工程实践与科技创新-第019组设计报告-朱城锐

工程实践与科技创新-第019组设计报告-朱城锐内容摘要：

降低增益倍数 ，但通过显示器无法确定降低的倍数 ，当增益后信号峰值低于下 限则可自动升高增益倍数。 当输入电路过高或过低后交流波形发生改变超出控制范围。 拓展部分 3：可最大 5cm 距离红外遥控调节音量， 15 级可调。 系统的设计原理与分析 系统的设计原理和总体结构 第 3 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 增益可控放大器（ 注：资料来源于 ppt） 系统的总体结构如上图。 设计原理为：利用单片机的程序调整输出端口输出高或低电平，再利用 4066 高电平导通，低电平断开的性质，就可以控制与 4066 相连的四个电阻的导通或断开状态，从而 Ri 可以有 15 种不同阻值（全部断开除外），那么选择一定的 Rf，利用 TLV2372 的放大特性，就可 以有 15 种放大率。 选择合适的 Ri， Rf，就可以将输出的电压 Vout 调整到 Vin 的 ， ， ，„„， 倍率。 拓展 1： :新增一片 4066，将 R1 增加到 6 个电阻并联，这样就可以输出 63 种不同阻值的 R1，选择合适的 R1， Rf，就可以将输出的电压 Vout 调整到 Vin 的 ， ， ，„„， 倍率。 接着用单片机编程周期性控制增益，从而实现对正弦波，锯齿，方波，三角波的模拟。 音乐播放是由蜂鸣器将电子信号转换为模拟信号播放，音量 15 级可调。 原理见图 图 幅度调制信号发生与电子音乐合成播放原理图 拓展 2：本系统采用双门限电压比较，通过调节输入的交流信号源的半波幅度，当输出信号峰值超限时，系统自动降低增益值，限制输出信号峰值；当再降低输入的交流源信号时，系统又会自动增加增益值。 本小组将上下限输出电平设定为 和。 通过单片机编程实现当输出电平高于 或低于 时，输出信号回归到上下限之间，适用于交直流信号。 拓展 3： 当操作者按下音量放大按键，红外发射电路发射一定时间常数的电信号，由二极管转化为红外信号，红外 接收电路接收到以后传给单片机，单片机控制 CD4066 开关使放大倍数改变，从而放大音量；当操作者按下音量减小按键，红外发射电路发射不同于前者时间常数的电信号，同样经由红外接收电路传给单片机，单片机系统判断后控制 CD4066 控制放大倍数改变，从而减小音量。 第 4 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 红外遥控音量放大电路原理图 系统的功能 (1) 可变增益运算放大器： 根据用户的需要，可以调节输出电压的放大倍数，并且显示增益值，从 ～ 倍，控制误差最高在 2%之内。 (2) 增益控制： 增益控制 通过单片机和 CD4066 芯片，通过不同的信号状态和连接电阻可以产生 15 种组合，以得到 15 种不同的放大倍数。 (3) 键盘防抖控制： 通过单片机的编程，解决键盘开关灵敏度太高导致增益倍数无法精确逐级控制的难题。 拓展部分： (1) 函数信号发生器： 通过按键控制输出正弦波、三角波、锯齿波、矩形波，也可通过按键改变幅度和周期。 (2) 音乐播放器： 通过按键切换播放两首曲子，同时通过按键控制音量 15 级可调。 （ 3）自动增益： 通过反馈回来的输出信号与上下限电压的比较结果，经过单片机分析后再次控制 CD4066 开关的开闭，不断改变增 益值，直到输出电压峰值在参考范围内为止。 (4)红外遥控： 通过按键由红外遥控最大 5cm 距离遥控调节音量。 第 5 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 3. 系统的硬件结构 硬件总体结构 图 硬件整体结构 整体由五块小电路板组成，如表 所示 表 单片机模块 由各种芯片及一些外部电路组成。 增益可控放大电路（基础部分） 由 TLV237模拟开关和其他电阻电容等元件组成。 幅度调制信号发生暨电子音乐播放 （拓展 1） 增加一个模拟开关，扬声器作为音乐输出 自动增益调节（拓展 2） 2AP9 检波二极管 红外发射端（拓展 3） 由 74HC123 和电阻电容等元件以及红外发射二级管组成 红外接收端（拓展 3） 由红外接收二极管和运放 UA741 等组成 增益可程序控制的放大器描述 功能描述 (1) 将输入正弦交流信号进行增益后输出 (2) 按键控制共 15 个增益倍数，误差小于 3% (3) 数码管显示当前增益倍数 接口定义 (1) 十针脚通信电缆：与单片机小程序板相连。 (2) 信号输入口。 第 6 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 (3) 信号输出口。 (4) 10 KΩ、 20 KΩ、 40 KΩ、 80 KΩ分别由单片机 、 、 、 控制。 技术要求 (1) 最 小增益须小于 倍（建议取 ），最大增益须大于 倍（建议取 ） (2) 至少 15 个增益等级：建议按等差排列，比如 ， ， ，„， (3) 所有级别的增益相对误差 3% (4) 输出电压增益要求 :由于实验要求电压增益的误差不大于 3%，而实验所选取的各器件 却 均非理想原件。 所以，由于 CD4066 存在导通电阻，为几百欧姆，所以不应当选取过小的电阻；由于运放输入电阻非无穷大，故所选电阻不能过大的电阻。 在双方的约束下，我们在选取 Ω、 25kΩ、 50kΩ、 100kΩ 失败的情况下，再次分析尝试了 10kΩ、 20kΩ、 40kΩ、 80kΩ，得到了相对较小的均小于 3%误差。 实现方式 电路原理与元件选值 实现不同增益原理图见图 图 （ 注：资料来源于 ppt） 第 7 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 实际电路图见图 图 增益可控放大电路电路图 加在 Vi 端的交流电（ 850mVPP， 400HZ）经过反相放大器电路放大得到输出电压 Vo。 上图为用运放作为反向比例放大器的基础电路图，由公式 Vo = (Rf/Ri ) Vi（其中 Rf 为输出端与反相输入端之间的 电阻，既图中 R5， Ri 为接在反相输入端 的等效电阻 ）可知，只要改变 Rf、 Ri 阻值之比 就可以改变放大比例。 用单片机控制模拟开关 CD4066BC，四个电阻通过开关 CD4066BC 来控制是否接入反相输入端，从而实现增益可控。 元件选值： 设计电路时理论值为 R1=10KΩ， R2=20KΩ， R3=40KΩ， R4=80KΩ， Rf=8 KΩ。 这样选值就恰好可以达到 — 的增益。 考虑到运放无法达到理想运放的“虚短”、“虚断”特性，在实际调试时， Rf 选用滑动变阻器，以方便调试，最后达到理想预期时 Rf 约为。 第 8 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 主要元件 —— CD4066BC CD4066BC 内部结构见图 图 CD4066BC 结构（摘自 CD4066BC datasheet） CD4066BC 管脚图 见图 图 CD4066BC 管脚图 （摘自 CD4066BC datasheet） 介绍： CD4066BC 是一种双向模拟开关，在集成电路内有 4 个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。 每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通端（又称控制端），当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。 如图 管脚图所示，其中 11 均为输入输出端， 1 13 分别为四个开关的控制端， 7 为接地端， 14 接 直流电源 第 9 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 主要元件 —— TLV2372 运算放大器 TLV2373 的管脚 图 见图 图 TLV2373 管脚 图 （摘自 TLV2372 datasheet） 介绍： TLV2373 包含两个运算放大器电路，其中 7 为输出端， 6 为反相输入端， 5 为正向输入端， 4 为接地端， 8 接 直流电源。 函数信号发生暨音乐播放器 描述 功能描述 (1) 用单片机编程周期性控制增益，通过按键实现对正 弦波，锯齿，方波，三角波的调制，幅度和周期 63 级可调。 (2) 电子音乐两首，可控制音量，音量 15 级，液晶屏显示当前音量。 (3) 按键切换信号发生和音乐播放两种模式。 接口定义 (1) 十针脚通信电缆：与单片机小程序板相连。 (2) 信号输入口。 (3) 基础部分信号输出口：作为蜂鸣器的输入。 (4) 4 根导线与基础板连接，从而增加 2 个电阻。 (5) 160 KΩ、 320 KΩ分别由单片机 、 控制。 (6)音乐信号从单片机 口输出。 技术要求 电路可输出经正弦、三角、锯齿等波形调制的正弦波波形和播放音乐。 