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1、基于的数字电压表设计报告(完整资料）(可以直接使用，可编辑 优秀版资料，欢迎下载）电子技术基础课程设计题目名称：直流数字电压表指导教师：唐治德学生班级:014级11班学号: 2014463学生姓名：倪扶瑶评语：成绩：重庆大学电气工程学院2016年7月2日摘要随着科学技术的发展，数字电压表的种类越来越多，功能越来越丰富，应用的领域也越来越广泛，给人们的工作和生活带来许多方便.本文通过对比三种直流电压表设计的方案,选择介绍的是基于CL707数字电压表的设计。C707是集三位半转换器段驱动器、位驱动器于一体的大规模集成电路，主要用于对不同电压的测量和许多工程上的应用。ICL717是目前广泛应用于数字
2、测量系统的一种31位/D转换器,能够直接驱动共阳极数字显示器，构成数字电压表,此电路简洁完整,稍加改造就可以构成其他电路，如数字电子秤、数字温度计的等专门传感器的测量工具。本文设计应用了ICL107芯片数码管显示器等，芯片第一脚是供电,正确电压时DC5V，连接好电源把所需要测量的物品连接在表的两个端口,从而可以在显示器上看到所需要的结果.加上量程转换电路的设计，电路可以实现对01.999v,019。v，019.9v的电压测量。本文阐述了电路设计中具体的每一部分具体电路的结构和功能以及仿真实验和实物调试过程。目录一、设计目的二、设计内容及要求三、设计方案比较和选择4四、设计与分析74单元电路的设
3、计41。1测量电路74.1 双积分模数转换电路71.3数码显示电路941.量程转换电路4。2分析计算4。3器件选择0五、电路仿真与工作原理15。总电路图112仿真分析2.3工作原理2六、组装与调试156。1系统调试166。11调试仪器16.1。调试方法16。1测试结果分析66。2故障处理6七、总结177。1设计电路优缺点177。2收获与建议1参考文献9附件120一、设计目的1. 掌握双积分A/D转换的工作原理和集成双积分AD转换器件的设计方法。2. 掌握常用数字集成电路的功能和使用。二、设计内容及要求1. 设计直流数字电压表。2. 直流电压测量范围:01。99，V9.99，0V99。3. 直流
4、输入电阻大于100k。4. 画出完整的设计电路图，写出总结报告.5. 选做内容：自动量程转换。三、 设计方案比较和选择根据设计要求和查阅资料我们拟定了如下三个设计方案：方案一:主要ADC8转换芯片和51单片机主要采用A9C5单片机为核心处理，采用ADC09转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换,单电源供电。数字电压表的系统框图如图所示，通过测量电路将连续的模拟电压信号经过A/D转换器转换成二进制数值,再经由单片机软件编程转换成十进制数值并通过显示屏显示。本方案需要进行单片机的编程，由于我们在这方面专业知识尚不熟悉，所以不采用本方案。图方案二:主要使用C1443芯片由集成双积分模
5、数转换器1443构成的直流电压表电路如图2所示。C1403提供稳定精确的2V基准电压.M145是显示译码驱动电路.直流输入电压范围是0V2V。增加测量电路和量程转换电路可实现本课题要求。图2 M4433直流电压表电路图C14433的性能特点有：（1）M1443属于CMO大规模集成电路,其转换准确度为0.05.内含时钟振荡器，仅需外接一只振荡电阻。能获得超量程（R）、欠量程（U)信号，便于实现自动转换量程。能增加读数保持(OLD)功能。电压量程分两挡:0、2，最大显示值分别为9。9V、1.99V。量程与基准电压呈11的关系，即M=UREF.（2）需配外部的段、位驱动器，采用动态扫描显示方式,通常
