数字电子技术基础课程设计说明书简易电子琴的设计与制作

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息学院 题 目: 简易电子琴的设计与制作初始条件：已知条件 简易电子琴一般具有弹奏一个自然大调7声音阶的功能。本课程设计，要求用中、小规模集成电路芯片实现控制功能，芯片型号、数量不限。 要求完成的主要任务: （1）设计任务根据已知条件，设计并制作一个简易电子琴。（2）设计要求A 基本要求： 具备8个按键，能够分别较准确地弹奏出1八个音符。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。用EWB或MULTISIM软件完成仿真，之后制作出相应实物，并按规定格式写出课程设计报告书。B 扩展要求：（在完成基本要求的前提下，学有余力的同学可完成） 能够弹奏出至少21个音符（三个音阶）。 能够较便捷地完成音阶的升降。（用单刀三掷开关实现正常、升8度和降8度的切换）时间安排：1、 年 月 日分班集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明，分发工具与器材。课设答疑问地点： 。2、 年 月 日 至 年 月 日完成设计制作与调试。3、 年 月 日完成课程设计报告与答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 目 录绪论2简易电子琴的设计31整体电路方框图32.波形产生电路方案选择32.1方案一32.2方案二43.单元电路的设计和元件参数的选取73.1 C调发音的音阶如表3.1.1所示(频率单位为Hz)：73.2选频网络确R、C的确定74.电路的调试和仿真84.1调试84.2仿真95.实物的制作125.1电阻、电容的选择125.2 元件的插放和焊接125.3 实物136.小结和心得与体会136.1 小结1462 心得与体会147.总电路图168.参考文献17绪 论随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活必不可少的一部分，电子琴作为现代电子科技和音乐结合的产物，在现代音乐中扮演着重要的角色。简易电子琴可以利用模拟电路和数字电路产生不同频率信号驱动扬声器来实现，本设计是采用数字电路来产生C调的低、中、高二十一个音阶。对于固定简单功能的实现，数字电路具有结构简单、实现方便、产生频率稳定、成本低上次保存者：DELL廉等优点。在数字电路中，可以用施密特多谐振荡器产生频率稳定的方波，该电路结构简单、操作方便，是制做简单电子琴非常不错的方法。关键字：电子琴、C调、数字电路、施密特多谐振荡器 简易电子琴的设计 1整体电路方框图稳压电源R、C调频网络555多谐振荡波输出图1 基本方框图该电路具有原理简单、容易制作、调试方便等特点。能实现二十一种频率的方波且能驱动喇叭C调的二十一个音阶。其中，稳压电源可以由电脑提供。2.波形产生电路方案选择 2.1方案一该电路是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波的电路。正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频网络组成。 电路如图2.1.1所示：在外界电磁波的干扰下，某一特定频率f0的信号形成正反馈。当输出信号较小时，二极管不导通或电阻较大，此时电图放大倍数很大，信号不断增强， 当输出信号较大时。二极管电阻减小，电路放大倍数较小，信号逐步趋于稳定。 图2.1.1文氏振荡电路信号的频率也有多种频率的混合变为单一频率。总之，由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。 该电路结构简单，调整频率时只需要同时改变两个电阻R的值即可。不足之处是电路有时不易起振，不能很好的控制电路，还有就是在接通开关的瞬间，不能立刻达到想要的振幅，这对电子琴按键迅速转换时不利。2.2方案二用555定时器构成的多谐振荡器产生方波首先对555定时器芯片进行简单介绍： 图2.2.1 555集成电路内部结构图 从图2.2.1所示电路可以看出，555集成电路可以分为以下几个部分组成：（1） 由R1、R2、R3构成基准电压电路。在Vo端末加外加信号是，分别为生Vcc/3、2Vcc/3的基准点药。在Vo端外加基准电压时，则基准电压未外加信号电压值为VREF和VREF/2。