武汉理工大学《数字电子设计基础》课程设计说明书
目 录
1 绪论.............................................................. 1 2 方案的论证和选择.................................................. 2
2.1 设计思路及实验原理框图 ...................................... 2 2.2 单元电路的论证及方案选择 .................................... 3
2.2.1 按键输入端的选择及论证................................. 3 2.2.2 555振荡器的选择及论证 ................................. 3 2.2.3 扬声器的选择和论证..................................... 5
3 单元电路的设计.................................................... 6
3.1按键输入端单元............................................... 6
3.1.1 按键输入单元电路....................................... 6 3.1.2 参数的选择............................................. 6 3.2 555振荡器单元.............................................. 7 3.3 扬声器单元 .................................................. 8 4电路的仿真及试验 .................................................. 9
4.1 电路仿真图及分析......................................... 9 4.2 电路仿真试验图及分析..................................... 9
5电路的特点及改进 ................................................. 13 6 课程设计心得和体会............................................... 14 参考文献........................................................... 15 附录Ⅰ 元件清单................................................... 16 附录Ⅱ 实物图..................................................... 17
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1 绪论
随着社会的发展和家长对于孩子多方面素质培养的重视，从小让孩子学习乐器已经成为一种普遍的现象，各种乐器的培训班也如雨后春笋般遍布祖国的大江南北，其中尤其是《电子琴》培训班，吸引了很多人。
电子琴又称作电子键盘，属于电子乐器，有着其独特的优越性，主要体现在：
1、电子琴是和声乐器，相比于其它的单音乐器在演奏的时候技巧多很多，而且对于孩子学习和弦，和声等知识更比单音乐器要更加直观，便于孩子理解。 2、强大的模仿功能可以使孩子在学习电子琴的过程中，感受到各种乐器的音色，更加了解各种乐器的音色特点。
3、各种自动伴奏可以激发孩子的学习兴趣，了解掌握更多的音乐风格，以及各种音乐风格的特色。而且可调的速度对于培养孩子的节奏感也更加方便，直观。
4、弹琴不是机械的手指运动，需要用眼视谱，大脑把看到的谱子加以分析支配手指去弹键盘，而后又要用耳去检验自己弹凑的是否正确，这是个大脑，小脑，视觉，听力，多方面的配合，对于开发孩子的智力，锻炼孩子的身体协调性具有很大的作用。
5、轻便，便于携带。相对于钢琴而言，电子琴轻便，方便携带，可以使孩子更加方便的参加各种学校，社会组织的文艺活动，陶冶孩子的情操，开阔孩子的视野。
其实电子琴的发音原理很简单，只要通过控制扬声器输入不同的频率，就可以达到发出不同音调的效果。通过音调的变换，就可以弹出不同的曲子了。这次课设的基本原理就是利用这一原理来制作出简易电子琴的，而我做的课设的要求是能够做出弹出三个音阶的电子琴，以下就是我的全部设计内容。
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2 方案的论证和选择
2.1 设计思路及实验原理框图
扬声器可以根据输入不同的频率而发出不同的音调声响，而555定时器可以组成多谐振荡器。所以只要控制相应的电阻和电容，通过多谐振荡器就能够产生不同的频率，从而能够达到控制音调的目的。
而多谐振荡器在不接调音电阻时，开始时会产生直流高电平输出，此时扬声器会一直响，显然不满足要求且容易损坏扬声器，因此需要在扬声器的输入前加一电容隔直，或者将其高电平变为低电平输入。在此直接选用电容，因为它还具有滤波的作用。
因此整个电路由按键输入端、555振荡器、扬声器等部分组成。整体的实验原理框图如图2-1-1所示：
按键输入端 555振荡器 扬声器 图2-1-1
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2.2 单元电路的论证及方案选择
2.2.1 按键输入端的选择及论证
