簡易電子琴課程設計

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級：指導教師： 工作單位：信息工程學院題 目：簡易電子琴電路的設計仿真與實現初始條件：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，函數發(fā)生器要求完成的主要任務：設計任務根據要求，完成對簡易電子琴電路的仿真設計、裝配與調試，鼓勵自制穩(wěn)壓電源。設計要求設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調的八個基本音階，采用運算放大 器構成振蕩電路，用集成功放電路輸出。已知八個基本音階在C調時所對應的頻率如下表所列C調1234567if 0 /H Z264297330352396440

2、495528選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。利用Proteus或Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數、掌握電路工作原理并仿真實現系 統功能。安裝調試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告書。選做：利用仿真軟件的PCB設計功能進行PCB設計。時間安排：1、前半周，完成仿真設計調試；并制作實物。2、后半周，硬件調試，撰寫、提交課程設計報告，進行驗收和答辯。指導教師簽名：年月日系主任(或責任教師)簽名：年月日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 模電課設概述(1) HYPERLINK l bookmar

3、k29 o Current Document 1.1設計背景(1) HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 1.2設計目的及意義(1) HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 1.3 開發(fā)環(huán)境 proteus 簡介(1) HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 電路原理(3) HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.1 RC橋式振蕩電路及頻率選擇(3) HYPERLINK l bookmark54 o Current

4、 Document 2.2振蕩條件(4) HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 總體方案設計(5) HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.1實驗電路設計思路(5) HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 3.2設計電路圖(6) HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 3.3實驗參數選擇(6) HYPERLINK l bookmark69 o Current Document 仿真曲線及結果分析(7) HYPERL

5、INK l bookmark72 o Current Document 4.1仿真操作過程及曲線(7) HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 4.2仿真結果分析(14) HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 實物制作及仿真、實物的差異(15) HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 5.1實物制作過程和調試過程(15) HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 5.2仿真、實物的差異(16) HYPERLINK l b

6、ookmark87 o Current Document 心得體會(17) HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 元件清單(18) HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 參考文獻(19)1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，對樂音信號進行放大，通過揚聲器產生 音響。簡易電子琴的設計方法：它采用模擬電路中的RC正弦振蕩原理。設計出的電子琴音 階頻率滿足國際標準，La調頻率滿足國際標準音C調頻率440 Hz。給出電路參數的選取 方法和一組參考值。結果證明，用模擬電路方法制作電

7、子琴結構簡單，而且成本低廉。 對于固定的簡單功能的實現，模擬電路具有結構簡單，實現方便，成本低廉的優(yōu)點。在 這方面，模擬電路得到廣泛的應用。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理的。本文介紹基于RC正弦波振蕩 電路的簡易電子琴設計方案。1.2設計目的及意義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、結構設計、工程繪圖、查閱設計資料、標準與規(guī) 范的運用和計算機應用方面的能力得到訓練和提高。4

8、、鞏固、深化和擴展學生的理論知識與初步的專業(yè)技能。5、為今后從事電子技術領域的工程設計打好基礎基本要求。1.3開發(fā)環(huán)境proteus簡介Proteus軟件是一款極好的單片機應用開發(fā)平臺，它以其特有的虛擬仿真技術很好地 解決了單片機及其外圍電路的設計和協同仿真問題，可以在沒有單片機實際硬件的條件 下，利用PC以虛擬仿真方式實現單片機系統的軟、硬件同步仿真調試，使單片機應用系 統設計變得簡單容易。Proteus軟件涵蓋了 PIC、AVR、MCS8051、68HC11、ARM等微處理器 模型，以及多種常用電子元器件，包括74系列、CMOS 4000系列集成電路、A/D和D/A轉 換器、鍵盤、LCD顯

9、示器、LED顯示器，還提供示波器、邏輯分析儀、通信終端、電壓/電 流表、I2C/SPI終端等各種虛擬儀表，這些都可以直接用于仿真設計，極大地提高了設計 效率和設計水平。Proteus由ISIS和ARES兩個軟件構成，其中ISIS是一款便捷的電子系統仿真平臺軟 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。PROTEUS有兩種截然不同的仿真方式：交互式仿真和基于圖表的仿真。其中交互式仿 真可實時觀測電路的輸出，因此可用于檢驗設計的電路是否能正常工作。而基于圖表的仿真能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進行

10、一些細節(jié)上的分 析，因此基于圖表的仿真可用于研究電路的工作狀態(tài)和進行細節(jié)的測量。Proteus提供了豐富的資源（1）Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數字和模擬、交流和直流等數千種元器件，有30多個元件庫。（2）Proteus可提供的仿真儀表 資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發(fā)生器、模式發(fā) 生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。（3）除了現實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的 信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器 儀表具有理想的參數

11、指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了 儀器對測量結果的影響。（4）Proteus可提供的調試手段Proteus提供了比較豐富的測試 信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。2電路原理2.1 RC橋式振蕩電路及頻率選擇UlAgRC橋式振蕩電路C2D63IFC1D6SIFLU324UlAgRC橋式振蕩電路C2D63IFC1D6SIFLU324ui如U1：A圖2.1RC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。經過推導可以得到如下結論：中=-arctg即當f0 = 會 時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的3，同時

