工程实践与科技创新-第018组设计报告_曾冠铭

工程实践与科技创新-第018组设计报告_曾冠铭内容摘要：

原理与分析 系统的 设计原理和 总体结构 基础部分：增益可控放大器 设计原理： 由单片机控制增益的变化，信号源的输入信号是交流信号源（ Freq： 400Hz； Ampl： 850mVpp ；正弦波），如图 21 中所示，由单片机 MSP430 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。 基础部分结构图由图 21 表示。 单 片 机数 字 开 关电 源 信 号运 算 放 大 器 万 用 表 检 测控 制 信 号参 数 输 出 图 21 基础部分结构图 拓展部分一：函数信号发生器暨音乐播放器 设计原理： 1）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 22 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 5 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 22 生成数学波形原理图 2）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蜂鸣器形成不同音高的声音，另一方面，通过录入的程序，单片机系统同时可以对输出方波信号的节拍进行调节，最终体现为歌曲的播放快慢，从而实现了音高和节拍的双重控制。 总体结构图如图 23。 蜂 鸣 器单 片 机数 字 开 关分 压 电 路运 算 放 大 器 操 作 开 关控 制 信 号 信 号 输 入控 制 参 数 输 出高 平 信 号万 用 表 检 测 图 23 函数信号发生器暨音乐播放器 拓展 部分二：自动增益调节 设计原理： 通过基础部分电路，实现增益可调，并将基础部分输出输入到检波电路在，将正弦波形转换为直流波形再输入到单片机进行 A/D 转换成数字信号，从而识别并限制输出在设计范围内。 第 6 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 单 片 机数 字 开 关检 波 电 路运 算 放 大 器控 制 信 号控 制 参 数交 流 信 号直 流 信 号 图 24 自动增益部分结构图 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：按键 1 选择模式， 1 表示增益可控放大器。 用按键 2 和按键 3 控制增益的倍数。 按键 2 为增加一档（一档为 倍），按键 3 为减小一挡。 最小为 0，最大为。 按键 4 为清零，即回到放大倍数 档。 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。 拓展部分一： 调频调幅函数信号发生器 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，通过控制单片机相关中断程序的中断周期和控制运放电 路输入端电阻值，实现控制输出波形的频率及幅度 (1Hz10Hz 共 5 档的频率调整； 共 2 档的幅度输出 )。 键盘：按键 1 选择模式， B表示函数发生。 按键 2 选择波形，有正弦波，三角波，锯齿波和方波。 按键 3 控制调整幅度，按键四控制调整频率。 拓展部分二：电子音乐播放 数字音乐播放部分通过按键可选择所播放音乐的曲目（ 5 首），并实现控制音量和歌曲节拍。 键盘：按键 1 选择模式， A 表示音乐播放。 按键 2 选择曲目，分别为《喀秋莎》、《 you》、《菊次郎的夏天》、《荷塘月色》、《天空之城》，按键 3 为节拍与 音量递减键 ， 按键 4 为节拍与音量递增键。 拓展部分三：自动增益调节 第 7 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 通过接收输出电压的反馈信号，从而控制增益的大小，进而调整输出使达到设定的范围内。 键盘与显示：按键 1 选择模式， 2 表示自动增益调节放大器。 用按键 2 和按键 3 控制增益的倍数。 按键 2 为增加一档（一档为 倍），按键 3 为减小一挡。 最小为 0，最大为。 按键 4 为清零，即回到放大倍数 档。 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，并在超出输出范围 时自动调节放大倍数至合适值。 主要由单片机实现。 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 增 益 输 出单 片 机音 乐 播 放数 字 开 关函 数 发 生 电路基 础 放 大 电路数 字 开 关检 波波 形 输 出 图 31 硬件总体结构图 硬件总体分为四部分： 1 单片机小系统模块 2 增益可控放大电路模块 3 函数信号发生和音乐播放模块 4 自动增益模块 表 31 硬件总体模块列表 单片机小系统模块 用于信号接收与处理，含单片机等芯片和电路 增益可控放大电路模块 实现放大功能的主要模块，由模拟开关，电阻，运算放大器组成，从单片机系统接受信号。 函数信号发生和音乐播放模块 基础部分，以及额外的 CD4066，两个不同阻值的电阻和一个蜂鸣器构成 自动增益模块 由二极管、电阻和电容构成，取正弦波峰值输入单片机 单片机小系统模块 描述 功能描述 可由系统本身的按键产生增益控制信号。 并将正确的响应经 I/O 接口输出至外电路。 第 9 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 由 I/O 接口 [注 1]接收增益控制信号 ，并将正确的响应再经 I /O 接口输出至外电路。 所对应的增益放大倍数可显示在系统的七段数码管上。 [注 1]： I/O 口：四个 8 位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出； 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 中有十个接口，其中两个没有用到。 使用的接口： ， ， ， ， ， ， ，。 2．按键 单片机小系统上的三个微动开关 、 、 、 分别对应按键 按键 按键 按键 4。 