模擬電子琴的設(shè)計(jì)

鄭州科技學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)12通信工程班級(jí)1班學(xué)號(hào)201251022姓名連盼盼一、設(shè)計(jì)題目模擬電子琴的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求基本功能：使用邏輯門電路、集成芯片及555定時(shí)器等器件完成模擬電子琴的設(shè)計(jì)；電子琴可模擬八個(gè)音符發(fā)聲；電子琴可實(shí)現(xiàn)高、中、低三個(gè)音階的調(diào)節(jié)。三、參考文獻(xiàn)[1]江曉安，董秀峰.數(shù)字電子技術(shù)（第三版）.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008[2]楊志忠.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008[3]王靜波.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京：電子工業(yè)出版社，2011[4]陳光明.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)與綜合實(shí)訓(xùn).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007四、設(shè)計(jì)時(shí)間2014年11月24日至2014年12月05日指導(dǎo)教師簽名：年月日目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1課程設(shè)計(jì)的目的 12課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 13設(shè)計(jì)方案與論證 13.1設(shè)計(jì)方案 14設(shè)計(jì)原理及功能說明 34.1總體框圖 34.2設(shè)計(jì)原理 35單元電路的設(shè)計(jì) 45.1開關(guān)控制單元 45.2電容換音階單元 55.3555定時(shí)器電路單元 65.4參數(shù)計(jì)算 116硬件的制作與調(diào)試 127總結(jié) 13參考文獻(xiàn) 15附錄1：總體電路原理圖 16附錄2：元器件清單 17附錄3：實(shí)物圖 181課程設(shè)計(jì)的目的經(jīng)查閱電子琴的相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)了他人的設(shè)計(jì)大都只關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)電子琴的基本功能，卻缺少對電子琴功能的擴(kuò)展。經(jīng)過一番討論和實(shí)證后，我們決定在用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電子琴基本功能的同時(shí)，再加上通過單刀三擲開關(guān)控制不同電容，從而調(diào)節(jié)低、中、高音階。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求該電路包括按鈕開關(guān)，定值電阻，電容換音階，555振蕩器和揚(yáng)聲器四部分組成。1．輸入端：由八個(gè)按鈕開關(guān)與各自的定值電阻串聯(lián)再并聯(lián)組成輸入端。2．頻率產(chǎn)生端：根據(jù)定值電阻的不同輸入，由555產(chǎn)生不同的信號(hào)頻率。3．電容控制端：通過單刀三擲開關(guān)控制不同電容，從而調(diào)節(jié)低、中、高音階。4．揚(yáng)聲器端口:接受信號(hào)頻率發(fā)出特定的頻率。3設(shè)計(jì)方案與論證3.1設(shè)計(jì)方案電子樂器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，音源是由晶體管產(chǎn)生的電振動(dòng)，并通過音色回路而產(chǎn)生各種音色；同時(shí)由周波數(shù)調(diào)制產(chǎn)生顫音效果，由振幅調(diào)制產(chǎn)生各種樂器的音效。電子琴的外形很像普通鍵盤樂器，只是某些種類多一排腳踏鍵盤，而且手觸鍵盤也往往分為兩層。鍵盤式電子琴聲音豐富、優(yōu)美，有變音裝置，能發(fā)出多種不同的音色，可以作為獨(dú)特的樂器進(jìn)行演奏，還能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)琴、鋼琴供音樂課教學(xué)。通過所學(xué)知識(shí)和查閱資料可以有兩種電子琴的設(shè)計(jì)方案。【設(shè)計(jì)方案一】數(shù)字電路電子琴：采用一個(gè)555集成定時(shí)器組成簡易電子琴。整個(gè)電路由主振蕩器，揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕等部分組成。主振蕩器由555定時(shí)器，電阻，按鍵及電容組成。【設(shè)計(jì)方案二】單片機(jī)電子琴：程序可分如下：初始化模塊、判斷按鍵模塊、鍵值處理模塊、音樂處理模塊、中斷模塊、0處理模塊、表單模塊。初始化模塊：對8279鍵盤的部分進(jìn)行初始化和中斷初始化。