數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 簡易電子琴設(shè)計(jì)(數(shù)字)

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1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 學(xué)生姓名： 嚴(yán)靈均 專業(yè)班級：電子科學(xué)與技術(shù)1002班 指導(dǎo)教師： 吳友宇 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 簡易電子琴設(shè)計(jì) 初始條件： 可選元件：集成運(yùn)算放大器NE555、電阻、電位器、電容若干，直流電源Vcc= +12V，或自備元器件。 可用儀器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器 要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)已知條件，完成對簡易電子琴電路的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。 （2）設(shè)計(jì)要求 ①設(shè)計(jì)一簡易電子琴電路，按下不

2、同琴鍵即改變 RC值，能發(fā)出C調(diào)的八個(gè)基本音階， 采用運(yùn)算放大器構(gòu)成振蕩電路，用集成功放電路輸出。 已知八個(gè)基本音階在C調(diào)時(shí)所對應(yīng)的頻率如下表所列 C調(diào) 1 2 3 4 5 6 7 i f 0 /H Z 264 297 330 352 396 440 495 528 ② 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） ③ 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。 時(shí)間安排： 1、 2007 年1月12日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體

3、實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。 2、 2007 年1月13日 至2007年1月19日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。 3、 2007 年1月19日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 目 錄 緒論 3 簡易電子琴的設(shè)計(jì) 4 1.整體電路方框圖 4 2.波形產(chǎn)生電路方案選擇 4 2.1方案一 4

4、 2.2方案二 4 3.單元電路的設(shè)計(jì)和元件參數(shù)的選取 7 3.1 C調(diào)發(fā)音的音階如表所示(頻率單位為Hz)： 7 3.2選頻網(wǎng)絡(luò)確R、C的確定 7 4.實(shí)物的制作 8 4.1電阻、電容的選擇 8 4.2 元件的插放和焊接 9 5.小結(jié)和心得與體會 9 5.1 小結(jié) 9 5.2 心得與體會 9 6.總電路圖 11 7.參考文獻(xiàn) 12 緒 論 隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，音樂逐漸成為我們生活必不可少的一部分，電子琴作為現(xiàn)代電子科技和音樂結(jié)合的產(chǎn)物，在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色。 簡易電子琴可以利用模擬電路和數(shù)字電路產(chǎn)生不同頻率信號驅(qū)動揚(yáng)聲器來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)是

5、采用數(shù)字電路來產(chǎn)生C調(diào)的低、中、高二十一個(gè)音階。?對于固定簡單功能的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字電路具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便、產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、成本低上次保存者：DELL廉等優(yōu)點(diǎn)。 在數(shù)字電路中，可以用施密特多諧振蕩器產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的方波，該電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，是制做簡單電子琴非常不錯(cuò)的方法。 關(guān)鍵字：電子琴、C調(diào)、數(shù)字電路、施密特多諧振蕩器 簡易電子琴的設(shè)計(jì) 1．整體電路方框圖 穩(wěn)壓電源 R、C調(diào)頻網(wǎng)絡(luò) 555多諧振蕩波輸出

6、 圖1 基本方框圖 該電路具有原理簡單、容易制作、調(diào)試方便等特點(diǎn)。能實(shí)現(xiàn)二十一種頻率的方波且能驅(qū)動喇叭C調(diào)的二十一個(gè)音階。其中，穩(wěn)壓電源可以由電腦提供。 2. 波形產(chǎn)生電路方案選擇 2.1方案一 該電路是一個(gè)沒有輸入信號，依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波的電路。正弦波電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成。 電路如圖2.1.1所示：在外界電磁波的干擾

7、下，某一特定頻率f0的信號形成正反饋。當(dāng)輸出信號較小時(shí)，二極管不導(dǎo)通或電阻較大，此時(shí)電圖放大倍數(shù)很大，信號不斷增強(qiáng)， 當(dāng)輸出信號較大時(shí)。二極管電阻減小，電路放大倍數(shù)較小，信號逐步趨于穩(wěn)定。 圖2.1.1文氏振蕩電路 信號的頻率也有多種頻率的混合變?yōu)閱我活l率?？傊捎诎雽?dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。 該電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整頻率時(shí)只需要同時(shí)改變兩個(gè)電阻R的值即可。不足之處是電路有時(shí)不易起振，不能很好的控制電路，還有就是在接通開關(guān)的瞬間，不能立刻達(dá)到想要的振幅，這對電子琴按鍵迅

