北邮模电综合实验-简易电子琴的设计与实现

电子测量与电子电路实验课程设计

题目: 简易电子琴的设计和制作

姓名孙尚威

学院电子工程学院

专业电子信息科学与技术

班级2013211202

学号2013210849

班内序号04

指导教师陈凌霄

2015年4 月

目录

一、设计任务与要求 (3)

1.1 设计任务与要求 (3)

1.2 选题目的与意义 (3)

二、系统设计分析 (3)

2.1系统总体设计 (3)

2.2 系统单元电路设计 (4)

2.2.1 音频信号产生模块 (4)

2.2.2 功率放大电路 (7)

2.2.3 开关键入端（琴键） (8)

三、理论值计算 (9)

3.1 音阶频率对应表 (9)

3.2 键入电路电阻计算 (9)

四、电路设计与仿真 (10)

4.1 电路设计 (10)

4.2 Multisim仿真 (11)

五、实际电路焊接 (11)

六、系统调试 (13)

6.1 系统测试方案 (13)

6.2 运行结果分析 (14)

七、设计体会与实验总结 (15)

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。

1.2 选题目的与意义

（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、系统设计分析

2.1系统总体设计

由555电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡电路中的RC元件的数值进行改变。根据这一原理，通过设定一些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的规律依次将不同值的RC组件接

入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的需求，有节奏的发出已设定的音频信号，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音符。

图1：系统组成框图

2.2 系统单元电路设计

2.2.1 音频信号产生模块

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。

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。

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1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=（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，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（1/3～2/3）Vcc 之间变化。

图2：NE555管脚图

图3：多谐振荡波形图

电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1 和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。

多谐振荡器的放电时间常数分别为

t PH≈0.693×（R1+R2）×C1

t PL≈0.693×R2×C1

振荡周期T和振荡频率f分别为

T=t PH+t PL≈0.693×（R1+2R2）×C1

f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]

2.2.2 功率放大电路

集成功放大电路可以有多种选择，如三极管放大、差分放大、运放等等，考虑到本次是对音频放大，故选择的是通用型音频功率放大器

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。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，直至200。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。

特性(Features):

* 静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。

* 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。

* 外围元件少。

* 电压增益可调，20-200。

* 低失真度。

采用LM386运放，价格低廉。LM386一般采用6-9V电源，最大输出功率为1W，因该器件散热条件不够理想，一般输出功率为0.5W 以下，一般为0.3W。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:

V A=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。

图4：LM386放大电路，放大增益=200

2.2.3 开关键入端（琴键）

21个开关与经计算出来的固定电阻串联后再互相并联，通过按下

开关（琴键）将不同电阻接入多谐振荡电路，使555震荡器产生不同

频率的音频信号。

图5：开关电路

三、理论值计算

3.1 音阶频率对应表

表1：音阶频率对应表

3.2 键入电路电阻计算

频率——电阻对应公式：

f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]

根据公式以及实际电路分析，配合已有电阻的串并联计算得出音阶频

率对应的电阻值和电容值。

C1=0.22uF R2=2.7kΩ

表2：键入电路电阻

四、电路设计与仿真

4.1 电路设计

利用多谐振荡器电路作为音频信号发生电路，后级接LM386放大信号。原理电路图如下图，当依次按下按键时控制不同阻值电阻接入电路，以NE555为核心组成的多谐振荡电路，由不同的充电电阻选择不同的频率以此来控制分别发出21个不同音频信号，最后通过功放把21个音阶依次输出。

图6：电路设计图

4.2 Multisim仿真

在焊接实际电路之前利用Multisim仿真软件对电路进行仿真，通过虚拟示波器观测方波脉冲的波形和频率。仿真结果如下图。

图7：仿真波形图

五、实际电路焊接

将电路分成两部分进行搭接，前半部分将按键开关和定值电阻按电路图焊接在万用板上。后半部分将多谐振荡电路、功率放大电路和喇叭插接在面包板上，以方便调试。

图8：实际搭接电路（1）

图9：实际搭接电路（2）

六、系统调试

6.1 系统测试方案

通过实际电路的输出端将音频信号输入到示波器，利用数字示波器观测震荡波形和振荡频率。记录实际电路下的音频信号频率，将R1置换为电位器，在调试过程中调节电位器和定值电阻R2使得测量值更加接近理论计算值。

图10：示波器显示波形

6.2 运行结果分析

误差分析：实测频率的误差主要来源于接入电阻的阻值以及焊接点的电阻值。在高音频率上的设计时，由于不同音阶频率对应的R1之间相差1kΩ左右，实验提供电阻有限并且阻值有一定误差，所以实测频率与理论频率有一定误差。为了避免定值电阻带来的误差，在调试电路时选择利用电位器调节接入阻值来得到准确的实测频率。再通过定值

电阻的串并联减小误差。

七、设计体会与实验总结

通过两周的紧张地电路设计和调试，按照规定要求完成了简易电子琴的设计与制作，此次的课程设中计，我不仅巩固了以前学习过的知识，还增长了一些书本以外的知识，比如如何在万用板上焊接电阻电容，如何能焊接的光滑，美观，布线能够清爽一目了然，这些光看书本是永远也学不到的。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛，也明白课程设计的意义所在，它教会我如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的分析能力、动手能力及处理问题的能力。在整个设计到电路板的制作、电路的焊接以及调试过程中，不断修正自己的思路，虽然电子琴原理简单但是在焊接上有一定困难，如何布局合理、整体美观成为音阶准确外最主要的任务要求。

当然，我从实训中也发现了自身的许多缺点及不足，比如做事不仔细，动手能力欠缺。在第一次焊接时候我因为粗心把21个接入电阻连接成了串联形式，导致系统的整体性错误，不得不减掉所有焊点重新开始。

在课程设计的整个过程中，培养了我们的耐心和毅力，一个小小的错误就会导致结果的不正确，而对错误的检查要求我要有足够的耐心，由于这个课程设计也使我积累了一些经验，相信这些经验在我以后的学习工作中会有很大的作用。