6、选用共阴极LED数管。（3）有多路调制的B码输出,可直接配P构成智能仪表。(）工作电压范围是458V，典型值为5V,功耗约8W.方案三:主要采用ICL7107芯片图3为方案三L710 直流电压表的电路图。直流输入电压范围是0V2V。增加测量电路和量程转换电路即可实现本课题要求。本方案主要特点是：()ICL710是1/2位双积分型A/转换器，属于CO大规模集成电路，它的最大显示值为士19，最小分辨率为100u，转换精度为0。士个字.（2)能直接驱动共阳极的LE显示器，不需要另加驱动器件,使整机线路化。采用士V两组电源供电,并将第1脚的GD接第30脚的 。（3)能通过内部的模拟开关实现自动调零和自
7、动极性显示功能。（4）L属于电流控制器件，在32位数字仪表中采用直流驱动方式，芯片本身功耗较小。(）显示亮度较高，噪音低，温漂小，具有良好的可靠性，寿命长.图3C707 直流电压表的电路图方案二和方案三中的直流数字电压表设计均由测量电路、双积分模数转换电路、数码显示电路和量程转换电路组成，不需要单片机的编程,原理框图如图所示。测量电路和量程转换将宽范围的输入直流电压变换为模数转换电路输入电压范围的直流电压，模数转换电路将其转换为数字量,送数码显示电路显示测量值.图4进一步对比图2和图中两种方案的电路图发现IC07整机组装更为方便,无需外加有源器件,配上电阻、电容和LED共阳极数码管，就能构成一
8、只直流数字电压表头.综上分析,本次设计将采用方案三,即主要以C710芯片和共阳极半导体数码管LED组成电路的方案.四、 设计与分析4单元电路的设计4.1测量电路因为C7直流电压表的直流输入电压范围是0V2V,所以要实现测量0.999,0199,0V199.9范围的直流电压的功能,需要在测量电路中对直流电压进行分压。测量电路如图5所示.当输入电压为0V1.999V时，满足ICL107输入电压的范围，不需要分压输出.当输入为0V1999V时，需要分压输出10的电压。当测量输入电压为V。9时,需要分压输出的电压。根据分析测量电路需要用电阻值之比为1:9:90的电阻进行分压，本次设计采用的是0k，90
9、k,900k的电阻,输出接单刀三置开关。图5测量电路4.12双积分模数转换电路ICL7107实现双积分模数转换的电路原理如图6所示。模数转换过程分3个阶段，如图7。自动校准（保证积分器输出为零）,定时积分(信号积分),定压积分（反向积分)。数字和逻辑控制见图。通过外接电阻电容产生周期时钟信号，在其160脉冲周期完成一次模数转换.图模数转换原理图数字和逻辑控制图8CL1引脚图集成双积分模数转换器ICL7的引脚如图8所示。芯片的第32脚为模拟公共端，称为COM端;第3脚V和5脚V为参考电压正负输入端；第1脚N+和30脚N-为测量电压正负输入端；Ct和Rin分别为积分电容和积分电阻,Ca为自动调零电
10、容,它们与芯片的27、28和29相连,电阻1和C1与芯片内部电路组合提供时钟脉冲振荡源，从40脚可以用示波器测量出该振荡波形，该脚对应实验仪上示波器接口C，时钟频率的快慢决定了芯片的转换时间(因为测量周期总保持4000个cp不变)以及测量的精度.器件的输入电压范围是VVre,ef是基准电压（2）,从N 和IN 引脚输入。输出数字量直接驱动4个共阳极D数码管。千位数码管段信号：A4和负PO。百位数码管段信号:A3.十位数码管段信号:A22。个位数码管段信号：A1G1。1.3数码显示电路本次设计的直流电压表的数码显示将使用4个共阳极的LD数码管。由于ICL710芯片能直接驱动共阳极的LED显示器，
11、不需要另加驱动器件，所以在本次设计的中直接将芯片的千位数码管段信号、百位数码管段信号、十位数码管段信号、个位数码管段信号分别驱动代表千位、百位、十位、个位的四位数码管。41.4量程转换电路量程转换电路实现小数点驱动，在不同量程时驱动数码管不同位数的小数点位。小数点驱动电路如图9所示.三个运放负端接测量电路输出，正端分别接不同量程的分压电阻。三个运放输出后经过两个两输入的与非门7LS00,再经过三个三输入与非门74LS0做逻辑运算后控制数码管千位、百位、十位的小数点位低电平有效显示。图 量程转换电路4.2分析计算在上述量程转换电路中,需要将三个运放比较所得电压高低电平输出进行逻辑运算，驱动不同量
