555式简易电子琴电路的设计方案

i 555 式简易电子琴电路的设计方案 一、设计目的 （ 1）掌握简易电子琴电路的设计和调试方法； （ 2）掌握简易电子琴电路的参数的计算方法。 二、设计任务 设计一个 简易电子琴 电路。 三、 设计内容与要求 根据设计要求和已知条件，确定电路方案，计算并选取外电路的元件参数。 四、设计资料及有关规定 使用的元器件要求为：功放 555 定时器，电阻，开关等。 五、设计成果要求 设计论文 六、物资准备 理系资料室查阅相关资料 件作好实验准备 七、主要图式、 表式 电路图、表要规范，符合设计要求 八、时间安排 设计动员，发放设计任务书 查阅资料、拟定设计程序和进度计划 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书 成设计，交指导教师审阅 成绩评定 九、考核内容与方式 考核的内容包括：学习态度；技术水平与实际能力；论文 (计算书、图纸 )撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结 合的方式，成绩评定按百分制记分。 十、参考书目 课程名称：数字电路课程设计 课程设计题目 院、系 物理与电子工程学院 专业 电子信息科学与技术 年级 2009 已知参数和设计要求： 设计一个 555简易电子琴电路。 学生应完成的工作： 1、 根据设计要求和已知条件，确定电路方案，计算并选取外电路的元件参数。 2、 使用的元器件要求为： 功放 555定时器，电阻，开关等。 目前资料收集情况（含指定参考资料）： 1 何希才 一版） ：国防工业出版社 2 徐国华 北京：北京航空航天大学出版社 3 陈振官 (第一版 ) 防工业出版社 4 黄继昌 00 例 民邮电出版社 1 程设计的工作计划： 设计动员，发放设计任务书 查阅资料、拟定设计程序和进度计划 确定设计方案、实验、画图、编写设计说明书 成设计，交指导教师审阅 成绩评定 任务下达日期 2011 年 6 月 1 日 完成日期 2011 年 6 月 14 日 指导老师 （签名） 学生 （签名） i 中文摘要 摘要： 本报告讲述了用 555 制作简易电子琴，从而产生八种不同音阶控制电路的设计，它能实现在按下 8 个按键的情况下产生 8种不同的音调 ，并且用 音调放大 。本实验完成了简易电子琴的设计和调试。基本设计思路是采用了模块设计：实现基本要求时只要用 555 构成多谐振荡电路，通过不同的电阻来获得不同的频率，经由果要实现提高要求则需要在基本要求上添加一部分电路即可。通过开关控制不同的电阻所对应的振荡电路的通断调节相应频率大小，从而产生不同的音调。 关键字： 简易电子琴 ， 目 录 中文摘要 . I 引言 . 1 1 设计要求与任务 . 2 2 总体框图 . 2 3 设计方案 . 2 用 555 定时器设计 . 2 用编码器 、 译码器 和 多谐振荡器设计 . 3 4 选择器件 . 3 验器材 . 3 55 定时器 . 4 55 定时器 的说明 . 4 55 定时器逻辑符号 . 4 55 定时器的内部原理图 . 4 55 定时器的逻辑功能 . 5 55 定时器的工作波形图 . 6 5 各部分电路 . 6 关输入端 . 6 55 定时器构成振荡器 . 7 部电路 . 8 外形和引脚的排列 . 9 6 设计电路与方案 . 10 本要求设计电路 . 10 荡和脉冲发生电路 . 10 放电路部分 . 11 计方案 . 11 7 参数计算 . 13 8 电路的调试及仿真 . 13 真图 . 13 证实验波形图 . 13 试结果与分析 . 16 验中的问题及解决办法 . 16 结束语 . 17 参考文献 . 18 致谢 . 19 555简易电子琴电路制作 1 引言 555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插 8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发 器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用 ， 例如家用电器控制装置、门铃、报警器、信号发生器、电路检测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源应用电路、自动控制装置及其它应用电路都有着广泛的应用，这是因为 拟电路和数字电路结合在一起的缘故。 