北郵模電綜合實驗

1、電子測量與電子電路實驗課程設(shè)計 題目：簡易電子琴的設(shè)計和制作 姓名孫尚威 學(xué)院電子工程學(xué)院 專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)班級學(xué)號班內(nèi)序號指導(dǎo)教師陳凌霄2015 年!北才卸倦人聲4月目錄一、 設(shè)計任務(wù)與要求31.1設(shè)計任務(wù)與要求 31.2選題目的與意義3二、系統(tǒng)設(shè)計分析 32.1系統(tǒng)總體設(shè)計32.2系統(tǒng)單元電路設(shè)計42.2.1音頻信號產(chǎn)生模塊42.2.2功率放大電路72.2.3開關(guān)鍵入端（琴鍵）8三、理論值計算93.1 音階頻率對應(yīng)表 93.2鍵入電路電阻計算9四、電路設(shè)計與仿真 104.1電路設(shè)計104.2 Multisim 仿真11五、實際電路焊接11六、系統(tǒng)調(diào)試136.1系統(tǒng)測試方案 136.2

2、運行結(jié)果分析 14七、設(shè)計體會與實驗總結(jié) 15一、設(shè)計任務(wù)與要求1.1設(shè)計任務(wù)與要求了解由555定時器構(gòu)成簡易電子琴的電路及原理。設(shè)計并利用NE555集成運算電路以及外加電阻，電容在第一級產(chǎn)生不同頻率的音樂，再利用 LM386功率放大 電路對音樂信號進行放大，最后通過揚聲器產(chǎn)生21個音符。1.2選題目的與意義（1）培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的正確設(shè)計思想，訓(xùn)練綜合運用已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn) 實際知識去分析和解決工程問題的能力。（2）學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，了解和掌握模擬，數(shù)字電路等知 識解決電子信息方面常見實際問題的能力。（3） 學(xué)習(xí)調(diào)試電子電路的方法，提高實際動手能力。了解由555定時器構(gòu)成

3、簡 易電子琴的電路及原理。二、系統(tǒng)設(shè)計分析2.1系統(tǒng)總體設(shè)計由555電路組成的多諧振蕩器，它的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中的RC元件的數(shù)值進行改變。根據(jù)這一原理，通過設(shè)定一些不同的RC數(shù)值并通過控制電路，按照一定的規(guī)律依次將不同值的 RC組件接 入振蕩電路，就可以使振蕩電路按照設(shè)定的需求，有節(jié)奏的發(fā)出已設(shè)定的音頻信 號，再利用LM386功率放大電路對音樂信號進行放大，最后通過揚聲器產(chǎn)生音 符。圖1:系統(tǒng)組成框圖2.2系統(tǒng)單元電路設(shè)計2.2.1音頻信號產(chǎn)生模塊 利用NE555集成運算電路以及外加電阻，電容在第一級產(chǎn)生不同頻率的音樂。555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積

4、很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(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、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng) 用。臨叭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)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示， R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）

5、并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2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 Uc為低電平，小 于（1/3） Vcc,故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出 Uo為高電 平，放電管VT截止。這時，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使 電壓Uc按指數(shù) 規(guī)律上升，當(dāng)Uc上升到（2Vcc時，輸出Uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把 Uc從（1/3）Vcc上升到（2Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其 維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(shù)T充=（R1 + R2） C。由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進人第二

6、暫 穩(wěn)態(tài).其維持時間TPL的長短與電 容的放電時間有關(guān)，放電時間常數(shù) T放=R2C0 隨著C的放電，Uc下降，當(dāng)Uc下降到（1/3） Vcc時，輸出Uo。為高電平，放 電管VT截止，Vcc再次對電容c充電，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，Uc電壓總是在（1/32 Vcc之間變化。a |圖2: NE555管腳圖圖3:多諧振蕩波形圖電阻R1、R2和電容C1構(gòu)成定時電路。定時電容 C1上的電壓UC作為高觸發(fā)端 TH （6腳）和低觸發(fā)端TL （2腳）的外觸發(fā)電壓。放電端 D （7腳）接在R1和 R2之間。電壓控制端K

7、 （5腳）不外接控制電壓而接入高頻干擾旁路電容 C2（0.01uF）。直接復(fù)位端R （4腳）接高電平，使NE555處于非復(fù)位狀態(tài)。(5-15 V)Rl M'TDJSC 31THRESTRIGOpen _L LOX I0.01 pFOUTGNDrr多諧振蕩器的放電時間常數(shù)分別為t 0.693 申1+R2) >C1 PHtPL 0.693 X R2X C1振蕩周期T和振蕩頻率f分別為T=tPH+tPL 0.693 XR1+2R2) XC1f=1/T 1/0.693 (X1+2R2) XC12.2.2功率放大電路集成功放大電路可以有多種選擇，如三極管放大、差分放大、運放等等，考慮到 本

8、次是對音頻放大，故選擇的是通用型音頻功率放大器LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費類 產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。特性(Features):*靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電。*工作電壓范圍寬，4-12V or 5-18V。*外圍元件少。*電壓增益可調(diào)，20-200。*低失真度。采用LM386運放，價格低廉。LM386

