簡易電子琴課設(shè)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 趙 靜 專業(yè)班級： 電子科學(xué)與技術(shù)0901 指導(dǎo)教師： 吳友宇 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 簡易電子琴的設(shè)計(jì) 初始條件： 可選元件：集成運(yùn)算放大器LM324、電阻、電位器、電容若干，直流電源Vcc= +12V，或自備元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，函數(shù)發(fā)生器。要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)已知條件，完成對簡易電子琴電路的設(shè)計(jì)、裝配與調(diào)試。（2）設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一簡易電子琴電路，按下不同琴鍵即改變 RC值，能發(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。 已知八個(gè)基本音階在C調(diào)時(shí)所對應(yīng)的頻率如下表所列。 C調(diào)12

2、34567if 0 /H Z264297330352396440495528 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。（選做：用PSPICE或EWB軟件完成仿真） 安裝調(diào)試并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。時(shí)間安排：1、 2010 年1月12日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。2、 2010 年1月13日 至2010年1月19日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。3、 2010 年1月21日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月

3、日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄摘 要IAbstractII簡易電子琴31設(shè)計(jì)方案的確定31.1 整體電路方框圖31.2設(shè)計(jì)方案3振蕩電路方案3功率放大電路方案52 設(shè)計(jì)原理及電路選取72.1設(shè)計(jì)原理72.1.1 RC方波振蕩器原理7運(yùn)算放大器原理82.2電路選取及參數(shù)確定92.2.1 振蕩電路9功率放大電路10總電路圖103仿真結(jié)果分析123.1方波振蕩仿真結(jié)果1232放大仿真124焊接過程與調(diào)試134.1焊接134.2實(shí)物調(diào)試及參數(shù)最終確定134.3 結(jié)果分析135心得與體會14參考文獻(xiàn)15附件1元件清單列表16摘 要模擬電路是處理模擬信號的電子電路，模擬信號是指時(shí)間和幅度都

4、連續(xù)的信號（連續(xù)的含義是在某以取值范圍那可以取無窮多個(gè)數(shù)值）。模擬電路具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。對于固定的簡單功能的實(shí)現(xiàn)，模擬電路得到廣泛的應(yīng)用。模擬電路中的RC方波振蕩電路具有一定的選頻特性，樂聲中的各音階頻率也是以固定的聲音頻率為機(jī)理的。本文介紹了一種基于LM324運(yùn)算放大器RC方波振蕩的簡易電子琴制作的設(shè)計(jì)方法，主要闡述了電子器件的焊接使用仿真軟件的使用操作等，做出簡潔而又多變的設(shè)計(jì)方法，減少成本，讓我們更加明白RC振蕩原理。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電子琴的幾個(gè)基本功能，按下不同琴鍵即改變振蕩頻率，能發(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TDA2030電路輸出

5、。關(guān)鍵詞：模擬電路，LM324，RC方波振蕩，集成功放TDA2030。AbstractThe analogous circuit is processes the simulated signal the electronic circuit, the simulated signal is refers to the time and the scope continual signal (continual meaning is in some may take infinite many values by value scope that). The analogous circuit

6、 has the structure to be simple, realizes conveniently, cost inexpensive merit. Regarding fixed simple function's realization, the analogous circuit obtains the widespread application. In analogous circuit's RC square-wave oscillating circuit has certainly certainly chooses the frequency cha

7、racteristic, in the music various scales frequency is also take the fixed sound frequency as the mechanism. This article introduced one kind the design method which square-wave vibration's simple electric piano manufactures based on LM324 the operational amplifier RC, mainly elaborated electroni

8、c device's welding use simulation software's use operation and so on, makes succinct and the changeable design method, reduces the cost, lets our clearer RC vibration principle. This design has realized electric piano's several basic functions, uses the operational amplifier constitution

