《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)-簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)與制作.

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息學(xué)院 題 目: 簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)與制作初始條件：已知條件 簡(jiǎn)易電子琴一般具有彈奏一個(gè)自然大調(diào)7聲音階的功能。本課程設(shè)計(jì)，要求用中、小規(guī)模集成電路芯片實(shí)現(xiàn)控制功能，芯片型號(hào)、數(shù)量不限。 要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)已知條件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴。（2）設(shè)計(jì)要求A 基本要求： 具備8個(gè)按鍵，能夠分別較準(zhǔn)確地彈奏出1八個(gè)音符。 選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫(huà)出總體電路原理圖，闡述基本原理。用EWB或MULTISIM軟件完成仿真，之后制作出相應(yīng)實(shí)物，并按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

2、。B 擴(kuò)展要求：（在完成基本要求的前提下，學(xué)有余力的同學(xué)可完成） 能夠彈奏出至少21個(gè)音符（三個(gè)音階）。 能夠較便捷地完成音階的升降。（用單刀三擲開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)正常、升8度和降8度的切換）時(shí)間安排：1、 年 月 日分班集中，作課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求說(shuō)明，分發(fā)工具與器材。課設(shè)答疑問(wèn)地點(diǎn)： 。2、 年 月 日 至 年 月 日完成設(shè)計(jì)制作與調(diào)試。3、 年 月 日完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告與答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目 錄緒論2簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)31整體電路方框圖32.波形產(chǎn)生電路方案選擇3方案一3方案二43.單元電路的設(shè)計(jì)和元件參數(shù)的選取73.1 C調(diào)發(fā)

3、音的音階如表所示(頻率單位為Hz)：7選頻網(wǎng)絡(luò)確R、C的確定74.電路的調(diào)試和仿真8調(diào)試8仿真95.實(shí)物的制作12電阻、電容的選擇125.2 元件的插放和焊接125.3 實(shí)物136.小結(jié)和心得與體會(huì)136.1 小結(jié)1462 心得與體會(huì)147.總電路圖168.參考文獻(xiàn)17緒 論隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，音樂(lè)逐漸成為我們生活必不可少的一部分，電子琴作為現(xiàn)代電子科技和音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，在現(xiàn)代音樂(lè)中扮演著重要的角色。簡(jiǎn)易電子琴可以利用模擬電路和數(shù)字電路產(chǎn)生不同頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)是采用數(shù)字電路來(lái)產(chǎn)生C調(diào)的低、中、高二十一個(gè)音階。 對(duì)于固定簡(jiǎn)單功能的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、產(chǎn)

4、生頻率穩(wěn)定、成本低上次保存者：DELL廉等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)字電路中，可以用施密特多諧振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的方波，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，是制做簡(jiǎn)單電子琴非常不錯(cuò)的方法。關(guān)鍵字：電子琴、C調(diào)、數(shù)字電路、施密特多諧振蕩器 簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì) 1整體電路方框圖穩(wěn)壓電源R、C調(diào)頻網(wǎng)絡(luò)555多諧振蕩波輸出圖1 基本方框圖該電路具有原理簡(jiǎn)單、容易制作、調(diào)試方便等特點(diǎn)。能實(shí)現(xiàn)二十一種頻率的方波且能驅(qū)動(dòng)喇叭C調(diào)的二十一個(gè)音階。其中，穩(wěn)壓電源可以由電腦提供。2.波形產(chǎn)生電路方案選擇 方案一該電路是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)，依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波的電路。正弦波電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成。 電路如圖2.1.1所示：在