（2） 集成运算放大器A1、A2、构成单门限比较器。（3） G1、G2构成具有置“0”输入端的基本RS触发器；G3、G4为该触发器的缓冲输出级，电路的输出逻辑状态与Q端输出相同。增加缓冲级是为了提高555集成电路模块的带负载能力。（4） 双极型三极管T构成放电开关电路。当Q端输出低电平时三极管导通；当Q端输出为高电平时三极管截止。555集成电路的逻辑功能如表2.2.1所示。 输入信号组合 输出及三极管的状态RDVi1 Vi2 Vo T的状态 0 X X 低电平 导通1 Vcc/3不变不变12Vcc/3Vcc/3高电平（不定）截止12Vcc/32Vcc/3Vcc/3低电平导通 表2.2.1用555定时器构成的电路如图2.2.2所示。当电路与电源接通瞬间，C2两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2、6端输入电压为零，即出现6端电压输出小于（2/3）Vcc，2端的输入电压小于（1/3）Vcc的情况，输出信号Vo为高电平。是555定时器内部的晶体管截止，电源Vcc经R1、R2、C2到公共端对C2充电，这种情况直到维持到C2的两端电压略超过（2/3）Vcc。当C2两端电压超过（2/3）Vcc时，出现6端输入电压大于2Vcc/3，,2端的输入电压大于1Vcc/3的情况，输出信号Vo为低电平，使晶体管导通，电容经C2、R2放电到公共端的地， 图2.2.2 多谐振荡电路这种情况直到C2两端的电压小于Vcc/3，此后又重新回到上述状态，输出波形如图2.2.2所示。周期的计算充电过程方程：2=Vcc/3=Vcc+(Vcc/3-Vcc)*exp(t1/RC2) R=R1+R2放电过程方程：Vcc/3=(2Vcc/3)*exp(t2/R2C2)解得t=t1+t2=0.7(R1+2R2)C2 f=1/t=1.43/(R1+2R2)C2此电路结构简单、操作容易、起振方便，所用元件也非常的常见， 是设计简易电子琴的最佳方案。所以本设计将采用以上电路。3.单元电路的设计和元件参数的选取3.1 C调发音的音阶如表3.1.1所示(频率单位为Hz)：发音音阶1dou 2ruai3mi 4 fa5 suo 6 la 7 si低262294330349392440494中523587659698784880988高1046117513181397156817601967由上表可以看出，中音的频率是低音的2倍，高音的频率是低音的4倍，所以在设计选频网络时，只要准确地确定低音的频率，改变电容的大小，就能很方便的调节出高音阶的频率。3.2选频网络确R、C的确定 根据555多谐振荡器产生电路的计算式，如上所述，能很方便的的确定电阻的大小。在选择电阻时，采用固定电容和充电电阻R1的值，将不同音阶的频率带入公式f=1.43/(R1+2R2)C2，计算出电阻R2的大小。为了使输出波形的占空比接近0.5，将充电电阻R1设置小一点，然后将不同的频率带入计算取得近似值如表3.2.1（电阻单位：K，频率：Hz）:R1=715，C2=1uF1 2 3 4 5 6 7262294330349392440494R2R3R4R5R6R7R82.312.001.751.621.421.241.05 表3.2.1电路的选频网络电路图如图3.2.1。 图3.2.1 R、C选频网络图4.电路的调试和仿真4.1调试首先就电路的输出进行简单介绍，在选频网络没有接通的时候，充电电容未充电，555集成芯片的2、6两端相当于接地，故有2、6两端的电压分别小于Vcc/3、2Vcc/3，此时3端输出为高电平，为了使扬声器在没有有效信号输出是保持安静，所以在3端接一个隔置电容C5，因为有效信号的频率也很低，所以隔直电容应该足够大，否则输出波形将变成脉冲信号，如图4.1.1和图4.1.2分别是C5 为1F和100uF时的输出波形。 图4.1.1 图4.1.2 两幅图明显可以看出，当电容足够大时，输出的波形是理想的方波;当电容减小，输出波形变成了一个奇谐函数的波形。如果C5足够小，输出将变成正负脉冲。所以在选择C5时也很重要，输出波形变成脉冲，扬声器发音就很难了。4.2仿真1.开关J1闭合，单刀三掷开关接通1uF电容。此时对应的发音频率应该为262Hz,仿真结果如图4.2.1所示。 图4.2.1 输出波形为理想的方波，输出频率为260.727Hz，非常接近理论值，产生误差的主要原因是因为市场上很难买到十分精确的电阻，所以电阻在电路中都取得是近似值，但完全能买满足要求。