简易电子琴课程设计.docx
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简易电子琴课程设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
工作单位：
信息工程学院
题目:
简易电子琴电路的设计仿真与实现
初始条件：
可选元件：
集成运算放大器LM324、电阻、电位器、电容若干，直流电源，或自备元器件。
可用仪器：
示波器，万用表，直流稳压源，函数发生器
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据要求，完成对简易电子琴电路的仿真设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。
（2）设计要求
①设计一简易电子琴电路，按下不同琴键即改变RC值，能发出C调的八个基本音阶，采用运算放大器构成振荡电路，用集成功放电路输出。
已知八个基本音阶在C调时所对应的频率如下表所列
C调
1
2
3
4
5
6
7
i
f0/HZ
264
297
330
352
396
440
495
528
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
③利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系统功能。
④安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。
⑤选做：
利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。
时间安排：
1、前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。
2、后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1.模电课设概述……………………………………………………………………
（1）
1.1设计背景……………………………………………………………………
（1）
1.2设计目的及意义……………………………………………………………
（1）
1.3开发环境proteus简介……………………………………………………
（1）
2.电路原理…………………………………………………………………………（3）
2.1RC桥式振荡电路及频率选择………………………………………………（3）
2.2振荡条件……………………………………………………………………（4）
3.总体方案设计……………………………………………………………………（5）
3.1实验电路设计思路…………………………………………………………（5）
3.2设计电路图…………………………………………………………………（6）
3.3实验参数选择………………………………………………………………（6）
4.仿真曲线及结果分析……………………………………………………………（7）
4.1仿真操作过程及曲线………………………………………………………（7）
4.2仿真结果分析……………………………………………………………（14）
5.实物制作及仿真、实物的差异………………………………………………（15）
5.1实物制作过程和调试过程………………………………………………（15）
5.2仿真、实物的差异………………………………………………………（16）
6.心得体会………………………………………………………………………（17）
7.元件清单………………………………………………………………………（18）
8.参考文献………………………………………………………………………（19）
1模电课设概述
1.1设计背景
电子琴是一种键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生音响。
简易电子琴的设计方法：
它采用模拟电路中的RC正弦振荡原理。
设计出的电子琴音阶频率满足国际标准，La调频率满足国际标准音C调频率440Hz。
给出电路参数的选取方法和一组参考值。
结果证明，用模拟电路方法制作电子琴结构简单，而且成本低廉。
对于固定的简单功能的实现，模拟电路具有结构简单，实现方便，成本低廉的优点。
在这方面，模拟电路得到广泛的应用。
模拟电路中的RC正弦波振荡电路具有一定的选频特性，乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。
本文介绍基于RC正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。
1.2设计目的及意义
1、培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。
2、锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。
3、通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。
4、巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。
5、为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。
1.3开发环境proteus简介
Proteus软件是一款极好的单片机应用开发平台，它以其特有的虚拟仿真技术很好地解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题，可以在没有单片机实际硬件的条件下，利用PC以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使单片机应用系统设计变得简单容易。
Proteus软件涵盖了PIC、AVR、MCS8051、68HC11、ARM等微处理器模型，以及多种常用电子元器件，包括74系列、CMOS4000系列集成电路、A/D和D/A转换器、键盘、LCD显示器、LED显示器，还提供示波器、逻辑分析仪、通信终端、电压/电流表、I2C/SPI终端等各种虚拟仪表，这些都可以直接用于仿真设计，极大地提高了设计效率和设计水平。
Proteus由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。
PROTEUS有两种截然不同的仿真方式：
交互式仿真和基于图表的仿真。
其中交互式仿真可实时观测电路的输出，因此可用于检验设计的电路是否能正常工作。
而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的分析，因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。
Proteus提供了丰富的资源
（1）Proteus可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
（2）Proteus可提供的仿真仪表资源：
示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。
理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
（3）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。
这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
（4）Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
2电路原理
2.1RC桥式振荡电路及频率选择
图2.1
RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。
具体实现过程的关键是RC串并联选频网络。
经过推导可以得到如下结论：
即当
时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的
，同时输出电压与输出电压同相。
通过该RC串并联选频网络，可以选出频率稳定的正弦波信号，也可以通过改变R、C的值，选出不同频率的信号。
本实验通过改变电阻R的值来改变选频网络选出的频率，从而得到不同频率的信号，进而通过音频输出设备输出不同频率的声音。
2.2振荡条件
2.2.1自激振荡条件
图2.2.1
上图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。
图中若去掉Xi，由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出。
若
，可得自激振荡电路。
自激振荡必须满足以下条件：
1．振幅条件：
2.相位调节：
，
2.2.2起振条件
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。
3总体方案设计
3.1实验电路设计思路
简易电子琴由RC选频网络、集成运算放大器、节拍信号发生器组成。
其框图如图下所示。
