工程实践与科技创新-第101组设计报告-张翼

工程实践与科技创新-第101组设计报告-张翼内容摘要：

倍至 ，以 为间隔共 15 种； (3)各等级的实际增益值与标准值比较，误差应小于 3%，且越精确越好。 拓展部分 80C51 控制的液晶显示要求显示 16x（ 2 行）各种 ASCII 码字符，并提供人机界面，使操作者可通过按键改变液晶显示。 80C51 控制的函数信号发生器暨电 子音乐合成与播放要求设计一种电路，可输出正弦、三角、锯齿、矩形（方波）等数学函数波形，要求波形尽量光滑，并提供人机界面，使操作者可以进行各种设计者自定义的可视交互式操作。 要求编程实现周期性动态连续地改变放大器增益。 设计音乐播放电路，要求能够通过扬声器播放音乐。 FPGA要求实现同 80C51 一样功能的函数发生器暨电子音乐合成与播放的功能 实际完成后的功能 基础部分 基础部分实现了分别通过 80C51 以及 basys 板单片机控制 增益的线性放大器电路。 通过 单片机上的按键输入，控制信号增益倍数（电压反向放大 ~ 倍），在输出端测量放大后的信号，误差均小于 3%，并且能够在数码管上显示增益倍数。 拓展部分 拓展部分用 80C51 单片机实现了液晶显示、函数信号发生器暨电子音乐合成与播放功能，同时用 Basys 板实现了函数信号发生器暨电子音乐合成与播放功能。 第 4页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 液晶显示定义的 ASCII 字符，通过按键可改变输出电压的显示，并且可以和基础部分并行使用。 函数信号发生器部分通过单片机按键控制，可输出正弦波、方波、锯齿波、三角波四种波形，可通过按键一循环选择波形种类，并可以通过按键二，三，四的组合来控制输出波形的频率及幅度，具体操作规 范请见后文详述。 通过十六档调频，完成 的频率调整；通过十档调幅，完成 05V 的幅度输出。 最终能够在示波器上显示出清晰，精确，光滑的波形。 数字音乐播放部分通过可按键二选择所播放音乐的种类，可播放《喀秋莎》与《塞北的雪》两首歌曲，并通过单片机按键三，四分十档控制音量。 系统的设计原理与分析 系统的设计原理和总体结构 本系统是由单片机控制的 增益可控放大器系统，可以根据用户的按键输入，通过单片机的处理，分别输出到数码管与液晶显示模块，以显示相应的增益等级，并输出信号来控制增益可控放大器电路模 块，实现 倍到 倍，共１５个增益等级的电压输出。 增益控制的设计原理： 由单片机控制增益的变化，信号源的输入信号是 1V 直流电压源 Vi，如图 22 中所示，由80C51 或 basys 输出控制信号控制数字开关 CD4066，控制 4 个开关的通断，形成运放电路的输入电阻的十六种不同组态，从而使运放电路的增益分别达到 ,„„ 倍。 最后可以通过万用表测量输出信号。 系统的总体结构可由图 21 表示。 总体结构： 8 0 C 5 1或 B a s y s控 制 信 号数 字 开 关 运 放电 源 信 号输 入万 用 表 检测 图 21 基础部分结构 图 第 5页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 22 增益控制原理图 [1] 扩展部分 液晶显示设计原理：过单片机与液晶屏的对接实现的。 单片机通过 8255 扩展出 PBＩ／Ｏ端，并使用 P3^4， P3^2， P3^3 控制液晶模块，显示放大倍数，此部分可与基础部分并行使用。 结构图见图 23。 8 0 C 5 1放 大 器 开关分 压 电 路液 晶 电 路模 块 图 23 液晶显示结构图 函数信号发生器暨音乐播放器设计原理：在函数发生器功能部分，单片机小系统通过电控制信号控制两片数字开关芯片 CD4066，不断调整输出信号的幅度，运算放大电路的输出信号通过两路开 关送至示波器，连续地看来在示波器上形成了光滑的波形输出。 原理如图 24 所示，在一个周期里以等时间间隔取 128 个点，单片机输出的只是这点上的相对应的增益倍数，如果取的点足够密，则示波器上显示的波形可以相当光滑。 第 6页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 24 生成数学波形原理图（参考科创二讲义） 音乐播放功能部分，单片机小系统一方面输出不同频率的高频方波信号，通过分压电路之后再进入运放电路最终经由扬声器形成不同音高的声音，另一方面，单片机系统同时向数字开关CD4066 输出控制信号，调整运放电路的输入电阻，从而控制放大倍率，最终体现为声音的强弱。 从而实现了音高和音量的双重控制。 总体结构图如图 25。 8 0 C 5 1或 B a s y s控 制 信 号数 字 开 关 运 放分 压 电 路输 入操 作 开 关示 波 器 检测扬 声 器输 出控 制 参 数 图 25 函数信号发生器暨音乐播发结构图 间隔时间有限 第 7页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 系统的功能 基本部分：增益可数字化控制的线性放大器 可变增益放大器：由单片机和放大电路组成，通过按键控制单片机的数字信号输出，并由该信号控制放大电路的参数变化，使电压增益从 ~ 之间改变。 键盘与显示：用按键 1 和按键 2 控制增益的倍数。 按键 1 为增加一挡（一 挡为 倍），按键 2为减小一挡。 最小为 0，最大为。 按键 3 为清零。 超过此范围的数将被视为非法并将不予读入数据。 用 2 位的数码管显示增益放大倍数 ,包括一位整数，一位小数和小数点。 增益控制：通过键盘按键的键入调节放大的倍数。 主要由单片机实现。 拓展部分 液晶显示：通过基础部分完成的单片机的数字信号输出，控制液晶屏显示放大倍数，可与基础部分并行使用。 函数信号发生器暨音乐播放器：通过按键一对函数信号发生器及数字音乐播放器两种功能进行切换，正弦波、方波、锯齿波、三角波、音乐播放五种状态循环出现。 可以通过导线外 接来将输出信号分别导向扬声器（音乐播放状态）及示波器（函数发生器状态）。 在输出波形的状态下，按键二选择控制种类，在调整幅度与调整频率两种状态相互切换，按键三，四分别控制相应状态下的增减。 输出幅度的调整是通过，控制运放电路输入端电阻值完成，调整频率是通过控制单片机相关中断程序的中断周期来完成。 在音乐播放状态下，按键二能调整播放的音乐种类，按键三四控制播放的音量。 