电子测量与电子电路实验课程设计

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1、电子测量与电子电路实验课程设计题目：简易电子琴的设计和制作姓名.学院电子工程学院专业.电子信息科学与技术班级2014211202学号2014210班内序号,指导教师黄少玲2016年4月目录一、设计任务与要求31.1设计任务与要求31.2选题目的与意义3二、系统设计分析42.1系统总体设计.42.2.1音频信号产生模块52.2.2功率放大电路82.2.3开关键入端（琴键）9三、理论值计算.103.1音阶频率对应表103.2键入电路电阻计算10四、电路设计与仿真114.1电路设计11五、实际电路图连接14六、系统调试.156.1系统测试方案156.2运行结果分析166.3功率放大要求16七、设计体

2、会与实验总结17八、元器件使用清单17一、设计任务与要求1.1设计任务与要求了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。设计并利用 NE555集成运算电路以及外加电阻，电容在第一级产生不同频率 的音乐，再利用LM386功率放大电路对音乐信号进行放大，最 后通过扬声器产生21个音符。1.2选题目的与意义（1）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学 过的理论和生产实际知识去分析和解决工程问题的能力。（2）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟， 数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力。（3）学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。了解由555 定时器构成简易电

3、子琴的电路及原理。二、系统设计分析2.1系统总体设计由555电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡 电路中的RC元件的数值进行改变。根据这一原理，通过设定一 些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的规律依次将不同 值的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的需求， 有节奏的发出已设定的音频信号，再利用LM386功率放大电路 对音乐信号进行放大，最后通过扬声器产生音符。图1：系统组成框图2.2.1音频信号产生模块利用NE555集成运算电路以及外加电阻，电容在第一级产 生不同频率的音乐。555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结 构，体积很小，使用起来方便。只要在

4、外部配上几个适当的阻容 元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡 器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与 控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛 的应用。多谐振荡器的工作原理：多谐振荡器是能产生矩形波的一种 自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波， 故称为多谐振荡器。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定时器构成的多谐振荡器如图2所示， R1，R2和C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C的连

5、接处，将放电端 （7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来 不及充电，电容器两端电压Uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故 高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出Uo为高电平， 放电管VT截止。这时，电源经R】，R2对电容C充电，使电压 Uc按指数规律上升，当Uc上升到（2/3）Vcc时，输出Uo为低 电平，放电管VT导通，把Uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长 短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=(R+R2)C。由 于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进 人第二暂稳态.其维持时间TPL

6、的长短与电容的放电时间有关， 放电时间常数T放=R2C0随着C的放电，Uc下降，当Uc下降 到(1/3) Vcc时，输出Uo。为高电平，放电管VT截止，Vcc再 次对电容C充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电 源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，Uc电压总是在(1/32/3) Vcc之间变化。0.0DpFXCt =CONIRFSI-：DISCHTURFSRIOGND862LT图2： NE555管脚图%图3：多谐振荡波形图电阻R1、R2和电容C1构成定时电路。定时电容C1上的电压UC 作为高触发端TH（6脚）和低触发端TL（2脚）的外触发电 压。放电

7、端D（7脚）接在R1和R2之间。电压控制端K（5 脚）不外接控制电压而接入高频干扰旁路电容C2（0.01uF）。直 接复位端R（4脚）接高电平，使NE555处于非复位状态。多谐振荡器的放电时间常数分别为tpj0.693x（R1+R2）xC1 tpj0.693xR2xC 振荡周期T和振荡频率f分别为T=t +t -0.693x（R+2R）xQ PH PL121f=1/T-1/0.693x（R1+2R2）xC12.2.2功率放大电路集成功放大电路可以有多种选择，如三极管放大、差分放大、 运放等等，考虑到本次是对音频放大，故选择的是通用型音频功 率放大器LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放

8、大器，主 要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置 为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将 电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出 端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态 功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。特性(Features):*静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。*工作电压范围宽，412V or518V。*外围元件少。*电压增益可调，20200。*低失真度。采用LM386运放，价格低廉。LM386 一般采用69V电源， 最大输出功率为1W，因该器件散热条件不够理想，一般输出功 率为0.5W

9、以下，一般为0.3W。由LM386内部结构知，电路的 电压放大倍数可由内部1.35k电阻及引脚1、8间的外围元件确 定。当引脚1、8间不接任何元件时，其电压放大倍数为20倍， 当引脚1、8之间外接电容10 uF电容是，其电压放大倍数为200。此时，内部的1.35k电阻倍交流短路，其电压放大倍数表示式为:VA=2R2/R=30k/150。引脚5与地之间外接0.047uF电容和10欧 电阻为补偿电路，可提高电路的稳定性，防止电路高频自激。当 LM386处于高电压放大倍数时，电源的影响将会增大，为此在引脚7与地之间外接10 uF的滤波电容。图4： LM386放大电路，放大增益=2002.2.3开关键

