南昌航空大学科技学院简易电子琴课程设计

南昌航空大学科技学院电子课程设计课设名称：简易电子琴专业班级：测控技术与仪器学生姓名：童建城学号：108201233指导教师：张维日期：2012.12.31~2013.1.11-2-摘要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。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。本报告讲述了用555制作简易电子琴，从而产生八种不同音阶控制电路的设计。它能实现按下8个按键的情况下产生8种不同的音调，并且通过调节电位器将音频改变，本实验完成了简易电子琴的设计和调试。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。这种应用只是其功能中的一部分。这种由555定时器做出来的电子琴，体积小，用料省，经济实惠。关键字：简易电子琴，NE555，电位器-3-目录前言………………………………………………….4一.方案介绍…………………………………………71.1．总体框图………………………………………………71.2.模块功能………………………………………………7二.工作原理………………………………….....72.1.555芯片介绍及元器件选择……………………72.2.元器件清单………………………………...132.3.原理图…………………………………………14三.组装电路步骤及注意事项……………………14四.调试...................................17五.小结...................................17六.心得体会...............................18七.参考文献...............................20-4-前言电子科学技术是人类在生产斗争和科学实验中发展起来的。1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，它首先被用于无线电检波。1906年美国的德福雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三电极—栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管毕竟成本高，制造繁，体积大，耗电多，从1948年美国贝尔实验室的几位研究人员发明晶体管以来，在大多数领域中已逐渐用晶体管来取代电子管。但是，我们不能否定电子管的独特优点，在有些装置中，不论从稳定性、经济性或功率上考虑，还需要采用电子管。随着科学技术的发展和人类的进步，电子技术已经成了各种工程技术的核心，特别是进入信息时代以来，电子技术更是成了基本技术，其具体应用领域涵盖了通信领域、控制系统、测试系统、计算机等等各行各业生活中常使用到许多的电子设备，它给我们生活上的便利与影响。而电子琴就是一个很明显的例子，这些有时甚至含有内建音乐，有时又可以千变万化，真让人想动手试试看，因此我们对它产生了许多问题-5-与想象。它是如何动作？不同的音调产生原理又是什么？而若是改变它们的音调，不知道会不会很麻烦，其电路要重新制作吗？系统会怎么修改？乐器的发展与科学技术的发展密切相关，现代电子技术的兴起，使一些机械的装置逐步电动化、电子化。科学技术上的这些变化及发展促进了乐器的发展，由此出现了许多新的电子乐器，如电子琴、电钢琴等。近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。自从八十年代电子琴进入我国以来，电子琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱好者、专业音乐工作者，音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。这无论是对提高整个人们的音乐素质，还是对音乐的发展都是功德无量的事。二十世纪初，随着现代科技的进步，电子技术被广泛地应用到社会各个领域，乐器制造业也不可避免地受其影响，诞生了许多新兴的电子乐器。在美国就诞生了一种被称为电子管风琴的乐器。之所以这样称呼，是因为乐器的外形和演奏方式酷似古老而庞大的管风琴。它依靠电子技术手段发声，能够简单地模仿一些乐器和制造出新的电子音响。五、六十年代，电子音乐、计算机音乐逐渐进入蓬勃发展时期。1959年，世界第一台全晶体管双排键电子琴在日本诞生了。-6-电子乐器的结构较为复杂，音源是由晶体管产生的电振动，并通过音色回路而产生各种音色；同时由周波数调制产生颤音效果，由振幅调制产生各种乐器的音效。电子琴的外形很像普通键盘乐器，只是某些种类多一排脚踏键盘，而且手触键盘也往往分为两层。键盘式电子琴声音丰富、优美，有变音装置，能发出多种不同的音色，可以作为独特的乐器进行演奏，还能代替传统的风琴、钢琴供音乐课教学。本文就是关于用555定时器制作简易电子琴的过程及基本原理。-7-一.方案介绍1.1.总体框图，1．2．模块功能该电路包括按钮开关，电位器，555振荡器和扬声器三部分组成1输入端：由八个按钮开关与各自的电位器串联组成输入端2频率产生端：根据电位器的不同输入，由555产生不同的信号频率3扬声器端口:接受信号频率发出特定的声音二.