简易电子琴课程设计报告.doc

摘要
电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器，它在音奏中已成为不可缺少的一部分。本文主要介绍运用555定时器制作简易电子琴的设计方法。该方法利用555定时器构成多谐振荡器，通过按键控制不同的RC组合应用多谐振荡器产生不同频率八个基本音阶的脉冲信号波，然后连到扬声器上，即可发出八音阶的音乐。在该设计中，利用了555定时器构成的多谐振荡器产生各音阶不同频率的脉冲，不仅仅使其频率调节更加方便，而且发出的声音稳定、饱满。
关键词：简易电子琴，555定时器，多谐振荡器，八个基本音阶

目录
前言·······························································1
第一章 设计内容及要求··········································2
1.1 设计的基本原理··············································2
1.2 设计要求···················································2
第二章 系统组成及工作原理·····································3
2.1 系统组成···················································3
2.1.1 按键模块··················································3
2.1.2音调发生模块··············································3
2.1.3音响模块··················································4
2.2 工作原理···················································4
2.2.1 NE555多谐振荡器··········································5
2.2.2 LM386集成功率放大器······································7
第三章 方案比较·················································8
3.1 方案一······················································8
3.2 方案二······················································9
3.3方案三·····················································10
3.4方案分析与比较·············································11
第四章 参数计算、器件选择····································12
4.1 参数计算···················································12
4.2 器件选择···················································12
第五章 系统调试及测试结果分析······························14
5.1 系统调试···················································18
5.2 硬件调试···················································19 2
5.3 测试结果与分析·············································19
5.4 误差分析···················································19 实验小结及心得体会················································20 结论······························································21 参考文献·························································22 附录一····························································23 附录二····························································

24 3
前 言
随着当代科学设计的发展，电子产品在人们的日常生活中占据着越来越多重要的地位。电子琴作为其中的一个典型代表，引领着许多孩子进入音乐的殿堂。因此，我们选择了简易电子琴这个题目来制作，因为它不仅能过提高实际动手能力，还与实际生活有着紧密的联系。
模拟电子技术基本教程是一门实践性很强的课程，而此次课程设计依据的理论基础是模拟电子技术基本教程，其主要目的是通过本课程的培养，启发学生的创造性思维，进一步探究书本知识。本课程设计是设计出一个电子产品，先焊接好，再进行检验。
在电子课程设计的过程中，系统的概念十分重要，熟悉从系统的层次分析问题、解决问题的方式。基本方法除了实验课中要求掌握的功能测试、故障排除等各种一般方法以外、要特别注重使用“电路拼装”的方法。课程设计的一般步骤如下：（1）、选择一个课题；（2）、查阅有关资料；（3）、进行可行论证；（4）、通过设计方案的比较，定出最优的设计方案；（5）、分解为多个模块；（6）、分别设计各个功能模块电路，并完成调试；（7）、组装成完整的数字系统；(8)、编写设计、安装、调试报告。
1
第一章设计原理及要求
1.1 设计的原理
555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
由555定时器电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡电路中的RC原件的数值进行改变。根据这一原理，通过设定一些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的速度依次将不同的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏的发射已设定的音频信号与音乐。
下图为电子琴总框图：

图1.1简易电子琴总框图
1.2设计要求
1）产生e 调8个音阶的振荡频率，它分别由1、2、3、4、5、6、7、0号数字键控制。其频率分别为：1：261.6HZ、2：293.6HZ、3：329.6HZ、4：349.2HZ、5：392.0HZ、6：440.0HZ、7：493.9HZ、0：523HZ。
2）利用集成功放放大该信号，驱动扬声器。
3）设计一声调调节电路，改变滑动变阻器，生成不同的频率声音
2
第二章 系统组成及工作原理
2.1 系统组成
2.1.1 按键模块
在电路板上安装八个按键开关，分别接入对应的电路中来控制输出频率。如图2.1.1所示。

图2.1.1
图2.1.1示电路实现频率的控制，采用一个单刀单掷开关来代替按键开关，从左到右依次闭合开关，即可以获得所需的频率。
2.1.2 音调发声模块

图2.1.2
图2.1.2所示是整个电路设计的关键， 由一个555芯片和几个电容以及电阻组成多谐振荡器，经过可调电阻输出设计所需对应的频率。
3
2.1.3 音响模块
由一个LM386芯片和一个喇叭组成音响，LM386将系统产生的信号放大，经过喇叭发出声音。模块设计图如图2.1.3所示

