简易电子琴课程设计报告超详细Word格式文档下载.docx
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............................................................................................................................4
方案论证
单元电路设计与数据分析
2.1
文氏桥正弦波震荡电路
2.2
LM386
组成的功率放大电路
确认理论参数
四
电路仿真..................................................................................................................................13
multisim
仿真图
仿真结果
2
误差分析及总结
五
元器件的选择.................................................................................................................19
元件分析
元件清单
六
PCB
设计..........................................................................................................................20
原理图设计
选择封装
生成
PCB
七
制作与调试.....................................................................................................................22
电路板的热转印，焊接元器件
故障排除并且接通电源
调试过程
4
数据记录和分析
八
试验中遇到的问题
..........................................................................................................25
仿真过程遇到的问题
制作
遇到的问题
电路调试的时候遇到的问题
九
心得体会
..........................................................................................................................26
十
参考文献...................................................................................................................................27
附录：
实物图
3
课程设计题目
在众多的题目里面我们选择“简易电子琴”作为我们课程设计的课题。
现在的电子琴一般使用
PCM
或
AWM
采样音源，就是录制乐器的声音，将其数字化后存
入
ROM
里，然后按下键时
CPU
回放该音。
现代电子琴并非“模仿”乐器音色。
它使用的
就是真实乐器音色。
当然，现在力度触感在电子琴里是必备的。
而且现代电子琴还加上了老
式电子琴的滤波器，振荡器，包络线控制来制造和编辑音色。
甚至老式电子琴的
FM
合成机
构。
但是这显然不是这次课程设计的方向和内容，根据课程设计的要求“融会贯通其所学的
“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法”说
明本次实验需要运用模拟电路还有数字电路的知识进行电路设计，所以，方案的设计就必须
绕开单片机等大型的
MCU，尽量选用市场上可以提供的中、大规模集成电路芯片和各种分
立元件等电子器件，并通过应用性设计来实现各功能单元的要求以及各功能单元之间的协调
关系。
设计任务及要求
我们选择的题目是简易电子琴，顾名思义，要求就是可以通过操作按键产生
dou,re,mi,fa,so,la,si,do（高音），声音要求音色相同，界限分明。
4
2017.6.28~2017.7.3
相关知识的回温，电路的初步构想，并进行
仿真
2017.7.4~2017.7.5
画出
PCB，购买元器件，并制出
板
2017.7.5~2017.7.6
实物调试
2017.7.6~2017.7.8
数据测量，数据分析，书写报告
本次进行该课程设计，我们组有两个同学，分别是苏伟强，周宇恒，苏伟强担任组长，负
责电路的设计，仿真，原理图及
绘制，调试过程的技术支持，数据分析等，周宇恒负
责元器件的采购，电路板的腐蚀及焊接，故障排除，电路调试，数据测量等。
