本实用新型涉及一种用彩色灯光表现音乐细节的电子变换器。

目前，舞台上的各种音乐灯光装置，在一定程度上增强了音乐的表现 力，随着音乐气氛的不同，灯光的色彩、强弱以及闪烁节奏也发生变化。然 而它们普遍存在灯光效果与音乐效果不能统一为一体的不足，通常只是设 定次序的色彩交替或简单地加以音强控制光强，音乐节奏控制闪烁节奏。总 之，音乐细节不能被灯光完全表现出来。

本实用新型的目的是：提供一种音乐灯光电子变换器，能以乐音三要 素(音强、音高、音色)—一对应地同步控制色光三要素(即亮度、色调、色饱 和度)从而达到高度的声光结合，视听一体。

本实用新型的目的是这样实现的：

根据下述原理：

音乐理论认为：乐音有三要素—音强、音高、音色。音强是指音的强弱， 由乐音振幅决定；音高是指音的高低，由乐音基频决定；音色是指音的特色 质量，由乐音泛音决定。把音高在一个纯八度音程内分为12个音级：C、 ＃C、D、＃D、E、F、＃F、G、#G、A、＃A、B。任意相邻的两个音 级的频率比为定值21/12，任一音级升高(或降低)一个纯八度后，其频率增加 (或减少）一倍。

色度学理论认为：色光有三要素-亮度、色调、色饱和度。亮度是指色 光所引起的人眼的明暗视觉程度，由光的强度决定；色调是指光的颜色，由 光的频率决定；色饱和度是指光的颜色的深浅程度，由色光中白光成分的多 少决定。三基色原理认为，各种彩色光都可以由彼此相互独立的三种基色光 按一定的比例相加(或相减)混配而成；两种基色相加混成饱和色，三种基色 相加可得非饱和色。根据人眼的视觉暂留特性，其混色方式可以采用时间式 相加混色法：即将三种(或两种)色光按一定的顺序和速率轮流照射，三基色 一般采用红绿蓝(国际照明委员会规定波长分别为7000,5461,4358)。

根据上述原理本实用新型的设计方案为：彩色光源采用三基色组合灯 (即亮度相等的红、绿、蓝三种基色灯和白色灯共同设置在一个灯罩内)，音 乐信号通过信号拾取及分解电路单元，输入专用数字电路单元和触发电路 单元，驱动主电路单元工作，控制彩色光源的变化。信号拾取及分解电路单 元为成熟技术，它将音乐信号解析出代表细节的音强A(模拟信号)，音高 F(基频方波)，音色D3D2D1D0(泛音数字信号)；触发电路单元也是成熟技术， 采用控制角自动调控式单结晶体管触发(晶闸管)电路和光电藕合器触发(功 率晶体管或功率场效应管)电路；主电路单元采用晶闸管单相桥式半控整流， 串联电抗器加并联电容器平波，整流(二极)管续流和功率晶体管(或功率场 效应管)斩波电路，其主要电子元件及连接关系为：两支晶闸管和两支整流 (二极)管接成桥式半控整流电路，此两支晶闸管分别并联RC保护，阴极接 在一起作为整流输出的正极，门极接在一起作为触发端，再用一支整流(二 极)管的负极，正极分别连接整流输出的正极，负极。整流输出的一极连接一 个电抗器的一端，电抗器的另一端连接一只电容器的一端，并作为平波输 出的一个极，电容器的另一端连接整流输出的另一极，并作为平波输出的 另一极，平波输出的负极连接四个功率晶体管(或功率场效应管)的发射极 (或阴极)，该四个功率晶体管(或功率场效应管)的集电极(或阳极)分别连接 三基色组合灯中红，绿，蓝，白四色灯的一端，四色灯的另一端共同接到平波 输出的正极，这四个功率晶体管(或功率场效应管)的基极(或栅极)作为四个 控制端；专用数字电路单元设置16个外按端：四个脉冲输出端Q0Q1Q2Q3， 四个泛音数据输入端D3D2D1D0，基频方波输入端F，定时时钟输入端T， 自动/音控转换端T/F，灭灯锁定端L，白光锁定端H，色光锁定端S，+5V电 源端Vcc，接地端GND；该单元由2片双四位二进制计数器(74LS393)，2片 四位数据比较器(74LS85)，2片双JK触发器(74LS73A)，1片八位数据锁存器 (74LS273)，1片555时基电路，12个非门，4个2输入正与非门，12个2输入 正或非门，6个3输入正或非门，5个4输入正或非门和1个带选通端的4输 入正或非门组建而成。上述基本逻辑门除了两个非门和两个2输入正与非门 另有他用外，余下的用来实现三个逻辑控制器：信号选通器，脉冲分配器和 定时控制器，具体连接关系按下面的逻辑式(不要化简)实现。信号选通器 的输出CK和输入A3，F，T/F的逻辑式为：

