數(shù)電課程設(shè)計---電子琴

1、<p>　　《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)計所制作的是一塊簡易電子琴，主要通過NE555定時器芯片構(gòu)成多諧振蕩電路，這個電子琴主要有8個音符，通過8個電位器及琴鍵開關(guān)構(gòu)成音符控制電路，改變電位器阻值來改變個音符頻率，從而達(dá)到所要音符頻率要求，最后通過小喇叭發(fā)出不同頻率的聲音。</p

2、><p>　　NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同，但它總體上計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜；而555是一個用途很廣且相當(dāng)普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。555的操作電源電壓范圍極大，可與TT

3、L，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電子琴；NE555定時器；多諧振蕩器；電位器；8個音符頻率阻值</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This practice is a simple made NE555 time

4、r, mainly through electronic circuit chip resonance swings, the keyboard mainly eight notes, through eight potentiometer and keys switch constitute notes control circuit, resistance to change a potentiator change notes,

5、thus achieved the frequency to note, through the small frequency of different frequencies of the speaker.</p><p>　　NE555 belongs to the timing of the IC 555 series model, one of the series IC 555 feet functi

6、on and application are compatible, just because the price of the different types of different its stability, save electricity, can produce the oscillation frequency is the same, but it also overall accuracy is high tempe

7、rature, time, and the stability of cheap price, And a wide use 555 timing and quite common, just a few of the IC resistance and capacitance, can produce all kinds of digital circuit of dif</p><p>　　Key words

8、：NE555 timer； Many harmonic oscillator,；Potentiometer,；Eight notes frequency resistance</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 設(shè)計要求及方案選擇</p><p><b>　　1.1、設(shè)計要求</b></

9、p><p>　　1、每個音符的中心頻率偏移不大于5Hz；</p><p>　　2、能發(fā)出1234567i八個音符，也可以是一個音階；</p><p>　　3、音長由彈奏者自由控制；</p><p>　　4、主要單元電路和元器件參數(shù)計算、選擇；</p><p>　　5、畫出總體電路圖；</p><p>

10、;　　6、安裝自己設(shè)計的電路，按照自己設(shè)計的電路，在通用板上焊接。焊接完畢后，應(yīng)對照電路圖仔細(xì)檢查，看是否有錯接、漏接、虛焊的現(xiàn)象；</p><p><b>　　7、調(diào)試電路；</b></p><p>　　8.提交格式上符合要求，內(nèi)容完整的設(shè)計報告。</p><p><b>　　1.2、方案選擇</b></p>

11、;<p>　　方案1：采用兩個555集成定時器組成簡易電子琴。整個電路由主振蕩器，顫音振蕩器，揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕等部分組成。</p><p>　　主振蕩器由555定時器，八個琴鍵按鈕S1~S8，外接電容C1、C2，外接電阻R9以及R1~R8等元件組成，由不同阻值的電阻與555定時振蕩器產(chǎn)生不同頻率音符，接通揚(yáng)聲器后，即可得到八音符。</p><p>　　方案2：采用AT89C5

12、2單片機(jī)進(jìn)行控制。</p><p>　　方案3：采用ATMEGA16單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)的功能基本與52相當(dāng)。</p><p>　　方案4：用可控硅制作電子琴，將220V交流電經(jīng)過變壓器降壓，在經(jīng)過濾波，整形得到12V直流電壓，將單向可控硅SCR和電阻，電容組成馳張震蕩電路。</p><p>　　鑒于上述分析對比，本設(shè)計采用方案1。</p><p

13、>　　2 理論分析與設(shè)計</p><p>　　2.1電子琴電路的分析及設(shè)計</p><p>　　由555 電路組成的多諧振蕩器，它的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中RC 元件的數(shù)值進(jìn)行改變。根據(jù)這一原理，通過設(shè)定一些不同的RC 數(shù)值并通過控制電路，按照一定的速度依次將不同值的RC 組件接入振蕩電路，就可以使振蕩電路按照設(shè)定的要求，有節(jié)奏地發(fā)陽已設(shè)定的音頻信號或音樂。</p>

