模电电子琴课设答辩.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 课 程 设 计 题 目简易电子琴电路的设计仿真与实现 学 院信息工程学院专 业电子科学与技术班 级1202班姓 名朱慧指导教师吴友宇 2014年1月17日课程设计任务书学生姓名： 朱慧 专业班级： 电子1202 指导教师： 吴友宇 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，鼓励自制稳压电源。（2）设计要求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1234567if 0 /H Z264297330352396440495528 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。 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。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1布置任务及调研 2014.01.132方案确定 2014.01.143制作与调试 2014.01.14至2014.01.154撰写设计报告书 2014.01.15至2014.01.165设计结果演示及答辩 2014.01.17指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录1 系统组成与工作原理51.1 方案比较与选择51.2 工作原理52 电路设计方案62.1 电路设计62.2 参数计算72.3.器件选择72.3.1电阻的选择72.3.2 功放电路的选择83 功能模块设计与系统仿真83.1 功能模块83.1.1 输入端83.1.2 频率产生端 555振荡电路93.1.3 扬声器端口 功率放大电路103.2 电路仿真结果114 系统调试与分析145 结论与体会15参考文献16在此处键入在此处键入摘要 随着社会的发展，人们不仅仅要求物质生活，更需要精神上的满足。从古代的打击乐到现在的流行乐，音乐已成为人们生活中不可缺少的一部分。一直以来，电子琴收到广大青少年的喜爱。本设计介绍由RC构成多谐振荡电路，用NE555定时器和一些电阻、电容、开关串并联来制作简易电子琴，通过NE555产生频率震荡，再通过控制琴键，即改变RC值从而改变频率控制音阶，再由集成功放电路输出， 驱动喇叭发出乐音。当人们分别按下每个开关时能听到1、2、3、4、5、6、7、i八种不同频率的乐音，不仅加深了同学们对知识的了解，还提高了同学的动手能力。 关键字：电子琴 ； 振荡电路； 放大器 1 系统组成与工作原理1.1 方案比较与选择 国内本课程的研究主要有以下几个方案： 方案一：通过NE555与电阻、电容等组成可控多谐振荡器，NE555产生方波信号，信号再经LM386放大，再驱动喇叭播放乐音。 方案二：用可控 硅 制 作电子琴。将220V交流电经变压器降压，再经过整流、滤波，获得+13.5V直流电压。将单向可控硅SCR和电阻、电容组成驰张振荡器电路。但该设计方案制作成本高且复杂。 方案三：采用AT89S52单片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高。 通过对上述四种方案的比较以及根据自己所学的知识，本设计采用方案一。1.2 工作原理 本系统主要由多谐振荡发生电路，扬声器及外部电路组成。通过按键开关接通电路产生振荡方波信号，通过改变电位器电阻的大小来调节振荡频率的大小，接着驱动扬声器发出声音。多谐振荡发生电路闭合一个开关，电路接通，电路外部电容、电阻与555芯片构成多谐振荡电路进行循环的充放电，输出脉冲矩形波信号。 2 电路设计方案2.1 电路设计 本系统主要由多谐振荡发生电路，扬声器及外部电路组成。通过按键开关接通电路产生振荡方波信号，通过改变电位器电阻的大小来调节振荡频率的大小，接着驱动扬声器发出声音。多谐振荡发生电路闭合一个开关，电路接通，电路外部电容、电阻与555芯片构成多谐振荡电路进行循环的充放电，输出脉冲矩形波信号。 操作方面，另设计有八个按键分别对应着控制八个音阶的琴键，闭合则对应音阶支路接通扬声器发声，断开声音停止，如图2-1。考虑到从电子市场购入的喇叭的额定功率不一定符合要求，而仅靠555芯片只能驱动小功率喇叭，故引入LM386功放电路产生增益，对其产生的音频进行功率放大使声音变大。改进后的原理图如图2-2。