电路分析设计综合设计报告

NANCHANG UNIVERSITY

电路分析实验报告

（2020年6月16日）

题目：电子琴设计制作

摘要

社会不断向前发展进步，音乐也逐渐成为我们生活中至关重要的一部分。我们清楚，有一种很常见的键盘乐器——电子琴，它是电子技术和音乐相结合所形成的共同体。在各个领域中，电子琴都扮演着很重要的角色，并且它已经融入现代人们的日常生活中，渐渐成为不可替代的一部分。

利用本学期电工电子学所学的知识，我们完全可以做出简易的电子琴。利用电路知识加持软硬件实现电子琴的诸多功能，进而将电子琴微型化。本文则是利用一个神奇的电路构建了一个简易电子琴，其中的核心器件是NE555芯片，以键盘、蜂鸣器等作为外围部件。它是由很多个不同音阶的电子琴构成的，可以达到多重奏的效果。本次实验中利用到了LM324芯片,NE555芯片，运算放大器，电路串并联等电路知识，在实践中又加深了对电路知识的理解。

关键词：电子琴；555芯片；电路

Abstract

As society continues to advance, music has gradually become a vital part of our lives.We know that there is a very common keyboard instrument, the electronic organ, which is a combination of electronic technology and music.In various fields, electronic organ plays a very important role, and it has been integrated into modern People's Daily life, gradually become an irreplaceable part.

With the knowledge of electrical and electronics this semester, we can make a simple electronic organ.Many functions of electronic organ are realized by using the hardware and software of circuit knowledge, and then the electronic organ is miniaturized.This paper USES a magic circuit to build a simple electronic organ, the core device is NE555 chip, with keyboard, buzzer as peripheral components.It is composed of many different scales of electronic organ, can achieve the effect of multiple ensemble.In this experiment, LM324 chip,NE555 chip, operational amplifier, circuit series and parallel circuit knowledge was used, which deepened the understanding of circuit knowledge in practice.

Key words: electronic organ;555 chips;circuit

目录

项目背景及目标 (1)

一、基本原理：................................................................................................................... - 2 -

二、电路设计....................................................................................................................... - 3 -

2.1电路汇总展示 ............................................................................................................ - 4 -

2.2元器件清单 ................................................................................................................ - 5 -

三、电路仿真....................................................................................................................... - 5 -

3.1仿真演示 .................................................................................................................... - 5 -

3.2仿真分析 .................................................................................................................... - 5 -

四、实物展示....................................................................................................................... - 6 -

4.1面包板搭建 ................................................................................................................ - 6 -4.2电路板拼接 ................................................................................................................ - 6 -

五、项目改进及改进效果分析........................................................................................... - 6 -

5.1改进方案 .................................................................................................................... - 6 -5.2改进方案查证 ............................................................................................................ - 7 -5.3改进过程 .................................................................................................................... - 7 -5.4改进效果 .................................................................................................................... - 9 -

5.5失败分析 .................................................................................................................... - 9 -

六、项目总结....................................................................................................................... - 9 -

6.1收获： ........................................................................................................................ - 9 -6.2经验教训： ................................................................................................................ - 9 -6.3 心得体会 (9)

简易电子琴

项目背景：

我们此次选题之所以选择电子琴是因为组内每个人都曾感受到过音乐的力量，受到过音乐的极大帮助，不论是失意伤心时一首歌的安慰使我们绝地重生，抑或是迷茫徘徊时一首歌的治愈使我们坚定目标......音乐有着十分强大的力量，这是一种由内而外，能唤醒人心灵最深处的一股力量。正是由于此，我们组此次选题电子琴，希望能通过自己来制作音乐，致敬那一首首曾帮助过我们的音

乐。

无数个不同的音阶构成一首音乐，一个音阶就和一个频率相应和，通过这样就可以利用频率，改变频率相当于改变音阶，从而做出我们自己想要的音乐，对于这次我们通过电路模拟，利用555芯片来制造多谐震荡电路，并采用固定电阻的方式使电路的不同支路在运行时产生对应不同音阶的频率，带有频率的方波输入扬声器中就能发出不同音调的声音，在主控模块上设有8个按键和扬声器的简易电子琴。（好想删掉，完全看不出放哪好）

本次设计我们主要应用555芯片、LM324芯片为核心控制元件,与电阻、电容、蜂鸣器等模块组成核心主控制模块，通过在面包板上实验加持软件的帮助从而实现电子琴的诸多功能，通过每个按键与电子琴的琴键对应，经过电子琴按键转换，由电路读取按键的输入状态然后跳转对应电路发出声音，不断迭代就可以实现操作者自行编曲了。（好想删掉，完全看不出放哪好）

