簡易電子琴課程設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書學生姓名： 專業(yè)班級：指導(dǎo)教師： 工作單位：信息工程學院題 目：簡易電子琴電路的設(shè)計仿真與實現(xiàn)初始條件：可選元件：集成運算放大器 LM324、電阻、電位器、電容若干，直流電源，或自備元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器要求完成的主要任務(wù)：（1）設(shè)計任務(wù)根據(jù)要求，完成對簡易電子琴電路的仿真設(shè)計、裝配與調(diào)試，鼓勵自制穩(wěn)壓電源。（2）設(shè)計要求設(shè)計一簡易電子琴電路，按下不同琴鍵即改變RC值，能發(fā)岀C調(diào)的八個基本音階，采用運算放大器構(gòu)成振蕩電路，用集成功放電路輸岀。已知八個基本音階在 C調(diào)時所對應(yīng)的頻率如下表所列C調(diào)1234567if 0 /H Z26429733035

2、2396440495528 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。 利用Proteus或Multisim仿真設(shè)計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計報告書。 選做：利用仿真軟件的 PCB設(shè)計功能進行 PCB設(shè)計時間安排：1、前半周，完成仿真設(shè)計調(diào)試；并制作實物。2、后半周，硬件調(diào)試，撰寫、提交課程設(shè)計報告，進行驗收和答辯日日月月指導(dǎo)教師簽名：系主任（或責任教師）簽名：目錄1. 模電課設(shè)概述 (1)1.1 設(shè)計背景 (1)1.2設(shè)計目的及意義 (1)1.3 開發(fā)環(huán)境proteus簡介 (1)2. 電路原理 (3)2.1 RC

3、橋式振蕩電路及頻率選擇 (3)2.2振蕩條件 (4)3. 總體方案設(shè)計 (5)3.1 實驗電路設(shè)計思路 (5)3.2設(shè)計電路圖 (6)3.3 實驗參數(shù)選擇 (6)4. 仿真曲線及結(jié)果分析 (7)4.1 仿真操作過程及曲線 (7)4.2仿真結(jié)果分析 (14)5. 實物制作及仿真、實物的差異 (15)5.1 實物制作過程和調(diào)試過程 (15)5.2 仿真、實物的差異 (16)6. 心得體會(17)7. 元件清單(18)8. 參考文獻(19)1模電課設(shè)概述1.1設(shè)計背景電子琴是一種鍵盤樂器，采用半導(dǎo)體集成電路，對樂音信號進行放大，通過揚聲器產(chǎn)生 音響。簡易電子琴的設(shè)計方法：它采用模擬電路中的RC正弦振

4、蕩原理。設(shè)計出的電子琴音階頻率滿足國際標準，La調(diào)頻率滿足國際標準音 C調(diào)頻率440 Hz。給出電路參數(shù)的選取 方法和一組參考值。結(jié)果證明，用模擬電路方法制作電子琴結(jié)構(gòu)簡單，而且成本低廉。 對于固定的簡單功能的實現(xiàn)，模擬電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，成本低廉的優(yōu)點。在 這方面，模擬電路得到廣泛的應(yīng)用。模擬電路中的RC正弦波振蕩電路具有一定的選頻特性，樂聲中的各音階頻率也是以固定的聲音頻率為機理的。本文介紹基于RC正弦波振蕩電路的簡易電子琴設(shè)計方案。1.2設(shè)計目的及意義1、培養(yǎng)學生正確的設(shè)計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科學態(tài) 度和勇于探索的創(chuàng)新精神。2、鍛煉學生自學軟件的能力

5、及分析問題、解決問題的能力。3、通過課程設(shè)計，使學生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標準與規(guī) 范的運用和計算機應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高。4、鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。5、為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好基礎(chǔ)基本要求。1.3 開發(fā)環(huán)境proteus簡介Proteus軟件是一款極好的單片機應(yīng)用開發(fā)平臺，它以其特有的虛擬仿真技術(shù)很好地 解決了單片機及其外圍電路的設(shè)計和協(xié)同仿真問題，可以在沒有單片機實際硬件的條件 下，利用PC以虛擬仿真方式實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的軟、硬件同步仿真調(diào)試，使單片機應(yīng)用系 統(tǒng)設(shè)計變得簡單容易。Proteus軟件涵蓋了 PIC、AVR MC

6、S8051 68HC11 ARM等微處理器 模型，以及多種常用電子元器件，包括 74系列、CMOS 400系列集成電路、A/D和D/A轉(zhuǎn) 換器、鍵盤、LCD顯示器、LED顯示器，還提供示波器、邏輯分析儀、通信終端、電壓 /電 流表、I2C/SPI終端等各種虛擬儀表，這些都可以直接用于仿真設(shè)計，極大地提高了設(shè)計 效率和設(shè)計水平。Proteus由ISIS和ARES兩個軟件構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺軟 件，ARES是一款高級的布線編輯器，它集成了高級原理布線圖、混合模式SPICE電路仿真、 PCB設(shè)計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計。PROTEUS兩種截然不同的仿真方式：交互

