【正文】 想和實(shí)際原理做了詳細(xì)的說明。本報(bào)告具有一定單片機(jī)基礎(chǔ)知識以及電路分析的人及其它科學(xué)愛好者閱讀。 單片機(jī) ： 又稱單片微控制器 ,， 把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。 CD4066：是一個為模擬 /數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換或多路復(fù)用設(shè)計(jì)的四路雙向開關(guān) . 它和 CD4016B 的引腳相兼容 ,但是擁有一個更低的導(dǎo)通電阻 . 此外 , 在整個輸入信號范圍內(nèi) , 導(dǎo)通電阻是一個常量。本實(shí)驗(yàn)通過單片機(jī)，控制電路中一些開關(guān)的開合，改變電路的某些參數(shù)來控制和改變放大器的電壓增益。 檢波 : 將正弦波形變換為直流的電路，本實(shí)驗(yàn)中采用峰值檢波，即獲得的是正弦輸入波的峰值電壓。 函數(shù)信號發(fā)生器：信號發(fā)生器是利 用可控增益運(yùn)算放大電路，每隔 5 ms 對輸入電壓進(jìn)行采樣，通過單片機(jī)來控制電路中的 7 個開關(guān)，形成各種幅值的電壓，從而形成各種各樣的波形。 發(fā)光二極管：由數(shù)層參雜半導(dǎo)體材料制成，分別帶有過量電子及空穴，當(dāng)電流通過時(shí)，電子和空穴互相結(jié)合并放出能量，從而幅射出光芒。 縮略語 SCM: Single Chip Micyoco 單片機(jī) PLD: Programmed Logical Divce 可編程邏輯控件 Data Sheet amp。在給定的單片機(jī)小系統(tǒng)板上提供人機(jī)操作界面，使操作者能通過按鍵操作，設(shè)置放大器的增益等級，相應(yīng)的增益值在數(shù)碼管上顯示。即 其中 Vi 為各級實(shí)測電壓， Vk 為各級標(biāo) 準(zhǔn)電壓。 設(shè)計(jì)制作一個紅外線遙控音量放大電路，用紅外方式來遙控對音頻輸入信號的放大倍數(shù)，并輸出至耳機(jī)，在自己設(shè)計(jì)的紅外操作面板上提供人機(jī)界面，使操作者能通過按鍵操作，設(shè)置紅外放大的增益等級，相應(yīng)的增益值顯示在數(shù)碼管上。 函數(shù)信號發(fā)生器暨電子音樂合成和播放 設(shè)計(jì)制作函 數(shù)信號發(fā)生和電子音樂合成系統(tǒng)，電路可輸出正弦、三角、鋸齒、方 波 等數(shù)學(xué)函數(shù)波形 ，可以調(diào)節(jié)幅度和頻率 。 紅外遙控音量放大電路 第 7 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 設(shè)計(jì)制作一個紅外線遙控音量放大電路，用紅外方式來遙控對音頻輸入信號的放大倍數(shù)，并輸出至耳機(jī)，在自己設(shè)計(jì)的紅外操作面板上提供人機(jī)界面，使操作者能通過按鍵操作，設(shè)置紅外放大的增益等級，相應(yīng)的增益值顯示在數(shù)碼管上。 實(shí)際完成后的功能 基礎(chǔ)部分 實(shí)現(xiàn)了可控增益的功能，放大器的增益包括 15 個等級，以 為間隔從 至 倍；實(shí)現(xiàn)了人機(jī)操作界面，通過中間 2 個按鍵來選擇 到 這 15 個增益等級， 最后一個按鍵直接切到 。最終能夠在示波器上顯示出清晰的，精確，光滑的波形。 自動增益部分可實(shí)現(xiàn)：當(dāng)輸入電壓 Ui 的峰峰值 Upp 小于 時(shí)，輸出電壓 U0=；當(dāng)輸入電壓 ≥ Upp≥ 時(shí)，輸出電壓 U0=α Upp（ ≤α≤ ）；當(dāng) ≥ Upp≥ 時(shí)，輸出電壓 U0=Upp；當(dāng)輸入電壓 Upp≥ 時(shí)，輸出電壓 U0=α Upp（ ≤α≤ ），使得輸出電壓小于 ，但此時(shí)電壓大于 。 紅外遙控部分可實(shí)現(xiàn)：當(dāng)對紅外線發(fā)射板上的音量增大，減小鍵的按壓，可實(shí)現(xiàn)耳機(jī)中音樂聲音的增大和減小。 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 8 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 基礎(chǔ)部分 本系統(tǒng)是由單片機(jī)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(jī)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放大器電路模塊，實(shí)現(xiàn) 倍道 倍，共 15 個增益等級的電壓輸出。