RC電路的實(shí)際應(yīng)用之控制電子琴的鍵位發(fā)音

1、rc電路的實(shí)際應(yīng)用之控制電子琴的鍵位發(fā)音1、 工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用背景1).微分電路微分電路的電路圖如圖1所示，其中電容為c，電阻為r，ui為輸入電壓，uo為輸出電壓。當(dāng)r1/c 時(shí)， 。所以 圖1 由上式可見，輸出電壓是輸入電壓的微分。注意：滿足上述微分關(guān)系的前提是，必須符合：r1/c的條件。2).積分電路：積分電路的電路圖如圖2所示。當(dāng)r1/c 時(shí)， 。所以 圖2可見輸出電壓是輸入電壓的積分。注意：上述積分關(guān)系必須滿足：r1/c的條件。其中rc積分電路在示波器中顯示的圖像為（矩形波輸入）：rc積分電路如圖z1605(a）所示 ，它是脈沖技術(shù)中的常用電路之一。該電路的時(shí)間常數(shù)較大，一般 取10tk

2、。當(dāng)輸入信號(hào)u如圖z1605（b）所示 ，在t1時(shí)刻uo（）=0，此后，ui向c充電，uo按指數(shù)規(guī)律上升； 在tt期間，u=0，電容c處于放電狀態(tài) ，uo下降； 在tt期間，uo又按指數(shù)規(guī)律上升，如此周而復(fù)始，就得到了近似鋸齒波形的輸出電壓，如圖z1605（c）中uo波形。矩形脈沖的占空比不同，輸出電壓的幅度也 不同。顯然，占空比越大，輸出電壓的幅度也 就越接近于輸入信號(hào)的幅度e。 其中rc積分電路在示波器中顯示的圖像為（正弦波輸入）：純電阻性交流電路中電流與所加電壓同相，而電容性交流電路中電流與所加的電壓不再同相。當(dāng)電流與電壓取關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，電容性交流電路中流過電容的電流與電容兩端所加電壓

3、的波形圖如圖1所示。圖1 電容電壓與電流的關(guān)系rc積分電路和微分電路的區(qū)別： 積分電路和微分電路都是利用電容兩端電壓不能突變的原理，兩個(gè)電路確實(shí)只是把電容和電阻進(jìn)行交換，同時(shí)電容的容量卻不能交換的。一般積分電路中的電容容量要大，目的是讓電容在輸入脈沖的半個(gè)周期間保持線性充電狀態(tài)而使得輸出電壓為線性上升。微分電路中的電容容量比較小，目的是讓電容在輸入正脈沖期間很快充電完成而使得輸出電壓很快就轉(zhuǎn)為低電平。微分和積分電路實(shí)際上是高通和低通電路，用處很廣泛。2、 系統(tǒng)簡(jiǎn)單原理的描述 o 引言 對(duì)于固定的簡(jiǎn)單功能的實(shí)現(xiàn)，模擬電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。在這方面，模擬電路得到廣泛的應(yīng)用。模

4、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(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案。1 基本樂理知識(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)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(hào)，再通過揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，就能制作出簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)電子琴的制作了。2 設(shè)計(jì)原理21 rc橋式振蕩電路211 電路圖rc橋式振蕩電路如圖1所示。212 rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)rc橋

5、式振蕩電路可以選出特定頻率的信號(hào)。具體實(shí)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)f0=1(2rc)時(shí)，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的13，同時(shí)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(hào)，也可通過改變r(jià)，c的取值，選出不同頻率的信號(hào)。22 振蕩條件221 自激振蕩條件圖2所示為含外加信號(hào)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2中若去掉xi，由于反饋信號(hào)的補(bǔ)償作用，仍有信號(hào)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：222 起振條件自激振蕩的初始信號(hào)一般較小，為了

6、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(hào)經(jīng)過了選頻和放大兩個(gè)階段。具體來說，是對(duì)于選定的頻率進(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號(hào)進(jìn)行不斷衰減，結(jié)果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。3 設(shè)計(jì)方案31 設(shè)計(jì)電路圖設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。圖4即是八音階微型電子琴的原理電路圖，8個(gè)開關(guān)對(duì)應(yīng)著電子琴8個(gè)音階琴鍵，使用時(shí)只能同時(shí)閉合一個(gè)開關(guān)。在實(shí)際電路中，為達(dá)到起振條件af1，常用兩個(gè)二極管與電阻并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)類似于熱敏電阻的功效。另外需要說明的是，理論上電路的初始信號(hào)是由環(huán)境噪聲及電路本身的電壓提供的。實(shí)際操作時(shí)，為使現(xiàn)象更明顯，也可通過對(duì)電路中的電容充電來實(shí)現(xiàn)。另外，電路中的運(yùn)算