12、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 網絡選出的頻率，從而得到不同頻率的信號，進而通過音頻輸出設備輸出不同頻率的聲 音。2.2振蕩條件2.2.1自激振蕩條件國一回I基球大器a | 斗1 *反饋網絡F 4含外加信號的正弦波振蕩電路圖 2.2.1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絡 的放大系數。圖中若去掉Xi，由于反饋信號的補償作用，仍有信號輸出。若Xf = X, 可得自激振蕩電路。自激振蕩必須滿足以下條件：振幅條件：|A F = 1

13、相位調節(jié)：p +p = 2n冗，n e ZA F2.2.2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，起振條件需滿足 |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 于選定的頻率進行不斷放大，非選定頻率的信號進行不斷衰減，結果就是得到特定頻率 的穩(wěn)定波形。3總體方案設計3.1實驗電路設計思路簡易電子琴由RC選頻網絡、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。 圖3.1實驗設計思路電路其核心是集成運算放大器構成RC正弦波振蕩器，實驗板上提供了 8個音節(jié)電阻和電 容（C串二C 并=0.1 M f固定）構成RC串并聯選頻網絡,分別取不

14、同的電阻值（通過琴鍵開關 接通RC串并聯網絡的8對電阻）使振蕩器產生八個音階信號。最后，通過揚聲器發(fā)出樂 音。3.2設計電路圖圖3.2簡易電子琴仿真電路上圖即為簡易電子琴仿真電路圖，8個開關對應著電子琴8個音階琴鍵，使用時閉合 不同的開關可以發(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。3.3實驗參數選擇選頻網絡的頻率推導公式為：1其中R1為圖中的固定電阻R4，八=2兀。偵氣氣R2為圖中需要調節(jié)阻值的8個電阻。表1 C調八音階對應的基本頻率唱名douruaimifasoulaxidou（ 高）頻率26429733035239644

15、0495528經過推導得到仿真原理圖中 R5=9.1，R6=10.3, R7=13.08, R8=16.1，R9=20.4, R10=23.26, R11=28.7, R12=36.3。單位：（千歐）4仿真曲線及結果分析4.1仿真操作過程及曲線根據要求用proteus進行了仿真，具體仿真曲線如下：C調低音dou的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關SW0將所有電阻串 聯進電路，然后將調節(jié)示波器掃描頻率到0.4ms檔，在示波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于264Hz。圖C調ruai音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關SW1,保持示波器的 掃描頻率在0.4ms檔，在示波器上

16、就得到上圖中的曲線，其頻率約等于297Hz。mi音的仿真曲線C調mi音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關SW2，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330Hz。fa音的仿真曲線C調fa音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再閉合開關SW3，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352Hz。圖sou音的仿真曲線C調sou音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關SW4,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396Hz。C調ruai音的仿真曲線如上圖忡的仿

17、食曲運行”，再閉合開關SW1，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297Hz。示波器的掃C調la音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關SW5，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。xi音的仿真曲線C調xi音的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關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495Hz。圖4.1.8高音dou的仿真曲線C調高音dou的仿真曲線如上圖所示。點擊“運行”，再合上開關SW7，保持示波器 的掃描頻率在0.4ms檔，在示

18、波器上就得到上圖中的曲線，其頻率約等于528Hz。4.2仿真結果分析本實驗先是利用RC振蕩電路起振，產生正弦波信號，然后通過RC選頻網絡進行選頻， 最后經過LM324放大后輸出到音頻設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。當開關從R12到R5依次閉合時，串聯進電路中的電阻依次減小，因此有公式：可得，振蕩電路產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實物制作及仿真、實物的差異5.1實物制作過程和調試過程在理論分析和軟件仿真的基礎上，我們按設計的電路圖進行了實物的焊接和調試。 由于電阻的阻值大小不是常用的阻值

19、，所以我們進行了拼湊使其與設計時的阻值近似相 等。同時為了美觀，我們將設計的電阻都分成三個電阻的組合。5.2仿真、實物的差異本次課程設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并 不一樣，比如，仿真和實物中用的電阻不一樣。6心得體會通過一周周的準備與設計，我們完成了簡易電子琴的設計。在本次模擬電路課程設計 中，我通過查找資料復習課本，開始認識了模擬電路的要求和技能。我們這是第一次接觸課程設計，所以一直在邊學習邊設計。首先開始學習proteus軟件， 學會自己利用軟件繪制電路圖，進行仿真。接下來我

20、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畫出電路圖進行仿真，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)現了問題并進行了改進，最后 終于得到了比較理想的結果？我們小組進行了合理分工，我和一個同學負責制作實物，另外兩個同學負責運放 lm324的仿真設計。我們彼此探討商量，不厭其煩，不斷修改

21、，自己也學到了很多。？我在上面花的時間或許超出我的預想，但我知道，自己做的卻并不出色，因為我的 基礎知識不夠扎實，而且我的學習分析能力較差。我必須認真投入，而這次實物主要由 黃星星來負責，我覺得很自己付出的其實還太少，我也必須意識到自己動手能力還有待 提高。從大家身上我看到了自己的差距。我覺得，只有越多的付出，才可以最大可能的 做到更好。？在模電課設中我們遇到了很多問題，最后在同學的指導下，終于解決了。同時，從 同學身上學到很多實用的知識，在此我表示感謝！我非常感謝和我在同一組的另外三個同 學。我認識到自己本身的局限，也因為他們我才可以靜下心來，認真思考，分析。不斷 地修改課設，完善課設。？7元件清單兀器件名稱規(guī)格LM324二極管1N4007喇叭紐扣電池3V電容c10.1