12、程时数码管小数点显示的位置。在单刀三置开关选择最下面一档,即测量直流电压为9。9V区间时，十位小数点亮，千位、百位小数点暗.当开关选择中间档位，即测量直流电压输入为119。99V区间时，百位小数点亮，千位、个位小数点暗。当开关选择最上面一档，即输入直流电压为11。999V区间时，千位小数点亮,百位、十位小数点暗。根据以上小数点驱动电路要求,设千位、百位、十位小数点输出分别为Dp1，p，D3，可以列出表1。待测电压输入运放1运放运放3Dp1Dp2Dp1。999V高低低低高高11999V高高低高低高1199.9V高高高高高低表143器件选择本次实验选择的器件如下表2。器件名称基本参数数量ICL1双
13、积分AD转换1A1050A5档旋转开关1电容0u，0。47uF0.22 uF,0。02uF，10p每种电阻2k，7k,1k,1，1，900k，90k，1k每种11k电位器1LE数码管(红）共阳极极4LM3244运放表2五、电路仿真与工作原理5.1总电路图根据实验室所提供的器材，我们用Protu软件设计的直流电压表的仿真图如图10所示。图0仿真电路图5。2仿真分析本设计采用IC707作为数字电压表的/转换及锁存和译码模块，使得电路具有设计简单、集成度及可靠性高的特点。该系统能够实现99。9V、01999V、019。99V量程电压值的测量。在进行仿真实验中，改变输入电压值作为测量的直流电压,更换到
14、正确的档位,数码管显示测量的电压值，经过调试,与设定的电压值相比测量电压值在误差范围之内。在仿真实验过程中我们遇到了小数点不能按要求准确显示和电压测量精度不够高的问题。针对小数点不能正确显示的问题，我们更换了运放，并利用Proeus软件在仿真时对高低电平的直接显示的逻辑运算进行了重新的分析，并再次连接了电路图，实现了不同范围电压输入显示不同位数的小数点。针对测量精度不准的问题，我们调整了3脚的电位器和它所连接的电阻R1,重新设置了基准电压，将误差控制在1/0的范围内.5工作原理从V1端输入待测电压，根据不同测量档位的选择，经过量程转换电路后输出正确的小数点位数。下面部分经过LM324直流稳压电
15、源输入稳定的电压后输入ICL710芯片,进行双积分AD转换.模数转换电路将其转换为数字量，送数码显示电路显示测量值。双积分模数转换器（AC)是间接型ADC。它将取样电压转换为与之成正比的时间宽度,在此期间允许计数器对周期脉冲进行计数。计数器的二进制数就是取样电压对应的数字量.图1是双积分C的电路原理图.电路主要由积分器、比较器、计数器、JK触发器和控制开关组成。由JK触发器的输出QS控制单刀双置开关选择积分器的输入电压。当QS=0时，积分器对取样电压做定时积分；当QS=1时，积分器对基准电压VRE做定压积分.与EF电压极性相反，这里设取样电压为正，则E为负。图11 双积分ADC电路原理图J Q
16、C1K R Q0 Q1 Qn-1 C CP n位二进制R 计数器+AC&CPS-VREFLSBMSBD0D1Dn-10RCS1S2OtQSOtSOtQST1T2OtS1选S1选-VREF计数进位回0时刻图12双积分ADC工作波形1。定时积分在确定的时间内对取样电压进行积分即是定时积分.启动信号输入负窄脉冲（S),使计数器、J触发器QS清零，开关选择取样电压作积分器输入。同时开关2闭合，使积分电容放电，=。负脉冲消失后(S=），开关S断开，积分器对取样电压做积分，积分器输出电压下降，,比较器输出逻辑。允许n位二进制计数器对周期脉冲CP计数。当进位C=时,下一个CP脉冲使计数器复零、JK触发器QS