鍵值處理模塊：用8279的狀態(tài)字來判斷它是否按鍵（FIFORAM不能清除已處理的數(shù)據(jù)，但8279的狀態(tài)字會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變）。輸入的鍵值與1-8的物理值01H-08H進(jìn)行比較，如果與其中某個(gè)數(shù)相等，則跳到1-8的鍵值處理模塊；如果是9或者A，則跳到音樂處理模塊。如果輸入是0，則跳到0處理模塊。結(jié)尾跳到初始化模塊。音樂處理模塊：專門處理音樂中的1-8的發(fā)音。它們發(fā)音不同是因?yàn)椴ǖ念l率不同，所以要發(fā)出不同的音，只要實(shí)現(xiàn)發(fā)出的波的頻率不同即可。于是，可通過定時(shí)的方法來中斷產(chǎn)生不同的方波。可把1-8的定時(shí)初值放在一個(gè)表單內(nèi)。中斷模塊：T0中斷是為鍵值處理模塊服務(wù)；T1中斷是為音樂處理模塊服務(wù)。0處理模塊：在音樂處理過程中，按下0則音樂暫停，此時(shí)可如其他按鍵（包括音樂按鍵）。當(dāng)再按下0鍵時(shí)，則最近繼續(xù)的音樂中斷。表單模塊：TAB音符表單存放1-8的ASCII碼值；FREQUENCY音符初值表單存放1-8音符的中斷初值；DAT、DAT1分別存放兩首歌曲相應(yīng)的中斷初值和節(jié)拍等信息。綜上所述，第一種方案簡易，易于實(shí)現(xiàn)，所用知識(shí)為數(shù)字電子技術(shù)。由于我尚未學(xué)習(xí)單片機(jī)的知識(shí)，所以本次課程設(shè)計(jì)我采用第一種方案。4設(shè)計(jì)原理及功能說明4.1總體框圖揚(yáng)聲器55揚(yáng)聲器555定時(shí)器電容改變頻率計(jì)算出固定阻輸入按鈕開關(guān)圖4-14.2設(shè)計(jì)原理555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。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，按照一定的速度依次將不同的RC組件接入振蕩電路，就可以使振蕩電路按照設(shè)定的要求，有節(jié)奏地發(fā)出已設(shè)定的音頻信號(hào)或音樂。555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動(dòng)控制等方面。本次利用NE555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)簡易電子琴，這種應(yīng)用只是其功能中的一部分。這種由555定時(shí)器做出來的電子琴，體積小，用料省，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。圖4-2電子琴設(shè)計(jì)電路圖工作原理：當(dāng)電容為44nF時(shí)，通過按下不同的琴鍵，將不同的阻值接入電路中，通過555定時(shí)器產(chǎn)生不同的振蕩頻率，因?yàn)閰?shù)已經(jīng)經(jīng)過準(zhǔn)確計(jì)算，此時(shí)在輸出端接入揚(yáng)聲器（在multisim仿真中以示波器觀察輸出波形及頻率代替揚(yáng)聲器），揚(yáng)聲器會(huì)發(fā)出低音階的7個(gè)音符；當(dāng)電容為22nF時(shí)，揚(yáng)聲器會(huì)發(fā)出中音階的七個(gè)音符的聲音；當(dāng)電容為11nF時(shí)，揚(yáng)聲器會(huì)發(fā)出高音階的7個(gè)音符的聲音。5單元電路的設(shè)計(jì)5.1開關(guān)控制單元開關(guān)控制單元即是實(shí)際電路中的琴鍵按鈕，用來彈奏相應(yīng)的音符。單元電路如下圖所示：圖5-1開關(guān)控制單元電路圖工作原理：通過按鈕，將由555集成定時(shí)器組成的多諧振蕩器的7、8端接入相應(yīng)阻值的電阻（此阻值通過音符相應(yīng)頻率計(jì)算而來），從而通過555定時(shí)器產(chǎn)生不同的振蕩頻率。5.2電容換音階單元在基本的多諧振蕩器中，只有一個(gè)放電電容。在本單元電路中，通過一個(gè)單刀三擲開關(guān)連接3個(gè)不同大小的電容，當(dāng)開關(guān)在不同位置時(shí)，因?yàn)殡娙葜档牟煌?，從而引起振蕩頻率的不同，可以實(shí)現(xiàn)改變音階的功能。單元電路圖如下：圖5-2電容換音階單元電路圖工作原理：通過計(jì)算可得，當(dāng)電容值為44nF時(shí)，按下不同琴鍵時(shí)，應(yīng)當(dāng)發(fā)出低音中的七個(gè)音符；當(dāng)電容值為22nF時(shí)，發(fā)出中音階的七個(gè)音符；當(dāng)電容值為11nF時(shí)，發(fā)出高音階的七個(gè)音符。5.3555定時(shí)器電路單元本單元電路實(shí)現(xiàn)的功能是產(chǎn)生矩形脈沖信號(hào)，電路圖如下：圖5-3555定時(shí)器電路單元工作原理：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)成的多諧振蕩器如圖4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=（R1＋R2）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（1/3～2/3）Vcc之間變化。圖5-4555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路及工作波形圖5-5多諧振蕩器的充放電時(shí)間集成555定時(shí)器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。