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题目名称：简易电子琴

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简易电子琴的设计

一、设计目的

1、研究正弦波等振荡电路的振荡条件。

2、学习音频集成功率放大器的应用。

3、学习音频产生电路的应用及设计方法以及主要电路指标的测试方法。

二、方案论证，比拟与设计

1、系统方案选择

题目所要求的简易电子琴核心在于产生不同音阶的频率，而产生频率的方式众多，列举如下几种：

方案1：单片机电子琴

可以利用单片机内部的定时器能方便的产生不同的频率，来制作电子琴。也可以利用8255芯片来作为外部定时器做分频器使用。

方案2:555定时器电子琴

555定时器可以构成单稳态触发器，而单稳态触发器仅有一个稳态，故可以通过改变其暂态在一个周期内的时间长度以得到不同的频率，来构建电子琴系统。

方案3：RC振荡电路构成的电子琴

RC振荡电路构成文氏电桥振荡电路，通过改变电阻或电容的值，可以得到不同的振荡频率，从而可以构建八音阶的电子琴系统。以上方案设计起来均比拟容易，由于构建一个这样的简易电子琴，可以利用很少的资源便能实现，在这里便选择了其中的RC振荡电路来进行设计。

2、系统方案设计

简易电子琴的整个系统框图如下：

开关选择 不同频率输出 功率放大

扬声器

以此框图构建的整个系统电路图如下：

3、电路设计

RC振荡电路的设计、振荡电路采用文氏振荡电桥电图。如下列图所示：

电路中包括了选频网络，放大电路及反应网络三局部，荡电路要工作必须满足：

1、 起振条件

2、 振幅平衡条件和相位平衡条件

下面对以上条件进行分析。

〔1〕荡的建立与稳定

所谓建立振荡就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，将直流电源的能量变为交流信号输出。对于RC振荡电路来说，直流电源即是能源。那么自激的因素又是什么呢？由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中也包括有w?w0?1/(RC)〔选频网络的谐振频率〕这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大，通过正反应的选频网路，使输出幅度越来越来大，最后受电路中非线性元件的限制使振荡幅度自动地稳定下来，开始时Av=1?Rf/R11

略大于3〔在选频网络的谐振频率时，反应系数F=1/3〕到达平衡状态时：

Av?3,Fv?1/3(w?w0?1/(RC))。

〔2〕振幅平衡条件和相位平衡条件

根据模拟电子技术知识，可知，只有当根本放大电路和反应网络满足：

?

AF?1

振荡电路才能稳定，即：

??

|AF|?AF?1

〔1〕

?a??f

?2n?,

n=0，1,2，…… (2)

式〔1〕称为振幅平衡条件，式〔2〕称为相位平衡条件

振荡电路的振荡频率f0是由式〔2〕的相位平衡条件决定的。一个正弦波振荡电路只有在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0。这就要求在AF环路中包含一个具有选频特性的网络。

对于

幅频响应F?

1

2

?0??w w?

?

0

?

32 ?? ?

?w0 w?

0?w w?

0

?? ?? ?

相频响应?f

??arctan??w0 w?

3

其中，w0?1/RC

可知，在w?w0时，?f

?0满足相位平衡条件。由上讨论可知此

相位角是唯一的，故

振荡频率f0

?? 1

2?RC

〔3〕

1、2、3、4、5、6、7、i时所选取的电阻值。依据式〔3〕可计算知〔以下为根据理论值在Multisim10.0元器件库选择的最接近理论值的电阻〕：

R1=182?，R2=162?，R3=147?，R4=137?，R5=121?，R6=110?，R7=97.6?，Ri=91?

〔3〕稳幅措施

当适当调整负反应的强弱，使Av的值在起振时略大于3时，到达稳幅时Av=3，其输出波形为正弦波，失真很小。如Av的值远大于3，那么因振幅的增长，致使放大器件工作到非线性区域，波形将产生严重的非线性失真。

为了进一步改善输出电压幅度的稳定问题，可以在放大电路的负

反应回路里采用非线性元件来自动调整反应的强弱以维持输出电压恒定。如，可用一温度系数为负的热敏电阻代替。在这里是使用两个二极管进行稳幅，幅值较小时，两个二