模电课程设计简易电子琴的设计.docx

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1、模电课程设计简易电子琴的设计 1. 模电课设概述 现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源。所谓采样就是录制乐器的声音，将其数字化后存入ROM里，然后按下键时CPU回放该音。甚至有一些高级编曲键盘可以使用外置采样（比如Tyros 3的硬盘音色）。现代电子琴并非“模仿”乐器音色。它使用的就是真实乐器音色。当然，现在力度触感在电子琴里是必备的。而且现代电子琴还加上了老式电子琴的滤波器，振荡器，包络线控制来制造和编辑音色。甚至也带上了老式电子琴的FM 合成机构。 本次课程设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计，按下不同琴键改变RC值，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

2、集成功放电路输出音调，从而达到电子琴固有的基本功能。 2. Proteus软件简介 Proteus软件是由英国LabCenter Electronics公司开发的EDA工具软件，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。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus软件的模拟仿真直接兼容厂商的SPICE模型，

3、采用了扩充的SPICE3F5电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等，具有超过8000种的电路仿真模型。 Proteus软件支持许多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。此外，Proteus可对IAR C-SPY、KEIL 等开发工具的源程序进行调试。 此外，在Proteus中配置了各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、频率计，便于测量和记录仿真的波形、数据。 3. 简易电子琴基本原理 3

4、.1 音乐产生原理 由于一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我 们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了。 音调主要由声音的频率决定，乐音(复音)的音调更复杂些，一般可认为主要由基音的频率来决定，也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以C调为基准音的八度音阶中，所对应的频率如表1所示。如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号，再通过扬声器转换为声音信号，就能制作出简易的乐音发生器，再结合电子琴的一般结构，就可实现电子琴的制作了。 3.2 设计原理 3.2.1振荡电路原理 由于RC振荡电路，一般用来产生1HZ1MHZ范围内的低频信号；而LC振荡电路

5、一般用来产生1MHZ以上的高频信号，由上表我们可以知道选择RC振荡电路。其基本电路为RC文氏电桥振荡电路。 图1 RC桥式震荡电路 RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。理论推导过程如下： 即当f0=1(2RC)时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的13，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，也可通过改变R，C的取值，选出不同频率的信号。图2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2中若去掉X i，由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出，如图3所示X f=X i，可得自激振荡电路。自激振荡必须满

6、足以下条件： 图2 正弦波震荡电路图3 自激震荡电路 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。 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 3.3 方案设计 3.3.1 振荡电路 振荡电路图如图4所示 图4 振荡电路图 选择C 1=0.1uF ，R 4=1k ，根据公式R R C f f 41021

7、=，结合表一，即可计算出八个 音阶对应的电阻值，分别为R 5=9.09K ，R 6=10.34 K ，R 7=13.08K ，R 8=16.15 K ，R 9=20.44 K ，R 10= 23.26K ，R 11=28.72 K ，R 12=36.34K 。 选定 R 4R ，且R 4R (8) 由式3推导可得： F=R R 421+ 21 (9) 则由式(8)及起振条件|A F|1，可得： 213 21+=R R R A 即 321R R R + （10） 选择R 1=800，R 2=900，R 3=1500 3.3.2 集成功放电路 集成功放电路图如图5所示 图5 集成功放电路图 如图5

8、所示为LM386外围器件最少的连接方式，其内置电压增益为20倍。C 3取4.7uF 为退耦电容，所谓退耦即防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。换言之，退耦电容能够有效地消除电路网络之间的寄生耦合。退耦滤波电容的取值通常为4.7-200uF ，退耦压差越大，电容的取值应该越大。 C 4为旁路电容，它可将混有高频信号和低频信号的交流信号中的高频成分旁路掉的电容，取10uF 。C 6为隔直传交电容，取220uF 。 3.3.3 整体电路图 图6 整体电路图 4. Proteus原理图绘制 4.1选取元件 进入Proteus界面后，单击工具栏上的“新建

9、”按钮，新建一个设计文档。单击“保存”按钮，在弹出的对话框中的文件名框中输入“简易电子琴”，再单击“保存”按钮，完成新建设计文件操作，其后缀名自动为.DSN。 单击绘图工具栏中的元件模式中的“P”按钮，弹出如图9所示的选取元器件对话框，在此对话框左上角“keywords(关键词)”一栏中输入元器件名称，如“LM324”，系统在对象库中进行搜索查找，并将与关键词匹配的元器件显示在“Results”中。在“Results”栏中的列表项中，双击“LM324”，则可将其添加至对象选择器窗口。按照此方法完成其它元器件的选取，如果忘记关键词的完整写法，可以用“*”代替，如“SWITC*”可以找到开关。被选

10、取的元器件4.2放置元件及排版 通过对象选择器窗口单击选择相应元件，在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。 元件的移动：用鼠标左键按住元件拖曳。 元件的旋转：选定所需旋转元件，单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。 元件的删除：通过鼠标左键选定要删除的元件，点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。 将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。以此类推，按照实验原理图放置元件并布线。 引出节点：在所需引出节点导线处单击鼠标右键，移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。 完成电路布线后，为使电路更加紧凑

11、有逻辑性，各功能区域明显，应对相应元件或导线位置进行相应调整。 4.3模拟及仿真 电路连接无误后，根据实验要求，选定所需信号源及测试仪表，单击仿真键仿真。 示波器：在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点。 5.Proteus电路仿真 由于Proteus具有强大的仿真功能，所以我们优先选用Proteus作为本电路图的仿真工作。在电路原理图中，我们已经将各元件安放参数调试完毕。 下面就需要用示波器观察输出参考点波形。 我们将第一个采样点选取在振荡电路的输出端，将第二个采样点选取在总电路的输出端。先将所有的开关打开，单击开始按钮，弹出示波器显示窗格，通过按下不同的按键改变R的值，从而改变频率进而发出不同的声音，但只能同时闭合一个开关。观察示波器输出的波形，进行仿真结果分析。