課程設(shè)計---簡易電子琴電路的設(shè)計仿真與實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　1. 模電課設(shè)概述</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計背景</b></p><p>　　電子琴是一種鍵盤樂器，采用半導(dǎo)體集成電路，對樂音信號進(jìn)行放大，通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生音響。</p><p>　　現(xiàn)在的電子琴一般使用PCM或AWM采樣音源。所謂采樣就是錄制樂器的聲音，將其數(shù)字化后存入

2、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（比如Tyros 3的硬盤音色）。現(xiàn)代電子琴并非“模仿”樂器音色。它使用的就是真實(shí)樂器音色。當(dāng)然，現(xiàn)在力度觸感在電子琴里是必備的。而且現(xiàn)代電子琴還加上了老式電子琴的濾波器，振蕩器，包絡(luò)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(jī)構(gòu)。 </p><p>　　本次課程設(shè)計主要是通過對電子琴主體部分的電路進(jìn)行模仿設(shè)計，按下不同琴鍵

3、改變 RC值，發(fā)出C調(diào)的八個基本音階， 采用運(yùn)算放大器構(gòu)成振蕩電路，用集成功放電路輸出音調(diào)，從而達(dá)到電子琴固有的基本功能。</p><p>　　1.2 設(shè)計目的及意義</p><p>　　1）培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的科 </p><p>　　學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。</p><p>　　2）

4、鍛煉學(xué)生自學(xué)軟件的能力及分析問題、解決問題的能力。</p><p>　　3）通過課程設(shè)計，使學(xué)生在理論計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程繪圖、查閱設(shè)計資料、標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　與規(guī)范的運(yùn)用和計算機(jī)應(yīng)用方面的能力得到訓(xùn)練和提高。</p><p>　　4）鞏固、深化和擴(kuò)展學(xué)生的理論知識與初步的專業(yè)技能。</p><p>　　5）為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工

5、程設(shè)計打好基礎(chǔ)基本要求。</p><p>　　2.Proteus軟件簡介</p><p>　　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(gòu)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線圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計以及自動布線來實(shí)現(xiàn)一個完整的電

6、子設(shè)計。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。</p><p>　　Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平

7、臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010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?！?lt;/p><p>　　Proteus軟件的模擬仿真直接兼容廠商的SPICE模型，采用了擴(kuò)充的SPICE3F5電路仿真模型，能夠記錄基

8、于圖表的頻率特性、直流電的傳輸特性、參數(shù)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。</p><p>　　Proteus軟件支持許多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含強(qiáng)大的調(diào)試工具，可對寄存器、存儲器實(shí)時監(jiān)測；具有斷點(diǎn)調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對顯示器、按鈕、鍵盤等外設(shè)進(jìn)行交互可視化仿真的功能。此外，Proteus可對IAR C-SPY、KEIL等開發(fā)工具的源程

9、序進(jìn)行調(diào)試。</p><p>　　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(shù)據(jù)。</p><p>　　3. 簡易電子琴基本原理</p><p>　　3.1 音樂產(chǎn)生原理</p><p>　　由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我</p>

10、<p>　　們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了。</p><p>　　音調(diào)主要由聲音的頻率決定，樂音(復(fù)音)的音調(diào)更復(fù)雜些，一般可認(rèn)為主要由基音的頻率來決定，也即一定頻率的聲音對應(yīng)特定的樂音。在以C調(diào)為基準(zhǔn)音的八度音階中，所對應(yīng)的頻率如表1所示。如果能夠通過某種電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再通過揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發(fā)生器，再結(jié)合電子琴的一般結(jié)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)電

11、子琴的制作了。</p><p><b>　　3.2 設(shè)計原理</b></p><p>　　3.2.1振蕩電路原理</p><p>　　由于RC振蕩電路，一般用來產(chǎn)生1HZ~1MHZ范圍內(nèi)的低頻信號；而LC振蕩電路一般用來產(chǎn)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。其基本電路為RC文氏電橋振蕩電路。</p>&l

