音樂演奏器設(shè)計報告.doc

音樂演奏器設(shè)計（電子競賽G題） 摘要：本次設(shè)計的遠程音樂演奏器是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器，該演奏器電路由發(fā)射和接收兩大部分組成。發(fā)射部分采用ATMEGA32作為發(fā)射系統(tǒng)的控制部分，由按鍵、指示燈、PT2262編碼電路等構(gòu)成外圍電路，并通過PT2262實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；接收部分采用ATMEA8作為接收系統(tǒng)的控制部分，由指示燈、PT2272解碼電路等構(gòu)成外圍電路，并通過PT2272實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。功率放大器采用TDA2030，當頻率為1KHZ，峰峰值為200mv時，額定功率達到4.84W，波形穩(wěn)定，無明顯失真。程序設(shè)計采用C語言在Timel的編譯器上實現(xiàn)編程。14個按鍵采用獨立式安裝。經(jīng)測試，整機功能齊全，功率，帶寬，無線距離，音階頻率誤差等各項性能指標均達到設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：遠程音樂器 編碼器 解碼器 1. 系統(tǒng)設(shè)計11 設(shè)計要求 1.1.1 任務(wù)設(shè)計并制作一個可以演奏樂曲的遠程音樂演奏器。1.1.2 基本要求 （1） 用12個鍵盤演奏音樂（建議演奏軍港之夜），鍵盤與主機采用有線連接，距離5m； （2）樂曲的音階限于12個音階內(nèi)，C調(diào)，節(jié)拍頻率1Hz，C調(diào)音階頻率表見附表1；（3）一次演奏后應(yīng)可以存儲并重放（不少于20個音符）；（4）音階準確，隨機抽測一點頻率，頻率誤差0.1%；（5）功率放大器滿足以下要求：額定功率大于2W（負載電阻8W的條件下）；帶寬大于100Hz3000Hz（應(yīng)提供外部信號輸入端子，負載電阻8W的條件下）；在額定功率及帶寬范圍內(nèi)用示波器觀察無明顯失真。1.1.3 發(fā)揮部分（1）實現(xiàn)無線鍵盤控制功能，距離5m；（2）功率放大器帶寬大于50Hz5000Hz（負載電阻8W的條件下）；（3）功率放大器失真度5%（1000Hz時，滿功率輸出）；（4）其它。12總體設(shè)計方案的論證與選擇（1） 遠程音樂演奏器設(shè)計方案一遠程音樂演奏器設(shè)計方案一如圖11所示。系統(tǒng)采用ATMEGA8和ATMEGA32為微控制器。ATMEGA8和ATMEGA32都是ATMEL公司研制開發(fā)的AVR單片機。它是高性能，低功耗的微處理器。其數(shù)據(jù)吞吐率高達1MISP/MHZ，緩減了功耗和處理速度之間的矛盾。它也支持在線編程燒寫，內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TDA2030ATMEGA32接收發(fā)射ATMEGA814鍵盤 指示燈指示燈發(fā)射 接收從機 主機圖11 ATMEGA構(gòu)成的演奏器結(jié)構(gòu)框圖（2） 遠程音樂演奏器設(shè)計方案二遠程音樂演奏器設(shè)計方案二圖12所示。系統(tǒng)采用51系列的單片機。89C51單機的極限工作頻率是24M，同時89C51支持并行寫入。TDA2030AT89C51接收發(fā)射AT89C5114鍵盤指示燈發(fā)射接收指示燈 從機 主機圖12 AT89C51構(gòu)成的演奏器結(jié)構(gòu)框圖 經(jīng)上述方案比較與論證，明顯AVR的運行速度比89C51來的快，而且更容易修改程序。故本系統(tǒng)采方案一。2.單元硬件電路設(shè)計2.1功率放大電路功率放大電路采用TDA2030高保真集成功率放大芯片來設(shè)計，如圖1-3所示。其輸出功率大于10W，內(nèi)部電路包含輸入級，中間級和輸出級。Rp是音量調(diào)節(jié)電位器，C1是輸入耦合電容，R4、R5決定了該電路交流負反饋的強弱及閉環(huán)增益。該電路閉環(huán)增益為（R4+R5）/R4=（4.7+150）/4.7=32.9倍。C5起隔直流作用，以使直流為100%負反饋，靜態(tài)工作點穩(wěn)定性好。圖1-3 功率放大電路2.2 PT2262/PT2272編碼/解碼電路如圖1-4所示。編碼芯片 PT2262發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住鍵，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當發(fā)射機沒有按鍵按下時，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHZ的高頻發(fā)射電路不工作，當有鍵按下時，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號，當17腳為高電平期間315MHZ的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等輻高頻信號，當17腳為低平期間315MHZ的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所有高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）相當于調(diào)制度為100%的調(diào)幅。 