玩具电子琴课程设计方案说明书

目录

1 技术指标 (1)

1.1初始条件 (1)

1.2技术要求 (1)

1.3555定时器 (1)

1.4产生要求音符对应的频率 (2)

1.5音符频率信号的产生 (2)

1.6节拍频率信号的产生 (3)

1.7输出电路及音量调节 (4)

2 设计方案及其比较 (4)

2.1方案一 (4)

2.2方案二 (5)

2.3方案三 (6)

2.4方案比较 (6)

3 实现方案 (7)

4 调试过程及结论 (9)

5 心得体会 (9)

6 参考文献 (10)

玩具电子琴设计

1 技术指标

1.1 初始条件

直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。

1.2 技术要求

设计一个玩具电子琴，设8个琴键，分别代表1、2、3、4、5、6、7、į八个不同音符，每按下一个琴键，扬声器发出一个音符的声音。演奏时的音量和节拍可以调节。

1.3 555 定时器

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。555引脚排列见图：

图1 555引脚图

管脚1为接地端GND。

管脚2为低电平触发输入端TRI。该端低于VCC/3（或VCO/2）时，输出Q为高电平。

管脚3为输出端OUT.

管脚4为复位端RST。RST=0时，Q=0。

管脚5为控制电压输入端CON。

管脚6为高电平触发端THR。该端电平高于2VCO（或VCO）时，输出Q为低电平。

管脚7为放电端DIS。

管脚8为电源VCC。

1.4 产生要求音符对应的频率

表1 音符频率对照表参考

1.5音符频率信号的产生

在C调中1、2、3、4、5、6、7、i这8个音符对应的频率依次为264Hz、297Hz、330Hz、352Hz、396Hz、440Hz、495Hz、528Hz。用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻的值，就可以产生上述8个音符的频率信号，用此信号驱动扬声器就可以发出不同音调的声音。用555定时器组成多谐振荡器的电路如下图所示。

图2 555定时器组成多谐振荡器的电路图

电容充电时间T1≈0.7（R1+R2）C，电容放电时间T2≈0.7R2C，故产生的方波的频率为f=1/T=1/（T

+T2）≈1.43/[（R1+2R2）C]

1

根据课设提供的元件，设计电阻R1为八个电阻并联轮流使用，结果计算八个阻值分别为42.8K（欧姆）、38.6K、32.4K、29.3K、26.8K、21.7K、19.6K、17.8K，R2阻值为5K，C 为0.1uF（微法）。

1.6 节拍频率信号的产生

用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻电容的值。构成的振荡器起节拍发生的作用。产生的频率比音调的频率要小很多，555每隔一段时间输出一个负脉冲，从而构成节拍，同时经扬声器输出。调动变阻器大小，可以改变节拍的快慢。在变阻器两端并联的二极管，可以缩短放电时间，起到整形的作用。节拍频率信号的产生电路如下图所示：

图3 节拍频率信号的产生电路图

1.7 输出电路及音量调节

扬声器(喇叭)参数说明：扩音机与喇叭的阻抗设计为8欧姆，功率为0.5W，因为在这个电路中，喇叭可以有较佳的工作状态。

在从两个555输出管脚后各加一电容100uF。用以消除干扰，提高音质。

在输出线路中与喇叭并联一个变阻器。以调节喇叭两端电压，从而调节音量。

2 设计方案及其比较

2.1 方案一

图4 方案一电路图

图中R21—R28和S1—S8可以分别与NE555A的R1及 C1组成多谐振荡器产生各种音调信号，NE555B构成的振荡器起节拍发生的作用，在RP两端并联的二极管VD，可以缩短放电时间，因而NE555每隔一段时间输出一个负脉冲，从而构成节拍，同时经扬声器输出。调节R P大小，可以改变节拍的快慢。

2.2 方案二

图5 方案二电路图

该方案利用74LS191进行分频，其中各音符的频率f可有基准频率fR经过分频而获得 f=fR/N,设基准频率fR=33KHz，各音符对应的分频率数N与数字代码H由电路决定，如图所示，2片74LS191构成的分频器具有8个置数端，输入数据D0~D7。当74LS191(2)de Q3产生负跳变脉冲时，分频器系数N=128-D（预置数）或D=128-N。将十进制数D转换成十六进制数H，则二进制代码如下表所示将Q3的负跳变脉冲使分频器重新置数，只要置数端的代码不变Q3输出脉冲的频率就等于代码对应的音符的频率f。

2.3 方案三

图6 方案三电路图

该电路由RC 选频网络、集成运算放大器、节拍信号发生器和功率放大器组成。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=0.1μf 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1～i 八个音阶信号。经功放后推动扬声器发出音乐。在RC 正弦波振荡器负反馈电阻上，可利用两个反向并联的二极管D 1和D 2的非线性特性来实现稳幅。

当琴键开关按下时，两个电阻R （自己计算）同时接通, 用琴键接通不同的R 值，改变振荡器的频率。

2.4 方案比较

三个方案都是利用555定时器来组成节拍信号发生器，这点是相同的。三个方案都可

以代表输出1、2、3、4、5、6、7、į八个不同音符，每按下一个琴键，扬声器发出一个音符的声音。演奏时的音量和节拍可以调节。但是在音调频率产生电路中是完全不同的。

方案一是用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻的值，就可以产生上述8个音符的频率信号，用此信号来驱动扬声器就发出不同音调的声音。控制将