thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh hiện thị led

Yêu cầu của mạch phân tích phổ tín hiệu âm thanh là: Có khả năng đo đ-ợc giá trị điện áp của các tín hiệu tần số âm thanh và hiển thị trên một ma trận LED.. - Mạch đợc thiết kế hiển thị

Mục Lục Trang

2.2.1 Mạch điều khiển LED bằng linh kiện rời 11 2.2.1 Mạch điều khiển LED dùng IC LM 3915 13

Chơng 3: Thiết kế và chế tạo mạch phân tích phổ âm thanh 17

3.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và phân tích tính toán 19

3.2.3 Khối mạch dao động, đếm và giải mã, mạch thúc và điều

Lời nói đầu

Công nghệ điện tử hiện nay có những bớc phát triển rất nhanh Nó luôn gắn liền với sự phát triển của các công nghệ khác Công nghệ điện tử tơng tự đã

đem đến cho con ngời những ứng dụng quan trọng trong tất cả các nghành, các lĩnh vực

Là một sinh viên khoa Công nghệ, nghành Điện tử - Viễn thông, bản thân em hiểu rằng vận dụng những kiến thức đã học vào thực tế là vô cùng

quan trọng Với suy nghĩ trên, em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế mạch

phân tích phổ tần âm thanh” Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo

trong bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công nghệ đã giảng dạy cho chúng

em những kiến thức về chuyên môn, để chúng em thực hiện tốt đồ án thiết kế mạch tơng tự này Do kiến thức còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh đợc những thiếu sót Vì vậy em rất mong đợc sự chỉ bảo của các thầy cô và những ý kiến đóng góp của các bạn

Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Đặng Thái Sơn đã nhiệt

tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này!

Em xin chân thành cảm ơn !

Vinh, ngày tháng năm 2010… …

Sinh viên thực hiện

Hoàng Thế Mạnh

Chơng 1: Tổng quan

1.1 Giới thiệu tổng quan về mạch phân tích phổ âm thanh

Từ lâu mạch phân tích phổ đã xuất hiện nhiều trong các dàn âm thanh Hiện nay ứng dụng của mạch này xuất hiện ngày càng nhiều trong cuộc sống nhằm phục vụ giải trí và thẩm mỹ của con ngời

Yêu cầu của mạch phân tích phổ tín hiệu âm thanh là: Có khả năng đo

đ-ợc giá trị điện áp của các tín hiệu tần số âm thanh và hiển thị trên một ma trận LED

1 2 Phân tích hệ thống

1.2 1 Khả năng đáp ứng của hệ thống:

Hệ thống giao tiếp với ngời sử dụng chỉ bằng hiển thị do vậy nó hạn chế

đợc tác động của ngời sử dụng vào nội dung bên trong mạch đèn nháp nháy theo nhạc

- Mạch đợc thiết kế hiển thị phổ của các tín hiệu trong các dải tần xác định

- Mạch đợc thiết kế theo nguyên tắc khi dải tần số nào phù hợp

với thiết kế mạch thì hiển thị tơng ứng với dãy đèn LED đó

1.2.2 Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động:

a Sơ đồ khối:

Hình 1: Sơ đồ khối cơ bản của mạch phân tích phổ âm tần

Mạch điều khiển dùng để hiển thị mức biên độ của tín hiệu sau khi qua

bộ lọc tần Mạch này có thể dùng linh kiện rời hoặc dùng các IC chuyên dụng Các đờng ra càng nhiều thì mạch có độ phân giải biên độ càng lớn

Trong sơ đồ trên ta thấy mỗi bộ lọc tần cần có một mạch điều khiển LED cho việc hiển thị, càng nhiều bộ lọc tần (độ phân giải tần số của mạch càng cao) thì càng dùng nhiều mạch điều khiển LED Điều này sẽ gây cho mạch sự kết nối phức tạp Để khắc phục nhợc điểm của sơ đồ trên ta xét những cải tiến trong sơ đồ khối sau:

