简易电子琴课程设计报告超详细.docx
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广州大学机械与电气工程学院
电子信息工程系
课
程
设
计
报
告
课程名称：
电子技术课程设计
设计题目：
简易电子琴
专业班级：
电子信息工程2班
设计者：
苏伟强
学号：
15074000511407400106
指导教师：
秦剑彭绍湖
设计所在学期：
2016~2017学年第2学期
设计所在时间：
2014年7月6日-12日
地点:
电子信息实验楼314315
目录
一课程设计题目 3
1题目分析理解
二设计任务及要求 3
1要求
2任务安排
3进度安排
三电路设计 4
1方案论证
2单元电路设计与数据分析
2.1文氏桥正弦波震荡电路
2.2LM386组成的功率放大电路
3确认理论参数
四电路仿真...................................................................................................................................13
1multisim仿真图
2仿真结果
3误差分析及总结
五元器件的选择..................................................................................................................19
1元件分析
1元件清单
六PCB设计...........................................................................................................................20
1原理图设计
2选择封装
3生成PCB
七制作与调试......................................................................................................................22
1电路板的热转印，焊接元器件
2故障排除并且接通电源
3调试过程
4数据记录和分析
八试验中遇到的问题 25
1仿真过程遇到的问题
2制作PCB遇到的问题
3电路调试的时候遇到的问题
九心得体会 26
十参考文献....................................................................................................................................27
附录：
1实物图
附录：
2元件清单
一课程设计题目
1题目分析理解
在众多的题目里面我们选择“简易电子琴”作为我们课程设计的课题。
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。
但是这显然不是这次课程设计的方向和内容，根据课程设计的要求“融会贯通其所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法”说明本次实验需要运用模拟电路还有数字电路的知识进行电路设计，所以，方案的设计就必须绕开单片机等大型的MCU，尽量选用市场上可以提供的中、大规模集成电路芯片和各种分立元件等电子器件，并通过应用性设计来实现各功能单元的要求以及各功能单元之间的协调关系。
二设计任务及要求
1要求
我们选择的题目是简易电子琴，顾名思义，要求就是可以通过操作按键产生dou,re,mi,fa,so,la,si,do（高音），声音要求音色相同，界限分明。
2任务安排
本次进行该课程设计，我们组有两个同学，分别是苏伟强，周宇恒，苏伟强担任组长，负责电路的设计，仿真，原理图及PCB绘制，调试过程的技术支持，数据分析等，周宇恒负责元器件的采购，电路板的腐蚀及焊接，故障排除，电路调试，数据测量等。
3进度安排
2017.6.28~2017.7.3
相关知识的回温，电路的初步构想，并进行仿真
2017.7.4~2017.7.5
画出PCB，购买元器件，并制出PCB板
2017.7.5~2017.7.6
实物调试
2017.7.6~2017.7.8
数据测量，数据分析，书写报告
三电路设计
1方案论证
方案一：
LM324与电阻电容构成文氏桥正弦波振荡器，正弦波的频率可通过电阻修改，输出的正弦波再通过LM386组成的功放，提高带载能力，驱动喇叭发声。
方案二：
利用单片机的定时计数器产生CTC模式产生频率可调的方波，驱动蜂鸣器发声
方案三：
利用NE555与电阻，电容等组成可控多谐振荡器，NE555产生方波信号，再经LM386进行功率放大，驱动喇叭发声。
选择方案：
