簡易電子琴電路的設(shè)計(jì)(2)

1、1. 技術(shù)指標(biāo)12. 設(shè)計(jì)方案及其比較12.1 方案一12.2 方案二32.3 方案比較63. 實(shí)現(xiàn)方案64. 調(diào)試過程及結(jié)論105. 心得體會(huì)166. 參考文獻(xiàn)16簡易電子琴電路的設(shè)計(jì)1. 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)玩具電子琴，設(shè)8個(gè)琴鍵，分別代表1、2、3、4、5、6、7、八個(gè)不同音符，每按下一個(gè)琴鍵，揚(yáng)聲器發(fā)出一個(gè)音符的聲音。演奏時(shí)的音量和節(jié)拍可以調(diào)節(jié)。2. 設(shè)計(jì)方案及其比較2.1 方案一 選用RC振蕩電路和運(yùn)算放大器構(gòu)成簡易電子琴電路。RC振蕩電路的具體電路為文氏橋正弦振蕩電路。電路原理圖如下圖1。圖1 簡易電子琴電路原理圖 其中和按鍵電阻并聯(lián)，和串聯(lián)，兩者共同構(gòu)成RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。由于選頻網(wǎng)

2、絡(luò)的相移為零，這樣RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)送到運(yùn)算放大器同相輸入端的信號(hào)電壓與輸出電壓同相，所以RC反饋網(wǎng)絡(luò)形成正反饋，滿足相位平衡條件，因而可以形成振蕩。 由于振蕩的能量是電源，激勵(lì)信號(hào)源是電路中的噪聲，它的頻譜豐富，包含頻率成分；但由于噪聲信號(hào)極其微弱，在振蕩期間應(yīng)使信號(hào)做增幅振蕩，為此合理選擇電阻使環(huán)路增益大于1，這樣頻率為信號(hào)就會(huì)通過正反饋而使得輸出信號(hào)不斷增大，使輸出幅度越來越大，最后受電路中非線性元件的限制，使振蕩幅度自動(dòng)穩(wěn)定下來，電路進(jìn)入等幅振蕩。頻率之外的信號(hào)由于不滿足振蕩平衡條件，將不會(huì)在輸出信號(hào)中出現(xiàn)，RC選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)頻率的選擇功能。 按鍵電阻的選擇：查閱資料得知八個(gè)音階的

3、頻率如下表1：表1 八個(gè)音階的頻率音符12345678264297330352396440495528由于的值確定為0.1uF，由公式： （1）并結(jié)合表一計(jì)算可得電阻阻值分別為（單位：歐姆）： （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） （9）通過阻值選擇電阻器件。 電路要求不僅能夠振蕩，而且能夠穩(wěn)幅。當(dāng)振蕩輸出信號(hào)小于放大器的最大輸出電壓時(shí)，輸出為正弦波。如前所述，環(huán)路增益大于1，這樣信號(hào)幅度在正反饋的作用下不斷增大必然使放大器進(jìn)入非線性區(qū)，輸出信號(hào)產(chǎn)生失真，所以在正弦波振蕩中必須有環(huán)路增益的控制環(huán)節(jié)，使輸出信號(hào)電壓升高時(shí)，環(huán)路增益下降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出信號(hào)電壓幅度的目的。穩(wěn)幅方

4、式有很多種，而此次實(shí)驗(yàn)選用的是兩個(gè)二極管進(jìn)行穩(wěn)幅。采用反向并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路，利用電流增大時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻減小，電流減小時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻增大特性，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。功率放大組件采用為三極管作為放大組件。2.2 方案二采用NE555構(gòu)成多諧振蕩器，LM386功率放大器放大音量，構(gòu)成簡易電子琴電路。電路原理圖如下：圖2 NE555構(gòu)成簡易電子琴電路原理圖NE555芯片內(nèi)部原理圖及管腳圖如下：圖3 NE555內(nèi)部功能框圖圖4 NE555管腳圖NE555管腳功能：1（接地）地線，通常被連接到電路共同接地。2（觸發(fā)點(diǎn)）這個(gè)腳位是觸發(fā)NE555使其啟動(dòng)它的時(shí)間周期，觸發(fā)信號(hào)上緣電壓須大

