簡易電子琴的制作(共20頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 西安電子科技大學西安電子科技大學模擬電子技術課程設計題 目 簡易電子琴的制作 姓 名 專業(yè)班級 學 號 2011 院 （系） 信息工程學院 指導教師 完成時間 2013 年 05 月 31 日 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目 錄1 4.2.2 集成功放電路集成功放電路.5 5.1 選取元件選取元件.95.2 放置元件及排版放置元件及排版.9 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)0附錄一：實物圖.15附錄二：元器件清單.16精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 前 言電子琴最早是由美國發(fā)明家于上世紀 20 年代末發(fā)明，并于 3

2、0 年代制造投放市場的。電子琴不是鋼琴的簡易版，也不是起源于鋼琴，它們是兩種不同的樂器，電子琴起源于管風琴。電子琴分單排鍵電子琴和雙排鍵電子琴（電子管風琴） 。1959 年日本生產(chǎn)出世界上第一臺立式雙排鍵電子琴，它有三層鍵盤。 近年來，電子琴發(fā)展迅速，不論是在制造工藝上、操作程序上還是在演奏技法上都有了突飛猛進的發(fā)展，這在樂器發(fā)展史上是其他任何樂器所不能比擬的。自從八十年代電子琴進入我國以來，電子琴以它適合中國國情、經(jīng)濟適用、表現(xiàn)力強、功能強大而受到廣大的初學者、音樂愛好者、專業(yè)音樂工作者和音樂家的喜愛，可以說現(xiàn)在電子琴在中國的普及率是很高的。這無論是對提高整個人們的音樂素質，還是對音樂的發(fā)展

3、都是意義重大的事。 電子琴適合初學者學習使用，適合中國國情，適合幼兒、兒童、少年學習，表現(xiàn)力豐富。電子琴的強大功能，使專業(yè)音樂工作者有廣闊的創(chuàng)作和表現(xiàn)空間，電腦技術的應用，拓寬了電子琴的應用空間，總之，電子琴促進了音樂教育的發(fā)展。 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1 課程設計背景和設計目的及意義1.1 課程設計背景電子琴是一種鍵盤樂器，采用半導體集成電路，利用音頻放大器對聲音信號進行放大，通過揚聲器產(chǎn)生聲音。現(xiàn)在的電子琴一般使用 PCM 或 AWM 采樣音源，就是錄制樂器的聲音，將其數(shù)字化后存入 ROM 里，然后按下鍵時 CPU 回放該音?，F(xiàn)代電子琴并非“模仿”樂器音色。它使用的就是

4、真實樂器音色。當然，現(xiàn)在力度觸感在電子琴里是必備的。而且現(xiàn)代電子琴還加上了老式電子琴的濾波器，振蕩器，包絡線控制來制造和編輯音色。甚至老式電子琴的 FM 合成機構。 本次課程設計主要是通過對電子琴主體部分的電路進行模仿設計，按下不同琴鍵改變 RC 值，發(fā)出 C 調的八個基本音階，采用運算放大器構成振蕩電路，用集成功放電路輸出音調，從而達到電子琴固有的基本功能。1.2 課程設計目的及意義 通過實訓將書本的理論運用到實際當中，經(jīng)歷將來工作當中會遇到的一些基本問題，以使同學們有明確的學習方向。以及培養(yǎng)學生在理論知識枯燥學習中興趣；鍛煉學生自學軟件的能力及分析問題、解決問題的能力； 通過課程設計，使學

5、生在理論計算、結構設計、工程繪圖、查閱資料、標準與規(guī)范的運用和計算機應用方面的能力得到訓練和提高； 鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。通過實訓報告，總結這兩周的實訓過程的經(jīng)驗，為以后的理論學習指明要點。2 課程設計任務與要求 設計任務：設計一個利用模電原理制作的電子琴。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) 設計要求：設計一個簡易電子琴，按下不同琴鍵時改變 RC 值，能八個不同基本音調，用運算放大器構成振蕩電路，用集成功放電路輸出；選擇方案，完成對確定方案電路的設計，并按照方案畫出總體電路原理圖，計算出元件參數(shù)，仿真實現(xiàn)后選購元件，并完成電子琴的制作。八個基本音階對應的頻率如

