简易电子琴设计.doc

模拟电子技术课程设计报告 题目名称： 简易电子琴 姓 名： 黄鹏程 学 号： 150712165 班 级： 15电本六班 指导教师： 王爱乐 成 绩： 山西工程技术学院信息工程与自动化系 摘要随着社会的发展进步，音乐已成为我们生活中很重要的一部分，电子琴则是一种很常见的键盘乐器，是现代电子科技和音乐结合的产物。在各个领域扮演很重要的角色，早已融入现代人们的日常生活中，成为不可替代的一部分。简易电子琴主要是由8个按键控制，根据固定电阻的不同，从而产生不同的振荡频率，并且将信号放大后由扬声器输出声音。为了能得到频率不同的波，波形产生部分首先使用了NE555芯片，从而得到振荡的正弦波；将信号传给LM386进行功率放大，使扬声器发出相应的音阶。分块调试测试电子琴，先是震荡电路的线路测试，再是功率放大电路的测试。经过调试之后，焊接而成的作品能产生8个音调的不同振荡频率的音阶。关键词：NE555 LM386 频率 电子琴目录第一章 设计任务- 2 -1.1设计要求- 2 -1.2设计目的- 2-1.3总体思想构图- 2-第二章 系统组成及工作原理- 6 -2.1 NE555简介- 6 -2.2逻辑符号- 7 -2.3 NE555内部原理图- 8-2.4逻辑功能- 9-555定时器逻辑功能- 9 -2.5 LM386芯片介绍- 11 -2.5.1 外形、管脚排列及内电路- 11-2.5.2 LM386主要性能指标- 12 -2.6 简易电子琴系统组成- 13 -2.6.1 按键模块- 13 -2.6.2音调发生模块- 13 -2.6.3音响模块- 13 -2.7 简易电子琴的工作原理- 13 -第三章 模块定路设计与参数计算- 15 -3.1波形发生部分- 15 -3.2功率放大部分- 15 -第四章 系统调试- 18 -4.1 调试步骤- 18 -4.2 调试过程- 18 -4.3 调试结论- 19-参考文献- 20 -附录- 21 -附录一:元器件清单- 21 -附录二 电路仿真- 23 -附录三 制作作品原图- 27 - 3 -前言 现在是信息高速发达的时代，了解一定的电子产品是相当必要的。电子琴作为其中的一个典型代表，引领着许多孩子进入音乐的殿堂。因此，我们选择了简易电子琴这个题目来制作，因为它不仅能够提高我的实践动手能力，还与实际生活有着紧密地联系。 模拟电路是一门实践性很强的课程，而此次课程设计依据的理论基础是模拟电路的相关知识。主要目的在于培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真，实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。锻炼学生自学软件的能力和分析并解决问题的能力。通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程制图、查阅设计资料、计算机应用方面能力的训练和提高。巩固、深化和拓展学生的理论知识与初步的专业技能。在模拟电子课程设计的过程中，系统的概念十分重要。基本方法除了实验课中要求掌握的功能测试、故障排除等各种一般方法以外，要特别注重使用“电路拼装”的方法。课程设计的一般步骤如下：（1）选择一个课题；（2）查阅有关资料；（3）进行可行性论证；（4）通过设计方案的比较，定出最优的设计方案；（5）分解为多个模块；（6）分别设计各个功能模块电路，并完成调试；（7）组装成完整的数字系统；（8）编写设计、安装、调试报告。 第一章 设计任务1.1设计要求1产生e调8个音阶的振荡频率，它分别由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 7：493.9 0：523 。如表1.1表1.1 音阶频率对应图音阶1234567i频率(Hz)261.6293.7329.6349.2392.0440493.9523.32.利用集成功放放大该信号，驱动扬声器。3.设计一声调调节电路改变生成声音的频率。1.2设计目的1.熟悉NE555和LM386等相关芯片的内部结构和功能，合理运用其内部及其功能，完成相应的设计工作。2.学会使用电路仿真软件如：Mutisim。3.能够对电子电路、印刷电路板、电子元器件等一些相关与电子和焊接等方面的知识有进一步的认识，并独立对其进行测试与检查。4.这次试验对焊接技术、排错调试、以及相关设备的使用等方面的得到了比较全面的锻炼和提高。并进一步巩固了在课堂上学习的理论知识。1.3总体思想构图 如图1.1,首先从输入按钮开关开始，然后通过频率发生器根据不同值的固定电阻产生不同频率，然后通过功率放大器放大，最后由扬声器表现出来。图1.1 总体思想构图【模块功能】该电路包括按钮开关，定值电阻，555振荡器和扬声器三部分组成，1输入端： 由八个按钮开关与各自的定值电阻串联在并联组成输入端2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3扬声器端口: 接受信号频率发出特定的频率【设计方案一】555定时器 本实验采用两个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器，颤音振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。