模电课程设计简易电子琴的设计样本Word下载.docx
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Proteus软件的模拟仿真直接兼容厂商的SPICE模型,采用了扩充的SPICE3F5电路仿真模型,能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等,具有超过8000种的电路仿真模型。
Proteus软件支持许多通用的微控制器,如PIC、AVR、HC11以及8051;
包含强大的调试工具,可对寄存器、存储器实时监测;
具有断点调试功能及单步调试功能;
具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。
另外,Proteus可对IARC-SPY、KEIL等开发工具的源程序进行调试。
另外,在Proteus中配置了各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、频率计,便于测量和记录仿真的波形、数据。
3.简易电子琴基本原理
3.1音乐产生原理
由于一首音乐是许多不同的音阶组成的,而每个音阶对应着不同的频率,这样我
们就能够利用不同的频率的组合,即可构成我们所想要的音乐了。
音调主要由声音的频率决定,乐音（复音）的音调更复杂些,一般可认为主要由基音的频率来决定,也即一定频率的声音对应特定的乐音。
在以C调为基准音的八度音阶中,所对应的频率如表1所示。
如果能够经过某种电路结构产生特定频率的波形信号,再经过扬声器转换为声音信号,就能制作出简易的乐音发生器,再结合电子琴的一般结构,就可实现电子琴的制作了。
3.2设计原理
3.2.1振荡电路原理
由于RC振荡电路,一般用来产生1HZ~1MHZ范围内的低频信号;
而LC振荡电路一般用来产生1MHZ以上的高频信号,由上表我们能够知道选择RC振荡电路。
其基本电路为RC文氏电桥振荡电路。
图1RC桥式震荡电路
RC桥式振荡电路能够选出特定频率的信号。
理论推导过程如下:
即当f0=1／（2πRC）时,输出电压的幅值最大,而且输出电压是输入电压的1／3,同时输出电压与输出电压同相。
经过该RC串并联选频网络,能够选出频率稳定的正弦波信号,也可经过改变R,C的取值,选出不同频率的信号。
图2所示为含外加信号的正弦波振荡电路,其中A,F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。
图2中若去掉Xi,由于反馈信号的补偿作用,仍有信号输出,如图3所示Xf=Xi,可得自激振荡电路。
自激振荡必须满足以下条件:
图2正弦波震荡电路图3自激震荡电路
自激振荡的初始信号一般较小,为了得到较大强度的稳定波形,起振条件需满足|AF|>
1。
在输出稳定频率的波形前,信号经过了选频和放大两个阶段。
具体来说,是对于选定的频率进行不断放大,非选定频率的信号进行不断衰减,结果就是得到特定频率的稳定波形。
LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机之中。
3.3方案设计
3.3.1振荡电路
振荡电路图如图4所示
图4振荡电路图
选择C1=0.1uF,R4=1kΩ,根据公式,结合表一,即可计算出八个音阶对应的电阻值,分别为R5=9.09KΩ,R6=10.34KΩ,R7=13.08KΩ,R8=16.15KΩ,R9=20.44KΩ,R10=23.26KΩ,R11=28.72KΩ,R12=36.34KΩ。
选定R4≠R,且R4≤R（8）
由式3推导可得:
F=≈（9）
则由式（8）及起振条件|A·
F|>
1,可得:
即（10）
选择R1=800Ω,R2=900Ω,R3=1500Ω
3.3.2集成功放电路
集成功放电路图如图5所示
图5集成功放电路图
如图5所示为LM386外围器件最少的连接方式,其内置电压增益为20倍。
C3取4.7uF为退耦电容,所谓退耦即防止前后电路网络电流大小变化时,在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。
换言之,退耦电容能够有效地消除电路网络之间的寄生耦合。
退耦滤波电容的取值一般为4.7-200uF,退耦压差越大,电容的取值应该越大。
C4为旁路电容,它可将混有高频信号和低频信号的交流信号中的高频成分旁路掉的电容,取10uF。
C6为隔直传交电容,取220uF。
3.3.3整体电路图
图6整体电路图
4.Proteus原理图绘制
4.1选取元件
进入Proteus界面后,单击工具栏上的”新建”按钮,新建一个设计文档。
单击”保存”按钮,在弹出的对话框中的文件名框中输入”简易电子琴”,再单击”保存”按钮,完成新建设计文件操作,其后缀名自动为.DSN。
单击绘图工具栏中的元件模式中的”P”按钮,弹出如图9所示的选取元器件对话框,在此对话框左上角”keywords（关键词）”一栏中输入元器件名称,如”LM324”,系统在对象库中进行搜索查找,并将与关键词匹配的元器件显示在”Results”中。
在”Results”栏中的列表项中,双击”LM324”,则可将其添加至对象选择器窗口。
