簡易電子琴的制作

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1課程設(shè)計背景和設(shè)計目的及意義1.1課程設(shè)計背景電子琴是一種鍵盤樂器，采用半導(dǎo)體集成電路，利用音頻放大器對聲音信號進(jìn)行放大，通過揚聲器產(chǎn)生聲音?，F(xiàn)在的電子琴一般使用PCM或AWM采樣音源，就是錄制樂器的聲音，將其數(shù)字化后存入ROM里，然后按下鍵時CPU回放該音?，F(xiàn)代電子琴并非“模仿”樂器音色。它使用的就是真實樂器音色。當(dāng)然，現(xiàn)在力度觸感在電子琴里是必備的。而且現(xiàn)代電子琴還加上了老式電子琴的濾波器，振蕩器，包絡(luò)線控制來制造和編輯音色。甚至老式電子琴的FM合成機(jī)構(gòu)。本次課程設(shè)計主要是通過對電子琴主體部分的電路進(jìn)行模仿設(shè)計，按下不同琴鍵改變RC值，發(fā)出C調(diào)的八個基本音階，采用運算放大器構(gòu)成振蕩電路，用集成功放電路輸出音調(diào)，從而達(dá)到電子琴固有的基本功能。1.2課程設(shè)計目的及意義通過實訓(xùn)將書本的理論運用到實際當(dāng)中，經(jīng)歷將來工作當(dāng)中會遇到的一些基本問題，以使同學(xué)們有明確的學(xué)習(xí)方向。以及培養(yǎng)學(xué)生在理論知識枯燥學(xué)習(xí)中興趣；鍛煉學(xué)生自學(xué)軟件的能力及分析問題、解決問題的能力；通過課程設(shè)計，使學(xué)生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱資料、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的運用和計算機(jī)應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高；鞏固、深化和擴(kuò)展學(xué)生的理論知識與初步的專業(yè)技能。通過實訓(xùn)報告，總結(jié)這兩周的實訓(xùn)過程的經(jīng)驗，為以后的理論學(xué)習(xí)指明要點。2課程設(shè)計任務(wù)與要求設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一個利用模電原理制作的電子琴。設(shè)計要求：設(shè)計一個簡易電子琴，按下不同琴鍵時改變RC值，能八個不同基本音調(diào)，用運算放大器構(gòu)成振蕩電路，用集成功放電路輸出；選擇方案，完成對確定方案電路的設(shè)計，并按照方案畫出總體電路原理圖，計算出元件參數(shù)，仿真實現(xiàn)后選購元件，并完成電子琴的制作。八個基本音階對應(yīng)的頻率如下表所示C調(diào)1234567if0/HZ2642973303523964404955283方案設(shè)計與論證方案一：LM324與電阻、電容等組成可控多諧振蕩器，振蕩頻率取決于電阻的不同阻值，再由LM386進(jìn)行音頻放大。方案二：編寫程序，用單片機(jī)的定時、計數(shù)器來產(chǎn)生不同方波頻率信號實現(xiàn)電子琴操作。論證：經(jīng)過進(jìn)一步比較，方案一中LM324實現(xiàn)基本要求，通過采用可調(diào)電阻實現(xiàn)音調(diào)的高度變化，其中的電阻電容的價錢比較便宜，可行性強(qiáng)，容易實現(xiàn)。方案二中涉及單片機(jī)的相關(guān)知識，而且我們對單片機(jī)的了解應(yīng)用不是很多，具有一定的難度，不易實現(xiàn)，所以方案一為最佳選擇。4電子琴的原理4.1音樂產(chǎn)生的原理由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，構(gòu)成我們所想要的音樂了。音調(diào)主要由聲音的頻率決定，樂音(復(fù)音)的音調(diào)更復(fù)雜些，一般可認(rèn)為主要由基音的頻率來決定，也即一定頻率的聲音對應(yīng)特定的樂音。在以C調(diào)為基準(zhǔn)音的八度音階中，所對應(yīng)的頻率如下表。