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1、1实验一 数字信号发生器和电子琴制作一、 实验目的1. 熟悉 matlab 的软件环境，掌握信号处理的方法，能在 matlab 的环境下完成对信号的基本处理；2. 学会使用 matlab 的 GUI 控件编辑图形用户界面；3. 了解 matlab 中一些常用函数的使用及常用运算符，并能使用函数完成基本的信号处理；二、 实验仪器计算机一台，matlab R2009b 软件。三、 实验原理1数字信号发生器MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和 Simulink 两
2、大部分。已知的常用正弦波、方波及三角波，可以通过 matlab 自带的函数实现，通过改变函数的幅值、相位和频率可以得到不同的信号。正弦信号：y=A*sin（2*pi*f*t） ；方波信号：y=A*square(2*f*pi*x+c)；三角波信号：y=A*sawtooth(2*pi*f*x+c)；2. 电子琴电子琴的每个音阶均对应一个特定频率的信号，通过调用数字信号发生器产生一系列指定的频率的声音，从而达到虚拟的电子琴的功能。界面中包含1、2、7 共 7 个琴键，鼠标按下时即发声，松开时发声停止。 同时能够产生正弦波、方波、三角波等常见的波形的数字信号，然后将数字信号写入声卡的缓冲区，最后由声卡
3、播放出相应的声音。已知音乐的七个音阶的主频率分别是131Hz、147Hz、165Hz、175Hz、196Hz、220Hz 和 247Hz，分别构造正弦波、方波和三角波，可以组成简单的电子琴。2四、 实验内容1. 数字信号发生器的制作（1）搭建 GUI 界面图形用户界面（Graphical User Interface，简称 GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。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（Objects）构成的一个用户界面。用户通过
4、一定的方法（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。 利用 GUI 控件中自带的按钮，根据需要组成如下图 1 所示的数字信号发生器的 Gui 界面。图 1 数字信号发生器的 GUI 界面3（2）编写 M 文件搭建好 GUI 界面后，点击“保存”按钮，系统将自动生成 M 文件与 Fig 文件各一个，并且 M 文件内部已经按照 GUI 界面中组件的类别，分别自动生成了相应的模块调用函数。根据需需要，我们对生成的各个函数进行补充，完成函数功
5、能的实现及各个函数的调用关系。本次实验主要对控件的回调函数（callback ）下写入相应的程序，该程序相当于一个将前后面板连接起来的纽带，在数字信号生成中作用很大。下面这段程序（仅重要部分）实现了函数根据用户的输入生成不同的正弦波、三角波及方波，最终将波形显示在坐标轴 1 上。其中，在本例中 slider1是改变幅值的滑移按钮，当用户在输入一个新的幅值时，A 为对应幅值变量，发生相应改变，并判断选择的是何种波型，然后对相应的波型的幅值进行修改，最终通过绘图函数的调用将新波显示在图上。同理，当我们逐渐改变频率和相位时，波形也会对应发生变化，在此不再赘述。function slider1_Cal
6、lback(hObject, eventdata, handles).global a AstrA=get(handles.edit1,string); A=str2double(strA);switch acase 正弦波x=0:0.001:1;y1=A*sin(2*f*pi*x+c);plot(x,y1);case 三角波x=0:0.001:1;y2=A*sawtooth(2*pi*f*x+c);plot(x,y2);case 方波x=0:0.001:1;4y3=A*square(2*f*pi*x+c);plot(x,y3);case x=0:0.001:1;y4=rand(size(2*
7、pi*f*x+c);plot(x,y4);end.同时为了精确到达某一幅值，本实验搭建了文本编辑框实现对幅值，频率和相位的精确输入，所以在编辑框显示具体数值的基础上可以加入滚动条来调节幅值，频率和相位，这样会使界面更加人性化也更加好操作。设计思路是在滚动条回调函数下将滚动条与文本编辑框联系连接起来，以实现通过滚动条就能调节幅值，频率和相位的目的。在滚动条的回调函数 slider1 下将二者联系起来的程序如下所示：global a A f c x y1 y2 y3;strA=get(handles.edit1,string); strf=get(handles.edit2,string); st
8、rc=get(handles.edit3,string); A=str2double(strA); f=str2double(strf); c=str2double(strc); axes(handles.axes1);str=get(hObject,Value);set(handles.edit1,string,str);.继续完善其他函数的填写，可以完成数字信号发生器的M文件编写，详细的M文件见附件。5（3）实验结果展示图 2. 正弦波 01图 3 正弦波 026图 4. 正弦波 03图 5 正弦波 047图 6 方波图 7 三角波图 8 随机信号82. 电子琴的制作（1）搭建GUI界面M
9、atlab的数据采集工具箱(DAT)提供了一系列的函数和命令来实现实时模拟信号的输出, 通过调用这些函数和命令可以直接控制声卡输出虚拟信号。只需要一台带有普通多媒体声卡并安装了Matlab 软件的计算机就可以满足要求实现虚拟信号的输出, 系统结构简单方便。为了基于matlab的GUI实现七音符电子琴并附加音量调节功能，可以搭建GUI面板如图所示：图9 电子琴的GUI界面（2）编写M文件根据网上资料，可以方便地查询得到七个音阶的发音频率，分别是131Hz，147Hz，165Hz，175Hz，196Hz，220Hz，247Hz。所以，只要在7个pushbutton的callback下按频率分别写入
10、这七种正弦波，并通过声卡进行播放即可。Pushbutton下的回调函数程序（这里以pushbutton1为例）：global a;axes(handles.axes1);a=get(handles. popupmenu1,value)if a=1Fs = 44100;9strA=get(handles.edit1,string); A=str2double(strA); str=get(handles.slider1,Value);set(handles.edit1,string,str);dt = 1.0/Fs;t = 0:dt:0.1;y = A*sin(2*pi*131*t);plot(
11、t,y);wavplay(y,Fs);axis(0 0.1 -100 100);endif a=2Fs = 44100;strA=get(handles.edit1,string); A=str2double(strA); str=get(handles.slider1,Value);set(handles.edit1,string,str); dt = 1.0/Fs;t = 0:dt:0.1;y = A*sawtooth(2*pi*131*t);plot(t,y);wavplay(y,Fs);axis(0 0.1 -100 100);end if aa=3Fs = 44100;strA=ge
12、t(handles.edit1,string); A=str2double(strA); str=get(handles.slider1,Value);set(handles.edit1,string,str);10dt = 1.0/Fs;t = 0:dt:0.5;y = A*square(2*pi*131*t);plot(t,y);wavplay(y,Fs);axis(0 0.1 -100 100);end（3）实验结果展示由于电子琴的实验结果是声音，难以用文字表达，在下面仅用几张图片展示一下结果，详见附件。图10电子琴演奏时的效果0111图11 电子琴演奏时的效果05图12 电子琴演示效果12五、 试验体会心得通过本次实验，掌握了GUI界面的搭建，对matlab中常见的函数有了深刻的认识。在学习中发现matlab是个很强大的软件，可惜自己对它的认识太少，以后还得自己学习。同时发现自己做的电子琴没有人家网上做的好，音质较为粗糙，还亟待改进，也为自己的学习增加了新鲜感，但是对数字信号的处理有了实践性的认识，比仅从考试中学到的知识要深刻很多。