1.3 Sơ đồ khối mạch phân tích phổ âm tần dùng hiển thị dạng quét:

1.3.1 Sơ đồ khối:

Hình 2: Sơ đồ khối của mạch phân tích phổ âm tần dùng hiển thị dạng quét

1.3.2 Nguyên lý hoạt động:

Sơ đồ này thể hiện u điểm là chỉ dùng một mạch điều khiển LED bất kể

số lợng mạch lọc là bao nhiêu, số đờng nối dây ra mạch hiển thị cũng đơn giản hơn do việc sử dụng ma trận hiển thị là sự kết hợp giữa hàng và cột Số lợng cột tơng ứng với số lợng mạch lọc tần, còn số hàng chính là số lợng đầu ra của mạch điều khiển LED

Sơ đồ này cũng bao gồm n bộ lọc tần, các ngõ ra của các bộ lọc tần đợc đa vào bộ chuyển mạch, tại từng thời điểm chuyển mạch chỉ cho tín hiệu của một

bộ lọc tần ra mà thôi Điều khiển bộ chuyển mạch đợc thực hiện bởi mạch đếm

& giải mã, tín hiệu xung clock của mạch dao động đa vào mạch đếm & giải mã, số ngõ ra của mạch đếm & giải mã tơng ứng là n Ngõ ra của mạch đếm & giải mã cũng đồng thời đợc đa đến mạch thúc để quét các cột Nếu tần số xung clock đủ nhanh thì mắt ta sẽ bị đánh lừa cho cảm giác đồng thời các cột đều sáng nhng thực ra tại một thời điểm thì chỉ có một cột sáng

Chơng 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Mạch lọc tần số:

2.1.1 Giới thiệu về các loại mạch lọc:

Thờng trong các thiết bị điện hoặc điện tử cần chặn hoặc cần cho qua những tần số nào đó ngời ta thờng dùng bộ lọc tần số Trớc kia nó đợc dựng chủ yếu bằng những phần tử điện cảm L và điện dung C Ngày nay IC khuếch

đại thuật toán (OP AMP) có kích thớc nhỏ, có nhiều đặc tính u việt, giá thành hạ, tính toán thiết kế đơn giản nên đợc a chuộng để dựng các bộ lọc tích cực RC.Có nhiều loại mạch lọc tích cực khác nhau chẳng hạn nh mạch Butterworth

và Chebyshev Trớc khi xét đến các bộ lọc ta cần xét đến bậc của bộ lọc Bậc của bộ lọc xác định độ dốc đờng cắt Số bậc càng cao, đờng cắt càng dốc Bậc lọc gia tăng theo 6dB/oct Mạch lọc tích cực đơn giản nhất là mạch lọc bậc nhất với độ dốc là 6db/oct Các mạch lọc tích cực cao cấp hơn có thể có bậc cao hơn, ví dụ một bộ lọc bậc hai có độ dốc đờng cắt là 12dB/oct Phần dới, do yêu cầu của đề tài, trình bày chủ yếu về mạch lọc dải thông Sau đây là giới thiệu các loại mạch lọc:

2.1.2 Mạch lọc thông thấp:

Mạch lọc Butterworth đợc thiết kế để có đáp ứng biên tần phẳng trong dải thông và có đặc tính đờng cong trơn tru Hình dới trình bày biểu đồ đáp ứng tần số của một mạch lọc Butterworth bậc nhất điển hình

Hình 3: Đặc tuyến mạch lọc thông thấp

Một loại phổ biến khác của đáp ứng lọc đợc thể hiện bởi mạch lọc Chebyshev Biểu đồ đáp ứng biên tần của một mạch lọc thông thấp Chebyshev đợc trình bày ở hình dới:

Hình 3: Đặc tuyến mạch lọc thông thấp Chebyshev

Đáp ứng biên tần của mạch lọc không phẳng ở tần số thấp hơn tần số cắt

nh trong bộ lọc Butterworth Trong bộ lọc Chebyshev, có một sự giảm về biên

độ ở phía trớc tần số cắt và biên độ lại tăng trở lại trớc khi đờng suy giảm bắt

đầu

Thuận lợi chủ yếu của mạch lọc Chebyshev là có đặc tính đờng suy giảm rất dốc.Các mạch diện thực sự của mạch lọc Butterworth và Chebyshev thờng thì khá giống nhau Thông thờng, sự khác biệt duy nhất trong hai mạch lọc là giá trị các linh kiện thực sự đợc sử dụng