5、外界電磁波的干擾下，某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋。當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)，二極管不導(dǎo)通或電阻較大，此時(shí)電圖放大倍數(shù)很大，信號(hào)不斷增強(qiáng)， 當(dāng)輸出信號(hào)較大時(shí)。二極管電阻減小，電路放大倍數(shù)較小，信號(hào)逐步趨于穩(wěn)定。 圖文氏振蕩電路信號(hào)的頻率也有多種頻率的混合變?yōu)閱我活l率。總之，由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。 該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整頻率時(shí)只需要同時(shí)改變兩個(gè)電阻R的值即可。不足之處是電路有時(shí)不易起振，不能很好的控制電路，還有就是在接通開(kāi)關(guān)的瞬間，不能立刻達(dá)到想要的振幅，這對(duì)電子琴按鍵迅速轉(zhuǎn)換時(shí)不利。方案二用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波首先對(duì)555定時(shí)器

6、芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹： 圖2.2.1 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從圖所示電路可以看出，555集成電路可以分為以下幾個(gè)部分組成：（1） 由R1、R2、R3構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路。在Vo端末加外加信號(hào)是，分別為生Vcc/3、2Vcc/3的基準(zhǔn)點(diǎn)藥。在Vo端外加基準(zhǔn)電壓時(shí)，則基準(zhǔn)電壓未外加信號(hào)電壓值為VREF和VREF/2。（2） 集成運(yùn)算放大器A1、A2、構(gòu)成單門(mén)限比較器。（3） G1、G2構(gòu)成具有置“0”輸入端的基本RS觸發(fā)器；G3、G4為該觸發(fā)器的緩沖輸出級(jí)，電路的輸出邏輯狀態(tài)與Q端輸出相同。增加緩沖級(jí)是為了提高555集成電路模塊的帶負(fù)載能力。（4） 雙極型三極管T構(gòu)成放電開(kāi)關(guān)電路。當(dāng)Q端輸出低電平時(shí)三

7、極管導(dǎo)通；當(dāng)Q端輸出為高電平時(shí)三極管截止。555集成電路的邏輯功能如表所示。 輸入信號(hào)組合 輸出及三極管的狀態(tài)RDVi1 Vi2 Vo T的狀態(tài) 0 X X 低電平 導(dǎo)通1 <2Vcc/3>Vcc/3不變不變1>2Vcc/3<Vcc/3高電平（不定）截止1<2Vcc/3<Vcc/3高電平截止1>2Vcc/3>Vcc/3低電平導(dǎo)通 表用555定時(shí)器構(gòu)成的電路如圖所示。當(dāng)電路與電源接通瞬間，C2兩端沒(méi)有存儲(chǔ)電荷，兩端的電壓為零，555定時(shí)器的2、6端輸入電壓為零，即出現(xiàn)6端電壓輸出小于（2/3）Vcc，2端的輸入電壓小于（1/3）Vcc的情況，輸出信

8、號(hào)Vo為高電平。是555定時(shí)器內(nèi)部的晶體管截止，電源Vcc經(jīng)R1、R2、C2到公共端對(duì)C2充電，這種情況直到維持到C2的兩端電壓略超過(guò)（2/3）Vcc。當(dāng)C2兩端電壓超過(guò)（2/3）Vcc時(shí)，出現(xiàn)6端輸入電壓大于2Vcc/3，,2端的輸入電壓大于1Vcc/3的情況，輸出信號(hào)Vo為低電平，使晶體管導(dǎo)通，電容經(jīng)C2、R2放電到公共端的地， 圖 多諧振蕩電路這種情況直到C2兩端的電壓小于Vcc/3，此后又重新回到上述狀態(tài)，輸出波形如圖所示。周期的計(jì)算充電過(guò)程方程：2=Vcc/3=Vcc+(Vcc/3-Vcc)*exp(t1/RC2) R=R1+R2放電過(guò)程方程：Vcc/3=(2Vcc/3)*exp(t

9、2/R2C2)解得t=t1+t2=0.7(R1+2R2)C2 f=1/t=1.43/(R1+2R2)C2此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易、起振方便，所用元件也非常的常見(jiàn)， 是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴的最佳方案。所以本設(shè)計(jì)將采用以上電路。3.1 C調(diào)發(fā)音的音階如表所示(頻率單位為Hz)：發(fā)音音階1dou 2ruai3mi 4 fa5 suo 6 la 7 si低262294330349392440494中523587659698784880988高1046117513181397156817601967由上表可以看出，中音的頻率是低音的2倍，高音的頻率是低音的4倍，所以在設(shè)計(jì)選頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只要準(zhǔn)確地確定低音的頻率，

