简易电子琴课程设计.doc

课程设计报告课程设计名称： 模拟电路课程设计 课程设计题目： 简易电子琴 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 电子信息科学与技术 班级： 110431班 学号： 11043128 姓名： 谢辉 评分： 指导教师： 杨素华 2013年 11 月 17 日摘要 随着社会的进步发展，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，而乐器更是应用广泛，几乎在更大软件均有乐器制造。所以本文就设计了一个简易电子琴。电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器，在现代音乐中扮演着重要的角色。 本实验着重讲述了如何使用555制作简易电子琴产生8个不同音阶控制电路的设计，当操作者按下8个按键即可产生8种不同的音调，然后通过lm386功率放大器进行音调放大。本实验完成了简易电子琴的设计和调试，其基本的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（用变阻器调节成8个所需电阻）来获得不同的频率，再经过lm386放大所以发出不同的音调。如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。 当然在这之前要事先查阅资料，再查阅各个芯片的引脚功能的各个参数，同时还要了解震荡电路，与其产生震荡的原理，在根据震荡电路计算出电阻值，以便选择合适的电阻值，这些都是课前准备。测试电子琴要一步一步，首先是震荡电路的线路测试，尽量消除噪声，使音质能够清晰，这样电子琴就做成了。通过本次电子课程设计，不仅掌握了简易电子琴的设计，更重要的是提高了动手实践能力，从搜集各方面资料到检查电路，充分锻炼了分析问题以及解决问题的能力。关键字：电子琴，ne555，lm386，声调目录前言1第一章 设计内容及要求2 第二章 系统组成及工作原理3 2.1 系统组成3 2.2 工作原理4第三章 方案比较8 3.1 方案一83.2 方案二93.3方案三113.4方案分析与比较12 第四章 参数计算、器件选择12 4.1 参数计算12 4.2 器件选择13 第五章 实验、调试及测试结果分析14 5.1 调试14 5.2 测试结果与分析18结论20参考文献21附录一22附录二23 前 言电子琴作为一种乐器，对丰富人们的日常生活起着一定的作用，是人们的生活更加丰富多彩。对于缓解人们的紧张情绪，陶冶人们的情操等方面，电子琴作为娱乐工具的一种，作用自是不言而喻。 电子琴结构复杂，声源是555产生的自激振荡，并通过lm386进行功率放大，通过扬声器理发出声音。由于一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，此次设计是一个由555定时器构成的简易电子琴。本次课程设计的目的是：1.学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。2.了解由555定时器构成的简易电子琴的电路原理。 此外，简易电子琴还可以通过八个按钮开关来实现音乐的演奏。 掌握最基本的简易电子琴的工作原理，有利于将来研发高级的电器，甚至前沿的电子技术，提高现代电子产品水平，更好的服务于社会，有着广大的发展前景和用途。第一章 设计内容及要求1.1 设计的基本内容设计一个简易电子琴，基本要求是：1）产生e 调8个音阶的振荡频率，它分别由1、2、3、4、5、6、7、0号数字键控制。其频率分别为：1：261.6hz、2：293.6hz、3：329.6hz、4：349.2hz、5：392.0hz、6：440.0hz、7：493.9hz、0：523hz。2）利用集成功放放大该信号，驱动扬声器。3）设计一声调调节电路，改变滑动变阻器，生成不同的频率声音。通过计算得到可调电阻的阻值分别为：34.3k、28.6k、23.3k、20.9k、16.4k、12.5k、8.9k、7.3k。1.2 设计要求介绍产生调8个音阶的振荡频率，它分别由1、2、3、4、5、6、7、0号数字控制，发生频率不同的音调。本实验采用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、扬声器和按钮开关等部分组成。主振荡器是由555定时器，七个按钮开关s1-s7，外接电容c1、c2，外接电阻r8以及r1-r7（用8个可调电阻调成所需电阻元件）等元件组成，颤音振荡器由555定时器、电容c5及r9、r10等元件组成，颤音振荡器频率较低为64hz，将输出电压u连接到主振荡器555定时器复位端4，侧主振荡器输出出现震音。按原理图接线后分别闭合不同开关即可令喇叭发出不同频率的声音，从而模拟出电子琴的工作。第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成 2.1.1 按钮模块在电路板上安装八个按钮开关，分别接入对应的电路中来控制输出频率。如图2.1.1所示。 