14、;<p>　　本實(shí)驗(yàn)采用1個555集成定時器組成簡易電子琴。整個電路由主振蕩器，揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕。</p><p>　　振蕩器由555定時器，八個琴鍵按鈕S1-S8，外接電容C1、C2，外接電阻R9以及R1-R8，濾波電容C3、C4組成。</p><p>　　按圖接線后閉合不同開關(guān)即可令喇叭發(fā)出不同頻率的聲響，從而模擬出電子琴的工作。</p><p>

15、　　根據(jù)音樂音階信號的分析測量，根據(jù)音樂音階信號的分析測量，已知八個基本音階的頻率 </p><p>　　表一: 音階頻率對應(yīng)圖</p><p>　　555時基電路的多諧振蕩電路輸出矩形波的周期為：T=T充電+T放電=0.7(R1+2R2)C1,若取C1=0.1uF，為了產(chǎn)生C調(diào)的七個音階，通過計算，各音階</p><p>　　振蕩頻率對應(yīng)的電阻值Ｒ２<

16、;/p><p>　　表二:音階電阻對應(yīng)圖</p><p><b>　　2.2功能模塊</b></p><p>　　圖2-2-1電子琴的總體框圖</p><p><b>　　2.3、模塊功能</b></p><p>　　該電路包括按鈕開關(guān)，定值電阻，555振蕩器和揚(yáng)聲器三部分組成。

17、</p><p>　　1輸入端： 由八個按鈕開關(guān)與各自的定值電阻串聯(lián)再并聯(lián)組成輸入端；</p><p>　　2頻率產(chǎn)生端： 根據(jù)定值電阻的不同輸入，由555產(chǎn)生不同的信號頻率；</p><p>　　3揚(yáng)聲器端口: 接受信號頻率發(fā)出特定的頻率。</p><p>　　2.4　電子琴電路的分析及設(shè)計</p><p

18、><b>　　器件選擇表三</b></p><p><b>　　555定時器</b></p><p>　　多諧振蕩器是能產(chǎn)生矩形波的一種自激振蕩器電路，由于矩形波中除基波外還含有豐富的高次諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，在自身因素的作用下，電路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，故又稱它為無穩(wěn)態(tài)電路。</p>

19、<p>　　由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2所示，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。</p><p>　　由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，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，電源經(jīng)R1

20、，R2對電容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，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān) 。充電時間常數(shù)T充=（R1＋R2）C。</p><p>　　由于放電管VT導(dǎo)通，電容C通過電阻R2和放電管放電，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間TPL的長短與電容的放電時間有關(guān)，

21、放電時間常數(shù)T放＝R2.C隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc時，輸出uo為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/3～2/3）Vcc 之間變化。圖二（b）所示為工作波形。</p><p>　　圖2.4.1 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路及工作波形<

22、/p><p>　　集成555定時器有雙極性型和CMOS型兩種產(chǎn)品。一般雙極性型產(chǎn)品型號的最后三位數(shù)都是555，CMOS型產(chǎn)品型號的最后四位數(shù)都是7555.它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。器件電源電壓推薦為4．5～12V，最大輸出電流200mA以內(nèi)，并能與TTL、CMOS邏輯電平相兼容。</p><p><b>　　邏輯符號</b></p><p&

23、gt;　　555定時器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列分別如圖：</p><p><b>　　圖(a)</b></p><p>　　圖（b） 圖(c)</p><p>　　圖2.4.2 555定時器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列</p><p><b>

24、;　　內(nèi)部原理圖</b></p><p>　　圖2-4-1 555定時器的內(nèi)部原理圖</p><p>　　Vi1（TH）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標(biāo)志為TH。</p><p>　　Vi2（TR）：低電平觸發(fā)端，簡稱低觸發(fā)端，標(biāo)志為TR。</p><p>　　VCO：控制電壓端。</p><p&

