简易电子琴的制作

西安电子科技大学西安电子科技大学 模拟电子技术 课程设计 题 目 简易电子琴的制作 姓 名 专业班级 学 号 2011 院 系 信息工程学院 指导教师 完成时间 2013 年 05 月 31 日 目 录 前 言 1 1 课程设计背景和设计目的及意义 2 1 1 课程设计背景课程设计背景 2 1 2 课程设计目的及意义课程设计目的及意义 2 2 课程设计任务与要求 2 3 方案设计与论证 3 4 电子琴的原理 3 4 1 音乐产生的原理音乐产生的原理 3 4 2 方案设计方案设计 4 4 2 1 振荡电路振荡电路 4 4 2 2 集成功放电路集成功放电路 5 4 2 3 整体电路图整体电路图 6 4 3 设计原理 6 4 3 1 振荡电路原理振荡电路原理 7 4 3 2 音频集成功率放大器原理音频集成功率放大器原理 8 5 MULTISIM 原理图绘制 9 5 1 选取元件选取元件 9 5 2 放置元件及排版放置元件及排版 9 5 3 MULTISIM电路仿真电路仿真 10 6 仿真分析结果 11 6 1 频率及放大倍数测量频率及放大倍数测量 11 6 2 理论比较理论比较 11 6 3 误差分析误差分析 12 7 设计总结 12 参考文献 14 附录一 实物图 15 附录二 元器件清单 16 1 前 言 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 也不是起源于钢琴 它们是两 种不同的乐器 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 专业音乐工作者和音乐家的喜爱 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意义 重大的事 电子琴适合初学者学习使用 适合中国国情 适合幼儿 儿童 少年 学习 表现力丰富 电子琴的强大功能 使专业音乐工作者有广阔的创作 和表现空间 电脑技术的应用 拓宽了电子琴的应用空间 总之 电子琴 促进了音乐教育的发展 2 1 课程设计背景和设计目的及意义 1 1 课程设计背景 电子琴是一种键盘乐器 采用半导体集成电路 利用音频放大器对声 音信号进行放大 通过扬声器产生声音 现在的电子琴一般使用 PCM 或 AWM 采样音源 就是录制乐器的声音 将其数字化后存入 ROM 里 然后按下键时 CPU 回放该音 现代电子琴并 非 模仿 乐器音色 它使用的就是真实乐器音色 当然 现在力度触感 在电子琴里是必备的 而且现代电子琴还加上了老式电子琴的滤波器 振 荡器 包络线控制来制造和编辑音色 甚至老式电子琴的 FM 合成机构 本次课程设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计 按 下不同琴键改变 RC 值 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音调 从而达到电子琴固有的基本功能 1 2 课程设计目的及意义 通过实训将书本的理论运用到实际当中 经历将来工作当中会遇到的 一些基本问题 以使同学们有明确的学习方向 以及培养学生在理论知识 枯燥学习中兴趣 锻炼学生自学软件的能力及分析问题 解决问题的能力 通过课程设计 使学生在理论计算 结构设计 工程绘图 查阅资料 标 准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高 巩固 深化和 扩展学生的理论知识与初步的专业技能 通过实训报告 总结这两周的实 训过程的经验 为以后的理论学习指明要点 2 课程设计任务与要求 设计任务 设计一个利用模电原理制作的电子琴 3 设计要求 设计一个简易电子琴 按下不同琴键时改变 RC 值 能八个 不同基本音调 用运算放大器构成振荡电路 用集成功放电路输出 选择 方案 完成对确定方案电路的设计 并按照方案画出总体电路原理图 计 算出元件参数 仿真实现后选购元件 并完成电子琴的制作 八个基本音阶对应的频率如下表所示 C 调1234567i f 0 H Z264297330352396440495528 3 方案设计与论证 方案一 LM324 与电阻 电容等组成可控多谐振荡器 振荡频率取决 于电阻的不同阻值 再由 LM386 进行音频放大 方案二 编写程序 用单片机的定时 计数器来产生不同方波频率信 号实现电子琴操作 论证 经过进一步比较 方案一中 LM324 实现基本要求 通过采用可 调电阻实现音调的高度变化 其中的电阻电容的价钱比较便宜 可行性强 容易实现 方案二中涉及单片机的相关知识 而且我们对单片机的了解应 用不是很多 具有一定的难度 不易实现 所以方案一为最佳选择 4 电子琴的原理 4 1 音乐产生的原理 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 这样我们就可以利用不同的频率的组合 构成我们所想要的音乐了 音调主要由声音的频率决定 乐音 复音 的音调更复杂些 一般可认为主 要由基音的频率来决定 也即一定频率的声音对应特定的乐音 在以 C 调 为基准音的八度音阶中 所对应的频率如下表 如果能够通过某种电路结 4 构产生特定频率的波形信号 再通过扬声器转换为声音信号 就能制作出 简易的乐音发生器 再结合电子琴的一般结构 就可实现电子琴的制作了 C 调把音节对应的基本频率为 dou 264 ruai 297 mi 330 fa 352 sou 396 la 440 xi 495 dou 高 528 4 2 方案设计 4 2 1 振荡电路 R12 36 3k R11 28 65k R10 23 23k R9 20 4k R8 16 