图2.1.1示电路实现频率的控制，采用一个单刀单掷开关，从左到右依次闭合开关，可以获得所需的频率。2.1.2 音调发声模块 图2.1.2所示是整个电路设计的关键， 由一个555芯片和几个电容以及电阻组成多谐振荡器，经过可调电阻输出设计所需对应的频率。 2.1.3 音响模块 由一个lm386芯片和一个喇叭组成音响，lm386将系统产生的信号放大，经过喇叭发出声音。模块设计图如图2.1.3所示 图2.1.3 音响模块 2.2 工作原理 音乐产生原理及硬件设计由于一首音乐是由许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，例如本次实验所需频率如下：1：261.6hz、2：293.6hz、3：329.6hz、4：349.2hz、5：392.0hz、6：440.0hz、7：493.9hz、0：523hz。由此，我们就可以利用不同的频率的组合，奏出不同的音调，即可构成我们所想要的音乐了。工作原理图如图2.2所示 图2.2简易电子琴的工作原理图 2.2.1 ne555多谐振荡器：ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组成了比较器、rs触发器、等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压。ne555属于cmos工艺制造。ne555引脚介绍如图2.2.1.1：1地 gnd 5控制电压2触发 6门限(阈值）3输出 7放电4复位 图2.2.1.1ne555管脚图【内部原理图】如图2.2.1.2所示图2.2.1.2 内部原理图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，产生vcc和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）。 2.2.2 lm386集成功率放大器： 1. 外形、管脚排列及内电路 lm 386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中； lm 386的外形与管脚图如图2.2.2.1所示，它采用8脚双列直插式塑料封装。 图2.2.2.1 lm386外型与管脚lm386有两个信号输入端，脚为反相输入端，脚为同相输入端；每个输入端的输入阻抗均为50 k，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使输入端对地短路，输出端直流电平也不会产生大的偏离2. lm386主要性能指标lm386-4的电源电压范围为518v。当电源电压为6v时，静态工作电流为4ma。当vcc=16v，rl=32时输出功率为1w。、脚开路时带宽300khz，总谐波失真为0.2%,输入阻抗为50k。本实验采用的是c调音阶，其音阶频率与对应电阻r8值，根据t=0.7（r9+r8）c可计算r8的值 第三章 方案比较3.1 方案一用两个9013三极管来完成此设计，该设计用两个9013组成多谐振荡器，用它来发出所要音频的频率，最后连接到扬声器组成基本电路。此方案虽然可行，但是扬声器的声音不大，效果不是很真实，所以不采用此方案。利用9013来产生对应音频频率电路如图3.1 图3.1 简易电子琴仿真电路（一）用两个9013三极管组成多谐振荡电路，所要求产生的频率是由v1、v2组成的多谐振荡电路决定，产生出的频率驱动扬声器发出声音。原理图中涉及到了r1、r2、c1、c2、r w。计算周期的公式为：t=0.639（r1+r w）*c1+(r2+r w)*c2,计算频率的公式为f=1/0.639（r1+r w）*c1+(r2+r w)*c2。3.2 方案二主要是用两个555芯片和一个lm386芯片、一个扬声器以及若干个电阻电容来组成简易电子琴的系统。此方案中第一个555芯片用来产生锯齿波形，然后经过第二个555芯片和其他电阻电容组成的施密特触发器将锯齿波形转变成放波波形，产生驱动扬声器的信号，再经过lm386将信号放大使扬声器发出声音。我们只要调整接入的电阻阻值就能得到对应音频的频率，从而达到所要的效果。不过这个方案要使用两个555芯片，在经济上不是很合理，所以不选择此方案。由两个555芯片以及其他元件组成的简易电子琴电路如图3.2：图3.2简易电子琴仿真电路（二）该方案是用两个555芯片组成。主要核心是555芯片，前一个555芯片是用来产生振荡信号，接入不同阻值的电阻r w产生不同的音阶频率信号，发出锯齿波形。然后通过第二个555芯片，该555芯片接成施密特触发器，用来将锯齿波形转变为方波波形，从而得到1、2、3、4、5、6、7、0八个音频音阶所对应的频率，再经lm386集成功率放大器将信号放大，驱动扬声器发出对应的音频音阶 。3.3 方案三主要用用一个555芯片和一个lm386集成功率放大器来实现此方案。通过555芯片产生振荡频率，发出信号。再由经lm386功放将信号放大，驱动扬声器发声。通过八个可调电阻来实现1、2、3、4、5、6、7、0八个不同音频音阶，从而达到我们所要的效果。电子琴的具体工作原理图如图4.1所示。