电子琴最早是由美国发明家于上世纪 20年代末发明，并于 30年代制造投放市场的。电子琴不是钢琴的简易版，电子琴不是起源于钢琴，它们是两种不同的乐器，电子琴也起源于钢琴，电子琴起源于管风琴。电子琴分单排键电子琴和双排键电子琴（电子管风琴）。 1959年日本生产出世界上第一台立式双排键电子琴，它有三层键盘。 近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。自从八十年代电子琴进入我国以来，电子 琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱好者、专业音乐工作者，音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。这无论是对提高整个人们的音乐素质，还是对音乐的发展都是功德无量的事。 555简易电子琴电路制作 2 1 设计要求与任务 学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。了解由 555定时器构成简易电子琴的电路及原理。 2 总体框图 总体框图如图 1所示。 图 1 总体框图 该电路包括按钮开关，定值电阻， 555 振荡器和扬声器三部分组成。 1 输入端： 由八个按钮开关与各自的定值电阻串 联在并联组成输入端。 2频率产生端：根据定值电阻的不同输入，由 555 产生不同的信号频率。 3 扬声器端口 :接受信号频率发出特定的频率。 3 设计方案 用 555 定时器设计 采用两个 555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器，颤音振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。 主振荡器由 555定时器，七个琴键按钮 接电容 接电阻 1音振荡器由 555定时器，电容 9、 音振荡器振荡频率较低为 64将其输出电压 器 555 定时器复位端 4，则主振荡器输出端出现颤音。 此简易电子琴主要由两部分组成：多谐振荡器、功率放大器声音输出。原理框图如图 2所示。 555简易电子琴电路制作 3 图 2 简易电子琴原理框图 用编码器、译码器和多谐振荡器设计 利用编码器，译码器，多谐振荡器设计如图 3 图 3 利用编码器，译码器，多谐振荡器设计 综上所述：选择方案一，原因是用 555定时器比单片机方便简洁，无需琐碎的器件，且操作容易，不易混乱。 4 选择器件 验器材 电子琴电路制作所需的器材如表 1 表 1 实验器材 名称 键开关 拨动开 关 电阻 电容 电路板 电池 导线 扬声器 数量 1 8 1 9 3 1 1 若干 1 555简易电子琴电路制作 4 55 定时器 55 定时器的说明 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 艺制作的称为 7555。 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。它内部包括两个电压比较器， 三个等值串联电阻，一个 发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 3 和 23 55 定时器逻辑符号 555定时器逻辑符号如图 4 图 4 555 定时器逻辑符号 55 定时器的 内部原理图 555定时器的内部原理图如图 5所示。 高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为 低电平触发端，简称低触发端，标志为 制电压端。 出端。 电端。 位端。 555简易电子琴电路制作 5 图 5 555 定时器的内部原理图 55 定时器的逻辑功能 555定时器的功能表如表 2 表 2 555 定时器的功能表 H X X 0 1 2/31/3 1 1/3变 1 2/3，写为 ，当 的电压 2/3为 ，当 的电压 1/3 ，比较器 论 本 经输出反相缓冲器后， 0； 时称 555 定时器 “ 高触发 ” 。 55 定时器的 工作波形图 图 6 555 工作波形图 5 各部分电路 关输入端 开关输入端电路如图 7 图 7 开关输入端 555简易电子琴电路制作 7 逻辑功能： 八个开关与经计算出来的固定电阻串联后再其并联，给 555 震荡器产生不同的信号，从而产生不同的频率。 