图3.1实验设计思路电路
其核心是集成运算放大器构成RC正弦波振荡器，实验板上提供了8个音节电阻和电容（C串=C并=0.1μf固定）构成RC串并联选频网络,分别取不同的电阻值（通过琴键开关接通RC串并联网络的8对电阻）使振荡器产生八个音阶信号。
最后，通过扬声器发出乐音。
3.2设计电路图
图3.2简易电子琴仿真电路
上图即为简易电子琴仿真电路图，8个开关对应着电子琴8个音阶琴键，使用时闭合不同的开关可以发出不同的声音。
电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是±5V，其中引脚4接+5V，引脚11接-5V。
3.3实验参数选择
选频网络的频率推导公式为：
其中R1为图中的固定电阻R4，R2为图中需要调节阻值的8个电阻。
表1C调八音阶对应的基本频率
唱名
dou
ruai
mi
fa
sou
la
xi
dou（高）
频率
264
297
330
352
396
440
495
528
经过推导得到仿真原理图中R5=9.1，R6=10.3，R7=13.08，R8=16.1，R9=20.4，R10=23.26，R11=28.7，R12=36.3。
单位：
（千欧）
4仿真曲线及结果分析
4.1仿真操作过程及曲线
根据要求用proteus进行了仿真，具体仿真曲线如下：
C调低音dou的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再闭合开关SW0将所有电阻串联进电路，然后将调节示波器扫描频率到0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于264Hz。
C调ruai音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再闭合开关SW1，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于297Hz。
图
C调ruai音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再闭合开关SW1，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于297Hz。
mi音的仿真曲线
C调mi音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再闭合开关SW2，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于330Hz。
fa音的仿真曲线
C调fa音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再闭合开关SW3，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于352Hz。
图sou音的仿真曲线
C调sou音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再合上开关SW4，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于396Hz。
图la音的仿真曲线
C调la音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再合上开关SW5，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于440Hz。
xi音的仿真曲线
C调xi音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再合上开关SW6，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于495Hz。
图4.1.8高音dou的仿真曲线
C调高音dou的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”，再合上开关SW7，保持示波器的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于528Hz。
4.2仿真结果分析
本实验先是利用RC振荡电路起振，产生正弦波信号，然后通过RC选频网络进行选频，最后经过LM324放大后输出到音频设备及得到不同频率的声音。
本实验仿真得到的波形为方波（观察示波器输出波形可知），并且在零刻度线的上下部分是对称的。
当开关从R12到R5依次闭合时，串联进电路中的电阻依次减小，因此有公式：
可得，振荡电路产生的信号的频率依次增大，选出的信号的频率也依次增大。
5实物制作及仿真、实物的差异
5.1实物制作过程和调试过程
在理论分析和软件仿真的基础上，我们按设计的电路图进行了实物的焊接和调试。
由于电阻的阻值大小不是常用的阻值，所以我们进行了拼凑使其与设计时的阻值近似相等。
同时为了美观，我们将设计的电阻都分成三个电阻的组合。
5.2仿真、实物的差异
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、电容实际买不到，并且仿真和实际都会存在误差，所以实物和仿真的元件参数并不一样，比如，仿真和实物中用的电阻不一样。
6心得体会
通过一周周的准备与设计，我们完成了简易电子琴的设计。
在本次模拟电路课程设计中，我通过查找资料复习课本，开始认识了模拟电路的要求和技能。
我们这是第一次接触课程设计，所以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。
接下来我们通过查阅了很多的资料，发现制作简易电子琴有很多方法，但由于我们对其他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，所以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。
我们通过理论计算，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。
所以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 ?
我们小组进行了合理分工，我和一个同学负责制作实物，另外两个同学负责运放lm324的仿真设计。
我们彼此探讨商量，不厌其烦，不断修改，自己也学到了很多。
?
我在上面花的时间或许超出我的预想，但我知道，自己做的却并不出色，因为我的基础知识不够扎实，而且我的学习分析能力较差。
我必须认真投入，而这次实物主要由黄星星来负责，我觉得很自己付出的其实还太少，我也必须意识到自己动手能力还有待提高。
从大家身上我看到了自己的差距。
我觉得，只有越多的付出，才可以最大可能的做到更好。
?
在模电课设中我们遇到了很多问题，最后在同学的指导下，终于解决了。
同时，从同学身上学到很多实用的知识，在此我表示感谢!
我非常感谢和我在同一组的另外三个同学。
我认识到自己本身的局限，也因为他们我才可以静下心来，认真思考，分析。
不断地修改课设，完善课设。
?
7元件清单
元器件名称
规格
LM324
——
二极管
1N4007
喇叭
——
纽扣电池
3V
电容C1
0.1uF
电容C2
0.1uF
电阻R1
900Ω
电阻R2
800Ω
可调电阻R3
2000Ω
电阻R4
1kΩ
电阻R5
9.10kΩ
电阻R6
10.30kΩ
电阻R7
13.08kΩ
电阻R8
16.10kΩ
电阻R9
20.40kΩ
电阻R10
23.26kΩ
电阻R11
28.70kΩ
电阻R12
36.30kΩ
按键
——
8参考文献
[1]王远?
?
《模拟电子技术》?
机械工业出版社，1994
[2]吴友宇《模拟电子技术基础》北京：
清华大学出版社，2009
[3]康华光《电子技术基础（模拟部分）》北京：
高等教育出版社，2006
[4]周润景《PROTEUS入门实用教程》北京：
机械工业出版社，2007
[5]周灵彬《基于Proteus的电路与PCB设计》北京：
电子工业出版社，2010
本科生课程设计成绩评定表
姓名
性别别
专业、班级
课程设计题目：
简易电子琴的设计仿真与实现
课程设计答辩或质疑记录：
1、为什么用的是RC正弦振荡器而不用LC正弦振荡器？
因为RC正弦振荡器一般用来产生1Hz~1MHz范围内的低频信号，而LC正弦振荡器一般用来产生1MHz以上的高频信号。
任务中要求的最大的频率只有528Hz,所以我们用的是RC正弦振荡器。
2、proteus仿真中为什么会有杂音？
我们在电路中使用了一个滑动变阻器来调节放大电路的反馈系数，当没有调节到理想值时频率也会和理想的频率有些偏差，当调到理想值时，杂音自然消失了。
3、如何确定的选频网络的电阻值？
选频网络中串联的电阻是一直不变的，所以我们选取一个常用的电阻值，便于仿真和制作实物，然后按任务要求的不同音调的频率，根据公式
求得各个音调所对应的电阻。
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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