电子测量与电子电路实验课程设计
题目: 简易电子琴的设计和制作
姓 名 孙尚威 学 院 电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 2013211202 学 号 ********** 班内序号 04 指导教师 陈凌霄
2015年4 月
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目录
一、设计任务与要求 ........................................................................................... 3 1.1 设计任务与要求 ...................................................................................... 3 1.2 选题目的与意义 ...................................................................................... 3 二、系统设计分析 ............................................................................................... 3 2.1系统总体设计 ........................................................................................... 3 2.2 系统单元电路设计 .................................................................................. 4 2.2.1 音频信号产生模块 ......................................................................... 4 2.2.2 功率放大电路 ................................................................................. 7 2.2.3 开关键入端（琴键） ..................................................................... 8 三、理论值计算 ................................................................................................... 9 3.1 音阶频率对应表 ...................................................................................... 9 3.2 键入电路电阻计算 .................................................................................. 9 四、电路设计与仿真 ......................................................................................... 10 4.1 电路设计 ................................................................................................ 10 4.2 Multisim仿真 ......................................................................................... 11 五、实际电路焊接 ............................................................................................. 11 六、系统调试 ..................................................................................................... 12 6.1 系统测试方案 ........................................................................................ 12 6.2 运行结果分析 ........................................................................................ 13 七、设计体会与实验总结 ................................................................................. 14
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一、设计任务与要求
1.1 设计任务与要求
了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。设计并利用NE555集成运算电路以及外加电阻，电容在第一级产生不同频率的音乐，再利用LM386功率放大电路对音乐信号进行放大，最后通过扬声器产生21个音符。
1.2 选题目的与意义
（1）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理
论和生产实际知识去分析和解决工程问题的能力。
（2）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟，数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力。
（3）学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。
二、系统设计分析
2.1系统总体设计
由555电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡电路中的RC元件的数值进行改变。根据这一原理，通过设定一些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的规律依次将不同值的RC组件
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接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的需求，有节奏的发出已设定的音频信号，再利用LM386功率放大电路对音乐信号进行放大，最后通过扬声器产生音符。
图1：系统组成框图
2.2 系统单元电路设计
2.2.1 音频信号产生模块
利用NE555集成运算电路以及外加电阻，电容在第一级产生不同频率的音乐。
555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
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多谐振荡器的工作原理：多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。 由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压Uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压Uc按指数规律上升，当Uc上升到（2/3）Vcc时，输出Uo为低电平，放电管VT导通，把Uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。 由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，Uc下降，当Uc下降到（1/3）Vcc时，输出Uo。 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，Uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。
