模拟电子琴的设计

郑州科技学院数字电子技术课程设计任务书专业12通信工程班级1班学号201251022姓名连盼盼一、设计题目模拟电子琴的设计二、设计任务与要求基本功能：使用逻辑门电路、集成芯片及555定时器等器件完成模拟电子琴的设计；电子琴可模拟八个音符发声；电子琴可实现高、中、低三个音阶的调节。三、参考文献[1]江晓安，董秀峰.数字电子技术（第三版）.西安：西安电子科技大学出版社，2008[2]杨志忠.电子技术课程设计.北京：机械工业出版社，2008[3]王静波.电子技术实验与课程设计指导.北京：电子工业出版社，2011[4]陈光明.电子技术课程设计与综合实训.北京：北京航空航天大学出版社，2007四、设计时间2014年11月24日至2014年12月05日指导教师签名：年月日目录TOC\o"1-2"\h\z\u1课程设计的目的 12课程设计的任务与要求 13设计方案与论证 13.1设计方案 14设计原理及功能说明 34.1总体框图 34.2设计原理 35单元电路的设计 45.1开关控制单元 45.2电容换音阶单元 55.3555定时器电路单元 65.4参数计算 116硬件的制作与调试 127总结 13参考文献 15附录1：总体电路原理图 16附录2：元器件清单 17附录3：实物图 181课程设计的目的经查阅电子琴的相关资料，发现了他人的设计大都只关注如何实现电子琴的基本功能，却缺少对电子琴功能的扩展。经过一番讨论和实证后，我们决定在用数字电路实现电子琴基本功能的同时，再加上通过单刀三掷开关控制不同电容，从而调节低、中、高音阶。2课程设计的任务与要求该电路包括按钮开关，定值电阻，电容换音阶，555振荡器和扬声器四部分组成。1．输入端：由八个按钮开关与各自的定值电阻串联再并联组成输入端。2．频率产生端：根据定值电阻的不同输入，由555产生不同的信号频率。3．电容控制端：通过单刀三掷开关控制不同电容，从而调节低、中、高音阶。4．扬声器端口:接受信号频率发出特定的频率。3设计方案与论证3.1设计方案电子乐器的结构较为复杂，音源是由晶体管产生的电振动，并通过音色回路而产生各种音色；同时由周波数调制产生颤音效果，由振幅调制产生各种乐器的音效。电子琴的外形很像普通键盘乐器，只是某些种类多一排脚踏键盘，而且手触键盘也往往分为两层。键盘式电子琴声音丰富、优美，有变音装置，能发出多种不同的音色，可以作为独特的乐器进行演奏，还能代替传统的风琴、钢琴供音乐课教学。通过所学知识和查阅资料可以有两种电子琴的设计方案。【设计方案一】数字电路电子琴：采用一个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。主振荡器由555定时器，电阻，按键及电容组成。【设计方案二】单片机电子琴：程序可分如下：初始化模块、判断按键模块、键值处理模块、音乐处理模块、中断模块、0处理模块、表单模块。初始化模块：对8279键盘的部分进行初始化和中断初始化。键值处理模块：用8279的状态字来判断它是否按键（FIFORAM不能清除已处理的数据，但8279的状态字会发生相应改变）。输入的键值与1-8的物理值01H-08H进行比较，如果与其中某个数相等，则跳到1-8的键值处理模块；如果是9或者A，则跳到音乐处理模块。如果输入是0，则跳到0处理模块。结尾跳到初始化模块。音乐处理模块：专门处理音乐中的1-8的发音。它们发音不同是因为波的频率不同，所以要发出不同的音，只要实现发出的波的频率不同即可。于是，可通过定时的方法来中断产生不同的方波。可把1-8的定时初值放在一个表单内。中断模块：T0中断是为键值处理模块服务；T1中断是为音乐处理模块服务。0处理模块：在音乐处理过程中，按下0则音乐暂停，此时可如其他按键（包括音乐按键）。当再按下0键时，则最近继续的音乐中断。表单模块：TAB音符表单存放1-8的ASCII码值；FREQUENCY音符初值表单存放1-8音符的中断初值；DAT、DAT1分别存放两首歌曲相应的中断初值和节拍等信息。综上所述，第一种方案简易，易于实现，所用知识为数字电子技术。由于我尚未学习单片机的知识，所以本次课程设计我采用第一种方案。4设计原理及功能说明4.1总体框图扬声器55扬声器555定时器电容改变频率计算出固定阻输入按钮开关图4-14.2设计原理555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。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，按照一定的速度依次将不同的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏地发出已设定的音频信号或音乐。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。本次利用NE555定时器实现简易电子琴，这种应用只是其功能中的一部分。这种由555定时器做出来的电子琴，体积小，用料省，经济实用。图4-2电子琴设计电路图工作原理：当电容为44nF时，通过按下不同的琴键，将不同的阻值接入电路中，通过555定时器产生不同的振荡频率，因为参数已经经过准确计算，此时在输出端接入扬声器（在multisim仿真中以示波器观察输出波形及频率代替扬声器），扬声器会发出低音阶的7个音符；当电容为22nF时，扬声器会发出中音阶的七个音符的声音；当电容为11nF时，扬声器会发出高音阶的7个音符的声音。