7、放大器芯片lm324工作電壓要求是5 v，所以還需要用7809穩(wěn)壓管、整流橋等元器件制作帶負(fù)電源的電源電路，同電子琴電路一塊整合到電路板上，制作成可直接使用的完整成品。32 參數(shù)推導(dǎo)則由式(8)及起振條件|af|1，可得：所以rf1，rf2和rf的選取應(yīng)滿足式(9)，但實(shí)際取值時(shí)，應(yīng)讓rf1略小于rf。rf2的取值也應(yīng)適當(dāng)，以滿足式(6)，實(shí)現(xiàn)自激振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率推導(dǎo)公式為：根據(jù)式(8)、式(10)、式(11)，再結(jié)合表1的頻率數(shù)據(jù)，即可確定電路中的元器件參數(shù)。需要注意的是，在確定r2內(nèi)部電阻值時(shí)，應(yīng)該從r21開始，逐個(gè)進(jìn)行。33 參考參數(shù)根據(jù)上述方法，可得出如表2所示的參考參數(shù)。按此參數(shù)

8、進(jìn)行仿真，其la調(diào)波形如圖5所示，其頻率滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音c調(diào)頻率440 hz。三、rc電路的簡(jiǎn)單原理描述rc電路在模擬電路、脈沖數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用，由于電 路的形式以及信號(hào)源和r，c元件參數(shù)的不同，因而組成了rc電路的各種應(yīng)用形式：微分電路 、積分電路、耦合電路、濾波電路及脈沖分壓器。關(guān)鍵詞：rc電路。微分、積分電路。耦合電路。在模擬及脈沖數(shù)字電路中，常常用到由電阻r和電容c組成的rc電路，在些電路中， 電阻r和電容c的取值不同、輸入和輸出關(guān)系以及處理的波形之間的關(guān)系，產(chǎn)生了rc電路的 不同應(yīng)用，下面分別談?wù)勎⒎蛛娐?、積分電路、耦合電路、脈沖分壓器以及濾波電路。 1. rc微分電路如圖1所

9、示，電阻r和電容c串聯(lián)后接入輸入信號(hào)vi，由電阻r輸出信號(hào)vo，當(dāng)rc 數(shù)值與輸入方波寬度tw之間滿足：rct1），電容c的電壓按指數(shù)規(guī)律快速充電上升，輸出電壓隨之按指數(shù)規(guī) 律下降（因vovivcvmvc），經(jīng)過大約3（r c）時(shí)，vcvm，vo0，（rc）的值愈小，此過程愈快，輸出正 脈沖愈窄。t=t2時(shí)，vi由vm0,相當(dāng)于輸入端被短路，電容原先充有左正右負(fù)的電壓v m開始按指數(shù)規(guī)律經(jīng)電阻r放電，剛開始，電容c來不及放電，他的左端（正電）接地 ，所以vovm，之后vo隨電容的放電也按指數(shù)規(guī)律減小，同樣經(jīng)過大 約3后，放電完畢，輸出一個(gè)負(fù)脈沖。只要脈沖寬度tw（510），在tw時(shí)間內(nèi)，電容c

10、已完成充電或放電（約需3 ），輸出端就能輸出正負(fù)尖脈沖，才能成為微分電路，因而電路的充放電時(shí)間常數(shù)必須 滿足：（1/51/10）tw，這是微分電路的必要條件。由于輸出波形vo與輸入波形vi之間恰好符合微分運(yùn)算的結(jié)果vo=rc（ dvi/dt），即輸出波形是取輸入波形的變化部分。如果將vi按傅里葉級(jí)展開 ，進(jìn)行微分運(yùn)算的結(jié)果，也將是vo的表達(dá)式。他主要用于對(duì)復(fù)雜波形的分離和分頻器 ，如從電視信號(hào)的復(fù)合同步脈沖分離出行同步脈沖和時(shí)鐘的倍頻應(yīng)用。 2. rc耦合電路圖1中，如果電路時(shí)間常數(shù)（rc）tw，他將變成一個(gè)rc耦合電路。輸 出波形與輸入波形一樣。如圖3所示。 （1）在t=t1時(shí)，第一個(gè)方波到