图2-1 初始电路原理图 图2-2 改进后的原理图 表1 电阻的计算值与相对应的电位器C调1234567iF(Hz)264297330352396440495528电阻（k）27.224.411.120.518.216.323.589.1电位器（k）505050505050501002.2 参数计算 根据公式：f=1.44/（(Ra+R16)C3）取R16=36K，C3=0.022uF推导得到仿真原理图中电阻阻值如表2-1。2.3.器件选择 2.3.1电阻的选择 由于实际测到的频率与给的频率有一定误差，因此采用电位器来代替，如表2-1所示。 2.3.2 功放电路的选择 LM386典型应用电路中，有电压增益为20倍、50倍、200倍的放大电路。由于电路中的电阻很大，而电源电压只有5V，若我们采用电压增益为20或者是为50的放大电路，导致电路中的电流很小，信号经过NE555产生方波信号，但电路中所用的喇叭的功率为0.5W,因此我们尽量地放大信号，使效果更加明显，因此采用电压增益为200倍的放大电路。3 功能模块设计与系统仿真3.1 功能模块 3.1.1 输入端 由八个按钮开关与各自对应的定值电阻串联再并联组成输入端。如图3-1。 图3-13.1.2 频率产生端 555振荡电路 根据定值电阻的不同输入，由555产生不同的信号频率。555振荡电路的工作原理如图3-2。 图3-2 555振荡电路 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。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。而且该多谐振荡器通过调整滑动变阻器即可实现频率调整，调节方便快捷。 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所示，R1、R2和C2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C2的连接处，将放电端(7脚)接到R1和R2的连接处。在7脚与电源之间加入一组音调电阻R1-R8替代可变电阻R2。未按琴键S1-S8时NE555不振荡，扬声器不发声，电器不耗电。按下某一琴键时，振荡频率改变，扬声器依555的振荡频率，发出相应的声响。3.1.3 扬声器端口 功率放大电路 接收信号频率发出特定的频率。LM386基本工作原理图如图3-3，图3-4分别为改进前后的原理图。 图（a）中，7脚所接容量为20F的电容为去耦滤波电容，虽为旁路电容，但必不可少。实际应用时，该端必须外接一个电解电容到地（如图(b)），起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，可有效抑制噪声。 1脚与8脚为电源增益设定端，其所接电容、电阻是用于调解电路的闭环电压增益，断开时即内定增益为20。如果用不到大的增益，电容C1可以不接。不光省了成本，还可令噪声减少。 5脚为输出端，应外接输出电容后再接负载。该电容能隔离直流分量，避免电路出现故障出现直流分量损坏元器件；同时与扬声器构成高通滤波器，降低噪音。另要有电阻电容支路串联接地，因为扬声器是感性负载，能抵消扬声器的反电动势保护功放输出末级。 由于本次简易电子琴实验必须令增益最大化达到最佳效果，即增益效果为200倍，因此保留电容C1并取值为10F。电阻Rx2在0-20k范围内取值，可使集成功放的电压放大倍数在20-200之间变化，令Rx2为零取最大放大倍数。去除控制扬声器音量大小的可变电阻Rx1，直接将Ui输入达到音量最大的状态。 图3-3 改进前的功率放大电路图3-4 改进后的功率放大电路3.2 电路仿真结果 图3-5 C调音阶1的仿真曲线 图3-6 C调音阶1的仿真曲线（1）频率为264Hz（只闭合K1） C调音阶1的仿真曲线如图3-5所示。点击“运行”再闭合开关K1，将所有电阻串联进电路然后将调节示波器扫描频率到500us档,在示波器上就得到上图中的曲线。其频率约等于264Hz。（2）频率为297Hz（只闭合K2） C调音阶2的仿真曲线如图3-6所示。点击“运行”再闭合开关K2，保持示波器扫描频率在500us档,示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于297Hz。 图3-7 C调音阶3的仿真曲线 图3-8 C调音阶4的仿真曲线（3）频率为330Hz（只闭合K3） C调音阶3的仿真曲线如图3-7所示。