12、t;p>　　3.2.1.1 RC橋式振蕩電路圖</p><p>　　3.2.1.2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) </p><p>　　RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。具體實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，其理論推導(dǎo)如下：</p><p><b>　　可得選頻特性：</b></p><p>　　即當(dāng)f0=1

13、／(2πRC)時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的1／3，同時輸出電壓與輸出電壓同相。通過該RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號，也可通過改變R，C的取值，選出不同頻率的信號。</p><p>　　3.2.1.3 振蕩條件</p><p><b>　　1）自激振蕩條件</b></p><p>　　圖2所示為含外加信號的

14、正弦波振蕩電路，其中A，F(xiàn)分別為放大器回路和反饋網(wǎng)絡(luò)的放大系數(shù)。圖2中若去掉Xi，由于反饋信號的補(bǔ)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：</p><p><b>　　2） 起振條件</b></p><p>　　自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強(qiáng)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

15、前，信號經(jīng)過了選頻和放大兩個階段。具體來說，是對于選定的頻率進(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號進(jìn)行不斷衰減，結(jié)果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。</p><p>　　3.2.2 音頻集成功率放大器原理</p><p>　　LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。

16、 </p><p>　　3.2.2.1 LM386內(nèi)部電路</p><p>　　LM386內(nèi)部電路原理圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 LM386內(nèi)部電路原理圖</p><p>　　與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個三級放大電路。</p><p>　　第

17、一級為差分放大電路，V1和V3、V2和V4分別構(gòu)成復(fù)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(fù)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(fù)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。</p><p>　　第二級為共射放大電路，V7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。</p>

18、<p>　　第三級中的V8和V9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管V10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級。二極管D1和D2為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。</p><p>　　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(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。</p><p>　　電阻R7從輸出端連接到V2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成

19、反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益。</p><p>　　3.2.2.2 LM386的引腳圖</p><p>　　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(shè)定端；使用時在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10μF。 圖5 LM386的引

20、腳圖</p><p><b>　　3.3 方案設(shè)計</b></p><p>　　3.3.1 振蕩電路</p><p>　　振蕩電路圖如圖6所示</p><p>　　圖6 振蕩電路圖</p><p>　　選擇C1=0.1uF，R4=1kΩ，根據(jù)公式，結(jié)合表一，即可計算出八個音階對應(yīng)的電阻值，分別

21、為R5=9.09KΩ，R6=10.34 KΩ，R7=13.08KΩ，R8=16.15 KΩ，R9=20.44 KΩ，R10= 23.26KΩ，R11=28.72 KΩ，R12=36.34KΩ。</p><p>　　選定 R4≠R，且R4≤R (8)</p><p><b>　　由式3推導(dǎo)可得：</b></p&g

22、t;<p>　　F= ≈ (9) </p><p>　　則由式(8)及起振條件|A·F|>1，可得： </p><p>　　即 （10）</p><p>　　選擇R1=800Ω，R2=900Ω，R3=1500Ω</p><

23、;p>　　3.3.2 集成功放電路</p><p>　　集成功放電路圖如圖7所示</p><p>　　圖7 集成功放電路圖</p><p>　　如圖7所示為LM386外圍器件最少的連接方式，其內(nèi)置電壓增益為20倍。</p><p>　　C3取4.7uF為退耦電容，所謂退耦即防止前后電路網(wǎng)絡(luò)電流大小變化時，在供電電路中所形成的電流沖動

24、對網(wǎng)絡(luò)的正常工作產(chǎn)生影響。換言之，退耦電容能夠有效地消除電路網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該越大。</p><p>　　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。</p><p>　　C6為隔直傳交電容，取220uF。</p><p>　　3.3.3 整體電

25、路圖</p><p>　　圖8 整體電路圖</p><p>　　Proteus原理圖繪制 </p><p><b>　　4.1選取元件</b></p><p>　　進(jìn)入Proteus界面后，單擊工具欄上的“新建”按鈕，新建一個設(shè)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

