简易电子琴电路的设计仿真与实现（2020年10月整理）.pdf

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 0 目目 录录 一模电课设概述 ................................................. 1 1.1 设计背景 .................................................. 1 1.2 设计目的及意义 ............................................ 1 二Proteus 软件简介 .............................................. 2 三简易电子琴基本原理 ........................................... 3 3.1 音乐产生原理 .............................................. 3 3.2 设计原理 .................................................. 3 3.3 方案设计 .................................................. 8 四.Proteus 原理图绘制 ............................................ 12 4.1 选取元件 ................................................. 12 4.2 放置元件及排版 ........................................... 13 4.3 模拟及仿真 ............................................... 14 五.Proteus 电路仿真 .............................................. 15 六 仿真结果分析 ................................................. 19 6.1 频率及放大倍数测量 ....................................... 19 6.2 理论比较 ................................................. 19 6.3 误差分析 ................................................. 19 七 心得体会 ..................................................... 20 八. 参考文献 .................................................... 21 九.元器件清单 ................................................... 22 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 1 十.本科生课程设计成绩评定表 ..................................... 24 一模电课设概述 1.1 设计背景 电子琴是一种键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产 生音响。

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可以使用外 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通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 1.2 设计目的及意义 (1)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 (2)锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力 (3)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 (4)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。

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 2 二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目前最好的仿真单片机及外围器件的工具虽然目前国内 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 是世界上著名的 EDA 工具（仿真） ，从原理图布图、代码调试到单片机与外围 电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计是目前世界 上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器 模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等， 2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方 面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器 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此外，Proteus 可对 IAR C-SPY、 KEIL 等开发工具的源程序进行调试 此外，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 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 3 三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 们就可以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 所示如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号，再通过扬 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 1HZ1MHZ 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，由上表我们可以知道选择 RC 振荡电路其基本电路 为 RC 文氏电桥振荡电路 (1)RC 桥式振荡电路图 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 4 (2)RC 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： 可得选频特性： 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 5 即当 f0=1(2RC)时，输出电压的幅值最大，并且输出电压是输入电压的 13，同 时输出电压与输出电压同相通过该 RC 串并联选频网络，可以选出频率稳定的正弦波号， 也可通过改变 R，C 的取值，选出不同频率的信号。

(3) 振荡条件 1.自激振荡条件 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 Xi，由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出，如图 3 所示 Xf=Xi，可得自激振荡电路自激振荡必须满足以下条件： 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 6 图 1 振幅条件与相位条件 2.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|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 3.2.2 音频集成功率放大器原理 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 （1）LM386 内部电路 LM386内部电路原理图如图4所示 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 7 图4 LM386内部电路原理图 与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。

第一级为差分放大电路，V1和 V3、V2和 V4分别构成复合管，作为差分放大电路的放 大管；V5和 V6组成镜像电流源作为 V1和 V2的有源负载；V3和 V4信号从管的基极输入， 从 V2管的集电极输出， 为双端输入单端输出差分电路 使用镜像电流源作为差分放大电路 有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益 第二级为共射放大电路，V7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数 第三级中的 V8和 V9管复合成 PNP 型管，与 NPN 型管 V10构成准互补输出级二极管 D1和 D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真 引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端电路由单电源供电，故为 OTL 电路输出 端（引脚5）应外接输出电容后再接负载 电阻 R7从输出端连接到 V2的发射极，形成反馈通路，并与 R5和 R6构成反馈网络，从 而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益 （2）LM386的引脚图 LM386 的引脚的排列如右图所示引脚 2 为反相输入端，3 为同相输入端；引脚 5 为 输出端；引脚 6 和 4 分别为电源和地；引脚 1 和 8 为电压增益设定端；使用时在引脚 7 和 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 8 地之间接旁路电容，通常取 10F。

图 5 LM386 引脚图 3.3 方案设计 3.3.1 振荡电路 振荡电路图如图 6 所示 武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书 9 图 6 振荡电路图 选择 C1=0.1uF，R4=1k，根据公式 RRC ff 41 0 2 1 == ，结合表一，即可计算出八个 音阶对应的电阻值， 分别为 R5=9.09K， R6=10.34 K， R7=13.08K， R8=16.15 K， R9=20.44 K，R10= 23.26K，R11=28.72 K，R12=36.34K 选定 。