简易电子琴课程设计

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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：指导教师： 工作单位：信息工程学院题 目：简易电子琴电路的设计仿真与实现初始条件：可选元件：集成运算放大器LM324、电阻、电位器、电容若干，直流电源，或自备元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，函数发生器要求完成的主要任务:（1）设计任务根据要求，完成对简易电子琴电路的仿真设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。（2）设计要求设计一简易电子琴电路，按下不同琴键即改变RC值，能发出C调的八个基本音阶，采用运算放大 器构成振荡电路，用集成功放电路输出。已知八个基本音阶在C调时所对应的频率如下表所列C调1234567f 0 /H Z2642973303523

2、96440495528 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。 利用Proteus或Multisim仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理并仿真实现系 统功能。 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。 选做：利用仿真软件的PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、 前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。2、 后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。日日月月指导教师签名：年系主任（或责任教师）签名：年目录1. 模电课设概述(1)1.1设计背景(1)1.2设计目的及意义(1)1.3 开发环境 proteus 简介(1)2. 电路原理(3)2.1 RC桥式

3、振荡电路及频率选择(3)2.2振荡条件(4)3. 总体方案设计(5)3.1实验电路设计思路(5)3.2设计电路图(6)3.3实验参数选择(6)4. 仿真曲线及结果分析(7)4.1仿真操作过程及曲线(7)4.2 仿真结果分析 (14)5实物制作及仿真、实物的差异(15)5.1 实物制作过程和调试过程 (15)5.2仿真、实物的差异(16)6心得体会(17)7元件清单(18)8参考文献(19)1 模电课设概述1.1 设计背景电子琴是一种键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生 音响。简易电子琴的设计方法：它采用模拟电路中的 RC 正弦振荡原理。设计出的电子琴音 阶频率满足国

4、际标准，La调频率满足国际标准音C调频率440 Hz。给出电路参数的选取 方法和一组参考值。结果证明，用模拟电路方法制作电子琴结构简单，而且成本低廉。 对于固定的简单功能的实现，模拟电路具有结构简单，实现方便，成本低廉的优点。在 这方面，模拟电路得到广泛的应用。模拟电路中的 RC 正弦波振荡电路具有一定的选频特 性，乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。本文介绍基于 RC 正弦波振荡 电路的简易电子琴设计方案。1.2 设计目的及意义1、培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态 度和勇于探索的创新精神。2、锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能

5、力。3、通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规 范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。4、巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。5、为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。1.3 开发环境 proteus 简介Proteus 软件是一款极好的单片机应用开发平台，它以其特有的虚拟仿真技术很好地 解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题，可以在没有单片机实际硬件的条件 下，利用PC以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试，使单片机应用系 统设计变得简单容易。 Proteus 软件涵盖了 PIC、AVR、MCS8051、6

6、8HC11、ARM 等微处理器 模型，以及多种常用电子元器件，包括74系列、CMOS 4000系列集成电路、A/D和D/A转 换器、键盘、 LCD 显示器、 LED 显示器，还提供示波器、逻辑分析仪、通信终端、电压/电 流表、 I2C/SPI 终端等各种虚拟仪表，这些都可以直接用于仿真设计，极大地提高了设计 效率和设计水平。Proteus由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软 件，ARES是一款高级的布线编辑器，它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、 PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。PROTEUS 有两种截然不同的仿真方式：

7、交互式仿真和基于图表的仿真。其中交互式仿 真可实时观测电路的输出，因此可用于检验设计的电路是否能正常工作。而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的分 析，因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。Proteus 提供了丰富的资源 （1）Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字 和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。（2） Proteus可提供的仿真仪表 资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发 生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。（3）除了现实

8、存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的 信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器 仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了 仪器对测量结果的影响。（4） Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试 信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。2 电路原理2.1 RC桥式振荡电路及频率选择图 2.1RC 桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。具体实现过程的关键是 RC 串并联选频网络。经过推导可以得到如下结论：申=-arctg即当fo二Rc时输出电压的幅值

