简易电子琴课程设计报告超详细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20162017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例如Rl=2000Q,R2=1000Q,C=

0.luF令于=使用mat lab绘制

（1）函数得到:图4图4f=O:l:10000;Rl=2000;R2=1000;C=

0.6;fO=l/2*pi*C*sqrtR1*R2;F=

1./2+Rl/R2+j*2*pi,*f*C*RlT./2*pi.*f*C*R2;figure;subp lot2,1,1;plot f,angle F;title相位频谱;ylabel51G jw;xlabelf;subplot2,1,2;plot f,abs F;title幅度频谱；ylabel C\G jw「;xlabelf;由幅度谱可以知道当了=/时，因为|Gjo|=；即|Uf|=；口|6/0;dou remi faso lasi do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，要筛选出需要的信号f0,也就是说fO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fO的信号强度下降为即，所以放大倍数至少要大于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;七，要保证筛选出来的信号频率fO只在很小的范围内存在误差那就必须使潺，彳而不能无限制的升高，然而，如何控制呢，由该例Rl=2000Q,R2=1000Q,C=

2.1文氏桥正弦波震荡电路

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田通4+4-滤波模型,且本实验采用的文氏桥电路的相关数据为上面说讨论的Rl=2000Q,C1=C2=C=

0.luF,通过修改的阻值，根据得至IJ对应频率信号的输出，通过matla b计算输出，得至发出所有乐声频率的的理论阻值为如下乐声261293329349392440493523频率Hz

8.

2426.

5415.

2104.630R2k

18.

5914.

7511.

7010.39Q2208f=

[261293329349392440493523];Rl=2000;C=

0.6;RX=zeros1,8;for x=l:8RXx=l/fx-2*4*pi12*C12*R1;end RX=RX./1000;

2.2下面对同相比例放大电路做具体分析如同所示的同相比例放大电路包含正弦波震荡电路的放大电路环节还有非线性环节，如图5所示电路图5如图5所示在电路刚起振的时候，电压比较低,还无法使得两个二极管导通，根据二极管未导通时动态电阻无穷大的特点，两个二极管相当于断开，接入电路，根据同相比例放大电路特点，电压放大倍数过一段时间后，二极管被导通，被短路，反馈回路只有接入电路，电压放大倍数，可以看到，电压放大倍数从刚起振到经过一段时间，由于二极管动态电阻的非线性特性，呈现非线性减小，由起振条件，当同相比例放大电路的主要目的是放大特定频率的信号，如何实现这个过程，以下对此展开讨论，我们需要确定电压放大倍数，以确定电阻，，的取值，我们知道，由于起震条件，的值，如图3,就本课程设计而言,需要改变的取值，所以，势必文氏桥的传递函数就会改变，值就会改变,要保证起振条件满足，势必得每个，电路才可以精确的工作，但是现实中往往相对调高一点的取值但是又往往不能太大，下面会进行讨论，以满足所有，使得电路都能起振，现在就本课程设计的相关数据进行讨论，确定相应的电压放大倍数，本实验通过修改的值，分别对应着一个文氏桥的传递函数，如下图所示，用mat lab分别画出传递函数幅度谱,观察在处的幅度变化值，即设Rl=2000Q,CC2=C=

0.luF,图中标注了点图6f=0:

0.1:3000;Rl=2000;R2=14752;C=

0.1*1T-6;fO=1/2*pi*C*sqrtRI*R2;F=l./2+Rl/R2+j*2*pi.*f*C*RlT./2*pi.*f*C*R2;figure;s ubplot2,1,1;plotf,angleF,LineWidth5,2;title相位频谱;ylabel J力G jw;xlabelf;subplot2,1,2;plot f,abs FLineWidth,2;title幅度频谱;ylabel C|G jw|;xlabelf;由图的可以得到下面表格的数据注4m为满足起振条件的最小值42K Q

8.

2426.

5415.

2104.

63018.

514.

711.

7010.39925208A山261293329349392440493523*F

0.

470.

460.

4600.

4560.

4450.

4330.

4190.

41145836197522.

102.

132.

1712.

1922.

2422.

3052.

