基于Multisim八音階電子琴的設(shè)計(jì)與仿真

蘭羽，周茜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

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[1-2]。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

圖1 電子琴系統(tǒng)原理Fig.1 Systematic principle of an electronic piano

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[3-4]。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。

表1 C調(diào)為基準(zhǔn)音八音階對(duì)應(yīng)的頻率Tab.1 Frequency to eight-scale with C-tone as its datum tone

1.1 RC選頻網(wǎng)絡(luò)

圖2 RC選頻網(wǎng)絡(luò)頻率特性Fig.2 Frequency feature of RC selection frequency network

1.2 起振穩(wěn)幅

RC串并聯(lián)電路維持自激振蕩條件[5-6]：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(kāi)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：

圖3 電子琴主振電路Fig.3 Oscillator circuit of an electronic piano

1.3 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

表2 八音階對(duì)應(yīng)的RC主振電路中的R2xTab.2 R2xin RC oscillator circuit to eight-scale

圖4 電子琴音階電路Fig.4 Scale circuit of an electronic piano

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[7]。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。

圖5 功率放大電路Fig.5 Circuit of enlarged power

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=0.33 μF、R1=200 Ω。對(duì)電子琴主振電路進(jìn)行仿真，打開(kāi)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，f0=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，波形失真度較小；設(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。

圖6 Multisim中設(shè)計(jì)的電子琴主振電路Fig.6 Oscillator circuit of an electronic piano using Multisim design

圖7 輸出f0=264 Hz起振及穩(wěn)幅Fig.7 Output f0=264 Hz starting vibration and steady range

圖8 輸出f0=440 Hz起振及穩(wěn)幅Fig.8 Output f0=440 Hz starting vibration and steady range

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