簡易電子琴的設(shè)計和制作

1、北京郵電大學(xué)電子測量與電子電路綜合設(shè)計型實驗課實驗報告題目： 簡易電子琴的設(shè)計與制作 姓名： 趙佳琪 學(xué)號： 2013210569 班級: 2013211119 學(xué)院: 信息與通信工程學(xué)院 2015年 4月28日一、 摘要14鍵簡易電子琴，通過琴鍵控制接入電路的電阻大小，產(chǎn)生不同的頻率的交流信號，將信號放大后由揚聲器，輸出不同頻率的聲音。將NE555接通直流電源，將振蕩產(chǎn)生不同頻率的方波。將信號傳給LM386進(jìn)行功率放大，使揚聲器發(fā)出相應(yīng)的音階。調(diào)試過程中，分別調(diào)試多諧振蕩器和功率放大器。經(jīng)過調(diào)試之后，焊接而成的作品能產(chǎn)生14個音調(diào)的不同振蕩頻率的音階。二、 關(guān)鍵詞多諧振蕩器、功率放大器、蜂鳴

2、器、電子琴三、 實驗?zāi)康?. 建立系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)綜合應(yīng)用電子電路及知識的能力。2. 學(xué)習(xí)小型電子系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試方法3. 培養(yǎng)工程實踐技能和排除故障的能力。四、 設(shè)計任務(wù)要求1. 基本要求：A 能演奏兩個八度的音階B 音階對應(yīng)的頻率如下：音階名12345671234567頻率Hz2642973303523964404955285946607047928809902. 提高要求：A 將音階擴大到再降低八度，進(jìn)一步提高輸出功率到0.5W。B 音階對應(yīng)的頻率如下：音階名1234567頻率Hz132148.5165176198220247.5五、 設(shè)計思路NE555多諧振蕩器接通直流電源后會振

3、蕩產(chǎn)生矩形脈沖，通過改變7管腳和Vcc之間的電阻，可以產(chǎn)生不同頻率的矩形脈沖。LM386將產(chǎn)生的舉行脈沖信號放大，傳遞給蜂鳴器。蜂鳴器震動頻率不同，產(chǎn)生不同頻率的聲音。六、 總體結(jié)構(gòu)框圖K21喇叭LM386555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器揚聲器功放控制K2K1琴鍵七、 分塊電路和總體電路的設(shè)計1. NE555多諧振蕩器555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個適當(dāng)?shù)淖枞菰?，就可以?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及自激多諧振蕩器等脈沖信號產(chǎn)生與變換電路。它在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應(yīng)用

4、。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)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1所示，R1，R2和C是外接定時元件，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，電源經(jīng)R1，R2對電容C充

5、電，使電壓uc按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3）Vcc時，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這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān)。充電時間常數(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).其維持時間TPL的長短與電容的放電時間有關(guān)，放電時間常數(shù)T放R2C0隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc時，輸出uo為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容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，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩

6、形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc之間變化。圖1（b）所示為工作波形。根據(jù)uc的波形圖可以確定振蕩周期為 T=TPH+TPLTPH對應(yīng)充電時間 TPH=0.7(R1+R2)CTPL對應(yīng)放電時間 TPL=0.7R2C振蕩周期 T=TPH+TPL=0.7(R1+2R2)C振蕩頻率 f=1/T【邏輯符號和管腳排列】【內(nèi)部原理圖】Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(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。555定時器內(nèi)含一個由三個阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生V

7、CC和VCC兩個基準(zhǔn)電壓；兩個電壓比較器C1、C2；一個由與非門G1、G2組成的基本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。Rd是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后,基本RS觸發(fā)器高端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。【邏輯功能】2. 產(chǎn)生不同頻率的矩形波琴鍵相當(dāng)于開關(guān)，控制電路中R1的大小。各電阻串聯(lián)在電路中，閉合開關(guān)后，開關(guān)以前的電阻接入電路。根據(jù)公式可以求出響應(yīng)頻率對應(yīng)的電阻R1。R1=1/(0.7Cf)-2R2音階1234567頻率HZ264297330352396440495R1k410.5349.8301.2273.9228.3191.9155.5音階