9、最大并且输出电压是输入电压的3，同时输出 电压与输出电压同相。通过该 RC 串并联选频网络，可以选出频率稳定的正弦波信号，也 可以通过改变 R、C 的值，选出不同频率的信号。本实验通过改变电阻 R 的值来改变选频 网络选出的频率，从而得到不同频率的信号，进而通过音频输出设备输出不同频率的声2.2 振荡条件2.2.1 自激振荡条件+O_H基本放大器A,反馈网络F含外加信号的心弦波振荡电路图 2.2.1 上图所示为含外加信号的正弦波振荡电路，其中 A， F 分别为放大器回路和反馈网络 的放大系数。图中若去掉Xi,由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出。若X二X , fi 可得自激振荡电路。自激振荡必

10、须满足以下条件：1. 振幅条件：|a F -12. 相位调节：p +p二2n兀，n e ZAF2.2.2 起振条件自激振荡的初始信号一般较小，为了得到较大强度的稳定波形，起振条件需满足|AF|1。在输出稳定频率的波形前，信号经过了选频和放大两个阶段。具体来说，是对 于选定的频率进行不断放大，非选定频率的信号进行不断衰减，结果就是得到特定频率 的稳定波形。3 总体方案设计3.1 实验电路设计思路简易电子琴由 RC 选频网络、集成运算放大器、节拍信号发生器组成。其框图如图下所示 图 3.1 实验设计思路电路其核心是集成运算放大器构成 RC 正弦波振荡器，实验板上提供了 8 个音节电阻和电 容（C串

11、=C并=0.1 m f固定）构成RC串并联选频网络,分别取不同的电阻值（通过琴键开关 接通RC串并联网络的8对电阻）使振荡器产生八个音阶信号。最后，通过扬声器发出乐3.2 设计电路图图3.2简易电子琴仿真电路 上图即为简易电子琴仿真电路图，8个开关对应着电子琴8个音阶琴键，使用时闭合 不同的开关可以发出不同的声音。电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是5 V, 其中引脚4接+5V,引脚11接-5V。3.3 实验参数选择选频网络的频率推导公式为：f _1其中R1为图中的固定电阻R4, f0二2C jRR R2为图中需要调节阻值的8个电阻。表1 C调八音阶对应的基本频率唱名douruaim

12、ifasoulaxidou（ 高）频率264297330352396440495528经过推导得到仿真原理图中 R5=9.1, R6=10.3, R7=13.08, R8=16.1, R9=20.4, R10=23.26, R11=28.7,R12=36.3。 单位：（千欧）4 仿真曲线及结果分析4.1 仿真操作过程及曲线根据要求用proteus进行了仿真，具体仿真曲线如下：C调低音dou的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再闭合开关SW0将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到 0.4ms 档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于 264Hz。C 调 ruai 音的仿真曲线如上

13、图所示。点击“运行”，再闭合开关 SW1 ，保持示波器的 扫描频率在 0.4ms 档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于 297Hz。mi 音的仿真曲线C调mi音的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再闭合开关SW2，保持示波器的扫 描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于330Hz。fa音的仿真曲线C调fa音的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再闭合开关SW3，保持示波器的扫 描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于352Hz。图sou音的仿真曲线C调sou音的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再合上开关SW4,保持示波器的扫描频率在 0

14、.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于396H7。 C调ruai音的仿真曲线如上l所示的仿真曲运行”，再闭合开关SW1，保持示波器 的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于297Hz。示波器的扫C调la音的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再合上开关SW5，保持描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于440Hz。xi音的仿真曲线C调xi音的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再合上开关SW6，保持示波器的扫 描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于495Hz。图4.1.8高音dou的仿真曲线C调高音dou

15、的仿真曲线如上图所示。点击“运行”，再合上开关SW7,保持示波器 的扫描频率在0.4ms档，在示波器上就得到上图中的曲线，其频率约等于528Hz。4.2 仿真结果分析本实验先是利用 RC 振荡电路起振，产生正弦波信号，然后通过 RC 选频网络进行选频 最后经过LM324放大后输出到音频设备及得到不同频率的声音。本实验仿真得到的波形为方波（观察示波器输出波形可知），并且在零刻度线的上下 部分是对称的。当开关从R12到R5依次闭合时，串联进电路中的电阻依次减小，因此有公式:可得，振荡电路产生的信号的频率依次增大，选出的信号的频率也依次增大。5 实物制作及仿真、实物的差异5.1 实物制作过程和调试过程 在理论分析和软件仿真的基础上，我们按设计的电路图进行了实物的焊接和调试。 由于电阻的阻值大小不是常用的阻值，所以我们进行了拼凑使其与设计时的阻值近似相 等。同时为