【正文】 ...........................................................................................32 調(diào)試過程 .............................................................................................................32 硬件部分 ....................................................................................................32 軟件部分 ....................................................................................................33 程序清單 .............................................................................................................34 第 1 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 1. 概述 編寫說明 主要內(nèi)容： 本設(shè)計報告介紹了工程實踐與科技創(chuàng)新 [2A]項目的設(shè)計與實現(xiàn)過程，包括基礎(chǔ)部分和拓展部分。其功能是通過單片機(jī)小系統(tǒng)上的按鍵輸入，控制信號增益倍數(shù)（從 ~ 倍）并輸出放大后的信號，并且在數(shù)碼管上顯示增益倍數(shù)。 編寫目的： 系統(tǒng)地展示本次科技創(chuàng)新第 18 小組的實驗過程， 對其進(jìn)行一個系統(tǒng)全面的總結(jié)與回顧，把實驗過程中所經(jīng)歷的系統(tǒng)設(shè)計、電路焊接、硬件和軟件調(diào)試，試驗中遇到的問題，以及如何有效地解決問題等內(nèi)容以報告的形式反應(yīng)出來。 適讀對象：有一定的電路分析基礎(chǔ)；能看懂普通電路圖；有一定 C 語言基礎(chǔ)，對單片機(jī)及其編程有一定了解的同學(xué)以及對此項目感興趣的老師和其他人士。單片機(jī)又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。在本設(shè)計任務(wù)中，所設(shè)計的放大器電壓增益可從 變化到 （共 15 種狀態(tài)） , 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)來實現(xiàn)。 函數(shù)信號發(fā)生器電路：能夠在程序的控制下，輸出一些特定波形（如方波，正弦波等）的電 路。 輸入輸出口：單片機(jī)輸出線的一些特定的可用于電平信號輸入輸出的接口，本報告中主要指 P1與 P2 的某些端口。 第 2 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 縮略語 單片機(jī)： Singlechip Microcontroller 芯片級的微型計算機(jī) 運放（ Op amp）： operational amplifier 運算放大器 數(shù)碼管 (Digital tube)： sevensegment digital display tube 七段數(shù)碼顯示管 I/O： (Input/output) Input and output devices 輸入輸出設(shè)備 第 3 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 2. 系統(tǒng) 總體說明 課題任務(wù)規(guī)定的 設(shè)計要求 基礎(chǔ)任務(wù)： 增益可鍵控線性放大器電路 設(shè)計制作一個增益可鍵控的線性放大器電路，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。 拓展任務(wù)一：函數(shù)信號發(fā)生器暨電子音樂合成播放器 設(shè)計要求： 1) 編程實現(xiàn)周期性動態(tài)連續(xù)地改變放大器增益，使得電路可輸出正弦、三角、鋸齒、矩形（方波）等數(shù)學(xué)函數(shù)波形，輸出波形盡量光滑，并實現(xiàn)頻率及幅度的調(diào)整功能； 2) 設(shè)計音樂播放電路，編程實現(xiàn)播放音樂，同時實現(xiàn)按鍵選擇樂曲、調(diào)整音量的功能； 3) 提供人機(jī)界面，使操作者可以進(jìn)行各種設(shè)計者自定義的可視交互式操作。 實際 完成后 的功能 基礎(chǔ)任務(wù)：增益可鍵控線性放大器電路 基礎(chǔ)部分實現(xiàn)了通過單片機(jī)控制 增益的線性放大器電路 ，通過 MSP430 的按鍵輸入，控制信號增益倍數(shù)（按等差排列的 15 個增益等級 ， ， ，?， ），當(dāng)前增益值顯示在數(shù)碼管上。最終能夠在示波器上顯示出清晰，精確，光滑的波形。 拓展任務(wù)二：自動增益調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)至輸入電壓 級增益時波形亦不失真。同理，輸出電壓大于 。最后可以通過萬用表測量輸出信號。 單 片 機(jī)數(shù) 字 開 關(guān)電 源 信 號運 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。 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，從而實現(xiàn)了音高和節(jié)拍的雙重控制。 蜂 鳴 器單 片 機(jī)數(shù) 字 開 關(guān)分 壓 電 路運 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)計原理： 通過基礎(chǔ)部分電路，實現(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)計范圍內(nèi)。 