简易电子琴课程设计报告超详细

指导老师：秦剑，彭绍胡

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

课程名称：电子技术课程设计

设计题目：简易电子琴

专业班级：电子信息工程 2 班

设计者：苏伟强

学号：1507400051 1407400106

指导教师：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

地点: 电子信息实验楼314 315

简易电子琴：苏伟强周宇恒

目录

一课程设计题目 (3)

1 题目分析理解

二设计任务及要求 (3)

1 要求

2 任务安排

3 进度安排

三电路设计 (4)

1 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

2.2 LM386组成的功率放大电路

3 确认理论参数

四电路仿真 (13)

1 multisim仿真图

2 仿真结果

3 误差分析及总结

五元器件的选择 (19)

1 元件分析

1 元件清单

六PCB设计...........................................................................................................................错误！未定义书签。0

1 原理图设计

2 选择封装

3 生成PCB

七制作与调试 (22)

1 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 (25)

1 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

一课程设计题目

1 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。

二设计任务及要求

1 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

3

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dou,re,mi,fa,so,la,si,do(高音)，声音要求音色相同，界限分明。

2 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。

3 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，购买元器件，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

三电路设计

1 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

5

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： o

f X F A X A X ==o 于是：1=F A

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：1>F A

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。

下面对文氏桥正弦波震荡电路各部分进行分析：

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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sC R sC R C

R s U s U s G o

f

1

//

1s 1

//

)

()()(212++=

= （1）

替换 s j =ω得：

C R C R C

R j G ωωωωj 1//

j 1j 1//

)(212++=

（2）

进一步化简得到：

11//

11

)(21++

=

C

j R C

j R j G ωωω （3） 替换C

j ωλ1

=

,化简得到： )(21

2

11))((1)(212122

121221R R R R R R R R R R R j G λλλ

λλλλλω+++=+++=+++=

（4）

7

恢复C

j ωλ1

=

，化简得到： )

1(21

)(2

121CR CR j R R j G ωωω-++=

（5）

例如R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF 令2

1021

R R C f π=

使用matlab 绘制(1)函数得到:图

4

图4

f=0:1:10000;R1=2000;R2=1000;C=0.1*10^-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*R 2)));figure;subplot(2,1,1);plot(f,angle(F));title('相位频谱');ylabel('ψ(G(jw))');xlabel('f');subplot(2,1,2);plot(f,abs(F));title('幅度频谱');ylabel('|G(jw)|');xlabel('f');

z 11251000*200010*1.0*21

216

-2

10H F R R C f =Ω

Ω=

=

ππ， 由幅度谱可以知道当;0)(|,|4

1|U |41|)G(j |0

f 0≈==

=f U f f o ?ω 即时，因为 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)(jw G F

=，要筛选

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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

41即4

1=F ,所以放大倍数A 至少要大于4,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>F A

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

f0只在很小的范围内存在误差，那就必须使得41微大于，也就是微大于A

F A ，而不能无限制的升高F A

,然而，如何控制1>F A 呢，由该例(R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF),根据前面所述41=F

，根据正弦波动态平衡条件44

111===F

A

,起震时必须A >4,通过调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f0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R1=2000Ω，R2=1000Ω，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，但是相同的是都是带通滤波模型，且2

121021

C C R R f π=

。

本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF ，通过修改2R 的阻值，根据2

1021

R R C f π=

得到对应频率信号的输出，通过matlab 计算输

出，得到发出所有乐声频率的2R 的理论阻值为如下： 乐声

dou re mi fa so la si o d

频率(Hz)

261

293 329 349 392 440 493 523 R2(k Ω) 18.592

14.752

11.700

10.398

8.242

6.541

5.210

4.630

f=[261 293 329 349 392 440 493 523];R1=2000;C=0.1*10^(-6);RX=zeros(1,8);for

x=1:8RX(x)=1/((f(x)^2)*4*(pi^2)*(C^2)*R1);end RX=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，

9

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，2f R 接入电路，根据同相比例

放大电路特点，电压放大倍数：0

2

1u

1R R R A f f ++= 。

过一段时间后，二极管被导通，2f R 被短路，反馈回路只有1f R 接入电路，电压放大倍

数0

11R R A f u

+= ，可以看到，电压放大倍数u

A 从刚起振到经过一段时间，由于二极管动态电阻的非线性特性，呈现非线性减小，由起振条件1>F A

，当 得以满足件减小，使得正弦平衡条不变，当1,==F A A F A A 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u A

，以确定电阻0R ，1f R ，2f R 的取值，我们知道，

由于起震条件1>F A ，F 的值，如图3，就本课程设计而言，需要改变2R 的取值，所以，势必文氏桥的传递函数就会改变，F 值就会改变，要保证起振条件1>F A 满足，势必得每

个A F 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u A

的

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取值（但是又往往不能太大，下面会进行讨论），以满足所有F

，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u

A ，本实验通过修改2R 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0f 处的幅度变化值，即|||)(|F

j G =ω。 设R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF ，图中标注了点0f x =

图6

f=0:0.1:3000;R1=2000;R2=14752;C=0.1*10^-6;f0=1/(2*pi*C*sqrt(R1*R2));F=1./(2+R1/R2+j*(2*pi.*f*C*R 1-1./(2*pi.*f*C*R2)));figure;subplot(2,1,1);plot(f,angle(F),'LineWidth',2);title('相位频谱');ylabel('ψ

(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:

min

A 为满足起振条件的最小值

F

A

1

min

2

R(KΩ) 18.592 14.752 11.700 10.398 8.242 6.541 5.210 4.630 0

f(Hz) 261 293 329 349 392 440 493 523

F 0.4745 0.4683 0.4606 0.4561 0.4459 0.4337 0.4195 0.4112

min

A

2.1074 2.1353 2.1710 2.1925 2.2426 2.3057 2.3837 2.4319

11

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可以看到，随着电阻的减小，选择的频率0f 就越来越高，这符合2

1021R R C f π=

但是，这样的升高不是没有代价的，代价就是频率为f0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

2

1u 1R R R A f f ++

= 得到，滑动变阻器的阻值应该是Ω=2.095k 0R

2.2 LM386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

13

图7

设电源电压为CC V ，负载电阻L R ，最大功率输出表达式：

L

CC om R V P 2

)22/(

= 我们使用使用的喇叭的为”8Ω，0.5W ”，电源为6V 直流电源，带入数据，得到:

0.5W 0.5625W ≈=om P

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10Ω电阻组成校正网络用来进行相位补偿，6脚接的电源Vcc.

四电路仿真

1 电路multism 仿真图

由第三部分的讨论，得到电路的multisim 仿真图为:

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图8 文氏桥正弦波震荡电路multisim仿真

15

图9 LM386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2k Ω

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17

2.2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

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3 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 1 2 3 3 5 6 7 1

理论值(Hz) 261 293 329 349 392 440 493 523

仿真值(Hz) 234 270 312 335 384 436 489 520

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

19

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0

2

1u

1R R R A f f ++= ，

滑动变阻器的阻值

应该是Ω

=2.095k 0R ，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 ，8Ω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

2 元件清单

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元件名规格数量LM324N及DIP14 直插DIP14 1 LM386N及DIP8 直插DIP8 1

电阻1kΩ~10kΩ若干若干电阻2kΩ 2

电阻10Ω 1

滑动变阻器10kΩ9

滑动变阻器5kΩ 1

普通电容0.1uF 2

普通电容10uF 1

普通电容0.05uF 1

电解电容250uF 1

二极管1N4001 2

喇叭8Ω，0.5W 1

六PCB设计

1 原理图设计