八音阶电子琴设计方案

课程作业设计课程名称：模拟电子技术专业名称：电子信息工程班级：电子1402班学生姓名：任课教师：刘珺2016年6月22日基于RC桥式振荡电路的八音阶电子琴设计电子信息工程1402班一、设计指标我们准备用模拟电路的知识实现8音阶电子琴的功能，功能指标如下：①电子琴可以调节音量；②电子琴具有和弦效果，就是同时按下多个键能发出和音二、设计思路1.基本乐理我们的乐理知识有限，我们在这就认为一个音阶乐音对应一个固定的频率的声音信号，而我们在音谱中选择在以C调为基准音的八度音阶，所对应的频率大致如表1所示。音阶名（C）哆瑞咪发梭拉西升哆f/Hz264297330352396440495528表1C调八度音阶对应频率2.音频信号产生(一)音频信号产生原理模拟电路中的𝐹̇𝑣是一个RC串并联网络，具有选频特性。𝐴̇𝑣为由集成运放所组成的电压串联负反馈放大电路，二者配合产生目标频率正弦波。达到在输出稳定频率的正弦波前，信号经过了选频和放大两个阶段。图1RC桥式正弦波振荡电路(二)RC串并联选频网络RC串并联选频网络可以选出特定频率的信号，其理论推导如下：R1与C1串联时阻抗：𝑍1=𝑅1+1𝑗𝜔𝐶1;R2与C2并联时阻抗：𝑍2=𝐶2∥𝑅2=𝑅21+𝑗𝜔𝑅2𝐶2选频特性：𝐹̇𝑣=𝑉𝑓̇𝑉𝑜̇=𝑍2𝑍2+𝑍1=𝑅21+𝑗𝜔𝑅2𝐶2𝑅21+𝑗𝜔𝑅2𝐶2+𝑅1+1𝑗𝜔𝐶1；再令𝜔0=1𝑅𝐶,𝑓0=𝜔02𝜋=12𝜋𝑅𝐶得，𝐹𝑣̇=13+𝑗𝜔𝜔0−𝜔0𝑗𝜔；所以|𝐹𝑣|̇=1√32+(𝑓𝑓0−𝑓0𝑓)2,φ𝑓=−𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔𝑓𝑓0−𝑓0𝑓3;当𝑓=𝑓0=12𝜋𝑅𝐶，幅频响应|𝐹|̇=13最大，相频响应φ𝑓=0。即当𝑓=12𝜋𝑅𝐶时，输出电压的幅值最大，并且输出电压𝑉𝑓̇是输入电压𝑉𝑜̇的13，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。(三)振荡条件1.自激振荡：图2所示为无外加信号的正弦波振荡电路，其中Ȧ，Ḟ分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。图2中若去掉𝑋̇𝑖，电路中存在噪声，频谱很广，也会包含𝜔0=1𝑅𝐶这样一个频率成分。显然，只要满足𝑋̇𝑓与𝑋̇𝑎大小相位一致，即ȦḞ=𝑋̇𝑜𝑋̇𝑎∙𝑋̇𝑓𝑋̇𝑜=1,由于反馈信号的补偿作用，仍有信号输出，形成自激振荡，故自激振荡必须满足以下条件：振幅条件：|𝐴∙𝐹|=1;相位条件：φ𝑓+φ𝑎=2𝑁𝜋，𝑁∈𝑍而所以我们使用的RC桥式选频网络仅在𝜔0=1𝑅𝐶时，有φ𝑓=0和φ𝑓+φ𝑎=0，满足相位条件，这才可能自激振荡，而此时|𝐹|̇=13，为了满足|𝐴∙𝐹|=1，应设置放大器|𝐴|̇=3，而对于其他频率成分，会在选频网络中得到衰减，最终为0，从而达到稳定正弦波。图2正弦波振荡电路2.振荡的建立与稳幅：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|A·F|1。所以设置负反馈强弱𝐴̇𝑣，开始时使𝐴̇𝑣=1+𝑅𝑓𝑅1略大于3，此时满足起振条件|𝐴∙𝐹|1。