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简易电子琴电路的设计仿真与实现

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简易电子琴电路的设计仿真与实现

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书1课程设计任务书1学生姓名专业班级电信班指导教师xxx工作单位信息工程学院题目简易电子琴电路的设计仿真与实现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Vcc12V,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仿真设计、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1234567if0/HZ264297330352396440495528②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。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、2011年1月3日至2011年1月7日,完成仿真设计、制作与调试;撰写课程设计报告。2、2011年1月8日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。参考文献1吴友宇主编,模拟电子技术基础(第1版),清华大学出版社,20092康华光主编,模拟电子技术基础(第5版),高等教育出版社,20053陈大钦主编,电子技术基础实验-电子电路实验、设计、仿真,高等教育出版社,2002指导教师签名年月日系主任(或责任教师)签名年月日武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书2目录1.模电课设概述...................................31.1设计背景1.2设计目的及意义2.Proteus软件简介................................43.电子琴基本原理与方案设计.......................53.1音乐产生原理3.2设计原理3.2.1振荡电路原理3.2.2音频集成功率放大器原理3.3方案设计3.3.1振荡电路3.3.2集成功放电路3.3.3整体电路图4.Proteus原理图绘制.............................124.1选取元件4.2放置元件及排版4.3模拟及仿真5.Proteus电路仿真...............................146.仿真结果分析..................................176.1频率及放大倍数测量6.2理论比较6.3误差分析7.设计总结......................................188.心得体会......................................199.参考文献......................................2010.元器件清单....................................2111.自问自答......................................2212.成绩评定表....................................23武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书31.模电课设概述1.1设计背景电子琴是一种键盘乐器,采用半导体集成电路,对乐音信号进行放大,通过扬声器产生音响。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Tyros3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。1.2设计目的及意义1)培养学生正确的设计思想,理论联系实际的工作作风,严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。2)锻炼学生自学软件的能力及分析问题、解决问题的能力。3)通过课程设计,使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。4)巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能。5)为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书42.Proteus软件简介Proteus软件是由英国LabCenterElectronics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是世界上著名的EDA工具仿真软件,从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。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IARC-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。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书53.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1HZ1MHZ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。3.2.1.1RC桥式振荡电路图武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书63.2.1.2RC串并联选频网络RC桥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武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书7即当f01/2πRC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。3.2.1.3振荡条件1)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XfXi,可得自激振荡电路。自激振荡必须满足以下条件2)起振条件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。