最后通過萬用表測量輸出信號。 圖 21 基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)圖 圖 22 增益控制原理圖 自動增益 本拓展部分將基礎(chǔ)部分的輸出端所輸出的交流電壓通過檢波二極管，電阻，電容所組成的檢波電路，使得交流信號變?yōu)榉递^小的直流信號。繼而，將該數(shù)字信號 返回單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)外電路所反饋的 1， 0 組合實(shí)現(xiàn)對模擬開關(guān)即 CD4066 的合理的控制。 圖 23 自動增益部分結(jié)構(gòu)圖 函數(shù)信號發(fā)生器和電子音樂合成播放 在基礎(chǔ)部分的基礎(chǔ)上將兩塊 CD4066 并聯(lián)，在運(yùn)放的反向輸入端在加 2 檔電阻，同時(shí)增加單片機(jī)的控制線，由另一片 CD4066 四個中的兩個模擬開關(guān)控制，來產(chǎn)生 26 1＝ 63 種阻值，再通過運(yùn)放電路放大，產(chǎn)生近似的連續(xù)電壓 。通過對方波進(jìn)行有規(guī)律的調(diào)幅以及調(diào)頻，則可以合成電子音樂并通過揚(yáng)聲器播放。 通過紅外發(fā)射部分的按鍵可以使得紅外二極管發(fā)射兩種不同寬度的光脈沖，紅外接收部分的紅外二極管通過接收光脈沖而改變二極管兩端的電壓，通過與運(yùn)算放大器所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，則可將一定寬度的光脈沖轉(zhuǎn)換為一定寬度的數(shù)字信號。 圖 26 紅外遙控音量調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的功能 鍵盤與顯示： 基礎(chǔ)部分 4 鍵控制， 拓展部分 4 鍵控制 ， 7 段數(shù)碼管顯示增益幅度 ，波形種類，頻率，當(dāng)前調(diào)節(jié)模式等多種信息。 自動增益： 可接收外部電路反饋的數(shù)字信號，從而可確定電壓改變的方向，通過自動循環(huán)可逐漸將電壓改變至可接受的范圍內(nèi)。通過按鍵選擇所要顯示的波形，連接到示波器后，示波器屏幕上會顯示該波形，同時(shí)在七段數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的字符，如“ 1”代表方 波，“ 2”代表三角波，“ 3”代表正弦 波，“ 4”代表鋸齒波。 電子音樂合成及播放： 通過增加一個多路開關(guān) ， 使得增益檔數(shù)成幾何數(shù)增長。通過單片機(jī)上的按鍵，可以播放“喀秋莎”，“葫蘆娃”，“天空之城”三首不同的歌曲，與此同時(shí)，可以通過按鍵對歌曲的音量大小實(shí)現(xiàn)三檔改變。并且遙控效果不隨距離或中間的間隔物的影響而大幅下降。 紅外遙控模塊 基礎(chǔ)增益的拓展模塊，含基礎(chǔ)電路，紅外線發(fā)生器和接受器，將信號通過紅外線傳給單片機(jī)系統(tǒng) 函數(shù)信號發(fā)生模塊 基礎(chǔ)部分， 再加兩個電阻和一塊 CD4066 開關(guān)組成 音樂發(fā)生模塊 由函數(shù)發(fā)生模塊再加一蜂鳴器組成 單片機(jī)小系統(tǒng) 描述 紅外控制電路 MSP430 CD4066 CD4066 函數(shù)發(fā)生電路 基礎(chǔ)放大電路 增益輸出 波形輸出 音樂合成電路 音樂播放 第 13 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 功能描述 可由系統(tǒng)本身的按鍵產(chǎn)生增益控制信號。 由 I/O 接口 [注 3]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 。 [注 3]： I/O 口：四個 8 位并行 I/O 口，既可用作輸入，也可用作輸出； 接口定義 P1~P2：通用 I/O 口； VCC：電源端，一般接 ； GND：電源地； XTAL1， XTAL2：外接晶體振蕩器，不能超過 24M；需加微調(diào)電容，一般為 30pF； RST/VPD：復(fù)位端，平時(shí)為低電平； ALE/PROG：地址鎖存允許信號端； EA/Vpp：外部程序存儲器地址允許輸入端 /固化編程電壓輸入端； Y1C915PC810uFS1S W P BA L EWRRDR X DT X DI N T 0E A /V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E /P30T X D11R X D10V C C40GND20U18 9 S 5 2V C CP S E NP 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17T0T1I