简易电子琴模电课设报告.docx

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简易电子琴模电课设报告

课程设计说明书

课程设计名称：

模拟电路课程设计

课程设计题目：

简易电子琴

学院名称：

南昌航空大学信息工程学院

专业：

通信工程班级：

学号：

姓名：

评分：

教师：

2013年3月11日

模拟电路课程设计任务书

2012－2013学年第2学期　第1周－3周

题目

简易电子琴

内容及要求

①产生e调8个音阶的振荡频率，分别由1、2、3、4、5、6、7、0号数字键控制；

②其频率分别为：

1：

261.6、2：

293.6、3：

329.6、4：

349.2、5：

392.0、6：

440.0、7：

439.9、0：

523；

③利用集成功放放大该信号，驱动扬声器；

④设计一声调调节电路，改变生成声音的频率。

进度安排

第1周：

查阅资料，到机房学习仿真软件，确定方案，完成原理图设计及仿真；

第2周：

领元器件、仪器设备，制作、焊接、调试电路，完成系统的设计；

第3周：

检查设计结果、撰写课设报告。

学生姓名：

指导时间：

周一、周三、周四下午

指导地点：

E楼311室

任务下达

2013年2月25日

任务完成

2013年3月15日

考核方式

1.评阅

　2.答辩□3.实际操作

　4.其它□

指导教师

系（部）主任

注：

1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。

2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。

摘要

在这个经济繁荣的社会，高端技术已经琳琳树立，例如电子琴就广受消费者的喜爱。

就此次设计的简易电子琴，它的基本设计要求是由NE555产生频率振荡，再通过控制琴键，即改变RC值从而改变频率控制音阶，再由集成功放电路输出。

在按动对应音阶的按键后电子琴能相应发出0、1、2、3、4、5、6、7八个音阶，能够演奏简单的音乐。

关键字：

NE555、功放电路、频率、电子琴

前言······························································1

第一章设计原理及系统组成·········································2

1.1设计方案···················································2

1.2设计原理···················································2

第二章功能模块设计及系统仿真·····································4

2.1模块功能···················································4

2.2输入端·····················································4

2.3555振荡器电路··············································4

2.4功率放大电路···············································5

2.5电路仿真结果···············································7

第三章系统调试与分析·········································9

第四章结论······················································10

参考文献··························································11

前言

电子琴最早是由美国发明家于上世纪20年代末发明，并于30年代制造投放市场的。

电子琴不是钢琴的简易版，也不是起源于钢琴，它们是两种不同的乐器，电子琴起源于管风琴。

电子琴分单排键电子琴和双排键电子琴（电子管风琴）。

1959年日本生产出世界上第一台立式双排键电子琴，它有三层键盘。

近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。

自从八十年代电子琴进入我国以来，电子琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱好者、专业音乐工作者和音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。

