吉他效果器的研究與設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）吉他效果器的研究與設(shè)計(jì)學(xué) 院： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化關(guān)康信 0601431015專 業(yè)：姓 名：指導(dǎo)老師：蘇禹學(xué) 號(hào)：職 稱：講師中國珠海二一年 五月北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文II北京理工大學(xué)珠海學(xué)院畢業(yè)論文誠信承諾書本人鄭重承諾：我所呈交的畢業(yè)論文吉他效果器的研究與設(shè)計(jì)是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開展研究取得的成果，文中引用他人的觀點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，論文使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。承諾人簽名： 日期： 年 月 日北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文I吉他效果器的研究與設(shè)計(jì)摘 要隨著科技的不斷進(jìn)步，效果器引入了微處理器技術(shù)和數(shù)字音頻處理技術(shù)，與傳統(tǒng)效果器相比，新型效果器以其智能化、個(gè)性化、高保真等優(yōu)點(diǎn)迅速應(yīng)用到各種聲音設(shè)備中，深受廣大音樂愛好者的青睞。本文介紹了基于 TI TMS320VC5501 DSP 的吉他效果器的設(shè)計(jì)。文章主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在硬件方面,主要對(duì) DSP、CODEC 、單片機(jī)等芯片的連接電路、模擬信號(hào)的處理電路以及人機(jī)交互電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析；在軟件方面，主要對(duì)各種芯片的初始化和系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，與此同時(shí)，本設(shè)計(jì)還詳細(xì)介紹了顫音、延遲、震音、合唱、鑲邊、移相等幾種常用的效果算法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本效果器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字效果良好。關(guān)鍵詞： 吉他效果器 DSP CODEC 單片機(jī) 算法北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文IIThe Design And Research of Guitar Effect ProcessorABSTRACTWith the development of technology, the Microprocessor Unit (MPU) and digital audio processing technology are introduced into the effector. Compared with the traditional effector, the new type of effector is quickly applied to various sound equipments with its intelligence, individuation, and hi-fi advantages, and it also take the fancy of the music lovers.This thesis introduces a design of guitar effect processor which is based on TI TMS320VC5501 DSP. Hardware and software systems are separately introduced in this paper. For the hardware, the thesis mainly makes a detailed discussion of some hardware function models ,which including the interface circuits of DSP 、CODEC、MCU and etc, analog signal processing circuits，and human-machine interaction circuits. For the software, the thesis introduces the initialization of all kinds of chips and the workflow of system. At the same time, this design also introduces the several common effect algorithm in detail , such as vibrato、 delay 、 tremolo、 chorus、 flanger 、phase. The experiment proves that the digital effects of the effector based on the above system are well.Key words: Guitar Effect Processor DSP CODEC MCU Algorithm北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文III目 錄摘 要 .IABSTRACT.II1 緒論 .11.1 論文研究背景 .11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .11.3 論文主要內(nèi)容 .22 系統(tǒng)總設(shè)計(jì) .32.1 系統(tǒng)要求 .32.2 系統(tǒng)方案的確定 .32.3 芯片選型 .42.3.1 DSP 選型 .42.3.2 單片機(jī)選型 .52.3.3 CODEC 選型 .52.3.4 SDRAM 選型 .53 硬件設(shè)計(jì) .63.1 DSP 與單片機(jī)的連接 .63.2 DSP 與 CODEC 的連接 .73.3 DSP 與 SDRAM 的連接 .103.4 電源模塊 .103.5 模擬信號(hào)處理電 路 .113.5.1 信號(hào)放大問題 .12北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文IV3.5.2 阻抗匹配問題 .133.6 信號(hào)選通模塊 .143.7 人機(jī)交互電路 .154 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .174.1 系統(tǒng)總工作 流程 .174.2 系統(tǒng)的初始化 .184.2.1 單片機(jī)的初始化 .184.2.2 DSP 的初始化 .194.2.4 SDRAM 的初始化 .224.2.5 CODEC 的初始化 .235 音頻算法的分析與設(shè)計(jì) .255.1 Delay (延遲) .255.2 Tremolo(震音) .265.3 Vibrato (顫音) .275.4 Chorus (合唱) .285.5 Flanger(鑲邊) .295.6 Phase (移相 ).306 系統(tǒng)調(diào)試 .327 總結(jié) .33參考 文獻(xiàn) .34附錄 A 電路原理圖 .36附錄 B 電路 PCB 圖 .37北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文V附錄 C 單片機(jī)程序 .38附錄 D DSP 程序 .45附錄 E Tremolo 算法程序 .51附錄 F Delay 算法程序 .52附錄 H Vibrato 算法程序 .54附錄 I Chorus 算法程序 .55附錄 J Flanger 算法程序 .57附錄 K Phase 算法程序 .59謝 辭 .61北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文11 緒論1.1 論文研究背景吉他效果器的出現(xiàn)賦以了吉他新的生命，譜寫了吉他表演的新篇章。通過吉他效果器，我們可以演奏出不同風(fēng)格、不同音色的樂聲，演奏者可以根據(jù)自己的喜愛以及音樂的需要調(diào)節(jié)出一個(gè)獨(dú)特的音色，從而使吉他成為某些特定音樂元素中不可替代的樂器。早期的吉他效果器是單獨(dú)依靠模擬電路來工作的，而且一個(gè)模擬電路只能實(shí)現(xiàn)一種音頻效果，如用彈簧實(shí)現(xiàn)混響效果、用 BBD 延遲器件實(shí)現(xiàn)延時(shí)效果 5、用真空電子管實(shí)現(xiàn)失真效果等。如果要調(diào)節(jié)出一個(gè)自己喜歡的音色，往往就需要串聯(lián)多個(gè)模擬電路效果器才能完成，串聯(lián)后體積龐大不易攜帶，而且市面上各種模擬電路效果器的價(jià)格昂貴，要集齊一套常用效果的效果器往往就要花費(fèi)好幾千甚至上萬塊錢，由于上述兩方面的原因，模擬電路效果器很難大眾化。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字音頻處理理論的日益完善，數(shù)字化、人性化和智能化等理念開始引用到吉他效果器上，于是吉他數(shù)字效果器開始應(yīng)運(yùn)而生。吉他數(shù)字效果器不僅能把模擬電路效果器的各種獨(dú)特的效果結(jié)合成一個(gè)整體，而且還能把許多原本只有通過建筑聲學(xué)才能實(shí)現(xiàn)的聲學(xué)效果 4，現(xiàn)在都可以通過電聲學(xué)知識(shí)和數(shù)字信號(hào)處理手段來實(shí)現(xiàn)，雖然他們的本質(zhì)特征并不一樣，但是由于人耳對(duì)聲音有一定的分辨惰性，使得各種數(shù)字模仿音在一定的范圍內(nèi)是可以等價(jià)于相應(yīng)的物理振動(dòng)產(chǎn)生的聲音。使用吉他數(shù)字效果器時(shí)，用戶可以通過數(shù)字化人機(jī)界面去設(shè)置串聯(lián)效果的種類、數(shù)量以及各效果的主要參數(shù)，操作方便容易，而且用戶可以根據(jù)實(shí)際需要快速切換不同的效果模式，這也是模擬電路效果器所難做到的。在性價(jià)比上看，我們通常只需花一兩個(gè)模擬電路效果器的錢就能購買到一款性能優(yōu)越效果齊全的吉他數(shù)字效果器，性價(jià)比高，因此深受廣大音樂愛好者的喜愛。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，我國自主研發(fā)和生產(chǎn)吉他效果器的廠商寥寥無幾，國產(chǎn)的效果器又多為模擬電路效果器，起步比國外晚，技術(shù)還不夠成熟，而且從事相關(guān)工作的人很少，人才缺乏，待開發(fā)空間很大；在國外，無論是硬件還是軟件，都有很成熟的技術(shù)和理論，而且國外有很多大學(xué)開設(shè)了與音頻處理相關(guān)的專業(yè)，不斷地為這個(gè)領(lǐng)域輸送人才。由于技術(shù)上的原因，國內(nèi)吉他效果器的市場大多被國外的產(chǎn)品所壟斷。隨著微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，吉他數(shù)字效果器的性能也在不斷地提升，引入了越來越多的新功能，如支持 MIDI 接口、支持在線升級(jí)、增加鼓機(jī)功能、增加數(shù)字化人機(jī)界面等等，越來越人性化，越來越大眾化。吉他數(shù)字效果器雖然克服了模擬電路效果器的北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 2010 屆本科生畢業(yè)論文2很多毛病，但在目前情況下，吉他數(shù)字效果器的可靠性和某些效果的音質(zhì)還是與模擬電路效果器存在一定的差距，國內(nèi)外一些追求完美音質(zhì)的音樂發(fā)燒友還是堅(jiān)持著使用模擬電路效果器，這兩種效果器的性能對(duì)比見表 1-16。目前，國外比較有名的樂器公司，如：BOSS 公司、 DIGITECH 公司、YAMAHA 公司、ZOOM 公司都致力研發(fā)吉他數(shù)字效果器，其中最具代表性的有國外的 BOSS 公司、DIGITECH 公司等，國內(nèi)的有MEDELI 公司 20。吉他數(shù)字效果器從試產(chǎn)到今天，無論是技術(shù)上還是市場上，都取到了驕人的成績，現(xiàn)在不斷有公司加入這個(gè)數(shù)字效果器大家庭，如何讓我們設(shè)計(jì)的吉他數(shù)字效果器打破國外產(chǎn)品的壟斷局面，如何提高數(shù)字效果器的可靠性和音質(zhì)呢，這就是我們要努力解決的問題。表 1-1 吉他數(shù)字效果器與吉他模擬電路效果器的比較表采用的解決方案 吉他數(shù)字效果器 吉他模擬電路效果器功能 多樣化 單一體積 較小 較大系統(tǒng)集成度 高 低靈活性 靈活方便 較差是否可變編程 是 否可靠性 較低 較高1.3 論文主要內(nèi)容本次設(shè)計(jì)是研究與設(shè)計(jì)以 TI TMS320VC5501 DSP 為核心的吉他數(shù)字效果器，并在此效果器上實(shí)現(xiàn)震音、延遲、顫音、合唱、鑲邊、移相等數(shù)字效果。本文先從系統(tǒng)的總要求入手，通過分析系統(tǒng)的總要求來決定本系統(tǒng)需要什么類型的芯片、是否需要擴(kuò)展、硬件之間如何工作等，并對(duì)系統(tǒng)的工