本次设计主要通过对电工电子学的基本认识，利用555芯片、运算放大器等器件，通过多谐震荡电路,就会产生不同的频率，然后利用不同的频率的组合，从而设计成一个以面包板为承载的简易电子琴。在操作过程中应满足以下要求：（好想删掉，完全看不出放哪好）

设计目标：

该系统在使用过程中，应该实现以下基本功能：

(1)利用仿真软件，装载程序，实现对电子琴的仿真。按要求连接电路图，当按下数字键1、2、3、4、5、6、7、8时可以发出相应的音调；

(2)按要求连接电路图，当按下数字键1、2、3、4、5、6、7、8时可以发出相应的音调；

(3)通过不同的数字键组合，可以自编曲目；

(1)简易电子琴一共有8个按键，通过软硬件加持，在面包板上搭建完整的电路，从而实现电子琴诸多功能；

(2)使用数字键1-8个按键开关作为电子琴键，按下开关按键发出相应的音调；

(3)通过查询简易电子琴电路所按下的按键，读取相关电路的输入状态，产生不同的频率音阶从而实现用户自编歌曲；（好想删掉，完全看不出放哪好）

一、基本原理

1 简易电子琴系统组成

1.1 从电子琴到电路板（简易电子琴）

1.1.1 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，通过不同频率对应不同音阶，从而实现基本的发声功能。

1.1.2 音调发生模块

由一个555芯片、一个LM324运算放大器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。

1.1.3喇叭模块

通过大小喇叭共同发声，小喇叭扬声器DIY音响直径18mm、8欧、1w；大喇叭扬声器DIY音响3寸、4欧、5w。

1.2发声原理对比

电子琴发声原理：

现代的电子琴一般使用PCM采样音源。所谓采样就是录制乐器的声音，将其数字化后存入ROM或FLASH里，然后按下键时CPU或DSP芯片回放该音。甚至有一些高级编曲键盘可以使用外置采样（比如Tyros 3的硬盘音色）。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，力度感应在电子琴里是必备的。现代波形记忆式电子琴依然拥有滤波器，振荡器，同样可以靠包络线控制来制造和编辑音色。甚至在硬件电路上加入或软件模拟了老式电子琴的FM合成机构。如今的电子琴已今非昔比，很多3000~6000的电子琴支持更多的特性，比如Yamaha的PSR-S650支持完整的XG、GS音源，拥有真实乐器技法的兆级音色，16M可以装入采样的可读写ROM，以及音序器，伴奏制作功能。更加方便现场演奏和音乐制作。

当然，一部分老式电子琴是仅仅使用FM合成声音的，使用振荡器来模拟乐器声音，只不过它已经退出了市场。他的工作原理如下：

振荡器的作用根据需要产生一定频率的振荡信号，振荡信号通过分频器分解成不同频率的信号输送到放大器，放大器将信号放大，推动扬声器发出声音。键盘实际是一些开关，如果没有键盘，许多种频率的信号一齐进到放大器里，通过扬声器发出的声音就会乱七八糟，不成音乐。按下键盘的一支键，就等于接通一只开关，只允许某一种频率的信号通过到放大器里去，扬声器就发出一个音来。

这样，按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐来。电源的任务是给各部分供电。

电路板发声原理：

能发声的电路板蜂鸣器。驱动电路简单，声音相对单调一些，大多数情况下，只是简单的“滴滴”声。我们还可以通过软件来调整音调和节拍，使它能够演奏简单的乐曲。

2 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2.1所示。

图2.1简易电子琴的工作原理图

我们组通过对现实中电子琴各个模块进行逐步的分解，并利用新工科思想，运用本学期电工电子学所学到的知识，在电路中进行模拟和实现，将电子琴的功能拆解从而实现能达到基本功能的“简易电子琴”。

2 NE555简介

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。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。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4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。

1、只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2、它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。

3、其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4、它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

二、电路设计

2.1 电路设计总图

分压电路的实现：

通过不同音调声音的频率计算预期的震荡周期。根据调整电阻分压，使得实际震荡周期逼近理想的周期，以得到对应频率的波形。下图以第一个声音为例

多谐振荡器的构造：

接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VDD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc充电到≥2/3VDD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端(DIS)接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VDD 上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续

变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL≈0.7R2C，由电容C放电时间决定；TH=0.7(R1+R2)C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL

放大电路的构造：

起初通过npn三级管的共发射极结构放大电流，后选用工作电压可选范围更广的lm324运算放大器。ne555 3脚输出电流至多为200mA,我们所选扬声器的正常工作电流为1.1118A,刚好处在三极管的放大范围内。

考虑到这学期学习了运算放大器的知识，在三极管调试成功的基础上，采用了运算放大器lm324.

