简易电子琴电路的设计.doc

目录1.系统的概述21.1系统开发背景21.2系统开发意义21.3 EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用22.555简易电子琴的设计42.1设计题目42.2 设计要求42.3.1 电路工作原理42.3.2 系统方框图.52.3.3 电路原理总图（见附录一）52.3.4 电路PCB图（见附录二）52.3.5 电路PCB实物图（见附录三）52.3.6 NE555单元模块52.3.7 LM386功放单元模块113.实验调试124.电路测试及测试结果125.总结126.元器件清单(见附录四)137.参考文献13附录一14附录二15附录三16附录四171.系统的概述 1.1系统开发背景随着电子技术的不断发展，模拟电子技术的缺点和局限性越发明显，模拟电子技术的不稳定性、易干扰性等大大限制了其应用，且有阻碍电子技术发展的趋势。19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。数字电路与模拟电路相比有显而易见的稳定性。近年来，数字电路又有了巨大的发展。可编程逻辑器件（PAL、GAL等）的发展和普及最终使IC的设计面向了用户（这是模拟电路无法做到的），而这毫无疑问会给用户带来巨大的便捷，从而奠定它在电子电路中的对位。随着集成技术的进一步提高，各种新技术的出现和应用，人类历史横跨数码时代向更进一步发展已出现在各大型相关企业的宏伟蓝图中。新世纪里谁掌握了新技术谁就得到了获胜的资本，也仅仅是资本而矣。新世纪里电子行业的发展速度令人窒息，闻名的摩尔定律更把许多人威吓在门外。1.2系统开发意义555简易电子琴是一种用数字电路技术实现数字显示装置，与机械式数字显示装置相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。555简易电子琴从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，我们此次设计与制做555简易电子琴就是为了了解555定时器的原理，从而学会制作555简易电子琴，而且通过555简易电子琴的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。1.3 EWB在数字电子电路综合课程设计中的应用长期以来，综合课程设计是以理论课教学、课程实验和课程设计等教学环节构成的。我们在教学实践的过程中，结合理论教学的进程，利用计算机的电子设计自动化软件Electronics Workbench(虚拟电子工作台-EWB)在计算机上进行基础验证模拟仿真实验，作为教学的补充。使学生增强对电路的感性认识，掌握各种仪器的基本使用、电路参数的测试方法。我们采用工作在Windows XP平台上的EWB 512(虚拟电子工作台)软件。通过人机对话的方式，能使我们每个人都能亲自动手搭接电路，进行元件接线，参数设定。边连线，边测试，边修改，边分析，并与理论计算结果进行对照。通过EWB软件的“Component Properties”(元件属性)可随时调整和修改元器件参数，分析各元件参数对电路的作用与影响。调试和测量过程就是最好的学习过程。在这样的实验中，把实验与理论有机的结合起来，加深了我们对理论的认识。2.555简易电子琴的设计2.1设计题目利用数字集成电路（如：NE555等）和功率集成电路设计一个简易电子琴。2.2 设计要求（1）基本要求能演奏两个八度音阶；音阶对应频率如下：音阶名1234567频率（Hz）264297330352396440495528594660704792880990表2-1（2）提高要求将音阶扩大到再降低八度，进一步提高输出功率到5W。音阶对应频率如下：音 阶 名频率（Hz）132148.5165176198220247.5表2-22.3 电路设计原理与实验电路2.3.1 电路工作原理 本次制作的电子琴由三个八度音阶组成，音阶对应频率如表2-1、表2-2所示： 电路由电阻、电容、LM386功放及NE555定时器构成的多谐振荡器等组成，我们通过改变电阻的大小来改变输出的频率从而改变音调。2.3.2 系统方框图.琴 键控 制扬声器K1K2K21555定时器构成的多谐振荡器喇 叭LM386功 放图2-12.3.3 电路原理总图（见附录一）2.3.4 电路PCB图（见附录二）2.3.5 电路PCB实物图（见附录三）2.3.6 NE555单元模块 （1）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电路，由于矩形波肿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2-2所示：图2-2 、和、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）并接后接到和的连接处，将放电端（7脚）接到和的连接处。 由于接通电源瞬间，电容来不及充电，电容器两端电压为低电平，小于，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出为高电平，放电管VT截止。这时电源经和向充电，使电压按指数规律上升，当上升到时，输出为低电平，放电管VT导通，把从上升到这短时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数。 由于放电管VT导通，电容通过电阻和放电管VT放电，电路进入第二暂稳态，其维持时间的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数，随着的放电，下降，当下降到，输出为高电平，放电管VT截止，再次对电容充电，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，的电压总是在之间变化。电容的充电时间和放电时间各为： 。 故振荡周期为： 振荡频率为： 由上式可以求出21个音调需要的电阻分别是98K、86K、76K、71K、62K、54.7K、47.5K、44K、38K、33K、30.4K、26K、22K、18.7K、16.8K、13.8K、11.4K、10K、7.8K、6K、4.2K。 （2）集成555定时器有双极型和CMOS型两种产品。