簡易音階發(fā)生器設計.docx

簡易音階發(fā)生器設計1、課題目的：學習和掌握振蕩電路設計和濾波器的設計方法；學習和研究用EDA、MCU等不同的手段、方法來完成本科題的設計任務，并從中逐步學會方案的比較和選擇；學習電路的模塊化調(diào)試和軟硬件結合調(diào)試方法2、設計要求：產(chǎn)生C調(diào)八個音階的振蕩頻率(見表2.1)，它分別由1、2、3、4、5、7、0號數(shù)字鍵控制。表2.1 音階的振蕩頻率和周期表C調(diào)123456709頻率f(HZ)261.6293.6329.6349.2392.0440.0439.9523周期T(ms)3.823.403.032.802.552.272.091.91同時按下兩個數(shù)字鍵號時，只發(fā)出一個音階頻率信號。模擬通道的頻寬為30Hz10kHz。功率放大器的負載電阻RL=8，最大功率輸出Pomax0.5W、效率50%。能按1-2秒的定時間隔單次和重復發(fā)出8個音階。能自動演奏簡單的曲子（選做）。第1節(jié)課題原理和課題方案 簡易音階發(fā)生器的實現(xiàn)有多種方案，參考方案1如圖21所示。它包括按鍵輸入、頻率控制器、正弦波振蕩器、衰減器和功率放大器五個部分組成。圖21 簡易電子琴參考方案1框圖其中正弦波振蕩器電路是產(chǎn)生C調(diào)八個音階的信號源，音調(diào)效果取決于準確和穩(wěn)定的振蕩頻率，因此，頻率控制器是整個系統(tǒng)的關鍵部分；按鍵輸入是控制頻率控制器給出適當?shù)念l率控制字，調(diào)節(jié)振蕩器的輸出頻率；衰減器的目的是調(diào)節(jié)輸出音量，最后由功率放大器推動揚聲器發(fā)出聲音。 參考方案2如圖22所示。該方案通過用電子開關切換多諧振蕩器的頻率，多諧振蕩器輸出的方波通過有源低通濾波器對信號作進一步的處理，濾出高頻信號以獲得較好的音質(zhì)效果；用EDA技術，通過對CPLD/FPGA的編程控制按鍵輸入的譯碼、定時、演奏方式控制和自動演奏。圖2.2簡易電子琴參考方案2框圖1、音頻功率放大器音頻功率放大器可以有以下幾種電路結構供參考（1） 采用集成功率放大器構成的電路；（2） 采用互補對稱OCL或OTL電路構成功率放大電路；2、多諧振蕩器方案2采用多諧振蕩器可以考慮以下參考方案：（1） 用非門電路構或555電路構成多諧振蕩器。（2） 用運算放大器構成多諧振蕩器，此時注意運算放大器的電源電壓用5V，不要太高。（3） 用EDA技術，采用大規(guī)模可編程器件CPLD/FPGA，用其中的部分資源來構成多諧振蕩器。（4） 用MCU技術，采用單片機、外圍邏輯器件和D/A轉換器實現(xiàn)，外圍邏輯器件主要是用于對A/D，D/A等器件的讀寫控制和片選控制；（5） 用MCU完成課題的控制和計算部分，用EDA技術完成邏輯整合和數(shù)字顯示的譯碼，D/A轉換器完成數(shù)摸轉換。3、頻率控制和正弦波發(fā)生器方案1采用頻率控制和正弦波發(fā)生器以下方案可供參考：（1） 考慮EDA技術，用CPD/FPGA和D/A芯片進行直接數(shù)字頻率合成（DDFS）產(chǎn)生正弦波，頻率控制精確，切換速度快。（2） 通過MCU控制MAX038構成壓控振蕩器，直接產(chǎn)生正弦波。這種方式編程方便，但頻率控制精度稍差一些。（3） 用MCU控制DDS芯片AD9850，通過低通濾波器直接產(chǎn)生正弦波。這種方式由MCU向AD9850發(fā)出頻率控制字，頻率控制精確，切換速度快，且比（1）容易實現(xiàn)。第2節(jié)課題實施內(nèi)容及實驗步驟（以方案2為例）由于課題內(nèi)容比較多，工作量比較大，在完成硬件整體設計后，按先易后難、先小后大，先硬件后軟件按功能模塊進行實驗和調(diào)試，建議如下：實驗一頻率可切換的多諧振蕩器該實驗有以下兩部分內(nèi)容1、多諧振蕩器 多諧振蕩器電路的一種如圖2.3所示，工作原理是利用電容器C的充、放電作用，在輸出端獲得矩形波。 圖23 RC環(huán)形多諧振蕩電路 假定在接通電源后，電路最初處于第一暫穩(wěn)態(tài)，即的Vi1=0、Vo1=1、Vo2=0 及Vi3=1的狀態(tài)，此時Vo1高電平經(jīng)C、R和門G2輸出端向C充電，隨著充電時間的增加，Vi3的電位不斷下降，當Vi3降到Vr=1.4V(TTL的門坎電平)時，電路發(fā)生下述正反饋過程：結果使門G1迅速導通，門 G2截止，電路處于第二暫穩(wěn)，即Vo1=0、Vo2=1、Vi3=0 及Vo3=1，這時，Vo2高電平經(jīng)R、C和門G1輸出端向C反充電，使Vi3的電位不斷上升，當Vi3上升到Vr = 1.4V時，電路又產(chǎn)生下列正反饋過程：從而使門G2迅速導通和門G1截止，電路又返回到第一暫穩(wěn)態(tài)。此后，電路重復上述過程，在輸出端獲得矩形波，振蕩頻率為 其中RO是與非門的輸出電阻、RON是CMOS傳輸門TG的導通電阻。