北郵模電綜合實(shí)驗(yàn)-簡易電子琴的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、電子測(cè)量與電子電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì) 題目: 簡易電子琴的設(shè)計(jì)和制作 姓 名 孫尚威 學(xué) 院 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班 級(jí) 2013211202 學(xué) 號(hào) 2013210849 班內(nèi)序號(hào) 04 指導(dǎo)教師 陳凌霄 2015年4 月目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求31.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求31.2 選題目的與意義3二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析32.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)32.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)42.2.1 音頻信號(hào)產(chǎn)生模塊42.2.2 功率放大電路72.2.3 開關(guān)鍵入端（琴鍵）8三、理論值計(jì)算93.1 音階頻率對(duì)應(yīng)表93.2 鍵入電路電阻計(jì)算9四、電路設(shè)計(jì)與仿真104.1 電路設(shè)計(jì)104.2 Multisim仿真

2、11五、實(shí)際電路焊接11六、系統(tǒng)調(diào)試126.1 系統(tǒng)測(cè)試方案126.2 運(yùn)行結(jié)果分析13七、設(shè)計(jì)體會(huì)與實(shí)驗(yàn)總結(jié)14一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求了解由555定時(shí)器構(gòu)成簡易電子琴的電路及原理。設(shè)計(jì)并利用NE555集成運(yùn)算電路以及外加電阻，電容在第一級(jí)產(chǎn)生不同頻率的音樂，再利用LM386功率放大電路對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生21個(gè)音符。1.2 選題目的與意義（1）培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程問題的能力。 （2）學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬，數(shù)字電路等知識(shí)解決電子信息方面常見實(shí)際問題的能

3、力。（3）學(xué)習(xí)調(diào)試電子電路的方法，提高實(shí)際動(dòng)手能力。了解由555定時(shí)器構(gòu)成簡易電子琴的電路及原理。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由555電路組成的多諧振蕩器，它的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中的RC元件的數(shù)值進(jìn)行改變。根據(jù)這一原理，通過設(shè)定一些不同的RC數(shù)值并通過控制電路，按照一定的規(guī)律依次將不同值的RC組件接入振蕩電路，就可以使振蕩電路按照設(shè)定的需求，有節(jié)奏的發(fā)出已設(shè)定的音頻信號(hào)，再利用LM386功圖1：系統(tǒng)組成框圖率放大電路對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生音符。2.2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)2.2.1 音頻信號(hào)產(chǎn)生模塊利用NE555集成運(yùn)算電路以及外加電阻，電容在第一級(jí)產(chǎn)生不同頻率的音

4、樂。 555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰涂梢詷?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號(hào)產(chǎn)生與變換電路。它在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、定時(shí)電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。 多諧振蕩器的工作原理：多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故 稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之 間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧

5、振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。 由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓Uc為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出Uo為高電平，放電管VT截止。這時(shí)，電源經(jīng)R1，R2對(duì)電容C充電，使 電壓Uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到（2/3）Vcc時(shí)，輸出Uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把Uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維

6、持時(shí)間TPH的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)T充=（R1R2）C。 由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時(shí)間TPL的長短與電 容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)T放R2C0隨著C的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到（1/3）Vcc時(shí)，輸出Uo。 為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對(duì)電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，Uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。圖2：NE555管腳圖圖3：多諧振蕩波形

7、圖電 阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時(shí)電路。定時(shí)電容C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端TH（6腳）和低觸發(fā)端TL（2腳）的外觸發(fā)電壓。放電端D（7腳）接在R1 和R2之間。電壓控制端K（5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容C2（0.01uF）。直接復(fù)位端R（4腳）接高電平，使NE555處于非復(fù)位狀 態(tài)。多諧振蕩器的放電時(shí)間常數(shù)分別為tPH0.693×（R1+R2）×C1tPL0.693×R2×C1振蕩周期T和振蕩頻率f分別為T=tPH+tPL0.693×（R1+2R2）×C1f=1/T1/0.693×（R1+2R2）×

8、;C12.2.2 功率放大電路集成功放大電路可以有多種選擇，如三極管放大、差分放大、運(yùn)放等等，考慮到本次是對(duì)音頻放大，故選擇的是通用型音頻功率放大器LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。特性(Features): * 靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電。 *

9、0;工作電壓范圍寬，4-12V or 5-18V。 * 外圍元件少。 * 電壓增益可調(diào)，20-200。 * 低失真度。采用LM386運(yùn)放，價(jià)格低廉。LM386一般采用6-9V電源，最大輸出功率為1W，因該器件散熱條件不夠理想，一般輸出功率為0.5W以下，一般為0.3W。由LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)知，電路的電壓放大倍數(shù)可由內(nèi)部1.35k電阻及引腳1、8間的外圍元件確定。當(dāng)引腳1、8間不接任何元件時(shí)，其電壓放大倍數(shù)為20倍，當(dāng)引腳1、8之間外接電容10 uF電容是，其電壓放大倍數(shù)為200。此時(shí)，內(nèi)部的1.35k電阻