10、入端（琴键）21个开关与经计算出来的固定电阻串联后再互相并联，通 过按下开关（琴键）将不同电阻接入多谐振荡电路，使555震 荡器产生不同频率的音频信号。图5：开关电路三、理论值计算3.1音阶频率对应表音阶名（低音）1234567频率（Hz）132148.5165176198220247.5音阶名（中音）1234567频率（Hz）264297330352396440495音阶名（高音）1234567频率（Hz）528594660704792880990表1:音阶频率对应表3.2键入电路电阻计算频率电阻对应公式：f=1/T-1/0.693x（R1+2R2）xC1根据公式以及实际电路分析，配合已有电

11、阻的串并联计算得出音阶频率对应的电阻值和电容值。C1=0.22uFR2=2.7kQ音阶名（低音）1234567电阻R144k38.7k34.4k31.7k27.7k24.4k21.1k音阶名（中音）1234567电阻R119.1k16.7k14.4k13.3k11.1k9.5k7.8k音阶名（高音）1234567电阻R17k5.6k4.3k3.9k2.8k2k1.2k表2：键入电路电阻四、电路设计与仿真4.1电路设计利用多谐振荡器电路作为音频信号发生电路，后级接LM386 放大信号。原理电路图如下图，当依次按下按键时控制不同阻值 电阻接入电路，以NE555为核心组成的多谐振荡电路，由不同 的充

12、电电阻选择不同的频率以此来控制分别发出21个不同音频 信号，最后通过功放把21个音阶依次输出。4.1.1发声模块0芝i r .1 . -.151倾:K5.ls .4.1.2放大模块4 C -TL-r u 4 2555 .VIRTUAL Tmer- 4.1.3整体实验电路图ui：555 7RTLTrflfl-JSC?zyz按下不同的琴键，对应的矩形波也不同。MB2 VASv国巫国日ExtM轴位移格）：0V轴位移格）：丫轴位移格）：00EI添加|回启A/B12.000 V12.000 V0.000 V2. 582 ms244.582 ms0.000 s时基标度：2昭饷边沿：水平：单次IE常自动无通

13、道具刻度：5加8交流0蜃二，一1-L I:六、系统调试6.1系统测试方案通过实际电路的输出端将音频信号输入到示波器，利用数字 示波器观测震荡波形和振荡频率。记录实际电路下的音频信号频 率，将R1置换为电位器，在调试过程中调节电位器和定值电阻R2使得测量值更加接近理论计算值。2.00V/Agilent平均fll式.3?帽FUk3神200 MHm图10：示波器显示波形6.2运行结果分析音阶名1234567低音频率(Hz)理论132148.5165176198220247.5实测136152170178201226253中音频率(Hz)理论264297330352396440495实测2722963

14、37354403445597高音频率(Hz)理论528594660704792880990实测531591647702780868980表3：实测值与理论值对比误差分析：实测频率的误差主要来源于接入电阻的阻值。在高音 频率上的设计时，由于不同音阶频率对应的R1之间相差1kQ左 右，实验提供电阻有限并且阻值有一定误差，所以实测频率与理 论频率有一定误差。为了避免定值电阻带来的误差，在调试电路 时选择利用电位器调节接入阻值来得到准确的实测频率。再通过 定值电阻的串并联减小误差。6.3功率放大要求随机选择两个开关，已知扬声器的电阻为8欧，测出其输出电压， 计算输出功率。开关1：输出电压有效值2.4V

15、P=U2/R=(2.4)2/8=0.72W0.5W开关2：输出电压有效值2.8VP1=U2/R=(2.8)2/8=0.98W0.5W七、设计体会与实验总结通过这次电路设计和调试，按照规定要求完成了简易电子琴 的设计与制作，此次的课程设中计，我不仅巩固了以前学习过的 知识，还增长了一些书本以外的知识。最重要的是在实践中理解 了书本上的知识，明白了学以致用的真谛，也明白课程设计的意 义所在，它教会我如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高 我们的分析能力、动手能力及处理问题的能力。在整个设计到电 路板的制作以及调试过程中，不断修正自己的思路，虽然电子琴 原理简单但是在组合合适电阻上有些小难度，如何布局合理、整 体美观成为音阶准确外最主要的任务要求。在课程设计的整个过程中，培养了我们的耐心和毅力，一个 小小的错误就会导致结果的不正确，而对错误的检查要求我要有 足够的耐心，由于这个课程设计也使我积累了一些经验，相信这 些经验在我以后的学习工作中会有很大的作用。八、元器件使用清单非自锁开关21个、电位器1个、NE555多谐振荡器1个、 LM386功率放大器1个、扬声器1个、面包板一块、电阻若干、 电容若干、导线若干。