南昌航空大学科技学院简易电子琴课程设计.doc

南昌航空大学科技学院 电子课程设计 课设名称： 简易电子琴 专业班级： 测控技术与仪器 学生姓名： 童建城 学 号： 108201233 指导教师： 张维 日 期： 2012.12.312013.1.11 摘要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。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。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。它能实现按下8个按键的情况下产生8种不同的音调，并且通过调节电位器将音频改变，本实验完成了简易电子琴的设计和调试。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。 这种应用只是其功能中的一部分。这种由555定时器做出来的电子琴，体积小，用料省，经济实惠。关键字：简易电子琴，NE555，电位器目 录前言.4一. 方案介绍7 1.1总体框图7 1.2. 模块功能7二. 工作原理.72.1. 555芯片介绍及元器件选择72.2. 元器件清单.13 2.3.原理图143. 组装电路步骤及注意事项144. 调试.175. 小结.176. 心得体会.187. 参考文献.20前言电子科学技术是人类在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，它首先被用于无线电检波。1906年美国的德福雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三电极栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管毕竟成本高，制造繁，体积大，耗电多，从1948年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，我们不能否定电子管的独特优点，在有些装置中，不论从稳定性、经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。随着科学技术的发展和人类的进步，电子技术已经成了各种工程技术的核心，特别是进入信息时代以来，电子技术更是成了基本技术，其具体应用领域涵盖了通信领域、控制系统、测试系统、计算机等等各行各业生活中常使用到许多的电子设备，它给我们生活上的便利与影响。而电子琴就是一个很明显的例子，这些有时甚至含有内建音乐，有时又可以千变万化，真让人想动手试试看，因此我们对它产生了许多问题与想象。它是如何动作？不同的音调产生原理又是什么？而若是改变它们的音调，不知道会不会很麻烦，其电路要重新制作吗？系统会怎么修改？乐器的发展与科学技术的发展密切相关，现代电子技术的兴起，使一些机械的装置逐步电动化、电子化。科学技术上的这些变化及发展促进了乐器的发展，由此出现了许多新的电子乐器，如电子琴、电钢琴等。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。二十世纪初，随着现代科技的进步，电子技术被广泛地应用到社会各个领域，乐器制造业也不可避免地受其影响，诞生了许多新兴的电子乐器。在美国就诞生了一种被称为电子管风琴的乐器。之所以这样称呼，是因为乐器的外形和演奏方式酷似古老而庞大的管风琴。它依靠电子技术手段发声，能够简单地模仿一些乐器和制造出新的电子音响。五、六十年代，电子音乐、计算机音乐逐渐进入蓬勃发展时期。1959年，世界第一台全晶体管双排键电子琴在日本诞生了。 电子乐器的结构较为复杂，音源是由晶体管产生的电振动，并通过音色回路而产生各种音色；同时由周波数调制产生颤音效果，由振幅调制产生各种乐器的音效。电子琴的外形很像普通键盘乐器，只是某些种类多一排脚踏键盘，而且手触键盘也往往分为两层。键盘式电子琴声音丰富、优美，有变音装置，能发出多种不同的音色，可以作为独特的乐器进行演奏，还能代替传统的风琴、钢琴供音乐课教学。本文就是关于用555定时器制作简易电子琴的过程及基本原理。一.方案介绍1.1.总体框图，12模块功能该电路包括按钮开关，电位器，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电位器串联组成输入端2频率产生端： 根据电位器的不同输入，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声音二.工作原理2.1. 555芯片介绍及元器件选择 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。多谐振荡器的工作原理：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1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R2C0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1（b）所示为工作波形。图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。其主要参数见表8.1。555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如下：【逻辑符号】 【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，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）。