按照此方法完成其它元器件的选取,如果忘记关键词的完整写法,能够用”*”代替,如”SWITC*”能够找到开关。
被选取的元器件
4.2放置元件及排版
经过对象选择器窗口单击选择相应元件,在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。
元件的移动:
用鼠标左键按住元件拖曳。
元件的旋转:
选定所需旋转元件,单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。
元件的删除:
经过鼠标左键选定要删除的元件,点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。
将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。
以此类推,按照实验原理图放置元件并布线。
引出节点:
在所需引出节点导线处单击鼠标右键,移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。
完成电路布线后,为使电路更加紧凑有逻辑性,各功能区域明显,应对相应元件或导线位置进行相应调整。
4.3模拟及仿真
电路连接无误后,根据实验要求,选定所需信号源及测试仪表,单击仿真键仿真。
示波器:
在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项,将其放置到图形编辑窗口,连接相应导线至测试点。
5.Proteus电路仿真
由于Proteus具有强大的仿真功能,因此我们优先选用Proteus作为本电路图的仿真工作。
在电路原理图中,我们已经将各元件安放参数调试完毕。
下面就需要用示波器观察输出参考点波形。
我们将第一个采样点选取在振荡电路的输出端,将第二个采样点选取在总电路的输出端。
先将所有的开关打开,单击开始按钮,弹出示波器显示窗格,经过按下不同的按键改变R的值,从而改变频率进而发出不同的声音,但只能同时闭合一个开关。
观察示波器输出的波形,进行仿真结果分析。
图7按下R12的波形图
图8按下R11的波形图
图9按下R10的波形图
图10按下R9的波形图
图11按下R8的波形图
图12按下R7的波形图
图13按下R6的波形图
图14按下R5的波形图
6.仿真结果分析
6.1频率及放大倍数测量
由示波器的波形可读出各个音调所对应的周期,分别为:
T1=4.00ms,T2=3.50ms,T3=3.00ms,T4=2.92ms
T5=2.50ms,T6=2.30ms,T7=2.01ms,T8=1.90ms
根据公式f=,可求得相对应的频率大小如下:
f1=250Hz,f2=286Hz,f3=333Hz,f4=342Hz
f5=400Hz,f6=435Hz,f7=498Hz,f8=526Hz
6.2理论比较
由仿真得出的频率与八个基本音阶的频率比较相近,均控制在了允许的误差范围之内;
C调
1
2
3
4
5
6
7
i
f0/Hz（理论）
264
297
330
352
396
440
495
528
f0/Hz（实际）
250
286
333
342
400
435
498
526
因此此次的设计仿真比较成功,达到了设计要求。
6.3误差分析
理论与实际虽然相近,但依然存在一定的误差,主要由以下原因引起:
1）选择的元件值与计算的理论值之间有差距;
2）有一定的干扰信号存在,使结果出现误差;
3）在对波形的周期进行读数时,人为的引起误差。
7.设计总结
经过了几周的准备与设计,我们终于完成了简易电子琴的设计。
我们这是第一次接触课程设计,因此一直在边学习边设计。
首先开始学习proteus软件,学会自己利用软件绘制电路图,进行仿真。
接下来我们经过查阅了很多的资料,发现制作简易电子琴有很多方法,但由于我们对其它方案中的单片机等元器件不了解,对其中的电阻电容等一些频率的计算有一定的难度,因此我们选择了在课本中学到过的振荡电路来设计。
在设计振荡电路的时候,我们遇到了问题。
我们经过理论计算,选取了元器件,然后按照设计的电路图用proteus画出电路图进行仿真,但得到的波形并不是理论的波形,频率的偏差很大,且出现了失真。
因此我们又再次检查了电路图,发现了问题并进行了改进,最后终于得到了比较理想的结果。
在设计集成功率放大器时,我们开始选择的是课本上的TDA2030A构成的BTL功放和单电源互补对称功放,可是由于在proteus的软件库中没有这种元件,因此只能放弃。
同样的,其它很多的元件都不能在proteus中找到,因此我们查了很多资料,最后选定了使用LM386。
我们确定了整体的电路图后,就开始整体的调试仿真,经过最后得出的波形图调整一些元件的参数,最后得到了与理论值比较接近的波形,这时候激动的心情是难以形容的。
8.心得体会
这次的模电课设,我从中又学到了另外一门软件,那就是proteus的使用,其实在画电路图的时候,我也遇到了不少的问题,首先,它是全英文版的,我就先在网上找了一些视频
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