简易电子琴的制作.docx

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1、西安电子科技大学模拟电子技术课程设计题 目 简易电子琴的制作姓名专业班级学号 2011院（系）信息工程学院指导教师完成时间2013年05月31日三1课程设计背景和设计目的及意义21.1 课程设计背景21.2 课程设计目的及意义22课程设计任务与要求23方案设计与论证34 电子琴的原理34.1 音乐产生的原理34.2 方案设计44.2.1 振荡电路44.2.2 集成功放电路54.2.3 整体电路图64.3 设计原理64.3.1 振荡电路原理74.3.2 音频集成功率放大器原理85 MULTISIM原理图绘制95.1 选取元件5.2 放置元件及排版105.3 Multisim电路仿真6仿真分析结果

2、116.1 频率及放大倍数测量116.2 理论比较116.3 误差分析127 设计总结12参考文献13附录：实物图15附录二：元器件清单16刖s电子琴最早是由美国发明家于上世纪20年代末发明，并于30年代制造投放市场的。电子琴不是钢琴的简易版，也不是起源于钢琴，它们是两种不同的乐器，电子琴起源于管风琴。电子琴分单排键电子琴和双排键电子琴（电子管风琴）。1959年日本生产出世界上第一台立式双排键电子琴,它有三层键盘。近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。自从八十年代电子琴进入我国以来，电子琴以它适合

3、中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱好者、专业音乐工作者和音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。这无论是对提高整个人们的音乐素质，还是对音乐的发展都是意义重大的事。电子琴适合初学者学习使用，适合中国国情，适合幼儿、儿童、少年学习，表现力丰富。电子琴的强大功能，使专业音乐工作者有广阔的创作和表现空间，电脑技术的应用，拓宽了电子琴的应用空间，总之，电子琴促进了音乐教育的发展。1课程设计背景和设计目的及意义1.1 课程设计背景电子琴是一种键盘乐器，采用半导体集成电路，利用音频放大器对声音信号进行放大，通过扬声器产生声音。现在的电子琴一般使用PCM或AWM采

4、样音源，就是录制乐器的声音,将其数字化后存入ROM里，然后按下键时CPU回放该音。现代电子琴并非“模仿”乐器音色。它使用的就是真实乐器音色。当然，现在力度触感在电子琴里是必备的。而且现代电子琴还加上了老式电子琴的滤波器，振荡器，包络线控制来制造和编辑音色。甚至老式电子琴的FM合成机构。本次课程设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计，按下不同琴键改变RC值，发出C调的八个基本音阶，采用运算放大器构成振荡电路，用集成功放电路输出音调，从而达到电子琴固有的基本功能。1.2 课程设计目的及意义通过实训将书本的理论运用到实际当中，经历将来工作当中会遇到的一些基本问题，以使同学们有明确的学习方向

5、。以及培养学生在理论知识枯燥学习中兴趣；锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力;通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高；巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。通过实训报告，总结这两周的实训过程的经验，为以后的理论学习指明要点。2课程设计任务与要求设计任务：设计一个利用模电原理制作的电子琴。设计要求：设计一个简易电子琴，按下不同琴键时改变RC值，能八个不同基本音调，用运算放大器构成振荡电路，用集成功放电路输出；选择方案，完成对确定方案电路的设计，并按照方案画出总体电路原理图，计算出元件参数，仿真实现后

6、选购元件，并完成电子琴的制作。八个基本音阶对应的频率如下表所示C调1234567fO/HZ2642973303523964404955283方案设计与论证方案一：LM324与电阻、电容等组成可控多谐振荡器，振荡频率取决于电阻的不同阻值，再由LM386进行音频放大。方案二：编写程序，用单片机的定时、计数器来产生不同方波频率信号实现电子琴操作。论证：经过进一步比较，方案一中LM324实现基本要求，通过采用可调电阻实现音调的高度变化，其中的电阻电容的价钱比较便宜，可行性强,容易实现。方案二中涉及单片机的相关知识，而且我们对单片机的了解应用不是很多，具有一定的难度，不易实现，所以方案一为最佳选择。4电

7、子琴的原理4.1 音乐产生的原理由于一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，构成我们所想要的音乐了。音调主要由声音的频率决定，乐音（复音）的音调更复杂些，一般可认为主要由基音的频率来决定，也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以c调为基准音的八度音阶中，所对应的频率如下表。如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号，再通过扬声器转换为声音信号，就能制作出简易的乐音发生器，再结合电子琴的一般结构，就可实现电子琴的制作了。C调把音节对应的基本频率为：dou 264 ruai 297 mi 330 fa 352sou 396 la 440 x