主振荡器由555定时器，8个琴键按钮S0S7，外接电容C1、C2，外接电阻R以及R0R7等元件组成，颤音振荡器由555定时器，电容C等元件组成，颤音振荡器振荡频率较低为64Hz，若将其输出电压U连接到主振荡器555定时器复位端4，则主振荡器输出端出现颤音。按图接线后闭合不同开关即可令喇叭发出不同频率的声响，从而模拟出电子琴的工作。【设计方案二】LM324振荡由RC选频网络、集成运算放大器、信号发生器组成。其原理图如1.2所示。图1.2 LM324振荡思路图电阻、电容等组成RC桥式正弦波振荡电路，选用8个电阻和电容构成RC串并联选频网络,分别取不同的电阻值（通过琴键开关接通RC串并联网络的8对电阻）使振荡器产生八个音阶信号。通过运算放大电路的放大最后，通过扬声器发出乐音。 8个开关对应着电子琴8个音阶琴键，使用时闭合不同的开关选择不同电阻的大小，再通过RC振荡电路，可以发出不同的声音。【设计方案三】由两个555芯片以及其他元件组成的简易电子琴电路如图1.3：图1.3 简易电子琴仿真电路该方案是用两个555芯片组成。主要核心是555芯片，前一个555芯片是用来产生振荡信号，接入不同阻值的电阻Rw*产生不同的音阶频率信号，发出锯齿波形。然后通过第二个555芯片，该555芯片接成施密特触发器，用来将锯齿波形转变为方波波形，从而得到1、2、3、4、5、6、7、0八个音频音阶所对应的频率，再经LM386集成功率放大器将信号放大，驱动扬声器发出对应的音频音阶 。 最终选择方案：方案一原因用555定时器比LM324方便简洁，而且在实际仿真过程中，LM324方案未能成功，故为保险起见选择了555定时器，方案三中电路虽然简单，但是经过实践，得到的声音很小，得到的音阶不是很准，不能很好的实现预期的效果，所以此方案也不用。方案一的电路相对二者比较合理，选择的元器件也不多，由于电路比较简单，得到的音阶准，声音较大，符合设计的要求，所以选用的是此方案。第二章 系统组成及工作原理2.1 NE555简介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2.1（a）所示，R1，R2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R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2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uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T放R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c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，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。图2.1（b）所示为工作波形。图2.1 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性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4512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。2.2逻辑符号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2.2： （a） （b）（c）图2.2 555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚2.3 NE555内部原理图图2.3 555定时器的内部原理图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。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。Rd：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VCC和VCC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和输出反相缓冲器G3。Rd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）。2.4逻辑功能表2.1 555定时器逻辑功能RSTTHTROUT0XX012/3VCC1/3VCC011/3VCC不变12/3VCC2/3VCC1/3VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压2/3VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压1/3VCC时，写为VTR=0。 