2.1.3 Mạch lọc thông cao:

Hình 4: Đặc tuyến mạch lọc thông cao và mạch lọc thông cao Chebyshev

Về mặt chức năng, một mạch lọc thông cao đóng vai trò đối lập với một mạch lọc thông thấp Nếu bỏ qua đờng cong suy giảm, những cái đợc cho qua bởi mạch lọc thông thấp sẽ bị chặn lại bởi mạch lọc thông cao và ng-

ợc lại Các mạch lọc tích cực thông cao khá giống các mạch lọc tích cực thông thấp ngoại trừ vị trí của một số linh kiện bị thay đổi Cũng giống nh mạch lọc tích cực thông thấp, một mạch lọc tích cực thông cao cũng có cả đáp ứng Butterworth lẫn đáp ứng Chebyshev đợc trình bày dới đây

2.1.4 Mạch lọc thông dải:

Nói chung các mạch lọc dải thông phức tạp hơn nhiều so với các mạch lọc thông thấp và thông cao Theo một mặt nào đó, các mạch lọc thông thấp và thông cao cũng là một loại mạch lọc dải thông Trong một mạch lọc thông thấp, tần số cắt dới là một điểm tởng tợng nằm dới 0Hz Đối với mạch lọc thông cao, tần số cắt trên đợc xác định bởi đáp ứng tần số của khuếch đại thuật toán (hay các linh kiện tích cực khác) đợc dùng trong mạch lọc

Một mạch lọc dải thông có thể đợc tạo ra bằng cách mắc nối tiếp mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao Các mạch lọc dải thông phức tạp hơn vì có nhiều thông số hơn và vì thế linh hoạt hơn Các thông số bao gồm nh: độ lợi (K),bậc lọc (n), tần số trung tâm (Fc), và băng thông (BW) ngoài ra còn có một thôngsố nữa là hệ số phẩm chất Q, đợc suy ra từ Fc và BW

Hình 5: Đặc tuyến mạch lọc thông dải

2.1.5 Mạch lọc chặn dải:

Một mạch lọc dải chặn cho hầu hết mọi tần số đi qua nó ngoại trừ những tần số nằm trong một khoảng đợc xác định (thờng là hẹp) Các mạch lọc dải chặn thờng đợc dùng để loại bỏ những thành phần tần số không mong muốn Các tần số cao hơn và thấp hơn dải chặn đều đợc mạch lọc dải chặn cho qua

dễ dàng Trong đồ thị đáp ứng biên tần ta thấy có một lỗ hổng hay lõm xuống vì thế mạch này thờng đợc gọi là mạch lọc Notch

2.1.6 Chi tiết về mạch lọc thông dải

Mạch lọc dải thông cơ bản đợc minh họa bên dới:

Hình 6: Đặc tuyến mạch lọc chặn dải

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tích cực thông dải dùng KĐTT

Mạch này có thể đợc thiết kế để cho độ lợi từ thấp tới trung bình và giá trị Q có thể cao tới 20, giá trị thấp hơn của Q có thể đợc chọn lựa bằng cách dùng các giá trị linh kiện thích hợp

Trong mạch chọn C1 = C2 = C để dễ tính toán Các thông số cho trớc là tầnsố trung tâm (Fc), độ lợi (K) và Q Trong hầu hết các trờng hợp, giá trị Q có thể đợc suy ra từ tần số trung tâm và băng thông của bộ lọc dải thông

BW

F

Q= C

Với các thông số cho trớc, ta có các công thức để tính R1, R2 và R3:

CK F

Q R

2 1 2

1

R R R

R R C

π ; Q= πF C CR3

2.2 Mạch điều khiển LED

2.2.1 Mạch điều khiển LED dùng linh kiện rời:

Khi điện áp đầu vào càng mạnh Khi có dòng điện thì các LED lần lợt sáng, bắt đầu từ LED cuối cùng (LED7)

Khi có dòng điện từ cực C của Q2 thì dòng điện này hầu nh hoàn toàn đi qua R12 và LED7 và tạo nên sụt áp trên đoạn này (tại anod LED6 so với mass) Với một dòng điện xác định LED7 sáng và điện áp sụt trên nó khoảng 1,8 đến