17、=1,定时积分结束，定压积分开始。取启动信号S的负脉冲刚消失的时刻为时间零点，并设时钟脉冲C的周期为TP。则对取样电压的积分时间1为：T1nTCP，是确定不变的。积分器输出电压为：积分器输出电压与时间成线性关系,其斜率是负的,与取样电压和积分器的时间常数R有关.越大,负斜率也越大.定时积分的工作波形如图12所示，图中绘出了2个取样电压的情况。定时积分结束时的积分器输出电压为与取样电压成正比.。定压积分在定时积分期间，当计数器的进位C=1时,下一个C脉冲使计数器复零和JK触发器QS1，开关S1选择基准电压VE，积分器开始对基准电压VRF做定压积分。由于比较器输出逻辑1，计数器从继续计数。与此同时
18、，积分器输出电压上升积分器输出电压同样与时间成线性关系，其斜率是正常数，与基准电压VREF和积分器的时间常数RC有关。定压积分的工作波形如图1。3。所示。当时，比较器输出逻辑0，计数器停止计数，并保持计数结果B (通常为自然二进制数)。从定压积分开始到计数器刚停止计数（）的时间T2为并且,在计数器停止计数时刻,积分器输出电压为0，即所以定压积分时间T2与取样电压成正比。在此期间，计数器从0开始对周期脉冲C计数,直到停止并保持计数值B。所以计数器的二进制数与取样电压成正比，是取样电压对应的数字量。实际上CP脉冲可能与比较器的边沿不同步,导致计数器可能漏计或多计一个脉冲。故上式应修正为双积分ADC
19、的单位模拟电压LS为六、 组装与调试由仿真电路绘制的PCB图如下图3所示。图3PCB图将制作好的PCB版焊上元器件后，实物图如图14所示。图14实物正反面。1系统调试6。1。1调试仪器可调直流电源，可调范围：02V；万用表,精度：0。mV。61。调试方法(1)数码管显示调试:接+5V供电电源，将37脚（TT）接+5V，数码管各段及百位小数点均点亮,说明显示正常。(2)量程转换调试：拨动三个单刀双置开关，选择不同的量程测量，若在三个量程分别显示千位、百位、十位的小数点,说明小数点驱动电路正常工作。(3）电压测量调试:用该表测量一电压，再用万用表测量，分别记录电压值。（)用电位器调试：首先用整数的
20、电压测量,观察是否能正常测量；然后调节电源电压到小数量程的电压值进行测量,观察是否能正常测量.。3测试结果分析通过测量比较发现该电压表能够更为准确地测量出直流电压的数值,与万用表有一定的差异应是分压电阻和模拟开关的导通电阻引起的。在调基准电压10时,由于Hz纹波影响，无法调到精确值而对最终显示电压产生影响，对于后两位数值跳动问题，通过在输入电源处并联一个。1uF和一个70u电容，可抑制跳动，同时应增大接地线的截面积。6。故障处理在实物调试中，我还遇到了许多故障和问题:1. PC版绘制错误:第一次绘制的PCB版存在输入设备不完整的问题,我们根据需要首先在板子上对错误的线路进行了修改,包括隔断铜线
21、和重新用导线连接.在最终没能解决问题的情况下，我们又重新修改了PB图，制作了新的PB板.2. 器件脚大小不符:本次实物制作所使用的单刀双置开关因为引脚太大不能插入CB板上的孔，所以我们用剪刀减掉了一半的引脚。3. 电压表无法正常工作：电压表在测量电压时,只能显示66的错误数据.我们通过测量仿真上IL7107的35、36端引脚的电压差，得到电压表的参考电压,再在实物工作时进行测量。将实物的参考电压调整到与仿真情况一致或者接近.4. 电源无法正常工作：当实验室的+-电压无法正常工作时，我们选择了充电宝作为供电电源。使用两个充电宝，将插在两个充电宝上的两根UB线的正端和负端相连，剩下的那根正线即输出
22、+5v，那根负线输出v。七、总结。设计电路优缺点这本次设计选择了I177实现A/D转换直接驱动共阳极数码管，电路设计简单易懂。通过运放比较实现小数点驱动，简洁且稳定。整个电路设计美观简单，能够较为精确地进行直流电源的测量，加上绘制的PCB板同样简洁美观,制作出的直流数字电压表实物具有一定的实用价值，也可以供进一步研究使用。本次设计的电路还存在一定的不足之处，包括以下三点。第一,本次电路设计没有实现量程的自动转换，需要手动进行量程的转换.希望今后有机会可以进一步研究完成电压测量量程的自动转换.第二，本次电路设计在小数点驱动部门还不够简洁，设计思路限制在老师提供的器材LM32当中,而没有思考更加简
