基于FPGA的吉他调音器系统设计

2014-09-05刘竹林

湖北工业职业技术学院学报 2014年5期

刘竹林

(湖北工业职业技术学院电子工程系,湖北十堰 442000)

FPGA技术在国内的发展相对较晚，但FPGA强大的功能，其固有的灵活性和并行性使得很多应用场合非它不可。因此，越来越多的电子工程师和电子专业在校学生希望能够掌握这门技术。本吉他调音器系统设计正是以FPGA为核心控制器，通过其它的外围电路实现琴弦的准确调弦。

1 总体设计方案

吉他调音器系统由吉他拾音器、音频信号放大电路、A/D转换电路、FPGA控制电路、数码管显示与键盘电路等几部分组成。核心控制模块采用Xilinx公司的C6SLX9-TQG144为主控芯片；A/D转换采用SPI通讯接口的4通道12位转换芯片AD7991；数码管显示和键盘由FPGA直接控制，系统框图如图1所示。

图1 吉他调音器系统框图

1.1 音频信号放大电路的设计

这部分是利用FPGA测量琴弦频率的前提，主要功能是将从拾音器采集的声音信号转换成可测量的电信号。差动放大电路采用3个集成运算放大器组成，调节RW1改变放大倍数，调节电位器RW2可使失调电压为零，UA741集成运算放大器构成电压跟随器。放大信号，缓冲隔离，阻抗匹配的作用。具体如图2所示。

图2 音频信号差动放大电路

1.2 A/D转换电路的设计

采用AD7991，该转换芯片的工作电压及参考电压选择为+3.3V，而信号调理电路输出电压范围为0～5V，因此需要分压、缓冲电路实现0～5V到0～3.3V转换，在运放同相端及输出接口处加二极管进行限幅，实现对运放及后级电路的保护；A/D芯片输出接口采用IIC接口，在其输出SCL、SDA部分必须接上拉电阻；为了提高测量精度，Vin3在此处接参考电压。

图3 A/D转换电路的设计

1.3 电源电路的设计

外面接9V开关电源，经过SW1开关，再整流滤波以后通过2个LM2576分别产生3.3V,1.2V的电压。其中,3.3V和1.2V用了很多电容抗高频干扰，保证了FPGA的工作稳定。

图4 电源电路的设计

1.4 FPGA最小系统的设计

最小系统由FPGA芯片、晶振电路、配置电路、复位电路等四部分构成。其中，FPGA为核心，可用于构建强大的数字系统；晶振电路选用100MHz有源晶振，作为系统主时钟；配置电路选用SPI接口的Flash芯片W25Q128BV；复位电路采用简单的阻容耦合方式，低电平复位。

1.5 人机接口电路的设计

本系统人机接口电路采用独立按键加数码管相结合的方式。按键采用微动开关，其一端通过一电阻上拉至3.3V，另外一端接地，当某个键被按下时，对应输出被拉低；数码管显示电路中，数码管选用共阳数码管，为节约端口采用动态扫描方式，段码驱动电路选用74HC245总线驱动芯片，位选驱动电路采用74HC245与三极管相结合的方式。

图5 人机接口电路的设计

2 程序流程图设计

图6 程序流程图

3 硬件调试

在调试的过程中，差动放大电路比较不好调节。我们最好当拾音器在静态工作的时候先测量拾音器输出电压，然后把差动放大电路的RW1电位器分压调到与传感器输出电压相同，才能把输出信号接到差动放大电路中，然后调节电位器RW2可使失调电压为零。经过UA741集成运算放大器构成电压跟随器，信号缓冲隔离，阻抗匹配输入到串口AD转换电路。