课程设计说明书
课程设计名称：数字电路课程设计
课程设计题目：简易电子琴
学院名称：南昌航空大学信息工程学院
专业：班级： 学号：姓名： 评分：教师： 2015年月日
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简易电子琴课程设计
模拟电路课程设计任务书
2014－2015学年第2学期 第7周－9周
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题目 简易电子琴课程设计 简易电子琴 内容及要求 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。 ②其频率分别为：1：261.6、2：293.6、3：329.6、4：349.2、5：392.0、6：440.0、7：439.9、0：523 ③利用集成功放放大该信号，驱动扬声器 ④设计一声调调节电路，改变生成声音的频率 进度安排 第7周周一至第7周周五：查资料，完成原理图设计及仿真； 第8周周一至第8周周五：完成系统的制作、调试； 第9周：设计结果检查； 第9周：撰写设计报告。 学生姓名： 指导时间周二、周三、周四 3 / 25 指导地点： 简易电子琴课程设计
注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
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简易电子琴课程设计
摘要
本次课程设计所制作的是一块简易电子琴，主要通过NE555定时器芯片构成多谐振荡电路，这个电子琴主要有8个音符，通过8个电位器及琴键开关构成音符控制电路，改变电位器阻值来改变个音符频率，从而达到所要音符频率要求，最后通过小喇叭发出不同频率的声音。
本次实验通过平时的课程学习结合网上查资料了解其中所需芯片的使用方法先做出电子琴原型，然后用示波器挨个检查每个音阶对应的频率，不断改进音准，最后才得以完成实验。本次实验提高了我们对数字电路这门课程的理解，让我们在课堂上所学的知识得以实践，加深了我们对这门课的理解。
【关键词】：电子琴，频率，可调电阻，音调
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目录
前言…………………………………………………………………………………1 第一章设计主要内容及要求……………………………………………………2
1.1设计目的…………………………………………………………………2 1.2基本要求…………………………………………………………………2 1.3提高要求…………………………………………………………………2 第二章系统组成及工作原理……………………………………………………3
2.1系统组成…………………………………………………………………3 2.1.1输入端……………………………………………………………3 2.1.2555振荡器电路…………………………………………………3 2.1.3功率放大电路……………………………………………………4 2.2工作原理…………………………………………………………………5 第三章电路设计…………………………………………………………………7
3.1方案设计…………………………………………………………………7 3.1.1方案一……………………………………………………………7 3.1.2方案二……………………………………………………………7 3.2方案确定…………………………………………………………………8 3.3参数计算…………………………………………………………………9 3.4器件选择…………………………………………………………………9 第四章系统调试及测试结果分析……………………………………………10
4.1系统仿真测试……………………………………………………………10 4.2焊接及结果分析…………………………………………………………15 结论………………………………………………………………………………16 参考文献…………………………………………………………………………17 附录一工作原理图………………………………………………………………18
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附录二元件清单表………………………………………………………………18
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前言
电子琴作为一种乐器，对丰富人们的日常生活起着一定的作用，使人们生活更加丰富多彩。对于缓解人们的紧张情绪，陶冶人们的情操等方面，电子琴作为娱乐工具的一种，作用自是不言而喻。
电子琴结构复杂，声源是555产生的自激振荡，并通过LM386进行功率放大，通过扬声器发出声音。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，此次设计是一个由555定时器构成的简易电子琴。本次课程设计的目的是：
1.学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。
