简易电子琴课程设计报告超详细

指导老师：秦剑，彭绍胡1广州大学机械与电气工程学院电子信息工程系课程设计报告课程名称：电子技术课程设计设计题目：简易电子琴专业班级：电子信息工程2班设计者：苏伟强学号：15074000511407400106指导教师：秦剑彭绍湖设计所在学期：2016~2017学年第2学期设计所在时间：2014年7月6日-12日地点:电子信息实验楼314315简易电子琴：苏伟强周宇恒2目录一课程设计题目.....................................................................................................................31题目分析理解二设计任务及要求.................................................................................................................31要求2任务安排3进度安排三电路设计.............................................................................................................................41方案论证2单元电路设计与数据分析2.1文氏桥正弦波震荡电路2.2LM386组成的功率放大电路3确认理论参数四电路仿真...................................................................................................................................131multisim仿真图2仿真结果3误差分析及总结五元器件的选择..................................................................................................................191元件分析1元件清单六PCB设计...........................................................................................................................错误!未定义书签。01原理图设计2选择封装3生成PCB七制作与调试......................................................................................................................221电路板的热转印，焊接元器件2故障排除并且接通电源3调试过程4数据记录和分析八试验中遇到的问题...........................................................................................................251仿真过程遇到的问题2制作PCB遇到的问题3电路调试的时候遇到的问题九心得体会...........................................................................................................................26十参考文献....................................................................................................................................273附录：1实物图附录：2元件清单一课程设计题目1题目分析理解在众多的题目里面我们选择“简易电子琴”作为我们课程设计的课题。现在的电子琴一般使用PCM或AWM采样音源，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。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。甚至老式电子琴的FM合成机构。但是这显然不是这次课程设计的方向和内容，根据课程设计的要求“融会贯通其所学的“模拟电子技术”、“数字电子技术”和“电子技术实验”等课程的基本原理和基本分析方法”说明本次实验需要运用模拟电路还有数字电路的知识进行电路设计，所以，方案的设计就必须绕开单片机等大型的MCU，尽量选用市场上可以提供的中、大规模集成电路芯片和各种分立元件等电子器件，并通过应用性设计来实现各功能单元的要求以及各功能单元之间的协调关系。二设计任务及要求1要求我们选择的题目是简易电子琴，顾名思义，要求就是可以通过操作按键产生简易电子琴：苏伟强周宇恒4dou,re,mi,fa,so,la,si,do(高音)，声音要求音色相同，界限分明。2任务安排本次进行该课程设计，我们组有两个同学，分别是苏伟强，周宇恒，苏伟强担任组长，负责电路的设计，仿真，原理图及PCB绘制，调试过程的技术支持，数据分析等，周宇恒负责元器件的采购，电路板的腐蚀及焊接，故障排除，电路调试，数据测量等。3进度安排2017.6.28~2017.7.3相关知识的回温，电路的初步构想，并进行仿真2017.7.4~2017.7.5画出PCB，购买元器件，并制出PCB板2017.7.5~2017.7.6实物调试2017.7.6~2017.7.8数据测量，数据分析，书写报告三电路设计1方案论证方案一：LM324与电阻电容构成文氏桥正弦波振荡器，正弦波的频率可通过电阻修改，输出的正弦波再通过LM386组成的功放，提高带载能力，驱动喇叭发声。