点击“运行”再闭合开关K3，保持示波器扫描频率在500us档,示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于330Hz。（4）频率为352Hz（只闭合K4）C调音阶4的仿真曲线如图3-8所示。点击“运行”再闭合开关K4，保持示波器扫描频率在500us档,示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于352Hz。 图3-9 C调音阶5的仿真曲线 图3-10 C调音阶6的仿真曲线（5）频率为396Hz（只闭合K5） C调音阶5的仿真曲线如图3-9所示。点击“运行”再闭合开关K5，保持示波器扫描频率在500us档,示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于396Hz。（6）频率为440Hz（只闭合K6）C调音阶6的仿真曲线如图3-10所示。点击“运行”再闭合开关K6，保持示波器扫描频率在500us档,示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于440Hz。 图3-11 C调音阶7的仿真曲线 图3-12 C调音阶8的仿真曲线（7）频率为495Hz（只闭合K7） C调音阶7的仿真曲线如图3-11所示。点击“运行”再闭合开关K7，保持示波器扫描频率在500us档,示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于495Hz。（8）频率为528Hz（只闭合K8） C调高音i的仿真曲线如图3-12所示。点击“运行”再闭合开关K8，保持示波器扫描频率在500us档，示波器上就显示图中的曲线。其频率约等于528Hz。 4 系统调试与分析 系统调试，就是在不接LM386时，通过音阶产生电路来实现音准调节。要调出比较准确的音阶，需借助示波器测试各音阶信号的周期，并通过串接电阻使得各音阶达到正确的周期值，从而校准音调。也可使用频率计测量音阶信号的频率来实现音准调节。在本次设计调试中我们选用第一种方法。需要注意的是，在调试的过程中不能一直调节电阻，这样很有可能烧坏芯片。要一边调节电阻，一边观察示波器上的波形和频率，再用万用表测量电位器的电阻的大小。 在调试前，我们先组装音阶产生电路。为了节省时间和空间，用导线代替音阶按钮S1-S7，即用一根足够长的导线，一端接555电路的2、6公共端，另一端依次接触R1-R8的开路端来产生不同的声音。把NE555定时器的3引脚接到示波器的表笔上，观察示波器上显示的波形，此时波形在不断的跳动，通过调节示波器上的按钮使波形稳定，再观察频率，若发现频率与实际给的频率对不上，就调节电位器的电阻来使频率发生变化，进而与给定的频率达到吻合。在调试过程中我们发现当电阻采用表格中的标值电阻时，个别音调将略有偏离，也就是说，实际采用的电阻值与理论值有偏差。造成偏差的原因可能是：1）选择的元件值与计算的理论值之间有差距；2)有一定的干扰信号存在，使结果出现误差；3)在对波形的周期进行读数时，人为的引起误差。但是在误差允许的范围内，可认为本次设计是成功的。 检查完成后，只要注意输入电压不要过高，通过电阻的串并联，按下按钮开关后，就会有相应的声音发出了。但由于设计的局限性，效果不是很好，声音比较沙哑。5 结论与体会 对于课程设计，虽然以前偶尔听学姐学长说起过，但我并不清楚具体是什么。所以在老师给定课题的那一刻,我对这个陌生的词有了一定的了解。这次课程设计我们组做的是简易电子琴电路的设计仿真与实现。 但凡事情的开头总是艰难的。通过几天毫无头绪四处查资料的日子后，我渐渐对简易电子琴的构造有了些了解。在学姐学长的指点和大量资料的帮助下，我们终于设计出了原理电路图。通过此次的设计及调试，我掌握了简易电子琴的基本设计方法和设计原理，对几种基本电路有了更深刻的认识，并且掌握了一定的电路设计和调试的经验。另外，我也学会了以前没有学会的一些软件，如proteus等软件的了解和使用。虽然还不能达到熟练掌握和应用的地步，但在这次课程设计结束后我会进一步地学习与摸索。同时，在这个过程中，也暴露出了自己专业基础的很多不足之处。我发现自己将书本知识转化为实践能力的水平还很薄弱，在遇到问题时耐心不足，解决问题时不能够静下心来，比如，在设计振荡电路的时候，我们通过理论计算选取了元器件，然后按照设计的电路图用proteus画出电路图进行仿真，但得到的波形并不是理论的波形，频率的偏差很大而且出现了失真，找了很久都找不到原因的时候我就束手无策了，到处找人帮忙。在调试元件的时候，换了两三个还是不行，我就很烦