简易电子琴课设全解

课程设计任务书

学生姓名：吴静专业班级：电子科学与技术0901 指导教师：吴友宇工作单位：信息工程学院

题目: 简易电子琴的设计

初始条件：

可选元件：集成运算放大器LM324、电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc= +12V，或自备元器件。

可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，函数发生器。

要求完成的主要任务:

（1）设计任务

根据已知条件，完成对简易电子琴电路的设计、装配与调试。

（2）设计要求

①设计一简易电子琴电路，按下不同琴键即改变RC值，能发出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。已知八个基本音阶在C调时所对应的频率如下表所列。

C调 1 2 3 4 5 6 7 i

f 0 /H

264 297 330 352 396 440 495 528 Z

②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出

总体电路原理图，阐述基本原理。（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真）

③安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

时间安排：

1、2010 年1月12日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课

程设计报告格式的要求；课设答疑事项。

2、2010 年1月13日至2010年1月19日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课

程设计报告撰写。

3、2010 年1月21日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

简易电子琴课设全解

目录

摘要................................................................................................................................................ I Abstract .......................................................................................................................................... II 简易电子琴. (3)

1设计方案的确定 (3)

1.1 整体电路方框图 (3)

1.2设计方案 (3)

1.2.1振荡电路方案 (3)

1.2.2功率放大电路方案 (5)

2 设计原理及电路选取 (7)

2.1设计原理 (7)

2.1.1 RC方波振荡器原理 (7)

2.1.2运算放大器原理 (8)

2.2电路选取及参数确定 (9)

2.2.1 振荡电路 (9)

2.2.2功率放大电路 (10)

2.2.3总电路图 (10)

3仿真结果分析 (12)

3.1方波振荡仿真结果 (12)

3．2放大仿真 (12)

4焊接过程与调试 (13)

4.1焊接 (13)

4.2实物调试及参数最终确定 (13)

4.3 结果分析 (13)

5心得与体会 (14)

参考文献 (15)

附件1元件清单列表 (16)

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武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

摘要

模拟电路是处理模拟信号的电子电路，模拟信号是指时间和幅度都连续的信号（连续的含义是在某以取值范围那可以取无穷多个数值）。模拟电路具有结构简单，实现方便，成本低廉的优点。对于固定的简单功能的实现，模拟电路得到广泛的应用。模拟电路中的RC方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。

本文介绍了一种基于LM324运算放大器RC方波振荡的简易电子琴制作的设计方法，主要阐述了电子器件的焊接使用仿真软件的使用操作等，做出简洁而又多变的设计方法，减少成本，让我们更加明白RC振荡原理。本设计实现了电子琴的几个基本功能，按下不同琴键即改变振荡频率，能发出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TDA2030电路输出。

关键词：模拟电路，LM324，RC方波振荡，集成功放TDA2030。

I

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武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

Abstract

The analogous circuit is processes the simulated signal the electronic circuit, the simulated signal is refers to the time and the scope continual signal (continual meaning is in some may take infinite many values by value scope that). The analogous circuit has the structure to be simple, realizes conveniently, cost inexpensive merit. Regarding fixed simple function's realization, the analogous circuit obtains the widespread application. In analogous circuit's RC square-wave oscillating circuit has certainly certainly chooses the frequency characteristic, in the music various scales frequency is also take the fixed sound frequency as the mechanism.

This article introduced one kind the design method which square-wave vibration's simple electric piano manufactures based on LM324 the operational amplifier RC, mainly elaborated electronic device's welding use simulation software's use operation and so on, makes succinct and the changeable design method, reduces the cost, lets our clearer RC vibration principle. This design has realized electric piano's several basic functions, uses the operational amplifier constitution oscillating circuit, outputs with the integrated power amplifierTDA2030 electric circuit.

Key word: analogous circuit, LM324, RC square-wave vibration, integrated power amplifierTDA2030.

