玩具电子琴课程设计方案说明书

武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书目录1技术指标................................................................11.1初始条件..............................................................11.2技术要求..............................................................11.3555定时器............................................................11.4产生要求音符对应的频率................................................21.5音符频率信号的产生....................................................21.6节拍频率信号的产生....................................................31.7输出电路及音量调节....................................................42设计方案及其比较........................................................42.1方案一................................................................42.2方案二................................................................52.3方案三................................................................62.4方案比较..............................................................63实现方案................................................................74调试过程及结论..........................................................95心得体会................................................................96参考文献...............................................................10武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书1玩具电子琴设计1技术指标1.1初始条件直流可调稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具。1.2技术要求设计一个玩具电子琴，设8个琴键，分别代表1、2、3、4、5、6、7、į八个不同音符，每按下一个琴键，扬声器发出一个音符的声音。演奏时的音量和节拍可以调节。1.3555定时器555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555引脚排列见图：图1555引脚图武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书2管脚1为接地端GND。管脚2为低电平触发输入端TRI。该端低于VCC/3（或VCO/2）时，输出Q为高电平。管脚3为输出端OUT.管脚4为复位端RST。RST=0时，Q=0。管脚5为控制电压输入端CON。管脚6为高电平触发端THR。该端电平高于2VCO（或VCO）时，输出Q为低电平。管脚7为放电端DIS。管脚8为电源VCC。1.4产生要求音符对应的频率表1音符频率对照表参考C调音符1234567i频率2642973303523964404955281.5音符频率信号的产生在C调中1、2、3、4、5、6、7、i这8个音符对应的频率依次为264Hz、297Hz、330Hz、352Hz、396Hz、440Hz、495Hz、528Hz。用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻的值，就可以产生上述8个音符的频率信号，用此信号驱动扬声器就可以发出不同音调的声音。用555定时器组成多谐振荡器的电路如下图所示。图2555定时器组成多谐振荡器的电路图武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书3电容充电时间T1≈0.7（R1+R2）C，电容放电时间T2≈0.7R2C，故产生的方波的频率为f=1/T=1/（T1+T2）≈1.43/[（R1+2R2）C]根据课设提供的元件，设计电阻R1为八个电阻并联轮流使用，结果计算八个阻值分别为42.8K（欧姆）、38.6K、32.4K、29.3K、26.8K、21.7K、19.6K、17.8K，R2阻值为5K，C为0.1uF（微法）。1.6节拍频率信号的产生用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻电容的值。构成的振荡器起节拍发生的作用。产生的频率比音调的频率要小很多，555每隔一段时间输出一个负脉冲，从而构成节拍，同时经扬声器输出。调动变阻器大小，可以改变节拍的快慢。在变阻器两端并联的二极管，可以缩短放电时间，起到整形的作用。节拍频率信号的产生电路如下图所示：图3节拍频率信号的产生电路图武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书41.7输出电路及音量调节扬声器(喇叭)参数说明：扩音机与喇叭的阻抗设计为8欧姆，功率为0.5W，因为在这个电路中，喇叭可以有较佳的工作状态。