简易电子琴课程设计报告超详细

课程名称：课程名称：设计题目专业班级设计者学号指导教师广州大学机械与电气工程学院电子信息工程系课程设计报告电子技术课程设计简易电子琴电子信息工程2班苏伟强15074000511407400106秦剑彭绍湖设计所在学期：2016~2017学年第2学期设计所在时间：2014年7月6日-12日TOC\o"1-5"\h\z地点：电子信息实验楼314315目录一课程设计题目31题目分析理解二设计任务及要求31要求2任务安排3进度安排三电路设计41方案论证2单元电路设计与数据分析2.1文氏桥正弦波震荡电路2.2LM386组成的功率放大电路3确认理论参数四电路仿真13multisim仿真图2仿真结果3误差分析及总结五元器件的选择191元件分析1元件清单六PCB设计错误!未定义书签。01原理图设计2选择封装3生成PCB七制作与调试221电路板的热转印，焊接元器件2故障排除并且接通电源3调试过程4数据记录和分析八试验中遇到的问题251仿真过程遇到的问题2制作PCB遇到的问题3电路调试的时候遇到的问题九心得体会26十参考文献27附录：1实物图附录：2元件清单课程设计题目题目分析理解在众多的题目里面我们选择“简易电子琴”作为我们课程设计的课题。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。但是这显然不是这次课程设计的方向和内容，根据课程设计的要求“融会贯通其所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法”说明本次实验需要运用模拟电路还有数字电路的知识进行电路设计，所以，方案的设计就必须绕开单片机等大型的MCU,尽量选用市场上可以提供的中、大规模集成电路芯片和各种分立元件等电子器件，并通过应用性设计来实现各功能单元的要求以及各功能单元之间的协调关系。设计任务及要求要求我们选择的题目是简易电子琴，顾名思义，要求就是可以通过操作按键产生dou,re,mi,fa,so,la,si,do（高音），声音要求音色相同，界限分明。任务安排本次进行该课程设计，我们组有两个同学，分别是苏伟强，周宇恒，苏伟强担任组长，负责电路的设计，仿真，原理图及PCB绘制，调试过程的技术支持，数据分析等，周宇恒负责元器件的采购，电路板的腐蚀及焊接，故障排除，电路调试，数据测量等。进度安排2017.6.28~2017.7.3相关知识的回温，电路的初步构想，并进行仿真2017.7.4~2017.7.5画出PCB，购买兀器件，并制出PCB板2017.7.5~2017.7.6实物调试2017.7.6~2017.7.8数据测量，数据分析，书写报告电路设计方案论证方案一：LM324与电阻电容构成文氏桥正弦波振荡器，正弦波的频率可通过电阻修改，输出的正弦波再通过LM386组成的功放，提高带载能力，驱动喇叭发声。方案二：利用单片机的定时计数器产生CTC模式产生频率可调的方波，驱动蜂鸣器发声方案三:利用NE555与电阻，电容等组成可控多谐振荡器,NE555产生方波信号，再经LM386进行功率放大，驱动喇叭发声。选择方案：方案二使用单片机实现，虽然是最简单的方法，但是不符合本课程设计的要求，相关单片机课程设计是接下来的课程，方案三，设计难度也不大，但是由于需要用到3个芯片，成本身高，555集成性较高，对了解实验原理不是有很大的帮助，不是非常符合本实验的要求，不予考虑，方案二仅仅使用一片集成运放，和LM386组成功放即可实现全部功能，设计底层的相关计算比较难，但是对了解电路运行原理基本理论，提高自身能力非常有帮助，所以，该课程设计，我们选择了方案二作为最终方案。2单元电路设计与数据分析整体实现电路包括，文氏桥正弦波震荡电路还有LM386组成的功率放大电路，整体的框图如图1所示：图1现在对每部分进行分析：2.1文氏桥正弦波震荡电路所谓的正弦波震荡电路其实就是对电路电扰动（如合闸通电，还有幅度很小频率丰富的输出量）进行选频，并且对所选的频率输出量进行放大，其他频率的输出量进行衰减的电路。