个CP 脉冲来的时候，计数器的状态便会回到0 0 0 0。 采用进位输出置最小数法：进位输出最小数法是利用芯片的预置控制端LD 和进位输出端CO ，将CO 端输出经非门送到LD 端，给预置输入D3 D2 D1 D0置一个最小数M ，M=16-N。

联级法：一片74LS161可构成从二进制到十六进制之间任意进制的计数器。利用两片74LS161，就可构成从二进制到二百五十六进制之间任意进制的计数器。依次类推，可根据计数需要选用芯片数量。

当计数器容量需要采用两块或更多的同步集成计数器芯片时，可以采用联级方法，将低位芯片的进位输出端CO 端和高位芯片的计数控制端CTt 或CTp 直接连接，外部计数脉冲同时从每片芯片的CP 端输入，再根据要求，选取上述三种实现任意进制计数的方法之一，完成对应电路的构成。本设计对计数器没有特别的要求，所以采用一片芯片，采用反馈归零法。

数—模转换DAC0832:

将数字量转换成模拟量的装置称为数—模转换器，简称DA 转换器或DAC 。

DAC0832是用CMOS 工艺制成的双列直插式8位DAC 芯片，可直接与8080 8084 8085及其他微处理器接口，它采用双缓冲寄存器，能方便地应用于多个DAC 同时工作的场合。DAC832的原理图如下：

引线端子功能：

DI0——DI7——8位数字输入端；

CS —— 输入寄存器选通信号，低电平有效；

WR ——输入寄存器写信号，低电平有效；

ILE ——输入寄存器锁存信号，高电平有效；

Xfer —— 数据传送控制端，低电平有效；

WR2——DAC 寄存器写信号，低电平有效;

Uref ——基准电压输入端（–10——﹢10）；

Rfb ——外接反馈电阻端；

Iout1——DAC 模拟电流输出1；

Iout2——DAC 模拟电流输出2；

UDD ——电源输入端（﹢5——﹢15V ）；

AGND ——模拟地；

DGND ——数字地;

工作方式：

直通方式：当CS=WR2=Xfer=WR1=0,ILE=1时，寄存器处于“直通”状态，数据同时直接写入两级寄存器，直接输入DAC 转换输出。

单缓冲方式：当CS=WR2=Xfer=0，ILE=1时；若WR1=1，数据锁存，模拟输出不变；若WR1=0，模拟输出更新。

双缓冲方式：分别控制两级寄存器，实现两次锁存缓冲，可以同时接受两组数据，以提高转换速度。

DAC 主要指标：

分辨率：分辨率是指D/A转换器最小输出与最大输出电压之比。对于一个n 位的D/A转换器，当输入数字量为00……01时，即最低位（LSB ）为1，其余各位为0，输出电压为最小输出电压Ulsb, 即

Ulsb=Uref/2n （0+0+……..+20）=Uref/2n

当输入数字量为11……….11(各位都是1) 时，输出电压为最大输出电压Ufsr ，即 Ufsr=Uref/2n (2n -1+2n -2+……21+20)

= Uref/2n (2n —1)

分辨率可表示为

分辨率=Ulsb/Ufsr=1/2n —1

分辨率与DA 转换器的位数有关，位数越多，分辨率越高。

转换精度：

转换精度是指D/A转换器实际输出的模拟电压与理论值之间的最大误差，通常要求D/A的误差小于Ulsb/2。

转换时间：

转换时间是指D/A从输入信号起，到输出信号达到稳定值所需要的时间，转换时间越短，工作速度越高。

下面是阶梯波产生的整体电路图，包括参数：

阶梯波发生器

2.7比较器：

（典型的电压比较器：LM339，LM393）

电压比较器(以下简称比较器) 是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。

简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍) ，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端) ，有一个输出端V out(输出电平信号) 。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器) ，同相端输入电压V A ，反相端输入VB 。V A 和VB 的变化如图1(b)所示。在时间0～t1时，V A>VB；在t1～t2时，VB>VA ；在t2～t3时，V A>VB。在这种情况下，V out 的输出如图1(c)所示：V A>VB时，V out 输出高电平(饱和输出) ；VB>VA 时，V out 输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。

如果把V A 输入到反相端，VB 输入到同相端，V A 及VB 的电压变化仍然如图1(b)所示，则V out 输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与V A 、VB 的输入端有关。

图2(a)是双电源(正负电源) 供电的比较器。如果它的V A 、VB 输入电压如图1(b)那样，它的输出特性如图2(b)所示。VB>VA 时，V out 输出饱和负电压。

如果输入电压V A 与某一个固定不变的电压VB 相比较，如图3(a)所示。此VB 称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平) ，如图3(b)所示，它一般用作过零检测。

比较器的工作原理

比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。 图4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压V A 经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB 通过输入电阻R1接在反相端，RF 为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压V out 与V A 、VB 及4个电阻的关系式为：V out=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则V out=RF/R1(VA-VB) ，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路) ，R3=RF=∞(相当于R3、RF 开路) 时，V out=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成