10、改變電容的大小，就能很方便的調(diào)節(jié)出高音階的頻率。選頻網(wǎng)絡(luò)確R、C的確定 根據(jù)555多諧振蕩器產(chǎn)生電路的計(jì)算式，如上所述，能很方便的的確定電阻的大小。在選擇電阻時(shí)，采用固定電容和充電電阻R1的值，將不同音階的頻率帶入公式f=1.43/(R1+2R2)C2，計(jì)算出電阻R2的大小。為了使輸出波形的占空比接近0.5，將充電電阻R1設(shè)置小一點(diǎn)，然后將不同的頻率帶入計(jì)算取得近似值如表（電阻單位：K，頻率：Hz）:R1=715，C2=1uF1 2 3 4 5 6 7262294330349392440494R2R3R4R5R6R7R8 表電路的選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖。 圖 R、C選頻網(wǎng)絡(luò)圖首先就電路的輸出進(jìn)行簡(jiǎn)

11、單介紹，在選頻網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有接通的時(shí)候，充電電容未充電，555集成芯片的2、6兩端相當(dāng)于接地，故有2、6兩端的電壓分別小于Vcc/3、2Vcc/3，此時(shí)3端輸出為高電平，為了使揚(yáng)聲器在沒(méi)有有效信號(hào)輸出是保持安靜，所以在3端接一個(gè)隔置電容C5，因?yàn)橛行盘?hào)的頻率也很低，所以隔直電容應(yīng)該足夠大，否則輸出波形將變成脈沖信號(hào)，如圖和圖4.1.2分別是C5 為1F和100uF時(shí)的輸出波形。 圖 圖 兩幅圖明顯可以看出，當(dāng)電容足夠大時(shí)，輸出的波形是理想的方波;當(dāng)電容減小，輸出波形變成了一個(gè)奇諧函數(shù)的波形。如果C5足夠小，輸出將變成正負(fù)脈沖。所以在選擇C5時(shí)也很重要，輸出波形變成脈沖，揚(yáng)聲器發(fā)音就很難了。1.開(kāi)關(guān)

12、J1閉合，單刀三擲開(kāi)關(guān)接通1uF電容。此時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)音頻率應(yīng)該為262Hz,仿真結(jié)果如圖所示。 圖 輸出波形為理想的方波，輸出頻率為260.727Hz，非常接近理論值，產(chǎn)生誤差的主要原因是因?yàn)槭袌?chǎng)上很難買(mǎi)到十分精確的電阻，所以電阻在電路中都取得是近似值，但完全能買(mǎi)滿(mǎn)足要求。2分別閉合開(kāi)關(guān)J2、J3、J4、J5、J6、J7可得到其他幾個(gè)低音音階的仿真發(fā)音頻率如圖：Ruai Mi Fa Suo La Si 圖由555集成芯片輸出的電壓在V左右。輸出電流在200mA到600mA之間，可以直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。其他的14個(gè)音階發(fā)音原理與低音相同，只要將單刀三擲開(kāi)關(guān)分別接通到0.5uF、0.25uF的電容上久可

13、以實(shí)現(xiàn)，這里不再贅述。 理論值于實(shí)際仿真值比較，如表DouRuai MiFaSuoLaSi 低音理262297330349392440494實(shí)中音理523587659698784880988實(shí)78886高音理1046117513181397156817601967實(shí)注：表中理代表理論值，是代表實(shí)際測(cè)量值，單位Hz. 表、電容的選擇本設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)就是電阻的選擇。低音階時(shí)，發(fā)音頻率相差不大，電阻誤差稍微大一點(diǎn)，就將導(dǎo)致發(fā)不出正確的音調(diào)。還有就是設(shè)計(jì)電路的電阻在市場(chǎng)上不一定都能買(mǎi)到。為了克服這些問(wèn)題，可以用可變電阻和兩個(gè)電阻組合，盡量減小誤差。 市場(chǎng)上沒(méi)有0.25uF和0.5uF的電容，所以采用1

