简易电子琴的制作

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 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc357758037 前 言1 HYPERLINK l _Toc357758038 1 课程设计背景和设计目的及意义2 HYPERLINK l _Toc357758039 1.1 课程设计背景2 HYPERLINK l _Toc357758040 1.2 课程设计目的及意义2 HYPERLINK l _Toc357758041 2 课程设计任务与要求2 HY

2、PERLINK l _Toc357758042 3 方案设计与论证3 HYPERLINK l _Toc357758043 4 电子琴的原理3 HYPERLINK l _Toc357758044 4.1音乐产生的原理3 HYPERLINK l _Toc357758045 4.2 方案设计4 HYPERLINK l _Toc357758046 4.2.1 振荡电路4 4.2.2 集成功放电路.5 HYPERLINK l _Toc357758047 4.2.3 整体电路图6 HYPERLINK l _Toc357758048 4.3 设计原理6 HYPERLINK l _Toc357758049 4

3、.3.1 振荡电路原理7 HYPERLINK l _Toc357758050 4.3.2 音频集成功率放大器原理8 HYPERLINK l _Toc357758051 5 Multisim原理图绘制95.1 选取元件95.2 放置元件及排版9 HYPERLINK l _Toc357758054 5.3 Multisim电路仿真10 HYPERLINK l _Toc357758055 6 仿真分析结果. PAGEREF _Toc357758055 h 11 HYPERLINK l _Toc357758056 6.1 频率及放大倍数测量 PAGEREF _Toc357758056 h 11 HYP

4、ERLINK l _Toc357758057 6.2 理论比较 PAGEREF _Toc357758057 h 11 HYPERLINK l _Toc357758058 6.3 误差分析 PAGEREF _Toc357758058 h 12 HYPERLINK l _Toc357758059 7 设计总结 PAGEREF _Toc357758059 h 12 HYPERLINK l _Toc357758060 参考文献 PAGEREF _Toc357758060 h 14附录一：实物图15附录二：元器件清单16PAGE 15 前 言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

5、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

6、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

7、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。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

8、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1234567if 0 /H Z2642973303523964404955283 方案设计与论证方案一：LM32

9、4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

10、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 352 sou 396 la 440 xi 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C1=0.1uF，R4=1k，根据公式，结合表一，即可计算出八个

11、音阶对应的电阻值，分别为R5=9.07K，R6=10.32 K，R7=13.06K，R8=16.13 K，R9=20.4K，R10= 23.23K，R11=28.65 K，R12=36.3K。选定 R4R，且R4R (8)由式3推导可得： F= (9) 则由式(8)及起振条件|AF|1，可得： 即 （10）选择R1=800，R2=900，R3=15004.2.2 集成功放电路图4-2 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

12、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 整体电路图4-3 整体电路4.3 设计原理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

13、，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：Z1 = R1 + 1/(jwC1) R2C2 并联阻抗：Z2 = R2/(1+jwr2R2C2)可得选频特性如下：F = Uf /U0 = Z2 / ( Z1 + Z2 ) 经计算知： 当f0=1(2RC)时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的13，同时输出电压

14、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: A F = 1起振条件:自激振荡的初始信号一般较小，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4-5 LM386基本工作原理图图中，7脚所接

15、容量为20F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脚之间加一10F电容，增益达到50。5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

16、 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，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”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，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

17、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

18、类推，按照实验原理图放置元件并布线。元件位置调整：单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放开即可。导线间距的调整：将鼠标移至要调整导线所连接的元器件，单击该器件，相应导线及元器件将变为选定状态，将鼠标移至该导线处出现左右（上下）调节标志，按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开，即可移动导线。 5.3 Multisim电路仿真在电路原理图中，我们将各元件安放参数调试完毕，利用示波器观察输出参考点波形。我们将第一个采样点选取在振荡电路的输出端，将第二个采样点选取在总电路的输出端。先将所有的开关打开，单击开始按钮，弹出示波器显示窗格，通过按下不同的按键改变R的值，从而改变频率进而发出不同

19、的声音，同时只闭合一个开关。观察示波器输出的波形观察示波器输出的波形，进行仿真结果分析。先组装音阶产生电路。要调出比较准确的音阶，需借助示波器测试各音阶信号的周期，并通过串接电阻使得各音阶达到正确的周期值，从而校准音调。也可使用频率计测量音阶信号的频率来实现音准调节。如果电阻采用表格中的标值电阻，则个别音调将略有偏离。检查完成后，只需注意输入电压不要过高，通过电阻的串并联，按下按钮开关后，有相应的声音发出，但由于设计的局限性，效果不是很好，声音比较沙哑。另外出现第三音阶不发声的情况，通过万用表排除虚焊，发现是第三音阶对应第三个键接触不良，发现是因为焊接时出现虚焊，更换后故障排除。6 仿真分析结

