電子琴設(shè)計(jì)制作完整實(shí)驗(yàn)報(bào)告

...wd......wd......wd...簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)和制作實(shí)驗(yàn)報(bào)告單位名稱：北京郵電大學(xué)撰寫時(shí)間：二零一七年三月二十七日撰寫人：學(xué)號(hào)：2015210079指導(dǎo)教師：張君毅院系：信息與通信工程學(xué)院目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.2選題目的與意義二、設(shè)計(jì)和電路2.1設(shè)計(jì)思路2.2總體構(gòu)造框圖2.3分塊電路和總體電路的設(shè)計(jì)三、實(shí)現(xiàn)功能3.1已完成的功能3.2主要的測(cè)試數(shù)據(jù)必要的測(cè)試方法3.3必要的測(cè)試方法四、故障及問題分析五、總結(jié)和結(jié)論六、器件清單七、仿真原理圖及波形圖八、參考文獻(xiàn)九、附件9.1?模擬綜合實(shí)驗(yàn)過程考核統(tǒng)計(jì)表?9.2?實(shí)驗(yàn)頻率及功率記錄表?摘要本實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)并制作出簡(jiǎn)易電子琴為目的，通過對(duì)電子琴信號(hào)的產(chǎn)生和功率放大方面的研究和實(shí)踐，可對(duì)實(shí)際電子琴的音色、音質(zhì)方面的改良起到一定的探索和促進(jìn)作用。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們需要建設(shè)系統(tǒng)的概念，培養(yǎng)綜合應(yīng)用電子電路及知識(shí)的能力，學(xué)習(xí)小型電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試方法。最終需要培養(yǎng)我們的工程實(shí)踐技能和排除故障的能力。我通過該試驗(yàn)完成了簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)與制作，到達(dá)了實(shí)驗(yàn)要求的頻率和功率，并想法設(shè)法改良了音色，最終的實(shí)驗(yàn)效果不錯(cuò)。關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)易電子琴、運(yùn)算放大電路、多諧振蕩器、頻率一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求了解由555定時(shí)器構(gòu)成簡(jiǎn)易電子琴的電路及原理。設(shè)計(jì)并利用NE555集成運(yùn)算電路以及外加電阻，電容在第一級(jí)產(chǎn)生不同頻率的音樂，再利用LM386功率放大電路對(duì)音樂信號(hào)進(jìn)展放大，最后通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生21個(gè)音符?；疽螅耗苎葑鄡蓚€(gè)八度音階。提高要求：將音階擴(kuò)大到再降八度，進(jìn)一步提高輸出功率到0.5w。1.2選題的目的與意義〔1〕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)去分析和解決工程問題的能力?！?〕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?！?〕學(xué)習(xí)調(diào)試電子電路的方法，提高實(shí)際動(dòng)手能力。了解由555定時(shí)器構(gòu)成簡(jiǎn)易電子琴的電路及原理。二、設(shè)計(jì)和電路2.1設(shè)計(jì)思路整體電路主要由NE555多諧振蕩器產(chǎn)生方波和LM386功率放大器進(jìn)展功率放大兩局部構(gòu)成。通過改變振蕩電路中的RC元件的數(shù)值改變NE555多諧振蕩器的振蕩頻率，從而到達(dá)產(chǎn)生不同音階的目的。我在該電路中使用了21個(gè)開關(guān)與不同阻值串聯(lián)，再并入NE555的端口，通過開關(guān)控制不同阻值的接入，也便于最終的演奏。將NE555的輸出與LM386功率放大器相連，對(duì)方波信號(hào)進(jìn)展放大，不改變信號(hào)頻率的同時(shí)提高輸出的功率，再與喇叭相連，能提高喇叭的音量并到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求。最后通過揚(yáng)聲器能發(fā)出電子琴的不同音階。2.2總體構(gòu)造框圖2.3分塊電路和總體電路的設(shè)計(jì)琴鍵局部電路：由開關(guān)和電阻串聯(lián)，再全部并列構(gòu)成。最上方和最下方分別導(dǎo)通，之間并上滿足頻率要求的電阻，再通過導(dǎo)線將最上方和最下方接入多諧振蕩電路中。為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度，在有限的電阻中使用電阻并聯(lián)，大大減小了頻率誤差。