此外，還有一點有必要說明，CMOS傳輸門建議采用CD 4016，它包含有四個獨立的雙向模擬開關，開關狀態(tài)由控制信E決定，當E=1時，對應開關的導通電阻RON為幾百歐姆；當E=0時，開關的斷開電阻ROFF 102、可編程音階振蕩電路可編程音階振蕩電路如圖24所示。電路由3線8線譯碼器和RC環(huán)形多諧振蕩電路組成，3線8線譯碼器的作用是選擇不同的CMOS電子開關4051，以獲得八個振蕩頻率。圖2.4 可編程音階振蕩電路 對于一組確定的地址碼止A2，A1，A0譯碼器輸出線中僅有一線為高電平（Yi=1）使TGi：導通和電阻Ri接入振蕩電路，從而產(chǎn)生頻率為的矩形波。因此，改變數(shù)碼AAA，即可獲得不同的振蕩頻率。3、電路參數(shù)測試分別對圖2.3和圖2.4進行實驗。首先計算電路參數(shù)，選定電容C和初步選定電阻R0-R7的數(shù)值，使電路起振。通過切換3-8譯碼器輸入A2，A1，A0，調(diào)節(jié)對應的電阻，使振蕩頻率滿足表2.1的各音階頻率。填表2.2表2.2 音階對應的RC參數(shù)表A2A1A0C=R0=R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=頻率實驗二有源低通濾波器、衰減器和功率放大器1、二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器參考電路如圖2.5所示，它的輸入Vi4是音階頻率的方波信號，通過設計有源低通濾波器的截止頻率參數(shù)，可以濾除方波信號中的高頻分量，在輸出端提取出基波信號Vo4。圖2.5 二階有源低通濾波器2、衰減器和功率放大器衰減器主要是對音頻信號進行特定頻率的提升和衰減，不過在此可以簡單地當作輸出音量控制來處理，用電位器實現(xiàn)音頻信號衰減和對音量的控制。功率放大器可以采用互補對稱OTL或OCL電路來實現(xiàn)，輸出功率0.5W即可。3、電路參數(shù)測試（1）低通濾波器的截止頻率測試。首先確定低通濾波器的截止頻率，計算圖2.5的電路參數(shù)，通過信號發(fā)生器來測試和調(diào)試低通濾波器的截止頻率。自己擬訂測試方案，將調(diào)整好的測試數(shù)據(jù)填入表2.3，并畫出低通濾波器的幅-頻特性曲線（用半對數(shù)坐標）。表2.3 濾波器頻率-幅值測試值 頻率Vo4（2）濾波效果測試。將實驗一的可控多諧振蕩器的輸出和低通濾波器的輸入相連接，切換A2，A1，A0觀察各音階頻率的濾波器輸出波形，確定濾波器參數(shù)的選擇是否合適，畫出Vi4和Vo4在各個音階頻率的對照波形。（3）功率放大器測試。自己畫出OCL功率放大器的原理圖，設計其參數(shù)。1）靜態(tài)輸出調(diào)零。不加信號負載開路！將功率放大器輸入接地，測試和調(diào)節(jié)輸出使其為零電位。2）在輸出靜態(tài)為零的前提下，輸入和地斷開，接入信號源和負載（揚聲器），用示波器觀察功率放大器的工作是否正常，有無交越失真。自己擬訂測試方案，測試并記錄該功率放大器的最大輸出功率和效率。最大輸出功率Pmax= 輸出效率= 3）將濾波器的輸出通過衰減器后加到功率放大器的輸入，切換A2，A1，A0聽揚聲器的音階聲音，調(diào)節(jié)衰減器到合適音量。實驗三鍵控輸入及頻率控制的實現(xiàn)及整機調(diào)試和測試1、鍵控輸入及頻率控制該部分電路如圖2.6所示，按鍵K0-K7分別相當于8個琴鍵，CPLD/FPGA用于對按鍵的識別、電子開關的頻率切換，和定時自動演奏；有源晶振為CPLD/FPGA提供時鐘信號。整個邏輯的實現(xiàn)可通過VHDL語言編程實現(xiàn)。該部分的關鍵是VHDL語言編程，程序應該有鍵值識別模塊、譯碼模塊、定時模塊和用于自動演奏的控制等模塊。圖2.6 鍵控輸入及頻率控制2、鍵控輸入電路及整機調(diào)試和測試（1）軟件仿真調(diào)試。用MAX+PLUSII或其它EDA軟件編完程后，將K0-K7用軟件開關來實現(xiàn)，通過波形仿真來觀察邏輯關系是否正確。（2）軟件仿真調(diào)試通過后，接好硬件電路，用軟件定義好并鎖定管腳下載程序到芯片中，分別按下K0-K7，測試電子開關輸入是否正確。若結果正確可接上整機其它電路進行試聽。（3）任意定義一個按鍵作為啟動信號，調(diào)試定時邏輯和控制邏輯，使電路能按音階順序自動演奏。第3節(jié)實驗要求1.預習要求（1）由于課題涉及多門課程內(nèi)容，在預習時要注意有關內(nèi)容的查閱和研讀，理解各模塊電路的原理，查閱有關資料選定芯片，畫出硬件原理圖。用VHDL等語言編制相關軟件，預習MAX+PLUSII的使用說明。（2）根據(jù)自己情況，預先設計好實驗步驟、測試方法和畫出各種測試數(shù)據(jù)表格。2.課題總結報告要求（1）課題總體設計思想和總體方案，方案的選擇與比較。（2）硬件部分：闡述自己硬件設計思想，有總體硬件原理圖和各次實驗的原理圖、原理說明和參數(shù)設計并附計算過程。（3）軟件部