7、式仿真和基于圖表的仿真。其中交互式仿 真可實時觀測電路的輸出，因此可用于檢驗設(shè)計的電路是否能正常工作。而基于圖表的仿真能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進行一些細節(jié)上的分析，因此基于圖表的仿真可用于研究電路的工作狀態(tài)和進行細節(jié)的測量。Proteus提供了豐富的資源（1） Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有 30多個元件庫。（2） Proteus可提供的仿真儀表 資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調(diào)用。（3）除了現(xiàn)實存在的儀器外

8、，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的 信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器 儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了 儀器對測量結(jié)果的影響。（4） Proteus可提供的調(diào)試手段Proteus提供了比較豐富的測試 信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。2電路原理2.1 RC橋式振蕩電路及頻率選擇RC橋式扼蕩電路圖2.1RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。具體實現(xiàn)過程的關(guān)鍵是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過推導(dǎo)可以得到如下結(jié)論:二-arctg即當"繪時'輸出電壓

9、的幅值最大'并且輸出電壓是輸入電壓的 電壓與輸出電壓同相。通過該 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號，也可以通過改變R、C的值，選出不同頻率的信號。本實驗通過改變電阻 R的值來改變選頻網(wǎng)絡(luò)選出的頻率，從而得到不同頻率的信號，進而通過音頻輸出設(shè)備輸出不同頻率的聲2.2振湯條件2.2.1自激振蕩條件含外加信號的止弦波振蕩電路圖 2.2.1上圖所示為含外加信號的正弦波振蕩電路，其中 A，F(xiàn)分別為放大器回路和反饋網(wǎng)絡(luò) 的放大系數(shù)。圖中若去掉 Xi，由于反饋信號的補償作用，仍有信號輸出。若 Xf二Xi , 可得自激振蕩電路。自激振蕩必須滿足以下條件：1.振幅條件：AF =12.相位

10、調(diào)節(jié)：;A % 2 n二，Z222起振條件自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿足 |AF|>1。在輸出穩(wěn)定頻率的波形前，信號經(jīng)過了選頻和放大兩個階段。具體來說，是對 于選定的頻率進行不斷放大，非選定頻率的信號進行不斷衰減，結(jié)果就是得到特定頻率 的穩(wěn)定波形。3總體方案設(shè)計3.1實驗電路設(shè)計思路簡易電子琴由RC選頻網(wǎng)絡(luò)、集成運算放大器、節(jié)拍信號發(fā)生器組成。其框圖如圖下所示圖3.1實驗設(shè)計思路電路其核心是集成運算放大器構(gòu)成 RC正弦波振蕩器，實驗板上提供了 8個音節(jié)電阻和電容（C串=C并=0.1卩f固定）構(gòu)成RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，分別取不同的電阻值（通過琴鍵開關(guān)

11、接通RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的8對電阻）使振蕩器產(chǎn)生八個音階信號。最后，通過揚聲器發(fā)出樂3.2設(shè)計電路圖圖3.2簡易電子琴仿真電路上圖即為簡易電子琴仿真電路圖，8個開關(guān)對應(yīng)著電子琴8個音階琴鍵，使用時閉合 不同的開關(guān)可以發(fā)出不同的聲音。電路中的運算放大器芯片LM324工作電壓要求是土 5 V，其中引腳4接+5V,引腳11接-5V。3.3實驗參數(shù)選擇選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率推導(dǎo)公式為：f1其中R1為圖中的固定電阻R4, f 2RlR； R2為圖中需要調(diào)節(jié)阻值的8個電阻表1C調(diào)八音階對應(yīng)的基本頻率唱名douruaimifasoulaxidou（高）頻率264297330352396440495528經(jīng)過推導(dǎo)得到仿真原

12、理圖中 R5=9.1, R6=10.3, R7=13.08, R8=16.1, R9=20.4, R10=23.26,R1仁28.7, R12=36.3。單位：（千歐）4仿真曲線及結(jié)果分析4.1仿真操作過程及曲線根據(jù)要求用proteus進行了仿真，具體仿真曲線如下：C調(diào)低音dou的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)SW0將所有電阻串聯(lián)進電路，然后將調(diào)節(jié)示波器掃描頻率到 0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于264HnC調(diào)ruai音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)SW1,保持示波器的掃描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于297