第 10 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 实现方式 信号发生器原理 图 拓展项目 1 幅频调制信号发生 原理图（ 注：资料来源于 ppt） 幅频调制信号发生器的原理图如图 所示。 只要在基础部分的基础上再增加一片 CD4066BC，从而增加两个电阻 160kΩ和 320kΩ，这样就会有 63 个档，通过单片机编程来周期性的控制增益，这样就可以产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等波形。 通过按键可以实现频率和幅度的改变。 元件选值：同基础部分，增加 R5=160kΩ， R6=320kΩ。 音乐播放器原理 图 音乐播放器原理图 （ 注：资料来源于 ppt） 通过编 程从单片机 口输出音乐信号（既频率变化的方波信号）作为实验板的输入信号，通过放大电路后，蜂鸣器接在输出端，即可播放音乐。 由于频率决定音调，所以曲目由单片机程序决定，电压决定音量，所以音量大小由放大电路控制。 第 11 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 音乐播放只要在原来的基础上改变输入信号和输出方式就可以实现了。 图 幅度调制信号发生暨电子音乐合成和播放具体电路图 主要元件 —— 三极管 半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。 在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的 PN 结，组成一个 PNP（或 NPN）结构。 中间的 N 区（或 P 区）叫基区 ，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极 B、发射极 E 和集电极 C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。 如图。 接口 E： Vcc； 接口 B：单片机； 接口 C：输出； 图 三极管三端示意图 [4] 第 12 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 自动 增益调节描述 功能描述 通过调节输入的交流信号源的半波幅度，当输出信号峰值超限时，系统自动降低增益值，限制输出信号峰值；当再降低输入的交流源信号时，系统又会自动增加增益值。 接口定义 图 检波部分与基础部分连接图 图 自动增益 控制电路 实际自动增益 电路如图 314 所示 ， 检波 部分接口定义如下： 输入 ： 基础部分 输出 电容 C，电阻 R： GND 输出 ： 实现方式 该部分主要流程为，首先正弦信号源通过基础部分与拓展的检波电路之间的电容，电容起到隔直流通交流的作用，然后进入检波电路， 检波电路进行峰值检波后将幅度值送入引脚 P1^1，然后在单片机内完成 A/D 转换，与程序中预先设定的电压阈值比较确定是否限制输出信号峰值。 如果超过 第 13 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 最大的电压阈值 Vmax，则 通过单片机控制降低增大的增益倍数；当增益的倍数不在最大值 倍时，如果此时的电压小于最小限定阈值电压 Vmin，则通过单片机控制增大增益的倍数；若得到的检波结果小于 Vmax 且大于 Vmin，维持增益不变。 技术要求 下限门控理论值 ；上限门控理论值。 输出信号大于上限 Vmax 时，单片机调减增益，减小输出；当输出信号小于下限 Vmin时，单片机调增增益，增大输出，从而使输出信号电压在一定范围内。 各等级的实际增益值（绝对值）与标准值比较，误 差应小于 3%，且越小越好。 第 14 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 红外遥控描述 功能描述 用红外方式，遥控调节音乐播放时的音量大小。 歌曲两首，音量 15 级可调，由蜂鸣器播放后音量合适。 接口定义 (1) 杜邦线：将产生的脉冲信号输入至单片机。 (2) 基础部分信号输出口：作为蜂鸣器的输入。 (3) 脉冲信号从单片机 口输入 技术要求 用红外方式，遥控对音频输入信号的放大倍数，输出至音频输出设备。 红外发射端可以发射两种不同宽度的脉冲信号，单片机通过识别从而控制音量增减。 实现方式 整体原理 图 红 外遥控音量电路整体原理 （ 注：资。