模电课程设计简易电子琴的设计样本

1. 模电课设概述

现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源。所谓采样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。甚至有一些高级编曲键盘能够使用外置采样( 比如Tyros 3的硬盘音色) 。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。甚至也带上了老式电子琴的FM合成机构。

本次课程设计主要是经过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计, 按下不同琴键改变 RC值, 发出C调的八个基本音阶, 采用运算放大器构成振荡电路, 用集成功放电路输出音调, 从而达到电子琴固有的基本功能。

2. Proteus软件简介

Proteus软件是由英国LabCenter Electronics公司开发的EDA工具软件, 由ISIS和ARES两个软件构成, 其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件, ARES是一款高级的布线编辑器, 它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、 PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。它是当前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然当前国内推广刚起步, 但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus软件的模拟仿真直接兼容厂商的SPICE模型, 采用了扩充的SPICE3F5电路仿真模型, 能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等, 具有超过8000种的电路仿真模型。

Proteus软件支持许多通用的微控制器, 如PIC、 AVR、 HC11以及8051; 包含强大的调试工具, 可对寄存器、存储器实时监测; 具有断点调试功能及单步调试功能; 具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。另外, Proteus可对IAR C-SPY、 KEIL等开发工具的源程序进行调试。

另外, 在Proteus中配置了各种虚拟仪器, 如示波器、逻辑分析仪、频率计, 便于测量和记录仿真的波形、数据。

3. 简易电子琴基本原理

3.1 音乐产生原理

由于一首音乐是许多不同的音阶组成的, 而每个音阶对应着不同的频率, 这样我

们就能够利用不同的频率的组合, 即可构成我们所想要的音乐了。

音调主要由声音的频率决定, 乐音(复音)的音调更复杂些, 一般可认为主要由基音的频率来决定, 也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以C 调为基准音的八度音阶中, 所对应的频率如表1所示。如果能够经过某种电路结构产生特定频率的波形信号, 再经过扬声器转换为声音信号, 就能制作出简易的乐音发生器, 再结合电子琴的一般结构, 就可实现电子琴的制作了。

3.2 设计原理

3.2.1振荡电路原理

由于RC振荡电路, 一般用来产生1HZ~1MHZ范围内的低频信号; 而LC 振荡电路一般用来产生1MHZ以上的高频信号, 由上表我们能够知道选择RC振荡电路。其基本电路为RC文氏电桥振荡电路。

图1 RC桥式震荡电路

RC桥式振荡电路能够选出特定频率的信号。理论推导过程如下:

即当f0=1／(2πRC)时, 输出电压的幅值最大, 而且输出电压是输入

电压的1／3, 同时输出电压与输出电压同相。经过该RC串并联选频网络, 能够选出频率稳定的正弦波信号, 也可经过改变R, C的取值, 选出不同频率的信号。图2所示为含外加信号的正弦波振荡电路, 其中A, F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。图2中若去掉X i, 由于反馈信号的补偿作用, 仍有信号输出, 如图3所示X f=X i, 可得自激振荡电路。自激振荡必须满足以下条件:

图2 正弦波震荡电路图3 自激震荡电路

自激振荡的初始信号一般较小, 为了得到较大强度的稳定波形, 起振条件需满足|AF|>1。在输出稳定频率的波形前, 信号经过了选频和放大两个阶段。具体来说, 是对于选定的频率进行不断放大, 非选定频率的信号进行不断衰减, 结果就是得到特定频率的稳定波形。

LM386是一种音频集成功放, 具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点, 广泛应用于录音机和收音机之中。

3.3 方案设计

3.3.1 振荡电路

振荡电路图如图4所示

图4 振荡电路图

选择C 1=0.1uF, R 4=1k Ω, 根据公式R R C f f 41021

π==, 结合表一, 即可

计算出八个音阶对应的电阻值, 分别为R 5=9.09KΩ, R 6=10.34 KΩ, R 7=13.08KΩ, R 8=16.15 KΩ, R 9=20.44 KΩ, R 10= 23.26KΩ, R 11=28.72 KΩ, R 12=36.34KΩ。

选定 R 4≠R, 且R 4≤R (8) 由式3推导可得: F=R

R 421+ ≈ 21 (9) 则由式(8)及起振条件|A·F|>1, 可得: