电子综合设计实验设备的研制音频处理电路的设计
[摘要]根据单片机和FPGA相关课程的简要介绍，简要地介绍了电子综合实验设备的设计思路、构架、结构特点并对其中的音频处理电路作详细地介绍。
[关键词]音频处理模块 单片机 FPGA LM386 一、引言 随着电子技术的发展，单片机和可编程逻辑器件（FPGA）在自动控制系统中有着广泛的应用。基于以上原因，目前国内理工院校的大多数电子类专业都开有与单片机和FPGA等相关系的课程。 目前单片机教学主要以51系列单片机为主，要求学生通过学习该课程，了解单片机应用系统设计的基本理论、基本知识与基本技能，掌握单片机应用系统各主要环节的设计、调试方法，并了解单片机在测量、控制等电子技术应用领域的应用，并初步具备应用单片机进行设备技术改造、产品开发的能力。 目前关于FPGA课程的教学主要以Altera公司的FPGA为主。学习的主要内容包括：硬件描述语言（HDL）、FPGA应用基础、常用EDA工具使用、基本数字电路设计以及数字系统设计技术。通过本课程的学习使学生了解使用VHDL语言设计数字电路的基本过程和方法，掌握VHDL的基本语法规则以及基本数字电路的VHDL语言描述，了解常用EDA软件及器件。针对其教学目标所开设的实验项目有：EDA软件使用以及设计流程、七段译码器设计、数码管扫描显示电路、八位加法器的设计、抢答器的设计、六十进制计数器设计、数字频率计的设计、数字钟的设计、交通灯控制器设计以及电子琴设计。 从硬件的角度看，完成以上实验项目，所包括的模块电路主要有：FPGA最小模块、按键和显示等输入输出模块、音频输入输出模块、A/D和D/A模块以及RS232串口模块。 这些课程一般是采用理论教学和实验教学结合的教学手段，每种课程的实验是分开上的，即每种课程有各自的实验室和专用实验设备。但是，对比各种专用实验设备，就会发现如下问题：一、每种专用设备除了主控模块不一样外其他外围电路相差无几。这样一来，容易造成物力和人力的资源浪费，专用实验室需要花大量的资金来组建，不同的实验室需要不同的人员管理，不同的实验设备需要不同的人员来管理和维修。二、不同的外围模块电路混合在一起，使得电路图结构复杂，不易于我们熟悉和调试电路。 本次设计所研制的电子综合实验设备主要针对以上问题而研制的。该设备采用“积木式”设计原理，每块电路都被设计成一个小模块。整个设备包括各类外围模块和主控模块。通过替换主控模块来选择所作的实验类型，即使单片机实验就采用单片机模块，FPGA相关实验就采用FPGA模块。这样的话，所有实验可以采用同一个实验设备，可以减少资源浪费，同时，电路采用模块化设计，结构清晰，易于我们学习和调试。 我主要设计音频放大模块，这个模块主要实现语音输入和输出，主要器件为：LM386。 二、音频处理模块电路的设计以及测试 （一）电子综合实验设备设计中需要注意两点 一、模块化设计，便于认识、分析和合理的选择各模块电路；二、开放性设计，便于学生调试电路和用仪器测试电路参数以及容易添加wWw.LWlm.com额外外围电路。 基于以上两点，我采用“积木式”设计思路，即采用层次化的结构，总共分为三层。第一层为各个外围模块到主模块之间的互联板，第二层为各个模块电路，第三层为各个模块电路上的主要芯片。其具体框图见图1。 考虑到以上分析的单片机以及FPGA实验设备的必须外围电路以及电子类专业中的基础课程模拟电子技术和数字电子技术的试验要求，电子综合实验设备主要的模块电路有：稳压电源模块、数据采集模块、A/D和D/A模块、按键以及显示等输入输出模块、音频放大模块、波形产生模块、主控模块等。每个模块电路皆采用插座形式与第一层互联板相连。其平面框图如图2所示。下面分别介绍每个模块的功能以及构成。 2．主控模块：共有单片机模块和FPGA模块。单片机模块包括下载电路、晶振以及复位电路；FPGA模块包括下载电路以及外部有源晶振。目前可用的单片 3．A/D和D/A模块：完成模数转换和数模转换。主要ADC0809和DAC0832构架。 4．输入输出模块：包括按键输入、七段数码显示和LED灯输出。主要器件为：74138、4511等。 5．音频放大模块：实现语音输入和输出。主要器件为：LM386。 6．数据采集模块：实现数据采集、差分放大以及滤波。主要器件为：OP07和各类传感器。 7．波形产生模块：产生10kHz-10MHz的正弦波、方波以及三角波。主要器件为：Max038。 8．附件模块：放置面包板、标准焊盘电路等，便于测试和扩充外围模块。 （二）要实现音频的放大，首先应找到它的主要器件LM386 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。 2．PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。这是死理，不用多说了吧。 3．选好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质，转那么多圈圈，不烦那！ 4．尽可能采用双音频输入/输出。好处是：“＋”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。 5．第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可千万别省啊！7．电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，太好了！由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。非常可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实不错！
（三）它的主要特性 wWw.LWlm.com首先在输入端给一个声音信号，它是一个模拟信号且非常微弱，通过LM386放大输出。
再把输出的信号通过一系列整流放大，最终通过喇叭输出。这就是声音如何从麦克风输入再从喇叭输出的全过程。 在进行测试过程中，输出端总发出蜂鸣的声音，使其无法不失真的放大，通过我反复的思考与测试得出了解决的方法：在LM386的电源和地之间加一个电解电容，从而使全有的失真得到明显的消除，设计最终成功完成。 三、总结 （一）测试过程中所遇到的问题及解决方法 在测试过程中出现了失真的现象，解决方法是：在LM386的电源和地之间接一个电解电容，从而消除了失真。 （二）设计过程的总结及心得 1．从上述设计过程可以看到，系统硬件的设计是从选择具体元、器件开始的，并用这些元、器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计。运用层次化设计方法，使设计进一步细化，分模块设计，条理清晰，这样就会使一个复杂的系统设计变得容易调试，缩短设计时间。本次毕业设计主要设计音频处理模块，通过几周对资料收集，设计出电原理图，再进行电路仿真，并设计PCB板，通过比较筛选器件，购买元器件，再对元件进行焊接和系统调试，最终实现音频的放大。 （1）大学大多数时间都是在学习通信理论基础知识，并未真正地去应用和实践。经过这次设计，我接触到了更多平时没有接触到的仪器设备、元器件以及相关的使用调试经验，发现了自己很多不足之处。我还体会到了所学理论知识的重要性：知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。 （2）了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。我经过这次系统的设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。 （3）实践能力得到了进一步提高，在调试过程中积累了一些经验。 （4）设计对以前学过的理论知识起到了回顾作用，并对其加以进一步的消化和巩固。 （5）设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。而且培养了吃苦耐劳的精神以及相对应的工程意识，同学之间的友谊互助也充分的在设计当中体现出来了。 参考文献： [2]李树雄，电路基础与模拟电子技术[M].北京:北京航空航天大学出版社2001.