在文氏桥震荡正弦波震荡电路中，选频网络为文氏桥电路，放大电路是同相比例放大电路（负反馈），为了保证对特定频率的输出量的放大能不断进行，引入了正反馈环节，文氏桥电路也接正反馈回路，但是这样的放大不能无限放大，所以，必须同相比例放大电路的放大倍数要随着时间非线性减小，使得电路能尽快达到正弦平衡，引入所谓的非线性环节，通过二极管在导通电阻无穷小，不导通电阻无穷大的特性，使放大电路的比例系数，在满足起震条件（后面会分析起震条件）后，随着时间的推移迅速下降，能尽快达到动态平衡，输出一定频率的正弦波如图2。图2所以：于是：AF=i为了合闸通电之后能经过尽可能短的时间放大，然后尽快达到平衡，有起震条件：AF>i综上所述，正弦波震荡电路必须由一下四部分组成（1）放大电路（2）选频网络（3）正反馈电路（4）非线性环节。面对文氏桥正弦波震荡电路各部分进行分析：1111图3图3文氏桥电路如图3所示的文氏桥电路充当的是正反馈电路和选频网络电路，下面讨论起选频特性电路的传递函数G(s)U(s)fU(s)

oR//-2sCR丄R//i.1sC2sC1)替换js得：G(j)jC进一步化简得到：G(j)替换jC,化简得到：jCjCR2j2)3)11111+22+善+（勒+£）224)1

jSC化简得到：5)5)G（严）=R]i®CR22+R+j（i®CR22例如Rl=2000Q,R2=1000Q,C=0.1uF使用matlab绘制(1)函数得到:图4相位対谱菖警h0.250005_015—01幅度频僧1D00200D50006JJD0菖警h0.250005_015—01幅度频僧1D00200D50006JJD070QQB0009QQD100003D0Q4OD0图4f=0:l:10000;Rl=2000;R2=1000;C=0.1*10"-6;f0=l/2*pi*C*sqrt（Rl*R2））;F=l./（2+Rl/R2+j*（2*pi.*f*C*Rl-l./（2*pi.*2)));figure;subplot(2,1,1);plot(f,angle(F));title'相位频谱');ylabel('W(G(jw))');xlabel('f');subplot(2,1,2);plot(f,abs(F));title('幅度频谱');ylabel('|G(jw)|');xlabel('f');二1125Hz,2兀*0.1*10-6F2000。*1000。由幅度谱可以知道当f=f时，因为IG(je)戶-即I存1=丄1UI,申(f)沁0;04f4o0相当于带通滤波器，又因为在整个文氏桥正弦波发生电路，反馈系数F=G(jw)，要筛选出需要的信号f0,也就是说f0的信号要放大，其他信号缩小，但是事实往往无法特别精确,因为文氏桥电路使得频率为f0的信号强度下降为1即/&=1,所以放大倍数A至少要大于444,才能使得在选频-〉放大过程中信号不至于衰减，这也是必须1起振的原因，当然，其他频率的信号必须衰减，由传递函数的幅度频谱可以看出，要保证筛选出来的信号频率fo只在很小的范围内存在误差，那就必须使得AF微大于1，也就是A微大于4，而不能无限制的升高A汶，然而，如何控制AF>1呢，由该例(Rl=2000Q,R2=1000Q,C=0.1uF),根据前面所述血=4，根据正弦波动态平衡条件A=F=1=4，起震时必须A〉4,通过调4整同相比例放大电路可以实现A的微调，这样一来，频率为f0的信号虽然被文氏桥衰减了，但是通过放大，得到了补充，依旧可以维持，并且持续放大，直到动态平衡，频率不是fo的信号，文氏桥对他们衰减的幅度比f0信号更大，虽然也得到相同程度的放大，但是不足以使其信号始终保留，只会慢慢衰减，每经过一次文氏桥衰减的情况见传递函数幅度谱.可以看到频率低于f0的信号衰减得比较快。注：以上的讨论仅仅是对于Rl=2000Q,R2=1000Q,C=0.1uF这种情况下，文氏桥电路的传递函数，不同的电阻和电容的组合有不同的传递函数，系统的频谱图也不同，但是1相同的是都是带通滤波模型，且f=—02"、Irrcc^1212本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的Rl=2000Q,Cl=C2=C=0.1uF,