20、果6.1 频率及放大倍数测量由示波器的波形可读出各个音调所对应的周期，分别为：T1=3.95ms, T2=3.45ms, T3=3.10ms, T4=2.90msT5=2.56ms, T6=2.30ms, T7=2.02ms, T8=1.90ms根据公式 f=，可求得相对应的频率大小如下：f1=253Hz, f2=290Hz, f3=323Hz, f4=345Hzf5=391Hz, f6=435Hz, f7=495Hz, f8=526Hz 由示波器的波形可求出集成功放的电压放大倍数Av=20.76.2 理论比较由仿真得出的频率与八个基本音阶的频率比较相近，均控制在了允许的误差范围之内；由仿真得

21、出的电压放大倍数Av为20.7，也与理论值20相差不远。C调1234567if0/Hz（理论）264297330352396440495528f0/Hz（实际）253290323345391435495526由上图比较分析可得此次的设计仿真比较成功，达到了设计要求。6.3 误差分析理论与实际虽然相近，但仍然存在一定的误差，主要由以下原因引起：选择的元件值不够精确，与计算的理论值之间有一定差距；有一定的干扰信号存在，使结果出现误差；在对波形的周期进行读数时，人为的引起误差。7 设计总结 通过了两周的准备与设计，让我们初次接触到了模拟电子电路的课程设计，此次设计中我们通过了相关的设计计算和电路的焊

22、接调试让我们深层次的了解了我们之前所学的基础知识，不仅提高了我自主学习的能力，更重要的是锻炼了我们动手和自主分析解决问题的能力。 首先开始学习Multisim软件，学会自己利用软件绘制电路图，进行仿真。接下来我们通过查阅了很多的资料，发现制作简易电子琴有很多方法，设计出两个方案，但由于我们对其他方案中的单片机等元器件不了解，对其中的电阻电容等一些频率的计算有一定的难度，所以我们选择了在课本中学到过的振荡电路来设计，按照方案二进行实施。我们通过理论计算，选取了元器件，然后按照设计的电路图用Multisim画出电路图进行仿真，仿真成功后我们按照电路图进行实物制作 制作当中遇到许多的问题，先是LM3

23、86和LM324的焊接，由于放大增益过小发出的声响太小，在老师的指导下我们又改装，在LM386的1脚和8脚之间加了一个220uF的电容，使得增益达到50；然后是正负5V电压的装配，在老师的帮助下，在电路中另加了两个10uF的电容串联，使达到正负5V的电压；最后是电子琴接通电源，用万用表调节可变电阻，使电阻阻值为需要的对应的阻值，依次按下开关，扬声器发出八个对应的音频音阶，达到了设计所要求的效果。本次电子琴关键部分在于发音部分。对于模拟发音，利用调节电位器改变接入有效电阻，易于频率的调试。手动控制和自动控制是用模块化设计，通过模拟开关将两个独立的部分连接起来。模块化的设计主要方便于电路的纠错、改

24、进、测试。完成的电子琴实物作品整体布局美观、线路连接分明、系统功能良好。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。实验中因为器件不足没有连接LM386芯片7管脚的旁路电容，该去耦滤波电容可以有效滤除噪音，故而无法令降噪效果达到最佳。 参考文献1 江晓安模拟电子技术西安电子科技大学出版社 2 杨力电子科技技术课程设计中国电力出版社3 曹天汉模拟电子技术北极师范大学出版社 4 杨颂华，冯毛管，孙万荣，胡力山数字电子技术基础西安电子科技大学出版社 5 杨素行模拟电子技

25、术基础简明教程高等教育出版社 6 曾兴雯，刘乃安，陈健高频电路原理与分析西安电子科技大学出版社 7 网上资料 附录1：实物图 附录2：元器件清单元器件名称规格LM324LM386二极管1N4001喇叭示波器直流电源15V直流电源2-5V直流电源312V电容C10.1uF电容C20.1uF电容C34.7uF电容C410uF电容C50.047uF电容C6220uF电阻R1800电阻R2900电阻R31500电阻R41k电阻R59.09k电阻R610.34k电阻R713.08k 电阻R816.15k电阻R920.44k电阻R1023.26k电阻R1128.72k电阻R1236.34k电阻R1310附

26、录资料：不需要的可以自行删除 工艺图形符号大全管道及附件图 形 符 号说明图 形 符 号说明管道：用于一张图内只有一种管道四通连接管道：用汉语拼音字头表示管道类别流向导管：用图例表示管道类别坡向交叉管：指管道交叉不连接，在下方和后面的管道应断开套管伸缩器三通连接波形伸缩器弧形伸缩器管道滑动支架方形伸缩器保温管也适用于防结露管防水套管多孔管软管拆除管可挠曲橡胶接头地沟管管道固定支架防护套管管道立管检查口排水明沟清扫口排水暗沟通气帽弯折管表示管道向后弯90雨水斗弯折管表示管道向前弯90排水漏斗存水弯圆形地漏方型地漏阀门套筒自动冲洗箱挡墩管道的连接图 形 符 号说明图 形 符 号说明法兰连接活接头承