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书83.2.2音频集成功率放大器原理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。3.2.2.1LM386内部电路LM386内部电路原理图如图4所示。图4LM386内部电路原理图与通用型集成运放相类似,它是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路,V1和V3、V2和V4分别构成复合管,作为差分放大电路的放大管;V5和V6组成镜像电流源作为V1和V2的有源负载;V3和V4信号从管的基极输入,从V2管的集电极输出,为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载,可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路,V7为放大管,恒流源作有源负载,以增大放大倍数。第三级中的V8和V9管复合成PNP型管,与NPN型管V10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压,可以消除交越失真。引脚2为反相输入端,引脚3为同相输入端。电路由单电源供电,故为OTL电路。输出端(引脚5)应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到V2的发射极,形成反馈通路,并与R5和R6构成反馈网络,武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书9从而引入了深度电压串联负反馈,使整个电路具有稳定的电压增益。3.2.2.2LM386的引脚图LM386的引脚的排列如右图所示。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。图5LM386的引脚图3.3方案设计3.3.1振荡电路振荡电路图如图6所示图6振荡电路图武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书10选择C10.1uF,R41kΩ,根据公式RRCff41021,结合表一,即可计算出八个音阶对应的电阻值,分别为R59.09KΩ,R610.34KΩ,R713.08KΩ,R816.15KΩ,R920.44KΩ,R1023.26KΩ,R1128.72KΩ,R1236.34KΩ。选定R4≠R,且R4≤R8由式3推导可得FRR421≈219则由式8及起振条件|AF|1,可得21321RRRA即321RRR(10)选择R1800Ω,R2900Ω,R31500Ω3.3.2集成功放电路集成功放电路图如图7所示图7集成功放电路图如图7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。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书11C3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。C4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。C6为隔直传交电容,取220uF。3.3.3整体电路图图8整体电路图武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书124.Proteus原理图绘制4.1选取元件1进入Proteus界面后,单击工具栏上的“新建”按钮,新建一个设计文档。单击“保存”按钮,在弹出的对话框中的文件名框中输入“简易电子琴”,再单击“保存”按钮,完成新建设计文件操作,其后缀名自动为.DSN。2单击绘图工具栏中的元件模式中的“P”按钮,弹出如图9所示的选取元器件对话框,在此对话框左上角“keywords关键词”一栏中输入元器件名称,如“LM324”,系统在对象库中进行搜索查找,并将与关键词匹配的元器件显示在“Results”中。在“Results”栏中的列表项中,双击“LM324”,则可将其添加至对象选择器窗口。图9Proteus元件选择框3按照此方法完成其它元器件的选取,如果忘记关键词的完整写法,可以用“*”代替,如“SWITC*”可以找到开关。被选取的元器件都加入到ISIS对象选择器中。如图10所示。图10选取的元器件4.2放置元件及排版1通过对象选择器窗口单击选择相应元件,在右侧图形编辑窗口中单击左键放置元件。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书13元件的移动用鼠标左键按住元件拖曳。元件的旋转选定所需旋转元件,单击绘图工具栏左右旋转按钮完成旋转。元件的删除通过鼠标左键选定要删除的元件,点击键盘上的delete键即可完成对应元器件的删除。2将鼠标移至元件引脚处待出现红色方框单击鼠标左键将鼠标移至所需连接的另一元件管脚处待出现红色方框后再次单击鼠标左键完成单根导线的连接。以此类推,按照实验原理图放置元件并布线。引出节点在所需引出节点导线处单击鼠标右键,移动鼠标即可在该点设置节点并引出导线。3完成电路布线后,为使电路更加紧凑有逻辑性,各功能区域明显,应对相应元件或导线位置进行相应调整。元件位置调整单击相应元件按住鼠标左键并将元件拖曳至相应位置后放开即可。导线间距的调整将鼠标移至要调整导线所连接的元器件,单击该器件,相应导线及元器件将变为选定状态,将鼠标移至该导线处出现左右(上下)调节标志,按住鼠标左键拖曳相应导线到预定位置后放开,即可移动导线。4.3模拟及仿真电路连接无误后,根据实验要求,选定所需信号源及测试仪表,单击仿真键仿真。示波器在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope(示波器)选项,将其放置到图形编辑窗口,连接相应导线至测试点。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书145.Proteus电路仿真由于Proteus具有强大的仿真功能,所以我们优先选用Proteus作为本电路图的仿真工作。在电路原理图中,我们已经将各元件安放参数调试完毕。下面就需要用示波器观察输出参考点波形。我们将第一个采样点选取在振荡电路的输出端,将第二个采样点选取在总电路的输出端。先将所有的开关打开,单击开始按钮,弹出示波器显示窗格,通过按下不同的按键改变R的值,从而改变频率进而发出不同的声音,但只能同时闭合一个开关。观察示波器输出的波形,进行仿真结果分析。