8、速轉(zhuǎn)換時(shí)不利。 2.2方案二 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波 首先對555定時(shí)器芯片進(jìn)行簡單介紹： 圖2.2.1 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從圖2.2.1所示電路可以看出，555集成電路可以分為以下幾個(gè)部分組成： （1） 由R1、R2、R3構(gòu)成基準(zhǔn)電壓電路。在Vo端末加外加信號是，分別為生Vcc/3、2Vcc/3的基準(zhǔn)點(diǎn)藥。在Vo端外加基準(zhǔn)電壓時(shí)，則基準(zhǔn)電壓未外加信號電壓值為VREF和VREF/2。 （2） 集成運(yùn)算放大器A1、A2、構(gòu)成單門限比較器。 （3） G1、G2構(gòu)成具有置“0”輸入端的基本RS觸發(fā)器；G3

9、、G4為該觸發(fā)器的緩沖輸出級，電路的輸出邏輯狀態(tài)與Q端輸出相同。增加緩沖級是為了提高555集成電路模塊的帶負(fù)載能力。 （4） 雙極型三極管T構(gòu)成放電開關(guān)電路。當(dāng)Q端輸出低電平時(shí)三極管導(dǎo)通；當(dāng)Q端輸出為高電平時(shí)三極管截止。 555集成電路的邏輯功能如表2.2.1所示。 輸入信號組合 輸出及三極管的狀態(tài) RD Vi1 Vi2 Vo T的狀態(tài) 0 X X 低電平 導(dǎo)通 1 <2Vcc/3 >Vcc/3 不變 不變 1 >2Vcc/

10、3 2Vcc/3 >Vcc/3 低電平 導(dǎo)通 用555定時(shí)器構(gòu)成的電路如圖2.2.2所示。 當(dāng)電路與電源接通瞬間，C2兩端沒有存儲電荷，兩端的電壓為零，555定時(shí)器的2、6端輸入電壓為零，即出現(xiàn)6端電壓輸出小于（2/3）Vcc，2端的輸入電壓小于（1/3）Vcc的情況，輸出信號Vo為高電平。是555定時(shí)器內(nèi)部的晶體管截止，電源Vcc經(jīng)R1、R2、C2到公共端對C2充電，這種情況直到維持到C2的兩端電壓略超過（2/3）Vcc。 當(dāng)C2兩端電壓超過（2/3）Vcc時(shí)，出現(xiàn)6

11、端輸入電壓大于2Vcc/3，,2端的輸入電壓大于1Vcc/3的情況，輸出信號Vo為低電平，使晶體管導(dǎo)通，電容經(jīng)C2、R2放電到公共端的地， 圖2.2.2 多諧振蕩電路 這種情況直到C2兩端的電壓小于Vcc/3，此后又重新回到上述狀態(tài)，輸出波形如圖2.2.2所示。 周期的計(jì)算 充電過程方程：2=Vcc/3=Vcc+(Vcc/3-Vcc)*exp(t1/RC2) R=R1+R2 放電過程方程：Vcc/3=(2Vcc/3)*exp(t2/R2C2) 解得t=t1+t2=0.7(R1+2R2)C2 f=1/t=1.43/(R1+2R2)C2 此電路結(jié)

12、構(gòu)簡單、操作容易、起振方便，所用元件也非常的常見， 是設(shè)計(jì)簡易電子琴的最佳方案。所以本設(shè)計(jì)將采用以上電路。 3. 單元電路的設(shè)計(jì)和元件參數(shù)的選取 3.1 C調(diào)發(fā)音的音階如表3.1.1所示(頻率單位為Hz)： 發(fā)音 音階 1 dou 2 ruai 3 mi 4 fa 5 suo 6 la 7 si 低 262 294 330 349 392 440 494 中 523 587 659 698 784 880 988 高 1046 1175 1318 1397 1568

13、 1760 1967 由上表可以看出，中音的頻率是低音的2倍，高音的頻率是低音的4倍，所以在設(shè)計(jì)選頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只要準(zhǔn)確地確定低音的頻率，改變電容的大小，就能很方便的調(diào)節(jié)出高音階的頻率。 3.2選頻網(wǎng)絡(luò)確R、C的確定 根據(jù)555多諧振蕩器產(chǎn)生電路的計(jì)算式，如上所述，能很方便的的確定電阻的大小。在選擇電阻時(shí)，采用固定電容和充電電阻R1的值，將不同音階的頻率帶入公式f=1.43/(R1+2R2)C2，計(jì)算出電阻R2的大小。為了使輸出波形的占空比接近0.5，將充電電阻R1設(shè)置小一點(diǎn)，然后將不同的頻率帶入計(jì)算取得近似值如表3.2.1（電阻單位：KΩ，頻率：Hz）: R1=715

14、 Ω， C2=1uF 1 2 3 4 5 6 7 262 294 330 349 392 440 494 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 2.31 2.00 1.75 1.62 1.42 1.24 1.05 電路的選頻網(wǎng)絡(luò)電路圖如圖3.2.1。 圖3.2.1 R、C選頻網(wǎng)絡(luò)圖 4. 實(shí)物的制作 4.1電阻、電容的選擇 本設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)就是電阻的選擇。低音階時(shí)，發(fā)音頻率