6、下表所示C 調1234567if 0 /H Z2642973303523964404955283 方案設計與論證方案一：LM324 與電阻、電容等組成可控多諧振蕩器，振蕩頻率取決于電阻的不同阻值，再由 LM386 進行音頻放大。方案二：編寫程序，用單片機的定時、計數(shù)器來產(chǎn)生不同方波頻率信號實現(xiàn)電子琴操作。 論證：經(jīng)過進一步比較，方案一中 LM324 實現(xiàn)基本要求，通過采用可調電阻實現(xiàn)音調的高度變化，其中的電阻電容的價錢比較便宜，可行性強，容易實現(xiàn)。方案二中涉及單片機的相關知識，而且我們對單片機的了解應用不是很多，具有一定的難度，不易實現(xiàn)，所以方案一為最佳選擇。4 電子琴的原理4.1 音樂產(chǎn)生的

7、原理 由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，構成我們所想要的音樂了。音調主要由聲音的頻率決定，樂音(復音)的音調更復雜些，一般可認為主要由基音的頻率來決定，也即一定頻率的聲音對應特定的樂音。在以 C 調為基準音的八度音階中，所對應的頻率如下表。如果能夠通過某種電路結精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)構產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再通過揚聲器轉換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發(fā)生器，再結合電子琴的一般結構，就可實現(xiàn)電子琴的制作了。 C 調把音節(jié)對應的基本頻率為： dou 264 ruai 297 mi 330 fa 352 so

8、u 396 la 440 xi 495 dou（高） 5284.2 方案設計4.2.1 振蕩電路R1236.3kR1128.65kR1023.23kR920.4kR816.13kR713.06kR610.32kR59.07kJ1Key = A J2Key = A J3Key = A J4Key = A J5Key = A J6Key = A J7Key = A J8Key = A R41kC10.1FC20.1FR21kR31kKey=A55%R11kU2ALM324AD321141D11N4001D21N4001 圖 4-1 振蕩電路圖選擇 C1=0.1uF，R4=1k，根據(jù)公式，結合表一，

9、RRCff41021精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)即可計算出八個音階對應的電阻值，分別為 R5=9.07K，R6=10.32 K，R7=13.06K，R8=16.13 K，R9=20.4K，R10= 23.23K，R11=28.65 K，R12=36.3K。選定 R4R，且 R4R (8)由式 3 推導可得： F= (9) RR42121則由式(8)及起振條件|AF|1，可得： 21321RRRA即 （10）321RRR選擇 R1=800，R2=900，R3=15004.2.2 集成功放電路RV41kKey=A50%C34.7FC410F1LM386N4351098211C6220

10、FR1310C50.047FXLV1Input精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 4-2 集成功放電路C3取 4.7uF 為退耦電容，即防止前后電路網(wǎng)絡電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對網(wǎng)絡的正常工作產(chǎn)生影響。退耦濾波電容的取值通常為 4.7-200uF，退耦壓差越大，電容的取值應該越大。C4為旁路電容，它可將混有高頻信號和低頻信號的交流信號中的高頻成分旁路掉的電容，取 10uF。C6為隔直傳交電容，取 220uF。4.2.3 整體電路R136.3kR228.65kR323.23kR420.4kR516.13kR613.06kR710.32kR89.07kJ1Key =

11、A J2Key = A J3Key = A J4Key = A J5Key = A J6Key = A J7Key = A J8Key = A R91kC10.1FC20.1FR101kR111kKey=A55%R121kU2ALM324AD321141D31N4001D11N4001R131kKey=A50%C34.7FC710FU1AD380JH4351098211C6220FR1410C90.047FXLV1Input圖 4-3 整體電路精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)4.3 設計原理4.3.1 振蕩電路原理由于 RC 振蕩電路，一般用來產(chǎn)生 1HZ1MHZ 范圍內(nèi)的低頻信號；

12、而LC 振蕩電路一般用來產(chǎn)生 1MHZ 以上的高頻信號，由計算和比較分析結果，我們可以知道選擇 RC 振蕩電路，并且得出其基本電路為 RC 文氏電橋振蕩電路。圖 4-4 RC 橋式振蕩電路圖電路中采用反向并聯(lián)二極管的穩(wěn)定幅度電路，可以利用電流增大時二極管動態(tài)電阻變小，電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特性，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。當輸出電壓信號較小時，二極管工作電流小，動態(tài)電阻大，電路的增益較大，引起增幅振蕩過程。當輸出幅度大到一定程度，二極管工作電流大，動態(tài)電阻小，電路的增益下降，電路的輸出電壓幅值將不再上升，電路轉為等幅度振蕩，最后達到穩(wěn)定幅度的目的。RC 橋式振蕩電路可以選出特定