通过修改R的阻值，根据f=得到对应频率信号的输出，通过matlab计算输202兀C,i'RR12出，得到发出所有乐声频率的R2的理论阻值为如下乐声douremifasolasido频率(Hz)261293329349392440493523R2(kQ)18.59214.75211.70010.3988.2426.5415.2104.630f=[261293329349392440^4931523°00;C=0-1*10A(-6);RX=zeros(1,8);forx=1:8RX(x)=1/((f(x)A2)*4*(piA2)*(CA2)*R1);endRX=RX./1000;2.2下面对同相比例放大电路做具体分析：如同所示的同相比例放大电路包含正弦波震荡电路的放大电路环节还有非线性环节如图5所示电路：图5如图5所示在电路刚起振的时候，电压比较低,还无法使得两个二极管导通，根据二极管未导通时动态电阻无穷大的特点，两个二极管相当于断开，R接入电路，根据同相比例f2放大电路特点，电压放大倍数：A-1+—1f2。uR0过一段时间后，二极管被导通，R被短路，反馈回路只有R接入电路，电压放大倍f2f1R数j&=1+才，可以看到，电压放大倍数&从刚起振到经过一段时间，由于二极管动态uRu0电阻的非线性特性，呈现非线性减小，由起振条件A&>1，当A=j&,f不变，当A减小，使得正弦平衡条件A&=1得以满足。u同相比例放大电路的主要目的是放大特定频率的信号，如何实现这个过程，以下对此展开讨论，我们需要确定电压放大倍数AU，以确定电阻R0，Rf1，Rf2的取值，我们知道，由于起震条件A&1，&的值，如图3,就本课程设计而言，需要改变R2的取值，所以，势必文氏桥的传递函数就会改变，仪值就会改变，要保证起振条件AF>1满足，势必得每个^值匹配一个放大倍数&,电路才可以精确的工作，但是现实中往往相对调高一点&的取值(但是又往往不能太大，下面会进行讨论)，以满足所有济，使得电路都能起振，现在就本课程设计的相关数据进行讨论，确定相应的电压放大倍数AU，本实验通过修改R2的值，分别对应着一个文氏桥的传递函数，如下图所示，用matlab分别画出传递函数幅度谱，观察在f处的幅度变化值，即1G(j)冃F。设Rl=2000Q,Cl=C2=C=0.1uF,图中标注了点x二f

11图6f=0:0.1:3000;R1=2000;R2=14752;C=0.1*10A-6;f0=1/(2*pi*C*sqrt(R1*R2));F=1./(2+R1/R2+j*(2*pi.*f*C*R1-1./(2*pi.*f*C*R2)));figure;subplot(2,1,1);plot(f,angle(F),'LineWidth',2);title(湘位频谱');ylabel('巾(G(jw))');xlabel('f');subplot(2,1,2);plot(f,abs(F),'LineWidth',2);title('幅度频谱');ylabel('|G(jw)|');xlabel('f');由图的可以得到下面表格的数据：注：昭为满足起振条件的最小值Am”FR2(KQ)18.59214.75211.70010.3988.2426.5415.2104.630f(Hz)0261293329349392440493523F0.47450.46830.46060.45610.44590.43370.41950.4112Amin2.10742.13532.17102.19252.24262.30572.38372.43192CRR12可以看到’随着电阻的减小’选择的频率f2CRR12但是，这样的升高不是没有代价的，代价就是频率为fO的信号被该系统（文氏桥电路），削弱的越多，可以看到，随着频率的升高，F的值越来越小，可见文氏桥选频网络不适合做高频筛选，因为频率越高衰减就越多，衰减越多，放大倍数不能够大，所以信号的完整度得不到保证，对此可以使用LC正弦波振荡电路，这里不展开。