簡(jiǎn)易電子琴課程設(shè)計(jì)[1]

1、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 數(shù)字邏輯課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目： 簡(jiǎn)易電子琴 學(xué) 院 名 稱(chēng)： 信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)： * 班級(jí)： * 學(xué)號(hào)： * 姓名： * 評(píng)分： 教師： * 20 11 年 6 月 28 日摘要 隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，音樂(lè)逐漸成為我們生活中很重要的一部分，而樂(lè)器更是應(yīng)用廣泛，幾乎在更大軟件均有樂(lè)器制造。所以本文就設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器，在現(xiàn)代音樂(lè)中扮演著重要的角色。 本實(shí)驗(yàn)著重講述了如何使用555制作簡(jiǎn)易電子琴產(chǎn)生8個(gè)不同音階控制電路的設(shè)計(jì)，當(dāng)操作者按下8個(gè)按鍵即可產(chǎn)生8種不同的音調(diào)，然后通過(guò)LM386功率放大器進(jìn)行音

2、調(diào)放大。本實(shí)驗(yàn)完成了簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)和調(diào)試，其基本的設(shè)計(jì)思路是采用了模塊設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)基本要求時(shí)只要用555構(gòu)成多諧振蕩電路，通過(guò)不同的電阻（用變阻器調(diào)節(jié)成8個(gè)所需電阻）來(lái)獲得不同的頻率，再經(jīng)過(guò)LM386放大所以發(fā)出不同的音調(diào)。如果要實(shí)現(xiàn)提高要求則需要在基本要求上添加一部分電路即可。通過(guò)開(kāi)關(guān)控制不同的電阻所對(duì)應(yīng)的振蕩電路的通斷調(diào)節(jié)相應(yīng)頻率大小，從而產(chǎn)生不同的音調(diào)。 當(dāng)然在這之前要事先查閱資料，再查閱各個(gè)芯片的引腳功能的各個(gè)參數(shù)，同時(shí)還要了解震蕩電路，與其產(chǎn)生震蕩的原理，在根據(jù)震蕩電路計(jì)算出電阻值，以便選擇合適的電阻值，這些都是課前準(zhǔn)備。測(cè)試電子琴要一步一步，首先是震蕩電路的線路測(cè)試，盡量消除噪聲，

3、使音質(zhì)能夠清晰，這樣電子琴就做成了。通過(guò)本次電子課程設(shè)計(jì)，不僅掌握了簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)，更重要的是提高了動(dòng)手實(shí)踐能力，從搜集各方面資料到檢查電路，充分鍛煉了分析問(wèn)題以及解決問(wèn)題的能力。關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)易電子琴，NE555，LM386，聲調(diào)目錄前言1第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2 1.1 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容2 1.2 設(shè)計(jì)要求介紹2第二章 系統(tǒng)組成及工作原理3 2.1 系統(tǒng)組成3 2.2 工作原理4第三章 方案比較8 3.1 方案一83.2 方案二93.3方案三103.4方案分析與比較11 第四章 參數(shù)計(jì)算、器件選擇12 4.1 參數(shù)計(jì)算12 4.2 器件選擇12 第五章 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析14 5.1 系統(tǒng)

4、調(diào)試14 5.2 測(cè)試結(jié)果與分析17結(jié)論19參考文獻(xiàn)20附錄一21附錄二22 前 言電子琴作為一種樂(lè)器，對(duì)豐富人們的日常生活起著一定的作用，是人們的生活更加豐富多彩。對(duì)于緩解人們的緊張情緒，陶冶人們的情操等方面，電子琴作為娛樂(lè)工具的一種，作用自是不言而喻。 電子琴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，聲源是555產(chǎn)生的自激振蕩，并通過(guò)LM386進(jìn)行功率放大，通過(guò)揚(yáng)聲器理發(fā)出聲音。由于一首音樂(lè)是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，此次設(shè)計(jì)是一個(gè)由555定時(shí)器構(gòu)成的簡(jiǎn)易電子琴。本次實(shí)驗(yàn)的目的是：1.學(xué)習(xí)調(diào)試電子電路的方法，提高實(shí)際動(dòng)手能力。2.了解由555定時(shí)器構(gòu)成的簡(jiǎn)易電子琴的電路原理。 此外，簡(jiǎn)易電子琴還可

