采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴設計

發(fā)布時(shí)間:2010-8-21 15:43    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: 電子琴 , 振蕩電路 , 正弦
對于固定的簡(jiǎn)單功能的實(shí)現,模擬電路具有結構簡(jiǎn)單,實(shí)現方便,成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。在這方面,模擬電路得到廣泛的應用。模擬電路中的RC正弦波振蕩電路具有一定的選頻特性,樂(lè )聲中的各音階頻率也是以固定的聲音頻率為機理的。本文介紹基于RC正弦波振蕩電路的簡(jiǎn)易電子琴設計方案。  

1 基本樂(lè )理知識  

音調主要由聲音的頻率決定,樂(lè )音(復音)的音調更復雜些,一般可認為主要由基音的頻率來(lái)決定。也即一定頻率的聲音對應特定的樂(lè )音。在以C調為基準音的八度音階中,所對應的頻率如表1所示。如果能夠通過(guò)某種電路結構產(chǎn)生特定頻率的波形信號,再通過(guò)揚聲器轉換為聲音信號,就能制作出簡(jiǎn)易的樂(lè )音發(fā)生器,再結合電子琴的一般結構,就可實(shí)現電子琴的制作了。  

表1 C調八音階對應的基本頻率  


  
2 設計原理  

2.1 RC橋式振蕩電路  

2.1.1 電路圖  

RC橋式振蕩電路如圖1所示。  


圖1 RC橋式振蕩電路  

2.1.2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò )  

RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。具體實(shí)現過(guò)程的關(guān)鍵是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò ),其理論推導如下:  


  
可得選頻特性:  


  
即當f0=1/(2πRC)時(shí),輸出電壓的幅值最大,并且輸出電壓是輸入電壓的1/3,同時(shí)輸出電壓與輸出電壓同相。通過(guò)該RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò ),可以選出頻率穩定的正弦波信號,也可通過(guò)改變R,C的取值,選出不同頻率的信號。  

2.2 振蕩條件  

2.2.1 自激振蕩條件  

圖2所示為含外加信號的正弦波振蕩電路,其中A,F分別為放大器回路和反饋網(wǎng)絡(luò )的放大系數。圖2中若去掉Xi,由于反饋信號的補償作用,仍有信號輸出,如圖3所示Xf=Xi,可得自激振蕩電路。自激振蕩必須滿(mǎn)足以下條件:  

  



圖2 含外加輸入信號的正弦波振蕩電路  


圖3 無(wú)外加輸入信號的正弦波振蕩電路
  
2.2.2 起振條件  

自激振蕩的初始信號一般較小,為了得到較大強度的穩定波形,起振條件需滿(mǎn)足|A·F|>1。在輸出穩定頻率的波形前,信號經(jīng)過(guò)了選頻和放大兩個(gè)階段。具體來(lái)說(shuō),是對于選定的頻率進(jìn)行不斷放大,非選定頻率的信號進(jìn)行不斷衰減,結果就是得到特定頻率的穩定波形。  

3 設計方案  

3.1 設計電路圖  

設計電路圖如圖4所示。  



圖4 電子琴基本電路圖  

圖4即是八音階微型電子琴的原理電路圖,8個(gè)開(kāi)關(guān)對應著(zhù)電子琴8個(gè)音階琴鍵,使用時(shí)只能同時(shí)閉合一個(gè)開(kāi)關(guān)。  

在實(shí)際電路中,為達到起振條件AF>1,常用兩個(gè)二極管電阻并聯(lián),可實(shí)現類(lèi)似于熱敏電阻的功效。另外需要說(shuō)明的是,理論上電路的初始信號是由環(huán)境噪聲及電路本身的電壓提供的。實(shí)際操作時(shí),為使現象更明顯,也可通過(guò)對電路中的電容充電來(lái)實(shí)現。  

另外,電路中的運算放大器芯片LM324工作電壓要求是±5 V,所以還需要用7809穩壓管、整流橋等元器件制作帶負電源的電源電路,同電子琴電路一塊整合到電路板上,制作成可直接使用的完整成品。  

3.2 參數推導  

  

則由式(8)及起振條件|A·F|>1,可得:  

  

所以RF1,RF2和Rf的選取應滿(mǎn)足式(9),但實(shí)際取值時(shí),應讓RF1略小于Rf。RF2的取值也應適當,以滿(mǎn)足式(6),實(shí)現自激振蕩。  

選頻網(wǎng)絡(luò )的頻率推導公式為:  

  

根據式(8)、式(10)、式(11),再結合表1的頻率數據,即可確定電路中的元器件參數。需要注意的是,在確定R2內部電阻值時(shí),應該從R21開(kāi)始,逐個(gè)進(jìn)行。  

3.3 參考參數  

根據上述方法,可得出如表2所示的參考參數。按此參數進(jìn)行仿真,其la調波形如圖5所示,其頻率滿(mǎn)足國際標準音C調頻率440 Hz。  

表2 參考參數  




  
圖5實(shí)物電子琴的la波形圖  

4 結語(yǔ)  

采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴,相對于用單片機CPLD等制作方法,不僅成本低廉,而且功能穩定。缺點(diǎn)是音色的表現并不十分理想,還需通過(guò)一定的技術(shù)手段。使發(fā)出的聲音更接近電子琴的音色特點(diǎn)。功能拓展方面,通過(guò)增加R2中并聯(lián)的電阻個(gè)數和開(kāi)關(guān)數可拓展此電子琴的音階,實(shí)現16音階或更多音階的電子琴,還可加入加法器,并入麥克風(fēng)信號輸入電路,實(shí)現卡拉OK功能。
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