1、摘要電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器，它在音奏中已成為不可缺少的一部分。本文主要介紹運用555定時器制作簡易電子琴的設計方法。該方法利用555定時器構成多諧振蕩器，通過按鍵控制不同的RC組合應用多諧振蕩器產生不同頻率八個基本音階的脈沖信號波，然后連到揚聲器上，即可發(fā)出八音階的音樂。在該設計中，利用了555定時器構成的多諧振蕩器產生各音階不同頻率的脈沖，不僅僅使其頻率調節(jié)更加方便，而且發(fā)出的聲音穩(wěn)定、飽滿。關鍵詞：簡易電子琴，555定時器，多諧振蕩器，八個基本音階目錄前言1第一章 設計內容及要求21.1 設計的基本原理21.2 設計要求2第二章 系統(tǒng)組成及工作原理32.

2、1 系統(tǒng)組成32.1.1 按鍵模塊32.1.2音調發(fā)生模塊32.1.3音響模塊42.2 工作原理42.2.1 NE555多諧振蕩器52.2.2 LM386集成功率放大器7第三章 方案比較83.1 方案一83.2 方案二93.3方案三103.4方案分析與比較11第四章 參數計算、器件選擇124.1 參數計算124.2 器件選擇12第五章 系統(tǒng)調試及測試結果分析145.1 系統(tǒng)調試185.2 硬件調試19 25.3 測試結果與分析195.4 誤差分析19 實驗小結及心得體會20 結論21 參考文獻22 附錄一23 附錄二24 3前 言隨著當代科學設計的發(fā)展，電子產品在人們的日常生活中占據著越來越多

3、重要的地位。電子琴作為其中的一個典型代表，引領著許多孩子進入音樂的殿堂。因此，我們選擇了簡易電子琴這個題目來制作，因為它不僅能過提高實際動手能力，還與實際生活有著緊密的聯(lián)系。模擬電子技術基本教程是一門實踐性很強的課程，而此次課程設計依據的理論基礎是模擬電子技術基本教程，其主要目的是通過本課程的培養(yǎng)，啟發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，進一步探究書本知識。本課程設計是設計出一個電子產品，先焊接好，再進行檢驗。在電子課程設計的過程中，系統(tǒng)的概念十分重要，熟悉從系統(tǒng)的層次分析問題、解決問題的方式?；痉椒ǔ藢嶒炚n中要求掌握的功能測試、故障排除等各種一般方法以外、要特別注重使用“電路拼裝”的方法。課程設計的一般步

4、驟如下：（1）、選擇一個課題；（2）、查閱有關資料；（3）、進行可行論證；（4）、通過設計方案的比較，定出最優(yōu)的設計方案；（5）、分解為多個模塊；（6）、分別設計各個功能模塊電路，并完成調試；（7）、組裝成完整的數字系統(tǒng)；(8)、編寫設計、安裝、調試報告。1第一章設計原理及要求1.1 設計的原理555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結構，體積小，使用起來方便。只要在外部配上幾個適當的阻容元件，就可以構成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器等脈沖信號產生與變換電路。它在波形的產生與變換、測量與控制、定時電路、家用電器、電子玩具、電子樂器等方面有廣泛的應用。由555定時器電路組成的

5、多諧振蕩器，它的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中的RC原件的數值進行改變。根據這一原理，通過設定一些不同的RC數值并通過控制電路，按照一定的速度依次將不同的RC組件接入振蕩電路，就可以使振蕩電路按照設定的要求，有節(jié)奏的發(fā)射已設定的音頻信號與音樂。下圖為電子琴總框圖：圖1.1簡易電子琴總框圖1.2設計要求1）產生e 調8個音階的振蕩頻率，它分別由1、2、3、4、5、6、7、0號數字鍵控制。其頻率分別為：1：261.6HZ、2：293.6HZ、3：329.6HZ、4：349.2HZ、5：392.0HZ、6：440.0HZ、7：493.9HZ、0：523HZ。2）利用集成功放放大該信號，驅動揚聲器。3

6、）設計一聲調調節(jié)電路，改變滑動變阻器，生成不同的頻率聲音2第二章 系統(tǒng)組成及工作原理2.1 系統(tǒng)組成2.1.1 按鍵模塊在電路板上安裝八個按鍵開關，分別接入對應的電路中來控制輸出頻率。如圖2.1.1所示。圖2.1.1圖2.1.1示電路實現(xiàn)頻率的控制，采用一個單刀單擲開關來代替按鍵開關，從左到右依次閉合開關，即可以獲得所需的頻率。2.1.2 音調發(fā)聲模塊圖2.1.2圖2.1.2所示是整個電路設計的關鍵， 由一個555芯片和幾個電容以及電阻組成多諧振蕩器，經過可調電阻輸出設計所需對應的頻率。32.1.3 音響模塊由一個LM386芯片和一個喇叭組成音響，LM386將系統(tǒng)產生的信號放大，經過喇叭發(fā)出聲