电路设计
5
方案一：
LM324
与电阻电容构成文氏桥正弦波振荡器，正弦波的频率可通过电阻修改，
输出的正弦波再通过
组成的功放，提高带载能力，驱动喇叭发声。
方案二：
利用单片机的定时计数器产生
CTC
模式产生频率可调的方波，驱动蜂鸣器发声
方案三：
利用
NE555
与电阻，电容等组成可控多谐振荡器，NE555
产生方波信号，再经
进行功率放大，驱动喇叭发声。
选择方案：
方案二使用单片机实现，虽然是最简单的方法，但是不符合本课程设计的要求，
相关单片机课程设计是接下来的课程，方案三，设计难度也不大，但是由于需要用到
个芯
片，成本身高，555
集成性较高，对了解实验原理不是有很大的帮助，不是非常符合本实验
的要求，不予考虑，方案二仅仅使用一片集成运放，和
组成功放即可实现全部功能，
设计底层的相关计算比较难，但是对了解电路运行原理基本理论，提高自身能力非常有帮助，
所以，该课程设计，我们选择了方案二作为最终方案。
整体实现电路包括，文氏桥正弦波震荡电路还有
组成的功率放大电路，整体的框
图如图
所示：
图
现在对每部分进行分析：
所谓的正弦波震荡电路其实就是对电路电扰动（如合闸通电，还有幅度很小频率丰富的输
出量）进行选频，并且对所选的频率输出量进行放大，其他频率的输出量进行衰减的电路。
在文氏桥震荡正弦波震荡电路中，选频网络为文氏桥电路，放大电路是同相比例放大电路
6
（负反馈），为了保证对特定频率的输出量的放大能不断进行，引入了正反馈环节，文氏桥
电路也接正反馈回路，但是这样的放大不能无限放大，所以，必须同相比例放大电路的放大
倍数要随着时间非线性减小，使得电路能尽快达到正弦平衡，引入所谓的非线性环节，通过
二极管在导通电阻无穷小，不导通电阻无穷大的特性，使放大电路的比例系数，在满足起震
条件（后面会分析起震条件）后，随着时间的推移迅速下降，能尽快达到动态平衡，输出一
定频率的正弦波如图
2。
所以：
X
o
=
AX
f
AFX
o
于是：
AF
为了合闸通电之后能经过尽可能短的时间放大，然后尽快达到平衡，有起震条件：
>
综上所述，正弦波震荡电路必须由一下四部分组成
（1）放大电路
（2）选频网络（3）正
反馈电路（4）非线性环节。
下面对文氏桥正弦波震荡电路各部分进行分析：
7
文氏桥电路
如图
所示的文氏桥电路充当的是正反馈电路和选频网络电路，下面讨论起选频特性
电路的传递函数
G（s）
=
U
（s）
Uo
R1
+
sC
（1）
替换
jω
s
得：
G（
jω）
jωC
（2）
进一步化简得到：
R2
//
+1
（3）
8
λ
化简得到：
（R1
+
λ）（R2
λ）
R2λ
R
R
λ
R2
）
（4）
恢复
，化简得到：
R1
j（ωCR1
-
ωCR2
（5）
例如
R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF
令
f0
2πC
R1R2
使用
matlab
绘制
（1）函数得到:
9
f=0:
1:
10000;
R1=2000;
R2=1000;
C=0.1*10^-6;
f0=1/2*pi*C*sqrt（R1*R2））;
F=1./（2+R1/R2+j*（2*pi.*f*C*R1-1./（2*pi.*f*C*R
2）））;
figure;
subplot（2,1,1）;
plot（f,angle（F））;
title（'
相位频谱'
）;
ylabel（'
ψ（G（jw））'
xlabel（'
f'
subplot（2,1,2）;
plot（f,abs（F））;
幅度频谱'
|G（jw）|'
-6
1125Hz
，
由幅度谱可以知道当
f0时，因为
|
G（jω）
|=
即
Uf
相当于带通滤波器，又因为在整个文氏桥正弦波发生电路，反馈系数
F
jw）
，要筛选
出需要的信号
f0,也就是说
的信号要放大，其他信号缩小，但是事实往往无法特别精确，
因为文氏桥电路使得频率为
的信号强度下降为
所以放大倍数
A
至少要大于
4,才能使得在选频->
放大过程中信号不至于衰减，这也是必须
1起振的原因，当然，
其他频率的信号必须衰减，由传递函数的幅度频谱可以看出，要保证筛选出来的信号频率
f0
只在很小的范围内存在误差，那就必须使得
AF微大于1，也就是A微大于4
，而不能无限
制的升高
然而，如何控制
1呢，由该例（R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF）,根据
前面所述
，根据正弦波动态平衡条件
F
起震时必须
4,通过调整同相
比例放大电路可以实现
的微调，这样一来，频率为
的信号虽然被文氏桥衰减了，但是
通过放大，得到了补充，依旧可以维持，并且持续放大，直到动态平衡，频率不是
的信
10
乐声
dou
re
mi
fa
so
la
si
do
频率（Hz）
261
293
329
349
392
440
493
523
