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1、RC电路的实际应用之控制电子琴的键位发音1、 工业系统的应用背景1).微分电路微分电路的电路图如图1所示，其中电容为C，电阻为R，uI为输入电压，uo为输出电压。当R1/C 时， 。所以 图1 由上式可见，输出电压是输入电压的微分。注意：满足上述微分关系的前提是，必须符合：R1/C的条件。2).积分电路：积分电路的电路图如图2所示。当R1/C 时， 。所以 图2可见输出电压是输入电压的积分。注意：上述积分关系必须满足：R1/C的条件。其中RC积分电路在示波器中显示的图像为（矩形波输入）：RC积分电路如图Z1605(a）所示 ，它是脉冲技术中的常用电路之一。该电路的时间常数较大，一般 取10tk
2、。当输入信号U如图Z1605（b）所示 ，在t1时刻Uo（）=0，此后，Ui向C充电，Uo按指数规律上升； 在tt期间，U=0，电容C处于放电状态 ，Uo下降； 在tt期间，Uo又按指数规律上升，如此周而复始，就得到了近似锯齿波形的输出电压，如图Z1605（c）中Uo波形。矩形脉冲的占空比不同，输出电压的幅度也 不同。显然，占空比越大，输出电压的幅度也 就越接近于输入信号的幅度E。 其中RC积分电路在示波器中显示的图像为（正弦波输入）：纯电阻性交流电路中电流与所加电压同相，而电容性交流电路中电流与所加的电压不再同相。当电流与电压取关联参考方向时，电容性交流电路中流过电容的电流与电容两端所加电压
3、的波形图如图1所示。图1 电容电压与电流的关系RC积分电路和微分电路的区别： 积分电路和微分电路都是利用电容两端电压不能突变的原理，两个电路确实只是把电容和电阻进行交换，同时电容的容量却不能交换的。一般积分电路中的电容容量要大，目的是让电容在输入脉冲的半个周期间保持线性充电状态而使得输出电压为线性上升。微分电路中的电容容量比较小，目的是让电容在输入正脉冲期间很快充电完成而使得输出电压很快就转为低电平。微分和积分电路实际上是高通和低通电路，用处很广泛。2、 系统简单原理的描述 O 引言 对于固定的简单功能的实现，模拟电路具有结构简单，实现方便，成本低廉的优点。在这方面，模拟电路得到广泛的应用。模
4、拟电路中的RC正弦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。本文介绍基于RC正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。1 基本乐理知识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。2 设计原理21 RC桥式振荡电路211 电路图RC桥式振荡电路如图1所示。212 RC串并联选频网络RC桥
5、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：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信号，也可通过改变R，C的取值，选出不同频率的信号。22 振荡条件221 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：222 起振条件自激振荡的初始信号一般较小，为了
6、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。3 设计方案31 设计电路图设计电路图如图4所示。图4即是八音阶微型电子琴的原理电路图，8个开关对应着电子琴8个音阶琴键，使用时只能同时闭合一个开关。在实际电路中，为达到起振条件AF1，常用两个二极管与电阻并联，可实现类似于热敏电阻的功效。另外需要说明的是，理论上电路的初始信号是由环境噪声及电路本身的电压提供的。实际操作时，为使现象更明显，也可通过对电路中的电容充电来实现。另外，电路中的运算
7、放大器芯片LM324工作电压要求是5 V，所以还需要用7809稳压管、整流桥等元器件制作带负电源的电源电路，同电子琴电路一块整合到电路板上，制作成可直接使用的完整成品。32 参数推导则由式(8)及起振条件|AF|1，可得：所以RF1，RF2和Rf的选取应满足式(9)，但实际取值时，应让RF1略小于Rf。RF2的取值也应适当，以满足式(6)，实现自激振荡。选频网络的频率推导公式为：根据式(8)、式(10)、式(11)，再结合表1的频率数据，即可确定电路中的元器件参数。需要注意的是，在确定R2内部电阻值时，应该从R21开始，逐个进行。33 参考参数根据上述方法，可得出如表2所示的参考参数。按此参数
8、进行仿真，其la调波形如图5所示，其频率满足国际标准音C调频率440 Hz。三、RC电路的简单原理描述RC电路在模拟电路、脉冲数字电路中得到广泛的应用，由于电 路的形式以及信号源和R，C元件参数的不同，因而组成了RC电路的各种应用形式：微分电路 、积分电路、耦合电路、滤波电路及脉冲分压器。关键词：RC电路。微分、积分电路。耦合电路。在模拟及脉冲数字电路中，常常用到由电阻R和电容C组成的RC电路，在些电路中， 电阻R和电容C的取值不同、输入和输出关系以及处理的波形之间的关系，产生了RC电路的 不同应用，下面分别谈谈微分电路、积分电路、耦合电路、脉冲分压器以及滤波电路。 1. RC微分电路如图1所
