【文章內(nèi)容簡介】 晶顯示。 80C51 控制的函數(shù)信號發(fā)生器暨電 子音樂合成與播放要求設(shè)計一種電路，可輸出正弦、三角、鋸齒、矩形（方波）等數(shù)學(xué)函數(shù)波形，要求波形盡量光滑，并提供人機界面，使操作者可以進行各種設(shè)計者自定義的可視交互式操作。要求編程實現(xiàn)周期性動態(tài)連續(xù)地改變放大器增益。設(shè)計音樂播放電路，要求能夠通過揚聲器播放音樂。 FPGA要求實現(xiàn)同 80C51 一樣功能的函數(shù)發(fā)生器暨電子音樂合成與播放的功能 實際完成后的功能 基礎(chǔ)部分 基礎(chǔ)部分實現(xiàn)了分別通過 80C51 以及 basys 板單片機控制 增益的線性放大器電路 。通過 單片機上的按鍵輸入，控制信號增益倍數(shù)（電壓反向放大 ~ 倍），在輸出端測量放大后的信號，誤差均小于 3%，并且能夠在數(shù)碼管上顯示增益倍數(shù)。 拓展部分 拓展部分用 80C51 單片機實現(xiàn)了液晶顯示、函數(shù)信號發(fā)生器暨電子音樂合成與播放功能，同時用 Basys 板實現(xiàn)了函數(shù)信號發(fā)生器暨電子音樂合成與播放功能。 第 4頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 液晶顯示定義的 ASCII 字符，通過按鍵可改變輸出電壓的顯示，并且可以和基礎(chǔ)部分并行使用。 函數(shù)信號發(fā)生器部分通過單片機按鍵控制，可輸出正弦波、方波、鋸齒波、三角波四種波形，可通過按鍵一循環(huán)選擇波形種類，并可以通過按鍵二，三，四的組合來控制輸出波形的頻率及幅度，具體操作規(guī) 范請見后文詳述。通過十六檔調(diào)頻，完成 的頻率調(diào)整；通過十檔調(diào)幅，完成 05V 的幅度輸出。最終能夠在示波器上顯示出清晰，精確，光滑的波形。數(shù)字音樂播放部分通過可按鍵二選擇所播放音樂的種類，可播放《喀秋莎》與《塞北的雪》兩首歌曲，并通過單片機按鍵三，四分十檔控制音量。 系統(tǒng)的設(shè)計原理與分析 系統(tǒng)的設(shè)計原理和總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)是由單片機控制的 增益可控放大器系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶的按鍵輸入，通過單片機的處理，分別輸出到數(shù)碼管與液晶顯示模塊，以顯示相應(yīng)的增益等級，并輸出信號來控制增益可控放大器電路模 塊，實現(xiàn) 倍到 倍，共１５個增益等級的電壓輸出。 增益控制的設(shè)計原理： 由單片機控制增益的變化，信號源的輸入信號是 1V 直流電壓源 Vi，如圖 22 中所示，由80C51 或 basys 輸出控制信號控制數(shù)字開關(guān) CD4066，控制 4 個開關(guān)的通斷，形成運放電路的輸入電阻的十六種不同組態(tài)，從而使運放電路的增益分別達到 ,?? 倍。最后可以通過萬用表測量輸出信號。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可由圖 21 表示。 總體結(jié)構(gòu)： 8 0 C 5 1或 B a s y s控 制 信 號數(shù) 字 開 關(guān) 運 放電 源 信 號輸 入萬 用 表 檢測 圖 21 基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu) 圖 第 5頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 22 增益控制原理圖 [1] 擴展部分 液晶顯示設(shè)計原理：過單片機與液晶屏的對接實現(xiàn)的。單片機通過 8255 擴展出 PBＩ／Ｏ端，并使用 P3^4， P3^2， P3^3 控制液晶模塊，顯示放大倍數(shù)，此部分可與基礎(chǔ)部分并行使用。結(jié)構(gòu)圖見圖 23。 8 0 C 5 1放 大 器 開關(guān)分 壓 電 路液 晶 電 路模 塊 圖 23 液晶顯示結(jié)構(gòu)圖 函數(shù)信號發(fā)生器暨音樂播放器設(shè)計原理：在函數(shù)發(fā)生器功能部分，單片機小系統(tǒng)通過電控制信號控制兩片數(shù)字開關(guān)芯片 CD4066，不斷調(diào)整輸出信號的幅度，運算放大電路的輸出信號通過兩路開 關(guān)送至示波器，連續(xù)地看來在示波器上形成了光滑的波形輸出。原理如圖 24 所示，在一個周期里以等時間間隔取 128 個點，單片機輸出的只是這點上的相對應(yīng)的增益倍數(shù)，如果取的點足夠密，則示波器上顯示的波形可以相當(dāng)光滑。 第 6頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 24 生成數(shù)學(xué)波形原理圖（參考科創(chuàng)二講義） 音樂播放功能部分，單片機小系統(tǒng)一方面輸出不同頻率的高頻方波信號，通過分壓電路之后再進入運放電路最終經(jīng)由揚聲器形成不同音高的聲音，另一方面，單片機系統(tǒng)同時向數(shù)字開關(guān)CD4066 輸出控制信號，調(diào)整運放電路的輸入電阻，從而控制放大倍率，最終體現(xiàn)為聲音的強弱。