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图2：NE555管脚图
图3：多谐振荡波形图
电 阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电压。放电端D（7脚）接在R1 和R2之间。电压控制端K（5脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状 态。
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多谐振荡器的放电时间常数分别为
t≈0.693×（R1+R2）×C1
PH
tPL≈0.693×R2×C1
振荡周期T和振荡频率f分别为
T=tPH+tPL≈0.693×（R1+2R2）×C1 f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]
2.2.2 功率放大电路
集成功放大电路可以有多种选择，如三极管放大、差分放大、运放等等，考虑到本次是对音频放大，故选择的是通用型音频功率放大器
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。 特性(Features):
* 静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。 * 工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。 * 外围元件少。
* 电压增益可调，20-200。 * 低失真度。
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采用LM386运放，价格低廉。LM386一般采用6-9V电源，最大输出功率为1W，因该器件散热条件不够理想，一般输出功率为0.5W以下，一般为0.3W。由LM386内部结构知，电路的电压放大倍数可由内部1.35k电阻及引脚1、8间的外围元件确定。当引脚1、8间不接任何元件时，其电压放大倍数为20倍，当引脚1、8之间外接电容10 uF电容是，其电压放大倍数为200。此时，内部的1.35k电阻倍交流短路，其电压放大倍数表示式为:
VA=2R2/R1=30k/150。引脚5与地之间外接0.047uF电容和10欧电阻为补偿电路，可提高电路的稳定性，防止电路高频自激。当LM386处于高电压放大倍数时，电源的影响将会增大，为此在引脚7与地之间外接10 uF的滤波电容。
图4：LM386放大电路，放大增益=200
2.2.3 开关键入端（琴键）
21个开关与经计算出来的固定电阻串联后再互相并联，通过按下开关（琴键）将不同电阻接入多谐振荡电路，使555震荡器产生不
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同频率的音频信号。
图5：开关电路
三、理论值计算
3.1 音阶频率对应表
音阶名(低音） 频率（Hz） 音阶名（中音） 频率（Hz） 音阶名（高音） 频率（Hz） 1 132 1 2 1 528 2 148.5 2 297 2 594 3 165 3 330 3 660 4 176 4 352 4 704 5 198 5 396 5 792 6 220 6 440 6 880 7 247.5 7 495 7 990 表1：音阶频率对应表
3.2 键入电路电阻计算
频率——电阻对应公式：
f=1/T≈1/[0.693×（R1+2R2）×C1]
根据公式以及实际电路分析，配合已有电阻的串并联计算得出音阶频
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率对应的电阻值和电容值。
C1=0.22uF R2=2.7kΩ
音阶名(低音） 电阻R1 音阶名（中音） 电阻R1 音阶名（高音） 电阻R1 1 47k 1 20k 1 6.8k 2 36k 2 18k 2 5.6k 3 33k 3 15k 3 4.7k 4 30k 4 13k 4 3.9k 5 27k 5 11k 5 2.7k 6 25k 6 9.1k 6 2k 7 22k 7 8.2k 7 1.1k 表2：键入电路电阻
四、电路设计与仿真
4.1 电路设计
利用多谐振荡器电路作为音频信号发生电路，后级接
LM386放大信
号。原理电路图如下图，当依次按下按键时控制不同阻值电阻接入电路，以NE555为核心组成的多谐振荡电路，由不同的充电电阻选择不同的频率以此来控制分别发出21个不同音频信号，最后通过功放把21个音阶依次输出。
图6：电路设计图
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4.2 Multisim仿真
在焊接实际电路之前利用
Multisim仿真软件对电路进行仿真，通
过虚拟示波器观测方波脉冲的波形和频率。仿真结果如下图。
图7：仿真波形图
五、实际电路焊接
将电路分成两部分进行搭接，前半部分将按键开关和定值电阻按电路图焊接在万用板上。后半部分将多谐振荡电路、功率放大电路和喇叭插接在面包板上，以方便调试。
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图8：实际搭接电路（1）
图9：实际搭接电路（2）
六、系统调试
6.1 系统测试方案
通过实际电路的输出端将音频信号输入到示波器，利用数字示波器
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观测震荡波形和振荡频率。记录实际电路下的音频信号频率，将R1置换为电位器，在调试过程中调节电位器和定值电阻R2使得测量值更加接近理论计算值。
图10：示波器显示波形
6.2 运行结果分析
音阶名 低音频率 (Hz) 理论 实测 中音频率 (Hz) 理论 实测 高音频率 (Hz) 理论 实测 1 132 133 2 273 528 542 2 148.5 158 297 296 594 610 3 165 172 330 337 660 660 4 176 186 352 363 704 711 5 198 210 396 413 792 811 6 220 232 440 458 880 881 7 247.5 253 495 500 990 996 表3：实测值与理论值对比
误差分析：实测频率的误差主要来源于接入电阻的阻值以及焊接点的电阻值。在高音频率上的设计时，由于不同音阶频率对应的R1之间相
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差1kΩ左右，实验提供电阻有限并且阻值有一定误差，所以实测频率与理论频率有一定误差。为了避免定值电阻带来的误差，在调试电路时选择利用电位器调节接入阻值来得到准确的实测频率。再通过定值电阻的串并联减小误差。
七、设计体会与实验总结
通过两周的紧张地电路设计和调试，按照规定要求完成了简易电子琴的设计与制作，此次的课程设中计，我不仅巩固了以前学习过的知识，还增长了一些书本以外的知识，比如如何在万用板上焊接电阻电容，如何能焊接的光滑，美观，布线能够清爽一目了然，这些光看书本是永远也学不到的。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛，也明白课程设计的意义所在，它教会我如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的分析能力、动手能力及处理问题的能力。在整个设计到电路板的制作、电路的焊接以及调试过程中，不断修正自己的思路，虽然电子琴原理简单但是在焊接上有一定困难，如何布局合理、整体美观成为音阶准确外最主要的任务要求。
当然，我从实训中也发现了自身的许多缺点及不足，比如做事不仔细，动手能力欠缺。在第一次焊接时候我因为粗心把21个接入电阻连接成了串联形式，导致系统的整体性错误，不得不减掉所有焊点重新开始。
在课程设计的整个过程中，培养了我们的耐心和毅力，一个小小
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的错误就会导致结果的不正确，而对错误的检查要求我要有足够的耐心，由于这个课程设计也使我积累了一些经验，相信这些经验在我以后的学习工作中会有很大的作用。
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