模電課程設計-簡易電子琴的設計.doc

武漢理工大學模擬電子技術基礎課程設計說明書1. 模電課設概述 現在的電子琴一般使用PCM或AWM采樣音源。所謂采樣就是錄制樂器的聲音，將其數字化后存入ROM里，然后按下鍵時CPU回放該音。甚至有一些高級編曲鍵盤可以使用外置采樣（比如Tyros 3的硬盤音色）?，F代電子琴并非“模仿”樂器音色。它使用的就是真實樂器音色。當然，現在力度觸感在電子琴里是必備的。而且現代電子琴還加上了老式電子琴的濾波器，振蕩器，包絡線控制來制造和編輯音色。甚至也帶上了老式電子琴的FM合成機構。 本次課程設計主要是通過對電子琴主體部分的電路進行模仿設計，按下不同琴鍵改變 RC值，發(fā)出C調的八個基本音階， 采用運算放大器構成振蕩電路，用集成功放電路輸出音調，從而達到電子琴固有的基本功能。2. Proteus軟件簡介 Proteus軟件是由英國LabCenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個軟件構成，其中ISIS是一款便捷的電子系統仿真平臺軟件，ARES是一款高級的布線編輯器，它集成了高級原理布線圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設計以及自動布線來實現一個完整的電子設計。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。 Proteus軟件的模擬仿真直接兼容廠商的SPICE模型，采用了擴充的SPICE3F5電路仿真模型，能夠記錄基于圖表的頻率特性、直流電的傳輸特性、參數的掃描、噪聲的分析、傅里葉分析等，具有超過8000種的電路仿真模型。 Proteus軟件支持許多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含強大的調試工具，可對寄存器、存儲器實時監(jiān)測；具有斷點調試功能及單步調試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外設進行交互可視化仿真的功能。此外，Proteus可對IAR C-SPY、KEIL等開發(fā)工具的源程序進行調試。 此外，在Proteus中配置了各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、頻率計，便于測量和記錄仿真的波形、數據。3. 簡易電子琴基本原理3.1 音樂產生原理 由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構成我們所想要的音樂了。 音調主要由聲音的頻率決定，樂音(復音)的音調更復雜些，一般可認為主要由基音的頻率來決定，也即一定頻率的聲音對應特定的樂音。在以C調為基準音的八度音階中，所對應的頻率如表1所示。如果能夠通過某種電路結構產生特定頻率的波形信號，再通過揚聲器轉換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發(fā)生器，再結合電子琴的一般結構，就可實現電子琴的制作了。3.2 設計原理3.2.1振蕩電路原理 由于RC振蕩電路，一般用來產生1HZ1MHZ范圍內的低頻信號；而LC振蕩電路一般用來產生1MHZ以上的高頻信號，由上表我們可以知道選擇RC振蕩電路。其基本電路為RC文氏電橋振蕩電路。 圖1 RC橋式震蕩電路 RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。理論推導過程如下： 即當f0=1(2RC)時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的13，同時輸出電壓與輸出電壓同相。通過該RC串并聯選頻網絡，可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號，也可通過改變R，C的取值，選出不同頻率的信號。圖2所示為含外加信號的正弦波振蕩電路，其中A，F分別為放大器回路和反饋網絡的放大系數。圖2中若去掉Xi，由于反饋信號的補償作用，仍有信號輸出，如圖3所示Xf=Xi，可得自激振蕩電路。