这无论是对提高整个人们的音乐素质，还是对音乐的发展都是意义重大的事。

电子琴适合初学者学习使用，适合中国国情，适合幼儿、儿童、少年学习，表现力丰富。

电子琴的强大功能，使专业音乐工作者有广阔的创作和表现空间，电脑技术的应用，拓宽了电子琴的应用空间，总之，电子琴促进了音乐教育的发展。

第一章设计原理及系统组成

1.1设计方案

方案一：

555定时器与电阻、电容等组成可控多谐振荡器，振荡频率取决于电阻的不同阻值。

方案二：

编写程序，用单片机的定时、计数器来产生不同方波频率信号实现电子琴操作。

经过进一步比较，方案一中用555产生脉冲，实现基本要求，通过采用可调电阻实现音调的高度变化，其中的电阻电容的价值比较便宜，可行性强，容易实现。

方案二中涉及单片机的相关知识，而且我们对单片机的了解应用不是很多，具有一定的难度。

综上所述，方案一为最佳选择。

1.2设计原理

简易电子琴由RC选频网络、集成运算放大器、功率放大器以及信号发生器组成。

如图：

图1-1电路原理框图

本系统主要由多谐振荡发生电路，扬声器及外部电路组成。

通过按键开关接通电路产生振荡方波信号，通过改变电位器电阻的大小来调节振荡频率的大小，接着驱动扬声器发出声音。

多谐振荡发生电路闭合一个开关，电路接通，电路外部电容、电阻与555芯片构成多谐振荡电路进行循环的充放电，输出脉冲矩形波信号。

操作方面，另设计有八个按键分别对应着控制八个音阶的琴键，闭合则对应音阶支路接通扬声器发声，断开声音停止，如图1-2。

图1-2初始原理图

NE555芯片与电阻电容等组成可控多谐振荡器，如图1-3，振荡频率f可由如下公式求得：

（1-1）

由公式可知，f仅与Ra、R16、C3有关，式中Ra对应R1-R8不同的组合值，这取决于各个开关的通断情况。

在已知目标频率f的情况下，可以通过理论计算得到各音阶所需Ra的理想值，考虑到电路中有元器件的内阻等因素产生系统误差，需要再利用万用表进行调试校准，从而确定每个音阶所对应的实际阻值，真正实现通过控制频率来控制音阶。

考虑到从电子市场购入的喇叭的额定功率不一定符合要求，而仅靠555芯片只能驱动小功率喇叭，故可以引入LM386功放电路产生增益，对其产生的音频进行功率放大使得声音变大。

图1-3改进原理图

第二章功能模块设计及参数选择

2.1模块功能

输入端：

由八个按钮开关与各自对应的定值电阻串联再并联组成输入端

频率产生端：

根据定值电阻的不同输入，由555产生不同的信号频率

扬声器端口：

接收信号频率发出特定的频率

2.2输入端

选频网络的频率推导公式为：

（2-1）

表2-1e调八个音阶对应频率

经过推导得到仿真原理图中电阻阻值分别为：

R1=27.2kΩ，R2=24.4kΩ，R3=11.1kΩ，R4=20.5kΩ，R5=18.2kΩ，R6=16.3kΩ，R8=23.5kΩ，R7=89.1kΩ

图2-1开关输入端电路

2.3555振荡器电路

电子琴之所以能产生音乐，是由于不同的电阻在555组成的多谐振荡电路中产生不同的频率，而频率是不同的音阶产生的根本原因，不同的音阶在人听来就是不同的音调。

555构成的振荡器电路可以不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲，这样就可得到制作电子琴的频率和循环播放的脉冲信号。

而且该多谐振荡器通过调整滑动变阻器即可实现频率调整，调节方便快捷。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。

在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

由555定时器构成的多谐振荡器如图所示，R1、R2和C2是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C2的连接处，将放电端（7脚）接到R1和R2的连接处。

