简易电子琴电路的设计仿真与实现.docx

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简易电子琴电路的设计仿真与实现

1Pspice的简介

1.1PSPICE的起源与发展

用于模拟电路仿真的SPICE软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。

1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，并由MICROSIM公司推出。

1988年SPICE被定为美国国家工业标准。

与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。

PSPICE是较早出现的EDA软件之一，在电路仿真方它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用。

1.2PSPICE的组成

1.2.1电路原理图编辑程序Schematics

PSPICE的输入有两种形式，一种是网单文件形式，一种是电路原理图形式，相对而言后者比前者较简单直观，它既可以生成新的电路原理图文件，又可以打开已有的原理图文件。

电路元器件符号库中备有各种原器件符号，除了电阻，电容，电感，晶体管，电源等基本器件及符号外，还有运算放大器，比较器等宏观模型级符号，组成电路图，原理图文件后缀为.sch。

图形文字编辑器自动将原理图转化为电路网单文件以提供给模拟计算程序运行仿真。

1.2.2激励源编辑程序StimulusEditor

PSPICE中有很丰富的信号源，如正弦源，脉冲源，指数源，分段线性源，单频调频源等等。

该程序可用来快速完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观而方便的显示这些信号源的波形。

1.2.3电路仿真程序PSPICEA/D

模拟计算程序是PSPICEA/D也叫做电路仿真程序，它是软件核心部分。

在PSPICE4.1版本以上，该仿真程序具有数字电路和模拟电路的混合仿真能力。

它接收电路输入程序确定的电路拓扑结构和原器件参数信息，经过原器件模型处理形成电路方程，然后求解电路方程的数值解并给出计算结果，最后产生扩展名为.dat的数据文件和扩展名为.out的电路输出文本文件。

模拟计算程序只能打开扩展名为.cir的电路输入文件，而不能打开扩展名为.sch的电路输入文件。

因此在Schemayics环境下，运行模拟计算程序时，系统首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，而后再启动PSPICEA/D进行模拟分析。

