簡易電子琴電路的設計仿真及實現

1、.目 錄 一模電課設概述11.1 設計背景11.2 設計目的及意義1二Proteus軟件簡介2三簡易電子琴根本原理33.1 音樂產生原理33.2 設計原理33.3 方案設計8四.Proteus原理圖繪制124.1選取元件124.2放置元件及排版134.3模擬及仿真14五.Proteus電路仿真15六仿真結果分析196.1 頻率及放大倍數測量196.2 理論比擬196.3 誤差分析19七心得體會20八. 參考文獻21九.元器件清單22十.本科生課程設計成績評定表24一模電課設概述1.1 設計背景電子琴是一種鍵盤樂器，采用半導體集成電路，對樂音信號進展放大，通過揚聲器產生音響?，F在的電子琴一般使用

2、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方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局部的電路進展模仿設計，按下不同琴鍵改變 RC值，發(fā)出C調的八個根本音階， 采用運算放大器構成振蕩電路，用集成功放電路輸出音調，從而到達電子琴固有的根本功能。1.2 設計目的及意義(

3、1)培養(yǎng)學生正確的設計思想，理論聯系實際的工作作風，嚴肅認真、實事求是的科 學態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。(2)鍛煉學生自學軟件的能力及分析問題、解決問題的能力。(3)通過課程設計，使學生在理論計算、構造設計、工程繪圖、查閱設計資料、標準與規(guī)X(4)穩(wěn)固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。(6)為今后從事電子技術領域的工程設計打好根底根本要求。二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(tǒng)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

4、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是世界上著名的EDA工具仿真，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，

5、2021年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus軟件的模擬仿真直接兼容廠商的SPICE模型，采用了擴大的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，可對存放器、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、鍵盤等外設進展交互可視化仿真的功能。此外，Proteus可

6、對IAR C-SPY、KEIL等開發(fā)工具的源程序進展調試。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。三簡易電子琴根本原理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構造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

7、樂音發(fā)生器，再結合電子琴的一般構造，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1HZ1MHZX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。其根本電路為RC文氏電橋振蕩電路。(1)RC橋式振蕩電路圖(2)RC串并聯選頻網絡RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。具體實現過程的關鍵是RC串并聯選頻網絡，其理論推導如下：可得選頻特性：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)定的正弦波號，也可

8、通過改變R，C的取值，選出不同頻率的信號。(3) 振蕩條件1.自激振蕩條件圖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應網絡的放大系數。圖2中假設去掉Xi，由于反應信號的補償作用，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1振幅條件與相位條件2.起振條件自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿|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展不斷放大，非選定頻率的信號進展不斷衰減，結果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。3.2.2 音頻集成功率放大器原理LM386是

9、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X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。 1LM386內部電路LM386內部電路原理圖如圖4所示。圖4 LM386內部電路原理圖與通用型集成運放相類似，它是一個三級放大電路。第一級為差分放大電路，V1和V3、V2和V4分別構成復合管，作為差分放大電路的放大管；V5和V6組成鏡像電流源作為V1和V2的有源負載；V3和V4信號從管的基極輸入，從V2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，V7為放大

10、管，恒流源作有源負載，以增大放大倍數。第三級中的V8和V9管復合成PNP型管，與NPN型管V10構成準互補輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供適宜的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端，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應外接輸出電容后再接負載。電阻R7從輸出端連接到V2的發(fā)射極，形成反應通路，并與R5和R6構成反應網絡，從而引入了深度電壓串聯負反應，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益。2LM386的引腳圖LM386的引腳的排列如右圖所示。引腳2為反相輸入端，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為電壓增益設定端；使用時在引腳7

11、和地之間接旁路電容，通常取10F。 圖5 LM386引腳圖3.3 方案設計3.3.1 振蕩電路振蕩電路圖如圖6所示圖6 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) 那么由式(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7所

12、示圖7 集成功放電路圖如圖7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8 整體電路圖四.Proteus原理圖繪制4.1選取元件1進入Proteus界面后，單擊工具欄上的“新

13、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，完成新建立計文件操作，其后綴名自動為.DSN。2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(tǒng)在對象庫中進展搜索查找，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，那么可將其添加至對象選擇器窗口。圖9 Proteus元件選擇框3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

14、到開關。被選取的元器件都參加到ISIS對象選擇器中。如圖10所示。圖10元件選擇圖4.2放置元件及排版1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

15、可在該點設置節(jié)點并引出導線。2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展相應調整。元件位置調整：單擊相應元件按住鼠標左鍵并將元件拖曳至相應位置后放開即可。導線間距的調整：將鼠標移至要調整導線所連接的元器件，單擊該器件，相應導線及元器件將變?yōu)檫x定狀態(tài)，將鼠標移至該導線處出現左右上下調節(jié)標志，按住鼠標左鍵拖曳相應導線到預定位置后放開，即可移動導線。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。圖1

16、1示波器圖12示波器操作界面五.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。先將所有的開關翻開，單擊開場按鈕，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，進展仿真結果分析。1按下R12旁的開關，得到下面的波形2按下R11旁的開關，得到下面的波形1) 按下R10旁的開關，得到下面的

17、波形2) 按下R9旁的開關，得到下面的波形3) 按下R8旁的開關，得到下面的波形改變了測周期處的量度4) 按下R7旁的開關，得到下面的波形5) 按下R6旁的開關，得到下面的波形6) 按下R5旁的開關，得到下面的波形六 仿真結果分析6.1 頻率及放大倍數測量1由示波器的波形可讀出各個音調所對應的周期，分別為：T1=3.95ms,T2=3.45ms,T3=3.10ms,T4=2.90msT5=2.56ms,T6=2.30ms,T7=2.02ms,T8=1.90ms根據公式 f=，可求得相對應的頻率大小如下：f1=253Hz, f2=290Hz, f3=323Hz, f4=345Hzf5=391Hz

18、, f6=435Hz, f7=495Hz, f8=526Hz2由示波器的波形可求出集成功放的電壓放大倍數Av=20.76.2 理論比擬由仿真得出的頻率與八個根本音階的頻率比擬相近，均控制在了允許的誤差X圍之內；由仿真得出的電壓放大倍數Av為20.7，也與理論值20相差不遠。 C調1234567if0/Hz理論264297330352396440495528f0/Hz實際253290323345391435495526所以此次的設計仿真比擬成功，到達了設計要求。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

19、存在，使結果出現誤差；3在對波形的周期進展讀數時，人為的引起誤差。七 心得體會通過了一周左右的準備與設計，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。首先開場學習proteus軟件，學會自己利用軟件繪制電路圖，進展仿真。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畫出電路圖進展仿真，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)現了問題并進展了改良，最后終于得到了比擬理想的結果。在設計集成功率放大器時，我們開場選擇的是課本上的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