简易电子琴电路的设计 (2)

1、1. 技术指标12. 设计方案及其比较12.1 方案一12.2 方案二32.3 方案比较63. 实现方案64. 调试过程及结论105. 心得体会166. 参考文献16简易电子琴电路的设计1. 技术指标设计一个玩具电子琴，设8个琴键，分别代表1、2、3、4、5、6、7、八个不同音符，每按下一个琴键，扬声器发出一个音符的声音。演奏时的音量和节拍可以调节。2. 设计方案及其比较2.1 方案一 选用RC振荡电路和运算放大器构成简易电子琴电路。RC振荡电路的具体电路为文氏桥正弦振荡电路。电路原理图如下图1。图1 简易电子琴电路原理图 其中和按键电阻并联，和串联，两者共同构成RC串并联选频网络。由于选频网

2、络的相移为零，这样RC串并联选频网络送到运算放大器同相输入端的信号电压与输出电压同相，所以RC反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件，因而可以形成振荡。 由于振荡的能量是电源，激励信号源是电路中的噪声，它的频谱丰富，包含频率成分；但由于噪声信号极其微弱，在振荡期间应使信号做增幅振荡，为此合理选择电阻使环路增益大于1，这样频率为信号就会通过正反馈而使得输出信号不断增大，使输出幅度越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，使振荡幅度自动稳定下来，电路进入等幅振荡。频率之外的信号由于不满足振荡平衡条件，将不会在输出信号中出现，RC选频网络实现了信号频率的选择功能。 按键电阻的选择：查阅资料得知八个音阶的

3、频率如下表1：表1 八个音阶的频率音符12345678264297330352396440495528由于的值确定为0.1uF，由公式： （1）并结合表一计算可得电阻阻值分别为（单位：欧姆）： （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9）通过阻值选择电阻器件。 电路要求不仅能够振荡，而且能够稳幅。当振荡输出信号小于放大器的最大输出电压时，输出为正弦波。如前所述，环路增益大于1，这样信号幅度在正反馈的作用下不断增大必然使放大器进入非线性区，输出信号产生失真，所以在正弦波振荡中必须有环路增益的控制环节，使输出信号电压升高时，环路增益下降，从而达到稳定输出信号电压幅度的目的。稳幅方

4、式有很多种，而此次实验选用的是两个二极管进行稳幅。采用反向并联二极管的稳幅电路，利用电流增大时二极管动态电阻减小，电流减小时二极管动态电阻增大特性，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。功率放大组件采用为三极管作为放大组件。2.2 方案二采用NE555构成多谐振荡器，LM386功率放大器放大音量，构成简易电子琴电路。电路原理图如下：图2 NE555构成简易电子琴电路原理图NE555芯片内部原理图及管脚图如下：图3 NE555内部功能框图图4 NE555管脚图NE555管脚功能：1（接地）地线，通常被连接到电路共同接地。2（触发点）这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期，触发信号上缘电压须大

5、于，下缘须低于。3（输出）当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源少1.7V的高电位，周期结束输出回到0V左右的低电位。于高电位时最大输出电流约为200mA。4（重置）一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到低电源或忽略不用。5（控制）这个脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡运作方式下，这个输入能用来改变或调整输出频率。6（重置锁定）重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚电压从一下移至以上时启动这个动作。7（放电）这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力。当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗；当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗

6、。8（）这是555计时器的正电源电压端。供应电压的范围是4.5V16V。LM386为音频集成攻放芯片，其引脚图如下所示：图5 LM386引脚图 在需要电压增益时，在1脚及8脚间接入一电解电容，一般为10uF。第七脚接旁路电容接地，起到滤除噪声的作用。工作稳定时，该管脚电压约为电源电压的一半。增大这个电容容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。由NE555构成的多谐振荡器可知按键电阻的阻值可由公式： （10）求得。求得电阻阻值如下（单位：欧姆）： （11） （12） （13） （14） （15） （16） （17） （18）2.3 方案比较 实验基于CC7555芯片，构成简易电子琴

