数电课程设计---电子琴.doc

数字电子技术基础简明教程摘 要本次设计所制作的是一块简易电子琴，主要通过ne555定时器芯片构成多谐振荡电路，这个电子琴主要有8个音符，通过8个电位器及琴键开关构成音符控制电路，改变电位器阻值来改变个音符频率，从而达到所要音符频率要求，最后通过小喇叭发出不同频率的声音。ne555是属于555系列的计时ic的其中的一种型号，555系列ic的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同，但它总体上计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜；而555是一个用途很广且相当普遍的计时ic，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。555的操作电源电压范围极大，可与ttl，cmos等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。关键词：电子琴；ne555定时器；多谐振荡器；电位器；8个音符频率阻值 abstractthis practice is a simple made ne555 timer, mainly through electronic circuit chip resonance swings, the keyboard mainly eight notes, through eight potentiometer and keys switch constitute notes control circuit, resistance to change a potentiator change notes, thus achieved the frequency to note, through the small frequency of different frequencies of the speaker. ne555 belongs to the timing of the ic 555 series model, one of the series ic 555 feet function and application are compatible, just because the price of the different types of different its stability, save electricity, can produce the oscillation frequency is the same, but it also overall accuracy is high temperature, time, and the stability of cheap price, and a wide use 555 timing and quite common, just a few of the ic resistance and capacitance, can produce all kinds of digital circuit of different frequency pulse signal. key words：ne555 timer； many harmonic oscillator,；potentiometer,；eight notes frequency resistance目录 1 设计要求及方案选择1.1、设计要求1、每个音符的中心频率偏移不大于5hz；2、能发出1234567i八个音符，也可以是一个音阶；3、音长由弹奏者自由控制；4、主要单元电路和元器件参数计算、选择；5、画出总体电路图；6、安装自己设计的电路，按照自己设计的电路，在通用板上焊接。焊接完毕后，应对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接、虚焊的现象；7、调试电路；8.提交格式上符合要求，内容完整的设计报告。1.2、方案选择方案1：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，八个琴键按钮s1s8，外接电容c1、c2，外接电阻r9以及r1r8等元件组成，由不同阻值的电阻与555定时振荡器产生不同频率音符，接通扬声器后，即可得到八音符。方案2：采用at89c52单片机进行控制。方案3：采用atmega16单片机进行控制，实现的功能基本与52相当。方案4：用可控硅制作电子琴，将220v交流电经过变压器降压，在经过滤波，整形得到12v直流电压，将单向可控硅scr和电阻，电容组成驰张震荡电路。 鉴于上述分析对比，本设计采用方案1。2 理论分析与设计2.1电子琴电路的分析及设计由555 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。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值的rc 组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏地发阳已设定的音频信号或音乐。本实验采用1个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器，扬声器和琴键按钮。振荡器由555定时器，八个琴键按钮s1-s8，外接电容c1、c2，外接电阻r9以及r1-r8，滤波电容c3、c4组成。按图接线后闭合不同开关即可令喇叭发出不同频率的声响，从而模拟出电子琴的工作。 根据音乐音阶信号的分析测量，根据音乐音阶信号的分析测量，已知八个基本音阶的频率 表一: 音阶频率对应图音阶1234567i频率(hz)261.6293.7329.6349.2392.0440493.9523.3 555时基电路的多谐振荡电路输出矩形波的周期为：t=t充电+t放电=0.7(r1+2r2)c1,若取c1=0.1uf，为了产生c调的七个音阶，通过计算，各音阶振荡频率对应的电阻值 表二:音阶电阻对应图音阶1234567i电阻(k)22.33219.34516.69315.4713.24011.2509.476610.2352.2功能模块 图2-2-1电子琴的总体框图2.3、模块功能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再并联组成输入端；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。2.4电子琴电路的分析及设计 器件选择表三名称ne555按键开关拨动开关电阻电容电路板电源扬声器数量181105111555定时器 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。 由555定时器构成的多谐振荡器如图2所示，r1，r2和c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r2和c的连接处，将放电端（7脚）接到r1，r2的连接处。 由于接通电源瞬间，电容c来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管vt截止。这时，电源经r1，r2对电容c充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）vcc时，输出uo为低电平，放电管vt导通，把uc从（1/3）vcc 上升到（2/3）vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间tph的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数t充=（r1r2）c。 由于放电管vt导通，电容c通过电阻r2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间tpl的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数t放r2.c随着c的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）vcc时，输出uo为高电平，放电管vt截止，vcc再次对电容c充电，电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，uc电压总是在（1/32/3）vcc 之间变化。