方案二：利用单片机的定时计数器产生CTC模式产生频率可调的方波，驱动蜂鸣器发声方案三：利用NE555与电阻，电容等组成可控多谐振荡器，NE555产生方波信号，再经LM386进行功率放大，驱动喇叭发声。选择方案：方案二使用单片机实现，虽然是最简单的方法，但是不符合本课程设计的要求，相关单片机课程设计是接下来的课程，方案三，设计难度也不大，但是由于需要用到3个芯片，成本身高，555集成性较高，对了解实验原理不是有很大的帮助，不是非常符合本实验的要求，不予考虑，方案二仅仅使用一片集成运放，和LM386组成功放即可实现全部功能，设计底层的相关计算比较难，但是对了解电路运行原理基本理论，提高自身能力非常有帮助，所以，该课程设计，我们选择了方案二作为最终方案。2单元电路设计与数据分析5整体实现电路包括，文氏桥正弦波震荡电路还有LM386组成的功率放大电路，整体的框图如图1所示：图1现在对每部分进行分析：2.1文氏桥正弦波震荡电路所谓的正弦波震荡电路其实就是对电路电扰动（如合闸通电，还有幅度很小频率丰富的输出量）进行选频，并且对所选的频率输出量进行放大，其他频率的输出量进行衰减的电路。在文氏桥震荡正弦波震荡电路中，选频网络为文氏桥电路，放大电路是同相比例放大电路（负反馈），为了保证对特定频率的输出量的放大能不断进行，引入了正反馈环节，文氏桥电路也接正反馈回路，但是这样的放大不能无限放大，所以，必须同相比例放大电路的放大倍数要随着时间非线性减小，使得电路能尽快达到正弦平衡，引入所谓的非线性环节，通过二极管在导通电阻无穷小，不导通电阻无穷大的特性，使放大电路的比例系数，在满足起震条件（后面会分析起震条件）后，随着时间的推移迅速下降，能尽快达到动态平衡，输出一定频率的正弦波如图2。图2所以：ofXFAXAXo于是：1FA为了合闸通电之后能经过尽可能短的时间放大，然后尽快达到平衡，有起震条件：1FA综上所述，正弦波震荡电路必须由一下四部分组成（1）放大电路（2）选频网络（3）正反馈电路（4）非线性环节。下面对文氏桥正弦波震荡电路各部分进行分析：简易电子琴：苏伟强周宇恒6图3文氏桥电路如图3所示的文氏桥电路充当的是正反馈电路和选频网络电路，下面讨论起选频特性电路的传递函数sCRsCRCRsUsUsGof1//1s1//)()()(212（1）替换sj得：CRCRCRjGj1//j1j1//)(212（2）进一步化简得到：11//11)(21CjRCjRjG（3）替换Cj1,化简得到：)(21211))((1)(212122121221RRRRRRRRRRRjG（4）7恢复Cj1，化简得到：)1(21)(2121CRCRjRRjG（5）例如R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF令21021RRCf使用matlab绘制(1)函数得到:图4图4f=0:1:10000;R1=2000;R2=1000;C=0.1*10^-6;f0=1/2*pi*C*sqrt(R1*R2));F=1./(2+R1/R2+j*(2*pi.*f*C*R1-1./(2*pi.*f*C*R2)));figure;subplot(2,1,1);plot(f,angle(F));title('相位频谱');ylabel('ψ(G(jw))');xlabel('f');subplot(2,1,2);plot(f,abs(F));title('幅度频谱');ylabel('|G(jw)|');xlabel('f');z11251000*200010*1.0*21216-210HFRRCf，由幅度谱可以知道当;0)(|,|41|U|41|)G(j|0f0fUffo即时，因为相当于带通滤波器，又因为在整个文氏桥正弦波发生电路，反馈系数)(jwGF，要筛选简易电子琴：苏伟强周宇恒8出需要的信号f0,也就是说f0的信号要放大，其他信号缩小，但是事实往往无法特别精确，因为文氏桥电路使得频率为f0的信号强度下降为41即41F,所以放大倍数A至少要大于4,才能使得在选频-放大过程中信号不至于衰减，这也是必须1FA起振的原因，当然，其他频率的信号必须衰减，由传递函数的幅度频谱可以看出，要保证筛选出来的信号频率f0只在很小的范围内存在误差，那就必须使得41微大于，也就是微大于AFA，而不能无限制的升高FA,然而，如何控制1FA呢，由该例(R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF),根据前面所述41F，根据正弦波动态平衡条件44111FA,起震时必须A4,通过调整同相比例放大电路可以实现A的微调，这样一来，频率为f0的信号虽然被文氏桥衰减了，但是通过放大，得到了补充，依旧可以维持，并且持续放大，直到动态平衡，频率不是f0的信号，文氏桥对他们衰减的幅度比f0信号更大,虽然也得到相同程度的放大，但是不足以使其信号始终保留，只会慢慢衰减，每经过一次文氏桥衰减的情况见传递函数幅度谱.可以看到频率低于f0的信号衰减得比较快。注：以上的讨论仅仅是对于R1=2000Ω，R2=1000Ω，C=0.1uF这种情况下，文氏桥电路的传递函数，不同的电阻和电容的组合有不同的传递函数，系统的频谱图也不同，但是相同的是都是带通滤波模型，且2121021CCRRf。本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的R1=2000Ω，C1=C2=C=0.1uF，通过修改2R的阻值，根据21021RRCf得到对应频率信号的输出，通过matlab计算输出，得到发出所有乐声频率的2R的理论阻值为如下：乐声douremifasolasiod频率(Hz)261293329349392440493523R2(kΩ)1