低触发：当输入电压Vi2VCC2/3 且Vi11/3VCC 且Vi12/3VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器,经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称555定时器“高触发”。 555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。 VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。原理图如图2.4图2.4 555定时器原理图IC555组成自激多谐振荡器，在脚与电源之间加入一组音调电阻R1R8，即是一架玩具电子琴。未按琴键K1K5时，时基电路555不振荡，扬声器不发声；按下某一琴键时，扬声器依555的振荡频率，发出相应的声响。电阻R1R8的选择调整方法，是用一只60100k的电位器，先接入电路，从高音（或低音）开始，转动电位器，使扬声器发出一个起始的标准音阶，测出电位器的阻值，并换上相同阻值的固定电阻，这样即可确定各音阶所需的电阻阻值。多谐振荡的频率：f=1.43/(R+2R)C)这是个约等于,其中R指7管脚与电源之间的电阻，R指7管脚与6管脚之间的电阻，C是2管脚与地之间的电容。实验中通过按键使R的阻值改变，从而改变振荡频率，扬声器就可与发出不同的声音，如果R的阻值取得好，扬声器就可以发出类似电子琴的声音了。仿真图如图2.5图2.5 NE555振荡仿真电路图2.5 LM386芯片介绍 2.5.1 外形、管脚排列及内电路 LM 386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中； LM 386的外形与管脚图如图2.2所示，它采用8脚双列直插式塑料封装。 图2.6 LM386外型与管脚引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。 2.5.2 LM386主要性能指标LM386-4的电源电压范围为518v。当电源电压为6V时，静态工作电流为4mA。当Vcc=16V，RL=32时输出功率为1W。、脚开路时带宽300kHZ，总谐波失真为0.2%,输入阻抗为50K。电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20dB。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处-噪音减少。2、选好调节音量的电位器。质量太差的不要，阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质。3、尽可能采用双音频输入/输出。好处是：“+”、“”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。4、第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！实际应用时，BYPASS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，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致。5、减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率（fc=1/(2*RL*Cout)）提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适，这是我的经验值。6、电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，太好了！由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。非常可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实不错！2.6 简易电子琴系统组成2.6.1 按键模块在电路板上安装八个按键开关，分别接入对应的电路中来控制输出频率。 2.6.2音调发生模块由一个555芯片和几个电容以及电阻组成多谐振荡器，经过可调电阻输出设计所需对应的频率。 2.6.3音响模块由一个LM386芯片和一个喇叭组成音响，LM386将系统产生的信号放大，经过喇叭发出声音。2.7 简易电子琴的工作原理主要用用一个555芯片和一个LM386集成功率放大器来实现此方案。通过555芯片产生振荡频率，发出信号。再由经LM386功放将信号放大，驱动扬声器发声。通过八个可调电阻来实现1、2、3、4、5、6、7、0八个不同音频音阶，从而达到我们所要的效果。电子琴的具体工作原理图如图4.1所示。 图2.7简易电子琴的工作原理图第三章 模块定路设计与参数计算3.1波形发生部分由NE555产生振荡本方案的原理电路如图3.1所示，由555芯片外接一振荡电路，经过充放电的过程，再根据555的工作原理形成间接反馈型无稳电路，当按下开关时变产生了脉冲信号即矩形波（由3端口输出高低电平）。最后使扬声器发出声音。改变J1-J8开关的闭合情况可改变输出矩形波波形的频率，从而发出不同的音阶。无稳电路的输入端一般有两个振荡电阻和一个振荡电容。