7、音。模塊設計圖如圖2.1.3所示圖2.1.3 音響模塊2.2 工作原理音樂產生原理及硬件設計由于一首音樂是由許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率，例如本次實驗所需頻率如下：1：261.6HZ、2：293.6HZ、3：329.6HZ、4：349.2HZ、5：392.0HZ、6：440.0HZ、7：493.9HZ、0：523HZ。由此，我們就可以利用不同的頻率的組合，奏出不同的音調，即可構成我們所想要的音樂了。工作原理圖如圖2.2所示圖2.2簡易電子琴的工作原理圖42.2.1 NE555多諧振蕩器：NE555的內部結構可等效成23個晶體三極管、17個電阻、兩個二極管，組成了比較器、RS

8、觸發(fā)器、等多組單元電路。特別是由三只精度較高5k電阻構成了一個電阻分壓器，為上、下比較器提供基準電壓。NE555屬于CMOS工藝制造。NE555引腳介紹如圖2.2.1.1：圖2.2.1.1NE555管腳圖1地 GND；2 觸發(fā)端；3 OUT輸出端；4 復位 R接低電平時及電路不工作，不用時應接高電平；5 CO或VC為 控制電壓端。若此端外接電壓，則可以改變內部兩個比較器的、基準電壓，當改端不用時，應將該端傳入串入一只電容接地，以防引入干擾；6 觸發(fā)端；7 D放電端。該端與放電管集電極相連，用作定時器式電容的放電； 8 VCC（或VDD）外接電源VCC，雙極性是基電路VCC的范圍是4.516V,

9、一般 5V。5【內部原理圖】如圖2.2.1.2所示圖2.2.1.2 內部原理圖圖2.2.1.3555定時器構成的多諧振蕩器電路及工作波形R組成的分壓網絡，產生VCC和VCC兩個基準電壓；兩個電壓比較器C1、C2；一個由與非門G1、G2組成的基本RS觸器（低電平觸發(fā)）；放電三極管T和輸出反相緩沖器G3。Rd是復位端，低電平有效。復位后, 基本RS觸發(fā)器高端為1（高電平），經反相緩沖器后，輸出為（低電平）。62.2.2 LM386集成功率放大器：2.2.2.1 外形、管腳排列及內電路LM 386是一種低電壓通用型音頻集成功率放大器，廣泛應用于收音機、對講機和信號發(fā)生器中； LM 386引腳圖如圖2

10、.2.2.1所示，它采用8腳雙列直插式塑料封裝。圖2.2.2.1 LM386引腳LM386有兩個信號輸入端，腳為反相輸入端，腳為同相輸入端；每個輸入端的輸入阻抗均為50 k，而且輸入端對地的直流電位接近于零，即使輸入端對地短路，輸出端直流電平也不會產生大的偏離。2.2.2 2 LM386主要性能指標LM386的電源電壓范圍為518v。當電源電壓為6V時，靜態(tài)工作電流為4mA。當Vcc=16V，RL=32時輸出功率為1W。、腳開路時帶寬300kHZ，總諧波失真為0.2%,輸入阻抗為50K。本實驗采用的是C調音階，其音階頻率與對應電阻R8值，根據T=0.7（R9+R8）C可計算R8的值。7第三章

11、方案比較3.1 方案一用兩個9013三極管來完成此設計，該設計用兩個9013組成多諧振蕩器，用它來發(fā)出所要音頻的頻率，最后連接到揚聲器組成基本電路。此方案雖然可行，但是揚聲器的聲音不大，效果不是很真實，所以不采用此方案。利用9013來產生對應音頻頻率電路如圖3.1圖3.1 簡易電子琴仿真電路（一）用兩個9013三極管組成多諧振蕩電路，所要求產生的頻率是由V1、V2組成的多諧振蕩電路決定，產生出的頻率驅動揚聲器發(fā)出聲音。原理圖中涉及到了R1、R2、C1、C2、Rw*。計算周期的公式為：T=0.639（R1+Rw*）*C1+(R2+Rw*)*C2,計算頻率的公式為f=1/0.639（R1+Rw*）

