简易电子琴课程设计报告超详细.pdf
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1、 广州大学 机械与电气工程学院 电子信息工程系 课 程 设 计 报 告 课程名称:电子技术课程设计 设计题目:简易电子琴 专业班级:电子信息工程 2 班 设 计 者:苏伟强 学 号:51 06 指导教师:秦 剑 彭绍湖 设计所在学期:20162017 学年 第 2 学期 设计所在时间:2014 年 7 月 6 日-12 日 地 点:电子信息实验楼 314 315 目录 一 课程设计题目.3 1 题目分析理解 二 设计任务及要求.3 1 要求 2 任务安排 3 进度安排 三 电路设计.4 1 方案论证 2 单元电路设计与数据分析 文氏桥正弦波震荡电路 LM386 组成的功率放大电路 3 确认理论
2、参数 四 电路仿真.13 1 multisim 仿真图 2 仿真结果 3 误差分析及总结 五 元器件的选择.19 1 元件分析 1 元件清单 六 PCB 设计.错误!未定义书签。0 1 原理图设计 2 选择封装 3 生成 PCB 七 制作与调试.22 1 电路板的热转印,焊接元器件 2 故障排除并且接通电源 3 调试过程 4 数据记录和分析 八 试验中遇到的问题.25 1 仿真过程遇到的问题 2 制作 PCB 遇到的问题 3 电路调试的时候遇到的问题 九 心得体会.26 十 参考文献.27 附录:1 实物图 附录:2 元件清单 一 课程设计题目 1 题目分析理解 在众多的题目里面我们选择“简易
3、电子琴”作为我们课程设计的课题。现在的电子琴一般使用 PCM 或 AWM 采样音源,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。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。甚至老式电子琴的 FM 合成机构。但是这显然不是这次课程设计的方向和内容,根据课程设计的要求“融会贯通其所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法”说明本次实验需要运用模拟电路还有数字电路的知识进行电路设计,所以,
4、方案的设计就必须绕开单片机等大型的 MCU,尽量选用市场上可以提供的中、大规模集成电路芯片和各种分立元件等电子器件,并通过应用性设计来实现各功能单元的要求以及各功能单元之间的协调关系。二 设计任务及要求 1 要求 我们选择的题目是简易电子琴,顾名思义,要求就是可以通过操作按键产生dou,re,mi,fa,so,la,si,do(高音),声音要求音色相同,界限分明。2 任务安排 本次进行该课程设计,我们组有两个同学,分别是苏伟强,周宇恒,苏伟强担任组长,负责电路的设计,仿真,原理图及 PCB 绘制,调试过程的技术支持,数据分析等,周宇恒负责元器件的采购,电路板的腐蚀及焊接,故障排除,电路调试,数
5、据测量等。3 进度安排 相关知识的回温,电路的初步构想,并进行仿真 画出 PCB,购买元器件,并制出 PCB 板 实物调试 数据测量,数据分析,书写报告 三 电路设计 1 方案论证 方案一:LM324 与电阻电容构成文氏桥正弦波振荡器,正弦波的频率可通过电阻修改,输出的正弦波再通过 LM386 组成的功放,提高带载能力,驱动喇叭发声。方案二:利用单片机的定时计数器产生 CTC 模式产生频率可调的方波,驱动蜂鸣器发声 方案三:利用 NE555 与电阻,电容等组成可控多谐振荡器,NE555 产生方波信号,再经LM386 进行功率放大,驱动喇叭发声。选择方案:方案二使用单片机实现,虽然是最简单的方法
6、,但是不符合本课程设计的要求,相关单片机课程设计是接下来的课程,方案三,设计难度也不大,但是由于需要用到 3 个芯片,成本身高,555 集成性较高,对了解实验原理不是有很大的帮助,不是非常符合本实验的要求,不予考虑,方案二仅仅使用一片集成运放,和 LM386 组成功放即可实现全部功能,设计底层的相关计算比较难,但是对了解电路运行原理基本理论,提高自身能力非常有帮助,所以,该课程设计,我们选择了方案二作为最终方案。2 单元电路设计与数据分析 整体实现电路包括,文氏桥正弦波震荡电路还有 LM386 组成的功率放大电路,整体的框图如图 1 所示:图 1 现在对每部分进行分析:文氏桥正弦波震荡电路 所
