基于PS2的音乐发生器的设计实现.doc

基于PS2的音乐发生器的设计实现 摘 要：PS2接口是一种PC兼容型电脑系统上的接口，可以用来链接键盘及鼠标。音乐发生器是电子技术与音乐结合的产物，它在现代音乐扮演者重要的角色。基于PS2的音乐发生器由 PS2接口电路、拨码开关模块、波形发生模块、cd4051模拟开关模块、模式选择模块、低通滤波器模块、运算放大电路、功率放大电路七个部分组成。通过PS2键盘或拨码开关控制音乐发生器，系统接收PS2键盘送来的串行数据，将其转成并行数据，从而进行比较将555产生的不同频率送到低通滤波模块，转化为正弦波。由于输出幅度低，所以利用运放和功率的放大，以驱动扬声器。关键词： 电子技术； 音乐发生器 ； ps2接口； 模块； Music Generator Based on the PS2Author: Jie Zhang 2012043226 Abstract ：PS2 interface is an interface on a PC-compatible computer system that can be used to link the keyboard and mouse. PS2-based music generator is composed by PS2 interface module, DIP switch module, waveform generator module, cd4051 analog switch module, mode selection module, a low-pass filter module, operational amplifier, power amplifier circuit. PS2 keyboard or DIP switches control the music generator, the system receives serial data from PS2 keyboard, and turn them into parallel data then the different frequency waveform 555 produced is sent to a low-pass filter module and converted to a sine wave. Since the output amplitude is low, so the operational amplifier and a power amplifier amplifies it to drive the speakers.Keywords： electronic technology; music generator; ps2 interface; module0.引言PS2接口是实现人机交互的重要途径。Ps2通讯协议是一种双向同步串行通讯协议。通讯的两端通过（时钟脚）同步，并通过（数据脚）交换数据，因其通信协议简单，可靠性高，表达信息量大，曾广泛应用于人机交互中。虽然随着USB接口的普及，越来越多的PC用户选择了USB接口，但目前主流PC中仍然保留了PS2键盘的接口。.本文提出了一种利用PS2接口电路控制并实现一个音乐发生器系统的方案。用集成电路设计产生得到一组不同频率的音阶，通过编码形成8位数字量来控制DA转换器使其输出正弦波，以驱动音响电路。：1、产生7个不同频率的音阶以驱动音响电路，波形为正弦波。要求每个正弦波有64个点，列表产生，频率分别为：261Hz、293Hz、329Hz、349Hz、391Hz、440Hz、493Hz。2、利用PS2键盘上17的数字键控制该音乐发生器，其键值分别对应16、1E、26、25、2E、36、3D；3、利用DA模块产生正弦波，要求DA精度为8位，输出电压范围是05V；4、利用运算放大电路实现正弦波形的衰减，电压放大倍数为0.1倍；5、利用功率放大电路实现功率的放大，电压放大倍数为20倍；6、利用示波器观察所产生正弦波形的输出结果，并分别测量7个音阶的频率，要求频率误差不得大于5%。1基于PS2的音乐发生器的设计原理 本方案有两种输入方式：（1）将键盘与ps2接口连接，按下键盘的按键，3片74194移位寄存器将ps2传输来的11位串行数据转化为并行数据，将8位数据位的低3位送入单8通道数字控住模拟电子开关cd4051。（2）利用拨码开关模块，拨开8位拨码开关前七位中的一位，通过优先编码器74147编码后，将三位数据送入单8通道数字控住模拟电子开关cd4051。这两种输入方式的选择过程由模式选择模块中的74244来实现。cd4051选择7个不同阻值的电阻中的一路作为555接成的多谐振荡器中的R2，从而产生7个不同频率的方波。经5阶RC滤波器滤波后，方波变为7个不同频率的正弦波，经过运算放大电路和功率放大电路后，驱动扬声器产生7个不同频率的音阶。图1 系统方框图1此方案采用键盘或拨码开关控制电路，灵活性强。足以满足本选题的技术指标要求，而且硬件电路结构简单，易于实现。2.