27、插连接转动接头管堵管接头法兰堵盖弯管偏心异径管正三通异径管斜三通乙字管正四通喇叭口斜四通螺纹连接阀门图 形 符 号说 明图 形 符 号说明阀门用于一张图内只有一种阀门电动阀角阀液动阀三通阀气动阀四通阀减压阀闸阀旋塞阀截止阀底阀球阀消声止回阀隔膜阀碟阀温度调节阀弹簧安全阀压力调节阀平衡锤安全阀电磁阀自动排气阀止回阀浮球阀气开隔膜阀气闭隔膜阀延时自闭冲洗阀脚踏开关放水龙头疏水器皮带龙头室外消火栓洒水龙头室内消火栓(单口)化验龙头室内消火栓(双口)肘式开关水泵接合器消防喷头(开式)消防报警阀消防喷头(闭式)卫生器具及水池图 形 符 号说 明图 形 符 号说明水盆水纸用于一张图只有一种水盆或水池立式洗

28、脸盆洗脸盆浴盆化验盆、洗涤盆挂式小便器带蓖洗涤盆蹲式大便器盥洗槽坐式大便器污水池淋浴喷头妇女卫生盆矩形化粪池HC为化粪池代号立式小便器圆形化粪池除油池YC为除油池代号放气井沉淀池CC为沉淀池代号泄水井降温池JC为降温池代号水封井中和池ZC为中和池代号跌水井雨水口水表井本图例与流量计相同设备及仪表图 形 符 号说 明图 形 符 号说明泵用于一张图只有一种泵管道泵离心水泵热交换器真空泵水-水热交换器手摇泵开水器定量泵喷射器磁水泵集气罐过滤器除污器上图:平面下图:立面水锤消除器暖风机浮球液位器温度计搅拌器水流指示器散热器上图:平面下图:立面压力表自动记录压力表自动记录流量计电接点压力表转子流量计流量

29、计减压孔板暖通工程图形符号 HYPERLINK /Quota/dejs/page/7-3-1.htm 线型 | HYPERLINK /Quota/dejs/page/7-3-2.htm 风管及部件 | HYPERLINK /Quota/dejs/page/7-3-3.htm 通风空调设备 | HYPERLINK /Quota/dejs/page/7-3-4.htm 阀门线型图 形 符 号说 明图 形 符 号说明粗实线细虚线中实线细点划线细实线细双点划线粗虚线折断线中虚线波浪线风管及部件图 形 符 号说 明图 形 符 号说明风管送风管上图为可见剖面下图为不可见剖面排风管上图为可见剖面下图为不可见

30、剖面风管测定孔异径管柔性接头中间部分也适用于软风管异形管(天圆地方)弯头带导流片弯头圆形三通消声弯头矩形三通风管检查孔伞形风帽筒形风帽百叶窗锥形风帽插板阀本图例也适用于斜插板送风口蝶阀回风口对开式多叶调节阀圆形散流器上图为剖面下图为平面光圈式启动调节阀方形散流器上图为剖面下图为平面风管止回阀防火阀电动对开多叶调节阀三通调节阀通风空调设备图 形 符 号说 明图 形 符 号说明通风空调设备左图适用于带传动部分的设备,右图适用于不带传动部分的设备加湿器空气过滤器电加热器消声器减振器空气加热器离心式通风机空气冷却器轴流式通风机风机盘管喷嘴及喷雾排管风机流向:自三角形的底边至顶点挡水板压缩机喷雾式滤水器

31、阀门图 形 符 号说 明图 形 符 号说明安全阀膨胀阀散热放风门手动排气阀散热器三通阀(二)管道工程图形符号 HYPERLINK /quota/dejs/page/7-2-1.htm 管道及附件| HYPERLINK /quota/dejs/page/7-2-2.htm 管道的连接 | HYPERLINK /quota/dejs/page/7-2-3.htm 阀门 | HYPERLINK /quota/dejs/page/7-2-4.htm 卫生器具及水池 | HYPERLINK /quota/dejs/page/7-2-5.htm 设备及仪表管道及附件图 形 符 号说 明图 形 符 号说明管道：用于一张图内只有一种管道四通连接管道：用汉语拼音字头表示管道类别流向导管：用图例表示管道类别坡向交叉管：指管道交叉不连接，在下方和后面的管道应断开套管伸缩器三通连接波形伸缩器弧形伸缩器管道滑动支架方形伸缩器保温管也适用于防结露管防水套管多孔管软管拆除管可挠曲橡胶接头地沟管管道固定支架防护套管管道立管检查口排水明沟清扫口排水暗沟通气帽弯折管表示管道向