脉冲分配器的输出Q0Q1Q2Q3和输入Q QB0B1B2 WLH的逻辑关系 为：

定时控制器的输出C0C1C2和输入 T/F，S，N，E，A0A1A2A3的逻辑关系 为：

(上式中的＂与＂关系田带选通端的4输入正或非门的选通端实现)

两片74LS393(双四位二进制计数器)中的第一个四位二进制计数器的计 数输入端作为定时时钟输入端T，其四位数据输出端A0A1A2A3分别连接定 时控制器的对应输入端。A3连接信号选通器的对应输入端，第二个四位二 进制计数器的计数输入端连接由1片555接成的方波发生器的方波输出端， 其四位数据输出端对应连接两片74LS85(四位数据比较器)每片的第一组数 据输入端；余下的两个四位二进制计数器接成一个八位二进制计数器，其 计数输入端接信号选通器的输出CK，其低七位数据输出对应连接 74LS273(八位数据锁存器)的低七位数据输入端；74LS273输出的低七位数 据中的高三位B2B1B0分别连接到脉冲分配器的对应输入端，低四位对应 连接到第一片74LS85的第二组数据输入端；第一片74LS85的“相等”信号输 出经一个非门后接到两片74LS73A(双JK触发器)中的第一个触发器的清零 端，该触发器的触发端连接第二个四位二进制计数器的最高位，该触发器 的输出端Q Q分别接到脉冲分配器的对应输入端；第二片74LS85的第二组 数据输入端作为四个泛音数据输入端D0D1D2D3，其＂相等＂信号输出经一 个非门后接到两片74LS73A中的第二个触发器的清零端，该触发器的触发 端接第二个四位二进制计数器的最高位，该触发器的反相输出端接到脉冲分 配器的 W端；定时控制器的输出端C0连接74LS273的锁存端，C2连接第二 个四位二进制计数器和八位二进制计数器的清零端，C1连接两片74LS73A 中第三个触发器的清零端；八位二进制计数器输出的第4，5位经过一个2输 入正与非门后接到第三个触发器的触发端，该触发器的反相输出端接到定 时控制器的E端，八位二进制计数器的第5，6位输出经过一个2输入正与非 门后接定时控制器的N端；上述三个触发器的J端接+5V电源，K端接地。

专用数字电路单元最好按上述芯片的逻辑功能及连接关系集成为一片 专用的16引脚双列直插式数字芯片。

专用数字电路单元的F端接入音高信号F，四个泛音数据输入端D0D1 D2D3接音色信号(四位泛音数据)，T端外接定时时钟信号。L，H，S，T/F作为 外部控制端，四个脉冲输出端Q0Q1Q2Q3分别连接触发电路单元中四个光 电耦合器的控制端，四个光电耦合器的触发脉冲输出端对应连接主电路单 元中控制红、绿、蓝、白四色灯的四个功率晶体管(或功率场效应管)的空制 端；音强信号A接到触发电路单元中单结晶体管触发电路的调控端，单结晶 体管触发电路的触发脉冲输出端连接主电路单元中两个晶闸管的门极。

由上述技术方案可知：本实用新型可使音乐信号变化细致对应于灯光 变化，是一种良好的文娱设备，而且电路原理科学，结构优化，纯硬件实现， 便于集成。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的电路原理框图。

图2是本实用新型中专用数字电路单元的电路图。

图3是本实用新型中主电路单元和触发电路单元的电路图。

在图1中，虚线框中的部分为信号拾取及分解电路单元，为现有技术， 不必详述。它将音乐信号解析出音强信号A，音高信号F，音色信号D3D2D1 D0。F和D3D2D1D0接到专用数字电路单元，由专用数字电路单元形成占空 比分别受F和D3D2D1D0调控的方波信号Q0Q1Q2和Q3，对应接到触发电 路单元的控制端，音强信号A直接连接触发电路单元的对应控制端；触发电 路单元发出四路触发脉冲信号，接到主电路单元的对应触发端，主电路单 元的输出控制三基色组合灯中红、绿、蓝、白四种色灯的通断。

在图2中，1，2-74LS393，3-74LS273，4-NE555，5，6-74LS85， 7，8-74LS73A；基本逻辑门组成的三个逻辑器(虚线框中)：9-信号选通器， 10-脉冲分配器，11-定时控制器；基本逻辑门：12-74LS02，13-74LS27， 14-74L25，15-74LS00，16-74LS04

