简易电子琴-模电课设报告

课程设计说明书课程设计名称： 模拟电路课程设计 课程设计题目： 简易电子琴 学 院 名 称： 南昌航空大学信息工程学院 专业： 通信工程 班级： 学号： 姓名： 评分： 教师： 2013 年 3 月 11 日 模拟电路 课程设计任务书20122013 学年第 2学期第 1 周 3 周 题目简易电子琴内容及要求 产生e调8个音阶的振荡频率，分别由1、2、3、4、5、6、7、0号数字键控制； 其频率分别为：1：261.6、2：293.6、3：329.6、4：349.2、5：392.0、6：440.0、7：439.9、0：523； 利用集成功放放大该信号，驱动扬声器； 设计一声调调节电路，改变生成声音的频率。进度安排第1周：查阅资料，到机房学习仿真软件，确定方案，完成原理图设计及仿真；第2周：领元器件、仪器设备，制作、焊接、调试电路，完成系统的设计；第3周：检查设计结果、撰写课设报告。学生姓名： 指导时间：周一、周三、周四下午指导地点：E 楼 311室任务下达2013 年2月25日任务完成2013 年 3 月15日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师 系（部）主任 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘 要在这个经济繁荣的社会，高端技术已经琳琳树立，例如电子琴就广受消费者的喜爱。就此次设计的简易电子琴，它的基本设计要求是由NE555产生频率振荡，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。在按动对应音阶的按键后电子琴能相应发出0、1、2、3、4、5、6、7八个音阶，能够演奏简单的音乐。关键字：NE555、功放电路、频率、电子琴目 录前言 1第一章 设计原理及系统组成 21.1 设计方案 21.2 设计原理 2第二章 功能模块设计及系统仿真 42.1 模块功能 42.2 输入端 42.3 555振荡器电路 42.4 功率放大电路 52.5 电路仿真结果 7第三章 系统调试与分析 9第四章 结论 10参考文献 11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。 第一章 设计原理及系统组成1.1 设计方案方案一：555定时器与电阻、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。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。经过进一步比较，方案一中用555产生脉冲，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值比较便宜，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。综上所述，方案一为最佳选择。1.2 设计原理简易电子琴由RC选频网络、集成运算放大器、功率放大器以及信号发生器组成。如图：图 1-1 电路原理框图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1-2。图1-2 初始原理图NE555芯片与电阻电容等组成可控多谐振荡器，如图1-3，振荡频率f可由如下公式求得： (1-1) 由公式可知，f仅与Ra、R16、C3有关，式中Ra对应R1-R8不同的组合值，这取决于各个开关的通断情况。在已知目标频率f的情况下，可以通过理论计算得到各音阶所需Ra的理想值，考虑到电路中有元器件的内阻等因素产生系统误差，需要再利用万用表进行调试校准，从而确定每个音阶所对应的实际阻值，真正实现通过控制频率来控制音阶。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，故可以引入LM386功放电路产生增益，对其产生的音频进行功率放大使得声音变大。图1-3 改进原理图第二章 功能模块设计及参数选择2.1 模块功能输入端：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频率产生端：根据定值电阻的不同输入，由555产生不同的信号频率扬声器端口：接收信号频率发出特定的频率2.2 输入端选频网络的频率推导公式为： （2-1）表2-1 e调八个音阶对应频率经过推导得到仿真原理图中电阻阻值分别为：R1=27.2k，R2=24.4k，R3=11.1k，R4=20.5k，R5=18.2k，R6=16.3k，R8=23.5k，R7=89.1k图2-1 开关输入端电路2.3 555振荡器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，不同的音阶在人听来就是不同的音调。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。图2-2 555定时器基本工作原理图多谐振荡的频率： （2-2）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，即是一架玩具电子琴。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。2.4 功率放大电路 根据设计需要，功率放大电路主要以LM386为主。LM386是一种音频集成功放，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2-3 LM386基本工作原理图图中，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，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2-4 改进电路图2.5 电路仿真结果 图2-5 音阶1的仿真曲线 图2-6 音阶2的仿真曲线e 调低音dou的仿真曲线如图2-5。闭合开关S1，将所有电阻串联进电路，扫描频率选择0.4ms 档,得到该曲线，其频率约等于262Hz。e 调ruai音的仿真曲线如图2-6。闭合开关S2，扫描频率选择0.4ms 档，得到该曲线，其频率约等于294Hz。 图2-7 音阶3的仿真曲线 图2-8 音阶4的仿真曲线e 调mi音的仿真曲线如图2-7。闭合开关S3，扫描频率选择0.4ms 档，得到该曲线，其频率约等于330Hz。e 调fa音的仿真曲线如图2-8。闭合开关S4，扫描频率选择0.4ms 档，得到该曲线，其频率约等于349Hz。 图2-9 音阶5的仿真曲线 图2-10 音阶6的仿真曲线e 调sou音的仿真曲线如图2-9。闭合开关S5，扫描频率选择0.4ms 档，得到该曲线，其频率约等于392Hz。e 调la音的仿真曲线如图2-10。闭合开关S6，扫描频率选择0.4ms 档，得到该曲线，其频率约等于440Hz。 图2-11 音阶7的仿真曲线 图2-12 音阶8的仿真曲线e 调xi音的仿真曲线如图2-11。闭合开关S7，扫描频率选择0.4ms 档，得到该曲线，其频率约等于439Hz。e 调高音dou的仿真曲线如图2-12。闭合开关S8，扫描频率选择0.4ms档，得到该曲线，其频率约等于523Hz。总结：本次课程设计所得的实物中用的原理图和仿真的是一样的，但是由于仿真中用到的一些电阻、电容实际上有一定的不同，所以元件参数也会不一样，但是在误差范围内，符合要求。第三章系统调试与分析先组装音阶产生电路。为了节省时间和空间，可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。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。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、断路和电阻不能用的可能，发现是第三音阶对应B键接触不良，更换后故障排除。图3-1 电子琴实物图为令实验结果更接近理想效果，令电位器取代了固定电阻，图为未更改前电路板实物图。第四章 结论该电子琴接通电源，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阶，达到了设计所要求的效果。本次电子琴关键部分在于发音部分。对于模拟发音，是通过555定时发生器产生不同频率的脉冲，利用调节电位器改变接入有效电阻，易于频率的调试。手动控制和自动控制是用模块化设计，通过模拟开关将两个独立的部分连接起来。模块化的设计主要方便于电路的纠错、改进、测试。完成的电子琴实物作品整体布局美观、线路连接分明、系统功能良好。在实际调试过程中有些东西并不像仿真显示的结果那样，达不到所期望的性能指标。例如当阻值取值和仿真相同时，所测频率比仿真频率偏高。这就要求通过仪器的测量，加以合理判断调整电路参数。在调试过程中发现电容值并不准确，而