简易音阶发生器设计

1、简易音阶发生器设计1、课题目的：学习和掌握振荡电路设计和滤波器的设计方法；学习和研究用EDA、MCU等不同的手段、方法来完成本科题的设计任务，并从中逐步学会方案的比较和选择；学习电路的模块化调试和软硬件结合调试方法2、设计要求：产生C调八个音阶的振荡频率(见表2.1)，它分别由1、2、3、4、5、7、0号数字键控制。表2.1 音阶的振荡频率和周期表C调123456709频率f(HZ)261.6293.6329.6349.2392.0440.0439.9523周期T(ms)3.823.403.032.802.552.272.091.91同时按下两个数字键号时，只发出一个音阶频率信号。模拟通道的频

2、宽为30Hz10kHz。功率放大器的负载电阻RL=8，最大功率输出Pomax0.5W、效率50%。能按1-2秒的定时间隔单次和重复发出8个音阶。能自动演奏简单的曲子（选做）。第1节课题原理和课题方案 简易音阶发生器的实现有多种方案，参考方案1如图21所示。它包括按键输入、频率控制器、正弦波振荡器、衰减器和功率放大器五个部分组成。图21 简易电子琴参考方案1框图其中正弦波振荡器电路是产生C调八个音阶的信号源，音调效果取决于准确和稳定的振荡频率，因此，频率控制器是整个系统的关键部分；按键输入是控制频率控制器给出适当的频率控制字，调节振荡器的输出频率；衰减器的目的是调节输出音量，最后由功率放大器推动

3、扬声器发出声音。 参考方案2如图22所示。该方案通过用电子开关切换多谐振荡器的频率，多谐振荡器输出的方波通过有源低通滤波器对信号作进一步的处理，滤出高频信号以获得较好的音质效果；用EDA技术，通过对CPLD/FPGA的编程控制按键输入的译码、定时、演奏方式控制和自动演奏。图2.2简易电子琴参考方案2框图1、音频功率放大器音频功率放大器可以有以下几种电路结构供参考（1） 采用集成功率放大器构成的电路；（2） 采用互补对称OCL或OTL电路构成功率放大电路；2、多谐振荡器方案2采用多谐振荡器可以考虑以下参考方案：（1） 用非门电路构或555电路构成多谐振荡器。（2） 用运算放大器构成多谐振荡器，此

4、时注意运算放大器的电源电压用5V，不要太高。（3） 用EDA技术，采用大规模可编程器件CPLD/FPGA，用其中的部分资源来构成多谐振荡器。（4） 用MCU技术，采用单片机、外围逻辑器件和D/A转换器实现，外围逻辑器件主要是用于对A/D，D/A等器件的读写控制和片选控制；（5） 用MCU完成课题的控制和计算部分，用EDA技术完成逻辑整合和数字显示的译码，D/A转换器完成数摸转换。3、频率控制和正弦波发生器方案1采用频率控制和正弦波发生器以下方案可供参考：（1） 考虑EDA技术，用CPD/FPGA和D/A芯片进行直接数字频率合成（DDFS）产生正弦波，频率控制精确，切换速度快。（2） 通过MCU

5、控制MAX038构成压控振荡器，直接产生正弦波。这种方式编程方便，但频率控制精度稍差一些。（3） 用MCU控制DDS芯片AD9850，通过低通滤波器直接产生正弦波。这种方式由MCU向AD9850发出频率控制字，频率控制精确，切换速度快，且比（1）容易实现。第2节课题实施内容及实验步骤（以方案2为例）由于课题内容比较多，工作量比较大，在完成硬件整体设计后，按先易后难、先小后大，先硬件后软件按功能模块进行实验和调试，建议如下：实验一频率可切换的多谐振荡器该实验有以下两部分内容1、多谐振荡器 多谐振荡器电路的一种如图2.3所示，工作原理是利用电容器C的充、放电作用，在输出端获得矩形波。 图23 RC

6、环形多谐振荡电路 假定在接通电源后，电路最初处于第一暂稳态，即的Vi1=0、Vo1=1、Vo2=0 及Vi3=1的状态，此时Vo1高电平经C、R和门G2输出端向C充电，随着充电时间的增加，Vi3的电位不断下降，当Vi3降到Vr=1.4V(TTL的门坎电平)时，电路发生下述正反馈过程：结果使门G1迅速导通，门 G2截止，电路处于第二暂稳，即Vo1=0、Vo2=1、Vi3=0 及Vo3=1，这时，Vo2高电平经R、C和门G1输出端向C反充电，使Vi3的电位不断上升，当Vi3上升到Vr = 1.4V时，电路又产生下列正反馈过程：从而使门G2迅速导通和门G1截止，电路又返回到第一暂稳态。此后，电路重复

