簡易電子琴課程設(shè)計my

1、 課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 尹龍劍 專業(yè)班級： 電信1005班 指導(dǎo)教師： 王緒國 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 簡易電子琴電路的設(shè)計仿真與實現(xiàn) 初始條件： 可選元件：集成運算放大器lm324、電阻、電位器、電容若干，直流電源，或自備元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器 要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計任務(wù)根據(jù)要求，完成對簡易電子琴電路的仿真設(shè)計、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計要求設(shè)計一簡易電子琴電路，按下不同琴鍵即改變 rc值，能發(fā)出c調(diào)的八個基本音階， 采用運算放大器構(gòu)成振蕩電路，用集成功放電路輸出。 已知八個基本音階在c調(diào)時所對應(yīng)的頻率如下表所列 c調(diào)1234567if

2、 0 /h z264297330352396440495528 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計。 利用proteus或multisim仿真設(shè)計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設(shè)計報告書。 選做：利用仿真軟件的pcb設(shè)計功能進(jìn)行pcb設(shè)計。時間安排：1、 第18周前半周，完成仿真設(shè)計調(diào)試；并制作實物。 2、 第18周后半周，硬件調(diào)試，撰寫、提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日1模電課設(shè)概述1.1 設(shè)計背景介紹一種八音階微型電子琴的設(shè)計方法，它采用模擬電路中的r

3、c正弦振蕩原理。設(shè)計出的電子琴音階頻率滿足國際標(biāo)準(zhǔn)，la調(diào)頻率滿足國際標(biāo)準(zhǔn)音c調(diào)頻率440 hz。給出電路參數(shù)的選取方法和一組參考值。結(jié)果證明，用模擬電路方法制作電子琴結(jié)構(gòu)簡單，而且成本低廉。對于固定的簡單功能的實現(xiàn)，模擬電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，成本低廉的優(yōu)點。在這方面，模擬電路得到廣泛的應(yīng)用。模擬電路中的rc正弦波振蕩電路具有一定的選頻特性，樂聲中的各音階頻率也是以固定的聲音頻率為機(jī)理的。本文介紹基于rc正弦波振蕩電路的簡易電子琴設(shè)計方案。1.2 設(shè)計目的及意義a. 培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。b. 鍛煉學(xué)生自學(xué)軟件的

4、能力及分析問題、解決問題的能力。c. 通過課程設(shè)計，使學(xué)生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的運用和計算機(jī)應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高。d. 鞏固、深化和擴(kuò)展學(xué)生的理論知識與初步的專業(yè)技能。e. 為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好基礎(chǔ)基本要求。 1.3 開發(fā)環(huán)境multisim簡介multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（interactive image technoligics簡稱iit公司)推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使

5、用multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進(jìn)行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。目前在各高校教學(xué)中普遍使用multisim2001，網(wǎng)上最為普遍的是multisim 9，ni于2007年08月26日發(fā)行ni系列電子電路設(shè)計軟件，ni multisim v 10作為其中一個組成部分包含于其中。 eda在發(fā)達(dá)國家的應(yīng)

6、用狀況 eda就是“electronic design automation”的縮寫技術(shù)已經(jīng)在電子設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)基本上不存在電子產(chǎn)品的手工設(shè)計。一臺電子產(chǎn)品的設(shè)計過程，從概念的確立，到包括電路原理、pcb版圖、單片機(jī)程序、機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)、fpga的構(gòu)建及仿真、外觀界面、熱穩(wěn)定分析、電磁兼容分析在內(nèi)的物理級設(shè)計，再到pcb鉆孔圖、自動貼片、焊膏漏印、元器件清單、總裝配圖等生產(chǎn)所需資料等等全部在計算機(jī)上完成。eda技術(shù)借助計算機(jī)存儲量大、運行速度快的特點，可對設(shè)計方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評估、設(shè)計檢驗、設(shè)計優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。eda已經(jīng)成為集成電路、印制電路板、電子整機(jī)系統(tǒng)設(shè)

7、計的主要技術(shù)手段。美國ni公司（美國國家儀器公司）的multisim 9軟件就是這方面很好的一個工具。而且multisim 9計算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)（labview 8）（也是美國ni公司的）可以很好的解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一老大難問題。學(xué)員可以很好地、很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機(jī)仿真真實的再現(xiàn)出來。并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。真正的做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。這些在教學(xué)活動中已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。還有很重要的一點就是：計算機(jī)仿真與虛擬儀器對教員的教學(xué)也是一個很好的提高和促進(jìn)。ni multisim軟件結(jié)合了直觀的