在从两个555输出管脚后各加一电容100uF。用以消除干扰，提高音质。在输出线路中与喇叭并联一个变阻器。以调节喇叭两端电压，从而调节音量。2设计方案及其比较2.1方案一图4方案一电路图图中R21—R28和S1—S8可以分别与NE555A的R1及C1组成多谐振荡器产生各种音调信号，NE555B构成的振荡器起节拍发生的作用，在RP两端并联的二极管VD，可以缩短放电时间，因而NE555每隔一段时间输出一个负脉冲，从而构成节拍，同时经扬声器输出。调节RP大小，可以改变节拍的快慢。武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书52.2方案二图5方案二电路图该方案利用74LS191进行分频，其中各音符的频率f可有基准频率fR经过分频而获得f=fR/N,设基准频率fR=33KHz，各音符对应的分频率数N与数字代码H由电路决定，如图所示，2片74LS191构成的分频器具有8个置数端，输入数据D0~D7。当74LS191(2)deQ3产生负跳变脉冲时，分频器系数N=128-D（预置数）或D=128-N。将十进制数D转换成十六进制数H，则二进制代码如下表所示将Q3的负跳变脉冲使分频器重新置数，只要置数端的代码不变Q3输出脉冲的频率就等于代码对应的音符的频率f。表2分频系数对应表C调音符1234567i频率264297330352396440495528N1251111009483746763D317283445546165H3111C222D363D41武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书62.3方案三图6方案三电路图该电路由RC选频网络、集成运算放大器、节拍信号发生器和功率放大器组成。其核心是集成运算放大器构成RC正弦波振荡器，实验板上提供了8个音节电阻和电容(C串=C并=0.1μf固定)构成RC串并联选频网络，分别取不同的电阻值（通过琴键开关接通RC串并联网络的8对电阻）使振荡器产生1～i八个音阶信号。经功放后推动扬声器发出音乐。在RC正弦波振荡器负反馈电阻上，可利用两个反向并联的二极管D1和D2的非线性特性来实现稳幅。当琴键开关按下时，两个电阻R（自己计算）同时接通,用琴键接通不同的R值，改变振荡器的频率。2.4方案比较三个方案都是利用555定时器来组成节拍信号发生器，这点是相同的。三个方案都可以代表输出1、2、3、4、5、6、7、į八个不同音符，每按下一个琴键，扬声器发出一个音符的声音。演奏时的音量和节拍可以调节。但是在音调频率产生电路中是完全不同的。方案一是用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻的值，就可以产生上述8个音符的频率信号，用此信号来驱动扬声器就发出不同音调的声音。控制将武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书7不同阻值连入电路来实现改变频率的。方案二是利用74LS191进行分频，其中各音符的频率f可有基准频率fR经过分频而获得。改变频率需要在置数端输入不同的控制信号。方案三是由RC选频网络、集成运算放大器来控制产生8个音符的频率信号，分别取不同的电阻值（通过琴键开关接通RC串并联网络的8对电阻）使振荡器产生1～i八个音阶信号。经功放后推动扬声器发出音乐。方案二为输入一个音符需要在八个置数端输入不同的信号，比较麻烦。方案三的RC选频网络误差较大，产生的八个音符音色较差。相对来说，方案一比较可行。根据课设所提供的器件要求和利弊分析，特将方案一修改后做为实现方案。3实现方案图7实现方案电路图武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书8图8实现方案的布线图PCB555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻的值，就可以产生上述8个音符的频率信号，用此信号驱动扬声器就可以发出不同音调的声音。用555定时器外加电阻电容可以组成多谐振荡器，合理选择电阻电容的值。构成的振荡器起节拍发生的作用。产生的频率比音调的频率要小很多，555每隔一段时间输出一个负脉冲，从而构成节拍，同时经扬声器输出。调动变阻器大小，可以改变节拍的快慢。在变阻器两端并联的二极管，可以缩短放电时间，起到整形的作用。输出电路在从两个555输出管脚后各加一电容100uF。用以消除干扰，提高音质。在输出线路中与喇叭并联一个变阻器。以调节喇叭两端电压，从而调节音量。图中R21—R28和S1—S8可以分别与NE555A的R1及C1组成多谐振荡器产生各种音调信号，NE555B构成的振荡器起节拍发生的作用，在RP两端并联的二极管VD，可以缩短放电时间，因而NE555每隔一段时间输出一个负脉冲，从而构成节拍，同时经扬声器输出。调节RP大小，可以改变节拍的快慢。武汉理工大学《专业课程设计（一）》课程设计说明书94调试过程及结论从26号开始布线，我们就是开始了边布线边调试。布完线之后，我们接上电源，发现喇叭没有输出声音。我们为解决问题，首先再重新检查一遍电路；在确认无误后，接上电源，用万用表检查电路各条支路的导通情况。这时我们发现了一些问题，部分接口不严实，接触不好，为此我们做了修正。之后，再次接上电源，喇叭虽然发出了声音，但声音很小，且为“沙沙”的，根本不是稳定的音调的声音，而且调节电位器也没有改善。这时我们开始考虑器件的问题，最大可能是在电容和555定时器上，但这两者不好测量，于是我们采取替代大方法，从同学那借来器件每替代一个便接上电源测试一边。这样不断反复，再调换了音调产生电路中的104瓷片电容的时候，我们听到了稳定的音调，将不同的电阻串联进电路，我们听到了不同的音符所产生的声音，但可惜并没有节拍的现象至此我们可以确认，音调产生电路部分已经没有问题了，而节拍