26、鈕，完成新建設(shè)計文件操作，其后綴名自動為.DSN。</p><p>　　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(guān)鍵詞)”一欄中輸入元器件名稱，如“LM324”，系統(tǒng)在對象庫中進(jìn)行搜索查找，并將與關(guān)鍵詞匹配的元器件顯示在“Results”中。在“Results”欄中的列表項(xiàng)中，雙擊“LM324”，則可將其添加至對象選擇器窗口。</p&g

27、t;<p>　　圖9 Proteus元件選擇框</p><p>　　按照此方法完成其它元器件的選取，如果忘記關(guān)鍵詞的完整寫法，可以用“*”代替，如“SWITC*”可以找到開關(guān)。被選取的元器件都加入到ISIS對象選擇器中。如圖10所示。</p><p>　　圖10 選取的元器件</p><p>　　4.2放置元件及排版</p>&l

28、t;p>　　通過對象選擇器窗口單擊選擇相應(yīng)元件，在右側(cè)圖形編輯窗口中單擊左鍵放置元件。</p><p>　　元件的移動：用鼠標(biāo)左鍵按住元件拖曳。</p><p>　　元件的旋轉(zhuǎn)：選定所需旋轉(zhuǎn)元件，單擊繪圖工具欄左右旋轉(zhuǎn)按鈕完成旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　元件的刪除：通過鼠標(biāo)左鍵選定要刪除的元件，點(diǎn)擊鍵盤上的delete鍵即可完成對應(yīng)元器件的刪除。</p&

29、gt;<p>　　將鼠標(biāo)移至元件引腳處待出現(xiàn)紅色方框單擊鼠標(biāo)左鍵將鼠標(biāo)移至所需連接的另一元件管腳處待出現(xiàn)紅色方框后再次單擊鼠標(biāo)左鍵完成單根導(dǎo)線的連接。以此類推，按照實(shí)驗(yàn)原理圖放置元件并布線。</p><p>　　引出節(jié)點(diǎn)：在所需引出節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線處單擊鼠標(biāo)右鍵，移動鼠標(biāo)即可在該點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)并引出導(dǎo)線。</p><p>　　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(yīng)對

30、相應(yīng)元件或?qū)Ь€位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。</p><p>　　元件位置調(diào)整：單擊相應(yīng)元件按住鼠標(biāo)左鍵并將元件拖曳至相應(yīng)位置后放開即可。</p><p>　　導(dǎo)線間距的調(diào)整：將鼠標(biāo)移至要調(diào)整導(dǎo)線所連接的元器件，單擊該器件，相應(yīng)導(dǎo)線及元器件將變?yōu)檫x定狀態(tài)，將鼠標(biāo)移至該導(dǎo)線處出現(xiàn)左右（上下）調(diào)節(jié)標(biāo)志，按住鼠標(biāo)左鍵拖曳相應(yīng)導(dǎo)線到預(yù)定位置后放開，即可移動導(dǎo)線。</p><p><

31、;b>　　4.3模擬及仿真</b></p><p>　　電路連接無誤后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選定所需信號源及測試儀表，單擊仿真鍵仿真。</p><p>　　示波器：在繪圖欄中選擇虛擬儀器菜單中的Oscilloscope（示波器）選項(xiàng)，將其放置到圖形編輯窗口，連接相應(yīng)導(dǎo)線至測試點(diǎn)。</p><p>　　5.Proteus電路仿真</p>&l

32、t;p>　　由于Proteus具有強(qiáng)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(jīng)將各元件安放參數(shù)調(diào)試完畢。</p><p>　　下面就需要用示波器觀察輸出參考點(diǎn)波形。</p><p>　　我們將第一個采樣點(diǎn)選取在振蕩電路的輸出端，將第二個采樣點(diǎn)選取在總電路的輸出端。</p><p>　　先將所有的開關(guān)打開，單擊開

33、始按鈕，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(jìn)而發(fā)出不同的聲音，但只能同時閉合一個開關(guān)。觀察示波器輸出的波形，進(jìn)行仿真結(jié)果分析。</p><p>　　按下R12旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p>　　按下R11旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p>　　按下R10旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p>　　

