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[導(dǎo)讀]介紹一種八音階微型電子琴的設(shè)計方法,它采用模擬電路中的RC正弦振蕩原理。設(shè)計出的電子琴音階頻率滿足國際標準,la調(diào)頻率滿足國際標準音c調(diào)頻率440 Hz。給出電路參數(shù)的選取方法和一組參考值。結(jié)果證明,用模擬電路方法制作電子琴結(jié)構(gòu)簡單,而且成本低廉。

O 引言
    對于固定的簡單功能的實現(xiàn),模擬電路具有結(jié)構(gòu)簡單,實現(xiàn)方便,成本低廉的優(yōu)點。在這方面,模擬電路得到廣泛的應(yīng)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易電子琴設(shè)計方案。

1 基本樂理知識
    音調(diào)主要由聲音的頻率決定,樂音(復(fù)音)的音調(diào)更復(fù)雜些,一般可認為主要由基音的頻率來決定。也即一定頻率的聲音對應(yīng)特定的樂音。在以C調(diào)為基準音的八度音階中,所對應(yīng)的頻率如表1所示。如果能夠通過某種電路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生特定頻率的波形信號,再通過揚聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號,就能制作出簡易的樂音發(fā)生器,再結(jié)合電子琴的一般結(jié)構(gòu),就可實現(xiàn)電子琴的制作了。



2 設(shè)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。


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。具體實現(xiàn)過程的關(guān)鍵是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò),其理論推導(dǎo)如下:
       
    可得選頻特性:
   

    即當f0=1/(2πRC)時,輸出電壓的幅值最大,并且輸出電壓是輸入電壓的1/3,同時輸出電壓與輸出電壓同相。通過該RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò),可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號,也可通過改變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(xiàn)分別為放大器回路和反饋網(wǎng)絡(luò)的放大系數(shù)。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。自激振蕩必須滿足以下條件:
  


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(wěn)定波形,起振條件需滿足|A·F|>1。在輸出穩(wěn)定頻率的波形前,信號經(jīng)過了選頻和放大兩個階段。具體來說,是對于選定的頻率進行不斷放大,非選定頻率的信號進行不斷衰減,結(jié)果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。

3 設(shè)計方案
3.1 設(shè)計電路圖

    設(shè)計電路圖如圖4所示。


    圖4即是八音階微型電子琴的原理電路圖,8個開關(guān)對應(yīng)著電子琴8個音階琴鍵,使用時只能同時閉合一個開關(guān)。
    在實際電路中,為達到起振條件AF>1,常用兩個二極管與電阻并聯(lián),可實現(xiàn)類似于熱敏電阻的功效。另外需要說明的是,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。實際操作時,為使現(xiàn)象更明顯,也可通過對電路中的電容充電來實現(xiàn)。
    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(wěn)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(shù)推導(dǎo)
    
    則由式(8)及起振條件|A·F|>1,可得:
   
    所以RF1,RF2和Rf的選取應(yīng)滿足式(9),但實際取值時,應(yīng)讓RF1略小于Rf。RF2的取值也應(yīng)適當,以滿足式(6),實現(xiàn)自激振蕩。
    選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率推導(dǎo)公式為:
   
    根據(jù)式(8)、式(10)、式(11),再結(jié)合表1的頻率數(shù)據(jù),即可確定電路中的元器件參數(shù)。需要注意的是,在確定R2內(nèi)部電阻值時,應(yīng)該從R21開始,逐個進行。


3.3 參考參數(shù)
    根據(jù)上述方法,可得出如表2所示的參考參數(shù)。按此參數(shù)進行仿真,其la調(diào)波形如圖5所示,其頻率滿足國際標準音C調(diào)頻率440 Hz。



4 結(jié)語
    采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴,相對于用單片機或CPLD等制作方法,不僅成本低廉,而且功能穩(wěn)定。缺點是音色的表現(xiàn)并不十分理想,還需通過一定的技術(shù)手段。使發(fā)出的聲音更接近電子琴的音色特點。功能拓展方面,通過增加R2中并聯(lián)的電阻個數(shù)和開關(guān)數(shù)可拓展此電子琴的音階,實現(xiàn)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,實現(xiàn)卡拉OK功能。

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