13、頻率的信號。具體實現(xiàn)過程的關鍵是 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，其理論推導如下：R1C1 串聯(lián)阻抗：Z1 = R1 + 1/(jwC1) 精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)R2C2 并聯(lián)阻抗：Z2 = R2/(1+jwr2R2C2)可得選頻特性如下：F = Uf /U0 = Z2 / ( Z1 + Z2 ) 經(jīng)計算知： 當 f0=1(2RC)時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的 13，同時輸出電壓與輸出電壓同相。通過該 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號，也可通過改變 R，C 的取值，選出不同頻率的信號。振幅條件: A F = 1起振條件:自激振蕩的初始信號一般較小

14、，為了得到較大強度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿足|AF|1。在輸出穩(wěn)定頻率的波形前，信號經(jīng)過了選頻和放大兩個階段。具體來說，是對于選定的頻率進行不斷放大，非選定頻率的信號進行不斷衰減，結果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。4.3.2 音頻集成功率放大器原理根據(jù)設計需要，功率放大電路主要以 LM386 為主。具有自身功耗低、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器。 圖 4-5 LM386 基本工作原理圖圖中，7 腳所接容量為 20F 的電容為去耦濾波電容，雖為旁路電容，但必不可少。實際應用時，該端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)的作用。工作

15、穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。增大這個電容的容值，可有效抑制噪聲。1 腳與 8 腳為電源增益設定端，其所接電容、電阻是用于調解電路的閉環(huán)電壓增益，斷開時即內(nèi)定增益為 20。制作當中發(fā)現(xiàn)增益過小，在 1 腳和8 腳之間加一 10F 電容，增益達到 50。5 腳為輸出端，應外接輸出電容后再接負載。該電容能隔離直流分量，避免電路出現(xiàn)故障出現(xiàn)直流分量損壞元器件；同時與揚聲器構成高通濾波器，降低噪音。另要有電阻電容支路串聯(lián)接地，因為揚聲器是感性負載，能抵消揚聲器的反電動勢保護功放輸出末級。5 MULTISIM 原理圖繪制5.1 選取元件在電腦上進入 Multisim 界面后，單擊工具欄上的“

16、新建”按鈕，新建一個設計文檔。單擊“保存”按鈕，在彈出的對話框中的文件名框中輸入“簡易電子琴” ，再單擊“保存”按鈕，完成新建設計文件操作。單擊繪圖工具欄中的元件模式中的“P”按鈕，彈出選取元器件對話框，在此對話框左上角“keywords(關鍵詞)”一欄中輸入元器件名稱，如“LM324” ，系統(tǒng)在對象庫中進行搜索查找，并將與關鍵詞匹配的元器件顯示在“Results”中。在“Results”欄中的列表項中，雙擊“LM324” ，則可將其添加至對象選擇器窗口，按照此方法完成其它元器件的選取。5.2 放置元件及排版 通過對象選擇器窗口單擊選擇相應元件，在右側圖形編輯窗口中單擊左鍵放置元件。元件的移動

17、：用鼠標左鍵按住元件拖曳。精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)元件的旋轉：選定所需旋轉元件，單擊繪圖工具欄左右旋轉按鈕完成旋轉。元件的刪除：通過鼠標左鍵選定要刪除的元件，點擊鍵盤上的 delete鍵即可完成對應元器件的刪除。引出節(jié)點：在所需引出節(jié)點導線處單擊鼠標右鍵，移動鼠標即可在該點設置節(jié)點并引出導線。完成電路布線后，為使電路更加緊湊有邏輯性，各功能區(qū)域明顯，應對相應元件或導線位置進行相應調整。元件間的布線：將鼠標移至元件引腳處待出現(xiàn)紅色方框單擊鼠標左鍵將鼠標移至所需連接的另一元件管腳處待出現(xiàn)紅色方框后再次單擊鼠標左鍵完成單根導線的連接。以此類推，按照實驗原理圖放置元件并布線。元件位置

18、調整：單擊相應元件按住鼠標左鍵并將元件拖曳至相應位置后放開即可。導線間距的調整：將鼠標移至要調整導線所連接的元器件，單擊該器件，相應導線及元器件將變?yōu)檫x定狀態(tài)，將鼠標移至該導線處出現(xiàn)左右（上下）調節(jié)標志，按住鼠標左鍵拖曳相應導線到預定位置后放開，即可移動導線。 5.3 Multisim 電路仿真在電路原理圖中，我們將各元件安放參數(shù)調試完畢，利用示波器觀察輸出參考點波形。我們將第一個采樣點選取在振蕩電路的輸出端，將第二個采樣點選取在總電路的輸出端。先將所有的開關打開，單擊開始按鈕，彈出示波器顯示窗格，通過按下不同的按鍵改變 R 的值，從而改變頻率進而發(fā)出不同的聲音，同時只閉合一個開關。觀察示波器