图二（b）所示为工作波形。图2.4.1 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形集成555定时器有双极性型和cmos型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，cmos型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512v，最大输出电流200ma以内，并能与ttl、cmos逻辑电平相兼容。逻辑符号 555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图：图(a) 图（b） 图(c)图2.4.2 555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列 内部原理图图2-4-1 555定时器的内部原理图vi1（th）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为th。vi2（tr）：低电平触发端，简称低触发端，标志为tr。vco：控制电压端。vo：输出端。dis：放电端。rd：复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻r组成的分压网络。vcc两个基准电压；两个电压比较器c1、c2；一个由与非门g1、g2组成的基本rs触发器（低电平触发）；放电三极管t和输出反相缓冲器g3。rd是复位端，低电平有效。复位后, 基本rs触发器高端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。 逻辑功能 表四：555定时器逻辑功能rstthtrout0xx012/3vcc1/3vcc011/3vcc不变12/3vcc2/3vcc1/3vcc时，写为vth=1，当th端的电压2/3vcc时，写为vtr=1，当tr端的电压1/3vcc时，写为vtr=0。 低触发：当输入电压vi2vcc2/3 且vi11/3vcc 且vi12/3vcc，则vth=1，比较器c1输出为低电平，无论c2输出何种电平，基本rs触发器,经输出反相缓冲器后，vo0；t导通。这时称555定时器“高触发”。 555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即vth、vtr的“0”、“1”）必须牢牢掌握。 vco为控制电压端，在vco端加入电压，可改变两比较器c1、c2的参考电压。正常工作时，要在vco和地之间接001f（电容量标记为103）电容。放电管tl的输出端dis为集电极开路输出。 图2-4-2 555定时器原理图ic555组成自激多谐振荡器，在脚与电源之间加入一组音调电阻r1r8，即是一架玩具电子琴。未按琴键k1k5时，时基电路555不振荡，扬声器不发声；按下某一琴键时，扬声器依555的振荡频率，发出相应的声响。电阻r1r8的选择调整方法，是用一只60100k的电位器，先接入电路，从高音（或低音）开始，转动电位器，使扬声器发出一个起始的标准音阶，测出电位器的阻值，并换上相同阻值的固定电阻，这样即可确定各音阶所需的电阻阻值。多谐振荡的频率：f=1.43/(r1+2r2)c)这是个约等于,其中r1指7管脚与电源之间的电阻，r2指7管脚与6管脚之间的电阻，c是2管脚与地之间的电容。实验中通过按键使r的阻值改变，从而改变振荡频率，扬声器就可与发出不同的声音，如果r的阻值取得好，扬声器就可以发出类似电子琴的声音了。3、电路设计3.1、硬件电路的设计开关输入端图3-1-1 琴键开关 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。555振荡器图3-1-2 555振荡电路逻辑功能：由555定时器构成的多谐振荡器，r1，r2和c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r2和c的连接处，将放电端（7脚）接到r1，r2的连接处。由于接通电源瞬间，电容c来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管vt截止。这时，电源经r1，r2对电容c充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）vcc时，输出uo为低电平，放电管vt导通，把uc从（1/3）vcc 上升到（2/3）vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间tph的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数t充=（r1r2）c。由于放电管vt导通，电容c通过电阻r2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间tpl的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数t放r2c随着c的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）vcc时，输出uo为高电平，放电管vt截止，vcc再次对电容c充电，电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，uc电压总是在（1/32/3）vcc 之间变化。3.2软件的设计 3.2.1总体设计电路图图3-2-1电路总体构思 3.2.2 proteus电路仿真及个人pcb板电路设计图3-2-2 琴键仿真图3-2-3 电源导入仿真图3-2-4 个人pcb电路设计4 系统测试4.1调试所用的基本仪器清单仪器清单：示波器、万能表4.2、组装与调试 先组装音阶产生电路，根据protel中pcb电路板放好元器件，放元器件过程，注意先放占空间比较小的电阻或按钮，放好同一类元件后，焊接。焊接时，应当注意不能虚焊，不要有毛刺，同时在熟练焊接的基础上，注意节约焊锡材料。焊接芯片时，应当选用相应管脚的插槽，使用插槽起到保护芯片作用，芯片容易受温度影响，有时温度过高，会损坏芯片。组装完成后，剪掉长出的管脚，尽量做到制作的美观与实用。 完成焊接后，先测试电源导通，利用led指示灯的电源指示作用，看电源是否导通。要调出比较准确的音阶，需借助示波器测试各音阶信号的频率，通过调节各路电位器阻值核对理论计算值，在示波器上得到需要的频率。调节好各路电阻值后，只需注意输入电压不要过高，对应12v即可，利用扬声器测试各路音色，观察各路是否出现对应音阶。4.3、统调试与结果 1.根据电路图组装电路； 2.检查元件焊接； 3.接通电源，按各键，看是否出现相应预测结果； 4.通过调试得到预期的结果。4.4、电路测试及测试结果 在制作过程中刚开始只接了一个电阻按一下开关就会发出响声，按下第二按钮开关会发出与第一阶音色不同的响声，其后六次都是与前面一样，接通一路电阻响声与前面一次不相同。依次接好一个轮回后，发现每按一个开关所发出的声音与普通钢琴发出的声音一样，音质差不多，而且音调全。通过测试实验结果，证实本电子琴符合实际应用。5 总结本次数电课程设计，在老师布置课题并讲解了基本原理后，两个星期以来我查阅了555振荡器、焊接技术、电子琴电路设计等相关资料，通过与同学交流经验和自学，以及向高年级同学请教等方式，最终基本完成了此次课程设计。从一开始画电路图，到完成制作，遇着了许多困难。（1）画电路图中，pcb全部利用手动布线，但由于按钮管脚封装画得与实际按钮有差别，在制作成的硬件与预期反应有差距，为得到一个比较好的电子琴，在pcb.library中改变按钮管脚顺序，更新pcb重新布线，另作一板；（2）将pcb电路图印制到铜板上时，由于电熨斗在铜板上停留超时，导致印制出来的pcb上沾有一些胶，不利于腐蚀铜板，印制过程最好一次性印制，且时间应控制在两分钟内；（3）焊接时，由于电烙铁在铜板处停留时间稍久，板上有些地方焊接不是很好；（4）调试时，用到示波器，一开始由于电位器等调节不太明显，出现波形与预测频率不符现象，经过仔细分析，调节部分地方，最后达到实验目的。电子琴虽然是一项比较简单的制作，但