II

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简易电子琴

1设计方案的确定

1.1 整体电路方框图

图1.1 简易电子琴原理方框图

该电路具有原理简单、容易制作调试制作等特点。能实现八种频率的方波产生且能驱动喇叭产生C 调的八个音阶。原理见图1.1所示简易电子琴原理方框图。

1.2设计方案

1.2.1振荡电路方案

方案一：基于RC 方波振荡

利用LM324与电阻电容组成RC 方波振荡器，该模块为整体电路核心带动扬声器是本实验应主要考虑的实施方案，振荡原理见图1.2 RC 方波振荡电路。整个设计的核心部分就在LM324模块电路的设计及信号的处理，该模块完成的功能主要RC 振荡电路产生矩形振荡。

图1.2 RC 方波振荡电路

稳压电源 方波振荡电路 放大电路

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实验采用四低功率运算放大器LM324组成简易电子琴。整个电路由振荡器，功率放大器，扬声器和琴键按钮等部分组成。通过改变琴键开关的通断,来改变音调和音符。

用正负12v的直流稳压电源供LM324工作，通过改变阻值改变自己振荡频率，稳定输出不同频率的的方波，对信号放大后将信号传至扬声器，从而产生不同的音调。

特点：利用模拟电路产生数字信号，信号处理较为方便，电路简单，成本低。

方案二：基于RC正弦波振荡电路

采用正弦波振荡电路，该电路是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波的电路。正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频网络组成。振荡器的输出信号频率是由选频网络决定的。

电路如图1.3所示：在外界电磁波的干扰下，某一特定频率f0的信号形成正反馈。一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持。当输出信号较小时，二极管不导通或电阻较大，此时电路放大倍数很大，信号不断增强。当输出信号较大时，二极管电阻减小，电路放大倍数较小，信号逐步趋于稳定。信号的频率也有多种频率的混合变为单一频率。总之，由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。

该电路结构简单，调整频率时只需要同时改变两个电阻R的值即可。

图1.3 RC正弦波振荡电路

为使输出波形为正弦不失真信号，选频网络的两个电阻电容应取相同的数值。因此需要使用同调电位器。

特点：输出正弦信号，要使用同调电位器，增加了电路的复杂度。

4

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5

方案三 ：基于NE555方波振荡电路

利用NE555与电阻电容组成多谐振荡器如图1.4，采用两个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器，颤音振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。 特点:电路简单方便成本低。

图1.4 NE555方波振荡电路

通过比较本设计采用RC 方波振荡电路来实现简易电子琴的振荡电路。

1.2.2功率放大电路方案

方案一

图1.5 TDA2030功放电路

采用集成的功率放大器实现功率的放大，以推动喇叭发出相应频率的声音。集成芯片构成的电路具有电路简单，效率高的特点。

例如专用的音频放大器TDA2030，电路图如图1.5所示。

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方案二

采用分立元件搭建甲乙类互补对称功率放大电路，利用了三极管具有放大电流的功能，使得电路的负载能力得到了很大的增强。电路如图1.6所示。

采用对管进行推挽输出，使得效率得到了很大的提升。为了消除交越失真，我们提供了一个直流偏置，使得对管的导通角略大于180°。采用三极管来提供直流偏置不仅可以有效的消除交越失真，而且可以提供温度补偿，使得电路更加稳定的运行。

图1.6 甲乙类互补对称功率放大电路

方案三

采用集成运放搭建的电压跟随器，电路十分简单如图1.7，可以提供小电流的输出。

图1.7 电压跟随器电路

考虑到本系统需要驱动喇叭发声，我们这里采用电路较为简单，效率较高的方案一来实现功率的放大。

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2 设计原理及电路选取

2.1设计原理

2.1.1 RC 方波振荡器原理

图2.1 RC 方波振荡原理图

由集成运放构成的方波发生器，一般均包括比较器和RC 积分器两大部分。图2.1所示为由滞回比较器及简单RC 积分电路组成的方波发生器。它的特点是线路简单，主要用于产生方波。