19、輸出的波形觀察示波器輸出的波形，進行仿真結果分析。先組裝音階產(chǎn)生電路。要調出比較準確的音階，精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)需借助示波器測試各音階信號的周期，并通過串接電阻使得各音階達到正確的周期值，從而校準音調。也可使用頻率計測量音階信號的頻率來實現(xiàn)音準調節(jié)。如果電阻采用表格中的標值電阻，則個別音調將略有偏離。檢查完成后，只需注意輸入電壓不要過高，通過電阻的串并聯(lián)，按下按鈕開關后，有相應的聲音發(fā)出，但由于設計的局限性，效果不是很好，聲音比較沙啞。另外出現(xiàn)第三音階不發(fā)聲的情況，通過萬用表排除虛焊，發(fā)現(xiàn)是第三音階對應第三個鍵接觸不良，發(fā)現(xiàn)是因為焊接時出現(xiàn)虛焊，更換后故障排除。6 仿真分

20、析結果6.1 頻率及放大倍數(shù)測量由示波器的波形可讀出各個音調所對應的周期，分別為：T1=3.95ms, T2=3.45ms, T3=3.10ms, T4=2.90msT5=2.56ms, T6=2.30ms, T7=2.02ms, T8=1.90ms根據(jù)公式 f=，可求得相對應的頻率大小如下：T1f1=253Hz, f2=290Hz, f3=323Hz, f4=345Hzf5=391Hz, f6=435Hz, f7=495Hz, f8=526Hz 由示波器的波形可求出集成功放的電壓放大倍數(shù) Av=20.76.2 理論比較由仿真得出的頻率與八個基本音階的頻率比較相近，均控制在了允許的誤差范圍之內(nèi)

21、；由仿真得出的電壓放大倍數(shù) Av為 20.7，也與理論值 20相差不遠。C 調1234567i精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)由上圖比較分析可得此次的設計仿真比較成功，達到了設計要求。6.3 誤差分析理論與實際雖然相近，但仍然存在一定的誤差，主要由以下原因引起：選擇的元件值不夠精確，與計算的理論值之間有一定差距；有一定的干擾信號存在，使結果出現(xiàn)誤差；在對波形的周期進行讀數(shù)時，人為的引起誤差。7 設計總結 通過了兩周的準備與設計，讓我們初次接觸到了模擬電子電路的課程設計，此次設計中我們通過了相關的設計計算和電路的焊接調試讓我們深層次的了解了我們之前所學的基礎知識，不僅提高了我自主學習的

22、能力，更重要的是鍛煉了我們動手和自主分析解決問題的能力。 首先開始學習 Multisim 軟件，學會自己利用軟件繪制電路圖，進行仿真。接下來我們通過查閱了很多的資料，發(fā)現(xiàn)制作簡易電子琴有很多方法，設計出兩個方案，但由于我們對其他方案中的單片機等元器件不了解，對其中的電阻電容等一些頻率的計算有一定的難度，所以我們選擇了在課本中學到過的振蕩電路來設計，按照方案二進行實施。我們通過理論計算，選取了元器件，然后按照設計的電路圖用 Multisim 畫出電路圖進行仿真，仿真成功后我們按照電路圖進行實物制作 制作當中遇到許多的問題，先是 LM386 和LM324的焊接，由于放大增益過小發(fā)出的聲響太小，在老

23、師的指導下我們又改裝，在 LM386 的 1 腳f0/Hz（理論）264297330352396440495528f0/Hz（實際）253290323345391435495526精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)和 8 腳之間加了一個 220uF 的電容，使得增益達到 50；然后是正負 5V 電壓的裝配，在老師的幫助下，在電路中另加了兩個 10uF 的電容串聯(lián)，使達到正負 5V 的電壓；最后是電子琴接通電源，用萬用表調節(jié)可變電阻，使電阻阻值為需要的對應的阻值，依次按下開關，揚聲器發(fā)出八個對應的音頻音階，達到了設計所要求的效果。本次電子琴關鍵部分在于發(fā)音部分。對于模擬發(fā)音，利用調節(jié)電位器改變接入有效電阻，易于頻率