7、上述过程，在输出端获得矩形波，振荡频率为 其中RO是与非门的输出电阻、RON是CMOS传输门TG的导通电阻。此外，还有一点有必要说明，CMOS传输门建议采用CD 4016，它包含有四个独立的双向模拟开关，开关状态由控制信E决定，当E=1时，对应开关的导通电阻RON为几百欧姆；当E=0时，开关的断开电阻ROFF 102、可编程音阶振荡电路可编程音阶振荡电路如图24所示。电路由3线8线译码器和RC环形多谐振荡电路组成，3线8线译码器的作用是选择不同的CMOS电子开关4051，以获得八个振荡频率。图2.4 可编程音阶振荡电路 对于一组确定的地址码止A2，A1，A0译码器输出线中仅有一线为高电平（Yi

8、=1）使TGi：导通和电阻Ri接入振荡电路，从而产生频率为的矩形波。因此，改变数码AAA，即可获得不同的振荡频率。3、电路参数测试分别对图2.3和图2.4进行实验。首先计算电路参数，选定电容C和初步选定电阻R0-R7的数值，使电路起振。通过切换3-8译码器输入A2，A1，A0，调节对应的电阻，使振荡频率满足表2.1的各音阶频率。填表2.2表2.2 音阶对应的RC参数表A2A1A0C=R0=R1=R2=R3=R4=R5=R6=R7=频率实验二有源低通滤波器、衰减器和功率放大器1、二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器参考电路如图2.5所示，它的输入Vi4是音阶频率的方波信号，通过设计有源低通滤波器

9、的截止频率参数，可以滤除方波信号中的高频分量，在输出端提取出基波信号Vo4。图2.5 二阶有源低通滤波器2、衰减器和功率放大器衰减器主要是对音频信号进行特定频率的提升和衰减，不过在此可以简单地当作输出音量控制来处理，用电位器实现音频信号衰减和对音量的控制。功率放大器可以采用互补对称OTL或OCL电路来实现，输出功率0.5W即可。3、电路参数测试（1）低通滤波器的截止频率测试。首先确定低通滤波器的截止频率，计算图2.5的电路参数，通过信号发生器来测试和调试低通滤波器的截止频率。自己拟订测试方案，将调整好的测试数据填入表2.3，并画出低通滤波器的幅-频特性曲线（用半对数坐标）。表2.3 滤波器频率

10、-幅值测试值 频率Vo4（2）滤波效果测试。将实验一的可控多谐振荡器的输出和低通滤波器的输入相连接，切换A2，A1，A0观察各音阶频率的滤波器输出波形，确定滤波器参数的选择是否合适，画出Vi4和Vo4在各个音阶频率的对照波形。（3）功率放大器测试。自己画出OCL功率放大器的原理图，设计其参数。1）静态输出调零。不加信号负载开路！将功率放大器输入接地，测试和调节输出使其为零电位。2）在输出静态为零的前提下，输入和地断开，接入信号源和负载（扬声器），用示波器观察功率放大器的工作是否正常，有无交越失真。自己拟订测试方案，测试并记录该功率放大器的最大输出功率和效率。最大输出功率Pmax= 输出效率=

11、3）将滤波器的输出通过衰减器后加到功率放大器的输入，切换A2，A1，A0听扬声器的音阶声音，调节衰减器到合适音量。实验三键控输入及频率控制的实现及整机调试和测试1、键控输入及频率控制该部分电路如图2.6所示，按键K0-K7分别相当于8个琴键，CPLD/FPGA用于对按键的识别、电子开关的频率切换，和定时自动演奏；有源晶振为CPLD/FPGA提供时钟信号。整个逻辑的实现可通过VHDL语言编程实现。该部分的关键是VHDL语言编程，程序应该有键值识别模块、译码模块、定时模块和用于自动演奏的控制等模块。图2.6 键控输入及频率控制2、键控输入电路及整机调试和测试（1）软件仿真调试。用MAX+PLUSI

12、I或其它EDA软件编完程后，将K0-K7用软件开关来实现，通过波形仿真来观察逻辑关系是否正确。（2）软件仿真调试通过后，接好硬件电路，用软件定义好并锁定管脚下载程序到芯片中，分别按下K0-K7，测试电子开关输入是否正确。若结果正确可接上整机其它电路进行试听。（3）任意定义一个按键作为启动信号，调试定时逻辑和控制逻辑，使电路能按音阶顺序自动演奏。第3节实验要求1.预习要求（1）由于课题涉及多门课程内容，在预习时要注意有关内容的查阅和研读，理解各模块电路的原理，查阅有关资料选定芯片，画出硬件原理图。用VHDL等语言编制相关软件，预习MAX+PLUSII的使用说明。（2）根据自己情况，预先设计好实验步骤、测试方法和画出各种测试数据表格。2.课题总结报告要求（1）课题总体设计思想和总体方案，方案的选择与比较。（2）硬件部分：阐述自己硬件设计思想，有总体硬件原理图和各次实验的原理图、原理说明和参数设计并附计算过程。（3）软件部