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

Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
Mục Lục
Trang
Mở ĐầU
2
Chơng 1: Tổng quan
3
1.1. Giới thiệu tổng quan về mạch phân tích phổ âm thanh 3
1. 2. Phân tích hệ thống mạch phân phân tích phổ âm thanh 3
1. 2.1 Khả năng đáp ứng yêu cầu của hệ thống 4
1.2.2 Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động 4
1.3. Sơ đồ khối mạch phân tích phổ âm tần dùng hiển thị dạng quét :
5
Chơng 2: Cơ sở lý thuyết
6
2.1. Mạch lọc tần số 6
2. 1.1. Giới thiệu về các loại mạch lọc tần số 6
2.1.2. Mạch lọc thông thấp 6
2.1.3. Mạch lọc thông cao 7
2.1.4. Mạch lọc thông dải 8
2.1.5. Mạch lọc chặn dải 9
2.1.6 Chi tiết về mạch lọc dải thông 9
2.2 Mạch điều khiển LED 11
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
3.1. Sơ đồ khối 17
3.2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và phân tích tính toán 19
3.21. Thiết kế và tính toán mạch lọc 19
3.2.2 Thiết kế chuyển mạch điện tử: 24

3.2.3. Khối mạch dao động, đếm và giải mã, mạch thúc và điều
khiển LED
26
3.2.4 Thiết kế khối mạch ma trận LED hiển thị.
31
3.3 Thiết kế mạch in 32
Kết luận
36
1
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh

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
2
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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
3
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
b. Nguyên lý hoạt động:
Tín hiệu từ ngã vào đợc đa vào từng bộ lọc tần. Bộ lọc tần dùng loại
mạch lọc tích cực dải thông. Mạch chỉ để cho các tín hiệu trong một dải tần qui
định đi qua và lọc bỏ các thành phần khác. Có thể dùng transistor kết hợp với

các tụ điện và điện trở để hình thành nên mạch lọc tích cực hoặc dùng các OP-
AMP kết hợp với các linh kiện thụ động bên ngoài để có mạch lọc tích cực. Số
mạch lọc càng nhiều thì bộ phân tích phổ tần càng có độ phân giải tần số càng
cao, đợc thể hiện trong chỉ tiêu chất lợng của mạch cao hơn.
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
4
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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.
5
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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
6
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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:
7
Hình 4: Đặc tuyến mạch lọc thông cao và mạch lọc thông cao Chebyshev
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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.
8
Hình 5: Đặc tuyến mạch lọc thông dải
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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:
9
Hình 6: Đặc tuyến mạch lọc chặn dải
Hình 7: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tích cực thông dải dùng KĐTT
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh

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 C
1
= C
2
= 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 R
1
, R
2
và R
3
:

CKF
Q
R
C

2
1
=
;
)2(2
2
KQCF
Q
R
C

=

;
CF
Q
R
C

2
2
3
=
Độ lợi đợc xác định bằng tỉ số giữa R
1
và R
3
:
1
3
2R
R
K =
Một hạn chế quan trọng cho mạch này là nếu có độ lợi (K) cao thì Q cũng
phải cao. Không thể thiết kế mạch lọc với độ lợi cao và Q thấp bởi vì giá trị của
R
2
sẽ âm. Trong mạch, bậc lọc đợc xác định bởi giá trị Q. Giá trị Q càng cao,
đờng cắt càng dốc.
Khi cho trớc các giá trị C, R
1
, R
2

, R
3
, có thể tính đợc:
321
21
2
1
RRR
RR
C
F
C
+
=

;
3
CRFQ
C

=
10
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
2.2. Mạch điều khiển LED
2.2.1. Mạch điều khiển LED dùng linh kiện rời:
1. Mạch dùng Transistor
Trong sơ đồ trên, Q
1
và Q
2

tạo thành bộ khuếch đại hai tầng. Khi ở đầu
vào không có tín hiệu, Q
1
hầu nh đóng (trạng thái này đợc xác định bởi biến trở
R
4
), độ sụt áp trên R
2
nhỏ, không đủ mở Q
2
bởi vậy trên cực C của Q
2
không có
dòng ra, các LED tắt.Khi có điện áp dơng đặt ở đầu vào, Q
1
mở, điện áp vào
càng lớn, Q
1
mơ càng nhiều. Do đó Q
2
cũng mở và có dòng điện ra ở cực C.
Dòng điện này càng lớn.
Khi điện áp đầu vào càng mạnh. Khi có dòng điện thì các LED lần lợt
sáng, bắt đầu từ LED cuối cùng (LED
7
)
Khi có dòng điện từ cực C của Q
2
thì dòng điện này hầu nh hoàn toàn đi
qua R