考慮美觀，不同組的音階使用不同顏色的導(dǎo)線，醒目且使用方便。NE555多諧振蕩器電路：555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，產(chǎn)生方波，如以下列圖。接通電源瞬間，電容C電壓無(wú)法突變，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。充電時(shí)間常數(shù)T充=〔R1＋R2〕C。由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，放電時(shí)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(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)?？傻贸鼋Y(jié)論，接通電源后，電路就在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)之間來(lái)回翻轉(zhuǎn)，那么能輸出所需要的方波信號(hào)。通過計(jì)算，振蕩周期T和振蕩頻率f分別為：T=tPH+tPL≈0.693×〔R1+2R2〕×C1f=1/T≈1/[0.693×〔R1+2R2〕×C1]可通過調(diào)節(jié)琴鍵局部的電阻大小來(lái)改變輸出頻率，從而到達(dá)改變音階的目的。LM386功放電路：該局部電路用于放大功率，使喇叭能正常工作。由LM386內(nèi)部構(gòu)造知，電路的電壓放大倍數(shù)可由內(nèi)部1.35k電阻及引腳1、8間的外圍元件確定。當(dāng)引腳1、8間不接任何元件時(shí)，其電壓放大倍數(shù)為20倍，當(dāng)引腳1、8之間外接電容10uF電容是，其電壓放大倍數(shù)為200。此時(shí)，內(nèi)部的1.35k電阻倍交流短路，其電壓放大倍數(shù)表示式為:VA=2R2/R1=30k/150。引腳5與地之間外接0.047uF電容和10歐電阻為補(bǔ)償電路，可提高電路的穩(wěn)定性，防止電路高頻自激。當(dāng)LM386處于高電壓放大倍數(shù)時(shí)，電源的影響將會(huì)增大，為此在引腳7與地之間外接10uF的濾波電容。本實(shí)驗(yàn)通過該局部電路提高功率，增大喇叭音量，到達(dá)功率要求。我另加了一個(gè)喇叭，使輸出音質(zhì)更好?？傮w電路：琴鍵局部并入NE555的DIS和RST接口，從而通過改變阻值改變多諧振蕩器的輸出頻率。多諧振蕩器和功率放大器接上12V的外接電壓使其正常工作。NE555輸出口通過一個(gè)滑動(dòng)變阻器與LM386輸入端相連，可以通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)改變輸入功放的功率，以至于改變最終的輸出功率。功率放大電路的輸出產(chǎn)生滿足頻率和功率要求的方波，作用與喇叭上便可演奏出所需音階。整體布線追求簡(jiǎn)單美觀，工作電路局部導(dǎo)線為藍(lán)色，接地線為黑色，供電導(dǎo)線為紅色，琴鍵局部按組別分配不同顏色的導(dǎo)線。兩塊面包板可拆開，第一塊的琴鍵和電阻可以用于其他電路的電阻接入。為了提升喇叭音質(zhì)，我們另加了更好音質(zhì)的小功率喇叭，最終的音效效果也更好。三、實(shí)現(xiàn)功能3.1已完成的功能能較準(zhǔn)確地演奏兩個(gè)八度音階，并能將音階擴(kuò)大到再降八度，進(jìn)一步提高輸出功率到0.5w。能通過21個(gè)鍵位演奏21個(gè)音，音調(diào)準(zhǔn)確，音色良好，喇叭音量適合。頻率與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差在3Hz之內(nèi)，功率適合，參數(shù)可調(diào)。能使用該簡(jiǎn)易電子琴?gòu)椬喑龊?jiǎn)單曲目，效果良好。3.2主要的測(cè)試數(shù)據(jù)各音階的測(cè)量頻率及其功率：注：①要求頻率：上網(wǎng)查找的對(duì)應(yīng)音階的標(biāo)準(zhǔn)頻率，作為實(shí)驗(yàn)的參照數(shù)據(jù)；②實(shí)測(cè)頻率：通過示波器測(cè)量的功放之后輸出方波的頻率，即為喇叭的實(shí)際工作頻率；③多諧頻率：通過示波器測(cè)量的NE555定時(shí)器之后輸出方波的頻率，為放大前的頻率；④輸出功率：通過示波器測(cè)量喇叭處輸出方波的幅值V、占空比D，喇叭阻值R,計(jì)算:P=(V^2/R)*D高音7的輸出功率：測(cè)量數(shù)據(jù)：供電電壓Vo=6V;喇叭上的電壓V=4.88V；喇叭阻值R=8Ω；占空比D=18.84%P=(4.88^2/8)*18.84%=0.5608WP=0.5608W>0.5W輸出功率滿足實(shí)驗(yàn)要求。3.3必要的測(cè)試方法使用萬(wàn)用表電壓檔測(cè)量各個(gè)點(diǎn)的電壓，判斷電路是否正常導(dǎo)通工作；使用萬(wàn)用表電容檔測(cè)量電容不同方向，判斷電容極性；使用萬(wàn)用表歐姆檔測(cè)量并入電路的電阻阻值。