55 定时器构成振荡器 由 555定时器构成的多谐振荡器， 是外接定时元件，电路中将高电平触发端（ 6脚） 和低电平触发端（ 2脚）并接后接到 的连接处，将放电端（ 7脚）接到 由于接通电源瞬间，电容 容器两端电压 于（ 1/3）高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出 电管 时，电源经 充电，使 电压 2/3） 出 电管 通，把 1/3） 升到（ 2/3） 维持时间 。充电时间常数 （ C。由于放电管 容 2和放电管放电，电路进人第二暂稳态 容的放电 时间有关，放电时间常数 的放电， 1/3）出 为高电平，放电管 路又翻转 到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后， 1/3 2/3） 间变化。 由 555定时器和外接元件 所示，脚 2与脚 6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 充电，以及 2向 放电端 放电，使电路产生振荡。电容 间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图 9所示。 输出信号的时间参数是： T= （ 1） 2） C 中， 为 1/3， 放电所需的时间。 555电路要求 但两者之和应不大于 555简易电子琴电路制作 8 图 8 555 构成多谐振荡器 图 9 多谐振荡 器的波形图 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。 部电路 部电路原理图如图 10 所示。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， 别构成复合管，作为差分放大电路的放大管； 成镜像电流源作为 有源负载； 号从管的基极输入，从 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。 图 10 部电路原理图 555简易电子琴电路制作 9 第二级为共射放大电路， 放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的 9管复合成 管 极管2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 出端（引脚 5）应外接输出电容后再接负载。 电阻 2的发射极，形成反馈通路，并与 6 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。 外形和引脚的排列 器 ,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少 ,电压增益内置为 20。但在 1脚和 8脚之间增加一只外接电阻和电容 ,便可将电压增益调为任意值 ,直至 200。输入端以地位参考 ,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半 ,6它的静态功耗仅为 24得 1 所示。 图 11 外形和引脚的排列 源电压 412V，音频功率 响功放是由 造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到 15V，消耗静态电流为 4电源电压为 12 8欧姆的负载情况下，可提供几百 555简易电子琴电路制作 10 6 设计电路与方案 本要求设计电路 我们先用 555定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。不过，我们这个施密特触发器稍微复杂一些，除了“二六一搭”以外，又增加了一个电阻 1R 。 1R 与 555定时器内部的放电管 辑上，这个反相器的输出与 555 定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两个输出端，分别为 555定时器的 3号脚和 7号脚。我们看到，电阻 2R 和电容 密特触发器的一个输出端（ 7 号脚）接 分电路的输入端， 分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样，一个多谐振荡器就成了。