5、于，下緣須低于。3（輸出）當(dāng)時(shí)間周期開始555的輸出腳位，移至比電源少1.7V的高電位，周期結(jié)束輸出回到0V左右的低電位。于高電位時(shí)最大輸出電流約為200mA。4（重置）一個(gè)低邏輯電位送至這個(gè)腳位時(shí)會(huì)重置定時(shí)器和使輸出回到一個(gè)低電位。它通常被接到低電源或忽略不用。5（控制）這個(gè)腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計(jì)時(shí)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩運(yùn)作方式下，這個(gè)輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。6（重置鎖定）重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個(gè)接腳電壓從一下移至以上時(shí)啟動(dòng)這個(gè)動(dòng)作。7（放電）這個(gè)接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力。當(dāng)輸出為ON時(shí)為LOW，對地為低阻抗；當(dāng)輸出為OFF時(shí)為HIGH，對地為高阻抗

6、。8（）這是555計(jì)時(shí)器的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是4.5V16V。LM386為音頻集成攻放芯片，其引腳圖如下所示：圖5 LM386引腳圖 在需要電壓增益時(shí)，在1腳及8腳間接入一電解電容，一般為10uF。第七腳接旁路電容接地，起到濾除噪聲的作用。工作穩(wěn)定時(shí)，該管腳電壓約為電源電壓的一半。增大這個(gè)電容容值，減緩直流基準(zhǔn)電壓的上升、下降速度，有效抑制噪聲。由NE555構(gòu)成的多諧振蕩器可知按鍵電阻的阻值可由公式： （10）求得。求得電阻阻值如下（單位：歐姆）： （11） （12） （13） （14） （15） （16） （17） （18）2.3 方案比較 實(shí)驗(yàn)基于CC7555芯片，構(gòu)成簡易電子琴

7、電路，且方案一與方案二無法控制節(jié)拍快慢。且方案一有時(shí)不易起振，不能很好的控制電路。而且在接通開關(guān)的瞬間，不能立即達(dá)到想要的振幅，這對電子琴需要迅速轉(zhuǎn)換按鍵很不利。所以，實(shí)現(xiàn)方案為使用兩個(gè)555定時(shí)器，采用兩個(gè)芯片并聯(lián)的方法將兩個(gè)芯片產(chǎn)生的信號(hào)疊加到一起，右邊的555芯片作為一個(gè)節(jié)拍器，使其的周期大于左邊芯片產(chǎn)生的信號(hào)周期?；瑒?dòng)變阻器調(diào)節(jié)節(jié)拍。3. 實(shí)現(xiàn)方案實(shí)現(xiàn)方案使用兩個(gè)555定時(shí)器，分別控制按鍵電阻及節(jié)拍。555定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：圖6 555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密

8、特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號(hào)產(chǎn)生與變換電路。它在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時(shí)電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用。圖7 555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器電路及工作波形 555構(gòu)成多諧振蕩器的工作原理：多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之 間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖7所示，和C是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到和

9、C的連接處，將放電端（7腳）接到，的連接處。 由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓為低電平，小于，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出為高電平，放電管截止。這時(shí)，電源經(jīng)，對電容C充電，使電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到時(shí)，輸出為低電平，放電管導(dǎo)通，把從上升到這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間的長短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)為： （19）由于放電管導(dǎo)通，電容C通過電阻和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài)。其維持時(shí)間的長短與電容的放電時(shí)間有關(guān)，放電時(shí)間常數(shù)： （20）隨著C的放電，下降，當(dāng)下降到時(shí)，輸出為高電平，放電管截止，再次對電容C充電

10、，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，電壓總是在之間變化。圖1所示為工作波形。根據(jù)的波形可以確定振蕩周期為： （21） 對應(yīng)充電時(shí)間： （22） 對應(yīng)放電時(shí)間： （23）振蕩周期： （24）振蕩頻率： （25）由上述公式計(jì)算得知電阻為： （26） （27） （28） （29） （30） （31） （32） （33）555定時(shí)器的管腳圖與上述NE555管腳圖相同，如圖5。555定時(shí)器管腳：Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。Vi2（TR）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為TR。CV：控制