5、以通過(guò)八個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)音樂(lè)的演奏。 掌握最基本的簡(jiǎn)易電子琴的工作原理，有利于將來(lái)研發(fā)高級(jí)的電器類(lèi)樂(lè)器，甚至前沿的電子技術(shù)，提高現(xiàn)代電子產(chǎn)品水平，更好的服務(wù)于社會(huì)，有著廣大的發(fā)展前景和用途。小小的電子琴能讓您和您的家人都能夠在閑暇時(shí)間體會(huì)音樂(lè)、感受音樂(lè)和彈奏音樂(lè)。第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴，基本要求是：1）產(chǎn)生e 調(diào)8個(gè)音階的振蕩頻率，它分別由1、2、3、4、5、6、7、0號(hào)數(shù)字鍵控制。其頻率分別為：1：261.6HZ、2：293.6HZ、3：329.6HZ、4：349.2HZ、5：392.0HZ、6：440.0HZ、7：493.9HZ、0：523HZ。2）

6、利用集成功放放大該信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。3）設(shè)計(jì)一聲調(diào)調(diào)節(jié)電路，改變滑動(dòng)變阻器，生成不同的頻率聲音。通過(guò)計(jì)算得到可調(diào)電阻的阻值分別為：34.3K、28.6K、23.3K、20.9K、16.4K、12.5K、8.9K、7.3K。1.2 設(shè)計(jì)要求介紹產(chǎn)生調(diào)8個(gè)音階的振蕩頻率，它分別由1、2、3、4、5、6、7、0號(hào)數(shù)字控制，發(fā)生頻率不同的音調(diào)。本實(shí)驗(yàn)采用555集成定時(shí)器組成簡(jiǎn)易電子琴，整個(gè)電路由主振蕩器、顫音振蕩器、揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕（該實(shí)驗(yàn)用按鈕開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)）等部分組成。主振蕩器是由555定時(shí)器，七個(gè)琴鍵按鈕（即7個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)）S1-S7，外接電容C1、C2，外接電阻R8以及R1-R7（用8個(gè)可調(diào)電阻調(diào)成所

7、需電阻元件）等元件組成，顫音振蕩器由555定時(shí)器、電容C5及R9、R10等元件組成，顫音振蕩器頻率較低為64HZ，將輸出電壓U連接到主振蕩器555定時(shí)器復(fù)位端4，側(cè)主振蕩器輸出出現(xiàn)震音。按原理圖接線后分別閉合不同開(kāi)關(guān)即可令喇叭發(fā)出不同頻率的聲音，從而模擬出電子琴的工作。第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成 2.1.1 按鍵模塊在電路板上安裝八個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，分別接入對(duì)應(yīng)的電路中來(lái)控制輸出頻率。如圖2.1.1所示。 圖2.1.1示電路實(shí)現(xiàn)頻率的控制，采用一個(gè)單刀單擲開(kāi)關(guān)，從左到右依次閉合開(kāi)關(guān)，可以獲得所需的頻率。2.1.2 音調(diào)發(fā)聲模塊 圖2.1.2所示是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 由一個(gè)555芯片

8、和幾個(gè)電容以及電阻組成多諧振蕩器，經(jīng)過(guò)可調(diào)電阻輸出設(shè)計(jì)所需對(duì)應(yīng)的頻率。 2.1.3 音響模塊 由一個(gè)LM386芯片和一個(gè)喇叭組成音響，LM386將系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)喇叭發(fā)出聲音。模塊設(shè)計(jì)圖如圖2.1.3所示 圖2.1.3 音響模塊 2.2 工作原理音樂(lè)產(chǎn)生原理及硬件設(shè)計(jì)由于一首音樂(lè)是由許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，例如本次實(shí)驗(yàn)所需頻率如下：1：261.6HZ、2：293.6HZ、3：329.6HZ、4：349.2HZ、5：392.0HZ、6：440.0HZ、7：493.9HZ、0：523HZ。由此，我們就可以利用不同的頻率的組合，奏出不同的音調(diào)，即可構(gòu)成我們所想要的音