25、gt;<b>　　VO：輸出端。</b></p><p><b>　　Dis：放電端。</b></p><p><b>　　Rd：復(fù)位端。</b></p><p>　　555定時器內(nèi)含一個由三個阻值相同的電阻R組成的分壓網(wǎng)絡(luò)。VCC兩個基準(zhǔn)電壓；兩個電壓比較器C1、C2；一個由與非門G1、G2組成的基

26、本RS觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。</p><p>　　Rd是復(fù)位端，低電平有效。復(fù)位后, 基本RS觸發(fā)器高端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。</p><p><b>　　邏輯功能</b></p><p>　　表四：555定時器邏輯功能</p><p>　　在555定時器的

27、VCC端1/3和地之間加上電壓，并讓VCO懸空，則比較器C1的同相輸入端接參考電壓1/3VCC，比較器C2反相輸入端接參考電壓2/3VCC ，為了學(xué)習(xí)方便，我們規(guī)定：</p><p>　　當(dāng)TH端的電壓>1/3VCC時，寫為VTH=1，當(dāng)TH端的電壓<2/3VCC時，寫為VTH=0。</p><p>　　當(dāng)TR端的電壓>2/3VCC時，寫為VTR=1，當(dāng)TR端的電壓<

28、;1/3VCC時，寫為VTR=0。</p><p>　?、?低觸發(fā)：當(dāng)輸入電壓Vi2<VCC2/3 且Vi1<1/3VCC時，VTR=0，VTH=0，比較器C2輸出為低電平，C1輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器的輸入端TH=0、TR=1，，經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO＝1，T截止。這時稱555定時器“低觸發(fā)”；</p><p>　?、?保持：若Vi2>1/3VCC 且Vi1<

29、;2/3VCC，則VTR=1，VTH=0，基本RS觸發(fā)器保持，VO和T狀態(tài)不變，這時稱555定時器“保持”。</p><p>　　③ 高觸發(fā)：若Vi1>2/3VCC，則VTH=1，比較器C1輸出為低電平，無論C2輸出何種電平，基本RS觸發(fā)器,經(jīng)輸出反相緩沖器后，VO＝0；T導(dǎo)通。這時稱555定時器“高觸發(fā)”。</p><p>　　555定時器的“低觸發(fā)”、“高觸發(fā)”和“保持”三種基本

30、狀態(tài)和進(jìn)入狀態(tài)的條件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必須牢牢掌握。 </p><p>　　VCO為控制電壓端，在VCO端加入電壓，可改變兩比較器C1、C2的參考電壓。正常工作時，要在VCO和地之間接0．01μF（電容量標(biāo)記為103）電容。放電管Tl的輸出端Dis為集電極開路輸出。</p><p>　　圖2-4-2 555定時器原理圖</p><p>　　IC5

31、55組成自激多諧振蕩器，在⑦腳與電源之間加入一組音調(diào)電阻R1～R8，即是一架玩具電子琴。未按琴鍵K1～K5時，時基電路555不振蕩，揚(yáng)聲器不發(fā)聲；按下某一琴鍵時，揚(yáng)聲器依555的振蕩頻率，發(fā)出相應(yīng)的聲響。</p><p>　　電阻R1～R8的選擇調(diào)整方法，是用一只60～100kΩ的電位器，先接入電路，從高音（或低音）開始，轉(zhuǎn)動電位器，使揚(yáng)聲器發(fā)出一個起始的標(biāo)準(zhǔn)音階，測出電位器的阻值，并換上相同阻值的固定電阻，這樣

32、即可確定各音階所需的電阻阻值。</p><p><b>　　多諧振蕩的頻率：</b></p><p>　　f=1.43/((R1+2R2)C)</p><p>　　這是個約等于,其中R1指7管腳與電源之間的電阻，R2指7管腳與6管腳之間的電阻，C是2管腳與地之間的電容。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)中通過按鍵使R的阻值改變，

