电子琴.docx

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电子琴

xxxxx

《模拟电子技术》课程设计

题目简易电子琴

学生姓名xxx

专业班级xxx

学号xxx

院（系）xxx

指导教师xxx

完成时间xxxx

目录

1课程设计的目的1

2课程设计的任务与要求1

3设计方案与论证1

3.1方案选择与论证1

3.2电子琴的设计思路2

4设计原理与功能说明3

4.1元器件选用原理3

4.2总体电路4

5单元电路设计5

5.1集成功放电路5

5.2振荡电路6

5.3振荡电路原理7

5.4音频集成功率放大器原理10

6硬件的制作与调试11

6.1电子产品的仿真11

6.2仿真结果分析18

7总结19

参考文献21

附录一：

总体电路原理图22

附录二：

元器件清单23

附录三：

设计成果展示24

1课程设计的目的

通过学习模电课程从中了解到简易电子琴功能全面，所用知识多，能够学有所用。

简易电子琴具有便于携带能够培养和开发所学人能力等特点，故我选用此种器材。

2课程设计的任务与要求

根据已知条件，完成对简易电子琴电路的仿真设计、装配与调试。

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表2-1所列。

表2-1C调八音阶对应的基本频率

C调

1

2

3

4

5

6

7

i

f0/HZ

264

297

330

352

396

440

495

528

选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

3设计方案与论证

3.1方案选择与论证

方案一：

LM324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，再由LM386进行音频放大。

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LM324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。

3.2电子琴的设计思路

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3-1所示。

图3-1电子琴结构

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=0.068μf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。

4设计原理与功能说明

4.1元器件选用原理

1．运算放大器的选择

LM386是一种音频集成功能放大器，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。

LM386的引脚的排列如图4-1所示。

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

图4-1LM386外形与管脚图

2．RC震荡器的选择

（1）RC移相式振荡器：

具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。

其振荡频率是：

fo=1/2π√6RC

（2）RC桥式振荡器：

将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。

故一般选用RC桥式振荡器。

3．扬声器的选择及参数

扬声器是本电路中重要的元器件之一。

它是一种能将电信号转换为声音或将声音转换为电信号的换能器件，这种器件能完成电能和声能的相互转换。

（1）扬声器的种类

扬声器种类繁多，但最常用的是动圈式扬声器（又称电动式）。

而动圈式扬声器又分为内磁式和外磁式，因为外磁式便宜，所有本款报警器选用外磁式的扬声器。

其组成有：

纸盆、折环、音圈、盆架、防尘罩、音调、磁铁、导磁夹板、场心柱等。

（2）扬声器功率、阻抗的选择

扬声器在电路图中的符号很形象。

扬声器上一般都标有标称功率和标称阻抗值。

阻抗值为8Ω的扬声器。

一般认为扬声器的口径大，标称功率也大。

在使用时，输入功率最好不要超过标称功率太多，以防损坏。

万用表R1电阻档测试扬声器，若有咯咯声发出说明基本上能用。

测出的电阻值是直流电阻值，比标称阻抗值要小，是正常现象。

（3）扬声器的工作原理

当有音频电流通过音圈时，音圈产生随音频电流而变化的磁场，在永久磁铁的磁场中时而吸引时而排斥，带动纸盆振动发出声音。

4.2总体电路

电子琴的音量控制器，实质上是一个可调电阻器。

当转动音量控制器旋扭时，可调电阻器的电阻就随着变化。

电阻大小的变化，又会引起喇叭声音强弱的变化。

所以转动音量控制旋扭时，电子琴发声的响度就随之变化。

当乐器发声时，除了发出某一频率的声音——基音以外，还会发出响度较小、频率加倍的辅助音——谐音。

我们听到的乐器的声音是它发出的基音和谐音混合而成的。

不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐音的响度也不同。

因而使不同的乐器具有不同的音品。

在电子琴里，除了有与基音对应的电装置外，还有与许多谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装置，就可以模仿出不同乐器的声音来，其原理如图4-2。

图4-2电路原理图

5单元电路设计

5.1集成功放电路

集成功放电路内置电压增益为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通常为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。

如图5-1所示：

图5-1集成功放电路图

5.2振荡电路

图5-2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（式5-1）

由式5-1推导可得：

F=

≈

（式5-2）

则由式5-2及起振条件|A·F|>1，可得：

即

（式5-3）

选择R1=800Ω，R2=900Ω，R3=1500Ω

5.3振荡电路原理

1.RC振荡电路

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，由上表我们可以知道选择RC振荡电路。

其基本电路为RC文氏电桥振荡电路。

如图5-3所示：

图5-3RC桥式振荡电路图

2.RC串并联选频网络

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，其理论推导如下：

R1C1串联阻抗：

Z1=R1+1/（JWC1）（式5-4）

R2C2并联阻抗：

Z2=R2/（1+JWR2C2）（式5-5）

可得选频特性：

即当f0=1／（2πRC）时，输出电压的幅值最大，并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。

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，也可通过改变R，C的取值，选出不同频率的信号。

3.振荡条件

1）自激振荡条件

含外加信号的正弦波振荡电路如图5-4所示，其中A，F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。

图5-4中若去掉Xi，由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出，如图5-5所示Xf=Xi，可得自激振荡电路。