3832.431Amin7453056779可以看到，随着电阻的减小，选择的频率就越来越高，这符合但是，这样的升高不是没有代价的，代价就是频率为f0的信号被该系统文氏桥电路，削弱的越多，可以看到，随着频率的升高，F的值越来越小，可见文氏桥选频网络不适合做高频筛选，因为频率越高衰减就越多,衰减越多，放大倍数不能够大，所以信号的完整度得不到保证，对此可以使用LC正弦波振荡电路，这里不展开从图上看，需要匹配的最小电压放大倍数在增大，所以为了所有频率的正弦波都能被选出，得到完整的波形而不至于被文氏桥衰减，必须选择这8个音符中频率最高的523Hz,需要放大的倍数最大的

2.4319,才能保证其余7个低频率的音符能够被筛选放大，而不至于只被筛选，而得不到放大，由同相比例放大系数得到，滑动变阻器的阻值应该是

2.2LM386组成的功率放大器文氏桥正弦波震荡电路虽然可以产生频率可调的正弦波，但是正弦波的带载能力太差了，必须再接一个功率放大器，降低电路的输入电阻，提高带载能力，驱动喇叭发声7如图7,LM386组成的功率放大器，通过查阅数据首次，采用最小电压增益20的接法设电源电压为，负载电阻，最大功率输出表达式我们使用使用的喇叭的为”8，

0.5W”，电源为6V直流电源，带入数据,得到喇叭可以正常工作1,8引脚断开,集成功放的电压放大倍数为20倍，3口接滑动变阻器可以调节音量，5上的

0.05uF电容和10电阻组成校正网络用来进行相位补偿，6脚接的电源Vcc.四电路仿真1电路multism仿真图由第三部分的讨论，得到电路的multisim仿真图为:图8文氏桥正弦波震荡电路multisim仿真图9LM386组成的功率放大器multisim仿真2仿真结果

2.1文氏桥输出的正弦波，依次按下键1,2,3,4,5,6,7,8,接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形，注由于调节限制，滑动变阻器调至2k

2.2功率放大器输出的方波从左到右依次按下键1,2,3,4,5,6,7,8,接通对应的电阻，观看虚拟示波器波形3误差分析与总结*根据理论12335671的文氏桥R2电阻的修改得到的信号的频率存在误差，见下表音调理论值261293329349392440493523Hz234270312335384436489520仿真值Hz误差Hz-27-23-17-14-8-4-4-3由表可知，误差随着频率的升高越来越小，我们提出以下方案解决频率误差问题方案一通过修改输出音调方案的频率，整体提高一个调，让整体的频率都上升，根据上面得出的规律，误差在高频部分误差小方案二降低定值电阻R2的阻值，串联一个滑动电阻，调节电阻，观察波形，直到频率和理论值对应方案一虽然可取，但是始终存在误差，而且出现问题无法与时调整，只能更换电阻，市场上也很难买到诸如

18.541k这样的电阻，方案二可以近乎完美的解决这个问题，通过串联8个滑动变阻器到对应的定值电阻，加大了可调节性，可以通过调节电阻，使输出频率逼近理论值另外从文氏桥正弦波震荡电路产生的正弦波，在1,2,3,4处信号的顶部被“削平”了，这是因为每个R2电阻对应一个文氏桥值，所以由起振条件必定对应着一个，为了使得所有8个频率的，信号都得到放大，所以必须选择最高频率那个音符对应的放大网络放大倍数，前面讨论了，这个值是

2.4319,根据，滑动变阻器的阻值应该是，所以就导致，前面7个音符的选频范围增大参考传递函数图像，例如筛选频率为261的do音，需要放大倍数仅仅是

2.1071,现在放大了

0.5W,8的无源的，不选择蜂鸣器类，有源类的发声器，由于芯片有损坏的风险，为了方便取出，加上排插，DIP8,DIP142元件清单元件名规格数量LM324N与DIP14直插DIP141LM386N与DIP8直插DIP81电阻lkQ~10kQ若干若干电阻2k Q2电阻101滑动变阻器10k Q9滑动变阻器5k Q1普通电容