12
và LED
7
và tạo nên sụt áp trên đoạn này (tại anod LED
6
so với mass).
Với một dòng điện xác định LED
7
sáng và điện áp sụt trên nó khoảng 1,8 đến
11
Hình 8: Mạch điều khiển LED dùng KĐTT
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
2V. Trong quá trình dòng điện tăng lên, điện áp này không đổi. Một cách khác
LED
7
đóng vai trò của một ổn áp. Nhng dòng điện tăng dẫn đến việc tăng điện
áp tại anod LED
6
.Khi điện áp này đạt giá trị bằng tổng điện áp sụt trên LED
7
và
diode mở D
6
(0,7V) tức là khoảng 2,5 đến 2,7V thì LED
6
phát sáng. LED
5
sẽ
sáng tiếp theo khi dòng cực C của Q
2

tiếp tục tăng, khi mà điện áp tại anod
LED
5
đạt đến giá trị bằng tổng điện áp sụt trên LED đang sáng và các diode mở
D
5
, D
6
. 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 Q
2
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 R
7
đến R
12
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:
12
Hình 8: Mạch điều khiển LED dùng KĐTT
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
Trong mạch, các đầu vào không đảo đã đợc nối vào mạch phân áp để lấy
mức 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.
13
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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 0
0
C đến +70
0
C.
-
Hình 1: ứng dụng tiêu biểu của IC LM3915
14
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
2. Sơ dồ khối và chức năng các chân LM3915
a. Sơ đồ khối
Sơ đồ khối đã đợc đơn giản của LM3915 bao gồm một bộ đệm vào ở
trạng thái trở kháng cao, hoạt động với tín hiệu từ đất đến 12V va đợc bảo
vệ chống lạsự đảo chiều và quá áp. Tín hiệu này sau đó đợc áp dụng cho
một loạt 10 bộ so sánh, mỗi bộ nh vậy đợc thiên áp để so sánh mức độ khác

nhau bởi trở băng.
Hình 2: sơ đồ khối của IC LM3915

15
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
b. Chức năng các chân LM3915
IC LM3915 có tất cả 18 chân, mỗi bên 9 chân, đợc trình bày nh hình vẽ
dới đây.
Hình 3:Ssơ đồ chân của IC LM3915
Chức năng các chân
Chân 2 (V
-
): chân nối đất.
Chân 3 (V
+
): chân cấp nguồn.
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.
16
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
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.
17
§å ¸n thiÕt kÕ m¹ch t¬ng tù ThiÕt kÕ m¹ch ph©n tÝch phỉ tÇn ©m thanh
3.1.1. Khèi m¹ch läc vµ chun m¹ch ®iƯn tư:
TÝn hiƯu tõ ng· vµo ®ỵc ®a ®ång thêi vµo tÊt c¶ c¸c bé läc, t¹i ng· ra
cđa c¸c bé läc nµy ®ỵc ®a vµo chun m¹ch ®iƯn tư víi c¸c ng· vµo d÷ liƯu
®iỊu khiĨn chun m¹ch. T¹i mét thêi ®iĨm chØ cã tÝn hiƯu ra cđa mét bé läc.
§iỊu nµy ®ỵc thùc hiƯn b»ng c¸ch ®a vµo c¸c d÷ liƯu chun m¹ch thÝch hỵp.
3.1.2. Khối mạch dao động, đếm, thúc với mạch ®iỊu khiĨn LED:
Trong khèi nµy, m¹ch ®iỊu khiĨn LED lµ ®éc lËp víi nh÷ng phÇn kh¸c
nhng ®Ĩ cho gän nªn ®ỵc gép chung vµo phÇn nµy. TÝn hiƯu ®ỵc ®a vµo m¹ch
®iỊu khiĨn LED ®Ĩ cã ®ỵc d÷ liƯu t¬ng øng ë ng· ra hµng.
M¹ch dao ®éng t¹o xung clock cÊp cho m¹ch ®Õm kÕt hỵp víi m¹ch gi¶i
m·,c¸c ng· ra cđa m¹ch gi¶i m· chÝnh lµ c¸c ng· ra d÷ liƯu chun
m¹ch cho bé chun m¹ch, ®ång thêi c¸c ng· ra nµy còng ®ỵc ®a vµo m¹ch
thóc ®Ĩ cho ra c¸c ng· ra cét dïng ®Ĩ qt c¸c cét.
18
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
3.1.3. Khối mạch ma trận LED hiển thị:
Khối này là khối đơn giản nhất so với các khối. Đây là một ma trận gồm
các hàng và các cột. Giao điểm của hàng và cột chính là LED đợc gắn vào. Dữ
liệu đợc đa vào hàng tại từng thời điểm tơng ứng với cột đợc chọn để hiển thị.

