实验题目：音乐彩灯控制电路的设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子线路设计测试实验

课程学时：32

适用专业：电信专业、通信专业、光电子专业、自动化专业

学生年级：大二

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

1） 设计一个以音乐放大与彩灯控制相结合的电路。
2） 要求将输入的音乐信号的输入电平峰峰值不大于 $5 0 \mathrm { m V }$
3） 将音乐信号进行适当的功率放大后驱动音箱发声
4） 同时设计一个三组彩灯的控制电路，每组彩灯个数不少于 4 个，规定红灯组对音乐信号中的频率成分为 $0 ^ { \sim } 3 0 0 \mathrm { H z }$ 的信号作出反应，黄灯组对音乐信号中的频率成分为 $5 0 0 ^ { \sim } 1 5 0 0 \mathrm { { H z } }$ 的信号作出反应，绿灯组对音乐信号中的频率成分为大于 $2 0 0 0 \mathrm { H z }$ 的信号作出反应，每组灯亮的个数对应于相应频率成份的信号幅值。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1） 学习了解功率放大器的设计方法；
2） 学习了解功率放大器的测试方法和调制方法；
3） 学习功率放大器自激现象产生的原因和解决方法；
4） 学习了解滤波器的种类，以及相应滤波器的设计方法
5） 学习滤波器设计的 EDA 辅助软件的使用方法；
6） 学习电路仿真软件 Pspice 的使用方法；
7） 将设计的滤波器电路使用仿真软件验证对应频段的滤波效果；
8） 搭建功率放大电路，并测试放大后的信号的相关指标；
9） 搭建三组滤波电路和信号强度指示电路，并验证对应频率段的滤波指标和信号强度指示方
式的正确性；
10） 将所有的分级电路组合，验证整体效果。
11） 撰写实验设计报告。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

本实验需要学生掌握的知识有：查找资料和文献检索的方法，一般放大器的设计与测试方法，功率放大器的设计与测试方法，功率放大器产生自激的原因分析和排查方法，滤波器的概念和分类，滤波器的设计方法，滤波器设计软件的使用方法，Pspice 仿真软件的使用方法，针对电路实现特征的电路验证方法，实验报告撰写方法。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解音响放大电路和滤波电路的设计方法、EDA辅助手段方式下的滤波器设计方法和电路仿真方法，综合电路的实现方法；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建自己的电路系统，并通过测试与分析对项目作出客观评价。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 学习功率放大器设计的基本方法，查找资料对功率放大器芯片进行选型，查找设计范例。
2） 查找资料学习滤波器的分类及设计方法，查找相应的滤波器设计软件并尝试使用。
3） 学习 Pspice 软件的使用，并对设计出的滤波电路进行仿真测试，验证设计出的滤波电路是否达到要求。
4） 功率放大电路的设计组装，并通过信号源作为输入源的方式来验证功率放大器设计指标是否满足要求。
5） 三组滤波电路的组装，对应信号强度指示电路的组装，并通过信号源作为输入源的方式来输入不同频段的信号同时调节信号强度的大小，验证滤波电路对相应频段信号的滤波效果及信号强度指示电路功能的正确性。
6） 将所有的分级电路进行级联组装，通过信号源作为输入源的方式来输入不同频段的信号同时调节信号强度的大小，验证滤波电路对相应的带内频段信号和带外频率信号的滤波效果，同时验证信号强度指示电路功能的正确性。
7） 将输入的信号有信号源换成音乐信号，通过人眼观察和示波器 FFT 方式来测量对应的音乐韵律的一致性。
8） 在实验完成后，进行必要的数据整理和经验交流。

在设计中，要注意学生设计的规范性，如每个模块独立测试的时候指标达到要求；在调试中，要注意工作电源供电方式对功率放大器的影响；级联过程中仔细分析产生干扰的原因并进行排查；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

实现方法框图

实验原理是：音乐信号通过前级电路进行适当的放大和阻抗变换后送入后级，功放电路将前级的信号继续放大到满足功率要求，滤波电路对相应的频率成分进行滤波和放大，各个灯组完成信号强度的指示。

首先，前级放大器可以采用 NE5532 作为运算放大器，进行阻抗变化和隔离，以及进行 10 倍左右的信号放大。

接着，可选择功率放大器 LM386 作为音乐放大功能电路的主要芯片，进行幅度在 20 倍左右的放大，选用 LM386 作为主要器件是因为，LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中,对于学生实验来说可以减少相应的自激现象的产生情况。

其次，滤波器选定后，根据对应滤波器的截止频率，可以通过相应的软件来设计滤波器，比如可以使用 TI 公司的在线滤波器设计器 WEBENCH 来完成，得到实现滤波器的参考电路以及电路元件的参数。

不同的灯组分别表示不同的频率成分，相应的信号强度指示电路是一致的，如果灯组是四个灯，可通过 5 个阻值相同的电阻分压网络来控制 4 个 NPN 三极管的基级，用以控制对应的四个 LED 点亮或者熄灭。

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

任务安排：提前两周布置实验任务的概要要求。
预习自学：学生需要自学功率放大器和滤波器的知识
现场教学：用一个有代表性的功率放大器芯片为例讲解功率放大器的设计方法，总结滤波器的分类，推荐滤波器设计软件。
结果验收：信号源输入和音乐输入的方式相结合。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析
2） 实现方案论证
3） 理论推导计算
4） 电路设计、参数选择、软件设计过程
5） 软件仿真和结果分析
6） 电路测试方法
7） 实验数据记录
8） 数据处理分析
9）实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1）面包板电路验收：功能与性能指标的完成程度，完成时间。
2）实验质量：电路方案的合理性。
3） 电路验收：功放电路功率、效率、无失真；滤波电路带内滤波效果，带外抑制效果；强度指
示电路正确性
4） 实验数据：测试数据和测量误差。
5） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：查阅工作量大，知识应用的综合性强。

实验案例信息表