图2.1.3 音响模块
2.2 工作原理
音乐产生原理及硬件设计由于一首音乐是由许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，例如本次实验所需频率如下：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，我们就可以利用不同的频率的组合，奏出不同的音调，即可构成我们所想要的音乐了。工作原理图如图2.2所示

图2.2简易电子琴的工作原理图
4
2.2.1 NE555多谐振荡器：
NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组
成了比较器、RS触发器、等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成
了一个电阻分压器，为上、下比较器提供基准电压。
NE555属于CMOS工艺制造。
NE555引脚介绍如图2.2.1.1：

图2.2.1.1NE555管脚图
1地 GND；
2 触发端；
3 OUT输出端；
4 复位 R接低电平时及电路不工作，不用时应接高电平；
5 CO或VC为 控制电压端。若此端外接电压，则可以改变内部两个比较器的、
基准电压，当改端不用时，应将该端传入串入一只电容接地，以防引入干扰；
6 触发端；
7 D放电端。该端与放电管集电极相连，用作定时器式电容的放电； 8 VCC（或VDD）外接电源VCC，双极性是基电路VCC的范围是4.5—16V,一般 5V。
5
【内部原理图】如图2.2.1.2

所示
图2.2.1.2 内部原理图

图2.2.1.3555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形
R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS
触器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。Rd是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器高端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为（低电平）。
6
2.2.2 LM386集成功率放大器：
2.2.2.1 外形、管脚排列及内电路
LM 386是一种低电压通用型音频集成功率放大器，广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中； LM 386引脚图如图2.2.2.1所示，它采用8脚双列直插式塑料封装。

图2.2.2.1 LM386引脚
LM386有两个信号输入端，②脚为反相输入端，③脚为同相输入端；每个输入端的输入阻抗均为50 kΩ，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使输入端对地短路，输出端直流电平也不会产生大的偏离。
2.2.2 2 LM386主要性能指标
LM386的电源电压范围为5~18v。当电源电压为6V时，静态工作电流为4mA。当Vcc=16V，RL=32Ω时输出功率为1W。①、⑧脚开路时带宽300kHZ，总谐波失真
为0.2%,输入阻抗为50KΩ。本实验采用的是C调音阶，其音阶频率与对应电阻R8值，根据T=0.7（R9+R8）C可计算R8的值。
7
第三章 方案比较
3.1 方案一
用两个9013三极管来完成此设计，该设计用两个9013组成多谐振荡器，用它来发出所要音频的频率，最后连接到扬声器组成基本电路。此方案虽然可行，但是扬声器的声音不大，效果不是很真实，所以不采用此方案。
利用9013来产生对应音频频率电路如图

3.1
图3.1 简易电子琴仿真电路（一）
用两个9013三极管组成多谐振荡电路，所要求产生的频率是由V1、V2组成的多谐振荡电路决定，产生出的频率驱动扬声器发出声音。原理图中涉及到了R1、R2、C1、C2、Rw*。计算周期的公式为：T=0.639[（R1+Rw*）*C1+(R2+Rw*)*C2],计算频率的公式为f=1/0.639[（R1+Rw*）*C1+(R2+Rw*)*C2]。
8
3.2 方案二
主要是用两个555芯片和一个LM386芯片、一个扬声器以及若干个电阻电容来组成简易电子琴的系统。此方案中第一个555芯片用来产生锯齿波形，然后经过第二个555芯片和其他电阻电容组成的施密特触发器将锯齿波形转变成放波波形，产生驱动扬声器的信号，再经过LM386将信号放大使扬声器发出声音。我们只要调整接入的电阻阻值就能得到对应音频的频率，从而达到所要的效果。不过这个方案要使用两个555芯片，在经济上不是很合理，所以不选择此方案。
由两个555芯片以及其他元件组成的简易电子琴电路如图3.2：

图3.2简易电子琴仿真电路（二）
该方案是用两个555芯片组成。主要核心是555芯片，前一个555芯片是用来产生振荡信号，接入不同阻值的电阻Rw*产生不同的音阶频率信号，发出锯齿波形。然后通过第二个555芯片，该555芯片接成施密特触发器，用来将锯齿波形转变为方波波形，从而得到1、2、3、4、5、6、7、0八个音频音阶所对应的频率，再经LM386集成功率放大器将信号放大，驱动扬声器发出对应的音频音阶 。
9
3.3 方案三
主要用用一个555芯片和一个LM386集成功率放大器来实现此方案。通过555芯片产生振荡频率，发出信号。再由经LM386功放将信号放大，驱动扬声器发声。通过八个可调电阻来实现1、2、3、4、5、6、7、0八个不同音频音阶，从而达到我们所要的效果。电子琴的具体工作原理图如图4.1所示。
由一个555芯片以及其他元件组成的简易电子琴电路仿真图如图3.3：