【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”。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。元器件选择：根据555多谐震荡的原理选择电阻：由上所述可知：555芯片输出端输出的频率计算公式为f=1.43/(R1+2R2)C)再由下表所列的八个音阶分别对应的频率可以令R1为一固定阻值，通过开关调节的几个串联的电阻当做R2。分别选用6个2千欧电阻，一个1千欧和一个十三千欧的电阻串联接于引脚6和引脚七。大概电路图1所示电容选择：通过计算可以得出6引脚所需电容为0.1F。输出端3接4.7F电容。根据以上选择计算实际频率与真实频率对比如下：音阶真实频率/Hz实际频率/Hz1261.62642293.72973329.63304349.23525392.03966440.04407493.9495I523.35282.2. 所需元器件清单2.1元器件清单：1. 万用表，电烙铁，镊子，剪线钳，吸锡器。芯片NE5551片0.8元电阻2K10.02元电阻5.1K10.02按键开关90.54电位器100K94.5发光二级管90.9电容10310.015电容10410.015电容47uF10.015喇叭0.5瓦11.123原理图三. 组装电路步骤及注意事项（1）制板1.在protel软件中设计自己的电路图；2.将专用的热印纸放入中，打印出设计好的电路图；3.将覆铜板用费细砂纸或粗布清理干净。4.将覆铜板和打印好的热转印电路图固定好；5.放入转印机中，转印电路图；转印温度应在125摄氏度以上；6将已转印好的覆铜板放入腐蚀机中，进行电路腐蚀；7.将腐蚀好的板子捞出、清洗清理干净；8.涂松香水抗氧化；9.利用拆板机裁制出合适大小的覆铜板；10.将电路原理图转换为PCB图，即布置实际电路图，根据集成芯片的尺寸、管脚功能、其他元件的大小对器件进行布局及连线。11.根据实际电路图在转印好的覆铜板上需要钻孔的位置做好标记，只需要插入的管脚进行钻孔，导线不要钻孔。需要钻孔的总标记数=所有元件的管脚总数12在覆铜板做了标记的位置上用视频电钻打孔：用左手按牢印刷版，将要钻的孔位移到坐标线中心，千万不要动，右手轻按钻机右侧的电键，该孔随即钻成，不要重复钻孔。钻头落下之后再移动板子钻下一个孔。13清理板子（2）焊接1.准备焊接:将元件引脚插入已经钻好的孔内，清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。2.加热焊接:将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手轻轻拉动元器件,看是否可以取下。若焊接时有必要的交叉点却不是结点，此时需要使用导线连接。3.清理焊接面:若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉(注意不要烫伤皮肤,也不要甩到印刷电路板上!),用光烙锡头沾些焊锡出来。若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头蘸些焊锡对焊点进行补焊。4.检查焊点:看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。（3）检验电路将焊好的电路板正确接入电源线和地线，检查电路是否能够正常工作，如果不能，则需要以下几个步骤进行检测：1 检查电路连接是否正确。根据原理检查电路连接是否正确，是否符合工作原理。查看指导书看芯片引脚功能是否理解正确。2 在电路连接没有错误的情况下，检查焊接牢不牢固，是否有虚焊，以及不该连接的点是否因失误连接。3.检验芯片是否已被损坏。换一个芯片检验。四 电路的调试当按下按键开关后，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。5 小结当我们从老师手中拿到设计课题的时候，我很茫然，我不知道该从什么地方下手，因为我们从来没有接触过这样的东西，在我们面前这些都是新的东西。但经过老师的耐心讲解和同学们的互相讨论，我们开始有些头绪，之后在组长的分工帮组下，我们各自负责自己分内的事，我的工作是写总结报告和帮助操作员一起调试元器件。焊接电路的过程中，基本还算顺利，细心加耐心让我在焊接的过程中少走了很多的弯路。但是在调试的过程中，我遇到了一些问题。开始的时候，我调试好了串并联的电阻阻值，可在调试过程中，问题就现出来了。先有很大的噪音，这样就压下了音阶的发音。后来这个通过转换电容，解决的了这个问题。原来是滤波电路滤波不精当。解决完这问题后，发现串并联电路无法使运放工作。苦思了很久，通过一级一级电路的查找，正弦发生器无法正常的工作。是起振频率不够，调节电位器到1k左右后，电路发出了清脆的响声。问题就此解决的了。之后就是细调了，慢慢的解决问题，一步一步的完成了这个电子琴。周一老师来验收样品时，由于没带电源的原因，我们随便拿了两节1.5V的电池作为电源，结果实验样品出问题了，等不怎么亮，声音也不怎么响，此时我们以为电阻调小了，但是不管我们怎么调电阻，结果还是一样的，此时老师看到了问题，就说你们这个电子琴工作电压时6V，你们这个电源是3V是带不元器件的，此时我们才明白过来是什么原因。老师真是一眼识天下啊。最后我们这组完成了老师交给我们的课程设计，我们也收获了这次设计带给我们的成就感。 六、 心得体会二个星期的实训很快结束了。通过对简易电子琴的设计，我认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。在此次的课程设中