33、從而改變振蕩頻率，揚(yáng)聲器就可與發(fā)出不同的聲音，如果R的阻值取得好，揚(yáng)聲器就可以發(fā)出類似電子琴的聲音了。</p><p><b>　　3、電路設(shè)計</b></p><p>　　3.1、硬件電路的設(shè)計</p><p><b>　　開關(guān)輸入端</b></p><p>　　圖3-1-1 琴鍵開關(guān)</p

34、><p>　　邏輯功能： 八個開關(guān)與經(jīng)計算出來的固定電阻串聯(lián)后再其并聯(lián)，給555震蕩器產(chǎn)生不同的信號，從而產(chǎn)生不同的頻率。</p><p><b>　　555振蕩器</b></p><p>　　圖3-1-2 555振蕩電路</p><p>　　邏輯功能：由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，R1，R2和C是外接定時元件，電路中將高

35、電平觸發(fā)端（6腳） 和低電平觸發(fā)端（2腳）并接后接到R2和C的連接處，將放電端（7腳）接到R1，R2的連接處。由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，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，電源經(jīng)R1，R2對電容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，輸出uo為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）

36、Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān) 。充電時間常數(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，電路進(jìn)人第二暫穩(wěn)態(tài).其維持時間TPL的長短與電容的放電時間有關(guān)，放電時間常數(shù)T放＝R2C隨著C的放電，uc下降，當(dāng)uc下降到（1/3）Vcc</p><p>　　時，輸出uo為高電平，放電管VT截止，Vcc再次對電容c充電，電路又翻轉(zhuǎn)到第一

37、暫穩(wěn)態(tài)。不難理解，接通電源后，電 路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/3～2/3）Vcc 之間變化。</p><p><b>　　3.2　軟件的設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1總體設(shè)計電路圖</p><p>　　圖3-2-1電路總體構(gòu)思</p><p>　　3.

38、2.2 Proteus電路仿真及個人PCB板電路設(shè)計</p><p>　　圖3-2-2 琴鍵仿真</p><p>　　圖3-2-3 電源導(dǎo)入仿真</p><p>　　圖3-2-4 個人PCB電路設(shè)計</p><p><b>　　4 系統(tǒng)測試</b></p><p>　　4.1調(diào)試所用的基本儀器清

39、單</p><p>　　儀器清單：示波器、萬能表</p><p><b>　　4.2、組裝與調(diào)試</b></p><p>　　先組裝音階產(chǎn)生電路，根據(jù)Protel中PCB電路板放好元器件，放元器件過程，注意先放占空間比較小的電阻或按鈕，放好同一類元件后，焊接。焊接時，應(yīng)當(dāng)注意不能虛焊，不要有毛刺，同時在熟練焊接的基礎(chǔ)上，注意節(jié)約焊錫材料。焊接芯

40、片時，應(yīng)當(dāng)選用相應(yīng)管腳的插槽，使用插槽起到保護(hù)芯片作用，芯片容易受溫度影響，有時溫度過高，會損壞芯片。組裝完成后，剪掉長出的管腳，盡量做到制作的美觀與實(shí)用。</p><p>　　完成焊接后，先測試電源導(dǎo)通，利用LED指示燈的電源指示作用，看電源是否導(dǎo)通。要調(diào)出比較準(zhǔn)確的音階，需借助示波器測試各音階信號的頻率，通過調(diào)節(jié)各路電位器阻值核對理論計算值，在示波器上得到需要的頻率。調(diào)節(jié)好各路電阻值后，只需注意輸入電壓不要過

41、高，對應(yīng)12V即可，利用揚(yáng)聲器測試各路音色，觀察各路是否出現(xiàn)對應(yīng)音階。</p><p>　　4.3、統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果</p><p>　　1.根據(jù)電路圖組裝電路；</p><p><b>　　2.檢查元件焊接；</b></p><p>　　3.接通電源，按各鍵，看是否出現(xiàn)相應(yīng)預(yù)測結(jié)果；</p><p>

