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1、 14-15 学年 第 2 学期山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告实验项目名称 简易电子琴的设计组长姓名 学号 1301101912 联系电话 成员姓名 学号 1301101909 成员姓名 学号 1301101928 专 业 电气工程及其自动化 班级 13-5 指导教师及职称 2015年6月29日一、实验摘要研究创新型实验是一项重要的实践性教育环节，是我们在完成本专业所有课程学习后必须接受的一项结合本专业方向的、系统的、综合的工程训练。在教师指导下，运用工程的方法，通过一个较复杂课题的设计练习，可使我们通过综合的系统设计，熟悉设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法
2、，掌握必须提交的各项工程文件。其基本目的是：培养理论联系实际的设计思想，训练综合运用电路设计和有关先修课程的理论，结合生产实际分析和解决工程实际问题的能力，巩固，加深和扩展有关电子类方面的知识二、实验目的1、培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。 2、学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。 3、进行基本技术技能训练，如基本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，掌握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设
3、备进行调试和数据处理等。 4、培养我们学生的创新能力。 5、学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。 (6)了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。三、实验场地及仪器、设备和材料：试验场地：J11#-324设备：PC机（用于Multisim仿真）、双踪示波器、函数信号发生器、万用表材料：名称数量名称数量NE5551S8550三极管18*8自锁开关1无源蜂鸣器1微动开关（有柄）8USB插头（公头）1电阻（）30USB延长线1电阻（）56电阻（k）3电阻（）200电阻（k）8.2电阻（）270电阻（k）10电阻（）560电容（nf）10电阻（）620电容（nf）100电阻（k）1电阻（uf
4、）4.7电阻（k）1.2洞洞板1电阻（k）1.8导线若干*电阻（k）2电阻（k）2.2电阻（k）2.4四、实验内容1、 实验原理由555定时器组成的多谐振荡器，整个电路由主振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。它的振荡频率可以通过改变振荡电路中RC 元件的数值进行改变。根据这一原理，通过设定一些不同的RC 数值并通过控制电路，按照一定的速度依次将不同值的RC 组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，发出不同频率的信号，然后接带有三极管驱动的蜂鸣器，产生8个音阶的频率。2、 实验内容2.1、总体概述本实验采用两个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由振荡器，蜂鸣器和琴键按钮等部分组成
5、。振荡器由555定时器，S8550三极管，8个琴键按钮S1S8，外接电容C1、C2、C3，外接电阻R1、R10以及R2R9等元件组成，按图接线后闭合不同开关即可令蜂鸣器发出不同频率的声响，从而模拟出电子琴的工作。根据音乐音阶信号的分析测量，根据音乐音阶信号的分析测量，已知八个基本音阶的频率如表一:音阶1234567i频率（Hz）261.6293.7329.6349.2392.0440.0493.9523.32.2、总体框图开关输入555振荡器计算出固定电阻蜂鸣器 电子琴总体框图2.3、555定时器2.3.1、逻辑符号555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图三： 图（a） 图（b）
6、 图（c）图三：555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列2.3.2、 内部原理图图四：555定时器的内部原理图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。2.4、由555定时器构成的多谐振荡器2.4.1、多谐振荡器结构 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5
7、55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
8、 。充电时间常数T充=（R1R2）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，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（1/32/3）Vcc 之间变化。图二（b）所示为工作波形。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
9、辑功能和外部引线排列完全相同。器件电源电压推荐为4512V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。2.4.2、逻辑功能在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： 当TH端的电压1/3VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压2/3VCC时，写为VTR=1，当TR端的电压1/3VCC时，写为VTR=0。 低触发：当输入电压Vi2VCC2/3 且Vi11/3VCC 且Vi12/3VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输
10、出何种电平，基本RS触发器,经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称555定时器“高触发”。 555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件（即VTH、VTR的“0”、“1”）必须牢牢掌握。 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001F（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。原理图如图五：2.5、模块功能该电路包括按钮开关，定值电阻，555振荡器和扬声器三部分组成 2.5.1、输入端由八个按钮开关与定值电阻组成输入端，每按下一个键会有一个至多个电阻串联导通，构成不
11、同R2的阻值。2.5.2、频率产生端根据定值电阻的不同输入，由555产生不同的信号频率2.5.3扬声器端口接受信号频率发出特定的频率，其中1k电阻是为了减I0口电压通常高于三极管的基极的工作电压（0.7V），如果io口内阻太低必定造成io口电流加大对io来说功耗加大影响io稳定甚至烧毁io。3、 实验步骤3.1、电路原理图设计由555定时器接成的多些振荡器为基础，通过Multisim设计以下仿真电路。用示波器观察输出波形，频率计测量输出频率。3.2、元件参数的确定由以上的公式以及电路原理图，可计算出相应参数音阶1234567i频率（Hz）261.6293.7329.6349.2392.0440
12、.0493.9523.3R2计算值（）22574195601688515657134011139496058784差值（）(对应电路中R3-R9)301426751228225620071789821仿真频率260.0292.5328.6348.2392.6439.7491.6522.2各音阶频率对应信号的波形图12345678五、实验结果与分析组装与调试先组装音阶产生电路。要调出比较准确的音阶，需借助示波器测试各音阶信号的周期，并通过串接电阻是各音阶达到正确的周期值，从而校准音调。也可使用频率计测量音阶信号的频率来实现音准调节。如果R2-R9采用标称电阻，则各别音调将略有偏离，所以采用了2个
13、电阻串联方式。电路安装完毕后，先认真检查接线是否正确，引脚是否虚焊，包括错线、少线、多线。线路连接错误一般是因为接线时看错引脚，或者改接时忘记去掉原来的旧线造成的，实验查线是往往不易发现。首先按照总电路图检查是否有引脚连接错误，连接短路，接着用万用表依次检测电路的焊接中是否有虚焊或者短路的情况。焊接时注意点，这种情况可以避免。检查完成后，只需注意输入电压不要过高，对应5V即可，通过电阻的串并联，按下按钮开关后，有相应的声音发出。 在制作过程中刚开始只接了一个电阻按一下开关就会发出响声！再接两个电阻按一下开关就会发现响声但是响声与第一下不相同，其次以后六次都是与前面一样，多接通一个电阻响声就与前
14、面一次不相同！由于设计电路本身的缺陷，当按下按钮，基本能够发出1234567i八个音阶，但效果不是很好，声音较小。3、 关键点：焊接时注意安全，严格遵守焊接操作安全规范六、实验结论本次创新实验设计，在老师布置课题并讲解了基本原理后，我查阅了许多有关此设计的资料，并通过与同学交流经验和自学，以及向老师请教等方式，最终基本完成了此次课程设计。通过对简易电子琴的设计，认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计
15、的原因。她是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的。这次电子课程设计，让我对以前所学的电子电路知识既是巩固又是发展，进一步理解并加深了对所学的模拟及数字电子技术的认识。学会了在实践中运用理论，用理论来指导实践，培养了理论联系实际的正确设计思想。通过对课题的设计，训练了运用所学的理论知识去思考问题并联系理论实际解决问题的能力，提高了逻辑思维的能力。总之，通过这次电子课程设计，培养了实际运用理论的能力，懂得理论联系实际去处理问题，也培养了吃苦耐劳的精神，为以后更好的的学习和工作打下了结实的基础，对于我们来说是一次难得的实践机遇，也是一个宝贵的精神财富。七、指导老师评语及得分：签名： 年 月 日附件：Multisim仿真电路、小组成员录制视频
