【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 降低增益倍數(shù) ，但通過(guò)顯示器無(wú)法確定降低的倍數(shù) ，當(dāng)增益后信號(hào)峰值低于下 限則可自動(dòng)升高增益倍數(shù)。當(dāng)輸入電路過(guò)高或過(guò)低后交流波形發(fā)生改變超出控制范圍。 拓展部分 3：可最大 5cm 距離紅外遙控調(diào)節(jié)音量， 15 級(jí)可調(diào)。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與分析 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和總體結(jié)構(gòu) 第 3 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 增益可控放大器（ 注：資料來(lái)源于 ppt） 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如上圖。設(shè)計(jì)原理為：利用單片機(jī)的程序調(diào)整輸出端口輸出高或低電平，再利用 4066 高電平導(dǎo)通，低電平斷開(kāi)的性質(zhì)，就可以控制與 4066 相連的四個(gè)電阻的導(dǎo)通或斷開(kāi)狀態(tài)，從而 Ri 可以有 15 種不同阻值（全部斷開(kāi)除外），那么選擇一定的 Rf，利用 TLV2372 的放大特性，就可 以有 15 種放大率。選擇合適的 Ri， Rf，就可以將輸出的電壓 Vout 調(diào)整到 Vin 的 ， ， ，??， 倍率。 拓展 1： :新增一片 4066，將 R1 增加到 6 個(gè)電阻并聯(lián)，這樣就可以輸出 63 種不同阻值的 R1，選擇合適的 R1， Rf，就可以將輸出的電壓 Vout 調(diào)整到 Vin 的 ， ， ，??， 倍率。接著用單片機(jī)編程周期性控制增益，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波，鋸齒，方波，三角波的模擬。音樂(lè)播放是由蜂鳴器將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)播放，音量 15 級(jí)可調(diào)。 原理見(jiàn)圖 圖 幅度調(diào)制信號(hào)發(fā)生與電子音樂(lè)合成播放原理圖 拓展 2：本系統(tǒng)采用雙門(mén)限電壓比較，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入的交流信號(hào)源的半波幅度，當(dāng)輸出信號(hào)峰值超限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)降低增益值，限制輸出信號(hào)峰值；當(dāng)再降低輸入的交流源信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)自動(dòng)增加增益值。 本小組將上下限輸出電平設(shè)定為 和 。通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸出電平高于 或低于 時(shí)，輸出信號(hào)回歸到上下限之間，適用于交直流信號(hào)。 拓展 3： 當(dāng)操作者按下音量放大按鍵，紅外發(fā)射電路發(fā)射一定時(shí)間常數(shù)的電信號(hào)，由二極管轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)，紅外 接收電路接收到以后傳給單片機(jī)，單片機(jī)控制 CD4066 開(kāi)關(guān)使放大倍數(shù)改變，從而放大音量；當(dāng)操作者按下音量減小按鍵，紅外發(fā)射電路發(fā)射不同于前者時(shí)間常數(shù)的電信號(hào)，同樣經(jīng)由紅外接收電路傳給單片機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)判斷后控制 CD4066 控制放大倍數(shù)改變，從而減小音量。 第 4 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 紅外遙控音量放大電路原理圖 系統(tǒng)的功能 (1) 可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器： 根據(jù)用戶(hù)的需要，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的放大倍數(shù)，并且顯示增益值，從 ～ 倍，控制誤差最高在 2%之內(nèi)。 (2) 增益控制： 增益控制 通過(guò)單片機(jī)和 CD4066 芯片，通過(guò)不同的信號(hào)狀態(tài)和連接電阻可以產(chǎn)生 15 種組合，以得到 15 種不同的放大倍數(shù)。 (3) 鍵盤(pán)防抖控制： 通過(guò)單片機(jī)的編程，解決鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)靈敏度太高導(dǎo)致增益倍數(shù)無(wú)法精確逐級(jí)控制的難題。 拓展部分： (1) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器： 通過(guò)按鍵控制輸出正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波，也可通過(guò)按鍵改變幅度和周期。 (2) 音樂(lè)播放器： 通過(guò)按鍵切換播放兩首曲子，同時(shí)通過(guò)按鍵控制音量 15 級(jí)可調(diào)。 （ 3）自動(dòng)增益： 通過(guò)反饋回來(lái)的輸出信號(hào)與上下限電壓的比較結(jié)果，經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析后再次控制 CD4066 開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉，不斷改變?cè)?益值，直到輸出電壓峰值在參考范圍內(nèi)為止。 (4)紅外遙控： 通過(guò)按鍵由紅外遙控最大 5cm 距離遙控調(diào)節(jié)音量。 第 5 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 3. 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 硬件總體結(jié)構(gòu) 圖 硬件整體結(jié)構(gòu) 整體由五塊小電路板組成，如表 所示 表 單片機(jī)模塊 由各種芯片及一些外部電路組成。 增益可控放大電路（基礎(chǔ)部分） 由 TLV237模擬開(kāi)關(guān)和其他電阻電容等元件組成。 幅度調(diào)制信號(hào)發(fā)生暨電子音樂(lè)播放 （拓展 1） 增加一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，揚(yáng)聲器作為音樂(lè)輸出 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)（拓展 2） 2AP9 檢波二極管 紅外發(fā)射端（拓展 3） 由 74HC123 和電阻電容等元件以及紅外發(fā)射二級(jí)管組成 紅外接收端（拓展 3） 由紅外接收二極管和運(yùn)放 UA741 等組成 增益可程序控制的放大器描述 功能描述 (1) 將輸入正弦交流信號(hào)進(jìn)行增益后輸出 (2) 按鍵控制共 15 個(gè)增益倍數(shù)，誤差小于 3% (3) 數(shù)碼管顯示當(dāng)前增益倍數(shù) 接口定義 (1) 十針腳通信電纜：與單片機(jī)小程序板相連。 (2) 信號(hào)輸入口。 第 6 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 (3) 信號(hào)輸出口。 (4) 10 KΩ、 20 KΩ、 40 KΩ、 80 KΩ分別由單片機(jī) 、 、 、 控制。 技術(shù)要求 (1) 最 小增益須小于 倍（建議取 ），最大增益須大于 倍（建議取 ） (2) 至少 15 個(gè)增益等級(jí)：建議按等差排列，比如 ， ， ，?， (3) 所有級(jí)別的增益相對(duì)誤差 3% (4) 輸出電壓增益要求 :由于實(shí)驗(yàn)要求電壓增益的誤差不大于 3%，而實(shí)驗(yàn)所選取的各器件 卻 均非理想原件。所以，由于 CD4066 存在導(dǎo)通電阻，為幾百歐姆，所以不應(yīng)當(dāng)選取過(guò)小的電阻；由于運(yùn)放輸入電阻非無(wú)窮大，故所選電阻不能過(guò)大的電阻。在雙方的約束下，我們?cè)谶x取 Ω、 25kΩ、 50kΩ、 100kΩ 失敗的情況下，再次分析嘗試了 10kΩ、 20kΩ、 40kΩ、 80kΩ，得到了相對(duì)較小的均小于 3%誤差。 實(shí)現(xiàn)方式 電路原理與元件選值 實(shí)現(xiàn)不同增益原理圖見(jiàn)圖 圖 （ 注：資料來(lái)源于 ppt） 第 7 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 實(shí)際電路圖見(jiàn)圖 圖 增益可控放大電路電路圖 加在 Vi 端的交流電（ 850mVPP， 400HZ）經(jīng)過(guò)反相放大器電路放大得到輸出電壓 Vo。上圖為用運(yùn)放作為反向比例放大器的基礎(chǔ)電路圖，由公式 Vo = (Rf/Ri ) Vi（其中 Rf 為輸出端與反相輸入端之間的 電阻，既圖中 R5， Ri 為接在反相輸入端 的等效電阻 ）可知，只要改變 Rf、 Ri 阻值之比 就可以改變放大比例。用單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān) CD4066BC，四個(gè)電阻通過(guò)開(kāi)關(guān) CD4066BC 來(lái)控制是否接入反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)增益可控。 