电子琴设计制作完整实验报告

简易电子琴的设计和制作实验报告

撰写人：

学号：2015210079

指导老师：张君毅

院系：信息与通信工程学院

单位名称：北京邮电大学

撰写时间：二零一七年三月二十七日

目录

一、设计任务与要求

1.1设计任务与要求

1.2选题目的与意义

二、设计和电路

2.1设计思路

2.2 总体结构框图

2.3 分块电路和总体电路的设计

三、实现功能

3.1 已完成的功能

3.2 主要的测试数据必要的测试方法

3.3 必要的测试方法

四、故障及问题分析

五、总结和结论

六、器件清单

七、仿真原理图及波形图

八、参考文献

九、附件

9.1《模拟综合实验过程考核统计表》

9.2《实验频率及功率记录表》

摘要

本实验以设计并制作出简易电子琴为目的，通过对电子琴信号的产生和功率放大方面的研究和实践，可对实际电子琴的音色、音质方面的改进起到一定的探索和促进作用。在这个实验中，我们需要建立系统的概念，培养综合应用电子电路及知识的能力，学习小型电子系统的设计、安装和调试方法。最终需要培养我们的工程实践技能和排除故障的能力。我通过该试验完成了简易电子琴的设计与制作，达到了实验要求的频率和功率，并想法设法改良了音色，最终的实验效果不错。

关键词：简易电子琴、运算放大电路、多谐振荡器、频率

一、设计任务与要求

1.1 设计任务与要求

了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。设计并利用NE555集成运算电路以及外加电阻，电容在第一级产生不同频率的音乐，再利用LM386功率放大电路对音乐信号进行放大，最后通过扬声器产生21个音符。

基本要求：能演奏两个八度音阶。

提高要求：将音阶扩大到再降八度，进一步提高输出功率到0.5w。

1.2 选题的目的与意义

（1）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程问题的能力。

（2）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟，数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力。

（3）学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。

二、设计和电路

2.1设计思路

整体电路主要由NE555多谐振荡器产生方波和LM386功率放大器进行功率放大两部分构成。

通过改变振荡电路中的RC元件的数值改变NE555多谐振荡器的振荡频率，从而达到产生不同音阶的目的。我在该电路中使用了21个开关与不同阻值串联，再并入NE555的端口，通过开关控制不同阻值的接入，也便于最终的演奏。将NE555的输出与LM386功率放大器相连，对方波信号进行放大，不改变信号频率的同时提高输出的功率，再与喇叭相连，能提高喇叭的音量并达到实验要求。最后通过扬声器能发出电子琴的不同音阶。

2.2 总体结构框图

2.3分块电路和总体电路的设计

琴键部分电路：

由开关和电阻串联，再全部并列构成。最上方和最下方分别导通，之间并上满足频率要求的电阻，再通过导线将最上方和最下方接入多谐振荡电路中。为提高实验精确度，在有限的电阻中使用电阻并联，大大减小了频率误差。考虑美观，不同组的音阶使用不同颜色的导线，醒目且使用方便。

NE555多谐振荡器电路：

555定时器构成的多谐振荡器，产生方波，如图所示。接通电源瞬间，电容C电压无法突变，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。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，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。可得出结论，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则能输出所需要的方波信号。

通过计算，振荡周期T和振荡频率f分别为：

T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1 f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1] 可通过调节琴键部分的电阻大小来改变输出频率，从而达到改变音阶的目的。

LM386功放电路：

该部分电路用于放大功率，使喇叭能正常工作。由LM386内部结构知，电路的电压放大倍数可由内部1.35k电阻及引脚1、8间的外围元件确定。当引脚1、8间不接任何元件时，其电压放大倍数为20倍，当引脚1、8之间外接电容10 uF

电容是，其电压放大倍数为200。此时，内部的1.35k电阻倍交流短路，其电压放大倍数表示式为: VA=2R2/R1=30k/150。引脚5与地之间外接0.047uF电容和10欧电阻为补偿电路，可提高电路的稳定性，防止电路高频自激。当LM386处于高电压放大倍数时，电源的影响将会增大，为此在引脚7与地之间外接10 uF 的滤波电容。本实验通过该部分电路提高功率，增大喇叭音量，达到功率要求。我另加了一个喇叭，使输出音质更好。

总体电路：

琴键部分并入NE555的DIS和RST接口，从而通过改变阻值改变多谐振荡器的输出频率。多谐振荡器和功率放大器接上12V的外接电压使其正常工作。NE555输出口通过一个滑动变阻器与LM386输入端相连，可以通过改变滑动变阻器的阻值来改变输入功放的功率，以至于改变最终的输出功率。功率放大电路的输出产生满足频率和功率要求的方波，作用与喇叭上便可演奏出所需音阶。

整体布线追求简单美观，工作电路部分导线为蓝色，接地线为黑色，供电导线为红色，琴键部分按组别分配不同颜色的导线。两块面包板可拆开，第一块的

琴键和电阻可以用于其他电路的电阻接入。为了提升喇叭音质，我们另加了更好音质的小功率喇叭，最终的音效效果也更好。

三、实现功能

3.1已完成的功能

能较准确地演奏两个八度音阶，并能将音阶扩大到再降八度，进一步提高输出功率到0.5w。能通过21个键位演奏21个音，音调准确，音色良好，喇叭音量适合。频率与标准值的误差在3Hz之内，功率适合，参数可调。

