【文章內(nèi)容簡介】 原理與分析 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)原理和 總體結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)部分：增益可控放大器 設(shè)計(jì)原理： 由單片機(jī)控制增益的變化，信號源的輸入信號是交流信號源（ Freq： 400Hz； Ampl： 850mVpp ；正弦波），如圖 21 中所示，由單片機(jī) MSP430 輸出控制信號控制數(shù)字開關(guān) CD4066，控制 4 個(gè)開關(guān)的通斷，形成運(yùn)放 電路的輸入電阻的十六種不同組態(tài)，從而使運(yùn)放電路的增益分別達(dá)到 ，?? 倍。最后可以通過萬用表測量輸出信號。基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)圖由圖 21 表示。 單 片 機(jī)數(shù) 字 開 關(guān)電 源 信 號運(yùn) 算 放 大 器 萬 用 表 檢 測控 制 信 號參 數(shù) 輸 出 圖 21 基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)圖 拓展部分一：函數(shù)信號發(fā)生器暨音樂播放器 設(shè)計(jì)原理： 1）函數(shù)發(fā)生器功能部分：單片機(jī)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(yùn)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 22 所示，在一個(gè)周期里以等時(shí)間間隔取 128 個(gè)點(diǎn)，單片機(jī)輸出的只是這點(diǎn)上的相對應(yīng)的增益倍數(shù)，如果取的點(diǎn)足夠密，則示波器上顯示的波形可以相當(dāng)光滑。 第 5 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 22 生成數(shù)學(xué)波形原理圖 2）音樂播放功能部分：單片機(jī)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(jìn)入運(yùn)放電路最終經(jīng)由蜂鳴器形成不同音高的聲音，另一方面，通過錄入的程序，單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)可以對輸出方波信號的節(jié)拍進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終體現(xiàn)為歌曲的播放快慢，從而實(shí)現(xiàn)了音高和節(jié)拍的雙重控制。 總體結(jié)構(gòu)圖如圖 23。 蜂 鳴 器單 片 機(jī)數(shù) 字 開 關(guān)分 壓 電 路運(yùn) 算 放 大 器 操 作 開 關(guān)控 制 信 號 信 號 輸 入控 制 參 數(shù) 輸 出高 平 信 號萬 用 表 檢 測 圖 23 函數(shù)信號發(fā)生器暨音樂播放器 拓展 部分二：自動增益調(diào)節(jié) 設(shè)計(jì)原理： 通過基礎(chǔ)部分電路，實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，并將基礎(chǔ)部分輸出輸入到檢波電路在，將正弦波形轉(zhuǎn)換為直流波形再輸入到單片機(jī)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而識別并限制輸出在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。 第 6 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 單 片 機(jī)數(shù) 字 開 關(guān)檢 波 電 路運(yùn) 算 放 大 器控 制 信 號控 制 參 數(shù)交 流 信 號直 流 信 號 圖 24 自動增益部分結(jié)構(gòu)圖 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(jī)和放大電路組成，通過按鍵控制單片機(jī)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：按鍵 1 選擇模式， 1 表示增益可控放大器。用按鍵 2 和按鍵 3 控制增益的倍數(shù)。按鍵 2 為增加一檔（一檔為 倍），按鍵 3 為減小一擋。最小為 0，最大為 。按鍵 4 為清零，即回到放大倍數(shù) 檔。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(diǎn)。 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(jī)實(shí)現(xiàn)。 拓展部分一： 調(diào)頻調(diào)幅函數(shù)信號發(fā)生器 函數(shù)信號發(fā)生器部分通過單片機(jī)按鍵控制，可輸出正弦波、方波、鋸齒波、三角波四種波形，通過控制單片機(jī)相關(guān)中斷程序的中斷周期和控制運(yùn)放電 路輸入端電阻值，實(shí)現(xiàn)控制輸出波形的頻率及幅度 (1Hz10Hz 共 5 檔的頻率調(diào)整； 共 2 檔的幅度輸出 )。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， B表示函數(shù)發(fā)生。按鍵 2 選擇波形，有正弦波，三角波，鋸齒波和方波。按鍵 3 控制調(diào)整幅度，按鍵四控制調(diào)整頻率。 