12、*C1+(R2+Rw*)*C2。83.2 方案二主要是用兩個555芯片和一個LM386芯片、一個揚聲器以及若干個電阻電容來組成簡易電子琴的系統(tǒng)。此方案中第一個555芯片用來產生鋸齒波形，然后經過第二個555芯片和其他電阻電容組成的施密特觸發(fā)器將鋸齒波形轉變成放波波形，產生驅動揚聲器的信號，再經過LM386將信號放大使揚聲器發(fā)出聲音。我們只要調整接入的電阻阻值就能得到對應音頻的頻率，從而達到所要的效果。不過這個方案要使用兩個555芯片，在經濟上不是很合理，所以不選擇此方案。由兩個555芯片以及其他元件組成的簡易電子琴電路如圖3.2：圖3.2簡易電子琴仿真電路（二）該方案是用兩個555芯片組成。主

13、要核心是555芯片，前一個555芯片是用來產生振蕩信號，接入不同阻值的電阻Rw*產生不同的音階頻率信號，發(fā)出鋸齒波形。然后通過第二個555芯片，該555芯片接成施密特觸發(fā)器，用來將鋸齒波形轉變?yōu)榉讲úㄐ?，從而得?、2、3、4、5、6、7、0八個音頻音階所對應的頻率，再經LM386集成功率放大器將信號放大，驅動揚聲器發(fā)出對應的音頻音階 。93.3 方案三主要用用一個555芯片和一個LM386集成功率放大器來實現(xiàn)此方案。通過555芯片產生振蕩頻率，發(fā)出信號。再由經LM386功放將信號放大，驅動揚聲器發(fā)聲。通過八個可調電阻來實現(xiàn)1、2、3、4、5、6、7、0八個不同音頻音階，從而達到我們所要的效果

14、。電子琴的具體工作原理圖如圖4.1所示。由一個555芯片以及其他元件組成的簡易電子琴電路仿真圖如圖3.3：圖3.3簡易電子琴仿真電路（三）該方案主要用一個555芯片來產生振蕩頻率，調節(jié)可變電阻得到1、2、3、4、5、6、7、0所對應音頻音階的頻率，再經過LM386集成功率放大器將信號放大，從而驅動揚聲器發(fā)聲。本圖簡單的應用了示波器，由于仿真軟件中未用揚聲器，因此只能通過顯示的波形以及其顯示的數據來計算出所產生的聲音信號的頻率，從而確定所發(fā)出的聲音是否為1、2、3、4、5、6、7、0的聲調。103.4 方案分析與比較方案一中用到的兩個555芯片從經濟角度來說不是很合理，而且電路也比較復雜，給后面

15、的操作造成較大的困難，所以此方案不是很合理，因此不采納該方案。方案二中電路雖然簡單，但是經過實驗操作，得到的聲音很小，得到的音階不是很準，同時還不能很好的實現(xiàn)預期的效果，所以此方案不用。方案三的電路相對前二者則比較合理，選擇的元器件也不是很多，再加上電路比較簡單，所以在后續(xù)實驗操作時不會造成很大的困難，更重要的是，它得到的音階較準，聲音較大，基本符合設計的要求，所以選用方案三。11第四章 參數計算、器件選擇4.1 參數計算通過計算得到可調電阻的阻值。逐個調節(jié)可變電阻的阻值，使每個阻值都對應所需的阻值后，電子琴發(fā)出所需要的聲音，達到了設計的預期效果。計算周期的公式為：T=0.7（Rw+2R9）*

16、C1，計算頻率的公式為：f=1/0.7（Rw+2R9）*C1。通過計算可知：R1=18.0631k（f1=261.6Hz）;R2=16.1065k（f2=293.6Hz）;R3=7.327k（f3=329.6Hz）; R4=13.5234k（f4=349.2Hz）;R5=12.0437k（f5=392.0Hz）;R6=10.737k（f6=440.0Hz）;R7=4.876k（f7=493.9Hz）; R8=76.7725k（f8=523Hz）。124.2 器件選擇4.2.1 頻率振蕩電路主要以一個NE555芯片為主，電路如圖4.2.1所示。圖4.2.1 NE555應用電路4.2.2 功率放大

