基于555定時(shí)器簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)

1、山東科技大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告 14-15 學(xué)年 第 2 學(xué)期山東科技大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)組長(zhǎng)姓名 學(xué)號(hào) 1301101912 聯(lián)系電話 成員姓名 學(xué)號(hào) 1301101909 成員姓名 學(xué)號(hào) 1301101928 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí) 13-5 指導(dǎo)教師及職稱 2015年6月29日一、實(shí)驗(yàn)摘要研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)重要的實(shí)踐性教育環(huán)節(jié)，是我們?cè)谕瓿杀緦I(yè)所有課程學(xué)習(xí)后必須接受的一項(xiàng)結(jié)合本專業(yè)方向的、系統(tǒng)的、綜合的工程訓(xùn)練。在教師指導(dǎo)下，運(yùn)用工程的方法，通過一個(gè)較復(fù)雜課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使我們通過綜合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，熟

2、悉設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法，掌握必須提交的各項(xiàng)工程文件。其基本目的是：培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用電路設(shè)計(jì)和有關(guān)先修課程的理論，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析和解決工程實(shí)際問題的能力，鞏固，加深和擴(kuò)展有關(guān)電子類方面的知識(shí)二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問題的能力。 2、學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等知識(shí)解決電子信息方面常見實(shí)際問題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試。 3、進(jìn)行基本技術(shù)技能訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識(shí)別、測(cè)量、熟練運(yùn)用的能力，掌

3、握設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。 4、培養(yǎng)我們學(xué)生的創(chuàng)新能力。 5、學(xué)習(xí)調(diào)試電子電路的方法，提高實(shí)際動(dòng)手能力。 (6)了解由555定時(shí)器構(gòu)成簡(jiǎn)易電子琴的電路及原理。三、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地及儀器、設(shè)備和材料：試驗(yàn)場(chǎng)地：j11#-324設(shè)備：pc機(jī)（用于multisim仿真）、雙蹤示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、萬用表材料：名稱數(shù)量名稱數(shù)量ne5551s8550三極管18*8自鎖開關(guān)1無源蜂鳴器1微動(dòng)開關(guān)（有柄）8usb插頭（公頭）1電阻（）30usb延長(zhǎng)線1電阻（）56電阻（k）3電阻（）200電阻（k）8.2電阻（）270電阻（k）10電阻（）560電容（nf）10電

4、阻（）620電容（nf）100電阻（k）1電阻（uf）4.7電阻（k）1.2洞洞板1電阻（k）1.8導(dǎo)線若干*電阻（k）2電阻（k）2.2電阻（k）2.4四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 實(shí)驗(yàn)原理由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器，整個(gè)電路由主振蕩器，揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕等部分組成。它的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中rc 元件的數(shù)值進(jìn)行改變。根據(jù)這一原理，通過設(shè)定一些不同的rc 數(shù)值并通過控制電路，按照一定的速度依次將不同值的rc 組件接入振蕩電路，就可以使振蕩電路按照設(shè)定的要求，發(fā)出不同頻率的信號(hào)，然后接帶有三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器，產(chǎn)生8個(gè)音階的頻率。2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1、總體概述本實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)555集成定時(shí)器組成簡(jiǎn)易

5、電子琴。整個(gè)電路由振蕩器，蜂鳴器和琴鍵按鈕等部分組成。振蕩器由555定時(shí)器，s8550三極管，8個(gè)琴鍵按鈕s1s8，外接電容c1、c2、c3，外接電阻r1、r10以及r2r9等元件組成，按圖接線后閉合不同開關(guān)即可令蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲響，從而模擬出電子琴的工作。根據(jù)音樂音階信號(hào)的分析測(cè)量，根據(jù)音樂音階信號(hào)的分析測(cè)量，已知八個(gè)基本音階的頻率如表一:音階1234567i頻率（hz）261.6293.7329.6349.2392.0440.0493.9523.32.2、總體框圖開關(guān)輸入555振蕩器計(jì)算出固定電阻蜂鳴器 電子琴總體框圖2.3、555定時(shí)器2.3.1、邏輯符號(hào)555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖

