一種基于555 定時器的多音階簡易電子琴設計與實現

黃杰慶，戴權晶，劉月紅

（桂林理工大學 信息科學與工程學院，廣西桂林，541004）

0 引言

電子琴的工作原理是通過不同頻率的信號驅動揚聲器發聲，讓人聽到不同的音節音調。555 定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件，只需要外接幾個電阻、電容，就可以構成多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等電路[2]，實現脈沖的產生與變換。本文中，作者利用555 定時器構成的多諧振蕩器來設計了一個多音階簡易電子琴，并用面包板完成了簡單的電路制作和調試。文中詳細介紹了電子琴各功能模塊及音節電路的具體設計和仿真測試，以及作品制作和調試的過程和結論。

1 系統總體設計

555 定時器構成多諧振蕩器的振蕩頻率可以通過改變振蕩電路中的RC 原件的數值來調整。本文通過按鈕開關來實現不同的RC 調頻網絡，從而控制555 多諧振蕩器不同頻率的波形輸出；再經過音頻功率放大器的放大，輸出飽滿、動聽的音樂。

系統的具體設計按功能模塊進行，組成框圖如圖1 所示。圖中按鍵部分為系統的輸入控制，實現高、中、低音階的切換以及do、re、mi、fa、so、la、si 的輸入；調頻電路和振蕩器一起產生不同頻率的信號；功率放大器將振蕩器的輸出放大，用來驅動喇叭發出不同的音階。

圖1 系統組成框圖

2 系統電路設計

系統電路設計首先完成低音階部分的設計，然后根據電路原理實現低中高階的切換，最后加上功率放大。下面具體介紹三個部分的電路原理及實現。

■2.1 低音階電路的設計

在進行設計之前，我們必須知道低、中、高音階各音調的頻率，C 調各音階音調頻率如表1 所示。

表1 音階音調頻率

由上表可以看出，中音的頻率是低音的2 倍，高音的頻率是低音的4 倍，所以在設計選頻網絡時，只要準確地確定低音的頻率，改變電容的大小，就能很方便的調節出高音階的頻率。因此，我們先固定電容C 建立低音階的電路模型，然后通過調整電容C 的大小來實現中音階和高音階的電路。

根據電子琴的設計需要，我們通過555 多諧振蕩器輸出不同頻率的波形。由555 定時器和外接元件R1、R2、C構成的多諧振蕩器如圖2 所示，腳2 與腳6 直接相連。利用電源通過R1、R2向C 充電，以及C 通過R2向放電端DC放電，使電路產生振蕩。電容C在之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應的波形如圖3 所示。

圖2 555 構成多諧振蕩器

圖3 多諧振蕩器的波形圖

輸出信號的時間參數為：

其中，t1w為CV由上升到所需的時間，tw2為電容C 放電所需的時間。

所以，555 多諧振蕩器輸出矩形波的頻率為：

為了調節輸出波形的頻率，我們取R1=1kΩ,C=0.1uF,于是就得到只含R2變量的單變量關系式：

所以通過改變R2的大小就可獲得不同輸出頻率的信號，在頻率f已知的條件下，其相應的電阻R2應為：

由上述公式計算我們就可以得到低音階各音調所需調的電阻如表2 所示。

表2 低音階各音調對應電阻值

具體按鈕開關電路設計如圖4 所示。

圖4 按鈕開關電路圖

按下相應的電子開關便可實現不同的電阻連接，獲得不同電阻R2的值，從而實現不同的輸出頻率f，由此我們完成低音階電路的設計。

■2.2 低、中、高音階整體電路的設計

前文中，我們完成了低音階電路的設計。在固定R1的情況下，輸出頻率f是受電阻R2和電容C 控制的。這里，我們通過改變電容C 實現低音階到中、高音階的轉換。由表1 可知，中音的頻率是低音的2 倍，高音的頻率是低音的4 倍。因此，我們的電路中，將低音階時的電容C 縮小2倍得到所對應的中音階電路，電容C 縮小4 倍得到所對應的高音階電路的設計。

本設計中，低音階電路中電容取0.1，中音階電路中取C3==0.05μF,高音階時取C6==0.025μF。具體電路中通過開關SW1 和SW2 控制接通不同的電容來實現了低、中、高音階電路的轉換，按鍵具體功能設置如表3所示。

表3 開關實現低、中、高音階電路的轉換

低、中、高音階整體電路如圖5 所示，在低音階電路的基礎上，增加SW1 和SW2 兩個按鍵控制電路中電容的取值，從而實現低、中、高音階電路的轉換。

圖5 低、中、高音階整體電路

■2.3 功率放大模塊

本設計中利用LM386 實現音頻功率的放大。LM386 是一種低電壓通用型音頻集成功率放大器，廣泛應用于收音機、對講機和信號發生器中。本設計中采用8 腳雙列直插式塑料封裝的LM386，其引腳圖如圖6 所示。

圖6 LM386 引腳圖

本文中設計的電子琴的功率放大電路如圖7 所示，LM386 有兩個信號輸入端，2 腳為反相輸入端，3 腳為同相輸入端;每個輸入端的輸入阻抗均為50kΩ，而且輸入端對地的直流電位接近于零，即使輸入端對地短路，輸出端直流電平也不會產生大的偏離。

圖7 功率放大電路圖

3 設計電路仿真測試

完成系統各電路的設計和參數計算之后，作者用軟件Proteus 對設計的整體電路進行了仿真測試，具體測試電路如圖8 所示。在由按鍵控制和有頻率變換功能的多諧振蕩器組成的主要電路的輸出端，接有LM386 功率放電路，放大電路的輸出端接上有檢測輸出信號的示波器。本設計的仿真測試通過示波器顯示的波形來驗證系統的工作情況。

圖8 多音階簡易電子琴仿真電路圖

將SW1 向上閉合，SW2 向下閉合，得到低音階時的電路模型。按下do 鍵，得到低音階下do 音調的波形，按下re 鍵，得到低音階下re 音調的波形。將SW1 向下閉合，SW2 向下閉合，得到中音階時的電路模型。按下do 鍵，得到中音階下do 音調的波形。將SW2 向下閉合，得到高音階時的電路模型；按下do 鍵，得到高音階下do 音調的波形。各波形對比如圖9 所示。

圖9 輸出波形對比

4 作品制作及調試

完成電子琴的設計并經仿真驗證之后，作者用面包板完成了簡易電子琴的制作和調試。整個電路的供電用USB 接口線從電腦或電源適配器引入，發光二極管作為電源和輸出指示燈，顯示系統的工作狀態。該電子琴通過單刀雙擲開關能夠實現低、中、高三種音階的自由轉換，每個音階都能彈奏1、2、3、4、5、6、7 七個音調。

5 結束語

作為電子制作的初學者，作者完成了由555 定時器構成的多諧振蕩器實現多音階簡易電子琴的電路設計。在經過Proteus 仿真測試后，完成了實際電路的搭接并成功測試。本設計具有成本低、結構簡單、性能穩定等特點，并在各環節有改進的空間。