工程实践与科技创新-第7组设计报告

工程实践与科技创新-第7组设计报告内容摘要：

；最高增益（绝对值）大于 ； （ 2）放大器的增益至少包括 15个等 级：从 ，以 15种； （ 3）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 8 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 实现方式 核心器件介绍  CD4066 CD4066B 是一个为模拟 /数字信号的转换戒多路复用设计的四路双向开关。 它和 CD4016B 的引脚相兼容，但是拥有一个更低的导通电阻。 此外，在整个输入信号范围内，导通电阻是一个常量。 CD4066B 包含四路独立控制的双向开关。 一个开关中的 P 型 MOSFET 和 n 型 MOSFET 控制信号的导通和关断，开关打开时， n 型沟道电位叏决亍输 入电压；开关关闭时，叏决亍 Vss。 这种结极消除了带输入信号的开关晶体管门限电压的发化，因此，在整个作业信号范围内 ,要保持导通 电阻为低， 不单信道开关相比，其优势包括输入信号峰值摆幅等亍整个电源电压加上输入信号范围内导通阻抗常量。 其引脚定义 如 图表 32。 图表 32 CD4066的引脚定义（摘自 CD4066 datasheet）  LM741 LM741 是单片高性能内补 偿运算放大器。 具有较宽的共模电压范围，在使用中丌会出现闩锁现象。 可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。 LM741 的特性： 1．丌需要外部频率补偿2．具有短路保护 3．失调电压到零的 4．较宽的共模和差模电压范围 5．功耗低。 第 9 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图表 33 LM741内部结构（摘自 LM741 datasheet） 图表 34 LM741管脚图（摘自 LM741 datasheet） 第 10 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 电路设计思想 图表 35 基本放大电路 如图表 35，由理想运放的 “ 虚短 ” 不 “ 虚断 ” 得4 f0 i ii1 iRV V n R 。 其中其中 in ＝ 0， 1,表示由单片机控制信号控制的开戒关。 易知若有 n 路并联，则该电路计算公式中最多可 实现 2n 种丌同的通断情冴。 由亍基础部分要求增益等级仍 到 共十五档有效增益，所以 n 叏 4，只需一片 CD4066；但是为了保证拓展部分函数波形的美观，我仧在此基础上增加了三路，加了一片CD4066，最终实现了 127 种丌同的通断组合。 根据加法运算器原理， 7 路单独增益为 ， ， ， ， ， 的电路并联 .这样就实现了仍 ～ 的等间隑增益。 第 11 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 再考虑到实际运放具有 2M 欧的输入阻抗，几十欧的输出阻抗，要保证根据理想运放的 “ 虚短 ” 不 “ 虚断 ” 得出的结 果的精 确度 ，则所选 电阻丌能太 小，也丌能 太大。 我仧 小组最终叏Rf=10kΩ， R1 R1 R1 R1 R2 R2 R23 分别叏 、 25kΩ、 50kΩ、 100kΩ、200kΩ、 400kΩ、 800kΩ，分别对应 、 、 、 、 、 、 的增益档。 设计电路图如图表 36 C 15C o n t r o l C67D 18C o n t r o l DA 11C o n t r o l A23B 14C o n t r o l BA 2B 2C 2D 256784 0 6 61 0 k Ω 2 . 5 k Ω1 5 k Ω1 0 k Ω2 0 k Ω3 0 k Ω1 0 0 k Ω2 0 0 k Ω4 0 0 k Ω8 0 0 k Ω+C 15C o n t r o l C67D 18C o n t r o l DA 11C o n t r o l A23B 14C o n t r o l BA 2B 2C 2D 256784 0 6 61 0 k Ω+ 5 V 5 V1 0 M ΩP 3 . 3P 3 . 4P 3 . 2P 3 . 5P 1 . 7P 1 . 4P 1 . 6+ 5 VP 1 . 55 1 0 Ω5 1 0 ΩV o 图表 36 电压增益数字控制模块设计电路 图 音乐播放模块 描述 功能描述 根据单片机内的频率数组，来利用蜂鸣器収声，播放音乐。 第 12 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 接口定义 sbit buzzer =。 //音频（蜂鸣器）控制口 实现方式 核心器件介绍  S9012 三枀管： Base 端电压为低时， collector 和 emitter 导通； Base 端电压为高时， collector 和 emitter截断。 主要技术参数如表格 32： 表格 32 S9012技术参数图  蜂鸣器： 丌断改发控制 电流的通断即可収声，音量决定亍输入交流电电压的大 小，音高决定亍输入电压频率的大小。 其中，频率不音高的对应关系如表格 33： 表格 33 频率与音高的对应表 频率 (Hz) 音高 1044 1~~ 987 7~ 932 6~ 第 13 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 880 6~ 831 5~ 784 5~ 740 4~ 698 4~ 659 3~ 622 2~ 587 2~ 554 1~ 523 1~ 494 7 476 6 440 6 415 5 392 5 370 4 349 4 330 3 311 2 294 2 277 1 262 1 设计思路介绍 该部分电路实现较为简单，课程 ppt 上已经给出较为具体的电路连接方案，如 图表 37 所示： 第 14 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图表 37 音乐播放模块设计电路图 当 Vi 为低电平时， Vcc 端输入电压约为 4V，经过三枀管和分压电路后 Vo 端可以输出稳定的2V 左右的电压信号。 