方案二使用单片机实现，虽然是最简单的方法，但是不符合本课程设计的要求，相关单片机课程设计是接下来的课程，方案三，设计难度也不大，但是由于需要用到3个芯片，成本身高，555集成性较高，对了解实验原理不是有很大的帮助，不是非常符合本实验的要求，不予考虑，方案二仅仅使用一片集成运放，和LM386组成功放即可实现全部功能，设计底层的相关计算比较难，但是对了解电路运行原理基本理论，提高自身能力非常有帮助，所以，该课程设计，我们选择了方案二作为最终方案。
2单元电路设计与数据分析
整体实现电路包括，文氏桥正弦波震荡电路还有LM386组成的功率放大电路，整体的框图如图1所示：
图1
现在对每部分进行分析：
2.1文氏桥正弦波震荡电路
所谓的正弦波震荡电路其实就是对电路电扰动（如合闸通电，还有幅度很小频率丰富的输出量）进行选频，并且对所选的频率输出量进行放大，其他频率的输出量进行衰减的电路。
在文氏桥震荡正弦波震荡电路中，选频网络为文氏桥电路，放大电路是同相比例放大电路（负反馈），为了保证对特定频率的输出量的放大能不断进行，引入了正反馈环节，文氏桥电路也接正反馈回路，但是这样的放大不能无限放大，所以，必须同相比例放大电路的放大倍数要随着时间非线性减小，使得电路能尽快达到正弦平衡，引入所谓的非线性环节，通过二极管在导通电阻无穷小，不导通电阻无穷大的特性，使放大电路的比例系数，在满足起震条件（后面会分析起震条件）后，随着时间的推移迅速下降，能尽快达到动态平衡，输出一定频率的正弦波如图2。
图2
所以：
于是：
为了合闸通电之后能经过尽可能短的时间放大，然后尽快达到平衡，有起震条件：
综上所述，正弦波震荡电路必须由一下四部分组成
（1）放大电路
（2）选频网络（3）正反馈电路（4）非线性环节。
下面对文氏桥正弦波震荡电路各部分进行分析：
图3文氏桥电路
如图3所示的文氏桥电路充当的是正反馈电路和选频网络电路，下面讨论起选频特性
电路的传递函数
（1）
替换得：
（2）
进一步化简得到：
（3）
替换,化简得到：
（4）
恢复，化简得到：
（5）
例如R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF
令
使用matlab绘制
（1）函数得到:
图4
图4
f=0:
1:
10000;R1=2000;R2=1000;C=0.1*10^-6;f0=1/2*pi*C*sqrt（R1*R2））;F=1./（2+R1/R2+j*（2*pi.*f*C*R1-1./（2*pi.*f*C*R2）））;figure;subplot（2,1,1）;plot（f,angle（F））;title（'相位频谱'）;ylabel（'ψ（G（jw））'）;xlabel（'f'）;subplot（2,1,2）;plot（f,abs（F））;title（'幅度频谱'）;ylabel（'|G（jw）|'）;xlabel（'f'）;
，
由幅度谱可以知道当
相当于带通滤波器，又因为在整个文氏桥正弦波发生电路，反馈系数，要筛选出需要的信号f0,也就是说f0的信号要放大，其他信号缩小，但是事实往往无法特别精确，因为文氏桥电路使得频率为f0的信号强度下降为即,所以放大倍数至少要大于4,才能使得在选频->放大过程中信号不至于衰减，这也是必须起振的原因，当然，其他频率的信号必须衰减，由传递函数的幅度频谱可以看出，要保证筛选出来的信号频率f0只在很小的范围内存在误差，那就必须使得，而不能无限制的升高,然而，如何控制呢，由该例（R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF）,根据前面所述，根据正弦波动态平衡条件,起震时必须>4,通过调整同相比例放大电路可以实现A的微调，这样一来，频率为f0的信号虽然被文氏桥衰减了，但是通过放大，得到了补充，依旧可以维持，并且持续放大，直到动态平衡，频率不是f0的信号，文氏桥对他们衰减的幅度比f0信号更大,虽然也得到相同程度的放大，但是不足以使其信号始终保留，只会慢慢衰减，每经过一次文氏桥衰减的情况见传递函数幅度谱.可以看到频率低于f0的信号衰减得比较快。
注：
以上的讨论仅仅是对于R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF这种情况下，文氏桥电路的传递函数，不同的电阻和电容的组合有不同的传递函数，系统的频谱图也不同，但是相同的是都是带通滤波模型，且。
本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF，通过修改的阻值，根据得到对应频率信号的输出，通过matlab计算输出，得到发出所有乐声频率的的理论阻值为如下：
乐声
dou
re
mi
fa
so
la
si
频率（Hz）
261
293
329
349
392
440
493
523
R2（kΩ）
18.592
14.752
11.700
10.398
8.242
6.541
5.210
4.630
f=[261293329349392440493523];R1=2000;C=0.1*10^（-6）;RX=zeros（1,8）;forx=1:
8RX（x）=1/（（f（x）^2）*4*（pi^2）*（C^2）*R1）;endRX=RX./1000;
2.2下面对同相比例放大电路做具体分析：