根据下面这个图，可以得出LM324 的输出电压跟电阻的关系:

输出端与LM324 负端之间上面的那部分，V0/（R1+R2）就是R1 和R2 之间流过的电流

根据虚断可知，正输入端和负输入端是断开的，再根据虚短，LM324 正端的电压

等于负输入

端的电压，由此可见，流过R2 的电流等于V+/R2 （V+为正输入端的电压）2.2元器件清单

三、电路仿真

3.1 仿真演示

3.1.1第一个音阶 do

3.1.2 第二个音阶 re

3.1.3 第三个音阶 mi

3.1.4 第四个音阶 fa

3.1.5 第五个音阶 so

3.1.6 第六个音阶 la

3.1.7 第七个音阶 xi

3.1.8 第八个音阶 do

结果误差分析：

因为为了分割出八个频率，所以与标准音阶相比有一定误差，图示占空比不大并没有理想中的那么大（设计时应为70-90%的占空比，实际上只有50%-60%）也是这个原因再者，我们的R9 和R11 不可能做到绝对的相同，那么放大器不应该工作在饱

和区，要有一个余量，应加入一个电阻分压，（也就是R8 就起到了将12V 的信

号降低一些的作用，从而保护后面的运放，也就是调节了输入到运放的电压，以免出现失真的现象）

4.1面包板搭建

4.1.1面包板简介

面包板是由于板子上有很多小插孔，专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插入或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电子电路的组装、调试和训练。面包板的得名可以追溯到真空管电路的年代，当时的电路元器件大都体积较大，人们通常通过螺丝和钉子将他们固定在一块切面包用的木板上进行连接，后来电路元器件体积越来越小，但面包板的名称沿用了下来。

4.1.2面包板的结构特点

整板使用热固性酚醛树脂制造，板底有金属条，在板上对应位置打孔使得元件插入孔中时能够与金属条接触，从而达到导电目的。一般将每5个孔板用一条金属条连接。板子中央一般有一条凹槽，这是针对需要集成电路、芯片试验而设计的。板子两侧有两排竖着的插孔，也是5个一组。这两组插孔是用于给板子上的元件提供电源。

4.2电路板拼接

4.2.1万用表的简介

万用表又称为复用表、多用表、三用表、繁用表等，是电力电子等部门不可缺少的测量仪表，一般以测量电压、电流和电阻为主要目的。万用表按显示方式分为指针万用表和数字万用表。是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数（如β）等。万用表是一种带有整流器的、可以测量交、直流电流、电压及电阻等多种电学参量的磁电式仪表。对于每一种电学量,一般都有几个量程。又称多用电表或简称多用表。万用表是由磁电系电流表(表头),测量电路和选择开关等组成的。通过选择开关的变换,可方便地对多种电学参量进行测量。其电路计算的主要依据是闭合电路欧姆定律。万用表种类很多,使用时应根据不同的要求进行选择。

4.2.1.1基本功能

万用表不仅可以用来测量被测量物体的电阻，交直流电压还可以测量直流电压。甚至有的万用表还可以测量晶体管的主要参数以及电容器的电容量等。充分熟练掌握万用表的使用方法是电子技术的最基本技能之一。常见的万用表有指针式万用表和数字式万用表。指针式多用表是一表头为核心部件的多功能测量仪表，测量值由表头指针指示读取。数字式万用表的测量值由液晶显示屏直接以数字的形式显示，读取方便，有些还带有语音提示功能。万用表是公用一个表头，集电压表、电流表和欧姆表于一体的仪表。

万用表的直流电流档是多量程的直流电压表。表头并联闭路式分压电阻即可扩大其电压量程。万用表的直流电压档是多量程的直流电压表。表头串联分压电阻即可扩大其电压量程。分压电阻不同，相应的量程也不同。万用表的表头为磁电系测量机构，它只能通过直流，利用二极管将交流变为直流，从而实现交流电的测量。

4.2.1.2操作要点

1、使用前应熟悉万用表各项功能，根据被测量的对象，正确选用档位、量程及表笔插孔。

2、在对被测数据大小不明时，应先将量程开关，置于最大值，而后由大量程往小量程档处切换，使仪表指针指示在满刻度的1/2以上处即可。

3、测量电阻时，在选择了适当倍率档后，将两表笔相碰使指针指在零位，如指针偏离零位，应调节“调零”旋钮，使指针归零，以保证测量结果准确。如不能调零或数显表发出低电压报警，应及时检查。

4、在测量某电路电阻时，必须切断被测电路的电源，不得带电测量。

5、使用万用表进行测量时，要注意人身和仪表设备的安全，测试中不得用手触摸表笔的金属部份，不允许带电切换档位开关，以确保测量准确，避免发生触电和烧毁仪表等事故

4.2.2实物搭接