基本逻辑门的具体引脚图中未标注，因为每片芯片中都有多个基本逻 辑门。具体引脚随印刷线路板布线方便而定。其它芯片的引脚及连接关系画 在图中。该单元的16个外接端为：+5V电源，接地端；四个泛音数据输入端 D3D2D1D0；四个脉冲输出端Q0Q1Q2Q3，对应连接图3中相同标号的控制 端；基频方波输入端F；定时时钟输入端T；四个外部控制端：自动/音控转 换端T/F，灭灯锁定端L，白光锁定端H，色光锁定端S。

专用数字电路单元的工作过程：由1片555接成的方波发生器输出频率 为16×50Hz使得第一个触发器的输出Q、 Q和第二个触发器的反相输 出为50Hz，保证了Q0Q1Q2Q3均为50Hz；只要L＝1，就有Q0＝Q1＝Q2=Q3＝0； 当L＝0时，只要H＝1就有Q0＝Q1＝Q2＝Q3＝1当L＝H＝0时，如果T/F＝0，F端 接入的音高信号被选通；设T端输入的定时时钟频率为24.480Hz，并且当 S＝0时，定时控制器的输出C0为1.530Hz，那么所取12个音级(在一个八度 内)的频率与对应于74LS273锁存的数据见表1：

                                            表1  音级 频率(Hz)         数据  音级 频率(Hz)         数据 二进制 十进制 二进制 十进制   D  73.416 0110000   48   #G 103.826 1000100 68  #D  77.782 0110011   51    A 110.000 1001000 72   E  82.407 0110110   54   #A 116.541 1001100 76   F  87.307 0111001   57    B 123.470 1010000 80  #F  92.499 0111100   60    C 130.813 1010101 85   G  97.999 1000000   64   #C 138.591 1011010 90

这样B2B1B0只出现三组数据，使得Q、 Q被脉冲分配器分配给Q0Q1 Q2中的某两个，具体对应关系见表2：

             表2 B2B1B0  Q0  Q1  Q2 011   Q  Q  0 100  0   Q  Q 101  Q  0   Q

其中Q Q的占空比之和恒为1，即λQ+λ Q ＝1并且λ Q 正比于74LS273 锁存的低四位数据；表1中的数据值和表2中的对应关系对于以上述八度开 始的五个八度均是不变的。Q3与Q0Q1Q2是独立的，且不受T/F，S的控制， 其占空比正比于四位泛音数据值。当T/F＝1时，F端被禁止，代之的是A3给 八位二进制计数器计数，并且定时控制器的输出C1＝N，C2= N， $C_0=\overline{A_0{+A}_1+A_2+A_3},$ 这等效于F连续增加，八位二进制计数器的数据每隔 1/1.530秒被锁存一次，到其数据的第5，6位均为高电平时该计数器被清零而 重新计数。当S＝1时，Q0Q1Q2与Q， Q的对应关系和占空比均被锁定下来。

在图3中，虚线框中的部分为主电路单元，其余部分为触发电路单元。 主电路单元和触发电路单元的工作过程：专用数字电路单元的输出信号Q0 Q1Q2Q3通过触发电路单元中的光电耦合器T17-T20而对应控制与红、绿、 蓝、白四种色灯(R，G，B，W)相串联的功率晶体管(或功率场效应管)K1-K4 的通断，从而控制三种基色灯和白色灯的通断。因为总是其中的两种基色灯 轮流通断，同时另外一种基色灯断路，即每一时刻总有且只有一种基色灯 通路；又因为三种基色灯亮度相等，所以，当主电路中的直流(供电)电压一 定时，三种基色灯混配出亮度相等的各种饱合色光。由于Q0Q1Q2Q3的占空 比(决定混配比例)由F决定，从而使色调随音高和谐变化；由专用数字电路 单元的工作过程知，音高与色调对应规律：D-红，E-橙，F-黄，G-绿，A-青，B- 蓝，其它音级(与上述音级在同一八度内)对应的色调介于上述七种色调之间， 根据音乐调式所需，可以微调定时时钟的频率而顺序推前或推后上述对应 关系。Q3空制的白色灯的通断与三种基色灯的通断是独立的，可以调节各 种色光的色饱和度。由于Q3的占空比与D3D2D1D0的值成正比，从而音色 越浑厚色饱和度越大。220伏市电经T1-T4组成的晶闸管单相桥式半控整 流电路，电抗器T6，电容T7滤波形成R，G，B，W的直流供电电压。音强信号 A通过控制单结管(BT)触发电路所发出的触发脉冲的延迟时间来控制主电 路中晶闸管T1、T2的导通角，A增强(或减弱)时，导通角增大(或减小)，从而 使主电路中的直流(供电)电压近似与A成线性比例，即色光亮度与音强近似 为线性比例。该单元的外接端：A端接入音强信号(模拟信号)，控制端Q0Q1 Q2Q3对应连接专用数字电路单元(图2中)相同标号的脉冲输出端。

布线及外壳：本实用新型对布线及外壳无特殊要求，故不给出布线图 及外壳图。