一種基于555 定時(shí)器的多音階簡易電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃杰慶，戴權(quán)晶，劉月紅

（桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林，541004）

0 引言

電子琴的工作原理是通過不同頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，讓人聽到不同的音節(jié)音調(diào)。555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等電路[2]，實(shí)現(xiàn)脈沖的產(chǎn)生與變換。本文中，作者利用555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器來設(shè)計(jì)了一個(gè)多音階簡易電子琴，并用面包板完成了簡單的電路制作和調(diào)試。文中詳細(xì)介紹了電子琴各功能模塊及音節(jié)電路的具體設(shè)計(jì)和仿真測試，以及作品制作和調(diào)試的過程和結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

555 定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中的RC 原件的數(shù)值來調(diào)整。本文通過按鈕開關(guān)來實(shí)現(xiàn)不同的RC 調(diào)頻網(wǎng)絡(luò)，從而控制555 多諧振蕩器不同頻率的波形輸出；再經(jīng)過音頻功率放大器的放大，輸出飽滿、動(dòng)聽的音樂。

系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)按功能模塊進(jìn)行，組成框圖如圖1 所示。圖中按鍵部分為系統(tǒng)的輸入控制，實(shí)現(xiàn)高、中、低音階的切換以及do、re、mi、fa、so、la、si 的輸入；調(diào)頻電路和振蕩器一起產(chǎn)生不同頻率的信號(hào)；功率放大器將振蕩器的輸出放大，用來驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出不同的音階。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)首先完成低音階部分的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)電路原理實(shí)現(xiàn)低中高階的切換，最后加上功率放大。下面具體介紹三個(gè)部分的電路原理及實(shí)現(xiàn)。

■2.1 低音階電路的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我們必須知道低、中、高音階各音調(diào)的頻率，C 調(diào)各音階音調(diào)頻率如表1 所示。

表1 音階音調(diào)頻率

由上表可以看出，中音的頻率是低音的2 倍，高音的頻率是低音的4 倍，所以在設(shè)計(jì)選頻網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只要準(zhǔn)確地確定低音的頻率，改變電容的大小，就能很方便的調(diào)節(jié)出高音階的頻率。因此，我們先固定電容C 建立低音階的電路模型，然后通過調(diào)整電容C 的大小來實(shí)現(xiàn)中音階和高音階的電路。

根據(jù)電子琴的設(shè)計(jì)需要，我們通過555 多諧振蕩器輸出不同頻率的波形。由555 定時(shí)器和外接元件R1、R2、C構(gòu)成的多諧振蕩器如圖2 所示，腳2 與腳6 直接相連。利用電源通過R1、R2向C 充電，以及C 通過R2向放電端DC放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C在之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)應(yīng)的波形如圖3 所示。

圖2 555 構(gòu)成多諧振蕩器

圖3 多諧振蕩器的波形圖

輸出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)為：

其中，t1w為CV由上升到所需的時(shí)間，tw2為電容C 放電所需的時(shí)間。

所以，555 多諧振蕩器輸出矩形波的頻率為：

為了調(diào)節(jié)輸出波形的頻率，我們?nèi)1=1kΩ,C=0.1uF,于是就得到只含R2變量的單變量關(guān)系式：

所以通過改變R2的大小就可獲得不同輸出頻率的信號(hào)，在頻率f已知的條件下，其相應(yīng)的電阻R2應(yīng)為：

由上述公式計(jì)算我們就可以得到低音階各音調(diào)所需調(diào)的電阻如表2 所示。

表2 低音階各音調(diào)對(duì)應(yīng)電阻值

具體按鈕開關(guān)電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 按鈕開關(guān)電路圖

按下相應(yīng)的電子開關(guān)便可實(shí)現(xiàn)不同的電阻連接，獲得不同電阻R2的值，從而實(shí)現(xiàn)不同的輸出頻率f，由此我們完成低音階電路的設(shè)計(jì)。

■2.2 低、中、高音階整體電路的設(shè)計(jì)