從而實現(xiàn)了音高和音量的雙重控制。 總體結(jié)構(gòu)圖如圖 25。 8 0 C 5 1或 B a s y s控 制 信 號數(shù) 字 開 關(guān) 運 放分 壓 電 路輸 入操 作 開 關(guān)示 波 器 檢測揚 聲 器輸 出控 制 參 數(shù) 圖 25 函數(shù)信號發(fā)生器暨音樂播發(fā)結(jié)構(gòu)圖 間隔時間有限 第 7頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 系統(tǒng)的功能 基本部分：增益可數(shù)字化控制的線性放大器 可變增益放大器：由單片機和放大電路組成，通過按鍵控制單片機的數(shù)字信號輸出，并由該信號控制放大電路的參數(shù)變化，使電壓增益從 ~ 之間改變。 鍵盤與顯示：用按鍵 1 和按鍵 2 控制增益的倍數(shù)。按鍵 1 為增加一擋（一 擋為 倍），按鍵 2為減小一擋。最小為 0，最大為 。按鍵 3 為清零。超過此范圍的數(shù)將被視為非法并將不予讀入數(shù)據(jù)。用 2 位的數(shù)碼管顯示增益放大倍數(shù) ,包括一位整數(shù)，一位小數(shù)和小數(shù)點。 增益控制：通過鍵盤按鍵的鍵入調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)。主要由單片機實現(xiàn)。 拓展部分 液晶顯示：通過基礎(chǔ)部分完成的單片機的數(shù)字信號輸出，控制液晶屏顯示放大倍數(shù)，可與基礎(chǔ)部分并行使用。 函數(shù)信號發(fā)生器暨音樂播放器：通過按鍵一對函數(shù)信號發(fā)生器及數(shù)字音樂播放器兩種功能進行切換，正弦波、方波、鋸齒波、三角波、音樂播放五種狀態(tài)循環(huán)出現(xiàn)?？梢酝ㄟ^導(dǎo)線外 接來將輸出信號分別導(dǎo)向揚聲器（音樂播放狀態(tài)）及示波器（函數(shù)發(fā)生器狀態(tài)）。在輸出波形的狀態(tài)下，按鍵二選擇控制種類，在調(diào)整幅度與調(diào)整頻率兩種狀態(tài)相互切換，按鍵三，四分別控制相應(yīng)狀態(tài)下的增減。輸出幅度的調(diào)整是通過，控制運放電路輸入端電阻值完成，調(diào)整頻率是通過控制單片機相關(guān)中斷程序的中斷周期來完成。在音樂播放狀態(tài)下，按鍵二能調(diào)整播放的音樂種類，按鍵三四控制播放的音量。在輸出波形狀態(tài)下通過單片機小系統(tǒng)上自帶的七段數(shù)碼管顯示當(dāng)前輸出波形的對應(yīng)頻率及幅度檔數(shù)，中間用冒號分隔。在音樂播放狀態(tài)下，顯示音量檔數(shù)。 第 8頁 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) 單片機模塊 描述 功能描述 作為整個系統(tǒng)的核心控制部分，其各部分具有以下功能。 CPU： 進行運算、控制 。 RAM：用于 數(shù)據(jù)存儲 。 ROM：用于 程序存儲 。 輸入 /輸出設(shè)備 ：用于 串行口、并行輸出口 等。 接口定義 1）單片機和 4066 開關(guān)的通訊，高低電平的變化，經(jīng)過十芯插座來實現(xiàn)。 P1 口中有十個接口，其中中間兩個沒有用到 。 使用的接口： P1^4,P1^5,P1^6,P1^7,P3^2,P3^3,P3^4,P3^5。 2）按鍵 KEY1P1^0。 KEY2P1^1。 KEY3P1^2。 KEY4P1^3。 技術(shù)要求 由程序控制，準(zhǔn)確無誤地輸出對整個系統(tǒng)的控制信號。 實現(xiàn)方式 該模塊作為原件發(fā)放，只需由程序控制各設(shè)備。 增益的線性放大器 模塊 描述 功能描述 由 CD4066 數(shù)字開關(guān)， LM741 運算放大電路控制 [2]，線性發(fā)達輸入電壓。具體功能如下。 1） CD4066 數(shù)字開關(guān)：控制 10K， 20K， 40K， 80K電阻的輸入。 2） LM741 運算放大電路：放大輸入電壓。 第 9頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 接口定義 圖 31 CD4066 引腳圖 [3] 圖 32 LM741 引腳圖 [4] 1） 與單片機接口： p3^５ ,p3^4,p3^3,p3^2，為單片機控制增益倍數(shù)單元向放大電路單元輸出的接口。 2）放大電路單元的輸入接口： 4066 的管腳 1c,2c,3c,4c 其對應(yīng)關(guān)系如下： p3^5……………………1c……………………10 kΩ p3^4……………………2c……………… ……20 kΩ p3^3……………………3c……………………40 kΩ p3^2……………………4c……………………80 kΩ 3) 與系統(tǒng)外的接口：運算放大器 LM741 的 6 號腳作為整個系統(tǒng)的輸出端，與外界測量設(shè)備相連。 