6、及邏輯符號(hào)和管腳排列分別如圖三： 圖（a） 圖（b） 圖（c）圖三：555定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號(hào)和管腳排列2.3.2、 內(nèi)部原理圖圖四：555定時(shí)器的內(nèi)部原理圖vi1（th）：高電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為th。 vi2（tr）：低電平觸發(fā)端，簡(jiǎn)稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為tr。 vco：控制電壓端。 vo：輸出端。 dis：放電端。 rd：復(fù)位端。2.4、由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器2.4.1、多諧振蕩器結(jié)構(gòu) 多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就

7、在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，r1，r2和c是外接定時(shí)元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳）和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到r2和c的連接處，將放電端（7腳）接到r1，r2的連接處。由于接通電源瞬間，電容c來不及充電，電容器兩端電壓uc為低電平，小于（1/3）vcc，故高電平觸發(fā)端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出uo為高電平，放電管vt截止。這時(shí)，電源經(jīng)r1，r2對(duì)電容c充電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）vcc時(shí)，輸出uo為低電平，放電管vt導(dǎo)通，把uc從（1/3）vcc 上升到（2/3）vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第

8、一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間tph的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。充電時(shí)間常數(shù)t充=（r1r2）c。由于放電管vt導(dǎo)通，電容c通過電阻r2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時(shí)間tpl的長(zhǎng)短與電容的放電時(shí)間有關(guān)，隨著c的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）vcc時(shí)，輸出uo。為高電平，放電管vt截止，vcc再次對(duì)電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）vcc 之間變化。圖二（b）所示為工作波形。集成555定時(shí)器有雙極性型和cmos型兩種產(chǎn)品。一般雙極性型產(chǎn)品型號(hào)的最后三位數(shù)都是555，

9、cmos型產(chǎn)品型號(hào)的最后四位數(shù)都是7555.它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。器件電源電壓推薦為4512v，最大輸出電流200ma以內(nèi)，并能與ttl、cmos邏輯電平相兼容。2.4.2、邏輯功能在555定時(shí)器的vcc端1/3和地之間加上電壓，并讓vco懸空，則比較器c1的同相輸入端接參考電壓1/3vcc，比較器c2反相輸入端接參考電壓2/3vcc ，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定： 當(dāng)th端的電壓1/3vcc時(shí)，寫為vth=1，當(dāng)th端的電壓2/3vcc時(shí)，寫為vtr=1，當(dāng)tr端的電壓1/3vcc時(shí)，寫為vtr=0。 低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓vi2vcc2/3 且vi11/3vcc 且vi12/3vc

10、c，則vth=1，比較器c1輸出為低電平，無論c2輸出何種電平，基本rs觸發(fā)器,經(jīng)輸出反相緩沖器后，vo0；t導(dǎo)通。這時(shí)稱555定時(shí)器“高觸發(fā)”。 555定時(shí)器的“低觸發(fā)”、“高觸發(fā)”和“保持”三種基本狀態(tài)和進(jìn)入狀態(tài)的條件（即vth、vtr的“0”、“1”）必須牢牢掌握。 vco為控制電壓端，在vco端加入電壓，可改變兩比較器c1、c2的參考電壓。正常工作時(shí)，要在vco和地之間接001f（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管tl的輸出端dis為集電極開路輸出。原理圖如圖五：2.5、模塊功能該電路包括按鈕開關(guān)，定值電阻，555振蕩器和揚(yáng)聲器三部分組成 2.5.1、輸入端由八個(gè)按鈕開關(guān)與定值電阻組成輸