前文中，我們完成了低音階電路的設(shè)計(jì)。在固定R1的情況下，輸出頻率f是受電阻R2和電容C 控制的。這里，我們通過改變電容C 實(shí)現(xiàn)低音階到中、高音階的轉(zhuǎn)換。由表1 可知，中音的頻率是低音的2 倍，高音的頻率是低音的4 倍。因此，我們的電路中，將低音階時(shí)的電容C 縮小2倍得到所對(duì)應(yīng)的中音階電路，電容C 縮小4 倍得到所對(duì)應(yīng)的高音階電路的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)中，低音階電路中電容取0.1，中音階電路中取C3==0.05μF,高音階時(shí)取C6==0.025μF。具體電路中通過開關(guān)SW1 和SW2 控制接通不同的電容來實(shí)現(xiàn)了低、中、高音階電路的轉(zhuǎn)換，按鍵具體功能設(shè)置如表3所示。

表3 開關(guān)實(shí)現(xiàn)低、中、高音階電路的轉(zhuǎn)換

低、中、高音階整體電路如圖5 所示，在低音階電路的基礎(chǔ)上，增加SW1 和SW2 兩個(gè)按鍵控制電路中電容的取值，從而實(shí)現(xiàn)低、中、高音階電路的轉(zhuǎn)換。

圖5 低、中、高音階整體電路

■2.3 功率放大模塊

本設(shè)計(jì)中利用LM386 實(shí)現(xiàn)音頻功率的放大。LM386 是一種低電壓通用型音頻集成功率放大器，廣泛應(yīng)用于收音機(jī)、對(duì)講機(jī)和信號(hào)發(fā)生器中。本設(shè)計(jì)中采用8 腳雙列直插式塑料封裝的LM386，其引腳圖如圖6 所示。

圖6 LM386 引腳圖

本文中設(shè)計(jì)的電子琴的功率放大電路如圖7 所示，LM386 有兩個(gè)信號(hào)輸入端，2 腳為反相輸入端，3 腳為同相輸入端;每個(gè)輸入端的輸入阻抗均為50kΩ，而且輸入端對(duì)地的直流電位接近于零，即使輸入端對(duì)地短路，輸出端直流電平也不會(huì)產(chǎn)生大的偏離。

圖7 功率放大電路圖

3 設(shè)計(jì)電路仿真測試

完成系統(tǒng)各電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算之后，作者用軟件Proteus 對(duì)設(shè)計(jì)的整體電路進(jìn)行了仿真測試，具體測試電路如圖8 所示。在由按鍵控制和有頻率變換功能的多諧振蕩器組成的主要電路的輸出端，接有LM386 功率放電路，放大電路的輸出端接上有檢測輸出信號(hào)的示波器。本設(shè)計(jì)的仿真測試通過示波器顯示的波形來驗(yàn)證系統(tǒng)的工作情況。

圖8 多音階簡易電子琴仿真電路圖

將SW1 向上閉合，SW2 向下閉合，得到低音階時(shí)的電路模型。按下do 鍵，得到低音階下do 音調(diào)的波形，按下re 鍵，得到低音階下re 音調(diào)的波形。將SW1 向下閉合，SW2 向下閉合，得到中音階時(shí)的電路模型。按下do 鍵，得到中音階下do 音調(diào)的波形。將SW2 向下閉合，得到高音階時(shí)的電路模型；按下do 鍵，得到高音階下do 音調(diào)的波形。各波形對(duì)比如圖9 所示。

圖9 輸出波形對(duì)比

4 作品制作及調(diào)試

完成電子琴的設(shè)計(jì)并經(jīng)仿真驗(yàn)證之后，作者用面包板完成了簡易電子琴的制作和調(diào)試。整個(gè)電路的供電用USB 接口線從電腦或電源適配器引入，發(fā)光二極管作為電源和輸出指示燈，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該電子琴通過單刀雙擲開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)低、中、高三種音階的自由轉(zhuǎn)換，每個(gè)音階都能彈奏1、2、3、4、5、6、7 七個(gè)音調(diào)。

5 結(jié)束語

作為電子制作的初學(xué)者，作者完成了由555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)多音階簡易電子琴的電路設(shè)計(jì)。在經(jīng)過Proteus 仿真測試后，完成了實(shí)際電路的搭接并成功測試。本設(shè)計(jì)具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，并在各環(huán)節(jié)有改進(jìn)的空間。