采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴設計

　　對于固定的簡(jiǎn)單功能的實(shí)現，模擬電路具有結構簡(jiǎn)單，實(shí)現方便，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。在這方面，模擬電路得到廣泛的應用。模擬電路中的RC正弦波振蕩電路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理的。本文介紹基于RC正弦波振蕩電路的簡(jiǎn)易電子琴設計方案。

　　1 基本樂(lè )理知識

　　音調主要由聲音的頻率決定，樂(lè )音(復音)的音調更復雜些，一般可認為主要由基音的頻率來(lái)決定。也即一定頻率的聲音對應特定的樂(lè )音。在以C調為基準音的八度音階中，所對應的頻率如表1所示。如果能夠通過(guò)某種電路結構產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再通過(guò)揚聲器轉換為聲音信號，就能制作出簡(jiǎn)易的樂(lè )音發(fā)生器，再結合電子琴的一般結構，就可實(shí)現電子琴的制作了。

　　2 設計原理

　　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。

　　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。具體實(shí)現過(guò)程的關(guān)鍵是RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò )，其理論推導如下：

　　可得選頻特性：

　　即當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 )，可以選出頻率穩定的正弦波信號，也可通過(guò)改變R，C的取值，選出不同頻率的信號。

　　2．2 振蕩條件

　　2．2．1 自激振蕩條件

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

　　2．2．2 起振條件

　　自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強度的穩定波形，起振條件需滿(mǎn)足|A·F|>1。在輸出穩定頻率的波形前，信號經(jīng)過(guò)了選頻和放大兩個(gè)階段。具體來(lái)說(shuō)，是對于選定的頻率進(jìn)行不斷放大，非選定頻率的信號進(jìn)行不斷衰減，結果就是得到特定頻率的穩定波形。

3 設計方案

　　3．1 設計電路圖

　　設計電路圖如圖4所示。

　　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)對應著(zhù)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)現類(lèi)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)，為使現象更明顯，也可通過(guò)對電路中的電容充電來(lái)實(shí)現。

　　另外，電路中的運算放大器芯片LM324工作電壓要求是±5 V，所以還需要用7809穩壓管、整流橋等元器件制作帶負電源的電源電路，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 參數推導

　　則由式(8)及起振條件|A·F|>1，可得：

　　所以RF1，RF2和Rf的選取應滿(mǎn)足式(9)，但實(shí)際取值時(shí)，應讓RF1略小于Rf。RF2的取值也應適當，以滿(mǎn)足式(6)，實(shí)現自激振蕩。

　　選頻網(wǎng)絡(luò )的頻率推導公式為：

　　根據式(8)、式(10)、式(11)，再結合表1的頻率數據，即可確定電路中的元器件參數。需要注意的是，在確定R2內部電阻值時(shí)，應該從R21開(kāi)始，逐個(gè)進(jìn)行。

　　3．3 參考參數

　　根據上述方法，可得出如表2所示的參考參數。按此參數進(jìn)行仿真，其la調波形如圖5所示，其頻率滿(mǎn)足國際標準音C調頻率440 Hz。

　　4 結語(yǔ)

　　采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴，相對于用單片機或CPLD等制作方法，不僅成本低廉，而且功能穩定。缺點(diǎn)是音色的表現并不十分理想，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)數和開(kāi)關(guān)數可拓展此電子琴的音階，實(shí)現16音階或更多音階的電子琴，還可加入加法器，并入麥克風(fēng)信號輸入電路，實(shí)現卡拉OK功能。