11、來，vi由0vm，因電容電壓不能突變（vc=0），vo=vr=vi=vm。（2）t1ttw，電容c緩慢充電，vc緩慢上升為左正右負(fù)，v o=vr=vivc，vo緩慢下降。（3）t=t2時(shí)，vo由vm0，相當(dāng)于輸入端被短路，此時(shí)，vc已充有左 正右負(fù)電壓=（vi/）tw，經(jīng)電阻r非常緩慢地放電。（4）t=t3時(shí)，因電容還來不及放完電，積累了一定電荷，第二個(gè)方波到來，電阻上的電 壓就不是vm，而是vr=vm-vc（vc0），這樣第二個(gè)輸出 方波比第一個(gè)輸出方 波略微往下平移，第三個(gè)輸出方波比第二個(gè)輸出方波又略微往下平移，最后，當(dāng)輸出波 形的正半周“面積”與負(fù)半周“面積”相等時(shí)，就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。也

12、就是電容在一個(gè)周期 內(nèi)充得的電荷與放掉的電荷相等時(shí)，輸出波形就穩(wěn)定不再平移，電容上的平均電壓等于輸入 信號(hào)中電壓的直流分量（利用c的隔直作用），把輸入信號(hào)往下平移這個(gè)直流分量，便得到 輸出波形，起到傳送輸入信號(hào)的交流成分，因此是一個(gè)耦合電路。以上的微分電路與耦合電路，在電路形式上是一樣的，關(guān)鍵是tw與的關(guān)系，下面比 較一下與方波周期t（ttw）不同時(shí)的結(jié)果，如圖4所示。在這三種情形中，由于電 容c的隔直作用，輸出波形都是一個(gè)周期內(nèi)正、負(fù)“面積”相等，即其平均值為0，不再含有 直流成份。當(dāng)t時(shí)，電容c的充放電非常緩慢，其輸出波形近似理想方波，是理想耦合電路。 當(dāng)=t時(shí)，電容c有一定的充放電，其輸

13、出波形的平頂部分有一定的下降或上升，不是 理想方波。當(dāng)tw，這種電路稱為積分電路。在 電容c兩端（輸出端）得到鋸齒波電壓，如圖6所示。 （3）t=t2時(shí)，vi由vm0，相當(dāng)于輸入端被短路，電容原先充有左正右負(fù)電 壓vi（vitw是本電路必要條件，因?yàn)樗?在方波到來期間，電容只是緩慢充電，vc還未上升到vm時(shí)，方波就消失，電容 開始放電，以免電容電壓出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定電壓值，而且越大，鋸齒波越接近三角波。輸出波 形是對(duì)輸入波形積分運(yùn)算的結(jié)果，他是突出輸入信號(hào)的直流及緩變分量，降低輸入信號(hào)的變化量。 4. rc濾波電路（無源）在模擬電路，由rc組成的無源濾波電路中，根據(jù)電容的接法及大小主要可分為低通濾

14、波 電路（如圖7）和高通濾波電路（如圖8）。 (1)在圖7的低通濾波電路中，他跟積分電路有些相似（電容c都是并在輸出端），但 他們是應(yīng) 用在不同的電路功能上，積分電路主要是利用電容c充電時(shí)的積分作用，在輸入方波情形下 ，來產(chǎn)生周期性的鋸齒波（三角波），因此電容c及電阻r是根據(jù)方波的tw來選取，而 低通濾波電路，是將較高頻率的信號(hào)旁路掉（因xc=1/（2fc），f較大時(shí)，xc較 小，相當(dāng)于短路），因而電容c的值是參照低頻點(diǎn)的數(shù)值來確定，對(duì)于電源的濾波電路，理 論上c值愈大愈好。(2)圖8的高通濾波電路與微分電路或耦合電路形式相同。在脈沖數(shù)字電路中，因rc與脈 寬tw的關(guān)系不同而區(qū)分為微分電路和耦合電路；在模擬電路，選擇恰當(dāng)?shù)碾娙輈值， 就可以有選擇性地讓較高頻的信號(hào)通過，而阻斷直流及低頻信號(hào)，如高音喇叭串接的電容， 就是阻止中低音進(jìn)入高音喇叭，以免燒壞。另一方面，在多級(jí)交流放大電路中，他也是一種 耦合電路。 5. rc脈沖分壓器當(dāng)需要將脈沖信號(hào)經(jīng)電阻分壓傳到下一級(jí)時(shí)，由于電路中存在各種形式的電容，如寄生電容 ，他相當(dāng)于在負(fù)載側(cè)接有一負(fù)載電容（如圖9），當(dāng)輸入一脈沖信號(hào)時(shí)，因電容cl的 充電，電壓不能突變，使輸出波形前沿變