技術(shù)要求 選擇阻值準(zhǔn)確的電阻，放大輸入電壓，使增益誤差控制在 3%以內(nèi)，且誤差越小越好。 實現(xiàn)方式 人機界面操作 用戶通過按四個不同的鍵來輸入不同的倍數(shù)。按鍵按下后，通過輸入信號讀取與轉(zhuǎn)換后，改變輸出的數(shù)字信號，同時在數(shù)碼管上顯示。單片機通過把按鍵得到的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給 第 10頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 CD4066，從而 控制 CD4066 上面的四個開關(guān)從而控制四個不同電阻連入電路的情況，最終實現(xiàn)用戶所要求的增益倍數(shù)。 電路設(shè)計 CD4066 CD4066 的定義 The CD4066BC is a quad bilateral switch intended for the transmission or multiplexing of analog or digital signals. It is pinforpin patible with CD4016BC, but has a much lower “ON” resistance, and “ON” resistance is relatively constant over the inputsignal range. CD4066 的指標(biāo) Wide supply voltage range 3V to 15V High noise immunity VDD (typ.) Wide range of digital and ? VPEAK analog switching “ON” resistance for 15V operation 80??Matched “ON” resistance ?RON ??5??(typ.) over 15V signal input “ON” resistance flat over peaktopeak signal range High “ON”/“OFF” 65 dB (typ.) output voltage ratio @ fis ??10 kHz, RL ??10 k??Control Line Biasing: Switch On (Logic 1), VC ??VDD Switch Off (Logic 0), VC ??VSS (摘自 CD4066 Datasheet) 輸入 CD4066的數(shù)字信號是由單片機控制的，單片機發(fā)出信號的控制端由四個接口組成，每個接口分別控制一個開關(guān)。當(dāng)接口發(fā)出的是高電平時，開關(guān)閉合，即與開關(guān)串聯(lián)的電阻連入電路；當(dāng)接口發(fā)出的是低電平時，開關(guān)斷開，即與開關(guān)串聯(lián)的電阻未連入電路。 第 11頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 電路設(shè)計 放大電路模塊 放大電路的完成 怎樣將數(shù)字控制信號的控制作用真正加至需要被放大的信號上，這是放大電路單元的核心，也是整個硬件部分的核 心。 我們要找到有能夠按比例放大電壓信號功能的元件或電路。從發(fā)下來元件中有運放這一點，我們想到了反相比例器電路。其電路原理如圖 8： 圖 8 反相比例器 其中， R’= R//Rf , Uo = － Rf Ui / R 電路原理分析如下 i ： 由于理想運放的凈輸入電壓和凈輸入電流均為 0，故 R’ 中電流為 0，所以有： Up = Un = 0 I ip = in = 0 ii II 式 I 表明，運放兩個輸入端的電位均為 0，也就是“虛地”。 節(jié)點 N 的電流方程為： iR = if (Ui － Un) / R = (Un－ Uo) / Rf iiiiv 由于 N 點接地，所以 Un = 0，整理即得： Uo = － Rf Ui / R 有了反相比例放大器電路，解決了最基本的問題，就是能將信號按某一比例放大。 第 12頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 再從控制信號的方面考慮。因為這部分電路最后必須有和控制信號相對應(yīng)的接口。由單片機給出的控制信號是二進制的數(shù)字信 號，其輸出時的方式是四線制。因此在這里我們要提供一個四線制的接口來接收控制信號，而且電路還必須滿足一個特點，電路中的參數(shù)要能被數(shù)字量改變，也就是要有數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能。 我們聯(lián)想到了數(shù)字電路中用于數(shù)模轉(zhuǎn)換的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) v。其原理如圖 33： 圖 33：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)