23、洁的电路设计方案。第三,本次设计电路没有考虑到实际制作当中的问题，包括与非门7LS0普遍存在问题，在画PCB用于实际使用时应该考虑使用74LS1，这样就可以免除后来因为74LS0不能正常工作而导致的问题。7。2收获与建议数字电压表是一种常用的电学测量仪器，有关电表的基本原理和应用技术实验在电学实验中是不可缺少的。随着科学的发展，数字电压表应用越来越广泛，包括一些工程上的测量，完成大规模集成电路的转换,应用于大规模的数字测量，实现三位半集成电路的应用和其他电路的应用。本次课程设计我们把数字电表基本原理和应用技术引入普通电学实验中,数字电表基本原理简单，它也是一种比较法,对电容器在待测电压Vx与参
24、考电压下的充、放电时间关系进行比较。了解了数字电表基本原理及常用模数转换芯片外围元件的作用、参量选择原则后可在万用表设计中灵活应用数字电表的模数转换芯片.本次设计基于CL07芯片、数字显计数器的应用，实现了简易美观，具有实用性的数字电压表的设计制作，锻炼了学生多方面运用专业知识和动手实践的能力。通过本次课程设计我学习到了很多平时在理论学习中所学不到的东西.首先，本次实验锻炼了我的分析题目要求,根据要求进行仿真和动手实践的能力。其次,在仿真设计和实物制作的过程中,我深刻地认识到了科学研究的反复性和前进性.再次，这次课程设计让我学会了仿真软件roteus的使用,温习了上学期所学了PCB板的绘制。在
25、拿到题目后，我和自己的组员通过查阅资料确定了方案，在仿真设计中最开始只能完成测量数据的显示，无法正确地显示小数点的位置，于是我们又作进一步的分析试验。针对测量精度不够高的问题，我们也进行了分析和修改。在实物制作过程中我们也遇到了许多意想不到的困难,经历了反复地修改，攻克了诸如PCB版绘制错误、无法正常工作、电源的提供等问题。最终，在看到自己的成果时，我感到了前所未有的成就感。虽然经历坎坷与曲折，但在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己,争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨,实事求是的学习态度,不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大
26、的收益.我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助，相信经过了这次课程设计的锻炼我们在未来电气工程专业学习中会更加得心应手.对于本次课程设计,我个人的建议包括以下两点。第一，在器材方面希望学校实验室可以提供更多的器材.如果没有那么多免费的芯片器材,希望学校实验室可以有偿向同学们提供器材，给更多的同学进行实物制作的机会,且免除了同学们自己购买时遇到的器材错误、路途遥远的困难。第二,在题目设计上可以给学生更多自我创新的空间，并鼓励提倡创新设计的精神,让同学们带着自己的想法投入到课程设计中来.参考文献1数字电子技术，唐治德主编,科学出版社208.2模拟电子
27、技术（第二版），唐治德、申利平主编,科学出版社 21。3中国集成电路大全编写委员会编，中国集成电路大全TL集成电路.北京:国防工业出版社，1985。4POEL电路设计教程，江思敏、姚鹏冀胡荣等编著,清华大学出版社2003。5电子技术基础实验与课程设计，高吉祥主编，北京：电子工业出版社,0附件1元件清单名称元器件名称基本参数数量直流数字电压表ICL7双积分AD转换单刀双置开关3电容01F,0。uF,0。2u,.047u每个1电阻5k，1，2，8k， 6,M每种1k,18k，10每种21k电位器L数码管（红）共阳极4L24运放74L174L11*实践教学* 题 目： 基于MATLAB的数字电子琴设