R2（kΩ）
18.592
14.752
11.700
10.398
8.242
6.541
5.210
4.630
号，文氏桥对他们衰减的幅度比
信号更大,虽然也得到相同程度的放大，但是不足以使其
信号始终保留，只会慢慢衰减，每经过一次文氏桥衰减的情况见传递函数幅度谱.可以看到
频率低于
的信号衰减得比较快。
注：
以上的讨论仅仅是对于
R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF
这种情况下，文氏桥
电路的传递函数，不同的电阻和电容的组合有不同的传递函数，系统的频谱图也不同，但是
相同的是都是带通滤波模型，且
2π
R1R2C1C2
。
本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的
R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF，
通过修改
的阻值，根据
得到对应频率信号的输出，通过
计算输
出，得到发出所有乐声频率的
的理论阻值为如下：
RX（x）=1/（（f（x）^2）*4*（pi^2）*（C^2）*R1）;
end
RX=RX./1000;
下面对同相比例放大电路做具体分析：
如同所示的同相比例放大电路包含正弦波震荡电路的放大电路环节还有非线性环节，
5
所示电路：
11
所示在电路刚起振的时候，电压比较低,还无法使得两个二极管导通，根据二极
管未导通时动态电阻无穷大的特点，两个二极管相当于断开，
接入电路，根据同相比例
放大电路特点，电压放大倍数：
Au
1+
R0
过一段时间后，二极管被导通，
被短路，反馈回路只有
接入电路，电压放大倍
数
，可以看到，电压放大倍数
从刚起振到经过一段时间，由于二极管动态
电
阻
的
非
线
性
特
，
呈
现
减
小
由
起
振
条
件
1，
当
F不变，当A减小，使得正弦平衡条件AF
1得以满足
同相比例放大电路的主要目的是放大特定频率的信号，如何实现这个过程，以下对此展
由于起震条件
的值，如图
3，就本课程设计而言，需要改变
的取值，所以，
12
的取值（但是又往往不能太大，下面会进行讨论），以满足所有
，使得电路都能起振，
的值，分别对应着一个文氏桥的传递函数，如下图所示，用
分别画出传递函数幅度
谱，观察在
处的幅度变化值，即
|=|
R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF，图中标注了点
x
13
0.1:
3000;
R2=14752;
f0=1/（2*pi*C*sqrt（R1*R2））;
F=1./（2+R1/R2+j*（2*pi.*f*C*R
1-1./（2*pi.*f*C*R2）））;
plot（f,angle（F）,'
LineWidth'
2）;
ψ
（G（jw））'
plot（f,abs（F）,'
由图的可以得到下面表格的数据：
注:
Amin
为满足起振条件的最小值
14
（KΩ）
（Hz）
0.4745
0.4683
0.4606
0.4561
0.4459
0.4337
0.4195
0.4112
Amin
2.1074
2.1353
2.1710
2.1925
2.2426
2.3057
2.3837
2.4319
可以看到，随着电阻的减小，选择的频率
就越来越高，这符合
但是，这样的升高不是没有代价的，代价就是频率为
的信号被该系统（文氏桥电路），削弱
的越多，可以看到，随着频率的升高，F
的值越来越小，可见文氏桥选频网络不适合做高频
筛选，因为频率越高衰减就越多，衰减越多，放大倍数不能够大，所以信号的完整度得不到
保证，对此可以使用
LC
正弦波振荡电路，这里不展开。
从图上看，需要匹配的最小电压放大倍数在增大，所以为了所有频率的正弦波都能被选出，
得到完整的波形而不至于被文氏桥衰减，必须选择这
8
个音符中频率最高的（523Hz），需要
放大的倍数最大的（2.4319），才能保证其余
个低频率的音符能够被筛选放大，而不至于
只被筛选，而得不到放大，由同相比例放大系数
得到，滑动变阻器的阻值应该是
R0
2.095kΩ
15
组成的功率放大器
文氏桥正弦波震荡电路虽然可以产生频率可调的正弦波，但是正弦波的带载能力太差了，
必须再接一个功率放大器，降低电路的输入电阻，提高带载能力，驱动喇叭发声。
7，LM386
组成的功率放大器，通过查阅数据首次，采用最小电压增益
20
的接法
设电源电压为VCC
，负载电阻
RL
，最大功率输出表达式：
Pom
（
RL
我们使用使用的喇叭的为”8Ω，0.5W”，电源为
6V
直流电源，带入数据，得到:
16
0.5625W
≈
0.5W
喇叭可以正常工作。
1,8
引脚断开，集成功放的电压放大倍数为
倍，3
口接滑动变阻器可以调节音量，5
上的
0.05uF
电容和
10Ω电阻组成校正网络用来进行相位补偿，6
脚接的电源
Vcc.