2.了解由555定时器构成的简易电子琴的电路原理。此外，简易电子琴还可以通过八个按钮开关来实现音乐的演奏。
掌握最基本的简易电子琴的工作原理，有利于将来研发高级的电路，甚至前沿的电子技术，提高现代电子产品水平，更好的服务于社会，有着广大的发展前景和用途。
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第一章设计主要内容及要求
1.1 设计目的
（1) 掌握正弦振荡器的构成，原理与设计方法； （2）熟悉模拟元件的选择，使用方法。 1.2 基本要求
（1）能生成基本八种声调的正弦波形，幅度>1V；
（2）有一定的带负载能力，输出电阻较小，能驱动喇叭发声； （3）能有效抵制干扰，输出谐波分量<10%； （4）集成运放构成。 1.3提高要求
（1）输出音量可调节； （2）调性可调节；
（3）其他。
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第二章 系统的组成及工作原理
2.1 系统组成
输入端：由八个按钮开关与各自对应的定值电阻串联再并联组成输入端 频率产生端：根据定值电阻的不同输入，由555产生不同的信号频率 扬声器端口：接收信号频率发出特定的频率
2.1.1输入端
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电子琴输入端电路图
2.1.2 555振荡器电路
电子琴之所以能产生音乐，是由于不同的电阻在555组成的多谐振荡电路中产生不同的频率，而频率是不同的音阶产生的根本原因，不同的音阶在人听来就是不同的音调。555构成的振荡器电路可以不需要外加触发信号，能自动地产生矩形脉冲，这样就可得到制作电子琴的频率和循环播放的脉冲信号。而且该多谐振荡器通过调整滑动变阻器即可实现频率调整，调节方便快捷。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态。在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555振荡器构成的多谐振荡器如图所示，R1、R2和C2是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后
接
到
R2
和
C2
的
连
接
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图2.1.2 555振荡器基本工作原理图
处，将放电端(7脚)接到R1和R2的连接处。在7脚与电源之间加入一组音调电阻R1-R8替代可变电阻R2，即是一架玩具电子琴。未按琴键S1-S8时NE555不振荡，扬声器不发声，电器不耗电。按下某一琴键时，振荡频率改变，扬声器依555的振荡频率，发出相应的声响。 2.1.3 功率放大电路
根据设计需要，功率放大电路主要以LM386为主。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放
大器。
图2.1.3.1 LM386基本工作原理图
图
中
，
7
脚
所
接
容
量
为
20
μ
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F的电容为去耦滤波电容，虽为旁路电容，但必不可少。实际应用时，该端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，可有效抑制噪声。1脚与8脚为电源增益设定端，其所接电容、电阻是用于调解电路的闭环电压增益，断开时即内定增益为20。如果用不到大的增益，电容C1可以不接。不光省了成本，还可令噪声减少。5脚为输出端，应外接输出电容后再接负载。该电容能隔离直流分量，避免电路出现故障出现直流分量损坏元器件；同时与扬声器构成高通滤波器，降低噪音。另要有电阻电容支路串联接地，因为扬声器是感性负载，能抵消扬声器的反电动势保护功放输出末级。由于本次简易电子琴实验必须令增益最大化达到最佳效果，即增益效果为200倍，因此保留电容C1并取值为10μF。电阻Rx2在0-20kΩ范围内取值，可使集成功放的电压放大倍数在20-200之间变化，令Rx2为零取最大放大倍数。去除控制扬声器音量大小的可变电阻Rx1，直接将Ui输入达到音量最大的状态。
图2.1.3.2 改进电路图
2.2工作原理
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本系统主要由多谐振荡发生电路，扬声器及外部电路组成。通过按键开关接通电路产生振荡方波信号，通过改变电位器电阻的大小来调节振荡频率的大小，接着驱动扬声器发出声音。多谐振荡发生电路闭合一个开关，电路接通，电路外部电容、电阻与555芯片构成多谐振荡电路进行循环的充放电，输出脉冲矩形波信号。考虑到从电子市场购入的喇叭的额定功率不一定符合要求，而仅靠555芯片只能驱动小功率喇叭，故可以引入LM386功放电路产生增益，对其产生的音频进行功率放大使得声音变大。 操作方面，另设计有八个按键分别对应着控制八个音阶的琴键，闭合则对应音阶支路接通扬声器发声，断开声音停止，如图2.2
图2.2 简易电子琴的工作原理图
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第三章电路设计