自激振荡必须满足以下条件：

振幅条件：

│A∙F│=1（式5-6）

相位条件：

&A+&F=2nπn

Ζ（式5-7）

图5-4含外加信号的正弦波振荡电路

图5-5无外加信号的正弦波振荡电路

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。

5.4音频集成功率放大器原理

LM386是一种音频集成功放大器，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。

LM386内部电路原理图如图5-6所示。

图5-6LM386内部电路原理图

与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。

第一级为差分放大电路，V1和V3、V2和V4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；V5和V6组成镜像电流源作为V1和V2的有源负载；V3和V4信号从管的基极输入，从V2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。

使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，V7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的V8和V9管复合成PNP型管，与NPN型管V10构成准互补输出级。

二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。

电路由单电源供电，故为OTL电路。

输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到V2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

6硬件的制作与调试

6.1电子产品的仿真

我们用multisim进行了仿真，具体仿真曲线如下：

图6-1C调低音dou的仿真

C调低音dou的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再闭合开关J0将所有电阻串联进电路，然后将调节示波器扫描频率到0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于264Hz。

图6-2C调ruai音的仿真

C调ruai音的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再闭合开关J1，保持示波器的扫描频率在0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于297Hz。

图6-3C调mi音的仿真

C调mi音的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再闭合开关J2，保持示波器的扫描频率在0.2ms/div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于330Hz。

图6-4C调fa音的仿真

C调fa音的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再闭合开关J3，保持示波器的扫描频率在0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于352Hz。

图6-5C调suo音的仿真

C调suo音的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再合上开关J4，保持示波器的扫描频率在0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于396Hz。

图6-6C调la音的仿真

C调la音的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再合上开关J5，保持示波器的扫描频率在0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于440Hz。

图6-7C调高音xi的仿真

C调高音xi的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再合上开关J6，保持示波器的扫描频率在0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于495Hz。

图6-8C调高音dou的仿真

C调高音dou的仿真曲线如上图所示。

点击“运行”，再合上开关J7，保持示波器的扫描频率在0.2ms/Div档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于528Hz。

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440Hz。

6.2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R0到R7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。

7总结

经过两周的模电实训到目前告一段落，再决定做电子琴时心中充满了好奇与喜悦。

我们小组也花了很多时间去准备。

在确定小组题目之后，我们就进行了小组分工，我负责检测，另外3个同学分别负责仿真与焊接电路板，就这样我们开始了工作。

我看到简易电子琴的设计，而且电路当中也提示了用振荡电路，所以以这个为切入点我开始了原理的设计。

在模电课程的第九章我们学过了正弦波信号产生电路，所以我就从书本当中寻找相关的知识点，看到RC正弦波振荡电路是一个很好的选择。

接着我就开始归纳列写原理，并设计出了电路。

之后我将电路进行检测，最终我们做出了我们的实物。

但当我们与其他做这个题目的同学讨论的时候发现我们做的不完整，我们只是做了振荡电路，并没有做后续电路，结果拿去测试的时候没有发出想要的音调。

虽然我们没有得到最终的结果，但是在这个过程当中我们把所学到的东西运用到了实际当中，在这个过程当中，我们加深了对知识点的理解。

在这个过程当中我们也明白了合作的重要性，虽然原理大家都懂，但是在当今时代合作的优越性远远胜过个人的战斗。

在设计电路的过程当中，我发现很多平时不懂的地方渐渐地懂了。

整个课设完成之后我明白了把理论运用于实际比单单学习理论知识更重要，因为在平时的学习过程当中我们只是把知识点一学，觉得懂了会做题了就一切无忧了，可是在这次设计的过程当中发现这是远远不够的。

在设计的过程当中还是有很多不会的，而且就算会但是有很多地方还的注意到实际的应用性以及节省性。

毕竟实际当中是需要利益的最大化，所以还是要学会很多的技巧。

之所以这次设计不完整在于我的实际应用太少了，对于很多的东西还不懂，所以少做了功放，导致结果的不完整。

这次课设我学会了很多，也发现有很多地方要改善，我想这对于以后的学习很有帮助。

参考文献

[1]康华光.主编.模拟电子技术基础（第5版）.高等教育出版社.2005

[2]陈大钦.主编.电子技术基础实验－电子电路实验、设计、仿真.高等教育出版社.2002

[3]童诗白.主编.模拟电子技术基础（第3版）.高等教育出版社.2001

[4]王远.主编.模拟电子技术.机械工业出版社.1994

[5]衣承斌刘京.主编.模拟集成电子技术基础.南京：

东南大学出版社.1994

附录一：

总体电路原理图

附录二：

元器件清单

元器件名称

规格

元器件名称

规格

LM324

——

电阻R1

800Ω

LM386

——

电阻R2

900Ω

二极管

1N4001

电阻R3

1500Ω

喇叭

——

电阻R4

1kΩ

示波器

——

电阻R5

9.09kΩ

直流电源1

5V

电阻R6

10.34kΩ

直流电源2

-5V

电阻R7

13.08kΩ

直流电源3

12V

电阻R8

16.15kΩ

电容C1

0.1uF

电阻R9

20.44kΩ

电容C2

0.1uF

电阻R10

23.26kΩ

电容C3

4.7uF

电阻R11

28.72kΩ

电容C4

10uF

电阻R12

36.34kΩ

电容C5

0.047uF

电阻R13

10Ω

电容C6

220uF

附录三：

设计成果展示