Hình 8: Mạch điều khiển LED dùng KĐTT

2V Trong quá trình dòng điện tăng lên, điện áp này không đổi Một cách khác LED7 đóng vai trò của một ổn áp Nhng dòng điện tăng dẫn đến việc tăng điện

áp tại anod LED6.Khi điện áp này đạt giá trị bằng tổng điện áp sụt trên LED7 và diode mở D6 (0,7V) tức là khoảng 2,5 đến 2,7V thì LED6 phát sáng LED5 sẽ sáng tiếp theo khi dòng cực C của Q2 tiếp tục tăng, khi mà điện áp tại anod LED5 đạt đến giá trị bằng tổng điện áp sụt trên LED đang sáng và các diode mở

D5, D6 Tóm lại LED tiếp theo chỉ sáng khi tăng điện áp anod của chúng (so với mass) lên khoảng 0,7V so với điện áp trên anod của LED trớc đó Khi dòng

điện ra trên cực C của Q2 giảm thì các LED tắt theo thứ tự từ trên xuống dới Độ tuyến tính của LED chỉ báo phụ thuộc vàp việc chọn lựa chính xác các điện trở R7 đến R12 cũng nh các tham số giống nhau của các LED Mạch này không chỉ làm việc đợc với nguồn tín hiệu điện áp không đổi ở đầu vào mà còn với nguồn tín hiệu là âm tần Trong trờng hợp này, mạch chỉ làm việc với các nửa chu kì dơng của tín hiệu

2 Mạch điều khiển LED dùng các khuếch đại thuật toán:

Hình 8: Mạch điều khiển LED dùng KĐTT

Trong mạch, các đầu vào không đảo đã đợc nối vào mạch phân áp để lấymức điện áp mẫu, trong khi đó điện áp tín hiệu vào cùng lúc ở các đầu vào đảo.Mạch so áp sẽ so sánh các mức điện áp vào và làm sáng các LED tơng ứng

2.2.2 Mạch điều khiển LED sử dụng IC LM3915:

1.Giới thiệu chung

IC LM3915 là một mạch tích hợp đơn khối có thể cảm nhận đợc các mức

điện áp tơng tự và điều khiển hiển thị trên 10 led hoặc màn hình tinh thể lỏng hay là các thiết bị hiển thị huỳnh quang chân không, cung cấp cho một bộ khuếch đại lôgarit 3dB/bậc điện áp tơng tự hiển thị Một chân thay đổi hiển thị

từ biểu đồ cột sang hiển thị các điểm di động

Dòng trên led đợc điều khiển và có thể lập trình đợc mà không cần đến các trở hạn dòng Tất cả hệ thống hiển thị có thể hoạt động nhờ nguồn cấp nằm trong khoảng 3V cho đến 25V IC bao gồm một điện áp tham chiếu có thể điều chỉnh đợc và đúng một bộ chia áp 10 mức chuẩn Bộ đệm nhập trạng thái trở kháng cao nhận tín hiệu từ mát đến trong dải 1.5V của nguồn dơng Hơn nữa,

nó không cần phải bảo vệ các tín hiệu ở đầu vào Bộ đệm nhập điều khiển 10

bộ so riêng lẻ đợc tham chiếu tới các bộ chia với độ chính xác Độ chính xác thông thờng tốt hơn 1dB

Sự hiển thị 3dB/bớc của LM3915 là một dãy các tín hiệu động với dải rộng,nh là mức âm thanh, điện, cờng độ chiếu sáng hoặc dao động Các chơng trình âm thanh trung bình hoặc là các bộ chỉ báo mức cực đại, đồng hồ điện năng và đồng hồ đo cờng độ tín hiện cao tần Thay thế cho các đồng hồ đo thông thờng bằng kết quả hiển thị nhanh dần trên một biểu đồ led