9、 oscillating circuit, outputs with the integrated power amplifierTDA2030 electric circuit. Key word: analogous circuit, LM324, RC square-wave vibration, integrated power amplifierTDA2030. 簡易電子琴1設(shè)計(jì)方案的確定1.1 整體電路方框圖穩(wěn)壓電源方波振蕩電路放大電路圖1.1 簡易電子琴原理方框圖該電路具有原理簡單、容易制作調(diào)試制作等特點(diǎn)。能實(shí)現(xiàn)八種頻率的方波產(chǎn)生且能驅(qū)動(dòng)喇叭產(chǎn)生C調(diào)的八個(gè)音階。原理見圖1.1所示

10、簡易電子琴原理方框圖。1.2設(shè)計(jì)方案振蕩電路方案方案一：基于RC方波振蕩利用LM324與電阻電容組成RC方波振蕩器，該模塊為整體電路核心帶動(dòng)揚(yáng)聲器是本實(shí)驗(yàn)應(yīng)主要考慮的實(shí)施方案，振蕩原理見圖1.2 RC方波振蕩電路。整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分就在LM324模塊電路的設(shè)計(jì)及信號的處理，該模塊完成的功能主要RC振蕩電路產(chǎn)生矩形振蕩。圖1.2 RC方波振蕩電路實(shí)驗(yàn)采用四低功率運(yùn)算放大器LM324組成簡易電子琴。整個(gè)電路由振蕩器，功率放大器，揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕等部分組成。通過改變琴鍵開關(guān)的通斷,來改變音調(diào)和音符。用正負(fù)12v的直流穩(wěn)壓電源供LM324工作，通過改變阻值改變自己振蕩頻率，穩(wěn)定輸出不同頻率的的方波，對

11、信號放大后將信號傳至揚(yáng)聲器，從而產(chǎn)生不同的音調(diào)。特點(diǎn)：利用模擬電路產(chǎn)生數(shù)字信號，信號處理較為方便，電路簡單，成本低。方案二： 基于RC正弦波振蕩電路采用正弦波振蕩電路，該電路是一個(gè)沒有輸入信號，依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波的電路。正弦波電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成。振蕩器的輸出信號頻率是由選頻網(wǎng)絡(luò)決定的。 電路如圖1.3所示：在外界電磁波的干擾下，某一特定頻率f0的信號形成正反饋。一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，則電路的輸出量自維持。當(dāng)輸出信號較小時(shí)，二極管不導(dǎo)通或電阻較大，此時(shí)電路放大倍數(shù)很大，信號不斷增強(qiáng)。當(dāng)輸出信號較大時(shí)，二極管電阻減小，電路放大倍數(shù)較小，信號逐步趨于穩(wěn)定。信號的頻率也有多種頻

12、率的混合變?yōu)閱我活l率?？傊捎诎雽?dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。 該電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整頻率時(shí)只需要同時(shí)改變兩個(gè)電阻R的值即可。 圖1.3 RC正弦波振蕩電路為使輸出波形為正弦不失真信號，選頻網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)電阻電容應(yīng)取相同的數(shù)值。因此需要使用同調(diào)電位器。特點(diǎn)：輸出正弦信號，要使用同調(diào)電位器，增加了電路的復(fù)雜度。方案三 ：基于NE555方波振蕩電路利用NE555與電阻電容組成多諧振蕩器如圖1.4，采用兩個(gè)555集成定時(shí)器組成簡易電子琴。整個(gè)電路由主振蕩器，顫音振蕩器，揚(yáng)聲器和琴鍵按鈕等部分組成。特點(diǎn):電路簡單方便成本低。圖1.4 NE555方波振蕩電路通過比

13、較本設(shè)計(jì)采用RC方波振蕩電路來實(shí)現(xiàn)簡易電子琴的振蕩電路。功率放大電路方案方案一 圖1.5 TDA2030功放電路采用集成的功率放大器實(shí)現(xiàn)功率的放大，以推動(dòng)喇叭發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。集成芯片構(gòu)成的電路具有電路簡單，效率高的特點(diǎn)。例如專用的音頻放大器TDA2030，電路圖如圖1.5所示。方案二采用分立元件搭建甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路，利用了三極管具有放大電流的功能，使得電路的負(fù)載能力得到了很大的增強(qiáng)。電路如圖1.6所示。采用對管進(jìn)行推挽輸出，使得效率得到了很大的提升。為了消除交越失真，我們提供了一個(gè)直流偏置，使得對管的導(dǎo)通角略大于180°。采用三極管來提供直流偏置不僅可以有效的消除交越失

