课程设计说明书
课程设计名称：电子技术（模拟电路部分）课程设计课程设计题目：简易电子琴
学院名称：信息工程学院
专业：电子信息工程班级： 100411
学号：姓名：
评分：教师：
20 12 年 3 月 13 日
电子技术（模拟电路部分）课程设计任务书
20 11 －20 12 学年第二学期第 1 周－ 2 周
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。
摘要
电子琴是一种新型的键盘类乐器，电子琴是目前用于音乐普及教育和音乐素质培养最多的乐器，电子琴作为科技与音乐的产物，在信息化和电子化的时代，为人类的休闲娱乐作出了极大贡献。因此，本次课程设计中，就设计了一个简易电子琴。
本次设计中，采用NE555芯片以及LM386功率放大器来完成设计要求。因其只对电子琴主体部分的电路进行模仿设计，达到电子琴固有的基本功能，故叫简易电子琴。
该方案利用NE555定时器构成多谐振荡器，使其通过操作者按下8个按键控制选择不同的RC组合产生不同频率的八个基本音阶脉冲信号波,然后通过LM386功率放大器驱动扬声器即可发出八个音调。
关键词：简易电子琴，NE555,LM386，八个音阶
目录
第一章设计的目的及要求
1.1设计目的 (1)
1.2 设计要求 (1)
第二章方案比较及确定
2.1 设计要求分析 (2)
2.2 方案比较 (2)
2.2.1 方案一 (2)
2.2.2 方案二 (3)
2.2.3 方案三 (4)
2.3 方案确定 (4)
第三章系统组成及工作原理
3.1系统构成 (5)
3.1.1 输入端 (5)
3.1.2 频率产生端 (5)
3.1.3 声频输出端 (5)
3.2 工作原理 (6)
3.3 参数计算 (7)
第四章器件选择
4.1 NE555 (8)
4.2 LM386功率放大器 (9)
4.3 其他器件的选择 (9)
第五章系统调试及测试结果分析
5.1 系统仿真调试 (10)
5.2 焊接及结果分析 (15)
结论 (16)
参考文献 (17)
附录一 (18)
附录二 (19)
第一章设计目的及要求
1.1设计目的
（1）学会并掌握数字电路设计的基本方法
（2）能运用NE555计时器、CD4017脉冲分配器实现LED猜盘游戏的设计
（3）掌握焊接的基本要领
1.2设计要求
系统有10个LED组成轮盘。开始前，先猜测某个LED，然后按下按钮，LED高速旋转，然后速度逐渐减慢，最后停下。若停在所猜测的灯上，则为赢。
第二章方案比较及确定
2.1 设计要求分析
1）时钟脉冲发生端：可由NE555定时器构成单稳触发器和多谐振荡器组成2）时序分配端：可由CD4017脉冲分配器实现
3）显示端：可由LED实现该模块
2.2方案比较
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，本文仅列举出其中三种进行比较，比较方案如下：
2.2.1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。
其电路如图2.2.1所示：
图2.2.1两个555芯片实现简易电子琴仿真电路（一）
该方案采用单片机实现简易电子琴。由图2.2.2可以看出，此方案所需的器件较多，电路极其复杂。方案中使用了AT89S51芯片、LM386功率放大器、LED 数码管以及若干个开关、电阻及电容。
其中，AT89S51芯片是一个低功耗，高性能的CMOS8位单片机，片内含4k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。具有如下特点：4k Bytes Flash片内程序存储器； 128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；5个中断优先级、2层中断嵌套中断；6个中断源；2个16位可编程定时器/计数器；2个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内振荡器和时钟电路；与MCS-51兼容；全静态工作：0Hz-33MHz；三级程序存储器保密锁定；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。
图2.2.2单片机实现简易电子琴仿真电路（二）
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2.2.3所示。
图2.2.3简易电子琴的工作原理图（三）
2.3 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，采用的是单片机实现。从其电路上来看，其结构非常复杂，而且使用的AT89S51芯片很复杂，管脚过多，若用于本设计会徒增设计的难度，且所使用的器件数量较多。因此，该方案不仅麻烦而且耗费比较大。方案三中，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，方案三更为合适。因此，在本次设计中，可以采用方案三作为本次实验的原理设计方案来实现简易电子琴的功能。
第三章系统组成及工作原理
3.1 系统组成
3.1.1 时钟脉冲发生端
在电路板上焊上八个按键开关，分别接入对应的电路中来控制输出频率。从左到右依次按下开关，可以获得所需的频率。如图3.1.1所示。
图3.1.1
3.1.2 时序分配端
图3.1.2
图3.1.2所示是整个电路设计的关键，由一个555芯片和几个电容以及电阻组成多谐振荡器，经过可调电阻输出的不同电阻设计所需对应的频率。
3.1.3 显示端
由一个LM386芯片和一个喇叭组成音响，LM386将系统产生的信号放大，经过喇叭发出声音。模块设计图如图3.1.3所示。
图3.1.3 音频输出端
注：仿真时，用示波器代替扬声器观察闭合各开关时的波形变化。
3.2 工作原理参考原理：
系统由电压控制器(包括自激振荡器+2分频电路)、触发器、加＼减控制、分频器组成。
主要参考元器件：
555集成芯片；
74LS73，74LS193，74LS154，74LS00；
CD4017芯片；
B键；发光二极管；
该课程设计题目是LED猜盘游戏。该系统的应用着重在按下开关LED灯高速旋转的，然后灯逐渐停在某个灯上，着重停止后的随机性，才能有效的保证游戏时的公平原则。
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3-2所示：
按照本次设计的要求，设计的简易电子琴工作原理图如图3.2所示：
图3.2 易电子琴的工作原理图
3.3 参数计算
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所示：
表3-3
第四章器件选择
本次设计中，运用到了NE555芯片，LM386芯片、按键开关以及电阻、电容、导线若干。
4.1 NE555
555定时器是一种模拟-数字混合式集成定时器，555 定时器成本低，性能可靠，外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路，在工业控制等方面也有很广泛的应用。它的内部结构图以及管脚图如图4.1所示。
图4.1 NE555内部结构图以及管脚图
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。
NE555的各个引脚功能如下：
1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5V 至16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3V至18V，一般用5V。
3脚：输出端Vo。
2脚：低触发端。
6脚：TH高触发端。
4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH 处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
4.2 LM386功率放大器
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。
其特性如下：静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V 或 5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度。
LM386的外形和引脚的排列如图4.2所示。
图4.2 LM386的引脚图
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和地之间接旁路电容，通常取10μF，由于焊接时没有找到10μF，故本设计中使用47μF。
在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。
4.3 其他器件的选择
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。
第五章系统调试及测试结果分析
5.1 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5.1所示：
图5.1 仿真图
用Multisim仿真软件运行图5.1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5.1.1所示：
图5.1.1 关闭开关1后的波形图
图5.1.2 关闭开关1后的波形图（3）关闭开关2时，波形如图5.1.3所示：
图5.1.3 关闭开关2后的波形图
图5.1.4 关闭开关3后的波形图（5）关闭开关4时波形如图5.1.5所示：，
图5.1.5 关闭开关4后的波形图
图5.1.6 关闭开关5后的波形图（7）关闭开关6时，波形如图5.1.7所示：
图5.1.7 关闭开关6后的波形图
图5.1.8 关闭开关7后的波形图
（9）关闭开关8时，波形如图5.1.9所示：
图5.1.9 关闭开关8后的波形图
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
5.2 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。
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。