如果能夠通過某種電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再通過揚聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發(fā)生器，再結(jié)合電子琴的一般結(jié)構(gòu)，就可實現(xiàn)電子琴的制作了。C調(diào)把音節(jié)對應(yīng)的基本頻率為：dou264ruai297mi330fa352sou396la440xi495dou（高）5284.2方案設(shè)計4.2.1振蕩電路圖4-1振蕩電路圖選擇C1=0.1uF，R4=1kΩ，根據(jù)公式，結(jié)合表一，即可計算出八個音階對應(yīng)的電阻值，分別為R5=9.07KΩ，R6=10.32KΩ，R7=13.06KΩ，R8=16.13KΩ，R9=20.4KΩ，R10=23.23KΩ，R11=28.65KΩ，R12=36.3KΩ。選定R4≠R，且R4≤R(8)由式3推導(dǎo)可得：F=≈(9)則由式(8)及起振條件|A·F|>1，可得：即（10）選擇R1=800Ω，R2=900Ω，R3=1500Ω4.2.2集成功放電路圖4-2集成功放電路C3取4.7uF為退耦電容，即防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。退耦濾波電容的取值通常為4.7-200uF，退耦壓差越大，電容的取值應(yīng)該越大。C4為旁路電容，它可將混有高頻信號和低頻信號的交流信號中的高頻成分旁路掉的電容，取10uF。C6為隔直傳交電容，取220uF。4.2.3整體電路圖4-3整體電路4.3設(shè)計原理4.3.1振蕩電路原理由于RC振蕩電路，一般用來產(chǎn)生1HZ~1MHZ范圍內(nèi)的低頻信號；而LC振蕩電路一般用來產(chǎn)生1MHZ以上的高頻信號，由計算和比較分析結(jié)果，我們可以知道選擇RC振蕩電路，并且得出其基本電路為RC文氏電橋振蕩電路。圖4-4RC橋式振蕩電路圖電路中采用反向并聯(lián)二極管的穩(wěn)定幅度電路，可以利用電流增大時二極管動態(tài)電阻變小，電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特性，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓信號較小時，二極管工作電流小，動態(tài)電阻大，電路的增益較大，引起增幅振蕩過程。當(dāng)輸出幅度大到一定程度，二極管工作電流大，動態(tài)電阻小，電路的增益下降，電路的輸出電壓幅值將不再上升，電路轉(zhuǎn)為等幅度振蕩，最后達(dá)到穩(wěn)定幅度的目的。RC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)，其理論推導(dǎo)如下：R1C1串聯(lián)阻抗：Z1=R1+1/(jwC1)R2C2并聯(lián)阻抗：Z2=R2/(1+jwr2R2C2)可得選頻特性如下：F=Uf/U0=Z2/(Z1+Z2)經(jīng)計算知：當(dāng)f0=1／(2πRC)時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的1／3，同時輸出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，也可通過改變R，C的取值，選出不同頻率的信號。振幅條件:︱A·F︱=1起振條件:自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強(qiáng)度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿足|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(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號進(jìn)行不斷衰減，結(jié)果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。