图4(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而V out 输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。

从图4中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。

同相放大器电路如图5所示。如果图5中RF=∞，R1=0时，它就变成与图3(b)一样的比较器电路了。图5中的Vin 相当于图3(b)中的V A 。

2.8移位寄存器：

移位寄存器是一个集成寄存器，寄存器常用于寄存一组二进制代码，它被广泛用于各类数字系统和数字计算机中，应为一个触发器能存储一位二进制代码，所以用n 个触发器组成的寄存器存储一组n 位二进制代码。对寄存器种使用的触

发器只要求具有置1、置0的功能即可。

移位寄存器具有数码寄存和移位两个功能。若在移位脉冲的作用下，寄存器中的数码，依次向右移动，则称为右移，若依次向左移动，称为左移。只具有单向移位功能的称为单向移位寄存器；即可左移又可右移的称为双向移位寄存器。 74LS194是一种典型的中规模集成移位寄存器，其引线排列端子图和功能表如下：

74LS194功能表

74LS194引线端摆列图

由上表可知，移位寄存器具有如下功能。

异步清零 当CR=0时，实现清零功能，即Q3 Q2 Q1 Q0=0 0 0 0;

保持 当CR=1、M1M0=00时，移位寄存器保持原来的状态；

左移 当CR=1、M1M2=01时，在CP 脉冲配合下进行左移位，每来一个脉冲的上升沿，寄存器中的数据左移一位，并且由SL 端输入一位数据。

右移 当CR=1、M1M2=10时，在CP 脉冲配合下进行右移位，每来一个脉冲的上升沿，寄存器种的数据左移一位，并且由SL 端输入一位数据。

并行输入 当CR=1、M1M2=11时，在CP 脉冲的上升沿作用下，能够将并行输入端D3 D2 D1 D0 的数据存入寄存器中。

现在我们使用两片74LS194组成双向八位移位寄存器，用于控制六组彩灯的闪亮，如图：

双向八位移位寄存器

2.9 数据选择器:

数据选择器是一种多输入，单输出的组合逻辑电路。它能在选择控制信号作用下，从多个输入信息中选择一个信息送至输出端进行传输。也称为多路选择器或多路开关。其工作原理可用一个单刀多掷开关来描述，其作用是将输入并行数据变为串行数据输出。

目前中规模集成数据选择器种类繁多，按照数据输入端可分为四选一、八选一、十六选一等形式，上图为八选一数据选择器74LS151的符号图，下表为其功能表。其中D0——D7为数据输入端；ST 为使能端，低电平有效；Y 为输出端。

数据分配器：数据分配是数据选择的逆过程，在选择控制信号作用下，将下一路输入信息送至多个输出端中的指定输出通道上进行传输的电路，称为数据分配器。它是一种单输入、多输出的组合逻辑电路。作用是将串行数据输入变为并行数据输出。

2.10门电路：

此设计用到了很多门电路，在这里，我先将门电路的基本知识加以介绍：门电路其实就是一种逻辑关系，逻辑关系是指事物的因果关系，即条件与结果的关系，在数字电路中用输入信号反应条件，用输出信号反应结果，这种电路称为逻辑电路，在逻辑电路中最基本的逻辑电路关系有三种，即与逻辑、或逻辑，相应的逻辑门电路也有三种，即与门电路、或门电路、非门电路。门电路可以由二极管、三极管、电阻等分立元件组成，也可以是集成电路。下面接受，本设计所用到的门电路，以及其逻辑关系：

2.11三极管的开关特性:

三极管的开关特性是指三极管交替工作在饱和和截至的状态。这是由三极管的制造工艺特点所决定的，三极管发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，使用时，发射极不能和集电极交换。但三极管处了运用于放大，我们还经常将它用于饱和和截至状态，例如开关三极管，当三极管处于截至状态时候，三极管开关闭合，当三极管处于饱和状态时，三极管开关大开。下面我们分别介绍三极管处于放大状态、饱和状态和截至状态时的条件：

截至区： 为了让三极管可靠截至，我们经常在发射极上加反向电压，因此，截至的外部条件是发射结和集电结均反向偏置。

放大区： 三极管集电极电流的变化基本上与UCE 无关，集电极电流只受基极电流的控制，反应了三极管的电流放大特性，因此，放大的外部条件是发射极正偏，集电极反偏。

饱和区： 当三极管处于放大作用时，三极管集电极电流已经达到饱和，不受基极电流控制，因此，三极管处于饱和状态的外部条件是发射极和集电极均处于正向偏置。

2.12发光二极管:

发光二极管简称为LED 。由镓（Ga ）与砷（AS ）、磷（P ）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED 。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P 区注入到N 区的空穴和由N 区注入到P 区的电子，在PN 结附近数微米内分别与N 区的电子和P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R 可用下式计算： R ＝（E －UF ）／IF