拓展部分二：電子音樂播放 數(shù)字音樂播放部分通過按鍵可選擇所播放音樂的曲目（ 5 首），并實(shí)現(xiàn)控制音量和歌曲節(jié)拍。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， A 表示音樂播放。按鍵 2 選擇曲目，分別為《喀秋莎》、《 you》、《菊次郎的夏天》、《荷塘月色》、《天空之城》，按鍵 3 為節(jié)拍與 音量遞減鍵 ， 按鍵 4 為節(jié)拍與音量遞增鍵。 拓展部分三：自動增益調(diào)節(jié) 第 7 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 通過接收輸出電壓的反饋信號，從而控制增益的大小，進(jìn)而調(diào)整輸出使達(dá)到設(shè)定的范圍內(nèi)。 鍵盤與顯示：按鍵 1 選擇模式， 2 表示自動增益調(diào)節(jié)放大器。用按鍵 2 和按鍵 3 控制增益的倍數(shù)。按鍵 2 為增加一檔（一檔為 倍），按鍵 3 為減小一擋。最小為 0，最大為 。按鍵 4 為清零，即回到放大倍數(shù) 檔。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(diǎn)。 增益控制：通過鍵盤按鍵的鍵入調(diào)節(jié)放大的倍數(shù)，并在超出輸出范圍 時(shí)自動調(diào)節(jié)放大倍數(shù)至合適值。主要由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 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) 增 益 輸 出單 片 機(jī)音 樂 播 放數(shù) 字 開 關(guān)函 數(shù) 發(fā) 生 電路基 礎(chǔ) 放 大 電路數(shù) 字 開 關(guān)檢 波波 形 輸 出 圖 31 硬件總體結(jié)構(gòu)圖 硬件總體分為四部分： 1 單片機(jī)小系統(tǒng)模塊 2 增益可控放大電路模塊 3 函數(shù)信號發(fā)生和音樂播放模塊 4 自動增益模塊 表 31 硬件總體模塊列表 單片機(jī)小系統(tǒng)模塊 用于信號接收與處理，含單片機(jī)等芯片和電路 增益可控放大電路模塊 實(shí)現(xiàn)放大功能的主要模塊，由模擬開關(guān)，電阻，運(yùn)算放大器組成，從單片機(jī)系統(tǒng)接受信號。 函數(shù)信號發(fā)生和音樂播放模塊 基礎(chǔ)部分，以及額外的 CD4066，兩個(gè)不同阻值的電阻和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成 自動增益模塊 由二極管、電阻和電容構(gòu)成，取正弦波峰值輸入單片機(jī) 單片機(jī)小系統(tǒng)模塊 描述 功能描述 可由系統(tǒng)本身的按鍵產(chǎn)生增益控制信號。并將正確的響應(yīng)經(jīng) I/O 接口輸出至外電路。 第 9 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 由 I/O 接口 [注 1]接收增益控制信號 ，并將正確的響應(yīng)再經(jīng) I /O 接口輸出至外電路。 所對應(yīng)的增益放大倍數(shù)可顯示在系統(tǒng)的七段數(shù)碼管上。 [注 1]： I/O 口：四個(gè) 8 位并行 I/O 口，既可用作輸入，也可用作輸出； 接口定義 1．單片機(jī)和 4066 開關(guān)的通訊，高低電平的變化，經(jīng)過十芯插座來實(shí)現(xiàn)。 P1 中有十個(gè)接口，其中兩個(gè)沒有用到。使用的接口： ， ， ， ， ， ， ， 。 2．按鍵 單片機(jī)小系統(tǒng)上的三個(gè)微動開關(guān) 、 、 、 分別對應(yīng)按鍵 按鍵 按鍵 按鍵 4。 技術(shù)要求 由程序控制，準(zhǔn)確無誤地輸出對整個(gè)系統(tǒng)的控制信號。 實(shí)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。 增益可控放大電路模塊 描述 功能描述 由 CD4066 數(shù)字模擬多路開關(guān)控制， TLV2372 運(yùn)算放 大電路控制，線性放大輸入的交流電壓。具體功能如下： （ 1） CD4066 數(shù)字開關(guān)：控制 10kΩ ,20kΩ ,40kΩ ,80kΩ ,4檔電阻的接入。 （ 2） TLV2372 運(yùn)算放大器：通過利用其“虛短”，“虛斷”的性質(zhì)，構(gòu)造反向放大電路實(shí)現(xiàn)對輸入的交流電壓的放大?？刂戚敵鲭妷汉洼斎腚妷旱年P(guān)系為： Vo = (Rf / R1 ) Vi。 接口定義 CD4066 數(shù)字多路開關(guān) CD4066 共 14 個(gè)管腳。 2 個(gè)管腳接 ， 12 個(gè)管腳控制 4 個(gè)獨(dú)立開關(guān)。如圖 7 所示。 第 10 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 32 CD4066 管腳定義和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) [4] 7， 14 號管腳：集成電路供電端， 14 號管腳接 ； 7 號管腳接地。 1， 2， 13 號管腳：控制開關(guān) A，在本電路中控制電阻 R1=80KΩ。其中， 1 號， 2 號管腳為開關(guān)輸入、輸出端， 13 為控制端，接單片機(jī) 口。 3， 4， 5 號管腳：控制開關(guān) B，在本電路中控制電阻 R2=40KΩ。其中， 3 號， 4 號管腳為開關(guān)輸入、輸出端， 5 為控制端，接單片機(jī) 口。 