10、倍交流短路，其電壓放大倍數(shù)表示式為: VA=2R2/R1=30k/150。引腳5與地之間外接0.047uF電容和10歐電阻為補(bǔ)償電路，可提高電路的穩(wěn)定性，防止電路高頻自激。當(dāng)LM386處于高電壓放大倍數(shù)時(shí)，電源的影響將會(huì)增大，為此在引腳7與地之間外接10 uF的濾波電容。 圖4：LM386放大電路，放大增益=2002.2.3 開關(guān)鍵入端（琴鍵）21個(gè)開關(guān)與經(jīng)計(jì)算出來的固定電阻串聯(lián)后再互相并聯(lián)，通過按下開關(guān)（琴鍵）將不同電阻接入多諧振蕩電路，使555震蕩器產(chǎn)生不同頻率的音頻信號(hào)。 圖5：開關(guān)電路三、理論值計(jì)算3.1 音階頻率對(duì)應(yīng)表音階名(低音）123456

11、7頻率（Hz）132148.5165176198220247.5音階名（中音）1234567頻率（Hz）264297330352396440495音階名（高音）1234567頻率（Hz）528594660704792880990表1：音階頻率對(duì)應(yīng)表3.2 鍵入電路電阻計(jì)算 頻率電阻對(duì)應(yīng)公式：f=1/T1/0.693×（R1+2R2）×C1根據(jù)公式以及實(shí)際電路分析，配合已有電阻的串并聯(lián)計(jì)算得出音階頻率對(duì)應(yīng)的電阻值和電容值。C1=0.22uF R2=2.7k音階名(低音）1234567電阻R147k36k33k30k27k25k22k音階名（中音）1234567電阻R120k1

12、8k15k13k11k9.1k8.2k音階名（高音）1234567電阻R16.8k5.6k4.7k3.9k2.7k2k1.1k表2：鍵入電路電阻四、電路設(shè)計(jì)與仿真4.1 電路設(shè)計(jì) 利用多諧振蕩器電路作為音頻信號(hào)發(fā)生電路，后級(jí)接LM386放大信號(hào)。原理電路圖如下圖，當(dāng)依次按下按鍵時(shí)控制不同阻值電阻接入電路，以NE555為核心組成的多諧振蕩電路，由不同的充電電阻選擇不同的頻率以此來控制分別發(fā)出21個(gè)不同音頻信號(hào)，最后通過功放把21個(gè)音階依次輸出。圖6：電路設(shè)計(jì)圖4.2 Multisim仿真 在焊接實(shí)際電路之前利用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，通過虛擬示波器觀測(cè)方波脈沖的波形和頻率。仿真結(jié)

13、果如下圖。圖7：仿真波形圖五、實(shí)際電路焊接將電路分成兩部分進(jìn)行搭接，前半部分將按鍵開關(guān)和定值電阻按電路圖焊接在萬用板上。后半部分將多諧振蕩電路、功率放大電路和喇叭插接在面包板上，以方便調(diào)試。圖8：實(shí)際搭接電路（1）圖9：實(shí)際搭接電路（2）六、系統(tǒng)調(diào)試6.1 系統(tǒng)測(cè)試方案通過實(shí)際電路的輸出端將音頻信號(hào)輸入到示波器，利用數(shù)字示波器觀測(cè)震蕩波形和振蕩頻率。記錄實(shí)際電路下的音頻信號(hào)頻率，將R1置換為電位器，在調(diào)試過程中調(diào)節(jié)電位器和定值電阻R2使得測(cè)量值更加接近理論計(jì)算值。圖10：示波器顯示波形6.2 運(yùn)行結(jié)果分析 音階名1234567低音頻率 (Hz)理論132148.5165176198220247

14、.5實(shí)測(cè)133158172186210232253中音頻率 (Hz)理論264297330352396440495實(shí)測(cè)273296337363413458500高音頻率 (Hz)理論528594660704792880990實(shí)測(cè)542610660711811881996表3：實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比誤差分析：實(shí)測(cè)頻率的誤差主要來源于接入電阻的阻值以及焊接點(diǎn)的電阻值。在高音頻率上的設(shè)計(jì)時(shí)，由于不同音階頻率對(duì)應(yīng)的R1之間相差1k左右，實(shí)驗(yàn)提供電阻有限并且阻值有一定誤差，所以實(shí)測(cè)頻率與理論頻率有一定誤差。為了避免定值電阻帶來的誤差，在調(diào)試電路時(shí)選擇利用電位器調(diào)節(jié)接入阻值來得到準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)頻率。再通過定值電阻的串并聯(lián)減小誤差。七、設(shè)計(jì)體會(huì)與實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過兩周的緊張地電路設(shè)計(jì)和調(diào)試，按照規(guī)定要求完成了簡易電子琴的設(shè)計(jì)與制作，此次的課程設(shè)中計(jì)，我不僅鞏固了以前學(xué)習(xí)過的知識(shí)，還增長了一些書本以外的知識(shí)，比如如何在萬用板上焊接電阻電容，如何能焊接的光滑，美觀，布線能夠清爽一目了然，這些光看書本是永遠(yuǎn)也學(xué)不到的。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦，也明白課程設(shè)計(jì)的意義所在，它教會(huì)我如何運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問題，提高我們的分析能力、動(dòng)手能力及處理問題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路板的制作、電路的焊接以及調(diào)試過程中，不斷修正自己的思路，雖然電子琴原理簡單但是在焊接上有一