基于RC电子琴一级项目.docx
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基于RC电子琴一级项目
信息与电气工程学院
电子信息工程CDIO一级项目
(2013/2014学年第二学期)
题目:
简易电子琴设计
专业班级:
信息1102
学生姓名:
张迪
学号:
110070220
指导教师:
贾东立
设计周数:
19
设计成绩:
2014年6月20日
目录
1.项目设计目的-2-
2.项目设计-3-
2.1设计背景-3-
2.2开发环境proteus简介-3-
2.3方案设计思路-4-
2.4设计电路图-4-
2.4.1RC桥式振荡电路-4-
RC桥式振荡电路如图2所示。
-4-
2.4.2RC串并联选频网络-4-
2.4.3自激振荡条件-6-
2.4.4起振条件-6-
2.5总体设计方案-6-
3.参数选择-7-
3.1选定-7-
3.2参考参数-8-
4.仿真曲线及结果分析-8-
4.1仿真操作过程及曲线-8-
5.项目设计总结-14-
6.参考文献-14-
1.项目设计目的
(1)学习调试电子电路的方法,提高实际动手能力。
(2)培养学生正确的设计思想,理论联系实际的工作作风,严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。
(3)锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。
(4)通过课程设计,使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。
(5)巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。
(6)为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。
2.项目设计
2.1设计背景
介绍一种八音阶微型电子琴的设计方法,它可以由555定时器构成简易电子琴,也可以采用模拟电路中的RC正弦振荡原理。
设计出的电子琴音阶频率满足国际标准,La调频率满足国际标准音C调频率440Hz。
给出电路参数的选取方法和一组参考值。
结果证明,用模拟电路方法制作电子琴结构简单,而且成本低廉。
对于固定的简单功能的实现,模拟电路具有结构简单,实现方便,成本低廉的优点。
在这方面,模拟电路得到广泛的应用。
模拟电路中的RC正弦波振荡电路具有一定的选频特性,乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。
本文介绍基于RC正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。
2.2开发环境proteus简介
英国Labcenter公司推出的Proteus软件是一款极好的单片机应用开发平台,它以其特有的虚拟仿真技术很好地解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题,可以在没有单片机实际硬件的条件下,利用PC以虚拟仿真方式实现单片机系统的软、硬件同步仿真调试,使单片机应用系统设计变得简单容易。
Proteus软件涵盖了PIC、AVR、MCS8051、68HC11、ARM等微处理器模型,以及多种常用电子元器件,包括74系列、CMOS4000系列集成电路、A/D和D/A转换器、键盘、LCD显示器、LED显示器,还提供示波器、逻辑分析仪、通信终端、电压/电流表、I2C/SPI终端等各种虚拟仪表,这些都可以直接用于仿真设计,极大地提高了设计效率和设计水平。
Proteus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。
PROTEUS有两种截然不同的仿真方式:
交互式仿真和基于图表的仿真。
其中交互式仿真可实时观测电路的输出,因此可用于检验设计的电路是否能正常工作。
而基于图表的仿真能够在仿真过程中放大一些特别的部分,进行一些细节上的分析,因此基于图表的仿真可用于研究电路的工作状态和进行细节的测量。
Proteus提供了丰富的资源:
(1)Proteus可提供的仿真元器件资源:
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件,有30多个元件库。
(2)Proteus可提供的仿真仪表资源:
示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。
理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
(3)除了现实存在的仪器外,Proteus还提供了一个图形显示功能,可以将线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来,其作用与示波器相似,但功能更多。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。
这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
(4)Proteus可提供的调试手段Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
2.3方案设计思路
简易电子琴由RC选频网络、集成运算放大器、节拍信号发生器组成。
其框图如图1所示。
其核心是集成运算放大器构成RC正弦波振荡器,实验板上提供了8个音节电阻和电容(C串=C并=0.068μf固定)构成RC串并联选频网络,分别取不同的电阻值(通过琴键开关接通RC串并联网络的8对电阻)使振荡器产生八个音阶信号。
最后,通过扬声器发出乐音。
图1电子琴框图
2.4设计电路图
2.4.1RC桥式振荡电路
RC桥式振荡电路如图2所示。
图2RC桥式振荡电路
2.4.2RC串并联选频网络
RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。
