基于Multisim八音階電子琴的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：介紹了以RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)為主振電路的電子琴設(shè)計(jì)方法，給出了八音階電子琴電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和一組參數(shù)值。并采用Multisim 10對(duì)RC串并聯(lián)正弦渡振蕩電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真。結(jié)果證明，用模擬電路方法制作電子琴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且成本低廉，符合C音調(diào)基準(zhǔn)音標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：電子琴；RC振蕩電路；電路參數(shù)設(shè)計(jì)；Multisim仿真

    Multisim10是加拿大圖像交互技術(shù)公司推出最新版電子仿真軟件，它提供了強(qiáng)大元件庫(kù)、虛擬儀器庫(kù)，設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)潔，適合模擬／數(shù)字電路的設(shè)計(jì)仿真。電子工程師和電子教學(xué)工作者可以利用它輕松的完成從理論到原理圖設(shè)計(jì)與仿真、再到電路原型設(shè)計(jì)和測(cè)試。筆者設(shè)計(jì)一八音階的電子琴，并采用Multisim10對(duì)其進(jìn)行仿真。

1 電子琴原理框圖
    電子琴可以演奏出各種美妙的音樂(lè)，而音樂(lè)是由音符組成，不同的音符是由不同頻率的聲音電信號(hào)經(jīng)揚(yáng)聲器發(fā)音后產(chǎn)生的，音調(diào)主要由聲音的頻率決定，樂(lè)音(復(fù)音)的音調(diào)更復(fù)雜些，一般可認(rèn)為主要由基音的頻率來(lái)決定。也即一定頻率的聲音對(duì)應(yīng)特定的樂(lè)音。在以C調(diào)為基準(zhǔn)音的八度音階中，所對(duì)應(yīng)的頻率如表1所示。通過(guò)RC振蕩電路產(chǎn)生特定頻率的波形信號(hào)，再通過(guò)揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號(hào)，就能制作出簡(jiǎn)易的樂(lè)音發(fā)生器，再結(jié)合電子琴的一般結(jié)構(gòu)，就可實(shí)現(xiàn)電子琴的制作了。
1．1 RC選頻網(wǎng)絡(luò)
    RC串并聯(lián)振蕩器的頻率調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)范圍也較寬，其是一種正反饋式振蕩器，R1、C1、R2、C2構(gòu)成的選頻電路如圖2。
 
    這時(shí)RC串并聯(lián)振蕩輸出頻率，通過(guò)改變RC反饋回路中R、C的值，可以得到不同的頻率輸出信號(hào)。
1．2 起振穩(wěn)幅
    RC串并聯(lián)電路維持自激振蕩條件：1)幅度條件：AF=1表示反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的大小相等。2)相位條件：ψ=2nπ(n為整數(shù))，表示反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相。在電路開始起振時(shí)，激勵(lì)信號(hào)很弱，這時(shí)電路需要正反饋，即AF>1，電路才能起振。起振后，輸出信號(hào)的幅度慢慢增大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，必須使AF=1，輸出信號(hào)幅度才能穩(wěn)定下來(lái)。

    在電子琴主振電路如圖3所示，設(shè)C1=C2=C，R1為常數(shù)，R2=R2x，通過(guò)調(diào)節(jié)Rx改變輸出信號(hào)頻率，輸出頻率為：
   
    起振后輸出達(dá)到設(shè)定值時(shí)，讓RT+RP=R即可穩(wěn)幅，電路中RT并聯(lián)一正一反兩二極管，根據(jù)二極管伏安特性，起振時(shí)隨反饋回路電流增大阻值減小，兩二極管使電路自動(dòng)起振穩(wěn)幅作用。
1．3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)
    因放大器參數(shù)要滿足RT+RP≥R，取RT=5 kΩ、RF=8 kΩ、R=10 kΩ，隨著RC電路的起振，與RT并聯(lián)一正一反兩二極管使RT趨近于2 kΩ，滿足起振穩(wěn)幅條件；C采用云母電容，C=0．33μF、R1=200 Ω；音階電路如圖4所示，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)頻率時(shí)，通過(guò)八個(gè)接鍵開關(guān)選擇R2x，R2x從R21-R28，分別對(duì)應(yīng)8個(gè)音階。根據(jù)，再結(jié)合表1的頻率數(shù)據(jù)，即可確定R2x參數(shù)，具體參數(shù)如表2。

1．4 功放電路的設(shè)計(jì)
    RC振蕩電路輸出的信號(hào)還不能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，還需經(jīng)功率放大后才能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。LM386是一種音頻集成功放，具有功耗小，電壓增益可調(diào)節(jié)，電源電壓范圍大，外接元件和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，功率輸出達(dá)1 W。功放電路如圖5所示，調(diào)節(jié)電位器RP調(diào)節(jié)輸出音量。

2 電路仿真
    采用Multisim10在工作區(qū)建立電路，參數(shù)設(shè)置如圖6所示，RP=5 kΩ、RT=8 kΩ、R=9 kΩ；C=0．33μF、R1=200 Ω。對(duì)電子琴主振電路進(jìn)行仿真，打開仿真按鈕，1)當(dāng)R21=14 kΩ，fo=264 Hz，電路起振并穩(wěn)幅波形如圖7所示；2)當(dāng)R28=5．5 kΩ，fo=440 Hz，電路起振并穩(wěn)幅波形如圖8所示。

3 結(jié)束語(yǔ)
    采用Multisim10對(duì)電子琴電路仿真說(shuō)明：RC主振電路輸出的頻率滿足C調(diào)為基準(zhǔn)音的的指標(biāo)要求，幅度有效值達(dá)到6 V，波形失真度較?。辉O(shè)計(jì)的電子琴具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。該案例仿真用于課堂教學(xué)，活躍了課堂氣氛，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。Multisim10電子仿真軟件操作簡(jiǎn)潔，使用人性化，在電子設(shè)計(jì)及教學(xué)領(lǐng)域具有重要的推廣、應(yīng)用價(jià)值。