8、1234567頻率(HZ)528594660704792880990R1(k)137.2106.982.668.946.227.99.73. LM386功率放大器LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器,主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功

9、耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合?！緝?nèi)部原理圖】第一級為差分放大電路，T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負(fù)載；T3和T4信號從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。第二級為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。 第三級中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸

10、入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益?！疽_圖】引腳2為反相輸入端引腳3為同相輸入端引腳5為輸出端引腳6和4分別為電源和地引腳1和8為電壓增益設(shè)定端引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。4. 總體電路 當(dāng)S1到S14分別閉合的時候，不同的電阻接入電路，多諧振蕩器NE555振蕩產(chǎn)生響應(yīng)頻率的矩形波。各電阻之間串聯(lián)接入，閉合開關(guān)，對應(yīng)的電阻與之前的電阻串聯(lián)，所接入的組織之和為R1的大小。LM386

11、為功率放大器，將多諧振蕩器的輸出信號放大后，輸入給蜂鳴器。蜂鳴器震動，發(fā)出聲音。八、 所實現(xiàn)功能說明按下14個按鍵分別發(fā)出不同頻率的音階，對應(yīng)中8度和高8度的14個音。將示波器連在蜂鳴器兩端，測出按下按鍵時輸出波形的周期，進(jìn)而計算出頻率。實測數(shù)據(jù)：音階1234567理論頻率HZ264297330352396440495實測頻率(HZ)263.6296.9329.0351.4395.1439.4495.3音階1234567理論頻率(HZ)528594660704792880990實測頻率(HZ)527.7594.1658.8703.4792.1880.3989.3功放輸出：Uo=1.82V Po

12、=Uo2/Ro=1.822/9=0.369W九、 故障及問題分析1. NE555燒壞：在實驗過程中，多諧振蕩器NE555溫度過高，燒損。原因是二極管C2正負(fù)極反接，二極管不能起到正常的作用。在接通電源的一瞬間，電流過大，多諧振蕩器NE555溫度迅速上升，元件嚴(yán)重?zé)龘p。更換NE555，更正C2的連接方式后，電路可以正常工作。2. 實測頻率與理論誤差較大在實驗初次搭建電路時，實際輸出信號的頻率與理論值相差2030HZ，并上下浮動，誤差較大?？赡茉颍?1)直流電壓不穩(wěn)定；(2)電容性能不夠好；(3)電阻值不精確，存在誤差。解決方法：在實際實驗中，更改相應(yīng)電阻的組織，直到輸出信號的頻率滿足要求。通過

13、更改電阻的大小，使各頻率相對穩(wěn)定，并且與要求頻率誤差在12HZ內(nèi)。十、 總結(jié)和結(jié)論1.心得體會：在本次試驗中，通過上網(wǎng)和翻閱書籍查找資料，我了解了電子琴的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，掌握了NE555、LM386的工作原理和使用方法。在實踐中學(xué)會用NE555產(chǎn)生不同頻率的交流信號，用LM386進(jìn)行功率放大，并掌握了簡單的焊接方法。明白了實踐的重要性，學(xué)會了在試驗中處理問題解決問題的方法。通過本次試驗，我掌握了相關(guān)知識，學(xué)會了實際調(diào)試電路的方法，受益良多。2.實驗結(jié)論：(1)給蜂鳴器輸入不同頻率的信號會使蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音；(2)改變R1可以改變NE555輸出信號的頻率；(3)LM386可以對信號進(jìn)行放大。十一、 Multisim仿真原理圖、波形圖【Multisim電路圖】【波形圖】S1閉合 S2閉合 S3閉合S4閉合S5閉合 S6閉合S7閉合S8閉合S9閉合S10閉合S11閉合S12閉合S13閉合S14閉合十二、 所用元器件及測試儀表清單【元件】序號名稱型號數(shù)量1多諧振蕩器NE55512功率放大器LM38613電位器10K14喇叭15按鍵開關(guān)146電阻0.2 K17電阻0.68 K18電阻0.82 K19電阻3.3 K110電阻7.5 K111電阻8.2 K112電阻9.