8、捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借ni multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)spice模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級spice分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與ni labview和signalexpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。2電路原理2.1 基本樂理知識音調(diào)主要由聲音的頻率決定，樂音(復(fù)音)的音調(diào)更復(fù)雜些，一般可認(rèn)為主要由基音的頻率來決定。也即一定頻率的聲音對應(yīng)特定的樂音。在以c調(diào)為基準(zhǔn)音的八度音階中，所對應(yīng)

9、的頻率如表1所示。如果能夠通過某種電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再通過揚聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發(fā)生器，再結(jié)合電子琴的一般結(jié)構(gòu)，就可實現(xiàn)電子琴的制作了。2.2 rc橋式振蕩電路及頻率選擇rc橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。具體實現(xiàn)過程的關(guān)鍵是rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，其理論推導(dǎo)如下：可得選頻特性： 即當(dāng)時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的，同時輸出電壓與輸出電壓同相。通過該rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號，也可以通過改變r、c的值，選出不同頻率的信號。本實驗通過改變電阻r的值來改變選頻網(wǎng)絡(luò)選出的頻率，從而得到不同頻率的信號，進(jìn)而通過音頻輸出設(shè)備輸出不

10、同頻率的聲音。2.3 振蕩條件2.3.1 自激振蕩條件上圖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(wǎng)絡(luò)的放大系數(shù)。圖中若去掉xi，由于反饋信號的補(bǔ)償作用，仍有信號輸出。若，可得自激振蕩電路。自激振蕩必須滿足以下條件： 1 振幅條件： 2.相位調(diào)節(jié)： ， 2.3.2 起振條件自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強(qiáng)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(jīng)過了選頻和放大兩個階段。具體來說，是對于選定的頻率進(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號進(jìn)行不斷衰減，結(jié)果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。參數(shù)推導(dǎo)則由式(8)及起振條件|af|1，可得：所以rf1，r

11、f2和rf的選取應(yīng)滿足式(9)，但實際取值時，應(yīng)讓rf1略小于rf。rf2的取值也應(yīng)適當(dāng)，以滿足式(6)，實現(xiàn)自激振蕩。式中rf1，rf2和rf依次對應(yīng)于仿真圖中的r11,r10和r9. 2.4 當(dāng) r1與r2不相等時，其推導(dǎo)公式如下： 串聯(lián)阻抗： 并聯(lián)阻抗：所以反饋系數(shù)為：令 有 得到2.4.2起振條件推導(dǎo)如下：當(dāng)有 在實際電路當(dāng)中有r11,所以有得到關(guān)于電路當(dāng)中的幾點說明：1.所以在我設(shè)計的電路當(dāng)中有我們選r10為8k，r11為5k，r9為9k.2. 左邊當(dāng)中的電阻為串聯(lián)，從上到下一次按下開關(guān)有阻值減小，而得到的音調(diào)增高。根據(jù)公式有r0到r7依次為：14k,10k,7.2k,7.9k,5.

12、7k,5k,2.3k,16.7k。3.電路當(dāng)中，u1a為集成運放rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是選頻網(wǎng)絡(luò)，同時兼有正反饋網(wǎng)絡(luò)功能，r9，r10，r11是負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，兩個二極管是穩(wěn)幅電路。3總體方案設(shè)計3.1實驗電路設(shè)計思路簡易電子琴由rc選頻網(wǎng)絡(luò)、集成運算放大器、節(jié)拍信號發(fā)生器組成。其框圖如圖下所示。 3.2設(shè)計電路圖 上圖即為八音階微型電子琴仿真電路圖，8個開關(guān)對應(yīng)著電子琴8個音階琴鍵，使用時閉合不同的開關(guān)可以發(fā)出不同的聲音。電路中的運算放大器芯片lm324工作電壓要求是5 v，其中引腳4接+5v，引腳11接-5v。本試驗中l(wèi)m324芯片的正向輸入端為引腳3，反向輸入端為引腳2，1為輸出端為引腳。3.3實驗