工作原理2.1.555芯片介绍及元器件选择555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就-8-可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。多谐振荡器的工作原理：多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1＋R2）C。由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）-9-Vcc时，输出uo。为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。图1（b）所示为工作波形。图1555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。其主要参数见表8.1。-10-555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如下：【逻辑符号】【内部原理图】-11-Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（TR）：低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。Rd：复位端。555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。Rd是复位端，低电平有效。复位后,基本RS触发器高端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。【逻辑功能】RSTTHTROUT0XX012/3VCC1/3VCC012/3VCC1/3VCC不变12/3VCC1/3VCC112/3VCC1/3VCC1在555定时器的VCC端1/3和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压1/3VCC，比较器C2反相输入端接参考电压2/3VCC，为了学习方便，我们规定：-12-当TH端的电压1/3VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压2/3VCC时，写为VTH=0。当TR端的电压2/3VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压1/3VCC时，写为VTR=0。①低触发：当输入电压Vi2VCC2/3且Vi11/3VCC时，VTR=0，VTH=0，比较器C2输出为低电平，C1输出为高电平，基本RS触发器的输入端TH=0、TR=1，，经输出反相缓冲器后，VO＝1，T截止。这时称555定时器“低触发”；②保持：若Vi21/3VCC且Vi12/3VCC，则VTR=1，VTH=0，基本RS触发器保持，VO和T状态不变，这时称555定时器“保持”。③高触发：若Vi12/3VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器,经输出反相缓冲器后，VO＝0；T导通。这时称555定时器“高触发”。VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接0．01μF（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。元器件选择：○1根据555多谐震荡的原理选择电阻：由上所述可知：555芯片输出端输出的频率计算公式为f=1.43/((R1+2R2)C)再由下表所列的八个音阶分别对应的频率可以令R1为一固定阻值，通过开关调节的几个串联的电阻当做R2。分别选用6个2千欧电阻，-13-一个1千欧和一个十三千欧的电阻串联接于引脚6和引脚七。大概电路图1所示○2电容选择：通过计算可以得出6引脚所需电容为0.1μF。输出端3接4.7μF电容。根据以上选择计算实际频率与真实频率对比如下：音阶真实频率/Hz实际频率/Hz1261.62642293.72973329.63304349.23525392.03966440.04407493.9495I523.35282.2.所需元器件清单2.1元器件清单：1.万用表，电烙铁，镊子，剪线钳，吸锡器。芯片NE5551片0.8元电阻2K10.02元电阻5.1K10.02-14-按键开关90.54电位器100K94.5发光二级管90.9电容10310.015电容10410.015电容47uF10.015喇叭0.5瓦11.12．3原理图三.组装电路步骤及注意事项（1）制板1.在protel软件中设计自己的电路图；2.将专用的热印纸放入中，打印出设计好的电路图；-15-3.将覆铜板用费细砂纸或粗布清理干净。4.将覆铜板和打印好的热转印电路图固定好；5.放入转印机中，转印电路图；转印温度应在125摄氏度以上；6．将已转印好的覆铜板放入腐蚀机中，进行电路腐蚀；7.将腐蚀好的板子捞出、清洗清理干净；8.涂松香水抗氧化；9.利用拆板机裁制出合适大小的覆铜板；10.将电路原理图转换为PCB图，即布置实际电路图，根据集成芯片的尺寸、管脚功能、其他元件的大小对器件进行布局及连线。11.根据实际电路图在转印好的覆铜板上需要钻孔的位置做好标记，只需要插入的管脚进行钻孔，导线不要钻孔。需要钻孔的总标记数=所有元件的管脚总数12．在覆铜板做了标记的位置上用视频电钻打孔：用左手按牢印刷版，将要钻的孔位移到坐标线中心，千万不要动，右手轻按钻机右侧