5单元电路的设计5.1开关控制单元开关控制单元即是实际电路中的琴键按钮，用来弹奏相应的音符。单元电路如下图所示：图5-1开关控制单元电路图工作原理：通过按钮，将由555集成定时器组成的多谐振荡器的7、8端接入相应阻值的电阻（此阻值通过音符相应频率计算而来），从而通过555定时器产生不同的振荡频率。5.2电容换音阶单元在基本的多谐振荡器中，只有一个放电电容。在本单元电路中，通过一个单刀三掷开关连接3个不同大小的电容，当开关在不同位置时，因为电容值的不同，从而引起振荡频率的不同，可以实现改变音阶的功能。单元电路图如下：图5-2电容换音阶单元电路图工作原理：通过计算可得，当电容值为44nF时，按下不同琴键时，应当发出低音中的七个音符；当电容值为22nF时，发出中音阶的七个音符；当电容值为11nF时，发出高音阶的七个音符。5.3555定时器电路单元本单元电路实现的功能是产生矩形脉冲信号，电路图如下：图5-3555定时器电路单元工作原理：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。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4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。图5-4555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形图5-5多谐振荡器的充放电时间集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555。它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如下：图5-6555定时器的逻辑符号和管脚排列图5-7定时器的内部电路框图Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。VCO：控制电压端。VO：输出端。Disc：放电端。Rd:复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。Rd是复位端，低电平有效。复位后,基本RS触发器高端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。【555定时器逻辑功能表】：RSTTHTROUT0XX01>2/3VCC>1/3VCC01<2/3VCC>1/3VCC不变1<2/3VCC<1/3VCC11>2/3VCC<1/3VCC1在555定时器的VCC端1/3和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压1/3VCC，比较器C2反相输入端接参考电压2/3VCC，为了学习方便，我们规定：当TH端的电压>1/3VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压<2/3VCC时，写为VTH=0。当TR端的电压>2/3VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压<1/3VCC时，写为VTR=0。①低触发：当输入电压Vi2<VCC2/3且Vi1<1/3VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端TH=0、TR=1，，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；②保持：若Vi2>1/3VCC且Vi1<2/3VCC，则VTR=1，VTH=0，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。③高触发：若Vi1>2/3VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器,经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。这时称555定时器“高触发”。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。5.4参数计算1．根据555多谐震荡的原理选择电阻：由上所述可知，555芯片输出端输出的频率计算公式为f=1.43/((R1+2R2)C。再由附录表所列的中音阶分别对应的频率可以令R2为一固定阻值，通过开关调节的几个串联的电阻当做R1。2.电容选择：确定了R2值之后，我先来确定中音阶所需要的对应的R1值，此时充放电电容我选择22nF;再通过对应的高音阶、低音阶频率，可以通过上式计算出高低音阶的电容值，分别为11nF,44nF。输出端3接4.7μF电容,5端接10nF电容抗干扰。6硬件的制作与调试图6-1555定时器输出端高音频率的波形及周期图6-2555定时器输出端中音频率的波形及周期图6-3555定时器输出端低音频率的波形及周期仿真结果分析：在不同的阻值、电容组合下，输出波形的周期均不一样，在仿真过程中，我通过示波器读出波形的周期并且计算出相应的输出频率，然后和理论输出频率（音符的对应频率）相比较，存在几Hz的偏差，在正常误差范围内。7总结通过对简易电子琴的设计，我认识到了“理