具体实现过程的关键是RC串并联选频网络,其理论推导如下:
串联阻抗
(1)
并联阻抗
(2)
可得选频特性:
(3)通常
=
=R,
=
=C,则
若另
则有:
可得:
(4)
(5)
既当
时,输出电压的幅值最大,并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。
通过该RC串并联选频网络,可以选出频率为的稳定正选波信号,也可通过改变R、C的取值,选出不同频率的信号。
2.4.3自激振荡条件
图3含外加输入信号的正弦波振荡电路图4无外加输入信号的正弦波振荡电路
图3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4中如去掉
,由于反馈信号的补偿作用,仍有信号输出,如图3所示
,可得自激振荡电路。
自激振荡必须满足以下条件:
振幅条件:
(6)
相位条件:
n为整数(7)
2.4.4起振条件
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:
。
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。
2.5总体设计方案
下图5即为八音阶微型电子琴仿真电路图,8个开关对应着电子琴8个音阶琴键,使用时闭合不同的开关可以发出不同的声音。
电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是±5V,其中引脚4接+5V,引脚11接-5V。
本试验中LM324芯片的正向输入端为引脚3,反向输入端为引脚2,输出端为引脚。
在实际电路中,为达到起振条件AF>1,常用两个二极管与电阻并联,可实现类似于热敏电阻的功效。
另外需要说明的是,理论上电路的初始信号是由环境噪声及电路本身的电压提供的。
实际操作时,为使现象更明显,也可通过对电路中的电容充电来实现。
图5电子琴仿真电路图
3.参数选择
3.1选定
且
(8)
由公式(3)推导可得:
(9)
则由公式(8)及起振条件
可得
即
(10)
所以
、
和
的选取应满足公式(9),但实际取值时,应让
略小于
,
的取值也应适当,以满足公式(6),实现自激振荡。
且选频网络的频率推导公式为:
(11)
根据公式(8)、(10)、(11),再结合表1的频率数据,就可对电路中的元器件参数进行确定。
需要注意的是,在确定
内部的电阻值时,应该从
开始,逐个进行。
3.2参考参数
根据上述方法,可得出以下的参考参数,如表2所示。
按此参数进行仿真,其la调波形如图5所示,其频率满足国际标准音C调频率440HZ。
表1参考参数
12080Ω
1400Ω
2950Ω
3050Ω
4250Ω
2500Ω
4000Ω
5500Ω
50Ω
0.33µF
9KΩ
8KΩ
5KΩ
4.仿真曲线及结果分析
4.1仿真操作过程及曲线
根据要求用proteus进行了仿真,具体仿真曲线如下:
图6C调低音dou的仿真
C调低音dou的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于264Hz。
图7C调ruai音的仿真
C调ruai音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于297Hz。
图8C调mi音的仿真
C调mi音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于330Hz。
图9C调fa音的仿真
C调fa音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于352Hz。
图10C调sou音的仿真
C调sou音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于396Hz。
图11C调la音的仿真
C调la音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于440Hz。
图12C调xi音的仿真
C调xi音的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于495Hz。
图12C调高音dou的仿真
C调高音dou的仿真曲线如上图所示。
点击“运行”,再闭合开关,将所有电阻串联进电路,然后将调节示波器扫描频率到0,4ms档,在示波器上就得到上图中的曲线,其频率约等于528Hz。
5.项目设计总结
本实验先是利用RC振荡电路起振,产生正弦波信号,然后通过RC选频网络进行选频,最后经过LM324放大后输出到音频设备及得到不同频率的声音。
本实验仿真得到的波形为方波(观察示波器输出波形可知),并且在零刻度线的上下部分是对称的。
当开关从R0到R7依次闭合时,串联进电路中的电阻依次减小,可得,振荡电路产生的信号的频率依次增大,选出的信号的频率也依次增大。
采用RC正弦振荡电路制作的电子琴,相对于用单片机
或CPLD等
制作方法,不仅成本低廉,而且功能稳定。
缺点是音色的表现并不十分理想,还需通过一定的技术手段,使发出的声音更接近电子琴的音色特点。
6.参考文献
[1]康华光,陈大钦,张林等.电子技术基础(模拟部分)[M].北京:
高等教育出版社,2006.434-441
[2]肖俊明,韩建勋,薛立.一种数字正弦波发生器的设计与应用[J].中原工学院学报,2006,17
(1):
71-72
[3]王兵.用单片机设计微型电子琴[J].电子工程师,2002,28(3):
9-10
[4]黄鑫,马善农,赵永科.基于CPLD的电子琴研究与设计[J].科技广场,2007,5(3);232-233
[5]刘建超.用单片机制作简易电子琴[J].电子制作,2005(7):
24-25
项目设计
评语
项目设计
成绩
指导教师
(签字)
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- 基于 RC 电子琴 一级 项目