34、按下R9旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p>　　按下R8旁的開關(guān)，得到下面的波形（改變了測周期處的量度）</p><p>　　按下R7旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p>　　按下R6旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p>　　按下R5旁的開關(guān)，得到下面的波形</p><p><b>　　仿真結(jié)果

35、分析</b></p><p>　　6.1 頻率及放大倍數(shù)測量</p><p>　　1）由示波器的波形可讀出各個音調(diào)所對應(yīng)的周期，分別為：</p><p>　　T1=3.95ms, T2=3.45ms, T3=3.10ms, T4=2.90ms</p><p>　　T5=2.56ms, T6=2.30ms, T7

36、=2.02ms, T8=1.90ms</p><p>　　根據(jù)公式 f=，可求得相對應(yīng)的頻率大小如下：</p><p>　　f1=253Hz, f2=290Hz, f3=323Hz, f4=345Hz</p><p>　　f5=391Hz, f6=435Hz, f7=495Hz, f8=526Hz</p>

37、<p>　　2）由示波器的波形可求出集成功放的電壓放大倍數(shù)Av=20.7</p><p><b>　　6.2 理論比較</b></p><p>　　由仿真得出的頻率與八個基本音階的頻率比較相近，均控制在了允許的誤差范圍之內(nèi)；由仿真得出的電壓放大倍數(shù)Av為20.7，也與理論值20相差不遠(yuǎn)。 </p><p>　　所以此次的設(shè)計仿真比較成

38、功，達(dá)到了設(shè)計要求。</p><p><b>　　6.3 誤差分析</b></p><p>　　理論與實(shí)際雖然相近，但仍然存在一定的誤差，主要由以下原因引起：</p><p>　　選擇的元件值與計算的理論值之間有差距；</p><p>　　有一定的干擾信號存在，使結(jié)果出現(xiàn)誤差；</p><p>　

39、　在對波形的周期進(jìn)行讀數(shù)時，人為的引起誤差。</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　通過了幾周的準(zhǔn)備與設(shè)計，我們終于完成了簡易電子琴的設(shè)計。</p><p>　　我們這是第一次接觸課程設(shè)計，所以一直在邊學(xué)習(xí)邊設(shè)計。首先開始學(xué)習(xí)proteus軟件，學(xué)會自己利用軟件繪制電路圖，進(jìn)行仿真。</p><p

40、>　　接下來我們通過查閱了很多的資料，發(fā)現(xiàn)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(jī)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(xué)到過的振蕩電路來設(shè)計。</p><p>　　在設(shè)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(shè)計的電路圖用proteus畫出電路圖進(jìn)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(xiàn)了失

41、真。所以我們又再次檢查了電路圖，發(fā)現(xiàn)了問題并進(jìn)行了改進(jìn)，最后終于得到了比較理想的結(jié)果。</p><p>　　在設(shè)計集成功率放大器時，我們開始選擇的是課本上的TDA2030A構(gòu)成的BTL功放和單電源互補(bǔ)對稱功放，但是由于在proteus的軟件庫中沒有這種元件，所以只能放棄。同樣的，其他很多的元件都不能在proteus中找到，所以我們查了很多資料，最后選定了使用LM386。</p><p>　

42、　我們確定了整體的電路圖后，就開始整體的調(diào)試仿真，通過最后得出的波形圖調(diào)整一些元件的參數(shù)，最后得到了與理論值比較接近的波形，這時候激動的心情是難以形容的。</p><p><b>　　8. 心得體會</b></p><p><b>　　9. 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　吳友宇 主編， 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第1版

43、），清華大學(xué)出版社，2009</p><p>　　康華光 主編， 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第5版），高等教育出版社，2005</p><p>　　陳大欽 主編， 《電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)－電子電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)計、仿真》 ，高等教育出版社，2002</p><p>　　童詩白 主編， 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第3版），高等教育出版社，2001</p><p>