式中E 为电源电压，UF 为LED 的正向压降，IF 为LED 的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管（图），每个数码管可显示0～9十个数目字。

红色和黄色的发光二极管的工作电压是2伏的，其他颜色的工作电压都是3伏的一般的发光二极管的工作电流是20毫安，如果接在五伏的电源上，电源电压减二极管的工作电压就是分压电阻要分掉的电压，再用这个电压除以二极管工作的电流就能计算出这个电阻的阻值。比如说3伏的二极管（5-3）/0.02=100欧，2伏的二极管（5-2）/0.02=150欧，但是不是所有的发光二极管的工作电流都是20毫安，有的大一点有的小一点，实际使用的时候也可以用整流二极管来分压，一只二极管的压降是0.7伏，用3只串联分掉的电压就是2.1伏，剩下的正好是3.1伏或者用四个串联剩下2.2伏

限流到20ma 以下，红灯1.2v ，绿灯1.4v(导通时) 。

正向工作电流If ：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。 一般LED 发光二极管的工作电流在十几mA 至几十mA ，而低电流LED 的工作电流在2mA 以下（亮度与普通发光管相同）。

正向工作电压VF ：一般发光二极管参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。 发光二极管正向工作电压VF 在1.4～3V 。在外界温度升高时，VF 将下降。 R≈V/I

一般应用取I ＝3～5mA 。

亮度与电流不是线性关系，电流大到一定值时，亮度变化不大。只要電流超過了最大正向電流就會燒了。特殊的主要看资料，一般的电流选定在3-20mA 。

2.13运放的选择:

通常情况下，在设计集成运放应用电路时，没有必要研究运放的内部电路，而是根据设计要求寻求具有相应性能指标的芯片。因此，了解运放的类型，理解运放主要性能指标的物理意义，是正确选择运放的前提。应根据以下几方面的要求选择运放。 信号源的性质

根据信号源是电压源还是电流源、内阻大小、输入信号的幅值及频率的变化范围等，选择运放的差模输入电阻rid 、－3dB 带宽（或单位增益带宽）、转换速率SR 等指标参数。 负载的性质

根据负载电阻的大小，确定所需运放的输出电压和输出电流的幅值。对于容性负载或感性负载，还要考虑它们对频率参数的影响。 精度要求

对模拟信号的处理，如放大、运算等，往往提出精度要求；如电压比较，往往提出响应时间、灵敏度要求。根据这些要求选择运放的开环差模增益Aod 、失调电压UIO 、失调电流IIO （值小表明直流特性好）及转换速率SR （越大反映交流特性好）等指标参数。故对音频视频交流信号电路选转换苏柳较大的的，对处理微弱直流声信号电路宜选用失调电流失调啊电压和温漂较小的。 环境条件

根据环境温度的变化范围，可正确选择运放的失调电压及失调电流的温漂。根据所能提供的电源（如有些情况只能用干电池）选择运放的电源电压；根据对功耗有无限制，选择运放的功耗；等等。

根据上述分析就可以通过查阅手册等手段选择某一型号的运放了。不过，从性能价格比方面考虑，应尽量采用通用型运放，只有在通用型运放不满足应用要求时才采用特殊型运放。

第四章 结束语

经过这三个月以来的艰苦设计和指导老师的协助，我顺利的完成了毕业设计所要达到的要求的和任务。在这期间，我查阅了有关的教课书以及各类书籍资料，学到了很多以前没有的知识。培养了整体的规划能力，深刻的了解到了设计一个东西所应该付出的艰辛，并体会到了一个学生做毕业设计的必要性，它将是学生走出校园的最后一次理论训练。

致 谢

经过三个月的忙碌，本次毕业设计终于画上句号，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导以及和同组设计的同学们的相互讨论，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师乐绍文日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，都为我们操心，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是乐老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩乐老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。其次要感谢和我一起作毕业设计的同学们，和你们在一起设计和讨论，帮助我攻克了许多困难并完成此次毕业设计。如果没有和他们的讨论，此次设计的完成将变得异常艰辛。然后还要感谢大学三年来所有教导过我的老师，你们为我打下电子技术专业知识的基础；同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。最后感谢成都电子机械高等专科学校三年来对我的大力栽培。感谢审评本文的各位专家和老师，你们提出的问题也将积极的影响我今后在工作中的学习。 此致 敬礼!

机电工程系07415班张波 2010年 5月 25日

参考文献

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[5] 康华光 陈大 《电子技术基础》(模拟部分) 第四版 高等教育出版社 1999 [6]沈尚贤《电子技术导论》 北京. 高等教育出版社 1985 [7]谢嘉奎 《电子线路》(第四版), 北京高等教育出版社 1999 [8]冯民昌《模拟集成电路系统》(第2版) 北京中国铁道出版社1998