从图上看，需要匹配的最小电压放大倍数在增大，所以为了所有频率的正弦波都能被选出，得到完整的波形而不至于被文氏桥衰减，必须选择这8个音符中频率最高的（523Hz）,需要放大的倍数最大的（2.4319），才能保证其余7个低频率的音符能够被筛选放大，而不至于只被筛选，而得不到放大，由同相比例放大系数uR+Ru—flf2R0得到，滑动变阻器的阻值应该是R°=2.°95k。2.2LM386组成的功率放大器文氏桥正弦波震荡电路虽然可以产生频率可调的正弦波，但是正弦波的带载能力太差了必须再接一个功率放大器，降低电路的输入电阻，提高带载能力，驱动喇叭发声。7如图7,LM386组成的功率放大器，通过查阅数据首次，采用最小电压增益20的接法

628F5LM386:OkQ628F5LM386:OkQ图7设电源电压为VCC，负载电阻Rl，最大功率输出表达式:)2V/2)2CC——Pom订2Pom我们使用使用的喇叭的为”8Q,0.5W”，电源为6V直流电源，带入数据，得到:P二0.5625W沁0.5Wom喇叭可以正常工作。1,8引脚断开，集成功放的电压放大倍数为20倍，3口接滑动变阻器可以调节音量，5上的0.05uF电容和10Q电阻组成校正网络用来进行相位补偿，6脚接的电源Vcc.1电路multism仿真图四电路仿真由第三部分的讨论，得到电路的multisim仿真图为:1电路multism仿真图四电路仿真由第三部分的讨论，得到电路的multisim仿真图为:图8文氏桥正弦波震荡电路multisim仿真图9LM386组成的功率放大器multisim仿真2仿真结果2.1文氏桥输出的正弦波,依次按下键1,2,3,4,5,6,7,8，接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形，注:由于调节限制，滑动变阻器调至2kQM&wjremer-jtFrequencycountir-XFiC25即册诂M&wjremer-jtFrequencycountir-XFiC25即册诂ty234211Hz匚Sk辭thscGiesignalionrabeiBiggerievei0I__chanoe-iotidINowchantje384.937HzSaisdivtypHS)CaMpkngi肚JIxISk*.-dian^adgrdCarfiaicni^aFrsquCT-iCyocwriter-XlPC2-Coif^TgI貳:[H]Spiyd~由ngesgnslC^rap-flJMnrifl：16Frequencywyntpr-K-CJ口4月FPufaARgFN|Dskwi>±k&-4e知週ijin;IFiitqUiSntycounier-XFC2FPufaARgFN|Dskwi>±k&-4e知週ijin;IFiitqUiSntycounier-XFC2站劭伽PMS)Rr~FreqiRaTaiJ2.2功率放大器输出的方波从左到右依次按下键1,2,3,4,5,6,7,8，接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形nUnU3误差分析及总结根据理论的文氏桥R2电阻的修改得到的信号的频率存在误差，见下表:音调12335671理论值(Hz)261293329349392440493523仿真值(Hz)234270312335384436489520误差(Hz)-27-23-17-14-8-4-4-3由表可知，误差随着频率的升高越来越小，我们提出以下方案解决频率误差问题：方案一:通过修改输出音调方案的频率，整体提高一个调，让整体的频率都上升根据上面得出的规律，误差在高频部分误差小方案二：降低定值电阻R2的阻值，串联一个滑动电阻，调节电阻，观察波形，直到频率和理论值对应方案一虽然可取，但是始终存在误差，而且出现问题无法及时调整，只能更换电阻，市场上也很难买到诸如18.541k这样的电阻，方案二可以近乎完美的解决这个问题，通过串联8个滑动变阻器到对应的定值电阻，加大了可调节性，可以通过调节电阻，使输出频率逼近理论值。