电路仿真
电路
multism
由第三部分的讨论，得到电路的
仿真图为:
17
文氏桥正弦波震荡电路
18
9
组成的功率放大器
文氏桥输出的正弦波,依次按下键
1,2,3,4,5,6,7,8，接通对应的电阻，观看虚拟示波器波
形，注:
由于调节限制，滑动变阻器调至
2kΩ
19
20
21
功率放大器输出的方波
从左到右依次按下键
1,2,3,4,5,6,7,8，接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形
22
音调
理论值（Hz）
仿真值（Hz）
234
270
312
335
384
436
489
520
误差（Hz）
-27
-23
-17
-14
-8
-4
-3
根据理论的文氏桥
电阻的修改得到的信号的频率存在误差，见下表：
由表可知，误差随着频率的升高越来越小，我们提出以下方案解决频率误差问题：
通过修改输出音调方案的频率，整体提高一个调，让整体的频率都上升，
根据上面得出的规律，误差在高频部分误差小
23
降低定值电阻
的阻值，串联一个滑动电阻，调节电阻，观察波形，直
到频率和理论值对应
方案一虽然可取，但是始终存在误差，而且出现问题无法及时调整，只能更换电阻，
市场上也很难买到诸如
18.541k
这样的电阻，方案二可以近乎完美的解决这个问题，通
过串联
个滑动变阻器到对应的定值电阻，加大了可调节性，可以通过调节电阻，使输
出频率逼近理论值。
另外从文氏桥正弦波震荡电路产生的正弦波，在
1,2,3,4
处信号的顶部被“削平”了，这
是因为每个
电阻对应一个文氏桥
值，所以由起振条件必定对应着一个
，为了使
得所有
个频率的，信号都得到放大，所以必须选择最高频率那个音符对应的放大网络
放大倍数，前面讨论了，这个值是
2.4319，根据
滑动变阻器的阻值
应该是
，所以就导致，前面
个音符的选频范围增大（参考传递函数图像），
例如筛选频率为
261
do
音，需要放大倍数仅仅是
2.1071，现在放大了
2.4319，使得他混
杂了其他频率的信号，同时，由于电压的限制，放大的电压超过了电源电压，被削平。
在调节各
对应的滑动变阻器的时候应该遵循以下规则，首先调节第
个音符的波形，
使得其为幅度恰当的正弦波，确保起振后可以被放大，而不至于被衰减，如果衰减了，调小
放大电路负反馈环节的滑动变阻器
RW1，增大放大倍数，加大信号的幅度，但是太大的幅
度会使得第一个音符波形被削平，所以这时候就要确保最后的音符波形可以起振并且保持，
而第一个音符的波形不至于被削平得很厉害，确保首尾两个音符波形频率正确了，才调节另
外
个滑动变阻器，使输出的波形还有频率都满足要求。
在调整功率放大电路的时候，应该确保输出的是规整的方波，先从第一个音符调起，调
节功率放大器的滑动变阻器
RW2,使得出现占空比接近
50%，然后接下来的
个音符都能满
足要求了。
切勿从低
个开始调起，这样不能保证前面
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