17、電路主要以LM386為主，如圖4.2.2圖4.2.2 LM386應用電路圖中，腳所接容量為20F的電容為去耦濾波電容。腳與 腳所接電容、電阻是用于調節(jié)電路的閉環(huán)電壓增益，電容取值為10F，電阻R在020k范圍內取值；改變電阻值，可使集成功放的電壓放大倍數在20200之間變化，R值越小，電壓增益越大。當需要高增益時，可取R0，只將一只10F電容接在 腳與 腳之間即可。輸出端 腳所接10電阻和0.1F電容組成阻抗校正網絡，抵消負載中的感抗分量，防止電路自激，有時也可省去不用。 13第五章 系統(tǒng)調試及測試結果分析5.1 系統(tǒng)調試（附：仿真軟件波形圖）1.關閉開關1（實際操作即奏出“1”音，波圖形如5

18、.1.1所示）圖5.1.1 關閉開關1后的波形2.關閉開關1（實際操作即奏出“2”音，波圖形如5.1.2所示）圖5.1.2 關閉開關2后的波形圖143.關閉開關3（實際操作即奏出“3”音，波圖形如5.1.3所示）圖5.1.3 關閉開關3后的波形圖4.關閉開關4（實際操作即奏出“4”音，波圖形如5.1.4所示）圖5.1.4 關閉開關4后的波形圖155.關閉開關5（實際操作即奏出“5”音，波圖形如5.1.5所示）圖5.1.5 關閉開關5后的波形圖6.關閉開關6（實際操作即奏出“6”音，波圖形如5.1.6所示）圖5.1.6 關閉開關6后的波形圖167.關閉開關7（實際操作即奏出“7”音，波圖形如5.

19、1.7所示）圖5.1.7 關閉開關7后的波形圖8.關閉開關8（實際操作即奏出“i”音，波圖形如5.1.8所示）圖5.1.8 關閉開關8后的波形圖175.2 硬件調試電路安裝完畢后，先認真檢查接線是否正確，引腳是否虛焊，包括是否錯線、少線、多線。線路連接錯誤一般是因為接線時看錯引腳，或者改接時忘記去掉原來的舊線造成的，實驗查線往往不易發(fā)現(xiàn)。首先按照總電路圖檢查是否有引腳連接錯誤，連接短路，接著用萬用表依次檢測電路的焊接中是否有虛焊或者短路的情況。焊接時注意點，這種情況可以避免。檢查完成后，只需注意輸入電壓不要過高，12V即可，通過電阻的串并聯(lián)，按下按鈕開關后，有相應的聲音發(fā)出。在實物焊接時，對電

20、路板上各個元件的位置要布局合理，盡量使連線方便，且能保持電路板的整體美觀。焊接過程中，要注意手工焊接的基本步驟和注意事項，尤其注意焊接時間要適當，避免虛焊、假焊。對于原件的安裝方法，在保持有電路板整體美觀效果的前提下，可依據板面的大小和原件的具體尺寸合理安排。對于集成電路的焊接，最好是先把底座焊接上去，在調試時再裝上芯片，這樣可以避免芯片在焊接時不被燒壞。對于電熔焊接，注意電解電容的極性。由于設計電路本身的缺陷，當按下按鈕，基本能夠發(fā)出1、2、3、4、5、6、7、0八個音階，但效果不是很好，有沙沙的聲音。185.3 測試結果與分析1. 將開關焊接上去后，用萬用表檢查后發(fā)現(xiàn)按鈕開關焊錯，四個腳都

21、焊接上去了，導致開關按鈕按與不按，萬用表都會在蜂鳴檔發(fā)出蜂鳴聲。解決方法：由于有8個按鈕開關，要一個個的重新焊接很麻煩，因此選擇將兩排管腳中間的銅板所鍍的銅用刀刮去一些，使得一個管腳與其對角或與對角管腳通在一排的管腳形成打通，使得開關按下去萬用表蜂鳴，不按則相當于短路，從而起到開關作用。2. 將元器件焊接好后發(fā)現(xiàn)電路無法工作，經檢查后發(fā)現(xiàn)連接電源的導線接錯接在了仿真圖中所示的R1左端。解決方法：將導線接在了開關K1上端。從而電路發(fā)出了聲音。3. 將1中的導線位置調節(jié)好后然發(fā)現(xiàn)電路所發(fā)出的聲音比較小，后來發(fā)現(xiàn)C4電容選47f太大，幾乎聽不到揚聲器發(fā)出聲。解決方法：把原件拆下重新焊接。在多次試驗后將C4換成10nf，后來發(fā)出響亮而清晰悅耳的聲音。5.4 誤差分析電容之間會相互影響，且由于揚聲器質量并不是很好，實際揚聲器發(fā)出的聲音還是有一些雜音，會導致發(fā)出的聲音并非完美。19實驗小結及心得體會通過對整個