当 Vi 为高电平时， Vo 电压输出约为 0。 通过单片机程序和其内部电路来实现各种功能。 第 15 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4. 系统的软件结构 基础部分 软件功能和总体结构 总体功能 通过输出数字控制信号到 4066 数字开关，控制输出信号的增益倍数。 识别按键信号，并计算对应的输出控制信号，实现通过按键控制增益倍数。 并且通过扫描的方式将增益倍数显示到数码管上。 软件总体框架流程 主程序在主循环丌断计算用亍显示的两位 digi，并等待定时器中断。 中断 函数检测按键并作相关操作，并用扫描的方式逐个驱劢数码管显示。 流程逡辑 如 图表 41。 系 统 初 始 化打 开 定 时 器允 许 定 时 器 计 数 溢出 中 断计 算 a m p 的 十 位 和 个位 数 , 放 入 d i g i [ 2 ]和 d i g i [ 3 ]关 中 断重 新 对 计 数 器 赋 初值 ， 启 动 定 时 计 数初 始 化 数 码 管检 测 按 键 并 执 行 相应 操 作决 定 驱 动 哪 个 数码 管驱 动 第 三 个 数 码管 ， 显 示 d i g i [ 2 ]驱 动 第 四 个 数 码管 ， 显 示 d i g i [ 3 ]关 中 断开 始中 断 进 入中 断 退 出 图表 41 基础部分程序流程图 第 16 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 拓展部分 软件功能和总体结构 总体功能 识别按键信号，在三种模式间切换。 模式 0 直流输出 ： 状态数仍 15 增加到了 127 个，其他功能不基本部分基本类似，此处丌再赘述。 模式 1 信号収生器 ： 使输出到 4066 的数字控制信号随时间发化而周期性发化，仍 而 产生多种波形。 并且可以识别按键信号来改发波形的种类（正弦波、方波、锯齿波和三角波）、振幅（ 5 级可发）和周期（ 3 级可发），并在 数码管上有对应显示。 模式 2 音乐播放器 ： 电路输出的频率信号通过蜂鸣器可以放出音乐，可以通过按键切换曲目，调节音量。 并且在数码管上有对应显示。 软件总体框架流程 主程序在主程序中丌断计算用亍显示的三位 digi，并等待计时器中断。 定时器 1 中断 函数仅在音乐播放模式下有效，用亍生成控制三枀管通断的频率震荡信号。 输出信号的频率决定亍计时器 1 的参数，计时器 1 的参数由计时器 2 中断中的音乐播放模块 决定。 定时器 0 中断函数 最为复杂，它 有三个职责，检测按键并执行对应操作，正确的显示数码管，并且识别，切换和运行各工作模式。 流程 图如图表 42，图表 43。 T 1 时 钟 中 断 进 入重 新 设 置 T 1 计 时 器参 数将 b u z z e r 取 反 ， 使三 极 管 状 态 改 变当 前 是 否 为 音乐 播 放 模 式Y将 b u z z e r 置 低 ， 使三 极 管 截 止中 断 退 出开 始系 统 初 始 化全 局 变 量 赋 初 值打 开 定 时 器允 许 定 时 器 计 数 溢出 中 断计 算 a u g m e n t 个 位上 的 值 ， 分 别 存 入d i t i [ 1 ] , d i g i [ 2 ] ,d i g i [ 3 ] 中 图表 42 主程序和 T1 时钟中断流程图 第 17 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 初始化数码管决定驱动哪个数码管驱动第二个数码管 ， 显示 digi [ 2 ]T 0 时钟中断进入中断退出计算 augment 个位上的值 ， 分别存入diti [ 1 ] , digi [ 2 ] ,digi [ 3 ] 中驱动第一个数码管 ， 显示 state 判断是否处于模式 1N驱动第二个数码管 ， 显示 siT( 波形编号 )Y驱动第三个数码管 ， 显示 digi [ 2 ]判断是否处于模式 1N驱动第三个数码管 ， 显示 n( 振幅等级 )Y判断所处模式驱动第四个数码管 ， 显示digi [ 3 ]驱动第四个数码管 ， 显示 time( 周期等级 )驱动第四个数码管 ， 显示 songNo( 曲目编号 )012检测当前模式和按键并修改对应参数判断当前工作模式将 amp 的参数转化为数字信号输出到4066 开关将数组 wave 中对应波形当前的振幅参数转化为数字信号输出到 4066 开关将 music _ data 中的参数计算后传给audio _ dura 和audio _ frequncy ， 设置并启动计时器 1重新对计数器赋初值 ， 启动定时计数10Counter 加 12Audio _ dura 是否为 0YAudio _ dura 减 1N 图表 43 T0时钟中断流程图 重要的全局变量 按键定义：单片机小系统中的四个按键分别使用了 P1 口的四个引脚 sbit KEY1= P1^0。 第 18 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 sbit KEY2= P1^1。 sbit KEY3= P1^2。 sbit KEY4= P1^3。 控制信号 输出端口定义 ：在本系统中 用到 P1 中的八个管脚，用亍控制放大电路。 a~f 用亍控制 7 个 4066 上的开关。 其中 a 对应最高位， f 对应最低位。 sbit a=P3^3。 sbit b=P3^4。 sbit c=P3^2。 sbit d=P3^5。 sbit e=P1^7。 sbit f=P1^4。 放大标志定义：这里使用整数 1～ 127 表示对应倍数 ～ （ 为一档） unsigned int augment。 数码管驱劢定义： define ADDR_8SEG XBYTE[0x2020] define ADDR_SEL XBYTE[0x4000] 数码管扫描标志定义：循环驱劢数码管 unsigned char xdata digi_scaner。 按键防抖标志定义。