1按下R12旁的开关,得到下面的波形2按下R11旁的开关,得到下面的波形武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书153按下R10旁的开关,得到下面的波形4按下R9旁的开关,得到下面的波形5按下R8旁的开关,得到下面的波形(改变了测周期处的量度)武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书166按下R7旁的开关,得到下面的波形7按下R6旁的开关,得到下面的波形8按下R5旁的开关,得到下面的波形武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书176.仿真结果分析6.1频率及放大倍数测量1)由示波器的波形可读出各个音调所对应的周期,分别为T13.95ms,T23.45ms,T33.10ms,T42.90msT52.56ms,T62.30ms,T72.02ms,T81.90ms根据公式fT1,可求得相对应的频率大小如下f1253Hz,f2290Hz,f3323Hz,f4345Hzf5391Hz,f6435Hz,f7495Hz,f8526Hz2)由示波器的波形可求出集成功放的电压放大倍数Av20.76.2理论比较由仿真得出的频率与八个基本音阶的频率比较相近,均控制在了允许的误差范围之内;由仿真得出的电压放大倍数Av为20.7,也与理论值20相差不远。所以此次的设计仿真比较成功,达到了设计要求。6.3误差分析理论与实际虽然相近,但仍然存在一定的误差,主要由以下原因引起1选择的元件值与计算的理论值之间有差距;2有一定的干扰信号存在,使结果出现误差;3在对波形的周期进行读数时,人为的引起误差。C调1234567if0/Hz(理论)264297330352396440495528f0/Hz(实际)253290323345391435495526武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书187.设计总结通过了几周的准备与设计,我们终于完成了简易电子琴的设计。我们这是第一次接触课程设计,所以一直在边学习边设计。首先开始学习proteus软件,学会自己利用软件绘制电路图,进行仿真。接下来我们通过查阅了很多的资料,发现制作简易电子琴有很多方法,但由于我们对其他方案中的单片机等元器件不了解,对其中的电阻电容等一些频率的计算有一定的难度,所以我们选择了在课本中学到过的振荡电路来设计。在设计振荡电路的时候,我们遇到了问题。我们通过理论计算,选取了元器件,然后按照设计的电路图用proteus画出电路图进行仿真,但得到的波形并不是理论的波形,频率的偏差很大,且出现了失真。所以我们又再次检查了电路图,发现了问题并进行了改进,最后终于得到了比较理想的结果。在设计集成功率放大器时,我们开始选择的是课本上的TDA2030A构成的BTL功放和单电源互补对称功放,但是由于在proteus的软件库中没有这种元件,所以只能放弃。同样的,其他很多的元件都不能在proteus中找到,所以我们查了很多资料,最后选定了使用LM386。我们确定了整体的电路图后,就开始整体的调试仿真,通过最后得出的波形图调整一些元件的参数,最后得到了与理论值比较接近的波形,这时候激动的心情是难以形容的。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书198.心得体会武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书209.参考文献1吴友宇主编,模拟电子技术基础(第1版),清华大学出版社,20092康华光主编,模拟电子技术基础(第5版),高等教育出版社,20053陈大钦主编,电子技术基础实验-电子电路实验、设计、仿真,高等教育出版社,20024童诗白主编,模拟电子技术基础(第3版),高等教育出版社,20015王远主编,模拟电子技术,机械工业出版社,19946衣承斌,刘京南编,模拟集成电子技术基础,东南大学出版社,1994武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书2110.元器件清单元器件名称规格LM324LM386二极管1N4001喇叭示波器直流电源15V直流电源2-5V直流电源312V电容C10.1uF电容C20.1uF电容C34.7uF电容C410uF电容C50.047uF电容C6220uF电阻R1800Ω电阻R2900Ω电阻R31500Ω电阻R41kΩ电阻R59.09kΩ电阻R610.34kΩ电阻R713.08kΩ电阻R816.15kΩ电阻R920.44kΩ电阻R1023.26kΩ电阻R1128.72kΩ电阻R1236.34kΩ电阻R1310Ω武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书2211.自问自答问题一RC文氏桥振荡电路是如何建立振荡的呢答振荡的能源是电源,激励信号源是电路中的噪音,它的频谱丰富,包含了频率成分f0;但由于噪音信号极其微弱,在振荡建立期间,应该使该信号做增幅振荡;为此合理选择负反馈网络处的电阻可使AF≥3,保证环路增益大于1,1FA,这样频率为ω0信号就会通过正反馈而使输出信号不断增大,使输出幅度越来越大,最后受电路中非线性元件的限制,使振荡幅度自动稳定下来,电路进入等幅度振荡1FA。频率f0之外的信号由于不满足振荡平衡条件,将不会在输出信号中出现,RC选频网络实现了信号频率的选择功能。问题二振荡电路中两个二极管起到了什么作用答采用反向并联二极管的稳定幅度电路,可以利用电流增大时二极管动态电阻变小,电流减小时二极管动态电阻增大的特性,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。当输出电压信号较小时,二极管工作电流小,动态电阻大,电路的增益较大,引起增幅振荡过程。当输出幅度大到一定程度,二极管工作电流大,动态电阻小,电路的增益下降,电路的输出电压幅值将不再上升,电路转为等幅度振荡,最后达到稳定幅度的目的。问题三集成功率放大器的优点有哪些答集成功率放大器不仅具有体积小、重量轻、成本低、外围元件少、安装调试简单、使用方便等优点,而且在性能上也优于分立元件,广泛应用于收音机、电视机、开关功率电路、伺服放大电路中,输出功率为几百毫瓦到几十瓦。与集成运算放大器相比,因为功放在安全性、转换效率、输出功率和保真度方面有特殊的要求,所以在电路内部通常引入的是深度负反馈,并有过热、过电流、过电压等保护电路。武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书2312.成绩评定表本科生课程设计成绩评定表姓名性别专业、班级课程设计题目课程设计答辩或质疑记录成绩评定依据最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)指导教师签字年月日忽略此处..武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书24

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