能使用该简易电子琴弹奏出简单曲目，效果良好。

3.2主要的测试数据

各音阶的测量频率及其功率：

注：①要求频率：上网查找的对应音阶的标准频率，作为实验的参照数据；

②实测频率：通过示波器测量的功放之后输出方波的频率，即为喇叭的实际工作频率；

③多谐频率：通过示波器测量的NE555定时器之后输出方波的频率，为放大前的频率；

④输出功率：通过示波器测量喇叭处输出方波的幅值V、占空比D，喇叭阻值R,计算:

P=(V^2/R)*D

高音7的输出功率：

测量数据：供电电压Vo=6V; 喇叭上的电压V=4.88V；喇叭阻值R=8Ω；占空比D=18.84%

P=(4.88^2/8)*18.84%=0.5608W

P=0.5608W>0.5W

输出功率满足实验要求。

3.3必要的测试方法

使用万用表电压档测量各个点的电压，判断电路是否正常导通工作；使用万用表电容档测量电容不同方向，判断电容极性；使用万用表欧姆档测量并入电路的电阻阻值。

测量各音阶的频率时，将示波器与LM386输出端相连，调节示波器为显示频率的模式，观察波形是否为平稳方波，若不是调节示波器；读出频率后与所需频率对比，再微调电阻阻值或使用串并联的方法改变阻值至频率误差很小，断电后使用万用表测量阻值，记录测量的频率和阻值。

测量NE555的输出频率时，将示波器与NE555输出端相连，调节示波器为显示频率的模式，观察波形是否为平稳方波，若不是调节示波器；

计算高音7的输出功率时，在断电的情况下使用万用表测量喇叭阻值，再使外加电源工作，示波器接于喇叭处，摁下高音7的琴键，调示波器添加测量量，显示所有测量数据，记录幅值和占空比，再断开电源，代入公式计算功率。四、故障及问题分析

实验前在Multisim上做仿真时，Multisim没有提供实验需要的LM386功率放大器，造成早期仿真失败。后来通过查找资料使用Multisim中已有的虚拟器件搭出了LM386功率放大器，解决了问题仿真成功。分析后知道由于工具问题造成故障或无法解决时，要多通过网络等途径搜集资料，再利用已有的条件解决问题。

在按照仿真图搭电路的过程中，因对集成芯片管脚不熟悉造成电路错误，在网上查找管脚图并检查电路后简洁地修改了电路并使电路正常工作。所以在搭电路的时候一定要准确，不确定的地方要通过查资料核实，电路简洁能有效地降低搭线失误，搭完后更要小心检查，确定无误后再加上电源进行实验，否则有烧

坏元器件的风险。

最后配置二十一个琴键时，由于电阻阻值有限，使用与计算值接近的电阻搭入，造成部分音的频率误差较大，不能满足实验的要求。后通过计算，使用已有的电阻进行并联得到合适阻值，大大减小了频率误差，使音调准确并完成实验。由此得出进行实验时不仅要有工程的近似思想，对误差的处理也要小心谨慎，要灵活使用已有的材料达到实验要求，并尽可能地减小误差。

整体实验过程中故障较少，并最后通过小心谨慎得到了解决，让我明白了实验的思路设计和搭接以及元器件的选用，都要小心谨慎，减小误差完美完成实验。

五、总结和结论

在浏览选题的所有资料后，我毫不犹豫地选择了简易电子琴这个实验，因为感觉这个实验很有趣，并且能提高我的动手能力以及对功放、简谐振荡器的使用能力，在这三周紧张的电路设计和调试实验之后，我感觉我的选择很适合我，也真的受益匪浅。

在本次实验中，我很好地完成了所有实验要求，并完成了实验的提高要求，误差很小，最后电子琴发声的音质和音调都很不错，得到了老师的认可，实验圆满完成。

在实验过程中，几乎所有步骤我都独立完成了，也与同实验的同学进行了交流和相互改进，不仅提高了自我解决问题独自思考的能力，也有团队合作以及思想交流，对我今后学习、做项目、工作等等都会有很好的促进作用。通过实验我熟悉了Multisim的使用，能够熟练使用电脑仿真软件进行各种仿真，也熟悉了各种元器件的构造原理和如何使用，大大提升了我动手搭电路的能力，让我对电路的理解也更进一步。实验大体完成后我对音调进行微调，我觉得我的音感也更好了。在弹奏时我很愉快，我在使用自己做的电子琴，自己调的音调，弹奏想弹的曲目，激发了对音乐的兴趣。

这种在实践中学习和发展得来的东西是仅从书本上学不来的，更是弥足珍贵的，对我未来各方面的发展都受益匪浅。

六、器件清单

注：使用许多电容电阻电感等源自实验箱，不在此一一列举七、仿真原理图及波形图

Mutisim仿真图：

示波器截屏图：

八、参考文献

1.百度百科——NE555管脚及相关资料

2.百度文库——LM386管脚及功率放大资料

3.google——搭建LM386的中文资料

4.知网——电子琴的标准音阶频率

5.百度知道——方波的功率计算

九、附件

9.1《模拟综合实验过程考核统计表》

9.2《实验频率及功率记录表》