由于要求有24音符，可见需要产生24个不同的频率。555多谐振荡的频率为： f=1.43/((R+2R')C) （式2-2-1-1） 因此此有两个方案：
【方案一】 控制输入24个电阻R
用24个开关分别控制24个接入电阻，按下任意开关就分别对应接入的电阻，从而经过555振荡输出不同频率。此方案计算量比较大。 【方案二】 同时控制输入的8个电阻和3个电容
用8个开关分别控制8个电阻，同时用单刀三掷开关控制接入555定时器6、7间的电容。由上述公式可知频率与电容存在着反比例的关系，电容减小一倍，相应的频率增大一倍。可见，只要根据8个频率算出8个电阻，再用单刀三掷开关改变电容增大或缩小一倍，就能够轻易得到音调的升八度与降八度。
比较两个方案可知，方案二较简单，因此选择方案二。
2.2.2 555振荡器的选择及论证
555定时器的内部原理图及管脚图如图2-2-2-1所示:
图2-2-2-1
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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）。其逻辑功能如表2-2-1-1所示：
RST 0 1 1 1 1
由555定时器构成的多谐振荡器如图2-2-2-2 (a)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）Vcc时，输出uo为高电平，放电
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表2-2-1-1
TH TR X X >2/3VCC >1/3VCC <2/3VCC >1/3VCC <2/3VCC <1/3VCC >2/3VCC <1/3VCC OUT 低电平 低电平 不变 高电平 高电平 武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书
管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。因此，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。工作波形如图2-2-2-2（b）所示：
图2-2-2-2
因此振荡周期为：T=TPH+TPL=0.7(R1+2R2)C 因此多谐振荡的频率：
f=1.43/((R1+2R2)C) （式2-2-1）
其中R指7管脚与电源之间的电阻，R’指7管脚与6管脚之间的电阻，C是2管脚与地之间的电容。
因此可以选择555定时器来构成多谐振荡器，且电路简单。
2.2.3 扬声器的选择和论证
扬声器的声音比蜂鸣器的声音大，由于电源电压只有5V，因此在此应选择小
功率的扬声器。输入扬声器频率的不同，直接可得出不同的音调，可见扬声器可直接满足要求。
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3 单元电路的设计
3.1按键输入端单元
3.1.1 按键输入单元电路
按键输入单元的图如图3-1-1-1所示：
图3-1-1-1
3.1.2 参数的选择
本次课设所弹出的音阶以C调为基准，要求能够弹出C调的低音、中音、高
音三个音阶。经查阅相应的资料，得出C调的音符与频率的对应关系如表3-1-2-1所示。由式f=1.43/（（R+R9）C），R9=5k确定，在此以低音计算，取此时的C为0.22uF。算出C调低音的7个音符和中音第一个音符的电阻分别为14.8KΩ、12.1KΩ、9.5KΩ、8.6KΩ、6.6KΩ、4.8KΩ、3.2KΩ、2.4KΩ。因为低音变为
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相应中音就是频率变为2倍，所以只用将电容变为原来一半。高音原理相同。
表3-1-2-1
音符 频率（HZ） 低1 DO 262 #1 DO# 277 低2 RE 294 #2 RE# 311 低 3 M 330 低 4 FA 349 # 4 FA# 370 低 5 SO 392 # 5 SO# 415 低 6 LA 440 # 6 LA# 466 低 7 SI 494 中 1 DO 523 # 1 DO# 554 中 2 RE 587 # 2 RE# 622 中 3 M 659 中 4 FA 698 音符 # 4 FA# 中 5 SO # 5 SO# 中 6 LA # 6 LA# 中 7 SI 高 1 DO # 1 DO# 高 2 RE # 2 RE# 高 3 M 高 4 FA # 4 FA# 高 5 SO # 5 SO# 高 6 LA # 6 LA# 高 7 SI 频率（HZ） 740 784 831 880 932 988 1046 1109 1175 1245 1318 1397 1480 1568 1661 1760 1865 1967 因为实际中买到的R9的阻值为5.1KΩ，所以电阻全部用电位器代替。做好实物后根据观察示波器频率来直接调电阻值。
3.2 555振荡器单元
555振荡器单元电路图如图3-2-1所示：
图3-2-1
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这一单元的具体原理见论证方案中，实物中用的是NE555芯片。
3.3 扬声器单元
由于仿真软件中的蜂鸣器无法快速分辨不同频率的声响，在此用示波器和频率计代替显示声音。并且实际的扬声器是具有电阻的，所以在此还要用一个电阻代替蜂鸣器。
其单元电路如图3-3-1所示：
图3-3-1
C1的作用为滤除杂质信号，同时可以起到隔直的作用 。
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4电路的仿真及试验