42、;　　4.通過調(diào)試得到預(yù)期的結(jié)果。</p><p>　　4.4、電路測試及測試結(jié)果</p><p>　　在制作過程中剛開始只接了一個電阻按一下開關(guān)就會發(fā)出響聲，按下第二按鈕開關(guān)會發(fā)出與第一階音色不同的響聲，其后六次都是與前面一樣，接通一路電阻響聲與前面一次不相同。依次接好一個輪回后，發(fā)現(xiàn)每按一個開關(guān)所發(fā)出的聲音與普通鋼琴發(fā)出的聲音一樣，音質(zhì)差不多，而且音調(diào)全。通過測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)本電子琴

43、符合實(shí)際應(yīng)用。</p><p><b>　　5 總結(jié)</b></p><p>　　本次數(shù)電課程設(shè)計，在老師布置課題并講解了基本原理后，兩個星期以來我查閱了555振蕩器、焊接技術(shù)、電子琴電路設(shè)計等相關(guān)資料，通過與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，以及向高年級同學(xué)請教等方式，最終基本完成了此次課程設(shè)計。</p><p>　　從一開始畫電路圖，到完成制作，遇著了許

44、多困難。（1）畫電路圖中，PCB全部利用手動布線，但由于按鈕管腳封裝畫得與實(shí)際按鈕有差別，在制作成的硬件與預(yù)期反應(yīng)有差距，為得到一個比較好的電子琴，在PCB.Library中改變按鈕管腳順序，更新PCB重新布線，另作一板；（2）將PCB電路圖印制到銅板上時，由于電熨斗在銅板上停留超時，導(dǎo)致印制出來的PCB上沾有一些膠，不利于腐蝕銅板，印制過程最好一次性印制，且時間應(yīng)控制在兩分鐘內(nèi)；（3）焊接時，由于電烙鐵在銅板處停留時間稍久，板上有些地

45、方焊接不是很好；（4）調(diào)試時，用到示波器，一開始由于電位器等調(diào)節(jié)不太明顯，出現(xiàn)波形與預(yù)測頻率不符現(xiàn)象，經(jīng)過仔細(xì)分析，調(diào)節(jié)部分地方，最后達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?lt;/p><p>　　電子琴雖然是一項(xiàng)比較簡單的制作，但每一步都要付出精力。有付出才會有收獲，總體來說，在本次制作中，我獲益匪淺。通過對簡易電子琴的設(shè)計，認(rèn)識到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過對此課程的設(shè)計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也

46、鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。在整個設(shè)計到電路的焊接以及調(diào)試過程中，我個人感覺調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚嬎愕闹翟趯?shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過觀察效果來改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個經(jīng)驗(yàn)的積累過程，沒有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時間內(nèi)將其完成的。</p><p>　　這次電子課程設(shè)計，讓我對以前所學(xué)的電子電路知識既是鞏固又是發(fā)展，進(jìn)一步理解并

47、加深了對所學(xué)的模擬及數(shù)字電子技術(shù)的認(rèn)識。學(xué)會了在實(shí)踐中運(yùn)用理論，用理論來指導(dǎo)實(shí)踐，培養(yǎng)了理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計思想。通過對課題的設(shè)計，訓(xùn)練了運(yùn)用所學(xué)的理論知識去思考問題并聯(lián)系理論實(shí)際解決問題的能力，提高了邏輯思維的能力。</p><p>　　總體來說，這一次的課程設(shè)計對我來說，是成功的，在這個過程我是不斷學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步，克服了以前的浮躁，同時提高了在電子設(shè)計方面的自信心。每個環(huán)節(jié)都是有自己完成，看著自己設(shè)計的東西

48、出爐，很欣慰，這次課程設(shè)計為以后更好的的學(xué)習(xí)和工作打下了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006. </p><p>　　[2] 江思敏、姚鵬翼.PADS電路原理圖和PCB設(shè)計[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.</p>&