13k R7 13 06k R6 10 32k R5 9 07k J1 Key A J2 Key A J3 Key A J4 Key A J5 Key A J6 Key A J7 Key A J8 Key A R4 1k C1 0 1 F C2 0 1 F R2 1k R3 1k Key A 55 R1 1k U2A LM324AD 3 2 11 4 1 D1 1N4001 D2 1N4001 图 4 1 振荡电路图 选择 C1 0 1uF R4 1k 根据公式 结合表一 RRC ff 41 0 2 1 5 即可计算出八个音阶对应的电阻值 分别为 R5 9 07K R6 10 32 K R7 13 06K R8 16 13 K R9 20 4K R10 23 23K R11 28 65 K R12 36 3K 选定 R4 R 且 R4 R 8 由式 3 推导可得 F 9 RR42 1 2 1 则由式 8 及起振条件 A F 1 可得 21 3 21 R RR A 即 10 321RRR 选择 R1 800 R2 900 R3 1500 4 2 2 集成功放电路 RV4 1k Key A 50 C3 4 7 F C4 10 F 1 LM386N 4 3 5 10 9 82 11 C6 220 F R13 10 C5 0 047 F XLV1 Input 图 4 2 集成功放电路 6 C3取 4 7uF 为退耦电容 即防止前后电路网络电流大小变化时 在供 电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响 退耦滤波电容的 取值通常为 4 7 200uF 退耦压差越大 电容的取值应该越大 C4为旁路电容 它可将混有高频信号和低频信号的交流信号中的高频 成分旁路掉的电容 取 10uF C6为隔直传交电容 取 220uF 4 2 3 整体电路 R1 36 3k R2 28 65k R3 23 23k R4 20 4k R5 16 13k R6 13 06k R7 10 32k R8 9 07k J1 Key A J2 Key A J3 Key A J4 Key A J5 Key A J6 Key A J7 Key A J8 Key A R9 1k C1 0 1 F C2 0 1 F R10 1k R11 1k Key A55 R12 1k U2A LM324AD 3 2 11 4 1 D3 1N4001 D1 1N4001 R13 1k Key A 50 C3 4 7 F C7 10 F U1 AD380JH 4 3 5 10 9 82 11 C6 220 F R14 10 C9 0 047 F XLV1 Input 图 4 3 整体电路 4 3 设计原理 7 4 3 1 振荡电路原理 由于 RC 振荡电路 一般用来产生 1HZ 1MHZ 范围内的低频信号 而 LC 振荡电路一般用来产生 1MHZ 以上的高频信号 由计算和比较分析结果 我们可以知道选择 RC 振荡电路 并且得出其基本电路为 RC 文氏电桥振荡 电路 图 4 4 RC 桥式振荡电路图 电路中采用反向并联二极管的稳定幅度电路 可以利用电流增大时二极管 动态电阻变小 电流减小时二极管动态电阻增大的特性 加入非线性环节 从而使输出电压稳定 当输出电压信号较小时 二极管工作电流小 动态 电阻大 电路的增益较大 引起增幅振荡过程 当输出幅度大到一定程度 二极管工作电流大 动态电阻小 电路的增益下降 电路的输出电压幅值 将不再上升 电路转为等幅度振荡 最后达到稳定幅度的目的 RC 桥式振荡电路可以选出特定频率的信号 具体实现过程的关键是 RC 串并 联选频网络 其理论推导如下 R1C1 串联阻抗 Z1 R1 1 jwC1 R2C2 并联阻抗 Z2 R2 1 jwr2R2C2 可得选频特性如下 F Uf U0 Z2 Z1 Z2 8 经计算知 当 f0 1 2 RC 时 输出电压的幅值最大 并且输出电压 是输入电压的 1 3 同时输出电压与输出电压同相 通过该 RC 串并联选频 网络 可以选出频率稳定的正弦波信号 也可通过改变 R C 的取值 选出 不同频率的信号 振幅条件 A F 1 起振条件 自激振荡的初始信号一般较小 为了得到较大强度的稳定波 形 起振条件需满足 AF 1 在输出稳定频率的波形前 信号经过了选频和 放大两个阶段 具体来说 是对于选定的频率进行不断放大 非选定频率 的信号进行不断衰减 结果就是得到特定频率的稳定波形 4 3 2 音频集成功率放大器原理 根据设计需要 功率放大电路主要以 LM386 为主 具有自身功耗低 电源电压范围大 外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器 图 4 5 LM386 基本工作原理图 图中 7 脚所接容量为 20 F 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 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 9 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 制作当中发现增益过小 在 1 脚和 8 脚之间加一 10 F 电容 增益达到 50 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 5 MULTISIM 原理图绘制 5 1 选取元件 在电脑上进入 Multisim 界面后 单击工具栏上的 新建 按钮 新 建一个设计文档 单击 保存 按钮 在弹出的对话框中的文件名框中 输入 简易电子琴 再单击 保存 按钮 