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。 增益可控放大电路模块 描述 功能描述 由 CD4066 数字模拟多路开关控制， TLV2372 运算放 大电路控制，线性放大输入的交流电压。 具体功能如下： （ 1） CD4066 数字开关：控制 10kΩ ,20kΩ ,40kΩ ,80kΩ ,4档电阻的接入。 （ 2） TLV2372 运算放大器：通过利用其“虚短”，“虚断”的性质，构造反向放大电路实现对输入的交流电压的放大。 控制输出电压和输入电压的关系为： Vo = (Rf / R1 ) Vi。 接口定义 CD4066 数字多路开关 CD4066 共 14 个管脚。 2 个管脚接 ， 12 个管脚控制 4 个独立开关。 如图 7 所示。 第 10 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 32 CD4066 管脚定义和内部电路结构 [4] 7， 14 号管脚：集成电路供电端， 14 号管脚接 ； 7 号管脚接地。 1， 2， 13 号管脚：控制开关 A，在本电路中控制电阻 R1=80KΩ。 其中， 1 号， 2 号管脚为开关输入、输出端， 13 为控制端，接单片机 口。 3， 4， 5 号管脚：控制开关 B，在本电路中控制电阻 R2=40KΩ。 其中， 3 号， 4 号管脚为开关输入、输出端， 5 为控制端，接单片机 口。 6， 8， 9 号管脚：控制开关 C，在本电路中控制电阻 R3=10KΩ。 其中， 8 号， 9 号管脚为开关输入、输出端， 6 为控制端，接单片机 口。 10， 11， 12 号管脚： 控制开关 D，在本电路中控制电阻 R4=20KΩ。 其中， 10 号， 11 号管脚为开关输入、输出端， 12 为控制端，接单片机 口。 TLV2372 运算放大器 TLV2372 共八个引脚，其中两个引脚接 外接电源，另外六个引脚组成 2 个独立的运算放大器。 第 11 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 33 TLV管脚定义和内部电路结构 [5] 8 号引脚接 ， 4 号引脚接地，此两个引脚为运算放大器提供电源。 6 号引脚接 ，用以抬升输出波形。 5 号引脚需接输出端以及反向放大电路中的输入电阻。 7 号引脚需接输出端，此引脚对地电压即为反向放大电路的输出电压。 技术要求 模块整体的相关技术要求： 焊接良好无虚焊，电路走线清晰不杂乱； 人机界面友好； 放大器的增益至少包括 15 个标准值等级：从 至 倍，以 为间隔共 15 种； 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 CD4066 的相关技术要求 : 电源供电电压范围为 315V，本模块为 抗高频噪声能力为 VDD (typ.) 工作温度： 40℃ ~ +85℃ [4] TLV2372 的相关技术要求为： 工作温度为： 20℃ 75℃ 本次给运放提供的电源电压为 V[5] 实现方式 如图 34 所示，基础部分主要运用反向放大电路可键控增益功能，其中 R1 ,R2 ,R3 ,R4 作为反向放大电路的输入电阻，其组合决定着电路输出的增益的大小。 而其组合由 MSP430 单片机小系统板 第 12 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 通过对 CD4066 数字多路开关的控制而实现的。 下面则详细分析，如何运用该电路实现交流电压的反向放大功能的。 图 34 可键控增益电路电路简图 将上述原理图简化为下图 图 35 可键控增益电路示意图 a) 判断电阻阻值比例 由 和 Vo = (Rf / R1 ) Vi ， 可得1 ()n fo n ini nRV d VR，其中 nd ＝ 0， 1，表示由单片机选择的接通状况。 通过计算可以得出，在四个电阻取值比例为 1:2:4:8， 并且 Rf的取值为最大电阻的 1/10，便可以通过控制电阻的接入状况实现增益从。 b) 确定电阻具体阻值 432111111 RRRRR  第 13 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 查阅 TLV2372 运算放大器的 datasheet， TLV2372 输入阻抗实际典型值为 2MΩ，故为了让输入阻抗趋近于“无限大”，我们将 Rf的值取为远小于 2MΩ。 又由于 CD4066 的导通电阻经测量为 80120Ω左右，所以 R1~R4将取大于这个数量级的取值。 在考虑以上因素以后，取得理论值为 R1=80 KΩ , R2=40 KΩ , R3=20 KΩ , R4=10 KΩ , R8=8 KΩ , 实际值由于生产电阻工艺等因素而有所细小差异，在实际中我们取与理论尽量相近的电阻。 增益等级和各档阻值如下表 32 表 32 各增益等级所需阻值与 4 个电阻组合表 增益等级 各档的阻值（ KΩ） 电阻的组合 R1 R2 R1//R2 R3 R3//R1 R3//R2 R2//R3//R1 R4 R1//R4 1 R2//R4 R1//R2//R4 R3//R4 R1//R3//R4 R2//R3//R4 R1//R2//R3//R4 第 14 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 函数信号发生暨电子音乐合成播放器模块 描述 功能描述 2 片 CD4066：控制 6 路电阻输入，共 261=63 种增益值。 蜂鸣器：播放音乐 具体功能如下： 调频调幅函数信号发生器： 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，通过控制单片机相关中断程序的中断周期和控制运放电路输入端电阻值，实现控制输出波形的频率及幅度 (1Hz10Hz 共 5 档的频率调整； 共 2 档的幅度输出 )。 键盘：按键 1 选择模式， B表示函数发生。 按键 2 选择波形，有正弦波，三角波，锯齿波和方波。 按键 3 控制调整幅度，按键 4 控制调整频率。 电子音乐合成播放器： 数字音乐播放部分通过按键可选择。