3.2. Thiết kế, tính toán:
3.2.1. Khối mạch lọc và chuyển mạch điện tử:

3.21. Thiết kế và tính toán mạch lọc:
Tùy theo từng cấp máy, ta có thể gặp các mạch phân tích phổ âm tần đ-
ợc phân chia thành những tần số trung tâm của các bộ lọc nh 20Hz,
30Hz, 60Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, 2KHz, 4KHz, 8KHz, 16KHz,
20KHz, ở các mạch phân tích phổ âm tần đơn giản hơn, ta có thể gặp tần số
trung tâm của các bộ lọcchỉ có 5 tần số, một số loại chuyên dụng, số tần số
trung tâm lên đến 10, 15, 16,32, và dĩ nhiên số lợng tần số trung tâm càng
nhiều thì mạch càng có chất lợng càng cao.
Thông thờng, các tần số trung tâm đợc biến thiên theo qui luật Octave
(tần số tăng gấp đôi), chính là do vấn đề xử lý hài (harmonic). Điều này quyết
định rất lớn đối với độ rõ, chất lợng của các nguồn âm đa dạng nh các bài nhạc
hòa tấu với nhiều loại nhạc cụ khác nhau. Ví dụ nh: thông thờng ta phân biệt đ-
ợc nốt La ở cùng bát độ của một đàn guitar và của piano đợc chính là nhờ các
hài ở các bát độ cao hơn của nốt La chuẩn mà ta phân biệt đợc ở hai nhạc cụ.
Ta có thể diễn tả một số tần số mà loại nhạc cụ có thể đạt đợc nh sau:
19
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
- ở tần số 30Hz: thờng nghe ở các loại Bass violin, Bass Tuba,
Contrebass,
- ở tần số 60Hz: thờng nghe ở các loại Trombone, Bassoon, Cello,
- ở tần số 100Hz: thờng nghe ở các loại Viola, giọng nói con ng-
ời,
Kettle drum, các guitar bass, trống,
- ở tần số 330Hz: thờng nghe ở đa số các âm cơ bản của các nhạc cụ
và giọng nói con ngời.
- ở tần số 1KHz: vùng tập trung các âm thanh của các loại nhạc cụ,
các âm cao của con ngời.
- ở tần số 3,3KHz: tập trung các âm thanh do các loại đàn dây tạo ra.
nét ở dãy tần số lân cận này.
- ở tần số 10KHz: tập trung hài bậc cao của âm cơ bản của các loại

nhạc cụ, tiếng xì của băng từ gây ra.
- ở tần số cao hơn 10KHz: hài bậc cao của các âm cơ bản và của một
số nhạc khí đặc biệt.
Từ các thống kê tơng đối ở trên, ta có đợc một số ý niệm về công dụng của
các bộ lọc. Việc thiết kế bộ lọc có thể phân chia thành nhiều bộ lọc dải thông
độc lập có tần số trung tâm riêng biệt để tính toán.
Một bộ lọc dải thông loại tích cực dùng khuếch đại thuât toán, ta có thể sử
dụng các công thức sau là kết quả của hàm truyền đạt mạch:
- Tần số trung tâm Fc đợc xác định với tụ C
1
= C
2
.
- Điện trở R
1
, R
2
xác định trở kháng vào của mạch: Z = R
1
+ R
2
.
- Độ lợi điện áp của mạch đợc xác định bằng: K = R
3
/ 2R
1
- Hệ số phẩm chất:
3
CRFQ
C

=

20
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
- Tần số trung tâm đợc xác định bằng công thức:

321
21
2
1
RRR
RR
C
F
C
+
=

- Các giá trị R
1
, R
2
vaứ R
3
:

CKF
Q
R

C

2
1
=
;
)2(2
2
KQCF
Q
R
C

=

;
CF
Q
R
C

2
2
3
=


Khi tính toán bộ lọc, có thể chọn trớc một vài thông số, sau đó suy ra các
giá trị còn lại nhờ vào các công thức trên.
Trong thiết kế, chọn A

V
=12dB là độ lợi của mạch tơng ứng với K = 4, hệ
số phẩm chất Q = 2, điện trở R
1
= R
2
= 120K, ta suy ra các thông số khác nh:
R
2
= 120K => R
3
= 960 K
CCR
Q
FCRFQ
CC
6
33
10
2


