工程实践与科技创新[2A]-第7组设计报告整理版

2021-04-25 12:59:18本页面

工程实践与科技创新[2A]-第7组设计报告整理版


【正文】

摘要:本设计报告包括了运算放大器增益程序控制系统,函数信号发生器和电子音乐播放器的主要功能、系统框图,系统硬件以及软件的设计和实现方法,系统的技术指标,调试分析,针对用户操作的详细说明,对系统中某几个部分的深入扩展研究,心得体会和实物照片等等,包括了与此相关的理论和实践中的各种问题。 关键词:运算放大电路,增益,函数信号发生器,音乐播放,程序控制,D/A转换 ABSTRACTThisreportincludesdetailedexplanationsofinnerworkingsoftheoperationalamplifierprogramcontrolledsystem。

thefunctiongeneratorandthemusicplayer,whichincludesthedesigningandimplementationsofitscontrolsystems,majorfunctions,requiredhardwareandsoftware.Thedesignspecifications,plusthedebuggingprocessandtesting,aswellasuserinstructionsmanualarealsoattachedinthereport KEYWORDSoperationalamplifier,gain,functiongenerator。

musicplay,programcontrol,D/Aconverter 电子信息与电气工程学院 地址:东川路800号 邮编:200240 目 次 1.概述 1 1.1编写说明 1 1.2名词定义 1 1.3缩略语 1 2.系统总体说明 2 2.1课题任务规定的设计要求指标 2 2.2实际完成后的功能 2 2.3系统的设计原理与分析 3 2.3.1系统的设计原理和总体结构 3 2.3.2系统的功能 4 3.系统的硬件结构 6 3.1硬件总体结构 6 3.2<电压增益数字控制模块>描述 7 3.2.1功能描述 7 3。

2.2接口定义 7 3.2.3技术要求 7 3.2.4实现方式 8 3.3<音乐播放模块>描述 11 3.3.1功能描述 11 3.3.2接口定义 12 3.3.3实现方式 12 4.系统的软件结构 15 4.1基础部分软件功能和总体结构 15 4.1.1总体功能 15 4.1.2软件总体框架流程 15 4.2拓展部分软件功能和总体结构 16 4.2.1总体功能 16 4.2.2软件总体框架流程 16 4.3重要的全局变量 17 4.4拓展部分具体模块简述 19 4.4.1<按键检测模块>描述 19 4.4.2<控制增益模块>描述 20 4。

4.3<函数发生模块>描述 21 5.系统功能要求及技术指标测试 23 5.1系统功能及要求: 23 5.2技术指标测试项目: 23 5.3测试工具: 24 5.4具体测试方法: 25 5.5测试结果 25 6.开发工具 28 a) 硬件开发工具 28 b) 软件开发工具 29 7.调试过程 30 8.致谢 31 9.参考资料 32 10.附录 33 10.1程序清单 33 10.1.1基础部分 34 10.1.2拓展部分 42 10.2其他成果照片 33 第59页 上海交通大学电子信息与电气工程学院 1.概述 1.1编写说明 此报告为工程实践与科技创新2[A]课程设计报告。

主要阐述运算放大器程序控制系统及拓展项目函数信号发生器暨电子音乐合成和播放等功能的实现过程,包括运算放大器程序控制系统和函数信号发生器的硬件设计以及软件实现,并附有对该系统的具体说明,调试过程和结果测试。根据第55组具体设计内容以及试验结果编写。目的在于总结和汇报本课程任务的完成情况,也为今后做类似设计的同学提供参考依据。 1.2名词定义 可控增益运算放大电路:增益可变的运算放大电路。在本实验中,通过单片机控制4066上的四个开关和LM741组成的数模转换器来改变增益的值,本实验中我们有十五种增益(0.1~~1.5),通过单片机上的按钮调节增益大小。 函数信号发生器:可以输出特定波形的机器。

本实验中利用可控增益运算放大电路,每隔5ms对输入电压进行采样,通过单片机来控制4066的七个开关,通过数模转换形成各种幅值的电压,从而形成各种各样的波形。在本实验中,我们组利用了七个电阻,形成了127种增益,可以形成正弦波,方波,锯齿波和三角波四种波形。 电子音乐播放器:通过调节蜂鸣器路端电压频率和有效值来发出特定音频音量的音乐的器件。 单片机系统:以单片机为核心与其外部电路共同构成,通过单片机编程形成一定的控制功能的系统。 键控:通过按键控制整个系统的工作状态。(按键为单片机小系统板左上方的四个按键)。 按键的抖动和消抖:每一个按键动作会引起多个脉冲信号,称为抖动。用上升沿或下降沿触发的形式消除这种抖动的方法。

成为消抖。 D/A转换:数模转换,既将一个数字信号转换成一个模拟信号。 1.3缩略语 运放:运算放大器(operationalamplifier) A(anolog)模拟的 D(digital)数字的 D/A:digitaltoanalog数模转换 CD4066、4066:模拟开关。 LM741、741:可控运算放大器。 Vi:输入电压。Vo:输出电压。 2.系统总体说明 2.1课题任务规定的设计要求指标 2.1.1基本部分的任务和设计要求指标: 设计一个增益可控制的线性运算放大器,并通过单片机小系统控制直流增益值的大小。要求在给定的单片机小系统板上提供人机操作界面。