一般雙極性型產(chǎn)品型號(hào)的最后三位數(shù)都是555，CMOS型產(chǎn)品型號(hào)的最后四位數(shù)都是7555。它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。器件電源電壓推薦為4．5～12V，最大輸出電流200mA以內(nèi)，并能與TTL、CMOS邏輯電平相兼容。555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號(hào)和管腳排列分別如下：圖5-6555定時(shí)器的邏輯符號(hào)和管腳排列圖5-7定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。Vi2（TR）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為TR。VCO：控制電壓端。VO：輸出端。Disc：放電端。Rd:復(fù)位端。555定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和VCC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；兩個(gè)電壓比較器C1、C2；一個(gè)由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。Rd是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后,基本RS觸發(fā)器高端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）?！?55定時(shí)器邏輯功能表】：RSTTHTROUT0XX01>2/3VCC>1/3VCC01<2/3VCC>1/3VCC不變1<2/3VCC<1/3VCC11>2/3VCC<1/3VCC1在555定時(shí)器的VCC端1/3和地之間加上電壓，并讓VCO懸空，則比較器C1的同相輸入端接參考電壓1/3VCC，比較器C2反相輸入端接參考電壓2/3VCC，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定：當(dāng)TH端的電壓>1/3VCC時(shí)，寫為VTH=1，當(dāng)TH端的電壓<2/3VCC時(shí)，寫為VTH=0。當(dāng)TR端的電壓>2/3VCC時(shí)，寫為VTR=1，當(dāng)TR端的電壓<1/3VCC時(shí)，寫為VTR=0。①低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓Vi2<VCC2/3且Vi1<1/3VCC時(shí)，VTR=0，VTH=0，比較器C2輸出為低電平，C1輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器的輸入端TH=0、TR=1，，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO＝1，T截止。這時(shí)稱555定時(shí)器“低觸發(fā)”；②保持：若Vi2>1/3VCC且Vi1<2/3VCC，則VTR=1，VTH=0，基本RS觸發(fā)器保持，VO和T狀態(tài)不變，這時(shí)稱555定時(shí)器“保持”。③高觸發(fā)：若Vi1>2/3VCC，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，基本RS觸發(fā)器,經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO＝0；T導(dǎo)通。這時(shí)稱555定時(shí)器“高觸發(fā)”。VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。正常工作時(shí)，要在VCO和地之間接0．01μF（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。5.4參數(shù)計(jì)算1．根據(jù)555多諧震蕩的原理選擇電阻：由上所述可知，555芯片輸出端輸出的頻率計(jì)算公式為f=1.43/((R1+2R2)C。再由附錄表所列的中音階分別對應(yīng)的頻率可以令R2為一固定阻值，通過開關(guān)調(diào)節(jié)的幾個(gè)串聯(lián)的電阻當(dāng)做R1。2.電容選擇：確定了R2值之后，我先來確定中音階所需要的對應(yīng)的R1值，此時(shí)充放電電容我選擇22nF;再通過對應(yīng)的高音階、低音階頻率，可以通過上式計(jì)算出高低音階的電容值，分別為11nF,44nF。輸出端3接4.7μF電容,5端接10nF電容抗干擾。6硬件的制作與調(diào)試圖6-1555定時(shí)器輸出端高音頻率的波形及周期圖6-2555定時(shí)器輸出端中音頻率的波形及周期圖6-3555定時(shí)器輸出端低音頻率的波形及周期仿真結(jié)果分析：在不同的阻值、電容組合下，輸出波形的周期均不一樣，在仿真過程中，我通過示波器讀出波形的周期并且計(jì)算出相應(yīng)的輸出頻率，然后和理論輸出頻率（音符的對應(yīng)頻率）相比較，存在幾Hz的偏差，在正常誤差范圍內(nèi)。7總結(jié)通過對簡易電子琴的設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到了“理