图2-2555定时器基本工作原理图

多谐振荡的频率：

（2-2）

在7脚与电源之间加入一组音调电阻R1-R8替代可变电阻R2，即是一架玩具电子琴。

未按琴键S1-S8时NE555不振荡，扬声器不发声，电器不耗电。

按下某一琴键时，振荡频率改变，扬声器依555的振荡频率，发出相应的声响。

2.4功率放大电路

根据设计需要，功率放大电路主要以LM386为主。

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。

图2-3LM386基本工作原理图

图中，7脚所接容量为20μF的电容为去耦滤波电容，虽为旁路电容，但必不可少。

实际应用时，该端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。

工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。

增大这个电容的容值，可有效抑制噪声。

1脚与8脚为电源增益设定端，其所接电容、电阻是用于调解电路的闭环电压增益，断开时即内定增益为20。

如果用不到大的增益，电容C1可以不接。

不光省了成本，还可令噪声减少。

5脚为输出端，应外接输出电容后再接负载。

该电容能隔离直流分量，避免电路出现故障出现直流分量损坏元器件；同时与扬声器构成高通滤波器，降低噪音。

另要有电阻电容支路串联接地，因为扬声器是感性负载，能抵消扬声器的反电动势保护功放输出末级。

由于本次简易电子琴实验必须令增益最大化达到最佳效果，即增益效果为200倍，因此保留电容C1并取值为10μF。

电阻Rx2在0-20kΩ范围内取值，可使集成功放的电压放大倍数在20-200之间变化，令Rx2为零取最大放大倍数。

去除控制扬声器音量大小的可变电阻Rx1，直接将Ui输入达到音量最大的状态。

图2-4改进电路图

2.5电路仿真结果

图2-5音阶1的仿真曲线图2-6音阶2的仿真曲线

e调低音dou的仿真曲线如图2-5。

闭合开关S1，将所有电阻串联进电路，扫描频率选择0.4ms档,得到该曲线，其频率约等于262Hz。

e调ruai音的仿真曲线如图2-6。

闭合开关S2，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于294Hz。

图2-7音阶3的仿真曲线图2-8音阶4的仿真曲线

e调mi音的仿真曲线如图2-7。

闭合开关S3，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于330Hz。

e调fa音的仿真曲线如图2-8。

闭合开关S4，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于349Hz。

图2-9音阶5的仿真曲线图2-10音阶6的仿真曲线

e调sou音的仿真曲线如图2-9。

闭合开关S5，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于392Hz。

e调la音的仿真曲线如图2-10。

闭合开关S6，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于440Hz。

图2-11音阶7的仿真曲线图2-12音阶8的仿真曲线

e调xi音的仿真曲线如图2-11。

闭合开关S7，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于439Hz。

e调高音dou的仿真曲线如图2-12。

闭合开关S8，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于523Hz。

总结：

本次课程设计所得的实物中用的原理图和仿真的是一样的，但是由于仿真中用到的一些电阻、电容实际上有一定的不同，所以元件参数也会不一样，但是在误差范围内，符合要求。

第三章系统调试与分析

先组装音阶产生电路。

为了节省时间和空间，可用导线代替音阶按钮S1-S7，即用一根足够长的导线，一端接555电路的2、6公共端，另一端依次接触R1-R8的开路端来产生不同的声音。

要调出比较准确的音阶，需借助示波器测试各音阶信号的周期，并通过串接电阻使得各音阶达到正确的周期值，从而校准音调。

也可使用频率计测量音阶信号的频率来实现音准调节。

如果电阻采用表格中的标值电阻，则个别音调将略有偏离。

检查完成后，只需注意输入电压不要过高，通过电阻的串并联，按下按钮开关后，有相应的声音发出，但由于设计的局限性，效果不是很好，声音比较沙哑。

另外出现第三音阶不发声的情况，通过万用表排除虚焊、断路和电阻不能用的可能，发现是第三音阶对应B键接触不良，更换后故障排除。

图3-1电子琴实物图

为令实验结果更接近理想效果，令电位器取代了固定电阻，图为未更改前电路板实物图。

第四章结论

该电子琴接通电源，用万用表调节可变电阻，使电阻阻值为需要的对应的阻值，依次按下开关，扬声器发出八个对应的音频音阶，达到了设计所要求的效果。

本次电子琴关键部分在于发音部分。

对于模拟发音，是通过555定时发生器产生不同频率的脉冲，利用调节电位器改变接入有效电阻，易于频率的调试。

手动控制和自动控制是用模块化设计，通过模拟开关将两个独立的部分连接起来。

模块化的设计主要方便于电路的纠错、改进、测试。

完成的电子琴实物作品整体布局美观、线路连接分明、系统功能良好。

在实际调试过程中有些东西并不像仿真显示的结果那样，达不到所期望的性能指标。

例如当阻值取值和仿真相同时，所测频率比仿真频率偏高。

这就要求通过仪器的测量，加以合理判断调整电路参数。

在调试过程中发现电容值并不准确，而且由于漏电流情况，因此我们实际选用电阻应略大于计算值，选用漏电流较小的电容可以获得更好的效果。

实验中因为器件不足没有连接LM386芯片7管脚的旁路电容，该去耦滤波电容可以有效滤除噪音，故而无法令降噪效果达到最佳。

参考文献

[1].廖先芸,电子技术实践与训练[M],北京：

北京高等教育出版社，2000

[2].稻田保,振荡电路的设计与应用[M],北京：

科学出版社，2004

[3].陈永甫,555集成电路应用800例[M],北京：

电子工业出版社，2009

[4].康华光,电子技术基础（模拟部分第五版）[M],北京：

北京高等教育出版社，2006