模电课程设计简易电子琴的设计知识讲解.docx
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模电课程设计简易电子琴的设计知识讲解
模电课程设计-简易电子琴的设计
1.模电课设概述
现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源。
所谓采样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。
甚至有一些高级编曲键盘可以使用外置采样（比如Tyros3的硬盘音色）。
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。
甚至也带上了老式电子琴的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。
2.Proteus软件简介
Proteus软件是由英国LabCenterElectronics公司开发的EDA工具软件，由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus软件的模拟仿真直接兼容厂商的SPICE模型，采用了扩充的SPICE3F5电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等，具有超过8000种的电路仿真模型。
Proteus软件支持许多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。
此外，Proteus可对IARC-SPY、KEIL等开发工具的源程序进行调试。
此外，在Proteus中配置了各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、频率计，便于测量和记录仿真的波形、数据。
3.简易电子琴基本原理
3.1音乐产生原理
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，即可构成我们所想要的音乐了。
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。
3.2设计原理
3.2.1振荡电路原理
由于RC振荡电路，一般用来产生1HZ~1MHZ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，由上表我们可以知道选择RC振荡电路。
其基本电路为RC文氏电桥振荡电路。
图1RC桥式震荡电路
RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。
理论推导过程如下：
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。
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：
图2正弦波震荡电路图3自激震荡电路
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。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。
3.3方案设计
3.3.1振荡电路
振荡电路图如图4所示
图4振荡电路图
选择C1=0.1uF，R4=1kΩ，根据公式
，结合表一，即可计算出八个音阶对应的电阻值，分别为R5=9.09KΩ，R6=10.34KΩ，R7=13.08KΩ，R8=16.15KΩ，R9=20.44KΩ，R10=23.26KΩ，R11=28.72KΩ，R12=36.34KΩ。
选定R4≠R，且R4≤R（8）
由式3推导可得：
F=
≈
（9）
则由式（8）及起振条件|A·F|>1，可得：
即
（10）
选择R1=800Ω，R2=900Ω，R3=1500Ω
3.3.2集成功放电路
集成功放电路图如图5所示
图5集成功放电路图
如图5所示为LM386外围器件最少的连接方式，其内置电压增益为20倍。
C3取4.7uF为退耦电容，所谓退耦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。
换言之，退耦电容能够有效地消除电路网络之间的寄生耦合。
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。
3.3.3整体电路图
图6整体电路图
4.Proteus原理图绘制
4.1选取元件
进入Proteus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，其后缀名自动为.DSN。
单击绘图工具栏中的元件模式中的“P”按钮
，弹出如图9所示的选取元器件对话框，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，如果忘记关键词的完整写法，可以用“*”代替，如“SWITC*”可以找到开关。
被选取的元器件
4.2放置元件及排版
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。
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。
以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。
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。
4.3模拟及仿真
电路连接无误后，根据实验要求，选定所需信号源及测试仪表，单击仿真键仿真。
示波器：
在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点。
5.Proteus电路仿真
由于Proteus具有强大的仿真功能，所以我们优先选用Proteus作为本电路图的仿真工作。
在电路原理图中，我们已经将各元件安放参数调试完毕。
下面就需要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的声音，但只能同时闭合一个开关。
观察示波器输出的波形，进行仿真结果分析。
图7按下R12的波形图
图8按下R11的波形图
图9按下R10的波形图
图10按下R9的波形图
图11按下R8的波形图
图12按下R7的波形图
图13按下R6的波形图
图14按下R5的波形图
6.仿真结果分析
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=4.00ms,T2=3.50ms,T3=3.00ms,T4=2.92ms
T5=2.50ms,T6=2.30ms,T7=2.01ms,T8=1.90ms
根据公式f=
，可求得相对应的频率大小如下：
f1=250Hz,f2=286Hz,f3=333Hz,f4=342Hz
f5=400Hz,f6=435Hz,f7=498Hz,f8=526Hz
6.2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；
C调
1
2
3
4
5
6
7
i
f0/Hz（理论）
264
297
330
352
396
440
495
528
f0/Hz（实际）
250
286
333
342
400
435
498
526
所以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：
1）选择的元件值与计算的理论值之间有差距；
2）有一定的干扰信号存在，使结果出现误差;
3）在对波形的周期进行读数时，人为的引起误差。
7.设计总结
通过了几周的准备与设计，我们终于完成了简易电子琴的设计。
我们这是第一次接触课程设计，所以一直在边学习边设计。
首先开始学习proteus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，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。
在设计振荡电路的时候，我们遇到了问题。
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proteus画出电路图进行仿真，但得到的波形并不是理论的波形，频率的偏差很大，且出现了失真。
所以我们又再次检查了电路图，发现了问题并进行了改进，最后终于得到了比较理想的结果。
在设计集成功率放大器时，我们开始选择的是课本上的TDA2030A构成的BTL功放和单电源互补对称功放，但是由于在proteus的软件库中没有这种元件，所以只能放弃。
同样的，其他很多的元件都不能在proteus中找到，所以我们查了很多资料，最后选定了使用LM386。
我们确定了整体的电路图后，就开始整体的调试仿真，通过最后得出的波形图调整一些元件的参数，最后得到了与理论值比较接近的波形，这时候激动的心情是难以形容的。
8.心得体会
这次的模电课设，我从中又学到了另外一门软件，那就是proteus的使用，其实在画电路图的时候，我也遇到了不少的问题，首先，它是全英文版的，我就先在网上找了一些视频，了解了它大致的使用方法之后，再用此软件照着做好的电路图画，而且还要找一下各种元器件在此软件中所在的位置，摆弄好元器件后，就开始用示波器检查波形的相关情况，在仿真的时候，喇叭出来的声音和八个音阶还是十分相像的，但是不可能像真正的电子琴那么的完美。
其实这次模电课设最难的就是做实物图了，因为是第一次焊洞洞板，所以在连线的时候确实出现了不少的问题，比如在连两个点的时候，到底是用焊锡连接还是用导线连接，我刚开始以为用导线连接比较好，可是事实证明并不是这样的，导线比较硬，而且连的导线如果很多的话，就容易交叉，而在交叉地方的导线外面的皮就容易焊坏，所以我们采用了焊锡与导线相结合的方式来连接我们的电路图，可能在连接的过程中有一点凌乱，但是做好之后还是很有成就感的。
总的来说，这次模电课设我还是学到了很多东西的。
9.参考文献
[1]吴友宇主编，《模拟电子技术基础》（第1版），清华大学出版社，2009
[2]康华光主编，《模拟电子技术基础》（第5版），高等教育出版社，2005
[3]陈大钦主编，《电子技术基础实验－电子电路实验、设计、仿真》，高等教育出版社，2002
[4]童诗白主编，《模拟电子技术基础》（第3版），高等教育出版社，2001
[5]王远主编，《模拟电子技术》，机械工业出版社，1994
10.元器件清单
元器件名称
规格
LM324
——
LM386
——
二极管
1N4001
喇叭
——
示波器
——
直流电源1
5V
直流电源2
-5V
直流电源3
12V
电容C1
0.1uF
电容C2
0.1uF
电容C3
4.7uF
电容C4
10uF
电容C5
0.047uF
电容C6
220uF
电阻R1
800Ω
电阻R2
900Ω
电阻R3
1500Ω
电阻R4
1kΩ
电阻R5
9.09kΩ
电阻R6
10.34kΩ
电阻R7
13.08kΩ
电阻R8
16.15kΩ
电阻R9
20.44kΩ
电阻R10
23.26kΩ
电阻R11
28.72kΩ
电阻R12
36.34kΩ
电阻R13
10Ω
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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