2分别闭合开关J2、J3、J4、J5、J6、J7可得到其他几个低音音阶的仿真发音频率如图4.2.2：Ruai Mi Fa Suo La Si 图4.2.2由555集成芯片输出的电压在3.3V左右。输出电流在200mA到600mA之间，可以直接驱动扬声器。其他的14个音阶发音原理与低音相同，只要将单刀三掷开关分别接通到0.5uF、0.25uF的电容上久可以实现，这里不再赘述。 理论值于实际仿真值比较，如表4.2.1DouRuai MiFaSuoLaSi 低音理262297330349392440494实260.7295.3330.2351.9392.0435.8494.9中音理523587659698784880988实519.5581.0660.3695.9785.28861000.2高音理1046117513181397156817601967实1038.31168.71311.81385.61566.11771.31943.9注：表中理代表理论值，是代表实际测量值，单位Hz. 表4.2.15.实物的制作5.1电阻、电容的选择本设计的主要难点就是电阻的选择。低音阶时，发音频率相差不大，电阻误差稍微大一点，就将导致发不出正确的音调。还有就是设计电路的电阻在市场上不一定都能买到。为了克服这些问题，可以用可变电阻和两个电阻组合，尽量减小误差。 市场上没有0.25uF和0.5uF的电容，所以采用1uF 的电容串联或用更小的电容并联。5.2 元件的插放和焊接元件插放原则是先低后高，从电阻开始，到电容结束。焊接时，要注意烙铁的温度和焊接时间，不要将烙铁一直与焊接点接触，焊接时间越快越好。还有就是焊接环境应该注意通风，尽量呼吸焊接时冒出的气体。在插电容时一定要注意极性，否则电路在接通电源的时候容易爆掉，及其危险。5.3 实物 实物如图5.3.1正面和图5.3.2反面所示。 图5.3.1 简易电子琴实物图 正面 图5.3.2 简易电子琴实物 反面 6.小结和心得与体会 6.1 小结 实际的频率和设计的频率有一定的误差，仔细分析电路，可以总结一下原因：1、温度对振荡有一定的影响、2、元件本身的精度不高，电阻和电容的误差都在10%左右，这是实际值与理论值差别较大的主要原因。 3、电容在充放电过程中存在着漏电。改进方案：1、选用两个电阻的串联的方式来实现高精度，最好选用温度系数低的金属膜电阻。2、选用漏电流较小、精度较高的聚苯电容。3、在安装元件时，元件之间不要靠的太紧，以便元件散热。62 心得与体会 在实际调试过程中有些东西并不像仿真显示的结果那样，达不到所期望的性能指标。例如当阻值取值和仿真相同时，所测频率比仿真频率偏高。这就要求通过仪器的测量，加以合理判断调整电路参数。在调试过程中发现电容值并不准确，而且由于漏电流情况，因此我们实际选用电阻应略大于计算值，选用漏电流较小的电容可以获得更好的效果。课程设计将理论与实际相结合，让我们对平时所学的理论知识有更深一步的认识。对事物设计的一般流程也有了进一步了解。 1.了解所需设计器件的工作性能，与课本上的理论知识相联系，了解所需设计器件的工作原理。 2.分析原理图中每个器件的作用，阅读元件说明书，合理设置元件参数。 3.利用仿真软件对所设计的原理图进行仿真。 4.焊接时在心中对器件的排布做一下大致规划技术，器件装配要牢固。 5.焊接好后连接仪器进行测试及分析。如未达到所需性能指标，分析可能原因，对元器件进行修改，直至达到要求。课设的过程是个自我探索、自我学习的过程。我们可以通过自己的努力和同学的共同探讨，用所学知识设计出操作性好、稳定性强的可行性方案。一方面用知识武装了自己。另一方面，也加强了同学之间的友谊，对班集体建设也起到了积极的作用。 7.总电路图 图7.1.1 8.参考文献1 吴友宇.模拟电子技术基础，清华大学出版社.北京,20092 伍时和.数字电子技术基础，清华大学出版社.北京.20093 康华光.电子技术基础模拟部分高等教育出版社,19994 谢自美.电子线路设计实验测试第三版，华中科技大学出版社,20065 孙梅生.电子技术基础课程设计，高等教育出版社,20096 稻田保.振荡电路的设计与应用，科学出版社,20047 李定华.555定时器及其运用，中国期刊网,2009-1-148 王全宇.电子科技，知网空间，2009年12期附录：元件清单元件元件型号数量555定时器NE555N1扬声器8 2W1电容0.01uF、 1000uF各1个1uF7按键开关8单刀三掷开关1电阻2K、51、1K各2个1.5K11.4K11.2K130012202