(1) 开关电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。

(2) 反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。

(3) 延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC 环节实现，从而决定振荡频率 。

工作原理：

设第一暂态：O U ＝Z U ，P U ＝+T U 。如图2.2所示：

电容正向充电，t↑→ N U ↑，t→∞ ， N U →Z U ；但当N U ＝+T U 时，再增大，O U 从+Z U 跃变为－Z U ，P U ＝－T U ，电路进入第二暂态。

电容反向充电，t↑→ N U ↓，t→∞ ， N U →－Z U ；但当N U ＝－T U 时，再减小，O U 从－Z U 跃变为+Z U ，P U ＝+T U ，电路返回第一暂态。

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图2.2电容充放电图及输出曲线

2.1.2运算放大器原理

LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V ，或正负双电源±1．5V ～±15V 工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O ～Vcc 。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V -”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM324引脚排列见图2.3。 lm124、lm224和lm324引脚功能及内部电路完全一致。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用。

图2.3LM324引脚图

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2.2电路选取及参数确定

2.2.1 振荡电路

U1A

LM324AN

3

2

11

4

1

R122kΩ

1

C1

330nF Rf

10kΩ

R010kΩR15.1kΩ4

VCC

12V

VEE -12V

VEE 0

D1

RD4.7D2

RD4.75

R24.2kΩR33.9kΩR4

3.6kΩR53.3kΩR63kΩR72.7kΩR82.4kΩ

J1

J2J3J4J5J6J7J8

678910111213

VCC 15

17

图2.4 RC 方波振荡器原理图

该发生器具有正反馈和负反馈，其中电路的正反馈系数为)0/(0Rf R R F += 根据一阶RC 电路的三要素法有

()(0)

ln

()()

c c po

c c po u u t u u t τ+∞-=∞-充 输出方波高电平的时间间隔为 1ln

OH OL

OH OH

V F V T RC V F V -=-

11ln

ln 1OH OH OH OH V F V F

T RC RC V F V F

++==--

输出方波高电平的时间间隔为

21l n l n

1O L O H

O L O L

V F V F

T R C R C V F V F

--+==

-+- 周期和频率计算如下

1212ln

1F

T T T RC F

+=+=- 输出方波的幅值由背靠背稳压二极管双相限幅确定，即()

o

Z D u V V =±+,其绝对

值o Z D

u V V =+。由于1222T T T ==，所产生的方波信号占空比为1/2。

未获得响应频率的方波，我们在取C=0.33μF ，计算电阻，阻值难以得到的电阻，我

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们采用了滑动变阻器来精确调节阻值，以得到更精确地频率。计算的阻值如表2.1。

表2.1 C 调频率及相应阻值

C 调 1 2 3 4 5 6 7

i f 0 /H Z 264 297 330 352 396 440 495 528 R1

5.1K

4.2K

3.9K

3.6K

3.3K

3K

2.4K

2.4K

2.2.2功率放大电路

采用专用的音频放大器TDA2030，芯片引脚如图2.5所示，功放电路如图2.6。

图2.5TDA2030芯片引脚图

R10

22kΩ

R11680ΩU2

TDA20301

2

3

5

4

C2

1uF

C322uF

C4

220nF

R1422kΩ

R15

1Ω2

318

1914

VCC

12V VEE -12V

VCC

VEE

图2.6功放电路

2.2.3总电路图

制作本设计简易电子琴所需元件见附件1，总原理图如图2.7.利用LM324的RC 方波振荡电路在无信号源的情况下自激产生矩形波，再将矩形波信号传至由TDA2030构成的功放电路，将功率放大传至扬声器，供其产生不同频率的音阶。