1.2.4输出结果绘图程序Probe

Probe程序是PSPICE的输出图形后处理软件包。

该程序的输入文件为用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的后缀为.dat的数据文件。

它可以起到万用表，示波器和扫描仪的作用，在屏幕上绘出仿真结果的波形和曲线。

随着计算机图形功能的不断增强，PC机上windows95,98,2000/XP的出现，Probe的绘图能力也越来越强。

1.2.5模型参数提取程序ModelEditor

电路仿真分析的精度和可靠性主要取决于元器件模型参数的精度。

尽管PSPICE的模型参数库中包含了上万种元器件模型，但有时用户还是根据自己的需要而采用自己确定的元器件的模型及参数。

这时可以调用模型参数提取程序ModelED从器件特性中提取该器件的模型参数。

3.6元件模型参数库LIB

1.3PSPICE的模拟功能

1.3.1直流分析

直流工作点是电路正常工作的基础。

通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。

一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。

直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。

直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。

1.3.2暂态分析

非线性暂态分析简称为暂态分析。

暂态分析计。

算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。

这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。

时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。

通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。

1.3.3交流分析

线性小信号交流分析简称为交流分析。

它是SPICE程序的主要分析功能。

它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。

这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。

频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。

这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。

1.3.4灵敏度分析

灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。

直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。

它是在工作点附近将所有的元件线性化后，

计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。

通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。

对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。

1.3.5统计分析

统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。

蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。

另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量（最坏情况分析），从而达到优化电路的目的。

2设计原理及电路选取

　　对于固定的简单功能的实现，模拟电路具有结构简单，实现方便，成本低廉的优点。

在这方面，模拟电路得到广泛的应用。

模拟电路中的RC正弦波振荡电路具有一定的选频特性，乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。

本文介绍基于RC正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。

　　2.1基本乐理知识

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，所对应的频率如表1所示。

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。

表1八个基本音阶在C调时所对应的频率

C调

1

2

3

4

5

6

7

i

/Hz

264

297

33

95

528

　2.2设计原理

RC桥式振荡电路如图2-1所示。

图2-1RC桥式振荡电路

2.2.1RC串并联选频网络

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：

谐振：

（1）

谐振：

（2）

可得选频特性：

（3）

取R1=R2=R，C1=C2=C，令

得RC串并联电路的幅频特性为：

（4）

相频特性为：

（5）

最大，

。

即当f0=1／（2πRC）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。

2.2.2振荡条件

图2所示为含外加信号的正弦波振荡电路，其中A，F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。

图2中若去掉Xi，由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出，如图3所示Xf=Xi，可得自激振荡电路。

自激振荡必须满足以下条件：

振幅条件：

（6）

相位条件：

（7）

2.2.3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|A·F|>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。

3设计方案

　3.1设计电路图

　　设计电路图如图3-1所示。

图3-1电子琴的原理电路图

图3-1即是八音阶微型电子琴的原理电路图，8个开关对应着电子琴8个音阶琴键，使用时只能同时闭合一个开关。

在实际电路中，为达到起振条件AF>1，常用两个二极管与电阻并联，可实现类似于热敏电阻的功效或者将负反馈电阻换成电位器以方便调节。

另外需要说明的是，理论上电路的初始信号是由环境噪声及电路本身的电压提供的。

实际操作时，为使现象更明显，也可通过对电路中的电容充电来实现。

另外，电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是±12V，所以还需要用7809稳压管、整流桥等元器件制作带负电源的电源电路，同电子琴电路一块整合到电路板上，制作成可直接使用的完整成品。

3.2参数推导

选定:

（8）

由式（3）推导可得：

（9）

则由式（8）及起振条件|A·F|>1，可得：

即:

（10）

所以RF1，RF2和Rf的选取应满足式（9），但实际取值时，应让RF1略小于Rf。

RF2的取值也应适当，以满足式（6），实现自激振荡。

　　选频网络的频率推导公式为：

（11）

根据式（8）、式（10）、式（11），再结合表1的频率数据，即可确定电路中的元器件参数。

需要注意的是，在确定R2内部电阻值时，应该从R21开始，逐个进行。

3.3仿真参数和仿真电路图

根据上述方法，可得出如下所示的参考参数。

R21=1495Ω.R22=1070ΩR23=575ΩR24=819Ω

R25=600ΩR26=540ΩR27=246ΩR28=1781Ω

RF1=2KΩRF2=1KΩR1=5.1KΩR3=33Ω

Rp1=5KΩRp1=10KΩRp1=5KΩ

C1=C2=0.1uC3=10uFC4=100nFC5=47nFC6=470uF

如图3-2为仿真时的电子琴的电路图，上面部分为电子琴的选频网络，左下角是电路的负反馈放大部分，右下角为音频放大输出部分。

为使仿真时电路波形不失真可以调节Rp1的大小，为使喇叭不因为电压太大而烧掉可以调节Rp3，使喇叭上的电压不至于过大。

图3-2仿真电子琴电路图

4.仿真曲线

按此参数进行仿真,得到LM324运算放大器的输出波形，如以下各图所示。

频率为264Hz波形如图4-1所示

图4-1频率为264Hz波形

频率为297Hz波形如图4-2所示

图4-2频率为297Hz波形

频率为330Hz波形如图4-3所示

图4-3频率为330Hz波形

频率为352Hz波形如图4-4所示

图4-4频率为352Hz波形

频率为396Hz波形如图4-5所示

图4-5频率为396Hz波形

频率为440Hz波形如图4-6所示

图4-6频率为440Hz波形

频率为495Hz波形如图4-7所示

图4-7频率为495Hz波形

频率为528Hz波形如图4-8所示

图4-8频率为528Hz波形

5.仿真结果分析

由图形，根据波形的完整个数和坐标轴的时间可以计算出各个波形对应的周期，进而可以计算出对应的频率，这样可以验证仿真的频率是否正确。

频率为264Hz波形周期T1=50/13，频率f1=260

频率为297Hz波形周期T2=50/15，频率f2=300

频率为330Hz波形周期T3=50/16.5，频率f3=330

频率为352Hz波形周期T4=50/17.5，频率f4=350

频率为396Hz波形周期T5=50/20，频率f5=400

频率为440Hz波形周期T6=50/22，频率f6=440

频率为495Hz波形周期T7=50/24.5，频率f7=490

频率为528Hz波形周期T8=50/26.5，频率f8=530

由于数波形时会有误差，所计算的周期和频率有误差，理论上应该是和所要求的频率是一致的。

由于负反馈放大网络Rp1的阻值问题会使Av放大倍数不同，造成波形会失真。

如果放大倍数远大于3，虽能起振，会由于振幅过度增长使输出波形出现严重的非线性失真，理想情况输出为方波；如果小于3，就无法起振。

6.硬件焊接与调试

6.1元器件的选择

由于市场上的元器件的问题，在做实际物品时要考虑到电阻的问题以及电路在应用过程中遇到的问题，所选元器件要符合实际，因此需要把元器件的理论值改为实际中常见的最终元器件如下：

R21=1500Ω.R22=1000ΩR23=600ΩR24=800Ω

R25=600ΩR26=500ΩR27=250ΩR28=1800Ω

RF1=1KΩRF2=1KΩR1=5.1KΩR3=33Ω

Rp1=5KΩRp2=10KΩRp3=5KΩ

C1=C2=0.1uC3=10uFC4=100nFC5=47nFC6=470uF

集成功放LM324NLM386N

二极管1N4001喇叭复位器

如表6-1为课设选取原件列表

表6-1课设选取原件列表

元件名称与规格

数量

LM324N

1个

LM386N

1个

8Ω、0.25W扬声器

1个

470μF铝电解电容

1个

10μF铝电解电容

1个

0.1μF瓷片电容

2个

100nF瓷片电容

1个

47nF瓷片电容

1个

二极管1N4001

2个

电阻

若干

复位器

8个

导线

若干

6.2焊接过程与调试

（1）硬件焊接过程中，利用电阻的串联来满足难以达到的电阻阻值。

如1800欧姆的要转为1500欧姆、200欧姆、100欧姆各1个

800欧姆的要转为500欧姆、200欧姆、100欧姆各1个

600欧姆的要转为500欧姆、100欧姆各1个

250欧姆的要转为200欧姆、50欧姆各1个

（2）在焊接过程中，学习了LM324N和LM386接线。

如图6-1和图6-2分别为LM324N和LM386管脚图

图6-1LM324N管脚图图6-2LM386管脚图

（3）在电路板布局过程中，要充分利用空间，合理有效的排板

（4）焊接过程中，要注意复位器的接法，用锡焊接时注意用量

（5）为保护电路，在测试时应该将电位器接入电路中的电阻调至最大，然后再慢慢调节电位器，使输出音质最好

（6）测试中，有几点要求：

在按键后发出对应的音阶声，并且在相应的频率；要求喇叭性能好。

经试音比较，选取了大纸盆喇叭，音质更好；要求输入、输出滤波好。

滤波不好，会输出很大噪音或者产生严重失真。

为使发出的声音好，可以调节各个电位器。

7.课程设计心得

8.参考文献

[1]吴友宇,模拟电子技术基础,清华教育出版社，2009.01.

[2]李永平,Pspice电路设计与实现,国防工业出版社，2005.01

[3]赵雅兴,PSpice与电子器件模型,北京邮电大学出版社，2004.9

[4]童诗白,模拟电子技术基础，高等教育出版社，1998年3月.

[5]周仲编,国产集成电路500例,电子工业出版社，1993年3月.

本科生课程设计成绩评定表

姓名

性别

专业、班级

课程设计题目：

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日

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