13、Hz=mi音的仿真曲線SW2,保持示波器的掃330Hz。SW3,保持示波器的掃352Hz。SW4,保持示波器的C調(diào)mi音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于fa音的仿真曲線C調(diào)fa音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于圖sou音的仿真曲線C調(diào)sou音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)掃描396Hz?！本€再閉合開關(guān)SW1，保持示波器線勺曲線，其頻率約等于297Hz o”，再合上開關(guān)SW5,保持C調(diào)ruai音的仿真曲線如 的掃描頻率在0.4

14、ms檔，示波器的掃C調(diào)la音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行440Hz。描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于xi音的仿真曲線C調(diào)xi音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)SW6,保持示波器的掃描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于495Hz。圖4.1.8高音dou的仿真曲線C調(diào)高音dou的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)SW7,保持示波器的掃描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于528Hz。4.2仿真結(jié)果分析本實驗先是利用RC振蕩電路起振，產(chǎn)生正弦波信號，然后通過RC選頻網(wǎng)絡(luò)進行選頻， 最后經(jīng)

15、過LM324放大后輸出到音頻設(shè)備及得到不同頻率的聲音。本實驗仿真得到的波形為方波（觀察示波器輸出波形可知），并且在零刻度線的上下 部分是對稱的。當開關(guān)從R12到R5依次閉合時，串聯(lián)進電路中的電阻依次減小，因此有公式:可得，振蕩電路產(chǎn)生的信號的頻率依次增大，選出的信號的頻率也依次增大。5實物制作及仿真、實物的差異5.1實物制作過程和調(diào)試過程在理論分析和軟件仿真的基礎(chǔ)上，我們按設(shè)計的電路圖進行了實物的焊接和調(diào)試。 由于電阻的阻值大小不是常用的阻值，所以我們進行了拼湊使其與設(shè)計時的阻值近似相 等。同時為了美觀，我們將設(shè)計的電阻都分成三個電阻的組合。5.2仿真、實物的差異本次課程設(shè)計所得的實物中用的原

16、理圖和仿真的是一樣的，但是由于仿真中用到的一 些電阻、電容實際買不到，并且仿真和實際都會存在誤差，所以實物和仿真的元件參數(shù)并 不一樣，比如，仿真和實物中用的電阻不一樣。6心得體會通過一周周的準備與設(shè)計，我們完成了簡易電子琴的設(shè)計。在本次模擬電路課程設(shè)計 中，我通過查找資料復(fù)習課本，開始認識了模擬電路的要求和技能。我們這是第一次接觸課程設(shè)計，所以一直在邊學習邊設(shè)計。首先開始學習proteus軟件, 學會自己利用軟件繪制電路圖，進行仿真。接下來我們通過查閱了很多的資料，發(fā)現(xiàn)制作簡易電子琴有很多方法，但由于我們對 其他方案中的單片機等元器件不了解，對其中的電阻電容等一些頻率的計算有一定的難 度，所以

17、我們選擇了在課本中學到過的振蕩電路來設(shè)計。在設(shè)計振蕩電路的時候，我們遇到了問題。我們通過理論計算，選取了元器件，然后按照 設(shè)計的電路圖用proteus畫出電路圖進行仿真，但得到的波形并不是理論的波形，頻率的偏 差很大，且出現(xiàn)了失真。所以我們又再次檢查了電路圖，發(fā)現(xiàn)了問題并進行了改進，最后 終于得到了比較理想的結(jié)果？我們小組進行了合理分工，我和一個同學負責制作實物，另外兩個同學負責運放 Im324的仿真設(shè)計。我們彼此探討商量，不厭其煩，不斷修改，自己也學到了很多。？我在上面花的時間或許超出我的預(yù)想，但我知道，自己做的卻并不出色，因為我的 基礎(chǔ)知識不夠扎實，而且我的學習分析能力較差。我必須認真投入

18、，而這次實物主要由 黃星星來負責，我覺得很自己付出的其實還太少，我也必須意識到自己動手能力還有待 提高。從大家身上我看到了自己的差距。我覺得，只有越多的付出，才可以最大可能的 做到更好。？在模電課設(shè)中我們遇到了很多問題，最后在同學的指導(dǎo)下，終于解決了。同時，從 同學身上學到很多實用的知識，在此我表示感謝！我非常感謝和我在同一組的另外三個同學。我認識到自己本身的局限，也因為他們我才可以靜下心來，認真思考，分析。不斷 地修改課設(shè)，完善課設(shè)。？7元件清單元器件名稱規(guī)格LM324二極管iN4007喇叭紐扣電池3V電容CiO.iuF電容C2O.iuF電阻Ri900 Q電阻R2800 Q可調(diào)電阻R32000 Q電阻R4ikQ電阻R59.i0kQ電阻R6i0.30kQ電阻R7i3.08k Q電阻R8i6.i0kQ電阻R920.40k Q電阻R