鍵盤與顯示：按鍵 1 選擇模式， 1 表示增益可控放大器。按鍵 2 為增加一檔（一檔為 倍），按鍵 3 為減小一擋。按鍵 4 為清零，即回到放大倍數(shù) 檔。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。主要由單片機(jī)實現(xiàn)。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， B表示函數(shù)發(fā)生。按鍵 3 控制調(diào)整幅度，按鍵四控制調(diào)整頻率。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， A 表示音樂播放。 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)。用按鍵 2 和按鍵 3 控制增益的倍數(shù)。最小為 0，最大為 。超過此范圍的數(shù)將被視為非法并將不予讀入數(shù)據(jù)。 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 時自動調(diào)節(jié)放大倍數(shù)至合適值。 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 實現(xiàn)放大功能的主要模塊，由模擬開關(guān)，電阻，運算放大器組成，從單片機(jī)系統(tǒng)接受信號。并將正確的響應(yīng)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。 P1 中有十個接口，其中兩個沒有用到。 2．按鍵 單片機(jī)小系統(tǒng)上的三個微動開關(guān) 、 、 、 分別對應(yīng)按鍵 按鍵 按鍵 按鍵 4。 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。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?？刂戚敵鲭妷汉洼斎腚妷旱年P(guān)系為： Vo = (Rf / R1 ) Vi。 2 個管腳接 ， 12 個管腳控制 4 個獨立開關(guān)。 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。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。 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，此兩個引腳為運算放大器提供電源。 5 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 個標(biāo)準(zhǔn)值等級：從 至 倍，以 為間隔共 15 種； 各等級的實際增益值與標(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℃ 本次給運放提供的電源電壓為 V[5] 實現(xiàn)方式 如圖 34 所示，基礎(chǔ)部分主要運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。下面則詳細(xì)分析，如何運用該電路實現(xiàn)交流電壓的反向放大功能的。 通過計算可以得出，在四個電阻取值比例為 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現(xiàn)增益從 。又由于 CD4066 的導(dǎo)通電阻經(jīng)測量為 80120Ω左右，所以 R1~R4將取大于這個數(shù)量級的取值。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。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， B表示函數(shù)發(fā)生。按鍵 3 控制調(diào)整幅度，按鍵 4 控制調(diào)整頻率。 鍵盤：按鍵 1 選擇模式， A表示音樂播放。 接口定義 用 、 、 、 、 、 、 ： ……………… … SW B………………… ..320kΩ ………………… SW A…………… ..…… .160kΩ ………………… SW C………………… .… 79kΩ ………………… SW A…………………… .39kΩ ………………… SW B…………………… .20kΩ ………………… SW D………………… .… 10kΩ ……………………… .……………… ..… .... (理論比例為 64:32:16:8:4:2:1，實際電路根據(jù)調(diào)試結(jié)果做了微調(diào) ) 作為音樂的輸出 技術(shù)要求 單片機(jī)能夠根據(jù)按鍵，通過控制 CD4066，對輸入的原始 400Hz 正弦信號源進(jìn)行放大輸出不同節(jié)拍的波形，或者使蜂鳴器發(fā)出可調(diào)音量的音樂。除電阻外，電路中添加了一個 CD4066，并由其控制增加的 兩個電阻（阻值分別為 160kΩ、 320kΩ）。總體設(shè)計圖見 37。這里的歌曲可以通過對應(yīng)簡譜來編寫。 自動增益模塊 描述 功能描述 通過接收基礎(chǔ)部分的輸出電壓，并對電壓進(jìn)行判斷，如果在設(shè)定的閾值以外，便通過對增益的增減使輸出電壓達(dá)到設(shè)定 的范圍以內(nèi)。 輸出：輸出信號到單片機(jī)的 口 實現(xiàn)方法 第 16 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 檢波電路如圖 39 所示，目的在于將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。我們將時間常數(shù)設(shè)定為較大值（ R 為 2MΩ ，C 為 F），在電容開始放電時，交流信號再次取到了最大值，繼續(xù)給電容充電，所以由于時間常數(shù)很大，可以認(rèn)為輸出為直流電壓。 2 M Ω0