4.3.2音頻集成功率放大器原理根據(jù)設(shè)計需要，功率放大電路主要以LM386為主。具有自身功耗低、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器。圖4-5LM386基本工作原理圖圖中，7腳所接容量為20μF的電容為去耦濾波電容，雖為旁路電容，但必不可少。實際應(yīng)用時，該端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲的作用。工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。增大這個電容的容值，可有效抑制噪聲。1腳與8腳為電源增益設(shè)定端，其所接電容、電阻是用于調(diào)解電路的閉環(huán)電壓增益，斷開時即內(nèi)定增益為20。制作當(dāng)中發(fā)現(xiàn)增益過小，在1腳和8腳之間加一10μF電容，增益達(dá)到50。5腳為輸出端，應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。該電容能隔離直流分量，避免電路出現(xiàn)故障出現(xiàn)直流分量損壞元器件；同時與揚聲器構(gòu)成高通濾波器，降低噪音。另要有電阻電容支路串聯(lián)接地，因為揚聲器是感性負(fù)載，能抵消揚聲器的反電動勢保護(hù)功放輸出末級。5Multisim原理圖繪制5.1選取元件在電腦上進(jìn)入Multisim界面后，單擊工具欄上的“新建”按鈕，新建一個設(shè)計文檔。單擊“保存”按鈕，在彈出的對話框中的文件名框中輸入“簡易電子琴”，再單擊“保存”按鈕，完成新建設(shè)計文件操作。單擊繪圖工具欄中的元件模式中的“P”按鈕，彈出選取元器件對話框，在此對話框左上角“keywords(關(guān)鍵詞)”一欄中輸入元器件名稱，如“LM324”，系統(tǒng)在對象庫中進(jìn)行搜索查找，并將與關(guān)鍵詞匹配的元器件顯示在“Results”中。在“Results”欄中的列表項中，雙擊“LM324”，則可將其添加至對象選擇器窗口，按照此方法完成其它元器件的選取。5.2放置元件及排版通過對象選擇器窗口單擊選擇相應(yīng)元件，在右側(cè)圖形編輯窗口中單擊左鍵放置元件。元件的移動：用鼠標(biāo)左鍵按住元件拖曳。元件的旋轉(zhuǎn)：選定所需旋轉(zhuǎn)元件，單擊繪圖工具欄左右旋轉(zhuǎn)按鈕完成旋轉(zhuǎn)。元件的刪除：通過鼠標(biāo)左鍵選定要刪除的元件，點擊鍵盤上的delete鍵即可完成對應(yīng)元器件的刪除。引出節(jié)點：在所需引出節(jié)點導(dǎo)線處單擊鼠標(biāo)右鍵，移動鼠標(biāo)即可在該點設(shè)置節(jié)點并引出導(dǎo)線。完成電路布線后，為使電路更加緊湊有邏輯性，各功能區(qū)域明顯，應(yīng)對相應(yīng)元件或?qū)Ь€位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。元件間的布線：將鼠標(biāo)移至元件引腳處待出現(xiàn)紅色方框單擊鼠標(biāo)左鍵將鼠標(biāo)移至所需連接的另一元件管腳處待出現(xiàn)紅色方框后再次單擊鼠標(biāo)左鍵完成單根導(dǎo)線的連接。以此類推，按照實驗原理圖放置元件并布線。元件位置調(diào)整：單擊相應(yīng)元件按住鼠標(biāo)左鍵并將元件拖曳至相應(yīng)位置后放開即可。導(dǎo)線間距的調(diào)整：將鼠標(biāo)移至要調(diào)整導(dǎo)線所連接的元器件，單擊該器件，相應(yīng)導(dǎo)線及元器件將變?yōu)檫x定狀態(tài)，將鼠標(biāo)移至該導(dǎo)線處出現(xiàn)左右（上下）調(diào)節(jié)標(biāo)志，按住鼠標(biāo)左鍵拖曳相應(yīng)導(dǎo)線到預(yù)定位置后放開，即可移動導(dǎo)線。5.3Multisim電路仿真在電路原理圖中，我們將各元件安放參數(shù)調(diào)試完畢，利用示波器觀察輸出參考點波形。我們將第一個采樣點選取在振蕩電路的輸出端，將第二個采樣點選取在總電路的輸出端。