简易电子琴课程设计.doc

课程设计任务书学生姓名：专业班级：
指导教师：工作单位：信息工程学院
题目: 简易电子琴电路的设计仿真与实现
初始条件：
可选元件：集成运算放大器LM324、电阻、电位器、电容若干，直流电源，或自备元器件。

可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，函数发生器
要求完成的主要任务:
（1）设计任务
根据要求，完成对简易电子琴电路的仿真设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。

（2）设计要求
①设计一简易电子琴电路，按下不同琴键即改变RC 值，能发出 C 调的八个基本音阶，采用运算放大
器构成振荡电路，用集成功放电路输出。

已知八个基本音阶在 C 调时所对应的频率如下表所列
C 调 1 2 3 4 5 6 7 i
f 0 /H Z 264 297 330 352 396 440 495 528
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

③利用Proteus 或Multisim 仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系
统功能。

④安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。

⑤选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。

时间安排：
1、前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。

2、后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。

指导教师签名：年月日
系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
1. 模电课设概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1 ）
1.1设计背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1）
1.2设计目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)
1.3 开发环境proteus简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)
2.电路原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3) 2.1 RC桥式振荡电路及频率选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)
2.2 振荡条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)
3.总体方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(5)
3.1实验电路设计思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(5)
3.2设计电路图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(6)
3.3实验参数选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(6)
4. 仿真曲线及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(7)
4.1 仿真操作过程及曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(7)
4.2 仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(14)
5.实物制作及仿真、实物的差异⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(15)
5.1实物制作过程和调试过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(15)
5.2 仿真、实物的差异⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（16）
6. 心得体会⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（17）
7. 元件清单⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（18）
8. 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（19）
1 模电课设概述
1.1 设计背景
电子琴是一种键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生
音响。

简易电子琴的设计方法：它采用模拟电路中的RC 正弦振荡原理。

设计出的电子琴音阶频率满足国际标准，La 调频率满足国际标准音 C 调频率440 Hz。

给出电路参数的选取
方法和一组参考值。

结果证明，用模拟电路方法制作电子琴结构简单，而且成本低廉。

对于固定的简单功能的实现，模拟电路具有结构简单，实现方便，成本低廉的优点。

在
这方面，模拟电路得到广泛的应用。

模拟电路中的RC 正弦波振荡电路具有一定的选频特性，乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。

本文介绍基于RC 正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。

1.2 设计目的及意义
1、培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态
度和勇于探索的创新精神。

2、锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。

3、通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规
范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。

4、巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。

5、为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。

1.3 开发环境proteus简介
Proteus 软件是一款极好的单片机应用开发平台，它以其特有的虚拟仿真技术很好地
解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题，可以在没有单片机实际硬件的条件
下，利用PC以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使单片机应用系
统设计变得简单容易。

Proteus 软件涵盖了PIC、AVR、MCS805、1 68HC11、ARM等微处理器
模型，以及多种常用电子元器件，包括74 系列、CMOS 4000系列集成电路、A/D 和D/A 转
换器、键盘、LCD显示器、LED显示器，还提供示波器、逻辑分析仪、通信终端、电压/ 电流表、I2C/SPI 终端等各种虚拟仪表，这些都可以直接用于仿真设计，极大地提高了设计
效率和设计水平。

Proteus 由ISIS 和ARES两个软件构成，其中ISIS 是一款便捷的电子系统仿真平台软
件，ARES是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。

PROTEU有S两种截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于图表的仿真。

其中交互式仿
真可实时观测电路的输出，因此可用于检验设计的电路是否能正常工作。

而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的分析，因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。

Proteus 提供了丰富的资源（1）Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字
和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30 多个元件库。

（2）Proteus 可提供的仿真仪表
资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生器、模式发
生器、交直流电压表、交直流电流表。

理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

（3）除了现实存在的仪器外，Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的
信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。

这些虚拟仪器
仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。

这些都尽可能减少了
仪器对测量结果的影响。

（4）Proteus 可提供的调试手段Proteus 提供了比较丰富的测试
信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

2 电路原理
2.1 RC 桥式振荡电路及频率选择
图 2.1
RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。

具体实现过程的关键是RC串并联选频网络。

经过推导可以得到如下结论：
F
1
f f
2 ( )2
3
f f
f
arctg
f f
f0 f
3
即当f
1
0 时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的
2 RC
1
3
，同时输出
电压与输出电压同相。

通过该RC串并联选频网络，可以选出频率稳定的正弦波信号，也
可以通过改变R、C的值，选出不同频率的信号。

本实验通过改变电阻R的值来改变选频网络选出的频率，从而得到不同频率的信号，进而通过音频输出设备输出不同频率的声
音。

2.2 振荡条件
2.2.1 自激振荡条件
图2.2.1
上图所示为含外加信号的正弦波振荡电路，其中A，F 分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。

图中若去掉Xi ，由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出。

若X f X i ，可得自激振荡电路。

自激振荡必须满足以下条件：
1 ．振幅条件： A F 1
2. 相位调节：n
A 2 ，n Z
F
2.2.2 起振条件
自激振荡的初始信号一般较小，为了得到较大强度的稳定波形，起振条件需满足
|AF|>1 。

在输出稳定频率的波形前，信号经过了选频和放大两个阶段。

具体来说，是对
于选定的频率进行不断放大，非选定频率的信号进行不断衰减，结果就是得到特定频率
的稳定波形。

3 总体方案设计
3.1 实验电路设计思路
简易电子琴由RC选频网络、集成运算放大器、节拍信号发生器组成。

其框图如图下所示。

图3.1 实验设计思路电路
其核心是集成运算放大器构成RC正弦波振荡器，实验板上提供了8 个音节电阻和电容(C 串=C并=0.1 μf 固定) 构成RC串并联选频网络, 分别取不同的电阻值（通过琴键开关
接通RC串并联网络的8 对电阻）使振荡器产生八个音阶信号。

最后，通过扬声器发出乐
音。