11、電壓端。Q：輸出端。DC：放電端。R：復(fù)位端。 555定時(shí)器的功能表如下：表2 555定時(shí)器功能表RSTTHTROUT0XX01>>01<>不變1<<11><1 構(gòu)成簡易電子琴電路原理圖為：圖8 兩個(gè)555定時(shí)器構(gòu)成電子琴電路原理圖 555定時(shí)器內(nèi)含有一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生和兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。兩個(gè)電壓比較器，；一個(gè)由與非門和組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器。是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后基本RS觸發(fā)器高端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。與形成固定的頻率，使電路產(chǎn)生八個(gè)不同的音調(diào)

12、，和與5管腳相連達(dá)到消除雜音穩(wěn)定電路的作用。二極管對電路起過流保護(hù)作用。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器改變聲音大小。4. 調(diào)試過程及結(jié)論 先組裝音階產(chǎn)生電路。為了節(jié)省時(shí)間和空間，可用導(dǎo)線代替音階按鈕S1-S7,即用一根足夠長的導(dǎo)線，一端接555電路的2、6公共端，另一端依次接觸的開路端來產(chǎn)生不同的聲音。要調(diào)出比較準(zhǔn)確的音階，需借助示波器測試各音階信號(hào)的周期，并通過串接電阻是各音階達(dá)到正確的周期值，從而校準(zhǔn)音調(diào)。也可使用頻率計(jì)測量音階信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)音準(zhǔn)調(diào)節(jié)。采用圖8中標(biāo)稱電阻，則各別音調(diào)略有偏離。 下圖則為在面包板上已經(jīng)連接好的調(diào)試電路：圖9 簡易電子琴調(diào)試電路 電路安裝完畢后，先認(rèn)真檢查接線是否正確，線

13、路連接錯(cuò)誤一般是因?yàn)榻泳€時(shí)看錯(cuò)引腳，或者改接時(shí)忘記去掉原來的舊線造成的，實(shí)驗(yàn)查線是往往不易發(fā)現(xiàn)。首先按照總電路圖檢查是否有引腳連接錯(cuò)誤，連接短路，接著用萬用表依次檢測電路中是否短路的情況。 檢查完成后，只需注意輸入電壓不要過高，對應(yīng)12V即可。通過電阻的串并聯(lián)，按下按鈕開關(guān)后，能夠發(fā)出1、2、3、4、5、6、7、8八個(gè)音階，且伴有節(jié)拍，節(jié)拍及音量可控。但由于元器件電阻選擇等原因，發(fā)音有些微誤差。下圖為調(diào)試電路八個(gè)音階的測試波形：圖10 1音階對應(yīng)輸出波形 圖11 2音階對應(yīng)輸出波形 圖12 3音階對應(yīng)輸出波形 圖13 4音階對應(yīng)輸出波形 圖 14 5音階對應(yīng)輸出波形 圖15 6音階對應(yīng)輸出波形

14、 圖16 7音階對應(yīng)輸出波形 圖 17 8音階對應(yīng)輸出波形下圖為調(diào)試電路節(jié)拍輸出波形：圖18 節(jié)拍調(diào)試波形使用proteus對電路進(jìn)行仿真時(shí)，改變節(jié)拍頻率時(shí)的波形：圖19 仿真節(jié)拍波形圖20 仿真節(jié)拍波形5. 心得體會(huì) 本次數(shù)電課程設(shè)計(jì)，在老師布置課題并講解了基本原理后，接近兩個(gè)星期的時(shí)間我查閱了許多有關(guān)此設(shè)計(jì)的資料，并通過與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，以及向老師請教等方式，最終基本完成了此次課程設(shè)計(jì)。  通過對簡易電子琴的設(shè)計(jì)，認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過對此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本

15、上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問題，提高我們的動(dòng)手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我個(gè)人感覺調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的積累過程，沒有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時(shí)間內(nèi)將其完成的。  這次電子課程設(shè)計(jì)，讓我對以前所學(xué)的電子電路知識(shí)既是鞏固又是發(fā)展，進(jìn)一步理解并加深了對所學(xué)的模擬及數(shù)字電子技術(shù)的認(rèn)識(shí)。學(xué)會(huì)了在實(shí)踐中運(yùn)用理論，用理論來指導(dǎo)實(shí)踐，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想。通過對課題的設(shè)計(jì)，訓(xùn)練了運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)去思考問題并聯(lián)系理論實(shí)際解決問題的能力，提高了邏輯思維的能力。