为了保证信号不会因为幅度一直放大而使放大器工作在非线性区，使信号出现非线性失真，故在放大电路中使用非线性元件自动降低增益𝐴̇𝑣，具体措施可以将𝑅𝑓使用负温度系数热敏电阻替代，|𝑉̇𝑜|增大，由于热效应热敏电阻阻值减小，𝐴̇𝑣减小，最终会使𝐴̇𝑣=3达到自激振荡，此时输出电压|𝑉̇𝑜|视为恒定。三、硬件设计a)电路设计总体以RC桥式振荡电路为核心（运算放大器芯片选择LM324），使用LM1875T集成功率放大芯片对低功率音频信号放大，电阻、蜂鸣器（扬声器）和导线等外围器件构成完整的电子琴。使用时可以闭合多个开关，用于稳幅的热敏电阻,在实际电路中，常用两个二极管与电阻并联替代。电路的初始信号是由电路环境噪声提供的。为了保证芯片及电路的正常工作，严格按照使用手册了解外部引脚的接发。而音频信号的混合可以使用同向比例求和电路。b)元器件参数计算选频网络中，显然会𝑅1≠𝑅2，且𝑅1≤𝑅2(8)由上式可得式(9)F=12+𝑅1𝑅2≈12则由式(8)及起振条件|A·F|1，可得：A=1+𝑅𝐹1+𝑅𝐹2𝑅𝑓≥2,即𝑅𝐹1+𝑅𝐹2≥𝑅𝑓（10）。所以𝑅𝐹1、𝑅𝐹2、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：(11)𝑓0=12𝜋𝐶√𝑅1𝑅2根据式(8)、式(10)、式(11)，再结合表1的频率数据，并且可以通过软件仿真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。c)电路仿真与PCB设计图3电路仿真电路图图4电路仿真波形图图5和弦图6示波器实际电路波形图图7实物图图8最终PCB图四、实验分析报告最后我们的实验没有成功，情况如下，小组在PCB上焊接好元器件后，我们先选取一组音阶的单元电路进行输出信号测试，即测试未经功放放大的信号波形，但是实际的波形正如图6所示，输出的只是高频噪声。我们认为我们的选取原理没有错误，但是具体方案存在诸多不足，列举如下:①选用PCB板实现电路不合适，我们在PCB板绘制中碰到许多麻烦，由原理图导出PCB图时，电路的布局不当导致我们的PCB的面积利用率过低，何况还是单层板，最后我们不得手动更改布线，所以不排除修改后PCB图存在线路缺失的可能。另一方面，对于PCB板中焊盘的设置，我们存在经验不足的问题，对于焊盘大小没有概念，设置60mil(1mil=0.0254mm)，导致我们的焊盘过小，线宽、线间距都过小，最后焊接可能有虚焊、短焊的现象，线与线间也可能有干扰，这都十分致命。其次实验室的PCB印制设备标准不高，在显影的过程中就有覆盖膜层被过度退膜的现象，导致蚀刻时一些裸露铜线被错误蚀去，电路就会因此断线。②电路元器件选择不够精确，在选用电阻阻值时我们选用的阻值偏差有50Ω至150Ω，电路参数精度不高使选频出现问题，比如反馈系数不为3，可能因此会出现无法满足自激振荡等。附：元器件清单元件名称规格数量开关2脚20电阻1MΩ2电阻22KΩ2电阻20KΩ2电阻2KΩ30电阻2.7KΩ10电阻3KΩ10电阻5.1KΩ20电阻800Ω20电阻1000Ω30电阻500Ω30普通电容0.1uF50普通电容2.2uF4普通电容0.22uF4极性电容22uF4极性电容100uF8二极管1N41488电位器10KΩ4扬声器3W1芯片LM324N6芯片LM1875T4