8、i 495 dou （高）5284.2 方案设计4.2.1 振荡电路图4-1振荡电路图选择CH.luF, RHkQ,根据公式沅焉，结合表一，即可计算出八个音阶对应的电阻值，分别为R5=9.07KQ, R6= 10.32 KQ,R7=13.06KQ, Rg=16.13KQ, R9=20.4KQ, Rio=23.23KQ, Ru=28.65 KQ,Ri2=36.3KQo选定R#R,且 RR(8)17由式3推导可得:I2 + Ra/R 2(9)则由式(8)及起振条件|A.F|1,可得:R + R?R32(10)/?! + Z?2 ?3选择 R=800Q, R2=900Q, R3=1500Q4.2.2

9、 集成功放电路C3取4.7uF为退耦电容，即防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。退耦滤波电容的取值通常为4.7-200uF,退耦压差越大，电容的取值应该越大。C4为旁路电容，它可将混有高频信号和低频信号的交流信号中的高频成分旁路掉的电容，取10uF。C6为隔直传交电容，取220uF。4.2.3 整体电路36.3kQD31N4001R12-AAAr1kQ20.4kQJ1q/ o-心疑Ao-心舱AR2-WV-28.65kDKe抬AD11N400110.32kQ也施A9.07kQ Key = AR13C3* 4.7pFI图4-3整体电路4.3 设计原

10、理4.3.1 振荡电路原理由于RC振荡电路，一般用来产生1HZ1MHZ范围内的低频信号；而LC振荡电路一般用来产生1MHZ以上的高频信号，由计算和比较分析结果,我们可以知道选择RC振荡电路，并且得出其基本电路为RC文氏电桥振荡电路。图4-4 RC桥式振荡电路图电路中采用反向并联二极管的稳定幅度电路，可以利用电流增大时二极管动态电阻变小，电流减小时二极管动态电阻增大的特性，加入非线性环节,从而使输出电压稳定。当输出电压信号较小时，二极管工作电流小，动态电阻大，电路的增益较大，引起增幅振荡过程。当输出幅度大到一定程度,二极管工作电流大，动态电阻小，电路的增益下降，电路的输出电压幅值将不再上升，电路

11、转为等幅度振荡，最后达到稳定幅度的目的。RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。具体实现过程的关键是RC串并联选频网络，其理论推导如下：R1C1 串联阻抗：Zi = Ri + l/(jwCi)R2C2 并联阻抗：Z2 = R2/(l+jwnR2c2)可得选频特性如下:F = Uf/Uo=Z2/ (Z1 + Z2)经计算知：当fo=l/(2兀RC)时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的1 / 3,同时输出电压与输出电压同相。通过该RC串并联选频网络，可以选出频率稳定的正弦波信号，也可通过改变R, C的取值，选出不同频率的信号。振幅条件：I AF | = 1起振条件：自激振荡的初始信号一

12、般较小，为了得到较大强度的稳定波形，起振条件需满足|AF|1。在输出稳定频率的波形前，信号经过了选频和放大两个阶段。具体来说，是对于选定的频率进行不断放大，非选定频率的信号进行不断衰减，结果就是得到特定频率的稳定波形。4.3.2 音频集成功率放大器原理根据设计需要，功率放大电路主要以LM386为主。具有自身功耗低、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。图中，7脚所接容量为20的电容为去耦滤波电容，虽为旁路电容，但必不可少。实际应用时 该端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，可有效抑制噪声。1脚与8脚

13、为电源增益设定端，其所接电容、电阻是用于调解电路的闭环电压增益，断开时即内定增益为20。制作当中发现增益过小，在1脚和8脚之间加一 10（iF电容，增益达到50o5脚为输出端，应外接输出电容后再接负载。该电容能隔离直流分量，避免电路出现故障出现直流分量损坏元器件；同时与扬声器构成高通滤波器，降低噪音。另要有电阻电容支路串联接地，因为扬声器是感性负载，能抵消扬声器的反电动势保护功放输出末级。5 MULTISIM原理图绘制5.1 选取元件在电脑上进入Multisim界面后，单击工具栏上的“新建”按钮口，新建一个设计文档。单击“保存”按钮,在弹出的对话框中的文件名框中输入“简易电子琴”，再单击“保存

14、”按钮，完成新建设计文件操作。单击绘图工具栏中的元件模式中的“P”按钮ZJ,弹出选取元器件对话框，在此对话框左上角“keywords（关键词）” 一栏中输入元器件名称，如“LM324”，系统在对象库中进行搜索查找，并将与关键词匹配的元器件显示在“Results”中。在“Results”栏中的列表项中，双击“LM324”,则可将其添加至对象选择器窗口，按照此方法完成其它元器件的选取。5.2 放置元件及排版通过对象选择器窗口单击选择相应元件，在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。元件的移动：用鼠标左键按住元件拖曳。元件的旋转：选定所需旋转元件，单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。元件的删除：通过鼠标左键选定要删除的元件，点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。引出节点：在所需引出节点导线处单击鼠标右键，移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。完成电路布线后，为使电路更加紧凑有逻辑性，各功能区域明显，应对相应元件或导线位置进行相应调整。元件间的布线：将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。元