图3.3简易电子琴仿真电路（三）
该方案主要用一个555芯片来产生振荡频率，调节可变电阻得到1、2、3、4、5、6、7、0所对应音频音阶的频率，再经过LM386集成功率放大器将信号放大，从而驱动扬声器发声。
本图简单的应用了示波器，由于仿真软件中未用扬声器，因此只能通过显示的波形以及其显示的数据来计算出所产生的声音信号的频率，从而确定所发出的声音是否为1、2、3、4、5、6、7、0的声调。
10
3.4 方案分析与比较
方案一中用到的两个555芯片从经济角度来说不是很合理，而且电路也比较复杂，给后面的操作造成较大的困难，所以此方案不是很合理，因此不采纳该方案。
方案二中电路虽然简单，但是经过实验操作，得到的声音很小，得到的音阶不是很准，同时还不能很好的实现预期的效果，所以此方案不用。
方案三的电路相对前二者则比较合理，选择的元器件也不是很多，再加上电路比较简单，所以在后续实验操作时不会造成很大的困难，更重要的是，它得到的音阶较准，声音较大，基本符合设计的要求，所以选用方案三。
11
第四章 参数计算、器件选择
4.1 参数计算
通过计算得到可调电阻的阻值。逐个调节可变电阻的阻值，使每个阻值都对应所需的阻值后，电子琴发出所需要的声音，达到了设计的预期效果。计算周期的公式为：
T=0.7（Rw+2R9）*C1，
计算频率的公式为：
f=1/[0.7（Rw+2R9）*C1]。
通过计算可知：
R1=18.0631kΩ（f1=261.6Hz）;R2=16.1065kΩ（f2=293.6Hz）;
R3=7.327kΩ（f3=329.6Hz）; R4=13.5234kΩ（f4=349.2Hz）;
R5=12.0437kΩ（f5=392.0Hz）;R6=10.737kΩ（f6=440.0Hz）;
R7=4.876kΩ（f7=493.9Hz）; R8=76.7725kΩ（f8=523Hz）。
12
4.2 器件选择
4.2.1 频率振荡电路主要以一个NE555芯片为主，电路如图4.2.1所示。

图4.2.1 NE555应用电路
4.2.2 功率放大电路主要以LM386为主，如图

4.2.2
图4.2.2 LM386应用电路
图中，⑦脚所接容量为20μF的电容为去耦滤波电容。①脚与 ⑧脚所接电容、电阻是用于调节电路的闭环电压增益，电容取值为10μF，电阻R在0～20kΩ范围内取值；改变电阻值，可使集成功放的电压放大倍数在20～200之间变化，R值越小，电压增益越大。当需要高增益时，可取R＝0Ω，只将一只10μF电容接在 ①脚与 ⑧脚之间即可。输出端 ⑤脚所接10Ω电阻和0.1μF电容组成阻抗校正网络，抵消负载中的感抗分量，防止电路自激，有时也可省去不用。 13
第五章 系统调试及测试结果分析
5.1 系统调试（附：仿真软件波形图）
1.关闭开关1（实际操作即奏出“1”音，波图形如5.1.1所示）