自激振蕩必須滿足以下條件： 圖2 正弦波震蕩電路 圖3 自激震蕩電路 自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿足|AF|1。在輸出穩(wěn)定頻率的波形前，信號經過了選頻和放大兩個階段。具體來說，是對于選定的頻率進行不斷放大，非選定頻率的信號進行不斷衰減，結果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。 LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。 3.3 方案設計3.3.1 振蕩電路振蕩電路圖如圖4所示 圖4 振蕩電路圖 選擇C1=0.1uF，R4=1k，根據公式，結合表一，即可計算出八個音階對應的電阻值，分別為R5=9.09K，R6=10.34 K，R7=13.08K，R8=16.15 K，R9=20.44 K，R10= 23.26K，R11=28.72 K，R12=36.34K。選定 R4R，且R4R (8)由式3推導可得： F= (9) 則由式(8)及起振條件|AF|1，可得： 即 （10）選擇R1=800，R2=900，R3=15003.3.2 集成功放電路集成功放電路圖如圖5所示 圖5 集成功放電路圖 如圖5所示為LM386外圍器件最少的連接方式，其內置電壓增益為20倍。C3取4.7uF為退耦電容，所謂退耦即防止前后電路網絡電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動對網絡的正常工作產生影響。換言之，退耦電容能夠有效地消除電路網絡之間的寄生耦合。退耦濾波電容的取值通常為4.7-200uF，退耦壓差越大，電容的取值應該越大。 C4為旁路電容，它可將混有高頻信號和低頻信號的交流信號中的高頻成分旁路掉的電容，取10uF。C6為隔直傳交電容，取220uF。3.3.3 整體電路圖圖6 整體電路圖4. Proteus原理圖繪制 4.1選取元件 進入Proteus界面后，單擊工具欄上的“新建”按鈕，新建一個設計文檔。單擊“保存”按鈕，在彈出的對話框中的文件名框中輸入“簡易電子琴”，再單擊“保存”按鈕，完成新建設計文件操作，其后綴名自動為.DSN。 單擊繪圖工具欄中的元件模式中的“P”按鈕，彈出如圖9所示的選取元器件對話框，在此對話框左上角“keywords(關鍵詞)”一欄中輸入元器件名稱，如“LM324”，系統在對象庫中進行搜索查找，并將與關鍵詞匹配的元器件顯示在“Results”中。在“Results”欄中的列表項中，雙擊“LM324”，則可將其添加至對象選擇器窗口。按照此方法完成其它元器件的選取，如果忘記關鍵詞的完整寫法，可以用“*”代替，如“SWITC*”可以找到開關。被選取的元器件4.2放置元件及排版 通過對象選擇器窗口單擊選擇相應元件，在右側圖形編輯窗口中單擊左鍵放置元件。元件的移動：用鼠標左鍵按住元件拖曳。元件的旋轉：選定所需旋轉元件，單擊繪圖工具欄左右旋轉按鈕完成旋轉。元件的刪除：通過鼠標左鍵選定要刪除的元件，點擊鍵盤上的delete鍵即可完成對應元器件的刪除。 將鼠標移至元件引腳處待出現紅色方框單擊鼠標左鍵將鼠標移至所需連接的另一元件管腳處待出現紅色方框后再次單擊鼠標左鍵完成單根導線的連接。以此類推，按照實驗原理圖放置元件并布線。引出節(jié)點：在所需引出節(jié)點導線處單擊鼠標右鍵，移動鼠標即可在該點設置節(jié)點并引出導線。 完成電路布線后，為使電路更加緊湊有邏輯性，各功能區(qū)域明顯，應對相應元件或導線位置進行相應調整。4.3模擬及仿真電路連接無誤后，根據實驗要求，選定所需信號源及測試儀表，單擊仿真鍵仿真。示波器：在繪圖欄中選擇虛擬儀器菜單中的Oscilloscope（示波器）選項，將其放置到圖形編輯窗口，連接相應導線至測試點。5.Proteus電路仿真由于Proteus具有強大的仿真功能，所以我們優(yōu)先選用Proteus作為本電路圖的仿真工作。在電路原理圖中，我們已經將各元件安放參數調試完畢。下面就需要用示波器觀察輸出參考點波形。我們將第一個采樣點選取在振蕩電路的輸出端，將第二個采樣點選取在總電路的輸出端。先將所有的開關打開，單擊開始按鈕，彈出示波器顯示窗格，通過按下不同的按鍵改變R的值，從而改變頻率進而發(fā)出不同的聲音，但只能同時閉合一個開關。