基于RC橋式振蕩電路的電子琴電路的設計

楊坤，湯艷坤，石靜苑

（空軍航空大學 基礎部，吉林長春，130022）

0 引言

RC橋式振蕩電路是電工電子技術基礎課程中模擬電路部分的重要內容，是學員接觸到的第一類信號產生電路。由于RC橋式振蕩電路具有選頻特性，而音樂中各音階對應著不同的頻率，因此本文以RC橋式振蕩電路為基礎設計制作一款電子琴電路。

1 正弦波振蕩電路

對于一個放大電路來說，只有在輸入端外加輸入信號的情況下，輸出端才有輸出信號。但是如果當大電路的輸入端沒有外加輸入信號，而輸出端仍有一定頻率和幅值的信號輸出，這種現象稱為放大電路的自激振蕩。自激振蕩現象是放大電路需要避免的，卻是構成振蕩電路的必要條件。振蕩電路就是不用外加輸入信號，而是依靠電路本身的自激振蕩來產生輸出信號的電路。正弦波振蕩電路是依靠電路自身的自激振蕩來產生正弦信號的電路。它廣泛應用于通信、自動控制、測量等領域，也可以作為模擬電子電路的測試信號。正弦波振蕩電路按照頻率的不同可以分為：LC正弦波振蕩電路、RC正弦波振蕩電路和石英晶體振蕩電路。

LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率由選頻網絡—LC振蕩回路的諧振頻率決定。工作頻率降低時，要求增大振蕩回路的電感量和電容量。大電感量的電感和大容量的電容器體積大、笨重，因此LC振蕩器不適用于低頻，工作頻率一般不應低于幾百千赫。

石英晶體振蕩電路通常簡稱為晶體振蕩電路。它既可以產生高頻信號，也可以產生低頻信號。為了提高振蕩電路的頻率穩定性，將LC振蕩電路中選頻網絡的一部分用石英晶體替代的振蕩電路。

1.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件

正弦波振蕩電路是一個未加輸入信號的正反饋閉環電路。若輸出正弦電壓經反饋環節產生的反饋電壓恰好等于放大電路所需的輸入電壓，即幅度相等，相位相同，即則可在閉環電路的輸出端得到持續穩定的正弦波。由，可得：

1.2 正弦波振蕩的建立于穩定

一個實際的正弦波振蕩電路的初始信號是由電路內部噪聲和瞬態過程的擾動引起的。通常這些噪聲和擾動的頻譜很寬而幅度很小。為了最終能得到一個穩定的正弦信號，首先必須用一個選頻環節把所需頻率的分量從噪聲或擾動信號中挑選出來，使其滿足平衡條件，而使其他分量不滿足平衡條件。其次，為了能使振蕩能夠從小到大建立起來，要求滿足即正弦波振蕩電路的起振條件。振蕩建立起來之后，輸出信號會由小到大不斷增長，這時仍然不能得到一個幅值穩定的正弦波。實際上，信號的幅度最終要受到放大電路非線性的限制，即當幅度逐漸增大時，電路的電壓放大倍數會逐漸減小，最終使達到平衡，從而使正弦波振蕩穩定。

1.3 電路組成

正弦波振蕩電路從組成上看必須包含四個基本環節。（1）放大電路部分：保證電路的輸出信號的幅值逐漸增大，實現從起振到動態平衡，實現能量放大。（2）選頻網絡：確定輸出信號的頻率，使電路產生單一頻率的正弦波輸出。（3）正反饋網絡：在負反饋放大電路的基礎上引入正反饋，并且正反饋的強度大于負反饋，整體上使放大電路的輸入信號等于反饋信號。（4）穩幅環節：保證振蕩電路輸出幅值穩定的正弦波。

2 RC橋式振蕩電路

2.1 選頻特性

由Z1、Z2構成的RC串并聯選頻網絡，電路如圖1所示。選頻網絡的輸入電壓即為放大器的輸出電壓，選頻網絡的輸出電壓為運算放大器同相輸入端的輸入電壓。其中：

反饋網絡的反饋系數為：

2.2 振蕩過程

2.2.1 起振過程

由于振蕩電路中，信號的來源是電源接通瞬間的擾動信號，擾動信號是非常小的，所以要使信號能循環放大，即滿足：起振條件，輸出波形如圖2所示。電路的輸出信號達到一定幅值之后，還要能自動地恢復到即滿足平衡條件：。因此還需加入穩幅環節，整個振蕩過程是由起振到平衡的過程。

圖1 RC橋式振蕩電路

圖2 輸出波形

2.2.2 穩幅過程

穩幅環節使電路的輸出信號達到一定幅值之后，能自動地恢復等幅振蕩。這里，用兩個二極管實現穩幅。電路如圖3所示。

圖3 自動穩幅的RC橋式振蕩電路

3 電子琴電路的設計

音調主要由聲音的頻率決定，一定頻率的聲音與特定的樂音之間是相互對應的。以C調為基準音的八度音階中，樂音所對應的頻率如表1所示。如果通過振蕩電路產生特定頻率的波形信號，再利用揚聲器將電信號轉換為聲音信號，就可以制作一款簡易的音樂發生器，音樂發生器的外部制作成電子琴的結構，就可實現電子琴的制作了。

本實驗的電子琴電路采用RC橋式振蕩電路結構，如圖4所示。其中開關1—8對應著電子琴的8個音階按鍵，使用時一次只能閉合一個開關。理論上，電子琴電路的初始信號是由環境噪聲及電路內部合閘通電時的干擾信號提供的。實際操作時，為了使電路現象更加明顯，也可通過對電路中的電容充電來實現。C調靶音階對應的基本頻率如表1所示。C調靶音階對應的基本頻率如表1所示。

表1 C調靶音階對應的基本頻率

圖4 電子琴電路圖

實際電路中采用運算放大器芯片μA741，功放部分采用以運算放大器芯片LM386為核心的集成模塊構成，工作電壓是±9V。成品電路如圖5所示。

圖5 實物圖

4 結論

本文在RC橋式振蕩電路的基礎上設計并制作了一款電子琴電路。該電路由運算放大器、選頻網絡、正反饋網絡和穩幅環節構成，同時在輸出端連接揚聲器，將電信號轉換為聲音信號。在按下不同的按鍵的時候，通過改變接入電路中的電阻和電容值，改變輸出信號的頻率，使電子琴發出不同音階，實現了電子琴的基本功能。學生在理論學習之后動手實踐，真正做到學以致用。