15、相差不大，電阻誤差稍微大一點(diǎn)，就將導(dǎo)致發(fā)不出正確的音調(diào)。還有就是設(shè)計(jì)電路的電阻在市場上不一定都能買到。為了克服這些問題，可以用可變電阻和兩個(gè)電阻組合，盡量減小誤差。 市場上沒有0.25uF和0.5uF的電容，所以采用1uF 的電容串聯(lián)或用更小的電容并聯(lián)。 4.2 元件的插放和焊接 元件插放原則是先低后高，從電阻開始，到電容結(jié)束。焊接時(shí)，要注意烙鐵的溫度和焊接時(shí)間，不要將烙鐵一直與焊接點(diǎn)接觸，焊接時(shí)間越快越好。還有就是焊接環(huán)境應(yīng)該注意通風(fēng)，盡量呼吸焊接時(shí)冒出的氣體。在插電容時(shí)一定要注意極性，否則電路在接通電源的時(shí)候容易爆掉，及其危險(xiǎn)。 5. 小結(jié)和心得與體會

16、 5.1 小結(jié) 實(shí)際的頻率和設(shè)計(jì)的頻率有一定的誤差，仔細(xì)分析電路，可以總結(jié)一下原因： 1、溫度對振蕩有一定的影響、 2、元件本身的精度不高，電阻和電容的誤差都在10%左右，這是實(shí)際值與理論值差別較大的主要原因。 3、電容在充放電過程中存在著漏電。 改進(jìn)方案： 1、選用兩個(gè)電阻的串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高精度，最好選用溫度系數(shù)低的金屬膜電阻。 2、選用漏電流較小、精度較高的聚苯電容。 3、在安裝元件時(shí)，元件之間不要靠的太緊，以便元件散熱。 5.2 心得與體會 在實(shí)際調(diào)試過程中有些東西并不像仿真顯示的結(jié)果那樣，達(dá)不到所期望的性能指標(biāo)。例如當(dāng)阻值取值和仿真

17、相同時(shí)，所測頻率比仿真頻率偏高。這就要求通過儀器的測量，加以合理判斷調(diào)整電路參數(shù)。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)電容值并不準(zhǔn)確，而且由于漏電流情況，因此我們實(shí)際選用電阻應(yīng)略大于計(jì)算值，選用漏電流較小的電容可以獲得更好的效果。課程設(shè)計(jì)將理論與實(shí)際相結(jié)合，讓我們對平時(shí)所學(xué)的理論知識有更深一步的認(rèn)識。對事物設(shè)計(jì)的一般流程也有了進(jìn)一步了解。 1.了解所需設(shè)計(jì)器件的工作性能，與課本上的理論知識相聯(lián)系，了解所需設(shè)計(jì)器件的工作原理。 2.分析原理圖中每個(gè)器件的作用，閱讀元件說明書，合理設(shè)置元件參數(shù)。 3.利用仿真軟件對所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真。 4.焊接時(shí)在心中對器件的排布做一下大致規(guī)劃技術(shù)

18、，器件裝配要牢固。 5.焊接好后連接儀器進(jìn)行測試及分析。如未達(dá)到所需性能指標(biāo)，分析可能原因，對元器件進(jìn)行修改，直至達(dá)到要求。 課設(shè)的過程是個(gè)自我探索、自我學(xué)習(xí)的過程。我們可以通過自己的努力和同學(xué)的共同探討，用所學(xué)知識設(shè)計(jì)出操作性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的可行性方案。一方面用知識武裝了自己。另一方面，也加強(qiáng)了同學(xué)之間的友誼，對班集體建設(shè)也起到了積極的作用。 6.總電路圖 7.參考文獻(xiàn) [1] 吳友宇.《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社.北京,2009 [2] 伍時(shí)和.《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社.北京.2009

19、 [3] 康華光.《電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分》高等教育出版社,1999 [4] 謝自美.《電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試》第三版，華中科技大學(xué)出版社,2006 [5] 孫梅生.《電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)》，高等教育出版社,2009 [6] 稻田保.《振蕩電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用》，科學(xué)出版社,2004 [7] 李定華.《555定時(shí)器及其運(yùn)用》，中國期刊網(wǎng),2009-1-14 [8] 王全宇.《電子科技》，知網(wǎng)空間，2009年12期 附錄：元件清單 元件 元件型號 數(shù)量 555定時(shí)器 NE555N 1 揚(yáng)聲器 8Ω 2W 1 電容 0.01uF、 1000uF 各1個(gè) 1uF 7 按鍵開關(guān) 8 單刀雙擲開關(guān) 1 電阻 2K、51Ω、1K 各2個(gè) 1.5K 1 1.4K 1 1.2K 1 300Ω 1 220Ω 2