觀察示波器輸出的波形，進行仿真結果分析。 圖7 按下R12的波形圖 圖8 按下R11的波形圖 圖9 按下R10的波形圖 圖10 按下R9的波形圖 圖11 按下R8的波形圖 圖12 按下R7的波形圖 圖13 按下R6的波形圖 圖14 按下R5的波形圖6.仿真結果分析6.1 頻率及放大倍數測量由示波器的波形可讀出各個音調所對應的周期，分別為：T1=4.00ms, T2=3.50ms, T3=3.00ms, T4=2.92msT5=2.50ms, T6=2.30ms, T7=2.01ms, T8=1.90ms根據公式 f=，可求得相對應的頻率大小如下：f1=250Hz, f2=286Hz, f3=333Hz, f4=342Hzf5=400Hz, f6=435Hz, f7=498Hz, f8=526Hz6.2 理論比較由仿真得出的頻率與八個基本音階的頻率比較相近，均控制在了允許的誤差范圍之內； C調1234567if0/Hz（理論）264297330352396440495528f0/Hz（實際）250286333342400435498526 所以此次的設計仿真比較成功，達到了設計要求。6.3 誤差分析理論與實際雖然相近，但仍然存在一定的誤差，主要由以下原因引起：1) 選擇的元件值與計算的理論值之間有差距；2) 有一定的干擾信號存在，使結果出現誤差;3) 在對波形的周期進行讀數時，人為的引起誤差。7.設計總結通過了幾周的準備與設計，我們終于完成了簡易電子琴的設計。我們這是第一次接觸課程設計，所以一直在邊學習邊設計。首先開始學習proteus軟件，學會自己利用軟件繪制電路圖，進行仿真。接下來我們通過查閱了很多的資料，發(fā)現制作簡易電子琴有很多方法，但由于我們對其他方案中的單片機等元器件不了解，對其中的電阻電容等一些頻率的計算有一定的難度，所以我們選擇了在課本中學到過的振蕩電路來設計。在設計振蕩電路的時候，我們遇到了問題。我們通過理論計算，選取了元器件，然后按照設計的電路圖用proteus畫出電路圖進行仿真，但得到的波形并不是理論的波形，頻率的偏差很大，且出現了失真。所以我們又再次檢查了電路圖，發(fā)現了問題并進行了改進，最后終于得到了比較理想的結果。在設計集成功率放大器時，我們開始選擇的是課本上的TDA2030A構成的BTL功放和單電源互補對稱功放，但是由于在proteus的軟件庫中沒有這種元件，所以只能放棄。同樣的，其他很多的元件都不能在proteus中找到，所以我們查了很多資料，最后選定了使用LM386。我們確定了整體的電路圖后，就開始整體的調試仿真，通過最后得出的波形圖調整一些元件的參數，最后得到了與理論值比較接近的波形，這時候激動的心情是難以形容的。8.心得體會這次的模電課設，我從中又學到了另外一門軟件，那就是proteus的使用，其實在畫電路圖的時候，我也遇到了不少的問題，首先，它是全英文版的，我就先在網上找了一些視頻，了解了它大致的使用方法之后，再用此軟件照著做好的電路圖畫，而且還要找一下各種元器件在此軟件中所在的位置，擺弄好元器件后，就開始用示波器檢查波形的相關情況，在仿真的時候，喇叭出來的聲音和八個音階還是十分相像的，但是不可能像真正的電子琴那么的完美。其實這次模電課設最難的就是做實物圖了，因為是第一次焊洞洞板，所以在連線的時候確實出現了不少的問題，比如在連兩個點的時候，到底是用焊錫連接還是用導線連接，我剛開始以為用導線連接比較好，可是事實證明并不是這樣的，導線比較硬，而且連的導線如果很多的話，就容易交叉，而在交叉地方的導線外面的皮就容易焊壞，所以我們采用了焊錫與導線相結合的方式來連接我們的電路圖，可能在連接的過程中有一點凌亂，但是做好之后還是很有成就感的。總的來說，這次模電課設我還是學到了很多東西的。9.參考文獻1 吳友宇 主編， 模擬電子技術基礎（第1版），清華大學出版社，20092 康華光 主編， 模擬電子技術基礎（第5版），高等教育出版社，20053 陳大欽 主編， 電子技術基礎實驗電子電路實驗、設計、仿真 ，高等教育出版社，20024 童詩白 主編， 模擬電子技術基礎（第3版），高等教育出版社，20015 王遠 主編， 模擬電子技術 ，機械工業(yè)出版社，199410. 元器件清單元器件名稱規(guī)格LM324LM386二極管1N4001喇叭示波器直流電源15V直流電源2-5V直流