0.luF2普通电容lOuF1普通电容

0.05uF1电解电容250uF1二极管1N40012喇叭8Q,

0.5W1六PCB设计1原理图设计2选择封装其中由于没有LM386N,LM324的封装，于是自己画了封装，滑动变阻器的封装有误，重新画了，如下3PCB图七制作与调试1电路板的热转印，焊接元器件将PCB打印到油性纸上，把铜板包好，先预热转印机，然后送进转印机转印，转印结束后先冷却，然后拆开，看是否有地方掉线了，如果有,用油性笔补画，然后送入腐蚀液中腐蚀，直到看到铜被腐蚀完全，拿出腐蚀机，清洗，洗到出现铜线焊接，同样先预热焊笔，把零件对应着PCB图插上去，然后焊接，注意电解电容的极性，芯片的方向2故障排除并且接通电源调万用表到蜂鸣档，测试是否通路，是否有虚焊，不够锡的补锡再次看一下元件是否摆放正确，确认无误接通电源3调试过程按下最后一个音符的按键，查看第一部分正弦波发生电路输出的波形,调节滑动变阻器RW1和对应并联支路的滑动变阻器RWH,直到看到正弦波，看到正弦波之后，开始进行频率微调，调节RWH,支路阻值变小，正弦信号频率升高，继续调节RWH使频率升高，会导致波形幅度减小，最后导致衰减消失，这时候需要不断调节RW1增大电压放大倍数来维持波形的幅度,最后，可以输出频率正确523Hz的正弦波，然后依次调节音符7,6,5,4,3,2,1,使其达到对应的频率把示波器探头挂到最后功放的输出端，按下第一个音符1查看波形，调节滑动变阻器RW2,直到出现规整的方波上面两步调节好后，将喇叭接入，听一下声音，查看效果4数据记录和分析文氏桥正弦波振荡器产生的8个频率的正弦波如图功放输出的8个方波如图•音调12335671261293329349392440493523理论值Hz265297328348392441495522实际值Hz误差Hz+4+4-1-10+1+2-1可以看到是输出的声音的频率还是很准确的八试验中遇到的问题1仿真过程遇到的问题1在仿真LM386组成的功率放大电路的时候,发现multisim没有LM386的向导,照步骤把LM386加入到系统的元件库这个元件，于是自己百度，下载了LM386的系统文件，按通过multisim2在用multisim试听乐声的时候，一开始用的是里面元件库的buzzer和sonalert,发的声音都是一样的，但是信号的频率却是不同的，后来发现原来这两个都是有源的蜂鸣器，频率都是固定的，只要通电，就可以发出固定频率的声音，而我们要用的是无源蜂鸣器，在multisim叫做speaker,所谓的无源蜂鸣器就是发声频率随着输入的信号频率的变化而变换，multisim的speaker的使用方法是先录后放3一开始发现频率计观察不到频率，但示波器却又波形，后来了解到应该设置频率计的最低出发电压，电压低于触发电压，频率计不显示频率2制作PCB遇到的问题1热转印的时候总是不能完全印上去，后来知道原因是没有打磨掉铜板的表面的氧化膜2热转印效果特别不好的时候，可以用砂纸擦掉墨印，重新热转印,若是可以补救，可以用油性笔，也必须用油性笔，在断的地方，或者需要补墨的地方补上墨3有时候系统的封装焊盘太小了，平时我们做的工艺程度没有那么高,所以必须改大一点4系统的封装有时候是不正确的，或者不是我们想要的，例如滑动变阻器的封装，发现滑动端是最后一个焊盘，但是我们的滑动变阻器的滑动端是中间的，导致一开始的时候，滑动变阻器几乎是没用的，电路也起振不了，后来检查的时候发现了，修改了封装，重新画了电路板3电路调试的时候遇到的问题1虚焊可能时不时就会发生，比方说我们这次课程设计，所有功能都调试好了，突然就不响了，很奇怪，用万用表查来查去发现原来是虚焊了，原来一开始为了保险以后取下来方便些，焊锡都用的比较少这个还可以补救，第二天我们回去看的时候，又不响的，这次居然冒烟了，我赶紧拔了,检查了一下，发现原来又虚焊了，原来是一开始焊的都不是很可靠，这次虚焊的地方的VEE,直接把LM324烧掉了，费了很大的工夫把坏掉的芯片取下来，把所有焊盘都加焊了，加多点锡，避免再次出现问题，一开始是直插的LM324改用DIP14插座，这样方便取下来更换，芯片比较容易坏掉，所以为了方便更换芯片，还是用DIP插槽比较好2一开始以为修改定值电阻就可以修改频率，然后买了很多定值电阻,买不到很精确的，例如