9、樂(lè)了。工作原理圖如圖2.2所示 圖2.2簡(jiǎn)易電子琴的工作原理圖 2.2.1 NE555多諧振蕩器：NE555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個(gè)晶體三極管、17個(gè)電阻、兩個(gè)二極管，組成了比較器、RS觸發(fā)器、等多組單元電路。特別是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個(gè)電阻分壓器，為上、下比較器提供基準(zhǔn)電壓。NE555屬于cmos工藝制造。NE555引腳介紹如圖2.2.1.1：1地 GND 5控制電壓2觸發(fā) 6門(mén)限(閾值）3輸出 7放電4復(fù)位 7放電圖2.2.1.1NE555管腳圖【內(nèi)部原理圖】如圖2.2.1.2所示圖2.2.1.2 內(nèi)部原理圖555定時(shí)器內(nèi)含一個(gè)由三個(gè)阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生VCC和V

10、CC兩個(gè)基準(zhǔn)電壓；兩個(gè)電壓比較器C1、C2；一個(gè)由與非門(mén)G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。Rd是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器高端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。 2.2.2 LM386集成功率放大器： 2.2.2.1 外形、管腳排列及內(nèi)電路 LM 386是一種低電壓通用型音頻集成功率放大器，廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、對(duì)講機(jī)和信號(hào)發(fā)生器中； LM 386的外形與管腳圖如圖2.2.2.1所示，它采用8腳雙列直插式塑料封裝。 圖2.2.2.1 LM386外型與管腳LM386有兩個(gè)信號(hào)輸入端，腳為反相輸入端，腳為同相輸入端；每個(gè)

11、輸入端的輸入阻抗均為50 k，而且輸入端對(duì)地的直流電位接近于零，即使輸入端對(duì)地短路，輸出端直流電平也不會(huì)產(chǎn)生大的偏離2.2.2 2 LM386主要性能指標(biāo)LM386-4的電源電壓范圍為518v。當(dāng)電源電壓為6V時(shí)，靜態(tài)工作電流為4mA。當(dāng)Vcc=16V，RL=32時(shí)輸出功率為1W。、腳開(kāi)路時(shí)帶寬300kHZ，總諧波失真為0.2%,輸入阻抗為50K。本實(shí)驗(yàn)采用的是C調(diào)音階，其音階頻率與對(duì)應(yīng)電阻R8值，根據(jù)T=0.7（R9+R8）C可計(jì)算R8的值 第三章 方案比較3.1 方案一用兩個(gè)9013三極管來(lái)完成此設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)用兩個(gè)9013組成多諧振蕩器，用它來(lái)發(fā)出所要音頻的頻率，最后連接到揚(yáng)聲器組成基本電

12、路。此方案雖然可行，但是揚(yáng)聲器的聲音不大，效果不是很真實(shí)，所以不采用此方案。利用9013來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)音頻頻率電路如圖3.1 圖3.1 簡(jiǎn)易電子琴仿真電路（一）用兩個(gè)9013三極管組成多諧振蕩電路，所要求產(chǎn)生的頻率是由V1、V2組成的多諧振蕩電路決定，產(chǎn)生出的頻率驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。原理圖中涉及到了R1、R2、C1、C2、Rw*。計(jì)算周期的公式為：T=0.639（R1+Rw*）*C1+(R2+Rw*)*C2,計(jì)算頻率的公式為f=1/0.639（R1+Rw*）*C1+(R2+Rw*)*C2。3.2 方案二主要是用兩個(gè)555芯片和一個(gè)LM386芯片、一個(gè)揚(yáng)聲器以及若干個(gè)電阻電容來(lái)組成簡(jiǎn)易電子琴的系統(tǒng)。

13、此方案中第一個(gè)555芯片用來(lái)產(chǎn)生鋸齒波形，然后經(jīng)過(guò)第二個(gè)555芯片和其他電阻電容組成的施密特觸發(fā)器將鋸齒波形轉(zhuǎn)變成放波波形，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的信號(hào)，再經(jīng)過(guò)LM386將信號(hào)放大使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。我們只要調(diào)整接入的電阻阻值就能得到對(duì)應(yīng)音頻的頻率，從而達(dá)到所要的效果。不過(guò)這個(gè)方案要使用兩個(gè)555芯片，在經(jīng)濟(jì)上不是很合理，所以不選擇此方案。由兩個(gè)555芯片以及其他元件組成的簡(jiǎn)易電子琴電路如圖3.2：圖3.2簡(jiǎn)易電子琴仿真電路（二）該方案是用兩個(gè)555芯片組成。主要核心是555芯片，前一個(gè)555芯片是用來(lái)產(chǎn)生振蕩信號(hào)，接入不同阻值的電阻Rw*產(chǎn)生不同的音階頻率信號(hào)，發(fā)出鋸齒波形。然后通過(guò)第二個(gè)555芯片，