元件選值： 設(shè)計(jì)電路時(shí)理論值為 R1=10KΩ， R2=20KΩ， R3=40KΩ， R4=80KΩ， Rf=8 KΩ。這樣選值就恰好可以達(dá)到 — 的增益。 考慮到運(yùn)放無(wú)法達(dá)到理想運(yùn)放的“虛短”、“虛斷”特性，在實(shí)際調(diào)試時(shí)， Rf 選用滑動(dòng)變阻器，以方便調(diào)試，最后達(dá)到理想預(yù)期時(shí) Rf 約為 。 第 8 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 主要元件 —— CD4066BC CD4066BC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 圖 CD4066BC 結(jié)構(gòu)（摘自 CD4066BC datasheet） CD4066BC 管腳圖 見(jiàn)圖 圖 CD4066BC 管腳圖 （摘自 CD4066BC datasheet） 介紹： CD4066BC 是一種雙向模擬開(kāi)關(guān)，在集成電路內(nèi)有 4 個(gè)獨(dú)立的能控制數(shù)字及模擬信號(hào)傳送的模擬開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)關(guān)有一個(gè)輸人端和一個(gè)輸出端，它們可以互換使用，還有一個(gè)選通端（又稱(chēng)控制端），當(dāng)選通端為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)選通端為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)截止。 如圖 管腳圖所示，其中 11 均為輸入輸出端， 1 13 分別為四個(gè)開(kāi)關(guān)的控制端， 7 為接地端， 14 接 直流電源 第 9 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 主要元件 —— TLV2372 運(yùn)算放大器 TLV2373 的管腳 圖 見(jiàn)圖 圖 TLV2373 管腳 圖 （摘自 TLV2372 datasheet） 介紹： TLV2373 包含兩個(gè)運(yùn)算放大器電路，其中 7 為輸出端， 6 為反相輸入端， 5 為正向輸入端， 4 為接地端， 8 接 直流電源。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生暨音樂(lè)播放器 描述 功能描述 (1) 用單片機(jī)編程周期性控制增益，通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)正 弦波，鋸齒，方波，三角波的調(diào)制，幅度和周期 63 級(jí)可調(diào)。 (2) 電子音樂(lè)兩首，可控制音量，音量 15 級(jí)，液晶屏顯示當(dāng)前音量。 (3) 按鍵切換信號(hào)發(fā)生和音樂(lè)播放兩種模式。 接口定義 (1) 十針腳通信電纜：與單片機(jī)小程序板相連。 (2) 信號(hào)輸入口。 (3) 基礎(chǔ)部分信號(hào)輸出口：作為蜂鳴器的輸入。 (4) 4 根導(dǎo)線與基礎(chǔ)板連接，從而增加 2 個(gè)電阻。 (5) 160 KΩ、 320 KΩ分別由單片機(jī) 、 控制。 (6)音樂(lè)信號(hào)從單片機(jī) 口輸出。 技術(shù)要求 電路可輸出經(jīng)正弦、三角、鋸齒等波形調(diào)制的正弦波波形和播放音樂(lè) 。 第 10 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 實(shí)現(xiàn)方式 信號(hào)發(fā)生器原理 圖 拓展項(xiàng)目 1 幅頻調(diào)制信號(hào)發(fā)生 原理圖（ 注：資料來(lái)源于 ppt） 幅頻調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的原理圖如圖 所示。只要在基礎(chǔ)部分的基礎(chǔ)上再增加一片 CD4066BC，從而增加兩個(gè)電阻 160kΩ和 320kΩ，這樣就會(huì)有 63 個(gè)檔，通過(guò)單片機(jī)編程來(lái)周期性的控制增益，這樣就可以產(chǎn)生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等波形。通過(guò)按鍵可以實(shí)現(xiàn)頻率和幅度的改變。 元件選值：同基礎(chǔ)部分，增加 R5=160kΩ， R6=320kΩ。 音樂(lè)播放器原理 圖 音樂(lè)播放器原理圖 （ 注：資料來(lái)源于 ppt） 通過(guò)編 程從單片機(jī) 口輸出音樂(lè)信號(hào)（既頻率變化的方波信號(hào)）作為實(shí)驗(yàn)板的輸入信號(hào)，通過(guò)放大電路后，蜂鳴器接在輸出端，即可播放音樂(lè)。