施密特触发器的另外一个输出端（ 3 号脚）专门作为多谐振荡器的输出，可以最大 限度地保证多谐振荡器的带负载能力。 电子琴之所以能产生音乐，是由于不同的电阻在 555组成的多谐振荡电路中产生不同的频率，而频率是不同的音阶产生的根本原因。而不同的音阶在人听来就是不同的音调。 555 构成的振荡器电路可以不需要外加触发信号 ,能自动地产生矩形脉冲，这样就可得到制作电子琴的频率和循环播放的脉冲信号。其电路图如图 12所示。 计算频率应用公式： f =1/1R +2* 2R )*C (3) 图 12 555 定时器构成的多谐振荡器 555简易电子琴电路制作 11 放电路部分 集成功放大电路可以有多种选择，如三极管放大、差分放大、运放等等，考虑到本次是对音频放大，故选择的是通用型音频功率放大器。采用 格低廉。般采用 6源，最大输出功率为 1W，因该器件散热条件不够理想，一般输出功率为 般为 部结构知，电路的电压放大倍数可由内部 、 8间的外围元件确定。当引脚 1、 8间不接任何元件时，其电压放大倍数为 20 倍，当引脚 1、 8之间外接 电容 10 电压放大倍数为 200。此时，内部的 阻倍交流短路，其电压放大倍数表示式为 : 2 2R / 1R =30k /150 。引脚 5 与地之间外接 容和 10 欧电阻为补偿电路，可提高电路的稳 定性，防止电路高频自激。当 源的影响将会增大，为此在引脚 7与地之间外接 10 功率放大器 发生器，能直接驱动扬声器， 如图 13所示为 压增益最大时的用法， 3C 使引脚 1和 8在交流通路中短路，使 200； 4C 为旁路电容；5C 为去耦电容，滤掉电源的高频交流 成分。当 16V、 32时， 1W，但是，输入电压有效值 仅需 13 放电路 计方案 利用非对称式多谐振荡器电路来作为发声电路，由频率值 1： 2： ： 4： 5： 6： 7： 0： 523 和确定 一个电容值可计算得不同的电阻值。当且仅当 74向器输出高电平， 74率才能输出 ,末级接 理电路图如下图 14 555简易电子琴电路制作 12 当依次按下按键时 74应的输入端为低电平，以此来控制分别发出 8 个不同信号，通过 74译再通过反相器使得 而依次触发8个环形振荡器产生不同频率信号，最后通过功放把 8个音阶依次输出。 电路图如 14所示。通过开关来选通不同充电电阻从而改变输出频率。 以 555为核心组成的多谐振荡电路，由不同的充电电阻选 择不同的频率，再通过功率放大器驱动扬声器从而产生不同的音调。 555和 8R 、 9R 、 1C 等组成一个无稳态多谐振荡器，可以通过开关 1J - 8J 选通不同阻值的充电电阻（ 1R - 8R ）， 得到不同的频率，即发出不同的音符；改变 9R 的阻值也可改变频率达到改变频率的要求。通过设计要求中所给的频率计算相应的阻值，选择合适的电位器调节后接入电路中。采用小功率功率放大器 大音频信号，驱扬声器，按下不同的琴键，产生不同的音调。当开关断开时，电器不耗电；开关闭合时，电器工作。 图 14（方案二） 简易电子琴基本要求电路图 555简易电子琴电路制作 13 7 参数计算 取 1C =9R =3 2C =10 3C =22 4C =10 5C =47据所给频率按照 555组成多谐振荡器求解周期的公式 。 T=1/f=1R +2* 2R ） C （ 4） 可求得产生 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 0所对应频率需要的电阻阻值 1R = ; 2R = ; 3R = ; 4R = ; 5R = ; 6R = ; 7R = ; 0R ( 8R )= . 8 电路的调试及仿真 真图 5所示。 图 15 真图 证实验波形图 1、开关闭合无信号输入时的波形图如图 16 所示。 555简易电子琴电路制作 14 图 16 开关闭合无信号输入时的波形图 2、分别打开八个开关时的波形图分别如下。 频率为 262图 17所示。 图 17 频率为 262形图 频率为 2948所示。 图 18 频率为 294形图 频率为 3309所示。 图 19 频率为 330波形图 555简易电子琴电路制作 15 频率为 3490所示。 图 20 频率为 349波形图 频率为 3921所示。 图 21 频率为 392波形图 频率为 4402所示。 图 22 频率为 440波形图 频率为 4943所示。 