3.1方案设计
众所周知要实现具有一定功能的电路，可以采取多种不同的方案。在众方案中，应力求选择一种最简单、实用、稳定性好并且较为经济的方案。
同理，实现该设计要求可以运用很多种方法，本文仅列举出其中二种进行比较，比较方案如下： 3.1.1方案一
主要是用两个NE555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，其主要核心是NE555芯片。第一个NE555芯片用来产生振荡信号，接入不同阻值的电阻Rw,使其产生1、2、3、4、5、6、7、0等八个不同的音阶频率信号，发出锯齿波形。然后经过第二个NE555芯片和其他电阻电容组成的施密特触发器，将锯齿波形转变成方波波形，再经过LM386将信号放大，产生驱动扬声器的信号，使扬声器发出声音。因此只要调整所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。
图3.1.1两个555芯片实现简易电子琴仿真电路
3.1.2方案二
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主要用一个NE555芯片和一个LM386集成功率放大器来实现此方案。由NE555芯片和不同阻值电阻组合产生不同的振荡频率，发出信号。经过LM386功率放大器将信号功率放大，以驱动扬声器发声。该电路中，可通过八个可调电阻来实现1、2、3、4、5、6、7、0等八个不同频率的音阶效果。
其原理图如图3.1.2所示。
图3.1.2简易电子琴的工作原理图
3.2 方案确定
方案一中，采用了两个NE555芯片以及一个LM386芯片，从经济上来说，并不是很合算，而且，电路中采用了三个芯片，使得电路变得较为复杂，不利于焊接。故不采用此方案。
方案二中，仅仅使用了一个NE555芯片以及一个LM386芯片，相对来说，比较经济，而且电路很简洁，比较容易排版，焊接时也不容易出错，即使出错，也很容易检查出来。
综上所述，无论从焊接的简易度、经济实用价值、方案可行性等各方面来看，方案二更为合适。因此，在本次设计中，可以采用方案二作为本次实验的原理设计方案来实现简易电子琴的功能。
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3.3参数计算
每个音阶对应着不同的频率。因此，可以利用不同的频率产生与之对应的音阶，从而得到设计要求的音调。本次设计实验所需频率如表3.3.1所示：
表3.3.1音调频率表 3 4 5 6 音阶 1 2 7 0 261.6 293.6 329.6 324.2 349.2 392.0 440.0 493.9 523
计算频率的公式： 由
T=0.7（Rw+2R9）*C （1） 得
f=1/0.7（Rw+2R9）*C （2） 即
Rw=1/0.7*f-2*R9 （3）
其中，Rw指R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7及R8的值。
利用（3）式进行计算，代入各个频率即可算得结果，如表3.3.2所示： 表3.3.2频率电阻对应表 1 2 3 4 5 6 7 0 f（Hz） 261.6 293.6 329..349.2 392.0 440.0 493.9 523 6 Rw(K) 148.2121.197.01 85.95 65.65 47.57 31.47 24.15 2 6
3.4器件选择
本实验要用到的实验器具主要有NE555芯片、LM386芯片，由参数计算可知，本设计所需的与八个音阶频率相对应的电阻范围是20K至150K，故可以选择100K的可调电阻6个，200K的可调电阻2个。再选择50K的定值电阻1个；电容则需要4.7μf 、1μf 、47μf、10nf各一个， 22nf的电容则需要2个；1个8Ω的扬声器以及若干导线。
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第四章系统调试及测试结果分析
4.1 系统仿真调试
按照工作原理图，用Multisim进行仿真调试,仿真图如图4.1.1所示：
4.1
.1仿真图
用Multisim仿真软件运行图4.1所示的原理图，依次闭合1、2、3、4、5、6、7、8等8个开关，将其所对应的波形图记录下来，并与不闭合开关时的波形图进行比较。
（1）不闭合开关时：
其波形是一条与X轴平行的直线，其波形如图4.1.2所示：
图4.1.2不闭合开关
的波形图
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关闭开关1时，波形如图4.1.3所示：
图
4.1.3 关闭开关1后的波形图 关闭开关2时，波形如图4.1.4所示：
图
4.1.4 关闭开关2后的波形图
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关闭开关3时，波形如图4.1.5所示：
图4.1.5 关闭开关3后的波形图 （5）关闭开关4时波形如图4.1.6所示：
图
4.1.6 关闭开关4后的波形图
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关闭开关5时，波形如图4.1.7所示：