6， 8， 9 號管腳：控制開關(guān) C，在本電路中控制電阻 R3=10KΩ。其中， 8 號， 9 號管腳為開關(guān)輸入、輸出端， 6 為控制端，接單片機(jī) 口。 10， 11， 12 號管腳： 控制開關(guān) D，在本電路中控制電阻 R4=20KΩ。其中， 10 號， 11 號管腳為開關(guān)輸入、輸出端， 12 為控制端，接單片機(jī) 口。 TLV2372 運(yùn)算放大器 TLV2372 共八個(gè)引腳，其中兩個(gè)引腳接 外接電源，另外六個(gè)引腳組成 2 個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器。 第 11 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 33 TLV管腳定義和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) [5] 8 號引腳接 ， 4 號引腳接地，此兩個(gè)引腳為運(yùn)算放大器提供電源。 6 號引腳接 ，用以抬升輸出波形。 5 號引腳需接輸出端以及反向放大電路中的輸入電阻。 7 號引腳需接輸出端，此引腳對地電壓即為反向放大電路的輸出電壓。 技術(shù)要求 模塊整體的相關(guān)技術(shù)要求： 焊接良好無虛焊，電路走線清晰不雜亂； 人機(jī)界面友好； 放大器的增益至少包括 15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值等級：從 至 倍，以 為間隔共 15 種； 各等級的實(shí)際增益值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，誤差應(yīng)小于 3%，且越精確越好 CD4066 的相關(guān)技術(shù)要求 : 電源供電電壓范圍為 315V，本模塊為 抗高頻噪聲能力為 VDD (typ.) 工作溫度： 40℃ ~ +85℃ [4] TLV2372 的相關(guān)技術(shù)要求為： 工作溫度為： 20℃ 75℃ 本次給運(yùn)放提供的電源電壓為 V[5] 實(shí)現(xiàn)方式 如圖 34 所示，基礎(chǔ)部分主要運(yùn)用反向放大電路可鍵控增益功能，其中 R1 ,R2 ,R3 ,R4 作為反向放大電路的輸入電阻，其組合決定著電路輸出的增益的大小。而其組合由 MSP430 單片機(jī)小系統(tǒng)板 第 12 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 通過對 CD4066 數(shù)字多路開關(guān)的控制而實(shí)現(xiàn)的。下面則詳細(xì)分析，如何運(yùn)用該電路實(shí)現(xiàn)交流電壓的反向放大功能的。 圖 34 可鍵控增益電路電路簡圖 將上述原理圖簡化為下圖 圖 35 可鍵控增益電路示意圖 a) 判斷電阻阻值比例 由 和 Vo = (Rf / R1 ) Vi ， 可得1 ()n fo n ini nRV d VR????，其中 nd ＝ 0， 1，表示由單片機(jī)選擇的接通狀況。 通過計(jì)算可以得出，在四個(gè)電阻取值比例為 1:2:4:8， 并且 Rf的取值為最大電阻的 1/10，便可以通過控制電阻的接入狀況實(shí)現(xiàn)增益從 。 b) 確定電阻具體阻值 432111111 RRRRR ???? 第 13 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 查閱 TLV2372 運(yùn)算放大器的 datasheet， TLV2372 輸入阻抗實(shí)際典型值為 2MΩ，故為了讓輸入阻抗趨近于“無限大”，我們將 Rf的值取為遠(yuǎn)小于 2MΩ。又由于 CD4066 的導(dǎo)通電阻經(jīng)測量為 80120Ω左右，所以 R1~R4將取大于這個(gè)數(shù)量級的取值。 在考慮以上因素以后，取得理論值為 R1=80 KΩ , R2=40 KΩ , R3=20 KΩ , R4=10 KΩ , R8=8 KΩ , 實(shí)際值由于生產(chǎn)電阻工藝等因素而有所細(xì)小差異，在實(shí)際中我們?nèi)∨c理論盡量相近的電阻。增益等級和各檔阻值如下表 32 表 32 各增益等級所需阻值與 4 個(gè)電阻組合表 增益等級 各檔的阻值（ KΩ） 電阻的組合 R1 R2 R1//R2 R3 R3//R1 R3//R2 R2//R3//R1 R4 R1//R4 1 R2//R4 R1//R2//R4 R3//R4 R1//R3//R4 R2//R3//R4 R1//R2//R3//R4 第 14 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 函數(shù)信號發(fā)生暨電子音樂合成播放器模塊 描述 功能描述 2 片 CD4066：控制 6 路電阻輸入，共 261=63 種增益值。 蜂鳴器：播放音樂 具體功能如下： 調(diào)頻調(diào)幅函數(shù)信號發(fā)生器： 函數(shù)信號發(fā)生器部分通過單片機(jī)按鍵控制，可輸出正弦波、方波、鋸齒波、三角波四種波形，通過控制單片機(jī)相關(guān)中斷程序的中斷周期和控制運(yùn)放電路輸入端電阻值，實(shí)現(xiàn)控制輸出波形的頻率及幅度 (1Hz10Hz 共 5 檔的頻率調(diào)整； 共 2 檔的幅度輸出 )。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， B表示函數(shù)發(fā)生。按鍵 2 選擇波形，有正弦波，三角波，鋸齒波和方波。按鍵 3 控制調(diào)整幅度，按鍵 4 控制調(diào)整頻率。 電子音樂合成播放器： 數(shù)字音樂播放部分通過按鍵可選擇