課程設(shè)計(jì)---簡(jiǎn)易電子琴電路的設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)樂音信號(hào)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(shí)CPU回放該音。甚至有一些高級(jí)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(jì)主要是通過對(duì)電子琴主體部分的電路進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，按下不同琴鍵

3、改變 RC值，發(fā)出C調(diào)的八個(gè)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(jì)目的及意義</p><p>　　1）培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計(jì)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(jì)，使學(xué)生在理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料、標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　與規(guī)范的運(yùn)用和計(jì)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(shí)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(jì)打好基礎(chǔ)基本要求。</p><p>　　2.Proteus軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　Proteus軟件是由英國(guó)LabCenter Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件，ARES是一款高級(jí)的布線編輯器，它集成了高級(jí)原理布線圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電

6、子設(shè)計(jì)。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(guó)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(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平

7、臺(tái)，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(duì)寄存器、存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；具有斷點(diǎn)調(diào)試功能及單步調(diào)試功能；具有對(duì)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(duì)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(jì)，便于測(cè)量和記錄仿真的波形、數(shù)據(jù)。</p><p>　　3. 簡(jiǎn)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(gè)音階對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)，再通過揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，就能制作出簡(jiǎn)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(jì)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(hào)；而LC振蕩電路一般用來產(chǎn)生1MHZ以上的高頻信號(hào)，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(hào)。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(shí)，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(shí)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(hào)，也可通過改變R，C的取值，選出不同頻率的信號(hào)。</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(hào)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(hào)的補(bǔ)償作用，仍有信號(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)過了選頻和放大兩個(gè)階段。具體來說，是對(duì)于選定的頻率進(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號(hào)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(gè)三級(jí)放大電路。</p><p>　　第

17、一級(jí)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(hào)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(jí)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(jí)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(jí)。二極管D1和D2為輸出級(jí)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(gè)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(shí)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(jì)</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(jì)算出八個(gè)音階對(duì)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L(zhǎng)M386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(shí)，在供電電路中所形成的電流沖動(dòng)

24、對(duì)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(hào)和低頻信號(hào)的交流信號(hào)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(gè)設(shè)計(jì)文檔。單擊“保存”按鈕，在彈出的對(duì)話框中的文件名框中輸入“簡(jiǎn)易電子琴”，再單擊“保存”按

26、鈕，完成新建設(shè)計(jì)文件操作，其后綴名自動(dòng)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(duì)話框，在此對(duì)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(duì)象庫(kù)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)：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?jiǎng)h除的元件，點(diǎn)擊鍵盤上的delete鍵即可完成對(duì)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(dòng)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(duì)

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：?jiǎn)螕粝鄳?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(dòng)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(hào)源及測(cè)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(cè)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(gè)采樣點(diǎn)選取在振蕩電路的輸出端，將第二個(gè)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(shí)閉合一個(gè)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(cè)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(cè)量</p><p>　　1）由示波器的波形可讀出各個(gè)音調(diào)所對(duì)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(duì)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(gè)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(jì)仿真比較成

38、功，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jì)算的理論值之間有差距；</p><p>　　有一定的干擾信號(hào)存在，使結(jié)果出現(xiàn)誤差；</p><p>　

39、　在對(duì)波形的周期進(jìn)行讀數(shù)時(shí)，人為的引起誤差。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　通過了幾周的準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)，我們終于完成了簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)。</p><p>　　我們這是第一次接觸課程設(shè)計(jì)，所以一直在邊學(xué)習(xí)邊設(shè)計(jì)。首先開始學(xué)習(xí)proteus軟件，學(xué)會(huì)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(jiǎn)易電子琴有很多方法，但由于我們對(duì)其他方案中的單片機(jī)等元器件不了解，對(duì)其中的電阻電容等一些頻率的計(jì)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(jì)。</p><p>　　在設(shè)計(jì)振蕩電路的時(shí)候，我們遇到了問題。我們通過理論計(jì)算，選取了元器件，然后按照設(shè)計(jì)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(jì)集成功率放大器時(shí)，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(duì)稱功放，但是由于在proteus的軟件庫(kù)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(shí)候激動(dòng)的心情是難以形容的。</p><p><b>　　8. 心得體會(huì)</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(jì)、仿真》 ，高等教育出版社，2002</p><p>　　童詩(shī)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>