測(cè)量各音階的頻率時(shí)，將示波器與LM386輸出端相連，調(diào)節(jié)示波器為顯示頻率的模式，觀察波形是否為平穩(wěn)方波，假設(shè)不是調(diào)節(jié)示波器；讀出頻率后與所需頻率比照，再微調(diào)電阻阻值或使用串并聯(lián)的方法改變阻值至頻率誤差很小，斷電后使用萬(wàn)用表測(cè)量阻值，記錄測(cè)量的頻率和阻值。測(cè)量NE555的輸出頻率時(shí)，將示波器與NE555輸出端相連，調(diào)節(jié)示波器為顯示頻率的模式，觀察波形是否為平穩(wěn)方波，假設(shè)不是調(diào)節(jié)示波器；計(jì)算高音7的輸出功率時(shí)，在斷電的情況下使用萬(wàn)用表測(cè)量喇叭阻值，再使外加電源工作，示波器接于喇叭處，摁下高音7的琴鍵，調(diào)示波器添加測(cè)量量，顯示所有測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄幅值和占空比，再斷開電源，代入公式計(jì)算功率。四、故障及問題分析實(shí)驗(yàn)前在Multisim上做仿真時(shí)，Multisim沒有提供實(shí)驗(yàn)需要的LM386功率放大器，造成早期仿真失敗。后來(lái)通過查找資料使用Multisim中已有的虛擬器件搭出了LM386功率放大器，解決了問題仿真成功。分析后知道由于工具問題造成故障或無(wú)法解決時(shí)，要多通過網(wǎng)絡(luò)等途徑搜集資料，再利用已有的條件解決問題。在按照仿真圖搭電路的過程中，因?qū)尚酒苣_不熟悉造成電路錯(cuò)誤，在網(wǎng)上查找管腳圖并檢查電路后簡(jiǎn)潔地修改了電路并使電路正常工作。所以在搭電路的時(shí)候一定要準(zhǔn)確，不確定的地方要通過查資料核實(shí)，電路簡(jiǎn)潔能有效地降低搭線失誤，搭完后更要小心檢查，確定無(wú)誤后再加上電源進(jìn)展實(shí)驗(yàn)，否那么有燒壞元器件的風(fēng)險(xiǎn)。最后配置二十一個(gè)琴鍵時(shí)，由于電阻阻值有限，使用與計(jì)算值接近的電阻搭入，造成局部音的頻率誤差較大，不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。后通過計(jì)算，使用已有的電阻進(jìn)展并聯(lián)得到適宜阻值，大大減小了頻率誤差，使音調(diào)準(zhǔn)確并完成實(shí)驗(yàn)。由此得出進(jìn)展實(shí)驗(yàn)時(shí)不僅要有工程的近似思想，對(duì)誤差的處理也要小心慎重，要靈活使用已有的材料到達(dá)實(shí)驗(yàn)要求，并盡可能地減小誤差。整體實(shí)驗(yàn)過程中故障較少，并最后通過小心慎重得到了解決，讓我明白了實(shí)驗(yàn)的思路設(shè)計(jì)和搭接以及元器件的選用，都要小心慎重，減小誤差完美完成實(shí)驗(yàn)。五、總結(jié)和結(jié)論在瀏覽選題的所有資料后，我毫不猶豫地選擇了簡(jiǎn)易電子琴這個(gè)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楦杏X這個(gè)實(shí)驗(yàn)很有趣，并且能提高我的動(dòng)手能力以及對(duì)功放、簡(jiǎn)諧振蕩器的使用能力，在這三周緊張的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)驗(yàn)之后，我感覺我的選擇很適合我，也真的受益匪淺。在本次實(shí)驗(yàn)中，我很好地完成了所有實(shí)驗(yàn)要求，并完成了實(shí)驗(yàn)的提高要求，誤差很小，最后電子琴發(fā)聲的音質(zhì)和音調(diào)都很不錯(cuò)，得到了教師的認(rèn)可，實(shí)驗(yàn)圓滿完成。在實(shí)驗(yàn)過程中，幾乎所有步驟我都獨(dú)立完成了，也與同實(shí)驗(yàn)的同學(xué)進(jìn)展了交流和相互改良，不僅提高了自我解決問題單獨(dú)思考的能力，也有團(tuán)隊(duì)合作以及思想交流，對(duì)我今后學(xué)習(xí)、做工程、工作等等都會(huì)有很好的促進(jìn)作用。通過實(shí)驗(yàn)我熟悉了Multisim的使用，能夠熟練使用電腦仿真軟件進(jìn)展各種仿真，也熟悉了各種元器件的構(gòu)造原理和如何使用，大大提升了我動(dòng)手搭電路的能力，讓我對(duì)電路的理解也更進(jìn)一步。實(shí)驗(yàn)大體完成后我對(duì)音調(diào)進(jìn)展微調(diào)，我覺得我的音感也更好了。在彈奏時(shí)我很愉快，我在使用自己做的電子琴，自己調(diào)的音調(diào)，彈奏想彈的曲目，激發(fā)了對(duì)音樂的興趣。這種在實(shí)踐中學(xué)習(xí)和開展得來(lái)的東西是僅從書本上學(xué)不來(lái)的，更是彌足珍貴的，對(duì)我未來(lái)各方面的開展都受益匪淺。六、器件清單元器件名稱型號(hào)、規(guī)格數(shù)量運(yùn)算放大器LM3861片定時(shí)計(jì)數(shù)器NE5551片輕觸開關(guān)6*6*5h21個(gè)小喇叭8Ω/1W1個(gè)電位器1KΩ1個(gè)面包版2