N T 1P 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 20P 21P 22P 23P 24P 25P 26P 27V C CR610KR4101R510KC 1015PX1X2 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 [4] 增益可控放大電路 第 14 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 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。 （ 2） TLV2372 運(yùn)算放大器：通過利用其“虛短”，“虛斷”的性質(zhì)，構(gòu)造反響放大電路實(shí)現(xiàn)對輸入的交流電壓的放大。 2 個管腳接 電源以供電， 12 個管腳控制 4 個獨(dú)立開關(guān)。 圖 33 CD4066 管腳定義和 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) [5] 7， 14 號管腳：集成電路供電端， 14 號管腳接 電壓； 7 號管腳接地。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。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。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。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。 圖 34 TLV 管腳定義和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) [5] 8 號引腳接 的正電源， 4 號引腳接地，此兩個引腳為運(yùn)算放大器提供電源。 2 號引腳需接輸出端以及反向放大電路中的輸入電阻。 技術(shù)要求 模塊整體的相關(guān)技術(shù)要求： 焊接良好，線路清晰， 表面走線較少，背面走線較多。而其組合由 MSP430單片機(jī)小系統(tǒng)板通過對 CD4066 數(shù)字多路開關(guān)的控制而實(shí)現(xiàn)的。 圖 35 可鍵控增益電路電路簡圖 將上述原理圖簡化為下圖 第 17 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 36 可鍵控增益電路電路示意圖 此時(shí)令交流信號源為 Vi，電阻 RL 兩端電壓為 V0，直流電源為 Vs，則可列寫以下方程 利用上述方程組可變換出關(guān)于 uc 的一階微分方程 利用數(shù)學(xué)分析中一階線性微分方程求解的方法不難解得 也即是 第 18 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 其中 當(dāng) t 足夠大時(shí)，輸出電壓趨向于穩(wěn)定，也即是 其中 Rf是由 4 個電阻并聯(lián)而成的，則有 則輸出電壓 V0 即為 通過 V0 表達(dá)式我們不難發(fā)現(xiàn)， 可以通過利用單片機(jī)控制 CD4066 多路開關(guān)，從而控制R3,R4,R5,R6 電阻的輸入組合 ，從而得到不同幅度的增益值。增益等級和各檔阻值如下表 32 此時(shí)需指出的是，當(dāng)用直流萬用表測量輸出端的電壓時(shí)，仍有 的讀數(shù)，其原因在于 Vo 中不僅包含有直流部分還有交流部分，通過觀察 Vo(t)的表達(dá)式不難發(fā)現(xiàn)此點(diǎn)。 表 32 各增益等級所需阻值與 4 個電阻組合表 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 第 19 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 R1//R4 1 R2//R4 R1//R2//R4 R3//R4 R1//R3//R4 R2//R3//R4 R1//R2//R3//R4 第 20 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 紅外遙控電路 功能描述 （ 1） 利用按鍵和ＲＣ電路產(chǎn)生兩種不同 時(shí)長 的脈沖信號 （ 2） 紅外發(fā)射二極管輸出 紅外 光 脈沖 ，與此同時(shí)紅外接收二極管接收紅外光脈沖。 接口定義 紅外發(fā)射端：音量調(diào)高按鍵和音量調(diào)低按鍵 紅外接收端： 信號 經(jīng) 由 IDC10 插座送入單片機(jī) 、 接口 實(shí)現(xiàn)方式 芯片 74HC123 （ 1） 74HC1