图 23 频率为 494波形图 555简易电子琴电路制作 16 频率为 5234所示。 图 24 频率为 523波形图 试结果与分析 当按下按键开关后，能够按照实验者的设计发出“哆” , “来” , “咪” , “发” ,“嗦” ,“啦” , “西” , 7 个音调，虽然音调并不是很准当然没有市场上电子琴的声音好，且前面四个音调没有后四个音调效果好，；音调不准可能是调节电阻值存在误差。在焊接完成后我们不急于一次性把所有的都连好 ,逐级焊接和测试 ,每条电路都检查是否有虚焊和少焊。待电路全部焊接完毕后，再次检查防止电路短路 ,在确保无误后我们开始进行最后测试 ,电 路能很好的实现它的功能。 验中的问题及解决办法 （ 1）焊接前要注意排版，排版的合适性直接影响实验各器件的正常工作，而且要使接线方便，不容易使电路板导线短路； （ 2）在焊接电路时，由于焊料本身有一定的电阻，所以在焊接时，应该使元器件尽量贴着万能板，距离大概留 2 3毫米。同时既要保证不虚焊，也不能焊的过多，以免造成短路； （ 4）导线分布要合适，所用导线不宜过长，过长主要有三点敝处： 每焊好 一条线后都要对其进行检查，使其更牢固。避免在出问题后进行的大规模检查； （ 5）注意外加电压应该在芯片的耐压值范围内，电压太小，则声音很小，效果不 明显，但是电压过高，则可能烧坏芯片 ; （ 6）买来的元器件应首先检查是否有用，如果不检查则使调试变得十分困难。 555简易电子琴电路制作 17 结束语 本次实验我认为是很有必要的，不但是对所学知识的一种检验，可以让我们在课程设计的过程中巩固所学的知识，发现自己的不足，而且也是对动手能力的一种培养。只有将理论与实践相结合，将理论用实践的方法反映出来，才是学习这门课程的关键。 通过两周的课程设计，基本 完成了简易电子琴的制作。电子琴的制作主要涉及是模拟电路和数字电路，这是电子领域中的基本电路，此次课题要求完把数字模拟相结合，并且完成模拟电路的调试，做出的电子琴具有发声准、原理简洁、电路简单、制作成本低，有一定的实用性，可以作为某些简易电子琴的实验样品，然后做成小玩具，具有市场前景，有很大的现实意义。本次电子琴设计大部分采用 片，当然关键部分在于发音部分，对于模拟发音，是通过 555 定时发生器产生不同频率的脉冲，利用调节电位器改变接入有效电阻，易于频率的调试。手动控制和自动控制是用模块化设计，通过模拟开关 将两个独立的部分连接起来，模块化的设计主要方便于电路的纠错、改进、测试。完成的电子琴实物作品整体布局美观、线路连接分明，系统功能良好。 555简易电子琴电路制作 18 参考文献 1 何希才 一版） ：国防工业出版社 2 徐国华 北京：北京航空航天大学出版社 3 陈振官 (第一版 ) 防工业出版社 4 黄继昌 00例 民邮电出版社 1 5 梁宗善 华中理工大学出版社 6 赵珂 彭嵩 三 )7 张延琪 . 常用电子电路 280例解析 . 中国电力出版社 2004年 12月 8 周惠潮 . 常用元器件及典型应用 . 电子工业出版社 2005年 1月 9 沈长生 . 常用电子元器件使用 300问 . 机械工业出版社 2005年 5月 10 胡宴如 . 模拟电子技术 . 高等教育出版社 2007年 6月 11 杨志忠 . 数字电子技术 . 高等教 育出版社 2008年 2月 12 康华光 . 电子技术基础 四版） . 高等教育出版社 2003 年 3月 555简易电子琴电路制作 19 致谢 在整个设计过程中，我要特别的感谢我的数字电路老师李敏君老师，她在设计方面给我很大的启发和改正，在实际操作和仿真中给了我很大的帮助，耐心地帮助我指导我，帮助我修改论文的格式，帮助我怎样使得论文更加规范美观，在这里我表示真诚的感谢！ 在整个设计过程中印象最深完成实物连接的过程，我感觉这就是本次设计最关键的部分。当一下子连接好实物的时候，我经历了喜悦；在发现了问题的时候，我都很气恼， 急着找根源；当问题迟迟得不到解决的时候我又变得很急躁；当故障解除的时候终于可以松口气。整个过程都是一种提高。所以我以后要多向别人学习。最后希望以后可以多一些这样的课程设计，不断提高自己的动手能力， 培养了我科学严谨的思维方法，更造就了我积极乐观的生活态度和开拓进取的创新意识 实的基础知识和开阔的视野，使我更了解 社会；在不断的学习和工作中养成的严谨、踏实的工作作风和团结协作的优秀品质，使我深信自己完全可以