7、电路，且方案一与方案二无法控制节拍快慢。且方案一有时不易起振，不能很好的控制电路。而且在接通开关的瞬间，不能立即达到想要的振幅，这对电子琴需要迅速转换按键很不利。所以，实现方案为使用两个555定时器，采用两个芯片并联的方法将两个芯片产生的信号叠加到一起，右边的555芯片作为一个节拍器，使其的周期大于左边芯片产生的信号周期。滑动变阻器调节节拍。3. 实现方案实现方案使用两个555定时器，分别控制按键电阻及节拍。555定时器的内部结构图如下：图6 555定时器内部结构图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

8、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。图7 555定时器构成多谐振荡器电路及工作波形 555构成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7所示，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）并接后接到和

9、C的连接处，将放电端（7脚）接到，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，放电管截止。这时，电源经，对电容C充电，使电压按指数规律上升，当上升到时，输出为低电平，放电管导通，把从上升到这段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 。充电时间常数为： （19）由于放电管导通，电容C通过电阻和放电管放电，电路进人第二暂稳态。其维持时间的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数： （20）随着C的放电，下降，当下降到时，输出为高电平，放电管截止，再次对电容C充电

10、，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，电压总是在之间变化。图1所示为工作波形。根据的波形可以确定振荡周期为： （21） 对应充电时间： （22） 对应放电时间： （23）振荡周期： （24）振荡频率： （25）由上述公式计算得知电阻为： （26） （27） （28） （29） （30） （31） （32） （33）555定时器的管脚图与上述NE555管脚图相同，如图5。555定时器管脚：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。CV：控制

11、电压端。Q：输出端。DC：放电端。R：复位端。 555定时器的功能表如下：表2 555定时器功能表RSTTHTROUT0XX01>>01<>不变1<<11><1 构成简易电子琴电路原理图为：图8 两个555定时器构成电子琴电路原理图 555定时器内含有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，；一个由与非门和组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器。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）。与形成固定的频率，使电路产生八个不同的音调

12、，和与5管脚相连达到消除杂音稳定电路的作用。二极管对电路起过流保护作用。通过调节滑动变阻器改变声音大小。4. 调试过程及结论 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，并通过串接电阻是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。采用图8中标称电阻，则各别音调略有偏离。 下图则为在面包板上已经连接好的调试电路：图9 简易电子琴调试电路 电路安装完毕后，先认真检查接线是否正确，线

13、路连接错误一般是因为接线时看错引脚，或者改接时忘记去掉原来的旧线造成的，实验查线是往往不易发现。首先按照总电路图检查是否有引脚连接错误，连接短路，接着用万用表依次检测电路中是否短路的情况。 检查完成后，只需注意输入电压不要过高，对应12V即可。通过电阻的串并联，按下按钮开关后，能够发出1、2、3、4、5、6、7、8八个音阶，且伴有节拍，节拍及音量可控。但由于元器件电阻选择等原因，发音有些微误差。下图为调试电路八个音阶的测试波形：图10 1音阶对应输出波形 图11 2音阶对应输出波形 图12 3音阶对应输出波形 图13 4音阶对应输出波形 图 14 5音阶对应输出波形 图15 6音阶对应输出波形

14、 图16 7音阶对应输出波形 图 17 8音阶对应输出波形下图为调试电路节拍输出波形：图18 节拍调试波形使用proteus对电路进行仿真时，改变节拍频率时的波形：图19 仿真节拍波形图20 仿真节拍波形5. 心得体会 本次数电课程设计，在老师布置课题并讲解了基本原理后，接近两个星期的时间我查阅了许多有关此设计的资料，并通过与同学交流经验和自学，以及向老师请教等方式，最终基本完成了此次课程设计。  通过对简易电子琴的设计，认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本

15、上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的。  这次电子课程设计，让我对以前所学的电子电路知识既是巩固又是发展，进一步理解并加深了对所学的模拟及数字电子技术的认识。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，提高了逻辑思维的能力。