7、谓的正弦波震荡电路其实就是对电路电扰动(如合闸通电,还有幅度很小频率丰富的输出量)进行选频,并且对所选的频率输出量进行放大,其他频率的输出量进行衰减的电路。在文氏桥震荡正弦波震荡电路中,选频网络为文氏桥电路,放大电路是同相比例放大电路(负反馈),为了保证对特定频率的输出量的放大能不断进行,引入了正反馈环节,文氏桥电路也接正反馈回路,但是这样的放大不能无限放大,所以,必须同相比例放大电路的放大倍数要随着时间非线性减小,使得电路能尽快达到正弦平衡,引入所谓的非线性环节,通过二极管在导通电阻无穷小,不导通电阻无穷大的特性,使放大电路的比例系数,在满足起震条件(后面会分析起震条件)后,随着时间的推移迅
8、速下降,能尽快达到动态平衡,输出一定频率的正弦波如图 2。图 2 所以:ofXFAXAXo 于是:1FA 为了合闸通电之后能经过尽可能短的时间放大,然后尽快达到平衡,有起震条件:1FA 综上所述,正弦波震荡电路必须由一下四部分组成(1)放大电路(2)选频网络(3)正反馈电路(4)非线性环节。下面对文氏桥正弦波震荡电路各部分进行分析:图 3 文氏桥电路 如图 3 所示的文氏桥电路充当的是正反馈电路和选频网络电路,下面讨论起选频特性 电路的传递函数sCRsCRCRsUsUsGof1/1s1/)()()(212 (1)替换 sj得:CRCRCRjGj1/j1j1/)(212 (2)进一步化简得到:1
9、1/11)(21CjRCjRjG (3)替换Cj1,化简得到:)(21211)(1)(212122121221RRRRRRRRRRRjG (4)恢复Cj1,化简得到:)1(21)(2121CRCRjRRjG (5)例如 R1=2000,R2=1000,C=令21021RRCf 使用 matlab 绘制(1)函数得到:图 4 图 4 f=0:1:10000;R1=2000;R2=1000;C=*10-6;f0=1/2*pi*C*sqrt(R1*R2);F=1./(2+R1/R2+j*(2*pi.*f*C*R1-1./(2*pi.*f*C*R2);figure;subplot(2,1,1);plo
10、t(f,angle(F);title(相位频谱);ylabel(G(jw);xlabel(f);subplot(2,1,2);plot(f,abs(F);title(幅度频谱);ylabel(|G(jw)|);xlabel(f);z11251000*200010*1.0*21216-210HFRRCf,由幅度谱可以知道当;0)(|,|41|U|41|)G(j|0f0fUffo即时,因为 相当于带通滤波器,又因为在整个文氏桥正弦波发生电路,反馈系数)(jwGF,要筛选出需要的信号 f0,也就是说 f0 的信号要放大,其他信号缩小,但是事实往往无法特别精确,因为文氏桥电路使得频率为 f0 的信号强
11、度下降为41即41F,所以放大倍数A至少要大于4,才能使得在选频-放大过程中信号不至于衰减,这也是必须1FA起振的原因,当然,其他频率的信号必须衰减,由传递函数的幅度频谱可以看出,要保证筛选出来的信号频率f0 只在很小的范围内存在误差,那就必须使得41微大于,也就是微大于AFA,而不能无限制的升高FA,然而,如何控制1FA呢,由该例(R1=2000,R2=1000,C=,根据前面所述41F,根据正弦波动态平衡条件44111FA,起震时必须A4,通过调整同相比例放大电路可以实现 A 的微调,这样一来,频率为 f0 的信号虽然被文氏桥衰减了,但是通过放大,得到了补充,依旧可以维持,并且持续放大,直