如同所示的同相比例放大电路包含正弦波震荡电路的放大电路环节还有非线性环节，如图5所示电路：
图5
如图5所示在电路刚起振的时候，电压比较低,还无法使得两个二极管导通，根据二极管未导通时动态电阻无穷大的特点，两个二极管相当于断开，接入电路，根据同相比例放大电路特点，电压放大倍数：
。
过一段时间后，二极管被导通，被短路，反馈回路只有接入电路，电压放大倍数，可以看到，电压放大倍数从刚起振到经过一段时间，由于二极管动态电阻的非线性特性，呈现非线性减小，由起振条件，当。
同相比例放大电路的主要目的是放大特定频率的信号，如何实现这个过程，以下对此展开讨论，我们需要确定电压放大倍数，以确定电阻，，的取值，我们知道，由于起震条件，的值，如图3，就本课程设计而言，需要改变的取值，所以，势必文氏桥的传递函数就会改变，值就会改变，要保证起振条件满足，势必得每个，电路才可以精确的工作，但是现实中往往相对调高一点的取值（但是又往往不能太大，下面会进行讨论），以满足所有，使得电路都能起振，现在就本课程设计的相关数据进行讨论，确定相应的电压放大倍数，本实验通过修改的值，分别对应着一个文氏桥的传递函数，如下图所示，用matlab分别画出传递函数幅度谱，观察在处的幅度变化值，即。
设R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF，图中标注了点
图6
f=0:
0.1:
3000;R1=2000;R2=14752;C=0.1*10^-6;f0=1/（2*pi*C*sqrt（R1*R2））;F=1./（2+R1/R2+j*（2*pi.*f*C*R1-1./（2*pi.*f*C*R2）））;figure;subplot（2,1,1）;plot（f,angle（F）,'LineWidth',2）;title（'相位频谱'）;ylabel（'ψ（G（jw））'）;xlabel（'f'）;subplot（2,1,2）;plot（f,abs（F）,'LineWidth',2）;title（'幅度频谱'）;ylabel（'|G（jw）|'）;xlabel（'f'）;
由图的可以得到下面表格的数据：
注:
为满足起振条件的最小值
（KΩ）
18.592
14.752
11.700
10.398
8.242
6.541
5.210
4.630
（Hz）
261
293
329
349
392
440
493
523
0.4745
0.4683
0.4606
0.4561
0.4459
0.4337
0.4195
0.4112
2.1074
2.1353
2.1710
2.1925
2.2426
2.3057
2.3837
2.4319
可以看到，随着电阻的减小，选择的频率就越来越高，这符合
但是，这样的升高不是没有代价的，代价就是频率为f0的信号被该系统（文氏桥电路），削弱的越多，可以看到，随着频率的升高，F的值越来越小，可见文氏桥选频网络不适合做高频筛选，因为频率越高衰减就越多，衰减越多，放大倍数不能够大，所以信号的完整度得不到保证，对此可以使用LC正弦波振荡电路，这里不展开。
从图上看，需要匹配的最小电压放大倍数在增大，所以为了所有频率的正弦波都能被选出，得到完整的波形而不至于被文氏桥衰减，必须选择这8个音符中频率最高的（523Hz），需要放大的倍数最大的（2.4319），才能保证其余7个低频率的音符能够被筛选放大，而不至于只被筛选，而得不到放大，由同相比例放大系数
得到，滑动变阻器的阻值应该是
2.2LM386组成的功率放大器
文氏桥正弦波震荡电路虽然可以产生频率可调的正弦波，但是正弦波的带载能力太差了，必须再接一个功率放大器，降低电路的输入电阻，提高带载能力，驱动喇叭发声。
7
如图7，LM386组成的功率放大器，通过查阅数据首次，采用最小电压增益20的接法
图7
设电源电压为，负载电阻，最大功率输出表达式：
我们使用使用的喇叭的为”8Ω，0.5W”，电源为6V直流电源，带入数据，得到:
喇叭可以正常工作。
1,8引脚断开，集成功放的电压放大倍数为20倍，3口接滑动变阻器可以调节音量，5上的0.05uF电容和10Ω电阻组成校正网络用来进行相位补偿，6脚接的电源Vcc.
四电路仿真
1电路multism仿真图
由第三部分的讨论，得到电路的multisim仿真图为:
图8文氏桥正弦波震荡电路multisim仿真
图9LM386组成的功率放大器multisim仿真
2仿真结果
2.1文氏桥输出的正弦波,依次按下键1,2,3,4,5,6,7,8，接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形，注:
由于调节限制，滑动变阻器调至2kΩ
2.2功率放大器输出的方波
从左到右依次按下键1,2,3,4,5,6,7,8，接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形
3误差分析及总结
根据理论的文氏桥R2电阻的修改得到的信号的频率存在误差，见下表：
音调
1
2
3
3
5
6
7
理论值（Hz）
261
293
329
