基于RC正弦波振荡电路的电子琴设计

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摘 要:介绍一种八音阶微型电子琴的设计方法,它采用模拟电路中的RC正弦振荡原理。设计出的电子琴音阶频率满足国际标准,la调频率满足国际标准音C调频率440 Hz。给出电路参数的选取方法和一组参考值。结果证明,用模拟电路方法制作电子琴结构简单,而且成本低廉。

关键词:电子琴; 模拟电路; 频率; RC正弦波振荡电路; 八音阶

中图分类号:TB51 文献标识码:A

文章编号: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

对于固定的简单功能的实现,模拟电路具有结构简单,实现方便,成本低廉的优点。在这方面,模拟电路得到广泛的应用。模拟电路中的RC正弦波振荡电路[1]具有一定的选频特性,乐声中的各音阶频率也是以固定的声音频率为机理的。本文介绍基于rc正弦波振荡电路的简易电子琴设计方案。

1 基本乐理知识

音调主要由声音的频率决定, 乐音(复音)的音调更复杂些,一般可认为主要由基音的频率来决定。也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以C调为基准音的硕纫艚字,所对应的频率如表1所示[2]。如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号,再通过扬声器转换为声音信号,就能制作出简易的乐音发生器,再结合电子琴的一般结构,就可实现电子琴的制作了。

表1 C调八音阶对应的基本频率

音阶唱名(C调)douruaimifasoulaxidou(高)

频率 /Hz264297330352396440495528

2 设计原理

2.1 RC桥式振荡电路

2.1.1 电路图

RC桥式振荡电路如图1所示。

图1 RC桥式振荡电路

2.1.2 RC串并联选频网络

RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。具体实现过程的关键是RC串并联选频网络,其理论推导如下:

R1C1串联阻抗:

Z1=R1+1/(jωC1)(1)

R2C2并联阻抗:

Z2=R21+jωR2C2(2)

可得选频特性:

F•=U•fU•o=Z2Z1+Z2=R21+jωR2C2R1+1jωC1+R21+jωR2C2

=11+R1R2+C2C1+jωC2R1-1ωR2C1(3)

通常R1=R2=R,C1=C2=C,则:

F•=13+jωRC-1ωRC

若令ω0=1RC,则有:

F•=13+jωω0-ω0ω

可得:

F•=132+ff0-f0f2(4)

φf=-arctgff0-f0f3(5)

即当f0=1/(2πRC)时,输出电压的幅值最大,并且输出电压是输入电压的1/3,同时输出电压与输出电压同相。通过该RC串并联选频网络,可以选出频率稳定的正弦波信号,也可通过改变R,C的取值,选出不同频率的信号。

2.2 振荡条件

2.2.1 自激振荡条件

图2所示为含外加信号的正弦波振荡电路,其中A,F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。图2中若去掉Xi,由于反馈信号的补偿作用,仍有信号输出,如图3所示Xf=Xi,可得自激振荡电路[3]。自激振荡必须满足以下条件:

振幅条件:

A•F=1(6)

相位条件:

φA+φF=2nπ,n∈Z(7)

图2 含外加输入信号的正弦波振荡电路

2.2.2 起振条件

自激振荡的初始信号一般较小,为了得到较大强度的稳定波形,起振条件需满足A•F>1。在输出稳定频率的波形前,信号经过了选频和放大两个阶段。具体来说,是对于选定的频率进行不断放大,非选定频率的信号进行不断衰减,结果就是得到特定频率的稳定波形。

图3 无外加输入信号的正弦波振荡电路

3 设计方案

3.1 设计电路图

设计电路图如图4所示。

图4 电子琴基本电路图

图4即是八音阶微型电子琴的原理电路图,8个开关对应着电子琴8个音阶琴键,使用时只能同时闭合┮桓隹关。

在实际电路中,为达到起振条件AF>1,常用两个二极管与电阻并联,可实现类似于热敏电阻的功效。另外需要说明的是,理论上电路的初始信号是由环境噪声及电路本身的电压提供的。实际操作时,为使现象更明显,也可通过对电路中的电容充电来实现[4]。

另外,电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是±5 V,所以还需要用7809稳压管、整流桥等元器件制作带负电源的电源电路,同电子琴电路一块整合到电路板上,制作成可直接使用的完整成品。

3.2 参数推导

选定:

R1≠R2且R1≤R2(8)

由式(3)推导可得:

F=12+R1/R2≈12(9)

则由式(8)及起振条件A•F>1,可得:

A=1+RF1+RF2Rf≥2

即:

RF1+RF2≥Rf(10)

所以RF1,RF2和Rf的选取应满足式(9),但实际取值时,应让RF1略小于Rf。RF2的取值也应适当,以满足式(6),实现自激振荡。

选频网络的频率推导公式为:

f0=12πCR1R2(11)

根据式(8)、式(10)、式(11),再结合表1的频率数据,即可确定电路中的元器件参数。需要注意的是,在确定R2内部电阻值时,应该从R21开始,逐个进行。

3.3 参考参数

根据上述方法,可得出如表2所示的参考参数。按此参数进行仿真,其la调波形如图5所示,其频率满足国际标准音C调频率440 Hz。

表2 参考参数

R21R22R23R24R25R26R27

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

R28R1CRfRF1RF2

5 500 Ω50 Ω0.33 μF9 kΩ8 kΩ5 kΩ

图5 实物电子琴的la调波形

4 结 语

采用RC正弦振荡电路制作的电子琴,相对于用单片机[5]或CPLD等[6-8]制作方法,不仅成本低廉,而且功能稳定。缺点是音色的表现并不十分理想,还需通过一定的技术手段,使发出的声音更接近电子琴的音色特点。功能拓展方面,通过增加R2中并联的电阻个数和开关数可拓展此电子琴的音阶,实现16音阶或更多音阶的电子琴[9],还可加入加法器,并入麦克风信号输入电路,实现卡拉OK功能[10]。

参考文献

[1]康华光,陈大钦,张林,等.电子技术基础:模拟部分[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]八度音阶和频率的关系[DB/OL]./blog/cns!4EAAD6DBDAAA4938!728.entry.

[3]肖俊明,韩建勋,薛立.一种数字正弦波发生器的设计与应用[J].中原工学院学报,2006,17(1):71-72.

[4]张信军.浅谈电容器充电过程中的能量转化[J].中学理科:综合,2007(2):52-53.

[5]王兵.用单片机设计微型电子琴[J].电子工程师,2002,28(3):9-10.

[6]刘永志,潘晓利,陈学煌.基于VB的MIDI电子琴[J].微型电脑应用,2008,24(6):61-62.

[7]陈学煌,潘晓利.MIDI音源及其在声控电子乐器中的应用[J].电声技术,2007,31(7):59-61.

[8]黄鑫,马善农,赵永科.基于CPLD的电子琴研究与设计[J].科技广场,2007,5(3):232-233.

[9]刘建超.用单片机制作简易电子琴[J].电子制作,2005(7):24-25.

[10]赖春秋.电脑音乐的研究与应用[D].长春:东北师范大学,2005.