14、真，而且可以提供溫度補(bǔ)償，使得電路更加穩(wěn)定的運(yùn)行。 圖1.6 甲乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路方案三采用集成運(yùn)放搭建的電壓跟隨器，電路十分簡單如圖1.7，可以提供小電流的輸出。 圖1.7 電壓跟隨器電路考慮到本系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，我們這里采用電路較為簡單，效率較高的方案一來實(shí)現(xiàn)功率的放大。2 設(shè)計(jì)原理及電路選取2.1設(shè)計(jì)原理 RC方波振蕩器原理圖2.1 RC 方波振蕩原理圖由集成運(yùn)放構(gòu)成的方波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。圖2.1所示為由滯回比較器及簡單RC 積分電路組成的方波發(fā)生器。它的特點(diǎn)是線路簡單，主要用于產(chǎn)生方波。(1) 開關(guān)電路：因?yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖絻煞N情況，即兩個(gè)

15、暫態(tài)；故采用電壓比較器。(2) 反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時(shí)孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。(3) 延遲環(huán)節(jié)：要使兩個(gè)暫態(tài)均維持一定的時(shí)間，故采用RC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，從而決定振蕩頻率 。工作原理：設(shè)第一暫態(tài)：，+。如圖2.2所示：電容正向充電，t ，t ， ；但當(dāng)+時(shí)，再增大，從+躍變?yōu)?，電路進(jìn)入第二暫態(tài)。電容反向充電，t ，t ， ；但當(dāng)時(shí)，再減小，從躍變?yōu)?，+，電路返回第一暫態(tài)。圖2.2電容充放電圖及輸出曲線運(yùn)算放大器原理LM324為四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑料封裝。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，LM324工作電壓范圍寬，可用正電源330V，或

16、正負(fù)雙電源±15V±15V工作。它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為OVcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。每一組運(yùn)算放大器可用如圖所示的符號來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“+”、“-”為兩個(gè)信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個(gè)信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 LM324引腳排列見圖2.3。 lm124、lm224和lm324引腳功能及內(nèi)部電路完全一致。由于LM324四運(yùn)

17、放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此他被非常廣泛的應(yīng)用。 圖2.3LM324引腳圖2.2電路選取及參數(shù)確定 振蕩電路圖2.4 RC方波振蕩器原理圖該發(fā)生器具有正反饋和負(fù)反饋，其中電路的正反饋系數(shù)為根據(jù)一階RC電路的三要素法有輸出方波高電平的時(shí)間間隔為 輸出方波高電平的時(shí)間間隔為 周期和頻率計(jì)算如下 輸出方波的幅值由背靠背穩(wěn)壓二極管雙相限幅確定，即,其絕對值。由于，所產(chǎn)生的方波信號占空比為1/2。未獲得響應(yīng)頻率的方波，我們在取C=0.33F，計(jì)算電阻，阻值難以得到的電阻，我們采用了滑動(dòng)變阻器來精確調(diào)節(jié)阻值，以得到更精確地頻率。計(jì)算的阻值如表2.1。表2.1 C

18、調(diào)頻率及相應(yīng)阻值C調(diào)1234567if 0 /H Z264297330352396440495528R15.1K4.2K3.9K3.6K3.3K3K2.4K2.4K功率放大電路采用專用的音頻放大器TDA2030，芯片引腳如圖2.5所示，功放電路如圖2.6。圖2.5TDA2030芯片引腳圖圖2.6功放電路總電路圖制作本設(shè)計(jì)簡易電子琴所需元件見附件1，總原理圖如圖2.7.利用LM324的RC方波振蕩電路在無信號源的情況下自激產(chǎn)生矩形波，再將矩形波信號傳至由TDA2030構(gòu)成的功放電路，將功率放大傳至揚(yáng)聲器，供其產(chǎn)生不同頻率的音階。圖2.7 簡易電子琴設(shè)計(jì)總電路圖3仿真結(jié)果分析3.1方波振蕩仿真結(jié)果

