基于Multisim 系統的音頻信號發生器設計及實現

楊紫燁，王素芳

（1.沈陽工程學院，遼寧沈陽，110136；2.國家電網安陽供電公司，河南安陽，455000）

0 引言

人類能夠聽到的所有聲音都稱之為音頻，音頻的范圍是20Hz 至20kHz。人體對聲音頻率的感覺表現為音調的高低，在音樂中稱為音高，音調是由頻率ω 決定的。

音頻信號是（Audio)帶有語音、音樂和音效的有規律的聲波的頻率、幅度變化信息載體。音頻信號分為規則音頻和不規則音頻聲音，音頻信號是一種變化的模擬信號。這種模擬信號均可以由音頻信號發生器產生，并通過揚聲器傳入人耳。

Multisim 軟件系統是一款仿真設計軟件，即可進行模擬、數字電路仿真設計，又可進行模擬數字混合仿真設計。系統提供高度集成化的設計環境，可完成原理圖設計輸入、電路仿真分析、電路功能測試等工作。本文運用Multisim軟件以電子琴為例介紹音頻信號發生器的設計制作與實現。

1 音頻信號發生器設計

1.1 設計總體構架

音頻信號發生器電路由選頻網絡、放大網絡及輸出網絡組成。選頻網絡采用RC 橋式振蕩電路，電阻“R”選擇用一個定值電阻和一個滑動變阻器串聯，電容“C”則使用7 個電容并聯，在定值電阻固定之后，通過改變電容的大小來調節出不同音階的頻率，從而達到發出各個不同音色的目的。開關選用七鍵式的聯動開關，這樣當聯動開關按鍵接觸不同位置的時候，就會產生不同頻率的7 個音符。對最基本的低中高三種基本音調的七種基本音色進行調節，通過選擇改變滑動變阻器來適當改變定值電阻的大小，以達到改變選擇低中高哪種聲調的發音。放大網絡使用集成運算放大器（例如OP07CP）作主要的放大元件，將較弱信號進行放大。

圖1 總體構架圖

1.2 電路輸入部分

電路的輸入部分根據RC 正弦振蕩電路的選頻網絡設計。電阻R 與電容C 先并聯，再串聯一個電阻R，然后再串聯一個電容C，構成一個選頻網絡，七個音階由這樣的七個選頻網絡構成。

1.2.1 設計電路圖

圖2 輸入部分電路圖

輸入部分是RC 串并聯組成的振蕩選頻網絡和一套由集成運放OP07CP 構成電壓負反饋組成的放大網絡所構成的。

RC 橋式振蕩電路的電阻部分由定值電阻R1和一個滑動變阻器R4串聯構成，電容部分使用7 個電容并聯組成電子琴的七個基本按鍵，聯動開關控制。一個電容的大小對應著一種音調的頻率，當上下對應的兩個開關閉合時，電路就產生一個頻率。

1.2.2 參數的計算

電子琴的低音頻率如表1 所示。

表1 低音七音階對應的基本頻率

輸入信號的角頻率為：

即輸入信號的頻率為：

若定值電阻使用5kΩ 大小的電阻，滑動變阻器采用總阻值為16kΩ 大小的電阻。當RC 振蕩電路的總電阻為21kΩ 時，根據上述公式計算出對應的電容大小。

所以可導出電容的計算公式為：

表2 低音七音階對應的電容

電子琴的中音頻率如表3 所示。

表3 中音七音階對應的基本頻率

求出在對應的中音頻率下連入電路中的電阻大小分別如表4 所示。

表4 中音七音階對應接入電路的阻值

滑動變阻器接入的阻值為10.6kΩ-5kΩ=5.6kΩ，即滑動變阻器調到總阻值的35%時,就可以產生中音頻率。

同理，電子琴的高音頻率如表5 所示。

表5 高音七音階對應的基本頻率

求出在對應的高音頻率下連入電路中的電阻大小分別如表6 所示。

表6 高音七音階對應接入電路的阻值

滑動變阻器接入的阻值為5.16kΩ-5kΩ=0.16kΩ，即滑動變阻器調到總阻值的1%時,就可以產生高音頻率。

1.3 電壓放大部分

選擇OP07CP 集成運算放大器、兩個1N4001 二極管和R 電阻組成放大電路，將輸入的微弱信號進行初步放大。

1.3.1 設計電路圖

圖3 電壓放大部分電路圖

1.3.2 參數的計算

即：Av=1+RF/R3=3

根據選頻網絡的原理可知，在二極管沒有導通的情況下，A＞3；在二極管導通的情況下，A=3。忽略二極管內阻，即二極管的內阻rd=0 時，我們要讓電壓增益Av 略大于3，則RF 略大于2R3，若R3 的阻值為2kΩ，則可取RF 的阻值為4.415kΩ。

圖4 電路緩沖部分電路圖

因為RF=R2+R6，所以可取R2=3.91kΩ，R6=0.505kΩ。

1.4 電路緩沖部分

電路緩沖部分就是一個電壓跟隨器，相當于同相放大電路中R1=∞,Rf=0 的情況（見圖4）。

由于輸出電壓就是反饋電壓，則根據虛短、虛斷的概念知：

Vo=Vp=Vn=Vi

因此它的增益A=1。

分析該電路可知，它的輸入輸出電阻Ri →∞,Ro →0，故它在電路中常作為阻抗變換器或緩沖器，而在該電路中作為緩沖器使用。

為了防止輸出電壓過大，進而可能破壞功率放大器中的某些元件，采用定值電阻與滑動變阻器串聯分壓的方式。若定值電阻使用27kΩ 大小的電阻，滑動變阻器采用總阻值為6kΩ 大小的電阻，就可以很好的控制進入到功放的電壓大小。

圖5 功率放大部分電路圖

只要調節滑動變阻器的阻值就可以實現音量大小控制，當滑動變阻器的阻值變大，音量就會放大，反之將會減小。

1.5 功率放大部分

電路的功放部分使用兩個集成運算放大器，互補對稱電路設計（見圖5）。

采用兩個完全相同的集成運算放大器（LM324N）構成電壓跟隨器，每一個電壓跟隨器都接入正負12V 直流電源，并將它們并聯。集成運放的輸入、輸出電壓相同，對電流具有放大作用，可以將較弱信號進行放大，構成功率放大器。

圖6 設計邏輯總電路圖

1.6 設計邏輯總電路圖

設計邏輯總電路圖如圖6 所示。

2 輸出數據、波形

以低音7個音階為例，輸出數據、波形如圖7-圖13所示。

圖7 一階調節數據及波形圖

圖8 二階調節數據及波形圖

圖9 三階調節數據及波形圖

圖10 四階調節數據及波形圖

圖11 五階調節數據及波形圖

圖12 六階調節數據及波形圖

3 結束語

隨著電子信息技術的高速發展，對音頻信號發生器的要求越來越高，音頻信號發生器不僅可以模擬產生各種復雜信號，還需要滿足其精度、穩定性、易操作性等要求。本文設計制作的音頻信號發生器是模擬信號發生器，其振蕩元件也是模擬的，隨著時間的變化，電容會老化，產生的音頻信號誤差會更嚴重。以后將結合多媒體技術，深入研究音頻信號發生器，使人們獲取的信息更為豐富、更加優質，營造逼真生動的聽覺效果。