28、计 专业班级： 姓 名:学 号：指导教师：成 绩：摘要本次课设的任务是基于MATLAB设计一个数字电子琴,首先实现数字信号发生器的设计。数字信号发生器是一种基于软硬件实现的波形发生器，可以实现各种基本波形的产生。在工程的各种复杂信号是由这些基本信号叠加产生，因此它在工程分析和实验教学中有着广泛的应用，可用MATLAB实现。MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，它的数据采集工具箱为实现数据的输入和输出提供了十分方便的函数和命令，在数字信号处理方面方便实用.本文首先详细介绍了基于MATLAB的数字发生器的设计过程，实现了简单波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声、脉冲、阶
29、跃）信号的具体实现方法。其次介绍了利用该数字信号发生器产生的正弦波信号和声卡设计的简易电子琴.关键词：MATLAB;数字信号发生器;简易电子琴目录前言1一、数字信号发生器21.1图形用户界面的简介21.2设计流程21。3波形实现的基本原理4二、电子琴的实现62.1简易数字电子琴的简介62.2实现原理6三、基于MATLAB的仿真及结果分析83.1 GUI界面83。2编写M文件9总结19参考文献20附录21致谢34前言MATLAB（矩阵实验室）是Matrix Laboratory的缩写，是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计算机语言和交互式环境.MATLAB可以进行矩阵运算、
30、绘制函数图像和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域.Matlab环境下的图形用户界面（GUI)是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面，可在图形用户界面内根据需要搭建图形，并对控件的回调函数进行编写,完成最完整的GUI界面编辑即可运行。本文主要利用MATLAB的图形用户界面设计数字信号发生器，在数字信号发生的基础上实现简易电子琴的设计。信号发生器又称信号源或振荡器，是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的仪器，数字信号发生器只是信号发生器的一种,在生产实践和科技
31、领域中有着广泛的应用.信号发生器按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。能够产生多种波形，如正弦波、三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、阶跃信号、脉冲信号的电路被称为函数信号发生器。本文设计了一种基于MATLAB图形用户界面的可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声、脉冲信号、阶跃信号的虚拟数字信号发生器。一、数字信号发生器1.1图形用户界面的简介图形用户界面即Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口。Matlab环境下的图形用户界面(GUI）是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面.用户通过一
32、定的方法(如鼠标或键盘）选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等.MATLAB的用户，在指令窗中运行demo 打开那图形界面后，只要用鼠标进行选择和点击， 就可产生丰富的内容。对图形用户界面的操作一般有两个部分，首先按照设计的原理、要求，根据需要选择适当的图形对象搭建合理的GUI界面；然后对每个控件的回调函数在M文件内进行编写,使搭建的GUI界面能够运行。数字信号发生器的设计所使用的工具即GUI界面,用到的图形对象有pushbutton、Aexs、Slider、Static Text、Edit Text。模拟了七种信号：正弦波、方波、三角波、阶跃信号、斜波信号、