14、uF 的電容串聯(lián)或用更小的電容并聯(lián)。5.2 元件的插放和焊接元件插放原則是先低后高，從電阻開(kāi)始，到電容結(jié)束。焊接時(shí)，要注意烙鐵的溫度和焊接時(shí)間，不要將烙鐵一直與焊接點(diǎn)接觸，焊接時(shí)間越快越好。還有就是焊接環(huán)境應(yīng)該注意通風(fēng)，盡量呼吸焊接時(shí)冒出的氣體。在插電容時(shí)一定要注意極性，否則電路在接通電源的時(shí)候容易爆掉，及其危險(xiǎn)。5.3 實(shí)物 實(shí)物如圖正面和圖5.3.2反面所示。 圖 簡(jiǎn)易電子琴實(shí)物圖 正面 圖 簡(jiǎn)易電子琴實(shí)物 反面 6.小結(jié)和心得與體會(huì) 6.1 小結(jié) 實(shí)際的頻率和設(shè)計(jì)的頻率有一定的誤差，仔細(xì)分析電路，可以總結(jié)一下原因：1、溫度對(duì)振蕩有一定的影響、2、元件本身的精度不高，電阻和電容的誤差都在1

15、0%左右，這是實(shí)際值與理論值差別較大的主要原因。 3、電容在充放電過(guò)程中存在著漏電。改進(jìn)方案：1、選用兩個(gè)電阻的串聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度，最好選用溫度系數(shù)低的金屬膜電阻。2、選用漏電流較小、精度較高的聚苯電容。3、在安裝元件時(shí)，元件之間不要靠的太緊，以便元件散熱。62 心得與體會(huì) 在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中有些東西并不像仿真顯示的結(jié)果那樣，達(dá)不到所期望的性能指標(biāo)。例如當(dāng)阻值取值和仿真相同時(shí)，所測(cè)頻率比仿真頻率偏高。這就要求通過(guò)儀器的測(cè)量，加以合理判斷調(diào)整電路參數(shù)。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電容值并不準(zhǔn)確，而且由于漏電流情況，因此我們實(shí)際選用電阻應(yīng)略大于計(jì)算值，選用漏電流較小的電容可以獲得更好的效果。課程設(shè)計(jì)將理論與

16、實(shí)際相結(jié)合，讓我們對(duì)平時(shí)所學(xué)的理論知識(shí)有更深一步的認(rèn)識(shí)。對(duì)事物設(shè)計(jì)的一般流程也有了進(jìn)一步了解。 1.了解所需設(shè)計(jì)器件的工作性能，與課本上的理論知識(shí)相聯(lián)系，了解所需設(shè)計(jì)器件的工作原理。 2.分析原理圖中每個(gè)器件的作用，閱讀元件說(shuō)明書(shū)，合理設(shè)置元件參數(shù)。 3.利用仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真。 4.焊接時(shí)在心中對(duì)器件的排布做一下大致規(guī)劃技術(shù)，器件裝配要牢固。 5.焊接好后連接儀器進(jìn)行測(cè)試及分析。如未達(dá)到所需性能指標(biāo)，分析可能原因，對(duì)元器件進(jìn)行修改，直至達(dá)到要求。課設(shè)的過(guò)程是個(gè)自我探索、自我學(xué)習(xí)的過(guò)程。我們可以通過(guò)自己的努力和同學(xué)的共同探討，用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)出操作性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的可行性方案。一方面用知識(shí)武裝了自己。另一方面，也加強(qiáng)了同學(xué)之間的友誼，對(duì)班集體建設(shè)也起到了積極的作用。 圖 文獻(xiàn)1 吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社.北京,20093 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分高等教育出版社