圖1-4 PT2262/PT2272編碼/解碼電路3. 軟件設(shè)計鑒于單片機技術(shù)比較成熟，且開發(fā)過程中可以利用的資源和工具豐富、價格便宜、成本低。故設(shè)計C語言對其編程并燒錄到芯片內(nèi)部，C語言表達和運算能力比較強，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。程序分為發(fā)射部分和接收部分。3.1 接收部分程序設(shè)計初始化I/O，外圍電路 初始化寄存器初始化Timel獲取無線數(shù)據(jù)無數(shù)據(jù)有是調(diào)整LED嗎？是 處理LED否調(diào)整中頻否 是調(diào)整單片機Fimel的比較寄存器數(shù)值0.01S中斷3.2 發(fā)射部分程序設(shè)計初始化I/O，外圍電路保存數(shù)據(jù)是否需要錄音初始化寄存器是讀取數(shù)據(jù)是否需要語言初始化Timel是退出獲取鍵值無鍵按下退出 發(fā)送鍵值 4. 系統(tǒng)測試4.1 測試使用的儀器YB4325型雙蹤示波器 DF1731SD3A型直流穩(wěn)壓電源 DF1641型函數(shù)信號發(fā)生器 VICTOR 89A數(shù)字式萬用表4.2 指標測試和測試結(jié)果4.2.1 音階頻率準確度測試 采用YB4325型雙蹤示波器測量準確度，表4.2.1為記錄表格。式4.2.1為頻率準確度的計算公式。A=（f1-f2）/f2*100% (4.2.1)式中，A為頻率準確度，f1為標準頻率，f2為被測頻率。表4.2.1 音階頻率準確度記錄表f156712345671329.63370415.31440493.88554.37587.33659.33739.99830.61880f2329.59369.94415.25440493.78554.27587.20659.20739.85830.37879.81A0.0121%0.0162%0.0144%0%0.0203%0.018%0.0221%0.0197%0.0189%0.0289%0.0216%4.2.2 功率放大器額定功率的測試采用DF1731SD3A型直流穩(wěn)壓電源供直流電12V給功率放大電路，由YB4325型雙蹤示波器觀察其輸出波形。當頻率為1KHZ，峰峰值為200mv時，輸入正弦波，額定功率可達4.84W。式4.2.4為額定功率的計算公式。 P=U2/R （4.2.4） 4.2.3 帶寬及距離測試帶寬檢測采用DF1641型函數(shù)信號發(fā)生器把輸出信號接在功放輸入端，為避免損壞單片機，此時需要和原先的單片機輸出端斷開，示波器接在喇叭兩端，經(jīng)測試，功率放大器帶寬在大于50Hz5000Hz輸出信號無明顯失真，達到設(shè)計要求。距離測試：經(jīng)實際測試，在距離7M處，接收部分能清晰地收到發(fā)射部分發(fā)出的信號。4.3結(jié)果分析在設(shè)計過程中，功率放大器的的濾波電容不夠大，致使輸出波形失真。通過分析并改變?yōu)V波電容的參數(shù)，使得波形得到了改善。采用PT2262/PT2272編碼/解碼電路，結(jié)果顯示音階準確，隨機抽測一點頻率，頻率誤差達到了0.05%，遠遠超過了題目的要求。5. 結(jié)論本設(shè)計由發(fā)射和接收兩大部分組成。主機（發(fā)射部分）負責發(fā)送語音信號、數(shù)據(jù)傳送以及對從機的選擇。從機（接收部分）負責接收語音信號、數(shù)據(jù)接收和響應(yīng)。采用PT2262/PT2272編碼/解碼電路實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸功能。本作品達到的要求和技術(shù)指標如下：(1)線鍵盤控制功能，距離5m；(2)功率放大器帶寬大于50Hz5000Hz（負載電阻8W的條件下）；(3)功率放大器失真度5%（1000Hz時，滿功率輸出）； (4)樂曲的音階限于12個音階內(nèi)，C調(diào)，節(jié)拍頻率1Hz；(5)一次演奏后應(yīng)可以存儲并重放；(6)音階準確，隨機抽測一點頻率，頻率誤差達到0.02%；(7)功率放大器滿足以下要求：額定功率大于2W（負載電阻8W的條件下）；帶寬大于100Hz3000Hz（應(yīng)提供外部信號輸入端子，負載電阻8W的條件下）；在額定功率及帶寬范圍內(nèi)用示波器觀察無明顯失真。參考文獻1 黃智偉.全國大學生電子設(shè)計競賽技能訓(xùn)練M.北京:北京航空航天大學出版社,2007.2 潘曉利，陳學煌，祝祥迪. 基于單片機MIDI電子琴設(shè)計J.電子測量技術(shù),2008,31(6):1741763 楊海洋.電子電路故障查找技巧M.北京:機械工業(yè)出版社,2004.附錄1 主要元器件清單序號元件名稱型號規(guī)格數(shù)量封裝備注1電阻RT-470-II12AXIAM-0.32電阻RT-1K-II8AXIAM-0.33電阻RT-100K-II3AXIAM-0.34電阻RT-4.7K-II1AXIAM-0.35電阻RT-150K-II1AXIAM-0.36電阻RT-380K-II1AXIAM-0.37電阻RT-2M-II1AXIAM-0.38電阻RT-1-II1AXIAM-0.39瓷片電容1046RAD-0.110瓷片電容224RAD-0.111電解電容1000uf6RB.2/.412電解電容1uf3RAD-0.113電解電容22uf2RAD-0.114電解電容2200uf1RB.2/.415二極管1N40076AXIAM-0.316發(fā)光二極管LED12RAD-0.117穩(wěn)壓管3.3V1RAD-0.118變壓器220V12*2219單片機ATMEG