33、锯齿波以及白噪声信号。具体的实现原理如下。1。2设计流程根据设计的要求分析出数字信号发生器的GUI界面构图,然后在MATLAB的workplace界面中输入guide，打开GUI界面.在GUI界面中搭建好具体的数字信号发生器的界面，并对每个控件的回调函数进行编写、保存M文件。运行,若结果正确，再同一个GUI界面中搭建好电子琴的GUI界面，利用数字信号发生器产生的正弦波，对电子琴每个控件的回调函数进行编写、保存M文件。运行，观察仿真结果.若数字信号发生器的仿真结果不正确,检查控件的回调函数，修改并保存M文件,再次运行观察仿真结果。具体的设计流程图如下：1.3波形实现的基本原理1.3.1正弦波的实
34、现正弦信号的数学表达式如下： (1.1）其中：为幅值；为频率;为相位。在MATLAB中,由于处理对象均是离散的数字信号，将时间变量离散化并构造成一个一维数组用其中：为采样频率。但的值不能太大，否则波形显示会很慢。相应的正弦波信号的数字信号表达式为 （1。2）幅值、频率、相位参数可以由用户界面上的滑动条或编辑框输入。在分别得到与的离散值后,用plot作图函数即可获得相应波形显示。1。3。2方波信号的实现方波信号的数学表达式为 （1.3)该式可直接生成一个周期为,峰值为，占空比为的方波信号，的默认值为50。在MATLAB中可得到幅值、频率、相位可调的方波信号函数 （1.4)1。3.3三角波信号的实
35、现在MATLAB中，可以用函数直接生成一个三角波信号，该函数可生成一个周期为,峰值为,最大值出现在位置的三角波。利用该函数,可得到幅值、频率、相位可调的三角波信号函数 (1。5）1。3.4锯齿波信号的实现由于锯齿波信号与三角波信号相似，所以将函数中的参数值设为1，可得到锯齿波。该函数得到的幅值、频率、相位可调的锯齿波信号函数 （1。6）1。3.5脉冲信号的实现由于脉冲信号与方波信号波形相似，用方波信号函数函数为基础,将其函数值加1，可得到最大值为2,最小值为0的脉冲波形,原函数的参数可用来调节脉冲的宽度。用该函数，得到幅值、频率、相位可调的脉冲信号函数。 (1.7）1。3。6阶跃信号的实现由于
36、阶跃信号比较特殊，可用函数直接表示，其函数表达式为 (1.8）1。3.7白噪声信号的实现白噪声信号是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。白噪声的实现可借助于MATLAB中的函数，它的功能是产生一个均值为0，标准差为1的随机数列或矩阵函数，可得到一个均值为0,标准差为的维的随机矩阵。二、电子琴的实现2。1简易数字电子琴的简介在设计界面中包含A、B、C、D、E、F、G共7个琴键，由于低音频率区分不是很明显,此次课设选择的是中音频率，其中每个按键对应一个频率的正弦波信号，各按键对应的信号频率分别为392、440、494、523、587、659、698、784Hz。当用鼠标按下相应的键时发声,松开
37、时发声停止，然后将数字信号写入声卡的缓冲区，由声卡播放出相应的声音。当用鼠标按下对应的键时即可发出相应频率的声音。2.2实现原理电子琴的实现基于之前设计的数字信号发生器,选择数字发生器产生的正弦波信号作为发声及显示波形，由回调函数和数字信号发生器结合起来，实现对波形的调用。每个键对应一定的频率，在各个键的回调函数中设置好频率及频谱显示，实现每个键有自己特定频率的功能，为了使最终仿真结果更好,选择音阶中音调高的频率作为调试频率。当键按下的时候，首先由相应的键和数字信号关联起来，随后将数字信号写入声卡的缓冲区,由声卡发出相应频率的声音，并显示波形及对应频率的频谱图,当键松开时声音即停止.此次电子琴
