数电课设之简易电子琴.docx
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数电课设之简易电子琴
课程设计任务书
学生姓名：
辛威专业班级：
电子1002班
指导教师：
韩屏工作单位：
信息工程学院
题目:
简易电子琴设计（数字）
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Vcc=+12V，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:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
（1）设计任务
根据已知条件，完成对简易电子琴电路的设计、装配与调试。
（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
f/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。
计算电路元件参数并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（选做：
用PSPICE或EWB软件完成仿真。
）
安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
时间安排：
1.2012年12月31日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报格式的要求，课设答疑事项。
2.2011年12月31日至2012年1月4日完成资料查阅、设计、制作与调试。
3.2012年1月4日至2012年1月5日完成课程设计报告撰写。
4.2012年7月5日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
1总体设计················································································3
1.1设计背景··········································································3
1.2设计任务和要求···································································3
1.2.1设计任务······································································3
1.2.2设计要求······································································3
1.3设计思路···········································································4
2原理与器件选择··········································································7
2.1电路图············································································7
2.1.1主板电路·····································································7
2.1.2键盘电路····································································7
2.1.3扩展电路····································································7
2.2原理简述·············································································7
2.3器件的选择···········································································8
2.3.1主板部分···································································8
2.3.2键盘部分····································································8
2.3.3扩展部分···································································8
3实物制作与输出波形···································································9
4调试与影响因素分析··································································14
5总结与体会·············································································15
参考文献··················································································16
附录1······················································································17
附录2······················································································18
1总体设计
1.1设计背景
电子琴是很好的娱乐工具，大人小孩都爱玩，甚至一玩就是几个小时“简易电子琴”使用了一个集成电路振荡器，一些按键和一个音频输出连接到功率放大电路。
现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源。
所谓采样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。
甚至有一些高级编曲键盘可以使用外置采样（比如Tyros3的硬盘音色）。
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。
甚至也带上了老式电子琴的FM合成机构。
1.2设计任务和要求
1.2.1设计任务
根据已知条件，完成对简易电子琴电路的设计、装配与调试。
1.2.2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
f/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。
计算电路元件参数并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
（选做：
用PSPICE或EWB软件完成仿真。
）
安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。
1.3设计思路
本次课程设计采用的是由555定时器电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡电路中RC元件的数值进行改变。
下面介绍一下555定时器以及其构成的多谐振荡器。
555定时器成本低性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
图1555定时器内部原理图
图2555定时器引脚图
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
图3555多谐振荡器电路图4555多谐振荡器工作波形