另外从文氏桥正弦波震荡电路产生的正弦波，在1,2,3,4处信号的顶部被“削平”了，这是因为每个R2电阻对应一个文氏桥F值，所以由起振条件必定对应着一个A为了使得所有8个频率的，信号都得到放大，所以必须选择最高频率那个音符对应的放大网络放大倍数，前面讨论了，这个值是2.4319，根据枣=1+Rf1[Rf2滑动变阻器的阻uR0，值应该是Ro=2.095k°，所以就导致，前面7个音符的选频范围增大（参考传递函数图像），例如筛选频率为261的do音，需要放大倍数仅仅是2.1071，现在放大了2.4319,使得他混杂了其他频率的信号，同时，由于电压的限制，放大的电压超过了电源电压，被削平。在调节各R2对应的滑动变阻器的时候应该遵循以下规则，首先调节第8个音符的波形，使得其为幅度恰当的正弦波，确保起振后可以被放大，而不至于被衰减，如果衰减了，调小放大电路负反馈环节的滑动变阻器RW1，增大放大倍数，加大信号的幅度，但是太大的幅度会使得第一个音符波形被削平，所以这时候就要确保最后的音符波形可以起振并且保持，而第一个音符的波形不至于被削平得很厉害，确保首尾两个音符波形频率正确了，才调节另外6个滑动变阻器，使输出的波形还有频率都满足要求。在调整功率放大电路的时候，应该确保输出的是规整的方波，先从第一个音符调起，调节功率放大器的滑动变阻器RW2,使得出现占空比接近50%,然后接下来的7个音符都能满足要求了。切勿从低8个开始调起，这样不能保证前面7个音符都能输出正确的方波。

五元器件的选择1元件的分析本设计所用的都是直插式元件，而不是贴片的，所以购买的时候需要注意，按键选择2脚的，不选择4脚的，喇叭选择0.5W,8Q的无源的，不选择蜂鸣器类，有源类的发声器，由于芯片有损坏的风险，为了方便取出，加上排插，DIP8,DIP14元件清单元件名规格数量LM324N及DIP14直插DIP141LM386N及DIP8直插DIP81电阻lkQ~10kQ若干若干电阻2kQ2电阻10Q1滑动变阻器10kQ9滑动变阻器5kQ1普通电容O.luF2普通电容10uF1普通电容0.05uF1电解电容250uF1二极管1N40012喇叭8Q,0.5W11原理图设计六PCB设计2选择封装其中由于没有LM386N,LM324的封装，于是自己画了封装，滑动变阻器的封装有误,重新画了，如下：电/;器2IGAJN□AIN—■-IXBYPASS—+INvcc4CJNDOUT仙口cIName|ModelType|SourerMocklName|ModelT^'Pe|Source/Mod61Nam^ModelType|Source雜LM3朗FootprintPcblLihliRdaLib越LM3SSFautpnntLM38E,PeLib雀电＜il黑2FootprintPcbUbl.PdDLib]I.MIWjOOOOOOO□OOGOOOa3PCB图s2WQnuoDL■□DCi04S16ZDJ-Kran0.七制作与调试1电路板的热转印，焊接元器件将PCB打印到油性纸上，把铜板包好，先预热转印机，然后送进转印机转印，转印结束后先冷却，然后拆开，看是否有地方掉线了，如果有，用油性笔补画，然后送入腐蚀液中腐蚀，直到看到铜被腐蚀完全，拿出腐蚀机，清洗，洗到出现铜线。焊接，同样先预热焊笔，把零件对应着PCB图插上去，然后焊接，注意电解电容的极性，芯片的方向。2故障排除并且接通电源调万用表到蜂鸣档，测试是否通路，是否有虚焊，不够锡的补锡。再次看一下元件是否摆放正确，确认无误接通电源。3调试过程按下最后一个音符1的按键，查看第一部分正弦波发生电路输出的波形，调节滑动变阻器RW1和对应并联支路的滑动变阻器RWH,直到看到正弦波，看到正弦波之后，开始进行频率微调，调节RWH,支路阻值变小，正弦信号频率升高，继续调节RWH使频率升高，会导致波形幅度减小，最后导致衰减消失，这时候需要不断调节RW1增大电压放大倍数来维持波形的幅度，最后，可以输出频率正确523Hz的正弦波，然后依次调节音符7,6,5,4,3,2,1,使其达到对应的频率。