数电课程设计——简易电子琴

目录

1.系统设计 (2)

1.1设计任务 (2)

1.2方案论证[1] (2)

1.3系统框图 (2)

2.单元电路设计 (3)

2.1多谐振荡电路 (3)

2.1.1电路原理[2] (3)

2.1.2器件参数的选择 (3)

2.2音阶发生电路 (4)

2.2.1电路原理 (4)

2.2.2器件参数选择 (4)

2.3喇叭发音电路 (4)

2.3.1电路原理 (4)

2.3.2器件参数的选择 (5)

3.系统测试 (5)

3.1调试要点 (5)

3.2调试过程出现的问题及解决方案 (5)

3.3数据记录 (6)

4结果分析 (6)

5.设计工作总结 (6)

6.参考文献 (7)

7.附录 (7)

7.1元器件明细表 (7)

7.2总原理图 (7)

7.3实物图 (10)

1.系统设计1.1设计任务

(1)玩具电子琴设有八个琴键，分别代表1、2、3、4、5、6、7、

1八个不同的音符，每按下

一个琴键，扬声器发出一个音符的声音。

(2)演奏时的音量和节拍可以调节，以满足演奏一般歌曲的需要。

1.2方案论证[1]

该方案采用NE555构成多谐振荡器，输出驱动电流大，带负载能力强，操作灵活、方便，且性价比高，故选此方案。

1.3系统框图

如图1所示，电路中采用555构成多谐振荡电路，通过按下不的键来改变输入电阻，改变输出频率。输出的信号通过滤波电路送到喇叭。还可进行音调、音量、节拍的调节。

图1

2.单元电路设计

2.1多谐振荡电路

2.1.1电路原理[2]

电路由NE555及其外部电路构成多谐振荡电路，电阻R3、R4与电路中电位器的R，电容C4构成充放电电路。

电路的振荡周期：

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。

2.1.2器件参数的选择

根据上述公式和发音频率值算出电容和电阻值，取R=1K，C2=0.1uF。

2.2音阶发生电路

2.2.1电路原理

电路通过按下不同的键，根据各发音频率公式计算得的电阻值，调节对应的电位器，得到所需要的电阻值。当0f f ,按下S8，时，调节RW8,使555的3脚输出的频率为523.3Hz ，R=RW8;按下S7时，调节RW7,使555的3脚输出的频率为493.9Hz ， R=RW8+RW7,依此类推，调节各电位器值，使按下不同按键时发出各种不同的声音，R4起限流作用。

2.2.2器件参数选择

根据上述分析，取R2=2.233K, R3=1.935K, R4=1.669K, R5=1.547K, R6=1.324K, R7=1.125K, R8=0.866K, R9=0.866K 。

2.3喇叭发音电路

2.3.1电路原理

如右图所示，NE555

三脚输出的信号

c3

送到喇叭。

C3起滤波的作用，

使高、低频率不能通过，中频通过。

2.3.2器件参数的选择

由上面分析得，取, C3=1nF。

3.系统测试

3.1调试要点

3.1.2 调节音阶部分

接上5V直流电源，音阶发生电路装上555芯片，用示波器测NE555的3叫输出波形，并根据频率调节各电位器，从S8依次向S1调节。

3.2调试过程出现的问题及解决方案

问题一：

调试完后，下次再接上电源是发现原先调试的频率都变了。

解决方案：

经多次调试发现，555三脚输出频率随电源电压增大而增大，所以每次调节都应确保所接电源电压一样。

问题二：

节拍的音量调节无法调到零。

解决方案：

将电位器RW11换成1K。增大电位器RW11的分压幅度，从而增大音量控制幅度。

3.3数据记录

表1频率测量值与理论值单位：Hz

电路实现了当每按下一个琴键，喇叭便发出一个音符的声音，而且音量、音调可以调节，达到了题目的要求。电路中充放电电容C取值大小要合适，使得电位器阻值可以选小一点，易调试，减少误差。但该音阶发生电路用改变输入电阻的电位器以串联方式连接，使得后面的阻值跟前面的阻值有关联，也给调试带来不便。

5.设计工作总结

通过这次的课程设计，更进一步学会了如何制板，如何正确使用万用表以及示波器；掌握了电子琴的原理，对555构成的振荡电路有更深层次的了解；在调试过程中，遇到的问题，并解决问题，使我对电子琴各部分电路研究更透彻，还应注意调节电位器时应先将触点调至中点，再慢慢调对应的大小，以免应阻值过小，电流过大照成芯片烧坏；也使我养成了独立思考的习惯，增强了我的动手能力。并通过找资料，加强了对各芯片的了解，也启示我应该多上网或到图书馆找资料，增长课堂上学不到的知识；设计过程中的碰壁，让我觉悟到专业知识的重要性，驱使我今后更努力念书。

6.参考文献

[1]肖景和主编：《CMOS数字电路应用》(第一版)[M]北京:中国电力出版社，2005

[2]清华大学电子学教研组,阎石主编:《数字电子技术基础》（第五版）[M]北京:高等教育出版社7.附录

7.1元器件明细表

7.2总原理图

7.3 实物图