===
C
F
C
6
10.63610,0
=

Để đạt đợc các tần số trung tâm khác nhau cho các bộ lọc, ta có thể thay số
Fc để tính ra giá trị C
1
= C
2
= C.
Trong thiết kế, ta chọn 10 bộ lọc với các tần số trung tâm nh sau: 32Hz,
64Hz, 125Hz, 250Hz, 500Hz, 1KHz, 2KHz, 4KHz, 8KHz, 16KHz.
21
Hình 15: Bộ lọc thông dải dùng KĐTT
§å ¸n thiÕt kÕ m¹ch t¬ng tù ThiÕt kÕ m¹ch ph©n tÝch phỉ tÇn ©m thanh
KÕt qu¶ tÝnh to¸n ®ỵc cho ë b¶ng sau:
Fc (Hz) C1 = C2 (lý thut) C1 = C2 (thùc tÕ)
32 19.87 nF 22 nF
64 9.93 nF 10 nF
125 5.08 nF 4.7 nF
250 2.54 nF 2.2 nF hc 2.7 nF
500 1.27 nF 1.2 nF hc 1.5 nF
1K 636 pF 620 pF
2K 318 pF 330 pF
4K 159 pF 160 pF
8K 79.5 pF 82 pF
16K 39.7 pF 39 pF
Trë kh¸ng vµo cđa khh ®¹i tht to¸n cao nªn c¸c bé läc hÇu nh rÊt Ýt
phơ thc vµo sè hiƯu khch ®¹i tht to¸n (ngo¹i trõ ®¸p øng tÇn sè). Trë
kh¸ng vµo cđa bé m¹ch läc nµy lµ
Z = (R
1
+ R
2

)/10 (do có 10 mạch lọc riêng lẻ ghép song
song).
C¸c khch ®¹i tht to¸n trong m¹ch sư dơng lo¹i ngn ®«i. V× cã 10
m¹ch läc nªn sư dơng 2 vi m¹ch cã 4 khch ®¹i tht to¸n bªn trong vµ 1 vi
m¹ch cã 2 OP AMP. C¸c vi m¹ch ®ỵc sư dơng lµ LM 324 (4 khch ®¹i tht
to¸n) và TL082 (2 khh ®¹i tht to¸n).

Ta cã s¬ ®å cđa toµn bé 10 m¹ch läc nh sau:
22
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
Vì để có điện áp trung bình để đa đến các chuyển mạch điện tử nên tại
ngõ ra của các bộ lọc phải có thêm mạch chỉnh lu.
Tụ C
1
đợc chọn bằng thực nghiệm để có đợc sự hiển thị tối u (tốc độ lên và
xuống của cột đèn phải không đợc nhanh quá cũng nh chậm quá so với tiếng
nhạc, thông thờng chọn C
1
= 1uF).
Do mức DC tại ngõ ra của các mạch lọc coi nh là 0V, khi qua mạch chỉnh
lu sẽ bị sụt áp 0,6V trên diode chỉnh lu. Vì thế ngõ ra của các mạch lọc phải đ-
23
Hình 17: Mạch chỉnh lu mắc tại ngõ ra bộ lọc
Đồ án thiết kế mạch tơng tự Thiết kế mạch phân tích phổ tần âm thanh
ợc nâng mức DC lên 0,6V để bù lại sự sụt áp khi qua mạch chỉnh lu. Điều này
đợc thực hiện nh sau:

3.2.2 Thiết kế chuyển mạch điện tử:
Trong các mạch điện tử, các chuyển mạch hay còn đợc gọi là khóa điện
(SW) đợc sử dụng khá đa dạng. Các chuyển mạch này có thể dùng diode,

transistor, Phần này chỉ trình bày về các chuyển mạch dùng transistor.
Yêu cầu mạch của ta là có đờng vào và đờng ra riêng. Ta xét sơ đồ sau:
Ngõ điều khiển khi ở mức điện áp cao sẽ làm cho transistor dẫn, làm
thông mạch giữa đờng vào và đờng ra. Điện trở R phải đợc chọn để dòng I
B
ngã
vào không ảnh hởng đến ngõ ra (I
E
) khi không có tín hiệu vào tại ngã vào. R đ-
ợc chọn bằng thực nghiệm. Q là transistor công suất nhỏ để có lớn.
Ta có sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của khối mạch lọc và chuyển mạch điện
24
Hình 16: Mạch bù sụt áp trên Diode
Hình 18: Mạch khóa điện tử dùng Transistor
§å ¸n thiÕt kÕ m¹ch t¬ng tù ThiÕt kÕ m¹ch ph©n tÝch phæ tÇn ©m thanh
tö nh sau:
25