把示波器探头挂到最后功放的输出端，按下第一个音符1查看波形，调节滑动变阻器RW2,直到出现规整的方波。面两步调节好后，将喇叭接入，听一下声音，查看效果。4数据记录和分析文氏桥正弦波振荡器产生的8个频率的正弦波如图功放输出的8个方波如图eQTrifl'diwj/l,2MI73BHJMPOK0剛卩HZOO''、'''■；''血几4r.MPo$;1000$M2SOni^7-Jd-l72ls29tw?™3213MHJfi■■¥.!■.*■•h'3-酋ZVmF7-狎茁农廻罚冷MPosarotb•讹'溯'…祐血詁•讹'溯'…祐血詁讹為『4-1721曲茁!T-JU-1?21:27237«1H1亡出戈册詁小出—亠亠・■・■・,炖玄扳網姗7-Jul-V21r2?音调12335671理论值(Hz)261293329349392440493523实际值(Hz)265297328348392441495522误差(Hz)+4+4-1-10+1+2-1可以看到是输出的声音的频率还是很准确的。八试验中遇到的问题1仿真过程遇到的问题1在仿真LM386组成的功率放大电路的时候，发现multisim没有LM386这个元件，于是自己百度，下载了LM386的系统文件，按通过multisim的向导，照步骤把LM386加入到系统的元件库。2在用multisim试听乐声的时候，一开始用的是里面元件库的buzzer和sonalert,发的声音都是一样的，但是信号的频率却是不同的，后来发现原来这两个都是有源的蜂鸣器，频率都是固定的，只要通电，就可以发出固定频率的声音，而我们要用的是无源蜂鸣器，在multisim叫做speaker,所谓的无源蜂鸣器就是发声频率随着输入的信号频率的变化而变换，multisim的speaker的使用方法是先录后放。一开始发现频率计观察不到频率，但示波器却又波形，后来了解到应该设置频率计的最低出发电压，电压低于触发电压，频率计不显示频率。2制作PCB遇到的问题1热转印的时候总是不能完全印上去，后来知道原因是没有打磨掉铜板的表面的氧化膜。热转印效果特别不好的时候，可以用砂纸擦掉墨印，重新热转印，若是可以补救，可以用油性笔，也必须用油性笔，在断的地方，或者需要补墨的地方补上墨。有时候系统的封装焊盘太小了，平时我们做的工艺程度没有那么高，所以必须改大一点。系统的封装有时候是不正确的，或者不是我们想要的，例如滑动变阻器的封装，发现滑动端是最后一个焊盘，但是我们的滑动变阻器的滑动端是中间的，导致一开始的时候，滑动变阻器几乎是没用的，电路也起振不了，后来检查的时候发现了，修改了封装，重新画了电路板。3电路调试的时候遇到的问题1虚焊可能时不时就会发生，比方说我们这次课程设计，所有功能都调试好了，突然就不响了，很奇怪，用万用表查来查去发现原来是虚焊了，原来一开始为了保险以后取下来方便些，焊锡都用的比较少。这个还可以补救，第二天我们回去看的时候，又不响的，这次居然冒烟了，我赶紧拔了，检查了一下，发现原来又虚焊了，原来是一开始焊的都不是很可靠，这次虚焊的地方的VEE,直接把LM324烧掉了，费了很大的工夫把坏掉的芯片取下来，把所有焊盘都加焊了，加多点锡，避免再次出现问题，一开始是直插的LM324改用DIP14插座，这样方便取下来更换，芯片比较容易坏掉，所以为了方便更换芯片，还是用DIP插槽比较好。2一开始以为修改定值电阻就可以修改频率，然后买了很多定值电阻，买不到很精确的，例如18.75k这样的电阻，就买接近的例如18k,以为这样就可以，没想到误差还是很大的，看到别的同学都是用电阻+滑动电阻的组合，觉得很好，可以调节滑动电阻，观察波形，知道满足需要的频率，于是修改了封装重新焊，结果比较满意，这教育我们，不要太相信仿真上的数据，现实中是有波动的，而且波动的范围你不知道多大，所以在需要调节调试的地方，最后要有修改的余地，这时候加入一些可以调节的元件是非常重要的，这样可以减小误差。3一开始调节音调的时候，总是从1调到去在调节正弦波的时候，发现，前面调的好好的，都有比较好的正弦波形，但是越调到后面波形越来越小，甚至消失，后来通过理论分析，发现文氏桥电