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U1A LM324AN

3

2

11

41

R122kΩ

1

C1

330nF Rf

10kΩ

R010kΩR15.1kΩ4

VCC

12V

VEE -12V VEE 0

D1RD4.7

D2RD4.7R24.2kΩR33.9kΩR43.6kΩR53.3kΩR63kΩR72.7kΩR82.4kΩ

J1

J2J3J4J5J6J7J8678910111213

R98Ω

R10

22kΩ

R11

680Ω

0R13100Ω

Key=A 50%VCC 15

U2

TDA20301

2

3

5

4

C2

1uF

C322uF

C4220nF

R14

22kΩR151Ω23

18

19VCC

12V VEE -12V

VCC VEE 517

14

160

图2.7 简易电子琴设计总电路图

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3仿真结果分析

3.1方波振荡仿真结果

闭合开关J1接示波器到振荡电路输出端，观察波形输出及响应频率，仿真波形如图3.1所示。

图3.1方波振荡电路输出波形仿真

3．2放大仿真

将振荡电路输出信号接入功率放大电路，接示波器到放大电路输出端，观察波形输出及响应频率，仿真波形如图3.2所示。

图3.2放大电路输出波形仿真

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4焊接过程与调试

4.1焊接

(1)硬件焊接过程中，在电路板排布时，要充分利用空间，合理有效的排板。焊接时应先焊接元件较小的电阻电容元件，在焊接元件较高的元件。

(2)调节滑动变阻器达到理想频率，并用示波器观察频率及输出波形。

(3)电路测试，应满足以下要求：在按键后发出对应的音阶声，并且在相应的频率；要求喇叭性能好。经试音比较，选取了大纸盆喇叭，音质更好；要求输入、输出滤波好。

4.2实物调试及参数最终确定

焊接实物后接入正负12v直流稳压电源，将输出端连接示波器调节滑动变阻器使得输出频率为C调电子琴各音阶频率。最终阻值参数见下表4.1所示。

表4.1：调试后频率对应的阻值

C调 1 2 3 4 5 6 7 i

f 0 /H Z 264 297 330 352 396 440 495 528

R1 5.01K 4.60K 4.10k 3.70K 3.28K 2.92K 2.55K 2.47K

4.3 结果分析

依照仿真原理图焊接出的电路实物进行仿真时由于电容电阻等元件存在百分之十左右的误差，此外，实物的布局布线也会对电路参数产生影响，从而导致实物测试与仿真存在偏差。通过实物调试，调整阻值参数，从而补偿误差，提高输出频率的精确度，达到理想输出频率。

表4.1 结果分析表

频率(f0/HZ) 264 297 330 352 396 440 495 528 理论R值 5.1K 4.2K 3.9K 3.6K 3.3K 3K 2.4K 2.4K 实际R值 5.01K 4.60K 4.10K 3.70K 3.28K 2.92K 2.55K 2.47K 误差值（%） 1.76 9.50 5.12 2.78 0.60 2.67 6.25 2.92

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5心得与体会

在实际调试时有些东西并不像仿真显示的结果那样，达不到所期望的性能指标。例如当阻值取值和仿真相同时，所测频率比仿真频率偏高百分之十左右。这就要求通过仪器的测量值并适加以合理判断调整电路参数。在调试过程中发现电容值并不准确，而且由于漏电流的存在，选用漏电流较小的聚苯电容可以获得更好的效果。这次课程设计将理论与实际结合起来，对平时所学的理论知识有更进一步的认识。对事物设计的一般流程也有了进一步了解。

1. 首先弄懂所需设计事物的工作性能，并与书上的理论知识相联系，了解所需设计事物的工作原理。

2. 分析原理图中每个器件的作用，阅读元件说明书，合理设置元件参数。

3. 利用仿真软件对所设计的原理图进行仿真。

4. 焊接时在心中对器件的排布做一下大致规划技术，器件装配要牢固。

5. 焊接好后连接仪器进行测试及分析。如未达到所需性能指标，分析可能原因，对元器件进行修改，直至达到要求。

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