18.75k这样的电阻，就买接近的例如18k,以为这样就可以，没想到误差还是很大的，看到别的同学都是用电阻+滑动电阻的组合，觉得很好，可以调节滑动电阻，观察波形，知道满足需要的频率，于是修改了封装重新焊，结果比较满意，这教育我们，不要太相信仿真上的数据，现实中是有波动的，而且波动的范围你不知道多大，所以在需要调节调试的地方，最后要有修改的余地，这时候加入一些可以调节的元件是非常重要的，这样可以减小误差3一开始调节音调的时候，总是从1调到，在调节正弦波的时候，发现，前面调的好好的，都有比较好的正弦波形，但是越调到后面波形越来越小，甚至消失，后来通过理论分析，发现文氏桥电路对筛选高频信号的衰减是比较大的，也就是说，频率升高，衰减也增大，所以电压放大倍数应该满足所有8个音符频率的放大，而第8个音需要的放大倍数的最大的，因为它的幅度衰减是最大的，所以先从最后一个音，调起比较好，这样可以保证每个音都能由比较好的正弦输出4在调节功放输出的方波的时候也出现同样的问题，波形不是很好看，第二个滑动电阻式调节音量的，我们调节了滑动电阻，发现输出的波形是有改善的，从第一个音开始调节，第一个音有规则的方波输出的时候，其余的音也会有规则的方波输出5一开始我们使用的功率放大是LM386最大电压放大的接法，就是在1和8引脚外加电容，外加12V的电源，导致没有按键的时候就有比较大的噪声，后来发现是输出的功率太大了（我们用的喇叭的功率只有

0.5W）,没有必要用到那么大的功率，后来我进行理论计算，改用20倍的电压放大，外加+6的电源，修改了封装，重新焊了电路板，就没有出现没有按键的时候噪声很大的问题了九心得体会1没有通过仿真，千万不要实际去尝试，仿真还是挺准的，但是也不要过分相信仿真里面具体的参数，例如电阻，这些在实际应用的时候是会有变动，在需要精确调节的地方最好加入滑动变阻器2在懂得原理的前提下调试会有比较大的目的性，不了解原理调试盲目性大而且进程慢在试验中我是懂得原理的，另一个同学负责焊接，焊接后他对电路进行调试的时候盲目性很大，而且多次向我询问，进展很慢，等我我动手的时候，我很快就可以解决问题，很多同桌做不出来的原因很多都是网上找到图，不求一知半解就焊进去，盲目调试，调得出来就出来，调不出来就说失败了，这很不可取3仔细检查线路之后再接电源，防止哪里虚焊损坏了芯片在该课程设计中，因为没有检查，没有发现VEE处的虚焊，直接烧掉了LM324如果有提前检查再接电源，会避免这个问题4PCB封装选取的时候要和实物对应上，要考虑到现实中能购买到的，这次实验中就出现，我画的PCB的按键是2脚的，但是另一个同学买的是4脚的问题，最后是给别的同学借的，改封装太麻烦了,画PCB还是得根据有什么，再想好画什么5更改方案的时候旧的方案哪里需要摒弃，哪里需要坚持要清楚，不能导致更改方案之后，旧方案的电阻电容数据都不更改，只关注到了新方案的新的部分，方案的局部更新应该考虑到整体十参考文献童诗白.华成英.模拟电子技术基础[M].北京高等教育出版社.

2006.附录1附录2元件名规格数量LM324N与DIP14直插1LM386N与DIP8直插1电阻

14.7k Q2电阻20k1电阻5k Q5电阻IkQ2电阻2k Q2电阻10Q1滑动变阻器10k Q9滑动变阻器5k Q1普通电容

0.luF2普通电容10uF1普通电容

0.05uF1电解电容250uF1二极管1N40012喇叭8Q,

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画出PCB,购买元器件，并制出PCB〜板

2017.

7.

52017.

7.6实物调试〜

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7.

62017.

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所以于是AF=1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数G=K=—:〃/S传递函7+叱1替换得://-^―R2R+-^—+R//-^―j}2coC jcoC2进一步化简得到:1Gjco=——K+~T-竿+1凡菽〃3___]G（汝）二+22+,+」+——R2RR A2224替换，化简得到:恢复，化简得到:五5GW------------------i-二----------------------+一心。