摘 要:介紹一種八音階微型電子琴的設(shè)計(jì)方法，它采用模擬電路中的RC正弦振蕩原理。設(shè)計(jì)出的電子琴音階頻率滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，la調(diào)頻率滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音C調(diào)頻率440 Hz。給出電路參數(shù)的選取方法和一組參考值。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。

關(guān)鍵詞:電子琴; 模擬電路; 頻率; RC正弦波振蕩電路; 八音階

中圖分類號(hào):TB51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0199-03

Design of Electronic Organ Based on RC Sine-wave Oscillation Circuit

SUN Wen， ZHAO Wan-yun， ZOU Zi-chun， YUAN Xiao-ping

(China University of Mining Technolog， Xuzhou 221116， China)

Abstract:The technique of designing micro-electronic organ with eight musical scales is introduced. It gives the method of design parameters based on RC sine-wave oscillation line. The frequency of la is 440 Hz， which meets the international standard on C harmonica. A group of reference value and some methods are given. It proves that it is convient and inexpensive to design micro-electronic organ with this method.

Key words:electronic organ; analog line; frequency; RC sine-wave oscillation line ; eight musical scale

0 引 言

對(duì)于固定的簡(jiǎn)單功能的實(shí)現(xiàn)，模擬電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。在這方面，模擬電路得到廣泛的應(yīng)用。模擬電路中的RC正弦波振蕩電路[1]具有一定的選頻特性，樂(lè)聲中的各音階頻率也是以固定的聲音頻率為機(jī)理的。本文介紹基于RC正弦波振蕩電路的簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)方案。

1 基本樂(lè)理知識(shí)

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[2]。如果能夠通過(guò)某種電路結(jié)構(gòu)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)八音階對(duì)應(yīng)的基本頻率

音階唱名(C調(diào))douruaimifasoulaxidou(高)

頻率 /Hz264297330352396440495528

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 RC橋式振蕩電路

2.1.1 電路圖

RC橋式振蕩電路如圖1所示。

圖1 RC橋式振蕩電路

2.1.2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)

RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程的關(guān)鍵是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，其理論推導(dǎo)如下:

R1C1串聯(lián)阻抗:

Z1=R1+1/(jωC1)(1)

R2C2并聯(lián)阻抗:

Z2=R21+jωR2C2(2)

可得選頻特性:

F#8226;=U#8226;fU#8226;o=Z2Z1+Z2=R21+jωR2C2R1+1jωC1+R21+jωR2C2

=11+R1R2+C2C1+jωC2R1-1ωR2C1(3)

通常R1=R2=R，C1=C2=C，則:

F#8226;=13+jωRC-1ωRC

若令ω0=1RC，則有:

F#8226;=13+jωω0-ω0ω

可得:

F#8226;=132+ff0-f0f2(4)

φf(shuō)=-arctgff0-f0f3(5)

即當(dāng)f0=1/(2πRC)時(shí)，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的1/3，同時(shí)輸出電壓與輸出電壓同相。通過(guò)該RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，可以選出頻率穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，也可通過(guò)改變R，C的取值，選出不同頻率的信號(hào)。

2.2 振蕩條件

2.2.1 自激振蕩條件

圖2所示為含外加信號(hào)的正弦波振蕩電路，其中A，F(xiàn)分別為放大器回路和反饋網(wǎng)絡(luò)的放大系數(shù)。圖2中若去掉Xi，由于反饋信號(hào)的補(bǔ)償作用，仍有信號(hào)輸出，如圖3所示Xf=Xi，可得自激振蕩電路[3]。自激振蕩必須滿足以下條件:

振幅條件:

A#8226;F=1(6)

相位條件:

φA+φF=2nπ，n∈Z(7)