可构成极低频振荡器。输出一个个的脉冲。 图3.1 NE555振荡原理图考虑到电路的排版与频率的调试难易程度。通过闭合开关S1S8改变RA阻值。达到产生不同频率的效果。3.2功率放大部分由LM368进行放大LM386是一种音频集成功放，与通用型集成运放相类似，是一个三级放大电路。LM386具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点。主要应用于低电压消费类产品。工作电压在4-12V之间。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合电压增益内置为20dB。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，可调范围为20dB至200dB。图3.3为运用LM386放大信号的电路图，其放大倍数是200。 图3.3 LM386功率放大图图中，脚所接容量为20F的电容为去耦滤波电容。脚与 脚所接电容、电阻是用于调节电路的闭环电压增益，电容取值为10F，电阻R在020k范围内取值；改变电阻值，可使集成功放的电压放大倍数在20200之间变化，R值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取R0，只将一只10F电容接在 脚与 脚之间即可。输出端 脚所接10电阻和0.1F电容组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。该电路如用作收音机的功放电路，输入端接收音机检波电路的输出端即可。经过对各个电路的对比，最后决定使用NE555产生信号，由LM386对信号进行放大。最后驱动蜂鸣器鸣叫。参数计算由前面所述的NE555功能简介可得多谐振荡的频率为f=1.43/(R+2R)C)这是个约等于,其中R指7管脚与电源之间的电阻，R指7管脚与6管脚之间的电阻，C是2管脚与地之间的电容。设计R=50kom,C=22nF故可求得固定电阻的值如表3.1表3.1 固定电阻的值频率Hz261.6293.6z329.6349.2392.2440.0493.9523.0固定电阻kom148121968666483124第四章 系统调试4.1 调试步骤1. 根据电路图组装电路。2. 检查元件的接。3. 接通电源，按各键，看是否有结果。4. 得到了预期的结果。4.2 调试过程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R21-R27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。如果R21-R27采用表2中标称电阻，则各别音调将略有偏离。但此次我们采用了固定电阻的串联和近似原则制作了一个不是最理想的电子琴，如果用精密电位器调整好电阻阻值效果会更好，以后我会多加思考争取做到最好。焊接完成后，发现蜂鸣器发声极微弱。用示波器观察NE555的输出端，发现波形正常，观察NE555的输出波形也正常，但是波形经过隔直电容后出现严重失真。当按键不按下时，NE555会一直输出一个直流量。由于蜂鸣器直流也可驱动，所以必须在蜂鸣器与NE555之间接一个电容隔直。但是喇叭是交流驱动。直流信号对喇叭不起作用，所以我们用了喇叭代替蜂鸣器。用喇叭代替蜂鸣器后，电路实现功能。此次我们未采用旁路电容去滤波，使得喇叭声音不够清脆，因为时间的关系，我们只能将就使用了该作品。以后一定会更细心的考虑完善。4.3 调试结论 在制作过程中刚开始只接了一个电阻按一下开关就会发出响声！再接两个电阻按一下开关就会发现响声但是响声与第一下不相同，其次以后六次都是与前面一样，多接通一个电阻响声就与前面一次不相同！全部接好后，每按一个开关所发出的声音与普通钢琴发出的声音一样！音质也差不多！而且音调更全由于设计电路本身的缺陷，当按下按钮，基本能够发出1 2 3 4 5 6 7 i八个音阶，但效果不是很好，有沙沙的声音。该电路应用简单的元器件并用简单的线路连接，看起来非常简洁，整齐。但是频率大小与理论值有一定误差，主要是电阻调整和线路是否接通的问题，应该每焊接一个点最好用万用表的测量一下是否虚焊，还有用万用表测量一下电阻是否与达到理论值，这样既可减小误差，也方便以后进行检查和改进。当遇到电路故障时，可一个模块一个模块的进行检查。先检查信号发生部分，如若信号发生正常，则检查放大部分的电路。检查时可以按照以下顺序：首先检查芯片的输出、输入端，看电平是否正常；其次检查该模块与上下模块的连接情况。再检查芯片的供电情况。看芯片是否正常工作；最后检查芯片的周边电路是否连接正确。如若都无问题，可能是芯片无法正常工作，可以尝试换一块芯片。 参考文献1 赵淑范 王宪编. 电子技术实验与课程设计. 清华大学出版社, 2006-082 康华光 陈大钦编. 电子技术基础模拟部分（第四版）. 高等教育出版社,1999-063 康华光编.电子技术基础模拟部分. 高等教育出版社, 2006-094 童诗白编. 模拟电子技术基础第二版. 北京高等教育出版社, 2007-055 陈永甫编.555集成电路应用800例. 电子工业出版社, 2009-046 廖先云主编.电子技术实践与训练. 高等教育出版社, 2005-0620