19、閉合開關(guān)J1接示波器到振蕩電路輸出端，觀察波形輸出及響應(yīng)頻率，仿真波形如圖3.1所示。圖3.1方波振蕩電路輸出波形仿真32放大仿真將振蕩電路輸出信號接入功率放大電路，接示波器到放大電路輸出端，觀察波形輸出及響應(yīng)頻率，仿真波形如圖3.2所示。圖3.2放大電路輸出波形仿真4焊接過程與調(diào)試4.1焊接(1)硬件焊接過程中，在電路板排布時(shí)，要充分利用空間，合理有效的排板。焊接時(shí)應(yīng)先焊接元件較小的電阻電容元件，在焊接元件較高的元件。 (2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器達(dá)到理想頻率，并用示波器觀察頻率及輸出波形。(3)電路測試，應(yīng)滿足以下要求：在按鍵后發(fā)出對應(yīng)的音階聲，并且在相應(yīng)的頻率；要求喇叭性能好。經(jīng)試音比較，選取了

20、大紙盆喇叭，音質(zhì)更好；要求輸入、輸出濾波好。4.2實(shí)物調(diào)試及參數(shù)最終確定焊接實(shí)物后接入正負(fù)12v直流穩(wěn)壓電源，將輸出端連接示波器調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使得輸出頻率為C調(diào)電子琴各音階頻率。最終阻值參數(shù)見下表4.1所示。表4.1：調(diào)試后頻率對應(yīng)的阻值C調(diào)1234567if 0 /H Z264297330352396440495528R15.01K4.60K4.10k3.70K3.28K2.92K2.55K2.47K4.3 結(jié)果分析依照仿真原理圖焊接出的電路實(shí)物進(jìn)行仿真時(shí)由于電容電阻等元件存在百分之十左右的誤差，此外，實(shí)物的布局布線也會對電路參數(shù)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致實(shí)物測試與仿真存在偏差。通過實(shí)物調(diào)試，調(diào)整阻

21、值參數(shù)，從而補(bǔ)償誤差，提高輸出頻率的精確度，達(dá)到理想輸出頻率。表4.1 結(jié)果分析表頻率(f0/HZ)264297330352396440495528理論R值5.1K4.2K3.9K3.6K3.3K3K2.4K2.4K實(shí)際R值5.01K4.60K4.10K3.70K3.28K2.92K2.55K2.47K誤差值（%）1.769.505.122.780.602.676.252.925心得與體會在實(shí)際調(diào)試時(shí)有些東西并不像仿真顯示的結(jié)果那樣，達(dá)不到所期望的性能指標(biāo)。例如當(dāng)阻值取值和仿真相同時(shí)，所測頻率比仿真頻率偏高百分之十左右。這就要求通過儀器的測量值并適加以合理判斷調(diào)整電路參數(shù)。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)電容值并不準(zhǔn)確，而且由于漏電流的存在，選用漏電流較小的聚苯電容可以獲得更好的效果。這次課程設(shè)計(jì)將理論與實(shí)際結(jié)合起來，對平時(shí)所學(xué)的理論知識有更進(jìn)一步的認(rèn)識。對事物設(shè)計(jì)的一般流程也有了進(jìn)一步了解。1. 首先弄懂所需設(shè)計(jì)事物的工作性能，并與書上的理論知識相聯(lián)系，了解所需設(shè)計(jì)事物的工作原理。2. 分析原理圖中每個(gè)器件的作用，閱讀元件說明書，合理設(shè)置元件參數(shù)。3. 利用仿真軟件對所設(shè)計(jì)的原理圖進(jìn)行仿真。4. 焊接時(shí)在心中對器件的排布做一下大致規(guī)劃技術(shù)，器件裝配要牢固。5. 焊接好后連接儀器進(jìn)行測試及分析。如未達(dá)到所需性能指標(biāo)，分析可能原因，