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—
C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。
是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得：
输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2
输出低电平时间T=R2Cln2
振荡周期T=（R1+2R2）Cln2振荡频率f=1/T=1/[（R1+2R2）Cln2]
根据这一原理，通过设定一些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的顺序依次将不同的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏的发出已设定的音频信号或音乐。
其简易框图如下：
图5总原理框图
2原理与器件选择
2.1电路图
2.1.1主板电路
图6主板电路图
2.1.2键盘电路
图7键盘电路图
2.2原理简述
NE555计时器用作振荡器，以生成音符。
振荡器的反馈路径是从U1的输出3脚返回到输入感应插脚2和6。
振荡器的频率由反馈电阻和插脚2和6所连接的10nF的电容器C4所决定。
相邻音符总反馈电阻的比例系数几乎都为1.0595。
这意味着音符的频率
或音调将按相同的系数或总量上升，这和现代音乐理论音符之间的“十二平均律”是完全吻合的。
通过电路图可以看到，扬声器连接在U1的输出插脚3和负极总线之间，另外还有一个150Ω的电阻器R9（起限流作用）和一个470μF的电解电容（隔直），这样的连接方式将使得集成电路的某些输出信号进入扬声器，其结果就是：
只要振荡器工作，扬声器就可以按振荡器的频率来产生声音。
2.3器件的选择
2.3.1主板部分
电阻R1,R4:
4.7KR2,R3,R5,R7:
100KR6:
47KR8:
51K
R9:
150ΩP1:
100K
电容C1,C2:
2,2μFC3:
47μFC4:
10nFC5:
470μFC6:
1000μF
二极管D1:
1N4007
三极管Q1,Q2:
2N3904Q3:
2N3906
集成电路U1:
NE555
直流电源9V
扬声器8Ω,0.5W
开关若干
2.3.2键盘部分
电阻R1,R2:
11KR3,R4:
10KR5:
9.1KR6,R7:
8.2K
R8,R9:
7.5KR10:
6.8KR11,R12:
6.2KR13,R14:
5.6K
R15:
5.1KR16,R17:
4.7KR18:
4.3KR19,R20:
3.9K
R21:
3.6KR22,R23:
3.3KR24:
3.0K
开关若干
2.3.3扩展部分
电阻R1,R2,R3:
10K
电容C1:
1nFC2:
47nF
开关若干
3实物制作与输出波形
图8简易电子琴实物图
图9简易电子琴实物图背面
图10264Hz时输出
图11297Hz时输出
图12330Hz时输出
图13352Hz时输出
图14396Hz时输出
图15440Hz时输出
图16495Hz时输出
图17528Hz时输出
4调试与影响因素分析
在焊接电路的过程中遇到了大大小小的问题，因为主板电路比较复杂，所以在布线的过程中为了尽量避免跳线想了很多心思，而键盘电路虽然有很多电阻和轻触开关且看起来很复杂但其实很有规律，在实际焊接的时候较主板电路容易很多。
但在电路焊好之后，用示波器测量输出波形以及输出信号的频率的时候相应电阻值对应的输出信号的频率与设计要求相差太大，不符合要求，将0.5W/8Ω扬声器接在输出端时，按下任何键扬声器都不响。
后来分析电路发现扬声器一端应接在555定时器的3脚（output），另一端应接地。
而我错将扬声器一端接在R9串联C5之后输出的那一端因此出错。
后经改正接上电源和扬声器，按相应键可以相当标准地发出设计要求中所要的音阶。
电子琴对电路的要求还是比较高的，将电路焊接在万用板上肯定没有用印刷电路板效果好。
器件的实际值与理论计算的值之间还是存在一定差距的，这也会对电路的性能造成一定的影响。
外界信号对电路的干扰也会使电子琴发出的音色有所影响。
5总结与体会
首先想说一点，原本这是数字电子技术基础的课程设计，老师鼓励我们用单片机来实现自己所选课题所要求的功能，但我并未以此作为课程设计最终上交的作品。
因为在大一就自己焊好过一个单片机，功能还比较齐全，因此如果用单片机来做简易电子琴这个课程设计，就只需要写一个程序导入单片机就能通过蜂鸣器实现，但这样显得过于简单。
我在课余时间自己动手写了那个程序，用单片机实现了功能。
后来又动手焊了一个如上所示的电子琴。
虽然比较类似模电课程设计，但其中的多谐振荡器我是用555定时器实现的，也是本学期数电课程的内容。
我这个电路图焊出的电路最终可以实现两个八度的音。
其中还有八个半音。
在实物图中标出了两个八度的音。
包含了设计要求中的八个音。
这次课程设计让我收获了很多。
花了三个下午来焊这个看似简单的电路，在实际焊接的过程中为了避免跳线想了很多法子，虽然最终还是有几处没法避免但使用三脚架跳线也让电路板看起来比较美观。
在焊电路的过程中，我将课本里这部分内容反复又看了几遍，在做课设的同时也对这部分内容做了很好的复习，网上查找资料对555定时器的功能以及它的用途了解了很多。
除此之外，动手能力也得到了较大的提高。
总的来说最大的收获还是培养了自己的耐心，虽然在做课设的过程中遇到了大大小小的问题和麻烦，我通过请教其他同学以及自己的独立思考将它们一一解决，非常有成就感。
参考文献
[1]吴友宇.数字电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2005
[2]康光华.电子技术基础数字部分（第5版）.北京:
高等教育出版社,2008
[3]TomPetruzzellis.电子游戏设备制作DIY.北京:
科学出版社,2008
[4]陈永甫.新编555集成电路应用800例.电子工业出版社,2001
[5]赵淑范，王宪伟.电子技术实验与课程设计.清华大学出版社,2006
[6]XX百科.简易电子琴
[7]TI.NE555芯片手册
[8]道客巴巴。
简易电子琴课程设计
附录1
主板部分
电阻
R1,R4:
4.7KR2,R3,R5,R7:
100K
R6:
47KR8:
51KR9:
150Ω
P1:
100K
电容
C1,C2:
2,2μFC3:
47μF
C4:
10nFC5:
470μF
C6:
1000μF
二极管
D1:
1N4007
三极管
Q1,Q2:
2N3904Q3:
2N3906
集成电路
U1:
NE555
直流电源
9V
扬声器
8Ω,0.5W
开关
若干
键盘部分
电阻
R1,R2:
11KR3,R4:
10KR5:
9.1K
R6,R7:
8.2KR8,R9:
7.5KR10:
6.8K
R11,R12:
6.2KR13,R14:
5.6KR15:
5.1K
R16,R17:
4.7KR18:
4.3KR19,R20:
3.9K
R21:
3.6KR22,R23:
3.3KR24:
3.0K
开关
若干
扩展部分
电阻
R1,R2,R3:
10K
电容
C1:
1nFC2:
47nF
开关
若干
附录2
本科生课程设计成绩评定表
姓名
辛威
性别
男
专业、班级
电子科学与技术1002班
课程设计题目：
简易电子琴设计（数字）
课程设计答辩或质疑记录：
1.电路的工作原理？
答：
通过改变电路中电阻与电容的大小来改变生成方波频率的大小，从而产生不同音调的声音。
2.NE555的作用？
答：
NE555计时器用作振荡器，以生成音符。
振荡器的反馈路径是从U1的输出3脚返回到输入感应插脚2和6。
它的振荡频率可以通过改变振荡电路中RC元件的数值进行改变。
根据这一原理，通过设定一些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的速度依次将不同的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏的发出已设定的音频信号或音乐。
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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