13、參數(shù)選擇選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率推導(dǎo)公式為：其中r1為圖中的固定電阻,r2為圖中需要調(diào)節(jié)阻值的8個電阻。表1 c調(diào)八音階對應(yīng)的基本頻率唱名douruaimifasoulaxidou(高)頻率(hz)264297330352396440495528經(jīng)過推導(dǎo)得到仿真原理圖中r0=2220，r1=1700，r2=1000，r3=1600，r4=1250，r5=1220，r6=600，r7=65400。說明：實際仿真的結(jié)果所對應(yīng)的電阻值有些誤差。4 仿真曲線及結(jié)果分析4.1仿真操作過程及曲線根據(jù)要求用multisim進(jìn)行了仿真，具體仿真曲線如下：c調(diào)低音dou的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)j0將

14、所有電阻串聯(lián)進(jìn)電路，然后將調(diào)節(jié)示波器掃描頻率到0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于264hz。c調(diào)ruai音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)j1，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于297hz。c調(diào)mi音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)j2，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于330hz。c調(diào)fa音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關(guān)j3，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于352

15、hz。c調(diào)suo音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)j4，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于396hz。c調(diào)la音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)j5，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于440hz。c調(diào)高音xi的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)j6，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于495hz。c調(diào)高音dou的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)j7，保持示波器的掃描頻率在0.2ms/div檔，

16、在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于528hz。c調(diào)xi音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關(guān)sw6，保持示波器的掃描頻率在0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于440hz。4.2仿真結(jié)果分析本實驗先是利用rc振蕩電路起振，產(chǎn)生正弦波信號，然后通過rc選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行選頻，最后經(jīng)過lm324放大后輸出到音頻設(shè)備及得到不同頻率的聲音。本實驗仿真得到的波形為方波（觀察示波器輸出波形可知），并且在零刻度線的上下部分是對稱的。 當(dāng)開關(guān)從r0到r7依次閉合時，串聯(lián)進(jìn)電路中的電阻依次減小，因此有公式：可得，振蕩電路產(chǎn)生的信號的頻率依次增大，選出的信號的頻率也依次增大5實物制作

17、及仿真、實物的差異5.1實物制作過程和調(diào)試過程在做完了仿真之后，我們又制作了實物，具體見下列圖片。5.2仿真、實物的差異本次課程設(shè)計所得的實物中用的原理圖和仿真的是一樣的，但是由于仿真中用到的一些電阻、電容實際買不到，并且仿真和實際都會存在誤差，所以實物和仿真的元件參數(shù)并不一樣，比如，仿真中用的電容是0.068uf的而實物中用的電容卻是0.33uf，還有仿真和實物中用的電阻也不一樣。6心得體會 這次課設(shè)在期末期間進(jìn)行的，所以比較匆忙，但是我們小組也花了很多時間去準(zhǔn)備。在知道小組題目之后，我們就進(jìn)行了小組分工，我負(fù)責(zé)原理，另外2個同學(xué)分別負(fù)責(zé)仿真與焊接電路板，就這樣我們開始了工作。在拿到題目之后

18、，我看到時簡易電子琴的設(shè)計，而且題目當(dāng)中也提示了用振蕩電路，所以以這個為切入點我開始了原理的設(shè)計。在模電課程的第九章我們學(xué)過了正弦波信號產(chǎn)生電路，所以我就從書本當(dāng)中尋找相關(guān)的知識點，看到rc正弦波振蕩電路是一個很好的選擇。接著我就開始?xì)w納列寫原理，并設(shè)計出了電路。之后我將電路給其他2個同學(xué)去仿真并焊接實物，最終我們做出了我們的實物。但當(dāng)我們與其他做這個題目的同學(xué)討論的時候發(fā)現(xiàn)我們做的不完整，我們只是做了振蕩電路，并沒有做后續(xù)電路，結(jié)果拿去測試的時候沒有發(fā)出想要的音調(diào)。雖然我們沒有得到最終的結(jié)果，但是在這個過程當(dāng)中我們 把所學(xué)到的東西運用到了實際當(dāng)中，在這個過程當(dāng)中，我們加深了對知識點的理解。在這個過程當(dāng)中我們也明白了合作的重要性，雖然原理大家都懂，但是在當(dāng)今時代合作的優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過個人的戰(zhàn)斗。在設(shè)計電路的過程當(dāng)中，我發(fā)現(xiàn)很多平時不懂的