IC LM3915 rất dễ áp dụng nh là một đồng hồ đo 1.2V bằng thật mà chỉ

đòi hỏi một điện trở cộng với 10 led Một điện trở lập trình với nguồn áp bất kỳ

từ 1.2V đến 12V

Độ sáng của led có thể đợc điều khiển bởi một biến trở riêng

IC LM3915 rất đa năng các đầu ra của nó có thể điều khiển hiển thị trên các màn hình tinh thể lỏng, các bóng huỳnh quang chân không, và bóng đèn dây tóc tốt nh các led màu

Nhiều thiết bị có thể đợc ghép nối để hiện thị cho một điểm hay là một cột với độ rộng 60 dB hoặc 90 dB Lm3915 cũng có thể đợc ghép nối với LM3914 để hiển thị một dải/biểu đồ hoặc với Lm3916 cho một âm lợng kế mở rộng.

Các đặc điểm của Lm3915:

- 3dB/bớc, biên độ 30 dB

- Điều khiển hiển thị các led, màn hình tinh thể lỏng, bóng huỳnh quang chân không

- Hình thức hiển thị cột hay điểm có thể do ngời dùng chọn đợc bên ngoài

- Điện áp tham chiếu bên trong từ 1.2V đến 12V

- Hoạt động với điện áp nguồn đơn từ 3V đến 25V

- Dòng ra có thể lập trình từ 1mA đến 30mA

- Điện áp vào chịu đựng 35V mà không gây tổn hại hoặc sai kết quả ở±

đầu ra

- Điều khiển trực tiếp TTL hoặc CMOS

- Bộ chia bên trong 10 bớc, và có thể đợc tham chiếu tới một biên độ rộng của điện áp

- LM3915 đợc đánh giá cao nhất khi hoạt động từ 00C đến +700C

-Hình 1: ứng dụng tiêu biểu của IC LM3915

Hình 2: sơ đồ khối của IC LM3915

Chân 5 (Signal input): chân đa tín hiệu vào

Chân 7 (Reference output): chân tham chiếu ra

Chân 8 (Reference adjust): chân điều chỉnh tham chiếu

Chân 9 (Mode select): chân lựa chọn chế độ, đầu vào lựa chọn chế độ cho phép kết nối các Lm3915 với nhau, và điều khiển chế độ hoạt động hiển thị cột hay điểm Có các cách cơ bản để sử dụng đầu vào này nh sau:

Các chân 10 ->18, chân 1 là các đầu ra cho phép kết nối với thiết bị hiển thị

Chơng 3: Thiết kế và chế tạo mạch phân tích phổ âm thanh

3.1 Sơ đồ khối:

Trong đồ án này, mạch phân tích phổ âm tần có độ phân tích là tần số 10,

độ phân tích biên độ cũng là 10 Trong mạch sử dụng mạch hiển thị dạng quét

để mạch gọn nhẹ, các đờng kết nối ít cũng nh số lợng các linh kiện đợc giảm

Chia mạch thành các phần chính nh sau: khối mạch lọc với các chuyển mạc

điện tử; khối mạch dao động, đếm, thúc với mạch điều khiển LED; và khối mạch

ma trận LED hiển thị

3.1.1 Khối mạch lọc và chuyển mạch điện tử:

Tín hiệu từ ngã vào đợc đa đồng thời vào tất cả các bộ lọc, tại ngã ra của các bộ lọc này đợc đa vào chuyển mạch điện tử với các ngã vào dữ liệu

điều khiển chuyển mạch Tại một thời điểm chỉ có tín hiệu ra của một bộ lọc

Điều này đợc thực hiện bằng cách đa vào các dữ liệu chuyển mạch thích hợp.3.1.2 Khoỏi maùch dao ủoọng, ủeỏm, thuực vụựi maùch điều khiển LED:

Trong khối này, mạch điều khiển LED là độc lập với những phần khác nhng để cho gọn nên đợc gộp chung vào phần này Tín hiệu đợc đa vào mạch

điều khiển LED để có đợc dữ liệu tơng ứng ở ngã ra hàng

Mạch dao động tạo xung clock cấp cho mạch đếm kết hợp với mạch giải mã,các ngã ra của mạch giải mã chính là các ngã ra dữ liệu chuyển mạch cho bộ chuyển mạch, đồng thời các ngã ra này cũng đợc đa vào mạch thúc để cho ra các ngã ra cột dùng để quét các cột