各个模块设计2.1拨码开关模块拨码开关模块由部分构成，第一部分是一个8位拨码开关，另一部分是74147 10-4优先编码器，将输入数字转化为BCD反码. 优先编码器74147是低电平有效，故接成下图的形式，使对应拨码开关闭合时为低电平，断开时为高电平。如果有多个输入端为“0”，则以编号最大的输入端为准，故要将“8”和“9”输入端接电阻再接VCC，屏蔽掉。电路如图2所示。图2 拨码开关电路2.2波形发生模块波形发生模块是由555定时器接成的多谐振荡器555定时器接成的多谐振荡器震荡周期而 输出脉冲占空比为将C=0.1uF, T=1/f, 得：为使矩形板占空比尽量接近50%，我们取电路图如图图3波形发生模块电路2.3 模拟开关模块模拟开关模块选用单8通道数字控制模拟电子开关cd4051,由于拨码开关模块中74147是反码输出，其输出的三位BCD码对应十进制数为6,5,4,3,2,1,0，故选择cd4051的0-6输入端连接电位器的滑动端，7个电位器另一端接在一起连在输出端上。电位器作为多谐振荡器中的R2。电路图如图图4 模拟开关模块电路图2.4低通滤波器模块本模块，将波形发生模块产生的矩形波经过滤波后变为接近正弦波的波形。采用五阶无源低通滤波器电路图如图图5低通滤波模块电路图 2.5运算放大模块运放模块采用LM324，其放大倍数为， 电位器Rf可调节放大倍数。电路图如图图6运算放大器电路 2.6功率放大模块利用LM386接成功率放大器，电位器用于调节放大倍数。因扬声器是感性负载，所以与负载并连一个R26，C12组成的串联校正网络，使负载性质校正补偿至接近纯电阻。这样可以防止高频自激和过压现象的出现。接在7脚和地之间的电容C11起到电源滤波作用，它将输入级与输出级在电源上隔离，减小输出级对输入级的影响。电路图如图图7功率放大器电路2.7ps2接口模块此模块由两部分ps2接口部分和74194移位寄存器部分。用3片74194接成右移输入，串行转并行的电路，ps2时钟为下降沿有效，而74194为上升沿有效，故中间加反向器PS2接口电路图如图图8 PS2接口电路图74194电路图如图（输入端加高电平，时钟端接方波）图9 74194串转并电路图2.8模式选择模块74244输入分别接两组数据，输出端连成线与的形式电路图如图(1G和2G接VCC或GND可选择不同的数据)图10 模式选择模块电路图（1）1G和2G接GND，选择1A1，1A2，1A3对应数据（2）1G和2G接VCC，选择2A1，2A2，2A3对应数据。3、装调测试过程3.1拨码开关模块拨码开关模块加5V电源后，用万用表在优先编码器74147 C，B，A输出端测量电压，测试正常3.2方波发生模块将555连成的多谐振荡器加上5V电源后，用示波器在555的输出端观察波形，得到一个矩形波。3.3数据选择模块将拨码开关模块，数据选择模块和多谐振荡器连接在一起，加上5V电源，依次打开1-7的拨码开关，用示波器观察多谐振荡器得到的矩形波，并转动电位器，将这7个矩形波频率分别调至：261Hz、293Hz、329Hz、349Hz、391Hz、440Hz、493Hz。3.4正弦波发生模块由于经5阶滤波器滤波后，正弦波衰减严重，用示波器不能观察到。故将5阶滤波器与运算放大电路连接并与波形振荡器连接后。给电路加5V直流电源，用示波器测量运算放大器输出端的波形，为接近正弦波的波形。转动运放模块中的Rf电位器，可调节放大倍数。3.5功率放大模块功率放大电路焊好后，与前面所有模块连接起来，加5V直流电源，在输出端用示波器观察波形，可观察到一接近正弦波的波形。观察7个拨码开关对应的7种不同频率的波形，调节Rw电位器，使输出端7个波形不出现削波现象。3.6键盘识别模块（1）将连好的3片74194右移串行输入端接1，第二片74194的QD，第三片74194的QA,QB分别接一个小灯再接一个100欧姆电阻接地，时钟端接信号发生器发出的2HZ的方波，接上5V直流电源，观察到发光二极管以一定的频率依次变亮，并不再熄灭。则74194部分功能正常（2）将ps2与74194连接后，加5V直流电源，将PS2与键盘连接，分别按下C(对应代码为21)，X(对应代码为22)，D(对应代码为23)，E(对应代码为24)，Q(对应代码为15)，3(对应代码为26)，F12(对应代码为07)，对应的发光二极管亮起。3.7数据选择模块74244输入端两组数据分别连拨码开关模块和PS2接口模块，两组输出数据连成线与的形式再接将发光二极管和100欧姆电阻接地，加上5V直流电源后拨开拨码开关或按下键盘按键，发光二极管均变亮。4说明（1）系统联调时由于模块之间的相互作用对实验波形有一定的影响，产生波形畸变等问题。（2）若音乐发生器发出的声音太小，可调节功放或运放的电位器。（3）分别测量7个音阶的频率，要求频率误差不得大于5%。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。（4）当波形形状不满足要求，出现削波时，通过改换运放、功放电位器阻值或重新设计衰减网络使其满足了实验