38、的设计实现了正弦波显示、频谱显示以及发声的功能,从而实现虚拟电子琴的模仿功能。具体的实现流程图如下：开始打开MATLAB搭建电子琴的GUI界面 执行并观察仿真结果结束图2.1 电子琴的实现流程图三、基于MATLAB的仿真及结果分析3.1 GUI界面3.1.1搭建数字信号发生器的GUI界面搭建的GUI界面如下图3。1:图3.1 数字信号发生器的GUI界面3。1.2电子琴的GUI界面.搭建的数字电子琴GUI界面如图3。2所示：图3。2数字电子琴的GUI界面G该界面主要由琴键组成,每个按键对应一定的频率,模拟电子琴的发声功能，它的波形显示及频谱图在数字信号发生器中。3.2编写M文件3。2。1数字信号
39、发生器的M文件(1）正弦信号的实现由正弦信号的数学表达式可知在程序中用到的具体表达式为 （3。1)将时间变量离散化并构造成一个一维数组,要求采样频率不能太大，否则波形显示会很慢（2）方波信号的实现用函数直接生成一个方波信号，程序中使用的具体函数为 (3。2）(3)三角波的实现 函数直接生成一个三角波信号，程序中用到的具体实现函数为 （3.3)（4）锯齿波信号的实现具体的函数实现形式为（3.4）（5）脉冲信号的实现抽样频率为8000，时间范围为0,1，坐标抽为0，a+1。得到的幅值、频率、相位可调的脉冲信号函数。具体的函数 (3.5）（6)阶跃信号的实现取1，A取1，t取0，2,时间间隔为/10
40、0。阶跃信号的函数表达式为 （3.6）（7）白噪声信号的实现白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。白噪声的实现可借于MATLAB中的函数，产生一个均值为0，标准差为1的随机数列或矩阵该函数可得到一个均值为0,标准差为的维的随机矩阵. （3。7）3。3仿真结果数字信号发生器的仿真结果如下:（1） 正弦波的仿真结果图3.3 数字信号发生器的正弦波波形（2） 方波信号的仿真结果图3.4方波信号的波形（3） 三角波信号仿真结果图3.5 三角波信号的波形（4） 阶跃信号仿真结果图3。6 阶跃信号的仿真结果（5）斜波信号图3.7 斜波信号的仿真结果（6）锯齿波信号的仿真结果图3。8 阶跃信号的仿
41、真结果（7）白噪声仿真结果（1）按键A的仿真结果图3。10 按下A键,电子琴演奏时的效果（2）按键B的仿真结果图3.11 按下B键，电子琴演奏时的效果（3）按键C的仿真结果图3.12 按下C键，电子琴演奏时的效果总结本次的课程设计的任务是基于MATLAB设计一个数字电子琴，首先设计一个数字信号发生器。数字信号发生器和电子琴的搭建都是在GUI界面中进行搭建的，在GUI界面中搭建好具体的数字信号发生器的界面,并对每个控件的回调函数进行编写、保存M文件。运行,若结果正确，再同一个GUI界面中搭建好电子琴的GUI界面，利用数字信号发生器产生的正弦波，对电子琴每个控件的回调函数进行编写、保存M文件搭建完
42、成之后对各个控件进行回调函数的编写.如果数字信号发生器的运行结果正确，则继续搭建电子琴否则修改直到正确为止。在本次的课程设计中，确实遇到了很多问题，但通过大家的帮助和自己的努力,最终实现所有的设计要求。本次课程设计也许还存在着一些不足，在以后学习生活中会更加努力，争取做得更好.参考文献1 丁玉美. 数字信号处理M。 西安电子科技大学出版社，2003，3。2 朱冰莲。 数字信号处理M。 电子工业出版社，2003，7。3 程佩青。数字信号处理教程（第二版)M。北京：清华大学出版社，2001.4 韩纪庆，张磊，郑铁然。语音信号处理M。北京：清华大学出版社，2004.5 王济, 胡晓. MATLAB 在振动信号处理中的应用M . 北京: 中国水利水电出版社: 知识产权出版社， 2006.6 周祥才, 杨铮. 基于MATLAB的信号采样与重构的实现 J .实验技术与管理， 2007, 247 张志涌等精通MATLAB M北京：北京航空航天大学出版社，20038 车子萍。 基于Matlab的虚拟信号发生器设计J。 电脑学习， 2010。1.9 李益华。 MATLAB辅助现代工程数字信号处理（第2版）。 西安：西安电子科技大学出版社，201010 杨洁芳. 基于MATLAB与声卡的低频信号发生器的设计与实现。 电脑学习，2006附录：function pushbutton