9、一般采用6-9V電源，最大輸出功率為1W，因該器件散熱條件不夠理想，一般輸出功率為0.5W以下，一般為0.3W。由LM386內(nèi)部結(jié)構(gòu)知，電路的電壓放大倍數(shù)可由內(nèi)部1.35k電阻及引腳1、8間的外圍元件確定。當(dāng)引腳1、8間不接任何元件時，其電壓放大倍數(shù)為 20倍，當(dāng) 引腳1、8之間外接電容10 uF電容是，其電壓放大倍數(shù)為200。此時，內(nèi)部的 1.35k電阻倍交流短路，其電壓放大倍數(shù)表示式為：VA=2R2/R仁30k/150。引腳5與地之間外接0.047uF電容和10歐電阻為補償電 路，可提高電路的穩(wěn)定性，防止電路高頻自激。當(dāng) LM386處于高電壓放大倍數(shù) 時，電源的影響將會增大，為此在引腳 7

10、與地之間外接10 uF的濾波電容。圖4: LM386放大電路，放大增益=2002.2.3開關(guān)鍵入端（琴鍵）21個開關(guān)與經(jīng)計算出來的固定電阻串聯(lián)后再互相并聯(lián)，通過按下開關(guān)（琴鍵）將不同電阻接入多諧振蕩電路，使555震蕩器產(chǎn)生不同頻率的音頻信號。圖5:開關(guān)電路三、理論值計算3.1音階頻率對應(yīng)表I2J45<>714X5IM176剛220247.512J4567KF i JC J29f7352546495IJ4567V 4- < Hi- 1阿7047928冊990表1 :音階頻率對應(yīng)表3.2鍵入電路電阻計算 頻率 電阻對應(yīng)公式：f=1/T 1/0.693 （區(qū)1+2R2） >C

11、1根據(jù)公式以及實際電路分析，配合已有電阻的串并聯(lián)計算得出音階頻率對應(yīng)的電阻值和電容值。C1=0.22uF R2=2.7k Q174567電蹴RI47k27125L22kI234567電期RI20k1融15kinJ II9 Ik階苗1血| U)I2s4567電 EUR16.8k5.6k4 7k3.9k2.7k21t.a表2:鍵入電路電阻四、電路設(shè)計與仿真4.1電路設(shè)計利用多諧振蕩器電路作為音頻信號發(fā)生電路，后級接LM386放大信號。原理電路圖如下圖，當(dāng)依次按下按鍵時控制不同阻值電阻接入電路，以NE555為核心組成的多諧振蕩電路，由不同的充電電阻選擇不同的頻率以此來控制分別發(fā)出21個不同音頻信號，

12、最后通過功放把 21個音階依次輸出。圖6:電路設(shè)計圖4.2 Multisim 仿真在焊接實際電路之前利用Multisim仿真軟件對電路進行仿真，通過虛擬示波器觀 測方波脈沖的波形和頻率。仿真結(jié)果如下圖。圖7:仿真波形圖五、實際電路焊接將電路分成兩部分進行搭接，前半部分將按鍵開關(guān)和定值電阻按電路圖焊接在萬 用板上。后半部分將多諧振蕩電路、功率放大電路和喇叭插接在面包板上，以方 便調(diào)試。fl is首心圭卻m<TT R g : Tff：M= :11応w 土 Ethrifts -«1WW»>I 4r-m»7iK- ；c卜胃 3 畑小士 = * <* L?

13、t ti if -* 1M Oifi t圖&實際搭接電路（1）圖9:實際搭接電路（2）六、系統(tǒng)調(diào)試6.1系統(tǒng)測試方案通過實際電路的輸出端將音頻信號輸入到示波器，利用數(shù)字示波器觀測震蕩波形 和振蕩頻率。記錄實際電路下的音頻信號頻率，將R1置換為電位器，在調(diào)試過程中調(diào)節(jié)電位器和定值電阻 R2使得測量值更加接近理論計算值。圖10：示波器顯示波形6.2運行結(jié)果分析12J4567低舟詡牢muI .U14*5176IMS220247.5154tS6那253中mz)29733044027?296337亦41?A :; t (HuVIJTOA792n&u屮負1S42blO66U711塚“946

14、誤差分析：實測頻率的誤差主要來源于接入電阻的阻值以及焊接點的電阻值。在 高音頻率上的設(shè)計時，由于不同音階頻率對應(yīng)的 R1之間相差1kQ左右，實驗提 供電阻有限并且阻值有一定誤差，所以實測頻率與理論頻率有一定誤差。為了避 免定值電阻帶來的誤差，在調(diào)試電路時選擇利用電位器調(diào)節(jié)接入阻值來得到準(zhǔn)確 的實測頻率。再通過定值 電阻的串并聯(lián)減小誤差。七、設(shè)計體會與實驗總結(jié)通過兩周的緊張地電路設(shè)計和調(diào)試，按照規(guī)定要求完成了簡易電子琴的設(shè)計與制 作，此次的課程設(shè)中計，我不僅鞏固了以前學(xué)習(xí)過的知識，還增長了一些書本以 外的知識，比如如何在萬用板上焊接電阻電容，如何能焊接的光滑，美觀，布線 能夠清爽一目了然，這些光看書本是永遠也學(xué)不到的。最重要的是在實踐中理解 了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦，也明白課程設(shè)計的意義所在，它教會 我如何運用所學(xué)的知識去解決實際的問題，提高我們的分析能力、動手能力及處 理問題的能力。在整個設(shè)計到電路板的制作、電路的焊接以及調(diào)試過程中，不斷修正自己的思路，雖然電子琴原理簡單但是在焊接上有一定困難