4.1 电路仿真图及分析
仿真图如图4-1-1所示：
图4-1-1
由于在元件库中没有单刀三掷开关，在此用单刀四掷开关代替，并将其中两个接在一起，如上图所示。在此图中，接入的是高音阶的第一个音符，一次往后是第二到第八个音符。单刀三掷开关依次往下是中音与低音。
4.2 电路仿真试验图及分析
低音调的第一个音符的频率和波形如图4-2-1所示，可见电阻和电容的选择正确。依次可见，低音的第二个音符如图4-2-2所示，其他依次可见。
而中音调的第一个音符的频率和波形如图4-2-9所示，将其与图4-2-8相比较，可见波形和频率在误差允许内一样，可见电容减小一倍，其频率可以增大一倍。
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图4-2-1
图4-2-2
图4-2-3
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图4-2-4
图4-2-5
图4-2-6
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图4-2-7
图4-2-8
图4-2-9
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5电路的特点及改进
这个电路设计结构简单，设计中用到了555集成芯片构成多谐振荡的原理
和扬声器原理。扬声器的输入端接入的电容一方面可以起到隔直流的作用，一方面可以起到滤除杂质信号的作用。实际的实物也是按照仿真的原理做的，由于实验原件的不足，在此用了非门代替扬声器前的电容。
实物试验的结果是可以弹奏出三个音阶的音调，但操作起来速度过慢，并且扬声器的声音过小。在条件允许的情况下，可以在扬声器的前面加上一个功率放大器，或者把电源改成12V，可以增大扬声器的声音。
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6 课程设计心得和体会
这学期的数电课设从原理上来说要比上学期的模电课设更容易，然而我们却花费了更大的精力。主要是因为这次的数电课设要求要做出实物，这就需要在仿真上做出更精确的结果，以及好好选择合适的元件参数。但是，尽管如此，既设计方案，又用仿真仿出结果，还做出实物，这过程给了我们更大的收获。
首先是方案的选定问题，由于这学期的课设留的时间比上学期要长。所以在数电期末考试以前，我们就有机会去思考我们课设的思路并且有助于数电的复习。其实在正式开始可是以前，我们已经把课设的思路想的差不多了，所以在设计思路上并没有花费我们较大的精力。只是在计算参数的时候多花了点时间。
接下来就是仿真的问题了。由于仿真软件存在着较大的缺陷，所以虽然我们的仿真图并不困难，但是运行的结果却总是不那么让人满意。本来输出的波形应当是方波，但不知为何，仿真的结果却时而是方波时而是脉冲。正因为这个问题，我们不断的改变着原件、参数，发现并无问题。但是，也是因为有了这个问题，我才更清楚了理解了我设计的电路原理。并且，坚定了自己的想法。
其实做实物，对于我来说是最困难的。我们去买原件的时候才发现，虽然自己已经计算好了各原件的参数，却不是每个都可以在店里买到的，所以最后只好选择了电位器代替电阻。这个事件让我学会了下次课设做实物的时候要根据市场的常见原件参数来计算和选择原件。做实物的过程是漫长而辛苦的，做完后一旦出现错误，就要一点点的检测。所以，在做实物时需要在连接一部分电路后进行测试，确认无误后再接着连下一部分电路。最后，在实物做好又调试好的那一刻，我感到了前所未有的成就感，觉得所有的辛苦都是值得的。
这一次的课设由于有了第一次课设的经验作为基础，无论从思想上还是实践上我都有了更充分的准备。但是我知道，无论自己的设计用了多大的心思，也必然有它的缺陷存在，所以需要更加努力得学习相关专业，争取在下次的课设中能够设计出更好、缺陷更少的方案来！
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参考文献
[1]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社出版，2008 [2]彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社出版，2009 [3]谢自美.电子线路设计、测试、仿真.高等教育出版社，2009
[4]陈大钦.电子技术基础实验－电子电路实验、设计、仿真.高等教育出版社出版，2009
[5]刘建超.用单片机制作简易电子琴.电子制作，2005-7
[6]黄亮.基于ATC2051单片机的电子琴电路的设计.电子制作，2006-5
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附录Ⅰ 元件清单
名称 电阻 序号 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R11 电容 C1 C2 C3 C4 C5 开关 直流电源 555集成芯片
型号 14.8K 12.1K 9.5K 8.6K 6.6K 4.8K 3.2K 2.4K 5K 8 4.7uF 0.22uF 10uF 0.11uF 0.055uF 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 J1~J7 J10 S1 V1 A1 5V 555_VIRTUAL 1 1 - 16
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附录Ⅱ 实物图
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