图
4.1.7 关闭开关5后的波形图 关闭开关6时，波形如图4.1.8所示：
图4.1.8 关闭开关6后的波形图
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关闭开关7时，波形如图4.1.9所示：
图
4.1.9 关闭开关7后的波形图 关闭开关8时，波形如图4.1.10所示：
图4.1.10 关闭开关8后的波形图
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从以上各开关闭合时的波形图可以看出，从开关一闭合至开关八，波形的形状发生了明显的变化，即依次变窄。尤其是对比闭合开关一和闭合开关八的波形时，其变化尤为明显。说明电路中，各电阻对应的频率在依次变大，与波形相对应扬声器所发出的音调应越高。 4.2焊接及结果分析
（1）焊接前设计好各个元器件在电路板上的位置，即排版。领元器件，并检查所需各元器件是否齐全。然后调节可调电阻，使其满足表3-3所示的阻值。 （2）焊接是很重要的一步，它直接决定设计的成败。所以，焊接时须格外小心。按照草图上面设计的排版，将各个元件及管脚焊在电路板上，焊接时应注意方法，避免虚焊。
（3）检查电路，看其连接是否与工作原理图一致。若不一致，则加以修正；若一致，则可将电路的正负极接12V直流稳压电源。
结果分析：
起初，只有按下3、4、5、6、7、8等几个按键开关时，扬声器才能够发出相应音频的声音，当按下1、2按键时，有时声音很小，有时不发出声响。检查一遍电路之后，发现电路的连接并没有任何问题。与同学探讨之后，都认为应该是电路某处虚焊了。于是，便采用万用表的蜂鸣档，对各个节点进行检查。发现虚焊处后，再用电烙铁对该处重焊。最终，当接通电源后，按下任意按键都可发出对应的声音。不过，由于系统内部以及外部有一定的干扰存在，发声时，会产生一定量的杂音。然而，由于LM386的放大作用，该电子琴发出的声音较大，且没有过度的失真现象。总体来说，该设计还是比较成功的。
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结论
通过本次的课程设计，学到了很多的东西。在上个学期的模拟电路课程中，对知识的把握不是很好。因此，选择课程设计题目的时候，有点犯难，感觉每个题目都没多大把握。当看到“简易电子琴”这个标题时，一股新奇感促使了这个设计的进行。选定题目后，接下来的工作让人感觉压力很大。虽然网上以及书籍中，都有与本设计有关的内容，但这却无形中增加了许多诸如筛选信息等方面的困难。终于，选定方案以后，接下来的工作就相对来说比较容易了。但是由于平常对Multisim软件不够熟悉，以至于本次仿真时，为寻找各元器件，花了大量的时间。而且还浪费了许多的精力和时间去寻找软件中没有的“扬声器”。
同时，增长了许多的知识。虽然以前也用过NE555芯片，但是从来不曾了解其内部结构及各个管脚的功能。在这次的课程设计中，不仅更加了解了NE555，还对LM386芯片有了一定的认识。相信以后再用到此类芯片时，会更加的得心应手。
此外，在焊接方面，也树立起了信心。曾经的几次失败，造就了对焊接的排斥感。虽然，在本次焊电路板时，也出现了一点问题，但后来从分析问题，检查电路以及纠错以至电路焊接的成功，那种排斥感已化为一种勇敢面对问题的勇气。特别是听到扬声器发出的do re mi fa so la si do 时，心中更是无比的激动。这种成就感就是对这一切的努力的最好回报。
因此，以后更加要勤加练习，将所学的知识运用出去，化为实物，才能不枉所学。
虽然本次设计成功了，但是，其明显缺点还是存在的。例如，实验中忘加了一个总电路开关了。虽然，其对电路的影响不大，但其实是一个不可或缺的元器件之一。这样的错误，以后一定会尽量避免。
选择方案时，不要盲从资料上的方案，查找到的方案只能是作为参考。实际设计时，一定要从实际出发，从电路复杂度、性能稳定性、焊接难易以及经济实用性等多方面加以考虑，以求找寻到最佳方案。
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参考文献
【1】郝鸿安等.555集成电路实用大全.上海科学普及出版社.2000 【2】陈兆仁.电子技术基础实验研究与设计.电子工业出版社,2000. 【3】毕满清.电子技术实验与课程设计.机械工业出版社. 2001 【4】梁宗善.新型集成电路的应用.华中理工大学出版社，2001. 【5】杨振江等.新颖实用电子设计与制作.西安电子科大出版社，2000. 【6】张友汉.电子线路设计应用手册.福建科学技术出版社，2000.
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简易电子琴课程设计
附录一工作原理图
附
录二元件清单表
名称 芯片 芯片 电阻 可调电阻 电解电容 按键开关 瓷片电容 扬声器 可调电阻 电路板
型号 NE555 LM386 50KΩ 100KΩ 4.7μf1μf47μf 22nf(2个)10nf(1个) 8Ω 200KΩ 数量 一块 一块 1个 6个 各一个 8个 共3个 1个 2个 1块
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