12、到动态平衡,频率不是 f0 的信号,文氏桥对他们衰减的幅度比 f0 信号更大,虽然也得到相同程度的放大,但是不足以使其信号始终保留,只会慢慢衰减,每经过一次文氏桥衰减的情况见传递函数幅度谱.可以看到频率低于 f0 的信号衰减得比较快。注:以上的讨论仅仅是对于 R1=2000,R2=1000,C=这种情况下,文氏桥电路的传递函数,不同的电阻和电容的组合有不同的传递函数,系统的频谱图也不同,但是相同的是都是带通滤波模型,且2121021CCRRf。本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的 R1=2000,C1=C2=C=,通过修改2R的阻值,根据21021RRCf得到对应频率信号的输出,通过
13、 matlab 计算输出,得到发出所有乐声频率的2R的理论阻值为如下:乐声 dou re mi fa so la si od 频率(Hz)261 293 329 349 392 440 493 523 R2(k)f=261 293 329 349 392 440 493 523;R1=2000;C=*10(-6);RX=zeros(1,8);for x=1:8 RX(x)=1/(f(x)2)*4*(pi2)*(C2)*R1);end RX=RX./1000;下面对同相比例放大电路做具体分析:如同所示的同相比例放大电路包含正弦波震荡电路的放大电路环节还有非线性环节,如图 5 所示电路:图 5 如
14、图 5 所示在电路刚起振的时候,电压比较低,还无法使得两个二极管导通,根据二极管未导通时动态电阻无穷大的特点,两个二极管相当于断开,2fR接入电路,根据同相比例放大电路特点,电压放大倍数:021u1RRRAff。过一段时间后,二极管被导通,2fR被短路,反馈回路只有1fR接入电路,电压放大倍数011RRAfu,可以看到,电压放大倍数uA从刚起振到经过一段时间,由于二极管动态电 阻 的 非 线 性 特 性,呈 现 非 线 性 减 小,由 起 振 条 件1FA,当 得以满足件减小,使得正弦平衡条不变,当1,FAAFAAu。同相比例放大电路的主要目的是放大特定频率的信号,如何实现这个过程,以下对此展
15、开讨论,我们需要确定电压放大倍数uA,以确定电阻0R,1fR,2fR的取值,我们知道,由于起震条件1FA,F的值,如图 3,就本课程设计而言,需要改变2R的取值,所以,势必文氏桥的传递函数就会改变,F值就会改变,要保证起振条件1FA满足,势必得每个AF值匹配一个放大倍数,电路才可以精确的工作,但是现实中往往相对调高一点uA的取值(但是又往往不能太大,下面会进行讨论),以满足所有F,使得电路都能起振,现在就本课程设计的相关数据进行讨论,确定相应的电压放大倍数uA,本实验通过修改2R的值,分别对应着一个文氏桥的传递函数,如下图所示,用 matlab 分别画出传递函数幅度谱,观察在0f处的幅度变化值
16、,即|)(|FjG。设R1=2000,C1=C2=C=,图中标注了点0fx 图 6 f=0:3000;R1=2000;R2=14752;C=*10-6;f0=1/(2*pi*C*sqrt(R1*R2);F=1./(2+R1/R2+j*(2*pi.*f*C*R1-1./(2*pi.*f*C*R2);figure;subplot(2,1,1);plot(f,angle(F),LineWidth,2);title(相位频谱);ylabel(G(jw);xlabel(f);subplot(2,1,2);plot(f,abs(F),LineWidth,2);title(幅度频谱);ylabel(|G(j
17、w)|);xlabel(f);由图的可以得到下面表格的数据:注:minA为满足起振条件的最小值FA1min 2R(K)0f(Hz)261 293 329 349 392 440 493 523 F minA 可以看到,随着电阻的减小,选择的频率0f就越来越高,这符合21021RRCf 但是,这样的升高不是没有代价的,代价就是频率为 f0 的信号被该系统(文氏桥电路),削弱的越多,可以看到,随着频率的升高,F 的值越来越小,可见文氏桥选频网络不适合做高频筛选,因为频率越高衰减就越多,衰减越多,放大倍数不能够大,所以信号的完整度得不到保证,对此可以使用 LC 正弦波振荡电路,这里不展开。从图上看,
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