349
392
440
493
523
仿真值（Hz）
234
270
312
335
384
436
489
520
误差（Hz）
-27
-23
-17
-14
-8
-4
-4
-3
由表可知，误差随着频率的升高越来越小，我们提出以下方案解决频率误差问题：
方案一：
通过修改输出音调方案的频率，整体提高一个调，让整体的频率都上升，根据上面得出的规律，误差在高频部分误差小
方案二：
降低定值电阻R2的阻值，串联一个滑动电阻，调节电阻，观察波形，直到频率和理论值对应
方案一虽然可取，但是始终存在误差，而且出现问题无法及时调整，只能更换电阻，市场上也很难买到诸如18.541k这样的电阻，方案二可以近乎完美的解决这个问题，通过串联8个滑动变阻器到对应的定值电阻，加大了可调节性，可以通过调节电阻，使输出频率逼近理论值。
另外从文氏桥正弦波震荡电路产生的正弦波，在1,2,3,4处信号的顶部被“削平”了，这是因为每个R2电阻对应一个文氏桥值，所以由起振条件必定对应着一个，为了使得所有8个频率的，信号都得到放大，所以必须选择最高频率那个音符对应的放大网络放大倍数，前面讨论了，这个值是2.4319，根据，滑动变阻器的阻值应该是，所以就导致，前面7个音符的选频范围增大（参考传递函数图像），例如筛选频率为261的do音，需要放大倍数仅仅是2.1071，现在放大了2.4319，使得他混杂了其他频率的信号，同时，由于电压的限制，放大的电压超过了电源电压，被削平。
在调节各R2对应的滑动变阻器的时候应该遵循以下规则，首先调节第8个音符的波形，使得其为幅度恰当的正弦波，确保起振后可以被放大，而不至于被衰减，如果衰减了，调小放大电路负反馈环节的滑动变阻器RW1，增大放大倍数，加大信号的幅度，但是太大的幅度会使得第一个音符波形被削平，所以这时候就要确保最后的音符波形可以起振并且保持，而第一个音符的波形不至于被削平得很厉害，确保首尾两个音符波形频率正确了，才调节另外6个滑动变阻器，使输出的波形还有频率都满足要求。
在调整功率放大电路的时候，应该确保输出的是规整的方波，先从第一个音符调起，调节功率放大器的滑动变阻器RW2,使得出现占空比接近50%，然后接下来的7个音符都能满足要求了。
切勿从低8个开始调起，这样不能保证前面7个音符都能输出正确的方波。
五元器件的选择
1元件的分析
本设计所用的都是直插式元件，而不是贴片的，所以购买的时候需要注意，按键选择2脚的，不选择4脚的，喇叭选择0.5W，8Ω的无源的，不选择蜂鸣器类，有源类的发声器，由于芯片有损坏的风险，为了方便取出，加上排插，DIP8，DIP14
2元件清单
元件名
规格
数量
LM324N及DIP14
直插DIP14
1
LM386N及DIP8
直插DIP8
1
电阻
1kΩ~10kΩ若干
若干
电阻
2kΩ
2
电阻
10Ω
1
滑动变阻器
10kΩ
9
滑动变阻器
5kΩ
1
普通电容
0.1uF
2
普通电容
10uF
1
普通电容
0.05uF
1
电解电容
250uF
1
二极管
1N4001
2
喇叭
8Ω，0.5W
1
六PCB设计
1原理图设计
2选择封装
其中由于没有LM386N，LM324的封装，于是自己画了封装，滑动变阻器的封装有误，重新画了，如下：
3PCB图
七制作与调试
1电路板的热转印，焊接元器件
将PCB打印到油性纸上，把铜板包好，先预热转印机，然后送进转印机转印，转印结束后先冷却，然后拆开，看是否有地方掉线了，如果有，用油性笔补画，然后送入腐蚀液中腐蚀，直到看到铜被腐蚀完全，拿出腐蚀机，清洗，洗到出现铜线。
焊接，同样先预热焊笔，把零件对应着PCB图插上去，然后焊接，注意电解电容的极性，芯片的方向。
2故障排除并且接通电源
调万用表到蜂鸣档，测试是否通路，是否有虚焊，不够锡的补锡。
再次看一下元件是否摆放正确，确认无误接通电源。
3调试过程
按下最后一个音符的按键，查看第一部分正弦波发生电路输出的波形，调节滑动变阻器RW1和对应并联支路的滑动变阻器RWH，直到看到正弦波，看到正弦波之后，开始进行频率微调，调节RWH，支路阻值变小，正弦信号频率升高，继续调节RWH使频率升高，会导致波形幅度减小，最后导致衰减消失，这时候需要不断调节RW1增大电压放大倍数来维持波形的幅度，最后，可以输出频率正确523Hz的正弦波，然后依次调节音符7,6,5,4,3,2,1，使其达到对应的频率。
把示波器探头挂到最后功放的输出端，按下第一个音符1查看波形，调节滑动变阻器RW2，直到出现规整的方波。
上面两步调节好后，将喇叭接入，听一下声音，查看效果。
4数据记录和分析
文氏桥正弦波振荡器产生的8个频率的正弦波如图
功放输出的8个方波如图
音调
1
2
3
3
5
6
7
理论值（Hz）
261
293
329
349
392
440
493
523
实际值（Hz）
265
297
328
348
392
441
495
522
误差（Hz）
+4
+4
-1
-1
0
+1
+2
-1
可以看到是输出的声音的频率还是很准确的。
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