11、入端，每按下一個(gè)鍵會(huì)有一個(gè)至多個(gè)電阻串聯(lián)導(dǎo)通，構(gòu)成不同r2的阻值。2.5.2、頻率產(chǎn)生端根據(jù)定值電阻的不同輸入，由555產(chǎn)生不同的信號(hào)頻率2.5.3揚(yáng)聲器端口接受信號(hào)頻率發(fā)出特定的頻率，其中1k電阻是為了減i0口電壓通常高于三極管的基極的工作電壓（0.7v），如果io口內(nèi)阻太低必定造成io口電流加大對(duì)io來說功耗加大影響io穩(wěn)定甚至燒毀io。3、 實(shí)驗(yàn)步驟3.1、電路原理圖設(shè)計(jì)由555定時(shí)器接成的多些振蕩器為基礎(chǔ)，通過multisim設(shè)計(jì)以下仿真電路。用示波器觀察輸出波形，頻率計(jì)測(cè)量輸出頻率。3.2、元件參數(shù)的確定由以上的公式以及電路原理圖，可計(jì)算出相應(yīng)參數(shù)音階1234567i頻率（hz）26

12、1.6293.7329.6349.2392.0440.0493.9523.3r2計(jì)算值（）22574195601688515657134011139496058784差值（）(對(duì)應(yīng)電路中r3-r9)301426751228225620071789821仿真頻率260.0292.5328.6348.2392.6439.7491.6522.2各音階頻率對(duì)應(yīng)信號(hào)的波形圖12345678五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析組裝與調(diào)試先組裝音階產(chǎn)生電路。要調(diào)出比較準(zhǔn)確的音階，需借助示波器測(cè)試各音階信號(hào)的周期，并通過串接電阻是各音階達(dá)到正確的周期值，從而校準(zhǔn)音調(diào)。也可使用頻率計(jì)測(cè)量音階信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)音準(zhǔn)調(diào)節(jié)。如果r2-r

13、9采用標(biāo)稱電阻，則各別音調(diào)將略有偏離，所以采用了2個(gè)電阻串聯(lián)方式。電路安裝完畢后，先認(rèn)真檢查接線是否正確，引腳是否虛焊，包括錯(cuò)線、少線、多線。線路連接錯(cuò)誤一般是因?yàn)榻泳€時(shí)看錯(cuò)引腳，或者改接時(shí)忘記去掉原來的舊線造成的，實(shí)驗(yàn)查線是往往不易發(fā)現(xiàn)。首先按照總電路圖檢查是否有引腳連接錯(cuò)誤，連接短路，接著用萬用表依次檢測(cè)電路的焊接中是否有虛焊或者短路的情況。焊接時(shí)注意點(diǎn)，這種情況可以避免。檢查完成后，只需注意輸入電壓不要過高，對(duì)應(yīng)5v即可，通過電阻的串并聯(lián)，按下按鈕開關(guān)后，有相應(yīng)的聲音發(fā)出。 在制作過程中剛開始只接了一個(gè)電阻按一下開關(guān)就會(huì)發(fā)出響聲！再接兩個(gè)電阻按一下開關(guān)就會(huì)發(fā)現(xiàn)響聲但是響聲與第一下不相同，

14、其次以后六次都是與前面一樣，多接通一個(gè)電阻響聲就與前面一次不相同！由于設(shè)計(jì)電路本身的缺陷，當(dāng)按下按鈕，基本能夠發(fā)出1234567i八個(gè)音階，但效果不是很好，聲音較小。3、 關(guān)鍵點(diǎn)：焊接時(shí)注意安全，嚴(yán)格遵守焊接操作安全規(guī)范六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在老師布置課題并講解了基本原理后，我查閱了許多有關(guān)此設(shè)計(jì)的資料，并通過與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，以及向老師請(qǐng)教等方式，最終基本完成了此次課程設(shè)計(jì)。通過對(duì)簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)，認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。她是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問題，提高我們的動(dòng)手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我個(gè)人感覺調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的積累過程，沒有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時(shí)間內(nèi)將其完成的。這次電子課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)以前所學(xué)的電子電路知識(shí)既是鞏固又是發(fā)展，進(jìn)一步理解并加深了對(duì)所學(xué)的模擬及數(shù)字電子技術(shù)的認(rèn)識(shí)。學(xué)會(huì)了在