基于RC橋式振蕩電路的電子琴電路的設計

楊坤，湯艷坤，石靜苑

（空軍航空大學 基礎部，吉林長春，130022）

0 引言

RC橋式振蕩電路是電工電子技術基礎課程中模擬電路部分的重要內(nèi)容，是學員接觸到的第一類信號產(chǎn)生電路。由于RC橋式振蕩電路具有選頻特性，而音樂中各音階對應著不同的頻率，因此本文以RC橋式振蕩電路為基礎設計制作一款電子琴電路。

1 正弦波振蕩電路

對于一個放大電路來說，只有在輸入端外加輸入信號的情況下，輸出端才有輸出信號。但是如果當大電路的輸入端沒有外加輸入信號，而輸出端仍有一定頻率和幅值的信號輸出，這種現(xiàn)象稱為放大電路的自激振蕩。自激振蕩現(xiàn)象是放大電路需要避免的，卻是構(gòu)成振蕩電路的必要條件。振蕩電路就是不用外加輸入信號，而是依靠電路本身的自激振蕩來產(chǎn)生輸出信號的電路。正弦波振蕩電路是依靠電路自身的自激振蕩來產(chǎn)生正弦信號的電路。它廣泛應用于通信、自動控制、測量等領域，也可以作為模擬電子電路的測試信號。正弦波振蕩電路按照頻率的不同可以分為：LC正弦波振蕩電路、RC正弦波振蕩電路和石英晶體振蕩電路。

LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率由選頻網(wǎng)絡—LC振蕩回路的諧振頻率決定。工作頻率降低時，要求增大振蕩回路的電感量和電容量。大電感量的電感和大容量的電容器體積大、笨重，因此LC振蕩器不適用于低頻，工作頻率一般不應低于幾百千赫。

石英晶體振蕩電路通常簡稱為晶體振蕩電路。它既可以產(chǎn)生高頻信號，也可以產(chǎn)生低頻信號。為了提高振蕩電路的頻率穩(wěn)定性，將LC振蕩電路中選頻網(wǎng)絡的一部分用石英晶體替代的振蕩電路。

1.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件

正弦波振蕩電路是一個未加輸入信號的正反饋閉環(huán)電路。若輸出正弦電壓經(jīng)反饋環(huán)節(jié)產(chǎn)生的反饋電壓恰好等于放大電路所需的輸入電壓，即幅度相等，相位相同，即則可在閉環(huán)電路的輸出端得到持續(xù)穩(wěn)定的正弦波。由，可得：

1.2 正弦波振蕩的建立于穩(wěn)定

一個實際的正弦波振蕩電路的初始信號是由電路內(nèi)部噪聲和瞬態(tài)過程的擾動引起的。通常這些噪聲和擾動的頻譜很寬而幅度很小。為了最終能得到一個穩(wěn)定的正弦信號，首先必須用一個選頻環(huán)節(jié)把所需頻率的分量從噪聲或擾動信號中挑選出來，使其滿足平衡條件，而使其他分量不滿足平衡條件。其次，為了能使振蕩能夠從小到大建立起來，要求滿足即正弦波振蕩電路的起振條件。振蕩建立起來之后，輸出信號會由小到大不斷增長，這時仍然不能得到一個幅值穩(wěn)定的正弦波。實際上，信號的幅度最終要受到放大電路非線性的限制，即當幅度逐漸增大時，電路的電壓放大倍數(shù)會逐漸減小，最終使達到平衡，從而使正弦波振蕩穩(wěn)定。

1.3 電路組成

正弦波振蕩電路從組成上看必須包含四個基本環(huán)節(jié)。（1）放大電路部分：保證電路的輸出信號的幅值逐漸增大，實現(xiàn)從起振到動態(tài)平衡，實現(xiàn)能量放大。（2）選頻網(wǎng)絡：確定輸出信號的頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的正弦波輸出。（3）正反饋網(wǎng)絡：在負反饋放大電路的基礎上引入正反饋，并且正反饋的強度大于負反饋，整體上使放大電路的輸入信號等于反饋信號。（4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：保證振蕩電路輸出幅值穩(wěn)定的正弦波。

2 RC橋式振蕩電路

2.1 選頻特性

由Z1、Z2構(gòu)成的RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，電路如圖1所示。選頻網(wǎng)絡的輸入電壓即為放大器的輸出電壓，選頻網(wǎng)絡的輸出電壓為運算放大器同相輸入端的輸入電壓。其中：

反饋網(wǎng)絡的反饋系數(shù)為：

2.2 振蕩過程

2.2.1 起振過程

由于振蕩電路中，信號的來源是電源接通瞬間的擾動信號，擾動信號是非常小的，所以要使信號能循環(huán)放大，即滿足：起振條件，輸出波形如圖2所示。電路的輸出信號達到一定幅值之后，還要能自動地恢復到即滿足平衡條件：。因此還需加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，整個振蕩過程是由起振到平衡的過程。

圖1 RC橋式振蕩電路

圖2 輸出波形

2.2.2 穩(wěn)幅過程

穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使電路的輸出信號達到一定幅值之后，能自動地恢復等幅振蕩。這里，用兩個二極管實現(xiàn)穩(wěn)幅。電路如圖3所示。

圖3 自動穩(wěn)幅的RC橋式振蕩電路

3 電子琴電路的設計

音調(diào)主要由聲音的頻率決定，一定頻率的聲音與特定的樂音之間是相互對應的。以C調(diào)為基準音的八度音階中，樂音所對應的頻率如表1所示。如果通過振蕩電路產(chǎn)生特定頻率的波形信號，再利用揚聲器將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號，就可以制作一款簡易的音樂發(fā)生器，音樂發(fā)生器的外部制作成電子琴的結(jié)構(gòu)，就可實現(xiàn)電子琴的制作了。

本實驗的電子琴電路采用RC橋式振蕩電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。其中開關1—8對應著電子琴的8個音階按鍵，使用時一次只能閉合一個開關。理論上，電子琴電路的初始信號是由環(huán)境噪聲及電路內(nèi)部合閘通電時的干擾信號提供的。實際操作時，為了使電路現(xiàn)象更加明顯，也可通過對電路中的電容充電來實現(xiàn)。C調(diào)靶音階對應的基本頻率如表1所示。C調(diào)靶音階對應的基本頻率如表1所示。

表1 C調(diào)靶音階對應的基本頻率

圖4 電子琴電路圖

實際電路中采用運算放大器芯片μA741，功放部分采用以運算放大器芯片LM386為核心的集成模塊構(gòu)成，工作電壓是±9V。成品電路如圖5所示。

圖5 實物圖

4 結(jié)論

本文在RC橋式振蕩電路的基礎上設計并制作了一款電子琴電路。該電路由運算放大器、選頻網(wǎng)絡、正反饋網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構(gòu)成，同時在輸出端連接揚聲器，將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。在按下不同的按鍵的時候，通過改變接入電路中的電阻和電容值，改變輸出信號的頻率，使電子琴發(fā)出不同音階，實現(xiàn)了電子琴的基本功能。學生在理論學習之后動手實踐，真正做到學以致用。