一般双极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4.512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。 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2-3、图2-4、图2-5所示：图2-3图2-4图2-5 （3）内部原理图图2-6 （TH）:高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。（TR）:低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。：控制电压端。：输出端。：放电端。：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，产生和两个基准电压，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和输出反向缓冲器G4组成。 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），经反向缓冲器后，输出为0（低电平）。 （4）逻辑功能RSTTHTROUTT的状态0xx0导通10导通1不变不变11截止表2-3当时，输出电压为低电平， T饱和导通。高触发：当时，时，时，C1输出低电平，C2输出高电平，Q0，T饱和导通。保持：当、时，C1、C2输出均为高电平，基本RS触发器保持原来状态不变，因此、T也保持原来状态不变。低触发：当、时，C1输出高电平，C2输出低电平， T截止。 555定时器的“高触发”、“保持”和“低触发”三种基本状态和进入状态的条件必须牢牢掌握。为控制电压端，在端加入电压，可以改变两比较C1、C2的参考电压。正常工作时，要在与地之间接0.01uf（电容量标记为103）电容。放电管T的输出端DISC为集电极开路输出。2.3.7 LM386功放单元模块LM386是一种音频集成电路，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接电源少和总谐波失真小等优点。通过接在1、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，如图2-7是放大增益为20dB的LM386功放电路图.放大增益=20图2-7 引脚2为反向输入端，3为同向输入端，5为输出端，6脚为电源，4脚为地，引脚1、8为电压增益设置端，1、8脚断开时，电压增益为20dB，使用时在引脚7与地之间接旁路电容，通常接10uf。3.实验调试（1）电路连接完毕后，先认真检查线路连接是否正确，检查完成后，只要电路输入电压不要过高，对应5V即可，通过电阻的串并联，按下按键开关后，有相应的声音发出。（2）得到声音后，测出各个音调的输出波形。（3）根据波形对比得到其频率是否吻合。4.电路测试及测试结果 由于设计电路本身的缺陷，当按下按键时，基本能发出相应的音调，但效果不是很好，有沙沙的声音。5.总结本次的课程设计，在老师布置课题后，经过查阅了许多相关此设计的资料，并与同学交流经验，以及向老师请教的方式，最终基本完成了本次的课程设计。 通过这次的课程设计，对以前学过的电子电路知识得到了巩固和发展，进一步理解和加深了对所学得模拟及数字电子技术的知识。学会了在实践中运用理论，用理论来指导实践，培养了理论联系实际的正确设计思想。通过了对课题的设计，训练了运用所学的理论知识去思考问题并联系理论实际解决问题的能力，提高了逻辑思维能力。 总之，通过这次的电子课程设计，培养了实际运用理论的能力，懂得了理论联系实际去处理问题，也培养了吃苦耐劳的精神，为以后更好的学习和工作打下了结实的基础，对于我们来说是一次难得的实践机会，也是一个宝贵的精神财富。6.元器件清单(见附录四)7.参考文献（1）现代电子学及应用童诗白等主编，高教出版社，1994年（2）数字逻辑与数字系统王永军、李景华编写，电子工业出版社，2007年（3）电子技术实验与课程设计毕满清主编，机械工业出版社，2005附录一附录二附录三附录四 参数序号封装类型0.1uC1rad0.2电 容0.1uC3rad0.2电 容0.01uC2rad0.2电 容0.047uC5rb.2/.4电解电容1.2kR17axial0.4电 阻1.8kR16axial0.4电 阻1.8kR15axial0.4电 阻1kR02VR5电位器1kR19axial0.4电 阻2.7kR20axial0.4电 阻0.5w/8W1sip2扬声器3.3KR20axial0.4电 阻3.3kR11axial0.4电 阻4.4KR21axial0.4电 阻5.1kR01axial0.4电 阻5VJ1SIP2两脚连接器6.8KR19axial0.4电 阻10R1axial0.4电 阻10R9axial0.4电 阻10R7axial0.4电 阻10R3axial0.4电 阻10R4axial0.4电 阻10R6axial0.4电 阻10R03axial0.4电 阻10R21axial0.4电 阻10R12axial0.4电 阻R14axial0.4电 阻10KR18axial0.4电 阻10KR17axial0.4电 阻10uC4rb.2/.4电解电容12KR16axial0.4电 阻15R5axial0.4电 阻15KR15axial0.4电 阻18kR2axial0.4电 阻19KR14axial0.4电 阻22KR8axial0.4电 阻22KR13axial0.4电 阻22kR8axial0.4电 阻26KR12axial0.4电 阻27KR11axial0.4电 阻33KR10axial0.4电 阻38KR9axial0.4电 阻47.7kR7axial0.4电 阻47kR5axial0.4电 阻51kR04axial0.4电 阻55kR6axial0.4电 阻68kR2axial0.4电 阻71kR4axial0.4电 阻76.6kR3axial0.4电 阻98kR1axial0.4电 阻220uC6rb.2/.4电解电容555NE555dip8集成电路LM386Q1dip8运 放SW-PBS17SW-PB按键开关SW-PBS16SW-PB按键开关SW-PBS15SW-PB按键开关SW-PBS14SW-PB按键开关SW-PBS10SW-PB按键开关S