模电课程设计简易电子琴的设计

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。

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。

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。

图1 RC桥式震荡电路

RC桥式振荡电路可以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，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，可以选出频率稳定的正弦波信号，也可通过改变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=9.09K Ω，R 6=10.34 K Ω，R 7=13.08K Ω，R 8=16.15 K Ω，R 9=20.44 K Ω，R 10= 23.26K Ω，R 11=28.72 K Ω，R 12=36.34K Ω。

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：

213

21≥++=R R R A

即 321R R R ≥+ （10）

选择R 1=800Ω，R 2=900Ω，R 3=1500Ω

3.3.2 集成功放电路

集成功放电路图如图5所示

图5 集成功放电路图 如图5所示为LM386外围器件最少的连接方式，其内置电压增益为20倍。C 3取4.7uF 为退耦电容，所谓退耦即防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。换言之，退耦电容能够有效地消除电路网络之间的寄生耦合。退耦滤波电容的取值通常为4.7-200uF ，退耦压差越大，电容的取值应该越大。 C 4为旁路电容，它可将混有高频信号和低频信号的交流信号中的高频成分旁路掉的电容，取10uF 。C 6为隔直传交电容，取220uF 。

3.3.3 整体电路图