14、該555芯片接成施密特觸發(fā)器，用來(lái)將鋸齒波形轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲úㄐ危瑥亩玫?、2、3、4、5、6、7、0八個(gè)音頻音階所對(duì)應(yīng)的頻率，再經(jīng)LM386集成功率放大器將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出對(duì)應(yīng)的音頻音階 。3.3 方案三主要用用一個(gè)555芯片和一個(gè)LM386集成功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)此方案。通過(guò)555芯片產(chǎn)生振蕩頻率，發(fā)出信號(hào)。再由經(jīng)LM386功放將信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。通過(guò)八個(gè)可調(diào)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)1、2、3、4、5、6、7、0八個(gè)不同音頻音階，從而達(dá)到我們所要的效果。電子琴的具體工作原理圖如圖4.1所示。由一個(gè)555芯片以及其他元件組成的簡(jiǎn)易電子琴電路仿真圖如圖3.3：圖3.3簡(jiǎn)易電子琴仿真電路（三）該方案主

15、要用一個(gè)555芯片來(lái)產(chǎn)生振蕩頻率，調(diào)節(jié)可變電阻得到1、2、3、4、5、6、7、0所對(duì)應(yīng)音頻音階的頻率，再經(jīng)過(guò)LM386集成功率放大器將信號(hào)放大，從而驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。3.4 方案分析與比較方案一中用到的兩個(gè)555芯片從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)不是很合理，而且電路也比較復(fù)雜，給后面的操作造成較大的困難，所以此方案不是很合理，因此不采納該方案。方案二中電路雖然簡(jiǎn)單，但是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，得到的聲音很小，得到的音階也不是很準(zhǔn)，同時(shí)還不能很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，所以此方案也不用。方案三的電路相對(duì)前二者則比較合理，選擇的元器件也不是很多，再加上電路比較簡(jiǎn)單，所以在后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作時(shí)不會(huì)造成很大的困難，更重要的是，它得到的音階較

16、準(zhǔn)，聲音較大，基本符合設(shè)計(jì)的要求，所以選用的是此方案。第四章 參數(shù)計(jì)算、器件選擇4.1 參數(shù)計(jì)算按照原理圖焊接好電路圖之后，接上電源，發(fā)現(xiàn)電路不工作。經(jīng)過(guò)檢查之后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)虛焊，改正后電路工作正常。通過(guò)計(jì)算得到可調(diào)電阻的阻值分別為：34.3K、28.6K、23.3K、20.9K、16.4K、12.5K、8.9K、7.3K。逐個(gè)調(diào)節(jié)可變電阻的阻值，使每個(gè)阻值都對(duì)應(yīng)所需的阻值后，電子琴發(fā)出所需要的聲音，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。計(jì)算周期的公式為：T=0.7（Rw+2R9）*C1，計(jì)算頻率的公式為：f=1/0.7（Rw+2R9）*C1。通過(guò)計(jì)算可知：R1=34.3k （即f1=261.6 Hz）R2=28

17、.6K （即f2=293.6 Hz）R3=23.3K （即f3=329.6 Hz）R4=20.9K （即f4=349.2 Hz）R5=16.4K （即f5=392.0 Hz）R6=12.5K （即f6=440.0 Hz）R7=8.9K （即f7=493.9 Hz）R8=7.3K （即f8=523 Hz）4.2 器件選擇4.2.1 頻率振蕩電路主要以一個(gè)555芯片為主，電路如圖4.2.1所示。圖4.2.1 NE555應(yīng)用電路4.2.2 功率放大電路主要以LM386為主，如圖4.2.2 圖4.2.2 LM386應(yīng)用電路圖中，腳所接容量為20F的電容為去耦濾波電容。腳與 腳所接電容、電阻是用于調(diào)節(jié)電

18、路的閉環(huán)電壓增益，電容取值為10F，電阻R在020k范圍內(nèi)取值；改變電阻值，可使集成功放的電壓放大倍數(shù)在20200之間變化，R值越小，電壓增益越大。當(dāng)需要高增益時(shí)，可取R0，只將一只10F電容接在 腳與 腳之間即可。輸出端 腳所接10電阻和0.1F電容組成阻抗校正網(wǎng)絡(luò)，抵消負(fù)載中的感抗分量，防止電路自激，有時(shí)也可省去不用。該電路如用作收音機(jī)的功放電路，輸入端接收音機(jī)檢波電路的輸出端即可。第五章 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果分析5.1 系統(tǒng)調(diào)試（附：仿真軟件波形圖）1.關(guān)閉開(kāi)關(guān)1（實(shí)際操作即奏出“1”音，波圖形如5.1.1所示） 圖5.1.1 關(guān)閉開(kāi)關(guān)1后的波形圖2.關(guān)閉開(kāi)關(guān)1（實(shí)際操作即奏出“2”音，波