完成新建设计文件操作 单击绘图工具栏中的元件模式中的 P 按钮 弹出选取元器件对话 框 在此对话框左上角 keywords 关键词 一栏中输入元器件名称 如 LM324 系统在对象库中进行搜索查找 并将与关键词匹配的元器件显 示在 Results 中 在 Results 栏中的列表项中 双击 LM324 则可 将其添加至对象选择器窗口 按照此方法完成其它元器件的选取 5 2 放置元件及排版 通过对象选择器窗口单击选择相应元件 在右侧图形编辑窗口中单击 左键放置元件 元件的移动 用鼠标左键按住元件拖曳 元件的旋转 选定所需旋转元件 单击绘图工具栏左右旋转按钮完成 10 旋转 元件的删除 通过鼠标左键选定要删除的元件 点击键盘上的 delete 键即可完成对应元器件的删除 引出节点 在所需引出节点导线处单击鼠标右键 移动鼠标即可在该 点设置节点并引出导线 完成电路布线后 为使电路更加紧凑有逻辑性 各功能区域明显 应对相应元件或导线位置进行相应调整 元件间的布线 将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠 标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完 成单根导线的连接 以此类推 按照实验原理图放置元件并布线 元件位置调整 单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放 开即可 导线间距的调整 将鼠标移至要调整导线所连接的元器件 单击该器 件 相应导线及元器件将变为选定状态 将鼠标移至该导线处出现左右 上下 调节标志 按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开 即可 移动导线 5 3 Multisim 电路仿真 在电路原理图中 我们将各元件安放参数调试完毕 利用示波器观察 输出参考点波形 我们将第一个采样点选取在振荡电路的输出端 将第二个采样点选取 在总电路的输出端 先将所有的开关打开 单击开始按钮 弹出示波器显 示窗格 通过按下不同的按键改变 R 的值 从而改变频率进而发出不同的 声音 同时只闭合一个开关 观察示波器输出的波形观察示波器输出的波 形 进行仿真结果分析 先组装音阶产生电路 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 11 音准调节 如果电阻采用表格中的标值电阻 则个别音调将略有偏离 检查完成后 只需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 有相应的声音发出 但由于设计的局限性 效果不是很好 声音比较沙哑 另外出现第三音阶不发声的情况 通过万用表排除虚焊 发现是第三音阶对应第三个键接触不良 发现是因为焊接时出现虚焊 更 换后故障排除 6 仿真分析结果 6 1 频率及放大倍数测量 由示波器的波形可读出各个音调所对应的周期 分别为 T1 3 95ms T2 3 45ms T3 3 10ms T4 2 90ms T5 2 56ms T6 2 30ms T7 2 02ms T8 1 90ms 根据公式 f 可求得相对应的频率大小如下 T1 f1 253Hz f2 290Hz f3 323Hz f4 345Hz f5 391Hz f6 435Hz f7 495Hz f8 526Hz 由示波器的波形可求出集成功放的电压放大倍数 Av 20 7 6 2 理论比较 由仿真得出的频率与八个基本音阶的频率比较相近 均控制在了允许 的误差范围之内 由仿真得出的电压放大倍数 Av为 20 7 也与理论值 20 相差不远 由上图比较分析可得此次的设计仿真比较成功 达到了设计要求 C 调1234567i f0 Hz 理论 264297330352396440495528 f0 Hz 实际 253290323345391435495526 12 6 3 误差分析 理论与实际虽然相近 但仍然存在一定的误差 主要由以下原因引起 选择的元件值不够精确 与计算的理论值之间有一定差距 有一定的干扰 信号存在 使结果出现误差 在对波形的周期进行读数时 人为的引起误 差 7 设计总结 通过了两周的准备与设计 让我们初次接触到了模拟电子电路的课程 设计 此次设计中我们通过了相关的设计计算和电路的焊接调试让我们深 层次的了解了我们之前所学的基础知识 不仅提高了我自主学习的能力 更重要的是锻炼了我们动手和自主分析解决问题的能力 首先开始学习 Multisim 软件 学会自己利用软件绘制电路图 进行仿 真 接下来我们通过查阅了很多的资料 发现制作简易电子琴有很多方法 设计出两个方案 但由于我们对其他方案中的单片机等元器件不了解 对 其中的电阻电容等一些频率的计算有一定的难度 所以我们选择了在课本 中学到过的振荡电路来设计 按照方案二进行实施 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 Multisim 画出电路图进行仿真 仿真成功后我们按照电路图进行实物制作 制作当中遇到许多的问题 先是 LM386 和LM324的焊接 由于放大 增益过小发出的声响太小 在老师的指导下我们又改装 在 LM386 的 1 脚 和 8 脚之间加了一个 220uF 的电容 使得增益达到 50 然后是正负 5V 电压 的装配 在老师的帮助下 在电路中另加了两个 10uF 的电容串联 使达到 正负 5V 的电压 最后是电子琴接通电源 用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 扬声器发出八个对应的音频音 13 阶 达到了设计所要