基于Multisim八音階電子琴的設(shè)計與仿真

蘭羽，周茜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 陜西 咸陽 712000）

Multisim10是加拿大圖像交互技術(shù)公司推出最新版電子仿真軟件，它提供了強大元件庫、虛擬儀器庫，設(shè)計界面簡潔，適合模擬/數(shù)字電路的設(shè)計仿真。電子工程師和電子教學工作者可以利用它輕松的完成從理論到原理圖設(shè)計與仿真、再到電路原型設(shè)計和測試[1-2]。筆者設(shè)計一八音階的電子琴，并采用Multisim10對其進行仿真。

1 電子琴原理框圖

圖1 電子琴系統(tǒng)原理Fig.1 Systematic principle of an electronic piano

電子琴可以演奏出各種美妙的音樂，而音樂是由音符組成，不同的音符是由不同頻率的聲音電信號經(jīng)揚聲器發(fā)音后產(chǎn)生的，音調(diào)主要由聲音的頻率決定，樂音（復音）的音調(diào)更復雜些，一般可認為主要由基音的頻率來決定。也即一定頻率的聲音對應(yīng)特定的樂音。在以C調(diào)為基準音的八度音階中，所對應(yīng)的頻率如表1所示[3-4]。通過RC振蕩電路產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再通過揚聲器轉(zhuǎn)換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發(fā)生器，再結(jié)合電子琴的一般結(jié)構(gòu)，就可實現(xiàn)電子琴的制作了。

表1 C調(diào)為基準音八音階對應(yīng)的頻率Tab.1 Frequency to eight-scale with C-tone as its datum tone

1.1 RC選頻網(wǎng)絡(luò)

圖2 RC選頻網(wǎng)絡(luò)頻率特性Fig.2 Frequency feature of RC selection frequency network

1.2 起振穩(wěn)幅

RC串并聯(lián)電路維持自激振蕩條件[5-6]：1）幅度條件：AF=1表示反饋信號與輸入信號的大小相等。2）相位條件：ψ=2nπ（n為整數(shù)），表示反饋信號與輸入信號同相。在電路開始起振時，激勵信號很弱，這時電路需要正反饋，即AF>1，電路才能起振。起振后，輸出信號的幅度慢慢增大，當達到設(shè)定值時，必須使AF=1，輸出信號幅度才能穩(wěn)定下來。

在電子琴主振電路如圖3所示，設(shè)C1=C2=C，R1為常數(shù)，R2=R2x，通過調(diào)節(jié)Rx改變輸出信號頻率，輸出頻率為：

圖3 電子琴主振電路Fig.3 Oscillator circuit of an electronic piano

1.3 電路參數(shù)設(shè)計

表2 八音階對應(yīng)的RC主振電路中的R2xTab.2 R2xin RC oscillator circuit to eight-scale

圖4 電子琴音階電路Fig.4 Scale circuit of an electronic piano

1.4 功放電路的設(shè)計

RC振蕩電路輸出的信號還不能驅(qū)動揚聲器，還需經(jīng)功率放大后才能驅(qū)動揚聲器。LM386是一種音頻集成功放，具有功耗小，電壓增益可調(diào)節(jié)，電源電壓范圍大，外接元件和總諧波失真小等優(yōu)點，功率輸出達1 W[7]。功放電路如圖5所示，調(diào)節(jié)電位器RP調(diào)節(jié)輸出音量。

圖5 功率放大電路Fig.5 Circuit of enlarged power

2 電路仿真

采用Multisim10在工作區(qū)建立電路，參數(shù)設(shè)置如圖6所示，RP=5 kΩ、RT=8 kΩ、R=9 kΩ；C=0.33 μF、R1=200 Ω。對電子琴主振電路進行仿真，打開仿真按鈕，1）當R21=14 kΩ，fo=264 Hz，電路起振并穩(wěn)幅波形如圖7所示；2）當R28=5.5 kΩ，f0=440 Hz，電路起振并穩(wěn)幅波形如圖8所示。

3 結(jié)束語

采用Multisim10對電子琴電路仿真說明：RC主振電路輸出的頻率滿足C調(diào)為基準音的的指標要求，幅度有效值達到6 V，波形失真度較??；設(shè)計的電子琴具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。該案例仿真用于課堂教學，活躍了課堂氣氛，調(diào)動學生學習興趣。Multisim10電子仿真軟件操作簡潔，使用人性化，在電子設(shè)計及教學領(lǐng)域具有重要的推廣、應(yīng)用價值。

圖6 Multisim中設(shè)計的電子琴主振電路Fig.6 Oscillator circuit of an electronic piano using Multisim design

圖7 輸出f0=264 Hz起振及穩(wěn)幅Fig.7 Output f0=264 Hz starting vibration and steady range

圖8 輸出f0=440 Hz起振及穩(wěn)幅Fig.8 Output f0=440 Hz starting vibration and steady range

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