在输出波形状态下通过单片机小系统上自带的七段数码管显示当前输出波形的对应频率及幅度档数，中间用冒号分隔。 在音乐播放状态下，显示音量档数。 第 8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 单片机模块 描述 功能描述 作为整个系统的核心控制部分，其各部分具有以下功能。 CPU： 进行运算、控制。 RAM：用于 数据存储。 ROM：用于 程序存储。 输入 /输出设备 ：用于 串行口、并行输出口 等。 接口定义 1）单片机和 4066 开关的通讯，高低电平的变化，经过十芯插座来实现。 P1 口中有十个接口，其中中间两个没有用到。 使用的接口： P1^4,P1^5,P1^6,P1^7,P3^2,P3^3,P3^4,P3^5。 2）按键 KEY1P1^0。 KEY2P1^1。 KEY3P1^2。 KEY4P1^3。 技术要求 由程序控制，准确无误地输出对整个系统的控制信号。 实现方式 该模块作为原件发放，只需由程序控制各设备。 增益的线性放大器 模块 描述 功能描述 由 CD4066 数字开关， LM741 运算放大电路控制 [2]，线性发达输入电压。 具体功能如下。 1） CD4066 数字开关：控制 10K， 20K， 40K， 80K电阻的输入。 2） LM741 运算放大电路：放大输入电压。 第 9页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 接口定义 图 31 CD4066 引脚图 [3] 图 32 LM741 引脚图 [4] 1） 与单片机接口： p3^５ ,p3^4,p3^3,p3^2，为单片机控制增益倍数单元向放大电路单元输出的接口。 2）放大电路单元的输入接口： 4066 的管脚 1c,2c,3c,4c 其对应关系如下： p3^5……………………1c……………………10 kΩ p3^4……………………2c……………… ……20 kΩ p3^3……………………3c……………………40 kΩ p3^2……………………4c……………………80 kΩ 3) 与系统外的接口：运算放大器 LM741 的 6 号脚作为整个系统的输出端，与外界测量设备相连。 技术要求 选择阻值准确的电阻，放大输入电压，使增益误差控制在 3%以内，且误差越小越好。 实现方式 人机界面操作 用户通过按四个不同的键来输入不同的倍数。 按键按下后，通过输入信号读取与转换后，改变输出的数字信号，同时在数码管上显示。 单片机通过把按键得到的信息转化为数字信号传递给 第 10页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 CD4066，从而 控制 CD4066 上面的四个开关从而控制四个不同电阻连入电路的情况，最终实现用户所要求的增益倍数。 电路设计 CD4066 CD4066 的定义 The CD4066BC is a quad bilateral switch intended for the transmission or multiplexing of analog or digital signals. It is pinforpin patible with CD4016BC, but has a much lower “ON” resistance, and “ON” resistance is relatively constant over the inputsignal range. CD4066 的指标 Wide supply voltage range 3V to 15V High noise immunity VDD (typ.) Wide range of digital and  VPEAK analog switching “ON” resistance for 15V operation 80Matched “ON” resistance RON 5(typ.) over 15V signal input “ON” resistance flat over peaktopeak signal range High “ON”/“OFF” 65 dB (typ.) output voltage ratio @ fis 10 kHz, RL 10 kControl Line Biasing: Switch On (Logic 1), VC VDD Switch Off (Logic 0), VC VSS (摘自 CD4066 Datasheet) 输入 CD4066的数字信号是由单片机控制的，单片机发出信号的控制端由四个接口组成，每个接口分别控制一个开关。 当接口发出的是高电平时，开关闭合，即与开关串联的电阻连入电路；当接口发出的是低电平时，开关断开，即与开关串联的电阻未连入电路。 第 11页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 电路设计 放大电路模块 放大电路的完成 怎样将数字控制信号的控制作用真正加至需要被放大的信号上，这是放大电路单元的核心，也是整个硬件部分的核 心。 我们要找到有能够按比例放大电压信号功能的元件或电路。 从发下来元件中有运放这一点，我们想到了反相比例器电路。 其电路原理如图 8： 图 8 反相比例器 其中， R’= R//Rf , Uo = － Rf Ui / R 电路原理分析如下 i ： 由于理想运放的净输入电压和净输入电流均为 0，故 R’ 中电流为 0，所以有： Up = Un = 0 I ip = in = 0 ii II 式 I 表明，运放两个输入端的电位均为 0，也就是“虚地”。 节点 N 的电流方程为： iR = if (Ui － Un) / R = (Un－ Uo) / Rf iiiiv 由于 N 点接地，所以 Un = 0，整理即得： Uo = － Rf Ui / R 有了反相比例放大器电路，解决了最基本的问题，就是能将信号按某一比例放大。 第 12页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 再从控制信号的方面考虑。 因为这部分电路最后必须有和控制信号相对应的接口。 由单片机给出的控制信号是二进制的数字信 号，其输出时的方式是四线制。 因此在。