由于頻率決定音調(diào)，所以曲目由單片機(jī)程序決定，電壓決定音量，所以音量大小由放大電路控制。 第 11 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 音樂(lè)播放只要在原來(lái)的基礎(chǔ)上改變輸入信號(hào)和輸出方式就可以實(shí)現(xiàn)了。 圖 幅度調(diào)制信號(hào)發(fā)生暨電子音樂(lè)合成和播放具體電路圖 主要元件 —— 三極管 半導(dǎo)體三極管又稱(chēng)“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體鍺或硅的單晶上制備兩個(gè)能相互影響的 PN 結(jié)，組成一個(gè) PNP（或 NPN）結(jié)構(gòu)。中間的 N 區(qū)（或 P 區(qū)）叫基區(qū) ，兩邊的區(qū)域叫發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極 B、發(fā)射極 E 和集電極 C，是能起放大、振蕩或開(kāi)關(guān)等作用的半導(dǎo)體電子器件。如圖 。 接口 E： Vcc； 接口 B：?jiǎn)纹瑱C(jī)； 接口 C：輸出； 圖 三極管三端示意圖 [4] 第 12 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 自動(dòng) 增益調(diào)節(jié)描述 功能描述 通過(guò)調(diào)節(jié)輸入的交流信號(hào)源的半波幅度，當(dāng)輸出信號(hào)峰值超限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)降低增益值，限制輸出信號(hào)峰值；當(dāng)再降低輸入的交流源信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)又會(huì)自動(dòng)增加增益值。 接口定義 圖 檢波部分與基礎(chǔ)部分連接圖 圖 自動(dòng)增益 控制電路 實(shí)際自動(dòng)增益 電路如圖 314 所示 ， 檢波 部分接口定義如下： 輸入 ： 基礎(chǔ)部分 輸出 電容 C，電阻 R： GND 輸出 ： 實(shí)現(xiàn)方式 該部分主要流程為，首先正弦信號(hào)源通過(guò)基礎(chǔ)部分與拓展的檢波電路之間的電容，電容起到隔直流通交流的作用，然后進(jìn)入檢波電路， 檢波電路進(jìn)行峰值檢波后將幅度值送入引腳 P1^1，然后在單片機(jī)內(nèi)完成 A/D 轉(zhuǎn)換，與程序中預(yù)先設(shè)定的電壓閾值比較確定是否限制輸出信號(hào)峰值。如果超過(guò) 第 13 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 最大的電壓閾值 Vmax，則 通過(guò)單片機(jī)控制降低增大的增益倍數(shù)；當(dāng)增益的倍數(shù)不在最大值 倍時(shí)，如果此時(shí)的電壓小于最小限定閾值電壓 Vmin，則通過(guò)單片機(jī)控制增大增益的倍數(shù)；若得到的檢波結(jié)果小于 Vmax 且大于 Vmin，維持增益不變。 技術(shù)要求 下限門(mén)控理論值 ；上限門(mén)控理論值 。 輸出信號(hào)大于上限 Vmax 時(shí)，單片機(jī)調(diào)減增益，減小輸出；當(dāng)輸出信號(hào)小于下限 Vmin時(shí)，單片機(jī)調(diào)增增益，增大輸出，從而使輸出信號(hào)電壓在一定范圍內(nèi)。 各等級(jí)的實(shí)際增益值（絕對(duì)值）與標(biāo)準(zhǔn)值比較，誤 差應(yīng)小于 3%，且越小越好。 第 14 頁(yè) 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 紅外遙控描述 功能描述 用紅外方式，遙控調(diào)節(jié)音樂(lè)播放時(shí)的音量大小。歌曲兩首，音量 15 級(jí)可調(diào)，由蜂鳴器播放后音量合適。 接口定義 (1) 杜邦線：將產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸入至單片機(jī)。 (2) 基礎(chǔ)部分信號(hào)輸出口：作為蜂鳴器的輸入。 (3) 脈沖信號(hào)從單片機(jī) 口輸入 技術(shù)要求 用紅外方式，遙控對(duì)音頻輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，輸出至音頻輸出設(shè)備。紅外發(fā)射端可以發(fā)射兩種不同寬度的脈沖信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)識(shí)別從而控制音量增減。 實(shí)現(xiàn)方式 整體原理 圖 紅 外遙控音量電路整體原理 （ 注：資