由一个555芯片以及其他元件组成的简易电子琴电路仿真图如图3.3：图3.3简易电子琴仿真电路（三）该方案主要用一个555芯片来产生振荡频率，调节可变电阻得到1、2、3、4、5、6、7、0所对应音频音阶的频率，再经过lm386集成功率放大器将信号放大，从而驱动扬声器发声。3.4 方案分析与比较方案一中用到的两个555芯片从经济角度来说不是很合理，而且电路也比较复杂，结合后面的操作造成较大的困难，所以此方案不是很合理，因此不采纳该方案。方案二中电路虽然简单，但是，得到的声音很小，由于频率不是很精确，得到的音阶也不是很准，同时还不能很好的实现预期的效果，所以此方案也不用。方案三的电路相对前二者则比较合理，选择的元器件也不是很多，再加上电路比较简单，所以在后续实验操作时不会造成很大的困难，更重要的是，它得到的音阶较准，声音较大，基本符合设计的要求，所以选用的是此方案。 第四章 参数计算、器件选择4.1 参数计算按照原理图焊接好电路图之后，接上电源，发现电路不工作。经过检查之后发现出现虚焊，改正后电路工作正常。通过计算得到可调电阻的阻值分别为：34.3k、28.6k、23.3k、20.9k、16.4k、12.5k、8.9k、7.3k。逐个调节可变电阻的阻值，使每个阻值都对应所需的阻值后，电子琴发出所需要的声音，达到了设计的预期效果。计算周期的公式为：t=0.7（r w+2r9）*c1，计算频率的公式为：f=1/0.7（r w+2r9）*c1。通过计算可知：r1=34.3k （即f1=261.6 hz）r2=28.6k （即f2=293.6 hz）r3=23.3k （即f3=329.6 hz）r4=20.9k （即f4=349.2 hz）r5=16.4k （即f5=392.0 hz）r6=12.5k （即f6=440.0 hz）r7=8.9k （即f7=493.9 hz）r8=7.3k （即f8=523 hz）4.2 器件选择4.2.1 频率振荡电路主要以一个555芯片为主，电路如图4.2.1所示。图4.2.1 ne555应用电路4.2.2 功率放大电路主要以lm386为主，如图4.2.2 图4.2.2 lm386应用电路图中，脚所接容量为20f的电容为去耦滤波电容。脚与 脚所接电容、电阻是用于调节电路的闭环电压增益，电容取值为10f，电阻r在020k范围内取值；改变电阻值，可使集成功放的电压放大倍数在20200之间变化，r值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取r0，只将一只10f电容接在 脚与 脚之间即可。输出端 脚所接10电阻和0.1f电容组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。该电路如用作收音机的功放电路，输入端接收音机检波电路的输出端即可。 第五章 实验、调试及测试结果分析5.1 实验调试（附：仿真软件波形图）1.关闭开关1（实际操作即奏出“1”音，波图形如5.1.1所示） 图5.1.1 关闭开关1后的波形图2.关闭开关1（实际操作即奏出“2”音，波图形如5.1.2所示） 图5.1.2 关闭开关2后的波形图3.关闭开关3（实际操作即奏出“3”音，波图形如5.1.3所示） 图5.1.3 关闭开关3后的波形图4.关闭开关4（实际操作即奏出“4”音，波图形如5.1.4所示） 图5.1.4 关闭开关4后的波形图5.关闭开关5（实际操作即奏出“5”音，波图形如5.1.5所示） 图5.1.5 关闭开关5后的波形图6.关闭开关6（实际操作即奏出“6”音，波图形如5.1.6所示） 图5.1.6 关闭开关6后的波形图7.关闭开关7（实际操作即奏出“7”音，波图形如5.1.7所示） 图5.1.7 关闭开关7后的波形图8.关闭开关8（实际操作即奏出“i”音，波图形如5.1.8所示） 图5.1.8 关闭开关8后的波形图5.2 测试结果与分析1. 将元器件焊接好后发现电路无法工作，经过检查发现电容c1（0.1f）的两个管脚连接在一起，造成短路现象。 解决方法：将电容c1拆下，两个管脚接在不同的孔中，避免电容造成直接短路。2. 将1中的电容调节好后然发现电路无法正常工作，听不到扬声器发出声，在多次检查中发现，焊接时造成虚焊，使电路不能正常工作。 解决方法：把原件拆下重新焊接。实验小结：通过对整个电路的检查以后，电路没有错误，接通电源，用数字万用表调节可变电阻，使电阻阻值为需要的对应的阻值，依次按下开关，扬声器发出1、2、3、4、5、6、7、0八个对应的音频音阶。由此可得到此方案是正确的，达到了设计所要求的效果。这个简易电子琴能实现一些简单的曲子，可以用来当乐器使用。经过这次设计，学到了不少东西，知道了在以后的设计中要认认真真、仔仔细细，尽量减少虚焊，减少短路，只有严格要求自己，那样才能提高自己的操作能力，在现实生活中处事的态度也是如此。结论 在这为期四周的课程设计操作中，从拿到题目到在网上、图书馆查阅资料，从熟悉芯片原理到实际接线，从起初对实验一知半解到对整个实验设计的脉络渐渐清晰，为期虽然不长，却也增长了很多知识。 首先是了解并分析555和lm386元件原理及各管脚功能。在刚开始设计这个课题时，有很多的地方