簡易音階發(fā)生器設(shè)計.docx

簡易音階發(fā)生器設(shè)計1、課題目的：學(xué)習(xí)和掌握振蕩電路設(shè)計和濾波器的設(shè)計方法；學(xué)習(xí)和研究用EDA、MCU等不同的手段、方法來完成本科題的設(shè)計任務(wù)，并從中逐步學(xué)會方案的比較和選擇；學(xué)習(xí)電路的模塊化調(diào)試和軟硬件結(jié)合調(diào)試方法2、設(shè)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(fù)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(fù)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(zhǔn)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(guān)鍵部分；按鍵輸入是控制頻率控制器給出適當(dāng)?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(yáng)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(guān)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(jìn)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(shù)，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(jié)構(gòu)供參考（1） 采用集成功率放大器構(gòu)成的電路；（2） 采用互補(bǔ)對稱OCL或OTL電路構(gòu)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(gòu)或555電路構(gòu)成多諧振蕩器。（2） 用運算放大器構(gòu)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(shù)，采用大規(guī)?？删幊唐骷﨏PLD/FPGA，用其中的部分資源來構(gòu)成多諧振蕩器。（4） 用MCU技術(shù)，采用單片機(jī)、外圍邏輯器件和D/A轉(zhuǎn)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(shù)完成邏輯整合和數(shù)字顯示的譯碼，D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)摸轉(zhuǎn)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(shù)，用CPD/FPGA和D/A芯片進(jìn)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(gòu)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(shè)計后，按先易后難、先小后大，先硬件后軟件按功能模塊進(jìn)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(dāng)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(jié)果使門G1迅速導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(guān)，開關(guān)狀態(tài)由控制信E決定，當(dāng)E=1時，對應(yīng)開關(guān)的導(dǎo)通電阻RON為幾百歐姆；當(dāng)E=0時，開關(guān)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(guān)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(dǎo)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(jìn)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(jìn)行特定頻率的提升和衰減，不過在此可以簡單地當(dāng)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(bǔ)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(biāo)）。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(shè)計其參數(shù)。1）靜態(tài)輸出調(diào)零。不加信號負(fù)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(fù)載（揚(yáng)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(yáng)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(jī)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(dāng)于8個琴鍵，CPLD/FPGA用于對按鍵的識別、電子開關(guān)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(guān)鍵是VHDL語言編程，程序應(yīng)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(jī)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(guān)來實現(xiàn)，通過波形仿真來觀察邏輯關(guān)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(guān)輸入是否正確。若結(jié)果正確可接上整機(jī)其它電路進(jìn)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(yù)習(xí)要求（1）由于課題涉及多門課程內(nèi)容，在預(yù)習(xí)時要注意有關(guān)內(nèi)容的查閱和研讀，理解各模塊電路的原理，查閱有關(guān)資料選定芯片，畫出硬件原理圖。用VHDL等語言編制相關(guān)軟件，預(yù)習(xí)MAX+PLUSII的使用說明。（2）根據(jù)自己情況，預(yù)先設(shè)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(jié)報告要求（1）課題總體設(shè)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(shè)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(shè)計并附計算過程。（3）軟件部