黄杰庆，戴权晶，刘月红

（桂林理工大学 信息科学与工程学院，广西桂林，541004）

0 引言

电子琴的工作原理是通过不同频率的信号驱动扬声器发声，让人听到不同的音节音调。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，只需要外接几个电阻、电容，就可以构成多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等电路[2]，实现脉冲的产生与变换。本文中，作者利用555 定时器构成的多谐振荡器来设计了一个多音阶简易电子琴，并用面包板完成了简单的电路制作和调试。文中详细介绍了电子琴各功能模块及音节电路的具体设计和仿真测试，以及作品制作和调试的过程和结论。

1 系统总体设计

555 定时器构成多谐振荡器的振荡频率可以通过改变振荡电路中的RC 原件的数值来调整。本文通过按钮开关来实现不同的RC 调频网络，从而控制555 多谐振荡器不同频率的波形输出；再经过音频功率放大器的放大，输出饱满、动听的音乐。

系统的具体设计按功能模块进行，组成框图如图1 所示。图中按键部分为系统的输入控制，实现高、中、低音阶的切换以及do、re、mi、fa、so、la、si 的输入；调频电路和振荡器一起产生不同频率的信号；功率放大器将振荡器的输出放大，用来驱动喇叭发出不同的音阶。

图1 系统组成框图

2 系统电路设计

系统电路设计首先完成低音阶部分的设计，然后根据电路原理实现低中高阶的切换，最后加上功率放大。下面具体介绍三个部分的电路原理及实现。

■2.1 低音阶电路的设计

在进行设计之前，我们必须知道低、中、高音阶各音调的频率，C 调各音阶音调频率如表1 所示。

表1 音阶音调频率

由上表可以看出，中音的频率是低音的2 倍，高音的频率是低音的4 倍，所以在设计选频网络时，只要准确地确定低音的频率，改变电容的大小，就能很方便的调节出高音阶的频率。因此，我们先固定电容C 建立低音阶的电路模型，然后通过调整电容C 的大小来实现中音阶和高音阶的电路。

根据电子琴的设计需要，我们通过555 多谐振荡器输出不同频率的波形。由555 定时器和外接元件R1、R2、C构成的多谐振荡器如图2 所示，脚2 与脚6 直接相连。利用电源通过R1、R2向C 充电，以及C 通过R2向放电端DC放电，使电路产生振荡。电容C在之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3 所示。

图2 555 构成多谐振荡器

图3 多谐振荡器的波形图

输出信号的时间参数为：

其中，t1w为CV由上升到所需的时间，tw2为电容C 放电所需的时间。

所以，555 多谐振荡器输出矩形波的频率为：

为了调节输出波形的频率，我们取R1=1kΩ,C=0.1uF,于是就得到只含R2变量的单变量关系式：

所以通过改变R2的大小就可获得不同输出频率的信号，在频率f已知的条件下，其相应的电阻R2应为：

由上述公式计算我们就可以得到低音阶各音调所需调的电阻如表2 所示。

表2 低音阶各音调对应电阻值

具体按钮开关电路设计如图4 所示。

图4 按钮开关电路图

按下相应的电子开关便可实现不同的电阻连接，获得不同电阻R2的值，从而实现不同的输出频率f，由此我们完成低音阶电路的设计。

■2.2 低、中、高音阶整体电路的设计

前文中，我们完成了低音阶电路的设计。在固定R1的情况下，输出频率f是受电阻R2和电容C 控制的。这里，我们通过改变电容C 实现低音阶到中、高音阶的转换。由表1 可知，中音的频率是低音的2 倍，高音的频率是低音的4 倍。因此，我们的电路中，将低音阶时的电容C 缩小2倍得到所对应的中音阶电路，电容C 缩小4 倍得到所对应的高音阶电路的设计。

本设计中，低音阶电路中电容取0.1，中音阶电路中取C3==0.05µF,高音阶时取C6==0.025µF。具体电路中通过开关SW1 和SW2 控制接通不同的电容来实现了低、中、高音阶电路的转换，按键具体功能设置如表3所示。

表3 开关实现低、中、高音阶电路的转换

低、中、高音阶整体电路如图5 所示，在低音阶电路的基础上，增加SW1 和SW2 两个按键控制电路中电容的取值，从而实现低、中、高音阶电路的转换。

图5 低、中、高音阶整体电路

■2.3 功率放大模块

本设计中利用LM386 实现音频功率的放大。LM386 是一种低电压通用型音频集成功率放大器，广泛应用于收音机、对讲机和信号发生器中。本设计中采用8 脚双列直插式塑料封装的LM386，其引脚图如图6 所示。

图6 LM386 引脚图

本文中设计的电子琴的功率放大电路如图7 所示，LM386 有两个信号输入端，2 脚为反相输入端，3 脚为同相输入端;每个输入端的输入阻抗均为50kΩ，而且输入端对地的直流电位接近于零，即使输入端对地短路，输出端直流电平也不会产生大的偏离。

图7 功率放大电路图

3 设计电路仿真测试

完成系统各电路的设计和参数计算之后，作者用软件Proteus 对设计的整体电路进行了仿真测试，具体测试电路如图8 所示。在由按键控制和有频率变换功能的多谐振荡器组成的主要电路的输出端，接有LM386 功率放电路，放大电路的输出端接上有检测输出信号的示波器。本设计的仿真测试通过示波器显示的波形来验证系统的工作情况。

图8 多音阶简易电子琴仿真电路图

将SW1 向上闭合，SW2 向下闭合，得到低音阶时的电路模型。按下do 键，得到低音阶下do 音调的波形，按下re 键，得到低音阶下re 音调的波形。将SW1 向下闭合，SW2 向下闭合，得到中音阶时的电路模型。按下do 键，得到中音阶下do 音调的波形。将SW2 向下闭合，得到高音阶时的电路模型；按下do 键，得到高音阶下do 音调的波形。各波形对比如图9 所示。

图9 输出波形对比

4 作品制作及调试

完成电子琴的设计并经仿真验证之后，作者用面包板完成了简易电子琴的制作和调试。整个电路的供电用USB 接口线从电脑或电源适配器引入，发光二极管作为电源和输出指示灯，显示系统的工作状态。该电子琴通过单刀双掷开关能够实现低、中、高三种音阶的自由转换，每个音阶都能弹奏1、2、3、4、5、6、7 七个音调。

5 结束语

作为电子制作的初学者，作者完成了由555 定时器构成的多谐振荡器实现多音阶简易电子琴的电路设计。在经过Proteus 仿真测试后，完成了实际电路的搭接并成功测试。本设计具有成本低、结构简单、性能稳定等特点，并在各环节有改进的空间。