9、示，电阻R和电容C串联后接入输入信号VI，由电阻R输出信号VO，当RC 数值与输入方波宽度tW之间满足：RCt1），电容C的电压按指数规律快速充电上升，输出电压随之按指数规 律下降（因VOVIVCVmVC），经过大约3（R C）时，VCVm，VO0，（RC）的值愈小，此过程愈快，输出正 脉冲愈窄。t=t2时，VI由Vm0,相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负的电压V m开始按指数规律经电阻R放电，刚开始，电容C来不及放电，他的左端（正电）接地 ，所以VOVm，之后VO随电容的放电也按指数规律减小，同样经过大 约3后，放电完毕，输出一个负脉冲。只要脉冲宽度tW（510），在tW时间内，电容C
10、已完成充电或放电（约需3 ），输出端就能输出正负尖脉冲，才能成为微分电路，因而电路的充放电时间常数必须 满足：（1/51/10）tW，这是微分电路的必要条件。由于输出波形VO与输入波形VI之间恰好符合微分运算的结果VO=RC（ dVI/dt），即输出波形是取输入波形的变化部分。如果将VI按傅里叶级展开 ，进行微分运算的结果，也将是VO的表达式。他主要用于对复杂波形的分离和分频器 ，如从电视信号的复合同步脉冲分离出行同步脉冲和时钟的倍频应用。 2. RC耦合电路图1中，如果电路时间常数（RC）tW，他将变成一个RC耦合电路。输 出波形与输入波形一样。如图3所示。 （1）在t=t1时，第一个方波到
11、来，VI由0Vm，因电容电压不能突变（VC=0），VO=VR=VI=Vm。（2）t1ttW，电容C缓慢充电，VC缓慢上升为左正右负，V O=VR=VIVC，VO缓慢下降。（3）t=t2时，VO由Vm0，相当于输入端被短路，此时，VC已充有左 正右负电压=（VI/）tW，经电阻R非常缓慢地放电。（4）t=t3时，因电容还来不及放完电，积累了一定电荷，第二个方波到来，电阻上的电 压就不是Vm，而是VR=Vm-VC（VC0），这样第二个输出 方波比第一个输出方 波略微往下平移，第三个输出方波比第二个输出方波又略微往下平移，最后，当输出波 形的正半周“面积”与负半周“面积”相等时，就达到了稳定状态。也
12、就是电容在一个周期 内充得的电荷与放掉的电荷相等时，输出波形就稳定不再平移，电容上的平均电压等于输入 信号中电压的直流分量（利用C的隔直作用），把输入信号往下平移这个直流分量，便得到 输出波形，起到传送输入信号的交流成分，因此是一个耦合电路。以上的微分电路与耦合电路，在电路形式上是一样的，关键是tW与的关系，下面比 较一下与方波周期T（TtW）不同时的结果，如图4所示。在这三种情形中，由于电 容C的隔直作用，输出波形都是一个周期内正、负“面积”相等，即其平均值为0，不再含有 直流成份。当T时，电容C的充放电非常缓慢，其输出波形近似理想方波，是理想耦合电路。 当=T时，电容C有一定的充放电，其输
13、出波形的平顶部分有一定的下降或上升，不是 理想方波。当tW，这种电路称为积分电路。在 电容C两端（输出端）得到锯齿波电压，如图6所示。 （3）t=t2时，VI由Vm0，相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负电 压VI（VItW是本电路必要条件，因为他是 在方波到来期间，电容只是缓慢充电，VC还未上升到Vm时，方波就消失，电容 开始放电，以免电容电压出现一个稳定电压值，而且越大，锯齿波越接近三角波。输出波 形是对输入波形积分运算的结果，他是突出输入信号的直流及缓变分量，降低输入信号的变化量。 4. RC滤波电路（无源）在模拟电路，由RC组成的无源滤波电路中，根据电容的接法及大小主要可分为低通滤
14、波 电路（如图7）和高通滤波电路（如图8）。 (1)在图7的低通滤波电路中，他跟积分电路有些相似（电容C都是并在输出端），但 他们是应 用在不同的电路功能上，积分电路主要是利用电容C充电时的积分作用，在输入方波情形下 ，来产生周期性的锯齿波（三角波），因此电容C及电阻R是根据方波的tW来选取，而 低通滤波电路，是将较高频率的信号旁路掉（因XC=1/（2fC），f较大时，XC较 小，相当于短路），因而电容C的值是参照低频点的数值来确定，对于电源的滤波电路，理 论上C值愈大愈好。(2)图8的高通滤波电路与微分电路或耦合电路形式相同。在脉冲数字电路中，因RC与脉 宽tW的关系不同而区分为微分电路和耦
15、合电路；在模拟电路，选择恰当的电容C值， 就可以有选择性地让较高频的信号通过，而阻断直流及低频信号，如高音喇叭串接的电容， 就是阻止中低音进入高音喇叭，以免烧坏。另一方面，在多级交流放大电路中，他也是一种 耦合电路。 5. RC脉冲分压器当需要将脉冲信号经电阻分压传到下一级时，由于电路中存在各种形式的电容，如寄生电容 ，他相当于在负载侧接有一负载电容（如图9），当输入一脉冲信号时，因电容CL的 充电，电压不能突变，使输出波形前沿变坏，失真。为此，可在R1两端并接一加速电容 C1，这样组成一个RC脉冲分压器（如图10）。 (1)t=0+时，电容视为短路，电流只流经C1，CL，VO由C1和CL分压得到： 但是，任何信号源都有一定的内阻，以及一些电路的需要，通常采取过补偿的办法，如电视 信号中，为突出传送图像的轮廓，采用勾边电路，就是通过加大C1的取值。4、 资料出处1、 RC电路的应用 ，伍松乐 ，现代电子技术 ，2004 年第14 期总第181 。2、 基于RC正弦波振荡电路的电子琴设计
RC电路的实际应用之控制电子琴的键位发音