图5.1.1 关闭开关1后的波形
2.关闭开关1（实际操作即奏出“2”音，波图形如5.1.2所示）

图5.1.2 关闭开关2后的波形图
14
3.关闭开关3（实际操作即奏出“3”音，波图形如5.1.3所示）

图5.1.3 关闭开关3后的波形图
4.关闭开关4（实际操作即奏出“4”音，波图形如5.1.4所示）

图5.1.4 关闭开关4后的波形图
15
5.关闭开关5（实际操作即奏出“5”音，波图形如5.1.5所示）

图5.1.5 关闭开关5后的波形图
6.关闭开关6（实际操作即奏出“6”音，波图形如5.1.6所示）

图5.1.6 关闭开关6后的波形图
16
7.关闭开关7（实际操作即奏出“7”音，波图形如5.1.7所示）

图5.1.7 关闭开关7后的波形图
8.关闭开关8（实际操作即奏出“i”音，波图形如5.1.8所示）

图5.1.8 关闭开关8后的波形图
17
5.2 硬件调试
电路安装完毕后，先认真检查接线是否正确，引脚是否虚焊，包括是否错线、少线、多线。线路连接错误一般是因为接线时看错引脚，或者改接时忘记去掉原来的旧线造成的，实验查线往往不易发现。首先按照总电路图检查是否有引脚连接错误，连接短路，接着用万用表依次检测电路的焊接中是否有虚焊或者短路的情况。焊接时注意点，这种情况可以避免。
检查完成后，只需注意输入电压不要过高，12V即可，通过电阻的串并联，按下按钮开关后，有相应的声音发出。
在实物焊接时，对电路板上各个元件的位置要布局合理，尽量使连线方便，且能保持电路板的整体美观。焊接过程中，要注意手工焊接的基本步骤和注意事项，尤其注意焊接时间要适当，避免虚焊、假焊。对于原件的安装方法，在保持有电路板整体美观效果的前提下，可依据板面的大小和原件的具体尺寸合理安排。对于集成电路的焊接，最好是先把底座焊接上去，在调试时再装上芯片，这样可以避免芯片在焊接时不被烧坏。对于电熔焊接，注意电解电容的极性。
由于设计电路本身的缺陷，当按下按钮，基本能够发出1、2、3、4、5、6、7、0八个音阶，但效果不是很好，有沙沙的声音。
18
5.3 测试结果与分析
1. 将开关焊接上去后，用万用表检查后发现按钮开关焊错，四个脚都焊接上去
了，导致开关按钮按与不按，万用表都会在蜂鸣档发出蜂鸣声。
解决方法：由于有8个按钮开关，要一个个的重新焊接很麻烦，因此选择将两排管脚中间的铜板所镀的铜用刀刮去一些，使得一个管脚与其对角或与对角管脚通在一排的管脚形成打通，使得开关按下去万用表蜂鸣，不按则相当于短路，从而起到开关作用。
2. 将元器件焊接好后发现电路无法工作，经检查后发现连接电源的导线接错
接在了仿真图中所示的R1左端。
解决方法：将导线接在了开关K1上端。从而电路发出了声音。
3. 将1中的导线位置调节好后然发现电路所发出的声音比较小，后来发现C4
电容选47μf太大，几乎听不到扬声器发出声。
解决方法：把原件拆下重新焊接。在多次试验后将C4换成10nf，后来发出响亮而清晰悦耳的声音。
5.4 误差分析
电容之间会相互影响，且由于扬声器质量并不是很好，实际扬声器发出的声音还是有一些杂音，会导致发出的声音并非完美。
19
实验小结及心得体会
通过对整个电路的检查以后，电路没有错误，接通电源，用数字万用表调节可变电阻，使电阻阻值为需要的对应的阻值，依次按下开关，扬声器发出1、2、3、4、5、6、7、0八个对应的音频音阶。由此可得到此方案是正确的，达到了设计所要求的效果。这个简易电子琴能实现一些简单的曲子，可以用来当乐器使用。
经过这次设计，我学到了不少东西。虽然只有一周的时间，我对电路故障的排查能力有了很大的提高，并且通过从总体电路的设计到焊接到调试出成品，极大地激发了我对所学课程的兴趣，而且巩固了课本所学的知识。
而且，在本次设计中，同时也发现自己的许多不足之处。虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中人有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决，说明我将书本知识转化为实践的水平还很薄弱。在实验仿真调试的过程中偶有问题发生。并且明白了在以后的设计中要认认真真、仔仔细细，尽量减少虚焊，减少短路，及规范电路的搭接。
虽然内容并不是很复杂，但我觉得设计的过程相当重要，学到了很多，收获了很多，课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业从学校转到踏上社会的一个过程。我明白了要严格要求自己，精益求精，那样才能提高自己的操作能力，取得更大的进步。
20
参考文献
【1】周惠湖，常用元件及典型应用，北京电子工业出版社，2005
【2】伍爱莲，《电路与电子技术试验教程》.华中科技大学出版社，2006。
【3】陈传虎，刘海宽《电子CAD实训教程》，南京东南大学出版社，2009
【4】陈有卿，《实用555时基电路300例》.中国电力出版社，2005。
【5】吴有宇，《.数字电子技术基础（第五版）》.清华大学出版社.2008
21
附录一 工作原理图

22
附录二 元件清单

23