基于Multisim八音階電子琴的設計與仿真

蘭羽，周茜

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

Multisim10是加拿大圖像交互技術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，設計界面簡潔，適合模擬/數字電路的設計仿真。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計與仿真、再到電路原型設計和測試[1-2]。筆者設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揚聲器發音后產生的，音調主要由聲音的頻率決定，樂音（復音）的音調更復雜些，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特定的樂音。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[3-4]。通過RC振蕩電路產生特定頻率的波形信號，再通過揚聲器轉換為聲音信號，就能制作出簡易的樂音發生器，再結合電子琴的一般結構，就可實現電子琴的制作了。

表1 C調為基準音八音階對應的頻率Tab.1 Frequency to eight-scale with C-tone as its datum tone

1.1 RC選頻網絡

圖2 RC選頻網絡頻率特性Fig.2 Frequency feature of RC selection frequency network

1.2 起振穩幅

RC串并聯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），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，當達到設定值時，必須使AF=1，輸出信號幅度才能穩定下來。

在電子琴主振電路如圖3所示，設C1=C2=C，R1為常數，R2=R2x，通過調節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 電路參數設計

表2 八音階對應的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 功放電路的設計

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

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

2 電路仿真

采用Multisim10在工作區建立電路，參數設置如圖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，電路起振并穩幅波形如圖7所示；2）當R28=5.5 kΩ，f0=440 Hz，電路起振并穩幅波形如圖8所示。

3 結束語

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，波形失真度較小；設計的電子琴具有結構簡單，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，在電子設計及教學領域具有重要的推廣、應用價值。

圖6 Multisim中設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起振及穩幅Fig.7 Output f0=264 Hz starting vibration and steady range

圖8 輸出f0=440 Hz起振及穩幅Fig.8 Output f0=440 Hz starting vibration and steady range

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