基于FPGA的吉他調(diào)音器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉竹林

(湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系,湖北 十堰 442000)

FPGA技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展相對較晚，但FPGA強(qiáng)大的功能，其固有的靈活性和并行性使得很多應(yīng)用場合非它不可。因此，越來越多的電子工程師和電子專業(yè)在校學(xué)生希望能夠掌握這門技術(shù)。本吉他調(diào)音器系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是以FPGA為核心控制器，通過其它的外圍電路實(shí)現(xiàn)琴弦的準(zhǔn)確調(diào)弦。

1 總體設(shè)計(jì)方案

吉他調(diào)音器系統(tǒng)由吉他拾音器、音頻信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA控制電路、數(shù)碼管顯示與鍵盤電路等幾部分組成。核心控制模塊采用Xilinx公司的C6SLX9-TQG144為主控芯片；A/D轉(zhuǎn)換采用SPI通訊接口的4通道12位轉(zhuǎn)換芯片AD7991；數(shù)碼管顯示和鍵盤由FPGA直接控制，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 吉他調(diào)音器系統(tǒng)框圖

1.1 音頻信號放大電路的設(shè)計(jì)

這部分是利用FPGA測量琴弦頻率的前提，主要功能是將從拾音器采集的聲音信號轉(zhuǎn)換成可測量的電信號。差動放大電路采用3個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，調(diào)節(jié)RW1改變放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RW2可使失調(diào)電壓為零，UA741集成運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器。放大信號，緩沖隔離，阻抗匹配的作用。具體如圖2所示。

圖2 音頻信號差動放大電路

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

采用AD7991，該轉(zhuǎn)換芯片的工作電壓及參考電壓選擇為+3.3V，而信號調(diào)理電路輸出電壓范圍為0～5V，因此需要分壓、緩沖電路實(shí)現(xiàn)0～5V到0～3.3V轉(zhuǎn)換，在運(yùn)放同相端及輸出接口處加二極管進(jìn)行限幅，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)放及后級電路的保護(hù)；A/D芯片輸出接口采用IIC接口，在其輸出SCL、SDA部分必須接上拉電阻；為了提高測量精度，Vin3在此處接參考電壓。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

1.3 電源電路的設(shè)計(jì)

外面接9V開關(guān)電源，經(jīng)過SW1開關(guān)，再整流濾波以后通過2個(gè)LM2576分別產(chǎn)生3.3V,1.2V的電壓。其中,3.3V和1.2V用了很多電容抗高頻干擾，保證了FPGA的工作穩(wěn)定。

圖4 電源電路的設(shè)計(jì)

1.4 FPGA最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)由FPGA芯片、晶振電路、配置電路、復(fù)位電路等四部分構(gòu)成。其中，F(xiàn)PGA為核心，可用于構(gòu)建強(qiáng)大的數(shù)字系統(tǒng)；晶振電路選用100MHz有源晶振，作為系統(tǒng)主時(shí)鐘；配置電路選用SPI接口的Flash芯片W25Q128BV；復(fù)位電路采用簡單的阻容耦合方式，低電平復(fù)位。

1.5 人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)人機(jī)接口電路采用獨(dú)立按鍵加數(shù)碼管相結(jié)合的方式。按鍵采用微動開關(guān)，其一端通過一電阻上拉至3.3V，另外一端接地，當(dāng)某個(gè)鍵被按下時(shí)，對應(yīng)輸出被拉低；數(shù)碼管顯示電路中，數(shù)碼管選用共陽數(shù)碼管，為節(jié)約端口采用動態(tài)掃描方式，段碼驅(qū)動電路選用74HC245總線驅(qū)動芯片，位選驅(qū)動電路采用74HC245與三極管相結(jié)合的方式。

圖5 人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)

2 程序流程圖設(shè)計(jì)

圖6 程序流程圖

3 硬件調(diào)試

在調(diào)試的過程中，差動放大電路比較不好調(diào)節(jié)。我們最好當(dāng)拾音器在靜態(tài)工作的時(shí)候先測量拾音器輸出電壓，然后把差動放大電路的RW1電位器分壓調(diào)到與傳感器輸出電壓相同，才能把輸出信號接到差動放大電路中，然后調(diào)節(jié)電位器RW2可使失調(diào)電壓為零。經(jīng)過UA741集成運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器，信號緩沖隔離，阻抗匹配輸入到串口AD轉(zhuǎn)換電路。

4 結(jié)語

本文以FPGA作為核心控制器，結(jié)合運(yùn)算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了頻率的調(diào)節(jié)，電路選用12位A/D轉(zhuǎn)換器提高了轉(zhuǎn)換精度，采用高速I2C進(jìn)行通信減少了數(shù)據(jù)處理時(shí)間。測試結(jié)果表明該調(diào)音器滿足調(diào)音的需要。