简易电子琴课程设计my.docx
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简易电子琴课程设计my
课程设计任务书
学生姓名：
尹龙剑专业班级：
电信1005班
指导教师：
王绪国工作单位：
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。
（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、第18周前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。
2、第18周后半周，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设计背景
介绍一种八音阶微型电子琴的设计方法，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
A.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。
B.锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。
C.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。
D.巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。
E.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multisim简介
Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
目前在各高校教学中普遍使用Multisim2001，网上最为普遍的是Multisim9，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NIMultisimv10作为其中一个组成部分包含于其中。
EDA在发达国家的应用状况
EDA就是“ElectronicDesignAutomation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。
发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。
一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。
EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。
EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。
美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim9软件就是这方面很好的一个工具。
而且Multisim9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。
学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。
并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
极大地提高了学员的学习热情和积极性。
真正的做到了变被动学习为主动学习。
这些在教学活动中已经得到了很好的体现。
还有很重要的一点就是：
计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
2电路原理
2.1基本乐理知识
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。
如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号，再通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。
2.2RC桥式振荡电路及频率选择
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：
可得选频特性：
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。
2.3振荡条件
2.3.1自激振荡条件
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：
，
2.3.2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。
参数推导
则由式（8）及起振条件|A·F|>1，可得：
所以RF1，RF2和Rf的选取应满足式（9），但实际取值时，应让RF1略小于Rf。
RF2的取值也应适当，以满足式（6），实现自激振荡。
式中RF1，RF2和Rf依次对应于仿真图中的R11,R10和R9.
2.4当R1与R2不相等时，其推导公式如下：
串联阻抗：
并联阻抗：
所以反馈系数为：
令
有
得到
2.4.2起振条件推导如下：
当
有
在实际电路当中有R1<而AF>1,所以有
得到
关于电路当中的几点说明：
1.所以在我设计的电路当中有
我们选R10为8K，R11为5k，R9为9K.
2.左边当中的电阻为串联，从上到下一次按下开关有阻值减小，而得到的音调增高。
根据公式
有R0到R7依次为：
14K,10K,7.2K,7.9K,5.7K,5K,2.3K,16.7K。
3.电路当中，U1A为集成运放RC串并联网络是选频网络，同时兼有正反馈网络功能，R9，R10，R11是负反馈网络，两个二极管是稳幅电路。
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。
3.2设计电路图
上图即为八音阶微型电子琴仿真电路图，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。
本试验中LM324芯片的正向输入端为引脚3，反向输入端为引脚2，1为输出端为引脚。
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,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（HZ）
264
297
330
352
396
440
495
528
经过推导得到仿真原理图中R0=2220，R1=1700，R2=1000，R3=1600，R4=1250，R5=1220，R6=600，R7=65400。
说明：
实际仿真的结果所对应的电阻值有些误差。
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multisim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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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
在做完了仿真之后，我们又制作了实物，具体见下列图片。
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，仿真中用的电容是0.068uF的而实物中用的电容却是0.33uF，还有仿真和实物中用的电阻也不一样。
6心得体会
这次课设在期末期间进行的，所以比较匆忙，但是我们小组也花了很多时间去准备。
在知道小组题目之后，我们就进行了小组分工，我负责原理，另外2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。
在拿到题目之后，我看到时简易电子琴的设计，而且题目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。
之后我将电路给其他2个同学去仿真并焊接实物，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。
7参考文献
[1]吴友宇《模拟电子技术基础》北京：
清华大学出版社，2009
[2]康华光《电子技术基础（模拟部分）》北京：
高等教育出版社，2006
[3]周润景《PROTEUS入门实用教程》北京：
机械工业出版社，2007
[4]周灵彬《基于Proteus的电路与PCB设计》北京：
电子工业出版社，2010
[5]胡桃生《模拟电子技术》合肥：
合肥工业大学出版社，2009
[6]铃木亚臣《晶体管电路设计》
[7]蒋黎红《模电数电基础实验及Multisim7仿真》浙江大学出版社，2007
本科生课程设计成绩评定表
姓名
尹龙剑
性别别
男
专业、班级
电信1005班
课程设计题目：
简易电子琴电路的设计仿真与实现
课程设计答辩或质疑记录：
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
升级会员 