先將所有的開關(guān)打開，單擊開始按鈕，彈出示波器顯示窗格，通過按下不同的按鍵改變R的值，從而改變頻率進(jìn)而發(fā)出不同的聲音，同時只閉合一個開關(guān)。觀察示波器輸出的波形觀察示波器輸出的波形，進(jìn)行仿真結(jié)果分析。先組裝音階產(chǎn)生電路。要調(diào)出比較準(zhǔn)確的音階，需借助示波器測試各音階信號的周期，并通過串接電阻使得各音階達(dá)到正確的周期值，從而校準(zhǔn)音調(diào)。也可使用頻率計測量音階信號的頻率來實現(xiàn)音準(zhǔn)調(diào)節(jié)。如果電阻采用表格中的標(biāo)值電阻，則個別音調(diào)將略有偏離。檢查完成后，只需注意輸入電壓不要過高，通過電阻的串并聯(lián)，按下按鈕開關(guān)后，有相應(yīng)的聲音發(fā)出，但由于設(shè)計的局限性，效果不是很好，聲音比較沙啞。另外出現(xiàn)第三音階不發(fā)聲的情況，通過萬用表排除虛焊，發(fā)現(xiàn)是第三音階對應(yīng)第三個鍵接觸不良，發(fā)現(xiàn)是因為焊接時出現(xiàn)虛焊，更換后故障排除。6仿真分析結(jié)果6.1頻率及放大倍數(shù)測量由示波器的波形可讀出各個音調(diào)所對應(yīng)的周期，分別為：T1=3.95ms,T2=3.45ms,T3=3.10ms,T4=2.90msT5=2.56ms,T6=2.30ms,T7=2.02ms,T8=1.90ms根據(jù)公式f=，可求得相對應(yīng)的頻率大小如下：f1=253Hz,f2=290Hz,f3=323Hz,f4=345Hzf5=391Hz,f6=435Hz,f7=495Hz,f8=526Hz由示波器的波形可求出集成功放的電壓放大倍數(shù)Av=20.76.2理論比較由仿真得出的頻率與八個基本音階的頻率比較相近，均控制在了允許的誤差范圍之內(nèi)；由仿真得出的電壓放大倍數(shù)Av為20.7，也與理論值20相差不遠(yuǎn)。C調(diào)1234567if0/Hz（理論）264297330352396440495528f0/Hz（實際）253290323345391435495526由上圖比較分析可得此次的設(shè)計仿真比較成功，達(dá)到了設(shè)計要求。6.3誤差分析理論與實際雖然相近，但仍然存在一定的誤差，主要由以下原因引起：選擇的元件值不夠精確，與計算的理論值之間有一定差距；有一定的干擾信號存在，使結(jié)果出現(xiàn)誤差；在對波形的周期進(jìn)行讀數(shù)時，人為的引起誤差。7設(shè)計總結(jié)通過了兩周的準(zhǔn)備與設(shè)計，讓我們初次接觸到了模擬電子電路的課程設(shè)計，此次設(shè)計中我們通過了相關(guān)的設(shè)計計算和電路的焊接調(diào)試讓我們深層次的了解了我們之前所學(xué)的基礎(chǔ)知識，不僅提高了我自主學(xué)習(xí)的能力，更重要的是鍛煉了我們動手和自主分析解決問題的能力。首先開始學(xué)習(xí)Multisim軟件，學(xué)會自己利用軟件繪制電路圖，進(jìn)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，設(shè)計出兩個方案，但由于我們對其他方案中的單片機(jī)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，所以我們選擇了在課本中學(xué)到過的振蕩電路來設(shè)計，按照方案二進(jìn)行實施。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Multisim畫出電路圖進(jìn)行仿真，仿真成功后我們按照電路圖進(jìn)行實物制作制作當(dāng)中遇到許多的問題，先是LM386和 LM324 的焊接，由于放大增益過小發(fā)出的聲響太小，在老師的指導(dǎo)下我們又改裝，在LM386的1腳和8腳之間加了一個220uF的電容，使得增益達(dá)到50；然后是正負(fù)5V電壓的裝配，在老師的幫助下，在電路中另加了兩個10uF的電容串聯(lián)，使達(dá)到正負(fù)5V的電壓；最后是電子琴接通電源，用萬用表調(diào)節(jié)可變電阻，使電