圖2 含外加輸入信號(hào)的正弦波振蕩電路

2.2.2 起振條件

自激振蕩的初始信號(hào)一般較小，為了得到較大強(qiáng)度的穩(wěn)定波形，起振條件需滿足A#8226;F>1。在輸出穩(wěn)定頻率的波形前，信號(hào)經(jīng)過(guò)了選頻和放大兩個(gè)階段。具體來(lái)說(shuō)，是對(duì)于選定的頻率進(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號(hào)進(jìn)行不斷衰減，結(jié)果就是得到特定頻率的穩(wěn)定波形。

圖3 無(wú)外加輸入信號(hào)的正弦波振蕩電路

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)電路圖

設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示。

圖4 電子琴基本電路圖

圖4即是八音階微型電子琴的原理電路圖，8個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)著電子琴8個(gè)音階琴鍵，使用時(shí)只能同時(shí)閉合一個(gè)開(kāi)關(guān)。

在實(shí)際電路中，為達(dá)到起振條件AF>1，常用兩個(gè)二極管與電阻并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)類似于熱敏電阻的功效。另外需要說(shuō)明的是，理論上電路的初始信號(hào)是由環(huán)境噪聲及電路本身的電壓提供的。實(shí)際操作時(shí)，為使現(xiàn)象更明顯，也可通過(guò)對(duì)電路中的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

另外，電路中的運(yùn)算放大器芯片LM324工作電壓要求是±5 V，所以還需要用7809穩(wěn)壓管、整流橋等元器件制作帶負(fù)電源的電源電路，同電子琴電路一塊整合到電路板上，制作成可直接使用的完整成品。

3.2 參數(shù)推導(dǎo)

選定:

R1≠R2且R1≤R2(8)

由式(3)推導(dǎo)可得:

F=12+R1/R2≈12(9)

則由式(8)及起振條件A#8226;F>1，可得:

A=1+RF1+RF2Rf≥2

即:

RF1+RF2≥Rf(10)

所以RF1，RF2和Rf的選取應(yīng)滿足式(9)，但實(shí)際取值時(shí)，應(yīng)讓RF1略小于Rf。RF2的取值也應(yīng)適當(dāng)，以滿足式(6)，實(shí)現(xiàn)自激振蕩。

選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率推導(dǎo)公式為:

f0=12πCR1R2(11)

根據(jù)式(8)、式(10)、式(11)，再結(jié)合表1的頻率數(shù)據(jù)，即可確定電路中的元器件參數(shù)。需要注意的是，在確定R2內(nèi)部電阻值時(shí)，應(yīng)該從R21開(kāi)始，逐個(gè)進(jìn)行。

3.3 參考參數(shù)

根據(jù)上述方法，可得出如表2所示的參考參數(shù)。按此參數(shù)進(jìn)行仿真，其la調(diào)波形如圖5所示，其頻率滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音C調(diào)頻率440 Hz。

表2 參考參數(shù)

R21R22R23R24R25R26R27

12 080 Ω1 400 Ω2 950 Ω3 050 Ω4 250 Ω2 500 Ω4 000 Ω

R28R1CRfRF1RF2

5 500 Ω50 Ω0.33 μF9 kΩ8 kΩ5 kΩ

圖5 實(shí)物電子琴的la調(diào)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴，相對(duì)于用單片機(jī)[5]或CPLD等[6-8]制作方法，不僅成本低廉，而且功能穩(wěn)定。缺點(diǎn)是音色的表現(xiàn)并不十分理想，還需通過(guò)一定的技術(shù)手段，使發(fā)出的聲音更接近電子琴的音色特點(diǎn)。功能拓展方面，通過(guò)增加R2中并聯(lián)的電阻個(gè)數(shù)和開(kāi)關(guān)數(shù)可拓展此電子琴的音階，實(shí)現(xiàn)16音階或更多音階的電子琴[9]，還可加入加法器，并入麥克風(fēng)信號(hào)輸入電路，實(shí)現(xiàn)卡拉OK功能[10]。

參考文獻(xiàn)

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