19、圖形如5.1.2所示） 圖5.1.2 關(guān)閉開(kāi)關(guān)2后的波形圖3.關(guān)閉開(kāi)關(guān)3（實(shí)際操作即奏出“3”音，波圖形如5.1.3所示） 圖5.1.3 關(guān)閉開(kāi)關(guān)3后的波形圖4.關(guān)閉開(kāi)關(guān)4（實(shí)際操作即奏出“4”音，波圖形如5.1.4所示） 圖5.1.4 關(guān)閉開(kāi)關(guān)4后的波形圖5.關(guān)閉開(kāi)關(guān)5（實(shí)際操作即奏出“5”音，波圖形如5.1.5所示） 圖5.1.5 關(guān)閉開(kāi)關(guān)5后的波形圖6.關(guān)閉開(kāi)關(guān)6（實(shí)際操作即奏出“6”音，波圖形如5.1.6所示） 圖5.1.6 關(guān)閉開(kāi)關(guān)6后的波形圖7.關(guān)閉開(kāi)關(guān)7（實(shí)際操作即奏出“7”音，波圖形如5.1.7所示） 圖5.1.7 關(guān)閉開(kāi)關(guān)7后的波形圖8.關(guān)閉開(kāi)關(guān)8（實(shí)際操作即奏出“i”音，波

20、圖形如5.1.8所示） 圖5.1.8 關(guān)閉開(kāi)關(guān)8后的波形圖5.2 測(cè)試結(jié)果與分析1. 將元器件焊接好后發(fā)現(xiàn)電路無(wú)法工作，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)電容C1（0.1F）的兩個(gè)管腳連接在一起，造成短路現(xiàn)象。 解決方法：將電容C1拆下，兩個(gè)管腳接在不同的孔中，避免電容造成直接短路。2. 將1中的電容調(diào)節(jié)好后然發(fā)現(xiàn)電路無(wú)法正常工作，聽(tīng)不到揚(yáng)聲器發(fā)出聲，在多次檢查中發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)造成虛焊，使電路不能正常工作。 解決方法：把原件拆下重新焊接。實(shí)驗(yàn)小結(jié)：通過(guò)對(duì)整個(gè)電路的檢查以后，電路沒(méi)有錯(cuò)誤，接通電源，用數(shù)字萬(wàn)用表調(diào)節(jié)可變電阻，使電阻阻值為需要的對(duì)應(yīng)的阻值，依次按下開(kāi)關(guān)，揚(yáng)聲器發(fā)出1、2、3、4、5、6、7、0八個(gè)對(duì)應(yīng)的音

21、頻音階。由此可得到此方案是正確的，達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的效果。這個(gè)簡(jiǎn)易電子琴能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的曲子，可以用來(lái)當(dāng)樂(lè)器使用。經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)，學(xué)到了不少東西，知道了在以后的設(shè)計(jì)中要認(rèn)認(rèn)真真、仔仔細(xì)細(xì)，盡量減少虛焊，減少短路，只有嚴(yán)格要求自己，那樣才能提高自己的操作能力，在現(xiàn)實(shí)生活中處事的態(tài)度也是如此。結(jié)論 在這為期一周多的課程設(shè)計(jì)操作中，從拿到題目到在網(wǎng)上、圖書(shū)館查閱資料，從熟悉芯片原理到實(shí)際接線，從起初對(duì)實(shí)驗(yàn)一知半解到對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的脈絡(luò)漸漸清晰，為期雖然不長(zhǎng)，卻也增長(zhǎng)了很多知識(shí)。 首先是了解并分析555和LM386元件原理及各管腳功能。在剛開(kāi)始設(shè)計(jì)這個(gè)課題時(shí)，有很多的地方感到很生疏，例如，如何確定方案。后來(lái)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，基本了解了一些，明白了電子琴的一些功能以及實(shí)現(xiàn)這