使操作者能通过按键操作,设置放大器的增益的值,相应的增益值在数码管上显示。具体指标[注1]如下: 1)最低增益[注2]小于0.15倍;最高增益大于1.45倍; 2)放大器的增益至少包括15个标准值等级:从0.1倍至1.5倍,以0.1为间隔共15种; 3)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。 注1:放大器测试时输入电压推荐为直流1.0V。 注2:本文中增益值都指绝对值,即同相放大电路或反相放大电路都满足要求。 2.1.2扩展部分(函数信号发生暨电子音乐合成和播放)的基本任务和设计要求指标: 在基本部分的基础上,通过增加一片CD4066和相应电阻,来减小增益控制的最小分度值。

并完成相应的软件扩展,使电路可输出正弦、三角、锯齿、矩形(方波)等数学函数波形和播放音乐,即周期性动态连续地改变放大器增益。要求波形完整光滑,音乐清晰,可以考虑加上音量调节功能。 2.2实际完成后的功能 2.2.1基本部分完成后功能 采用反相放大电路,全部实现既定任务。最低增益为0.1倍,最高增益为1.5倍,精度0.1倍,共15个等级。放大倍数由七段数码管给出相应显示,每个等级误差均小于(详细测试数据见:系统功能及技术指标测试)。控制方式为单片机键控,并通过编程实现了清零和循环等功能。 2.2.2拓展部分完成后的功能 在基本部分的基础上,全部实现既定任务。 程序实现了如下三种功能,

数码管第一位显示状态编号: 模式0直流增益输出:电压增益等级从1~127,共127种状态。通过键控可调节增益倍数+1,1和+10。 模式1信号发生器:通过键控可切换输出正弦波、方波,锯齿波和三角波,共四种波形,并可改变每个波形的振幅(五级可变)和周期(三级可变),波形完整且光滑。输出波形时后数码管分别显示波形编号,振幅和周期大小。 模式2音乐播放器:可播放卡秋莎,哆啦A梦等四首曲目,音量12级可变。数码管中间两位显示音量大小(1~12),最后一位显示曲目编号。 注:仅有模式2时才在输出处接入蜂鸣器。 2.3系统的设计原理与分析 2.3.1系统的设计原理和总体结构 2.3.1.1基础部分及信号发生器 此部分是在基本放大电路的基础上。

通过对反相比例器的拓展和与单片机的对接实现的。利用单片机的按键输入,改变单片机的数字信号输出,用此数字信号控制数字开关的开合,以数字开关的开合控制电阻并入电路与否,由此改变电路的参数,并最终实现增益的改变。作信号发生器使用时,单片机输出的数字控制信号随时间变化而周期性变化,从而使信号输出不断变化,产生波形。(注:输入信号Vi始终维持不变。) 系统结构图如图表21。 图表21基本部分及信号发生器系统结构图 2.3.1.2电子音乐播放器 此部分通过单片机输出不断变化的数字信号,控制三极管的导通和截止,进而将通过放大器电路放大或缩小后的数字信号输入蜂鸣器,引起蜂鸣器的振动而发出音乐。播放出的音乐音调由单片机小系统产生的频率信号控制。

音乐响度则由受单片机小系统数字控制信号控制的数字开关调节。 图表22电子音乐播放器系统结构图 2.3.2系统的功能 2.3.2.1基础部分 可变增益放大器:通过键控来确定增益的大小,并通过单片机的信号输出来操纵模拟开关4066相应开关的“开与关”,这样就通过不同电阻的并联调节了的大小,从而在电路板上确定了反相增益的幅度,这样就实现了对输入电压的可变增益的调节。 键盘与显示:键盘上的四个按键本次实验均用到,从左到右共四个按键分别标注为key1,key2,key3,key4。key1为将增益调节为0.1倍(最小),key2为将增益减少0.1倍,key3为增益增加0.1倍,key4为调解增益为1。

5倍(最大)。数码管末两位来显示增益大小(0.1~1.5),其余位不亮。 2.3.2.2拓展部分 函数信号发生器:可通过按键控制使电路输出正弦波、方波、锯齿波和三角波。同时对于每一个波形,振幅五档可调,频率三档可调。 音乐播放器:可播放音乐,并有卡秋莎,哆啦A梦等四首歌曲,可通过按键来切换。音乐大小12档可调。 键盘与显示:共三种工作模式,无论何种模式,第一位显示当前模式编号,key3切换工作模式。各模式下,其他各按键功能及显示见表格21。 表格21各模式下不同按键功能及显示 按键功能 数码管显示 工作模式 Key1 Key2 Key4 第二位 第三位 第四位 模式0 直流增益 增益+1 增益1 增益+10 显示增益等级。

范围1~127,对应增益倍数为0.0125至15.9875 模式1 信号发生 振幅等级+1,若超出最大档5则退回至档1 循环切换波形 周期等级+1,超出最大档3则退回至档1 波形编号:0正弦波,1方波,2锯齿波,3三角波 振幅等级1~5 周期等级1~3 模式2 音乐播放 音量+1 音量1 下一首曲目 音量显示(01~12) 曲目编号0~3 3.系统的硬件结构 3.1硬件总体结构 前面已经对系统的总体结构和功能做了初步介绍,下面,我们将硬件系统分为三个模块(见表格31)进行说明。其中,指令发布模块即为MCS51单片机小系统,由于其集成性较高,实验室其内部电路未经改动。

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