八音階電子琴設(shè)計(jì)方案

1、課程作業(yè)設(shè)計(jì)課程名稱： 模擬電子技術(shù) 專業(yè)名稱： 電子信息工程 班 級(jí)： 電子1402班 學(xué)生姓名： 任課教師： 劉珺 2016年 6月 22日基于RC橋式振蕩電路的八音階電子琴設(shè)計(jì)電子信息工程1402班一、 設(shè)計(jì)指標(biāo)我們準(zhǔn)備用模擬電路的知識(shí)實(shí)現(xiàn)8音階電子琴的功能，功能指標(biāo)如下：電子琴可以調(diào)節(jié)音量；電子琴具有和弦效果，就是同時(shí)按下多個(gè)鍵能發(fā)出和音二、 設(shè)計(jì)思路1. 基本樂(lè)理我們的樂(lè)理知識(shí)有限，我們?cè)谶@就認(rèn)為一個(gè)音階樂(lè)音對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的頻率的聲音信號(hào)，而我們?cè)谝糇V中選擇在以C調(diào)為基準(zhǔn)音的八度音階，所對(duì)應(yīng)的頻率大致如表1所示。音階名（C）哆瑞咪發(fā)梭拉西升哆f/Hz264297330352396440

2、495528表1 C調(diào)八度音階對(duì)應(yīng)頻率2. 音頻信號(hào)產(chǎn)生(一) 音頻信號(hào)產(chǎn)生原理模擬電路中的Fv是一個(gè)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，具有選頻特性。Av為由集成運(yùn)放所組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，二者配合產(chǎn)生目標(biāo)頻率正弦波。達(dá)到在輸出穩(wěn)定頻率的正弦波前，信號(hào)經(jīng)過(guò)了選頻和放大兩個(gè)階段。圖1 RC橋式正弦波振蕩電路(二) RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)可以選出特定頻率的信號(hào)，其理論推導(dǎo)如下：R1與C1串聯(lián)時(shí)阻抗：Z1=R1+1jC1; R2與C2并聯(lián)時(shí)阻抗：Z2=C2R2=R21+jR2C2選頻特性：Fv=VfVo=Z2Z2+Z1=R21+jR2C2R21+jR2C2+R1+1jC1；再令0=1RC,f0=

3、02=12RC得，F(xiàn)v=13+j0-0j；所以Fv=132+ff0-f0f2 ,f=-arctgff0-f0f3;當(dāng)f=f0=12RC，幅頻響應(yīng)F=13最大，相頻響應(yīng) f=0。即當(dāng)f=12RC時(shí)，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓Vf是輸入電壓Vo的13，輸出電壓與輸出電壓同相。通過(guò)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(hào)，也可通過(guò)改變R、C的取值，選出不同頻率的信號(hào)。(三) 振蕩條件1. 自激振蕩：圖2所示為無(wú)外加信號(hào)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2中若去掉Xi，電路中存在噪聲，頻譜很廣，也會(huì)包含0=1RC這樣一個(gè)頻率成分。顯然，只要滿足Xf與X

4、a大小相位一致，即AF=XoXaXfXo=1,由于反饋信號(hào)的補(bǔ)償作用，仍有信號(hào)輸出，形成自激振蕩，故自激振蕩必須滿足以下條件： 振幅條件： AF=1 ;相位條件：f+a=2N，NZ而所以我們使用的RC橋式選頻網(wǎng)絡(luò)僅在0=1RC時(shí)，有f=0和f+a=0，滿足相位條件，這才可能自激振蕩，而此時(shí)F=13，為了滿足 AF=1，應(yīng)設(shè)置放大器A=3，而對(duì)于其他頻率成分，會(huì)在選頻網(wǎng)絡(luò)中得到衰減，最終為0，從而達(dá)到穩(wěn)定正弦波。圖2 正弦波振蕩電路2. 振蕩的建立與穩(wěn)幅：自激振蕩的初始信號(hào)一般較小，為了得到較大強(qiáng)度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿足|A·F|>1。所以設(shè)置負(fù)

5、反饋強(qiáng)弱Av，開(kāi)始時(shí)使Av=1+RfR1略大于3，此時(shí)滿足起振條件AF>1。為了保證信號(hào)不會(huì)因?yàn)榉纫恢狈糯蠖狗糯笃鞴ぷ髟诜蔷€性區(qū)，使信號(hào)出現(xiàn)非線性失真，故在放大電路中使用非線性元件自動(dòng)降低增益Av，具體措施可以將Rf使用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻替代，Vo增大，由于熱效應(yīng)熱敏電阻阻值減小，Av減小，最終會(huì)使Av=3達(dá)到自激振蕩，此時(shí)輸出電壓Vo視為恒定。三、 硬件設(shè)計(jì)a) 電路設(shè)計(jì)總體以RC橋式振蕩電路為核心（運(yùn)算放大器芯片選擇LM324），使用LM1875T集成功率放大芯片對(duì)低功率音頻信號(hào)放大，電阻、蜂鳴器（揚(yáng)聲器）和導(dǎo)線等外圍器件構(gòu)成完整的電子琴。使用時(shí)可以閉合多個(gè)開(kāi)關(guān)，用于穩(wěn)幅的熱敏電

6、阻, 在實(shí)際電路中，常用兩個(gè)二極管與電阻并聯(lián)替代。電路的初始信號(hào)是由電路環(huán)境噪聲提供的。為了保證芯片及電路的正常工作，嚴(yán)格按照使用手冊(cè)了解外部引腳的接發(fā)。 而音頻信號(hào)的混合可以使用同向比例求和電路。b) 元器件參數(shù)計(jì)算選頻網(wǎng)絡(luò)中，顯然會(huì)R1R2，且R1R2 (8)由上式可得式(9)F=12+R1R212 則由式(8)及起振條件|A·F|>1，可得：A=1+RF1+RF2Rf2,即RF1+RF2Rf（10）。所以RF1、RF2、Rf的選取應(yīng)滿足式(9)，但實(shí)際取值時(shí)，應(yīng)讓RF1略小于Rf。RF2的取值也應(yīng)適當(dāng)，以滿足式(6)，實(shí)現(xiàn)自激振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率推導(dǎo)公式為：(11)f0=

7、12CR1R2 根據(jù)式(8)、式(10)、式(11)，再結(jié)合表1的頻率數(shù)據(jù)，并且可以通過(guò)軟件仿真確定電路中的元器件參數(shù)。需要注意的是，在確定R2內(nèi)部電阻值時(shí)，應(yīng)該從R21開(kāi)始，逐個(gè)進(jìn)行。 c) 電路仿真與PCB設(shè)計(jì)圖3 電路仿真電路圖圖4 電路仿真波形圖 圖5 和弦 圖6 示波器實(shí)際電路波形圖圖7實(shí)物圖圖8最終PCB圖四、 實(shí)驗(yàn)分析報(bào)告 最后我們的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功，情況如下，小組在PCB上焊接好元器件后，我們先選取一組音階的單元電路進(jìn)行輸出信號(hào)測(cè)試，即測(cè)試未經(jīng)功放放大的信號(hào)波形，但是實(shí)際的波形正如圖6所示，輸出的只是高頻噪聲。 我們認(rèn)為我們的選取原理沒(méi)有錯(cuò)誤，但是具體方案存在諸多不足，列舉如下:

8、選用PCB板實(shí)現(xiàn)電路不合適，我們?cè)赑CB板繪制中碰到許多麻煩，由原理圖導(dǎo)出PCB圖時(shí)，電路的布局不當(dāng)導(dǎo)致我們的PCB的面積利用率過(guò)低，何況還是單層板，最后我們不得手動(dòng)更改布線，所以不排除修改后PCB圖存在線路缺失的可能。另一方面，對(duì)于PCB板中焊盤的設(shè)置，我們存在經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題，對(duì)于焊盤大小沒(méi)有概念，設(shè)置60mil (1mil=0.0254mm)，導(dǎo)致我們的焊盤過(guò)小，線寬、線間距都過(guò)小，最后焊接可能有虛焊、短焊的現(xiàn)象，線與線間也可能有干擾，這都十分致命。其次實(shí)驗(yàn)室的PCB印制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不高，在顯影的過(guò)程中就有覆蓋膜層被過(guò)度退膜的現(xiàn)象，導(dǎo)致蝕刻時(shí)一些裸露銅線被錯(cuò)誤蝕去，電路就會(huì)因此斷線。 電路元器件選擇不夠精確，在選用電阻阻值時(shí)我們選用的阻值偏差有50至150，電路參數(shù)精度不高使選頻出現(xiàn)問(wèn)題，比如反饋系數(shù)不為3，可能因此會(huì)出現(xiàn)無(wú)法滿足自激振蕩等。附：元器件清單元件名稱規(guī)格數(shù)量開(kāi)關(guān)2腳20電阻1M2電阻22K2電阻20K2電阻2K30電阻2.7