基于Multisim八音阶电子琴的设计与仿真

摘要：介绍了以RC串并联选频网络为主振电路的电子琴设计方法，给出了八音阶电子琴电路参数的设计方法和一组参数值。并采用Multisim 10对RC串并联正弦渡振荡电路进行了设计仿真。结果证明，用模拟电路方法制作电子琴结构简单，而且成本低廉，符合C音调基准音标准。
关键词：电子琴；RC振荡电路；电路参数设计；Multisim仿真

    Multisim10是加拿大图像交互技术公司推出最新版电子仿真软件，它提供了强大元件库、虚拟仪器库，设计界面简洁，适合模拟／数字电路的设计仿真。电子工程师和电子教学工作者可以利用它轻松的完成从理论到原理图设计与仿真、再到电路原型设计和测试。笔者设计一八音阶的电子琴，并采用Multisim10对其进行仿真。

1 电子琴原理框图
    电子琴可以演奏出各种美妙的音乐，而音乐是由音符组成，不同的音符是由不同频率的声音电信号经扬声器发音后产生的，音调主要由声音的频率决定，乐音(复音)的音调更复杂些，一般可认为主要由基音的频率来决定。也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以C调为基准音的八度音阶中，所对应的频率如表1所示。通过RC振荡电路产生特定频率的波形信号，再通过扬声器转换为声音信号，就能制作出简易的乐音发生器，再结合电子琴的一般结构，就可实现电子琴的制作了。
1．1 RC选频网络
    RC串并联振荡器的频率调节方便，调节范围也较宽，其是一种正反馈式振荡器，R1、C1、R2、C2构成的选频电路如图2。
 
    这时RC串并联振荡输出频率，通过改变RC反馈回路中R、C的值，可以得到不同的频率输出信号。
1．2 起振稳幅
    RC串并联电路维持自激振荡条件：1)幅度条件：AF=1表示反馈信号与输入信号的大小相等。2)相位条件：ψ=2nπ(n为整数)，表示反馈信号与输入信号同相。在电路开始起振时，激励信号很弱，这时电路需要正反馈，即AF>1，电路才能起振。起振后，输出信号的幅度慢慢增大，当达到设定值时，必须使AF=1，输出信号幅度才能稳定下来。

    在电子琴主振电路如图3所示，设C1=C2=C，R1为常数，R2=R2x，通过调节Rx改变输出信号频率，输出频率为：
   
    起振后输出达到设定值时，让RT+RP=R即可稳幅，电路中RT并联一正一反两二极管，根据二极管伏安特性，起振时随反馈回路电流增大阻值减小，两二极管使电路自动起振稳幅作用。
1．3 电路参数设计
    因放大器参数要满足RT+RP≥R，取RT=5 kΩ、RF=8 kΩ、R=10 kΩ，随着RC电路的起振，与RT并联一正一反两二极管使RT趋近于2 kΩ，满足起振稳幅条件；C采用云母电容，C=0．33μF、R1=200 Ω；音阶电路如图4所示，调节输出信号频率时，通过八个接键开关选择R2x，R2x从R21-R28，分别对应8个音阶。根据，再结合表1的频率数据，即可确定R2x参数，具体参数如表2。

1．4 功放电路的设计
    RC振荡电路输出的信号还不能驱动扬声器，还需经功率放大后才能驱动扬声器。LM386是一种音频集成功放，具有功耗小，电压增益可调节，电源电压范围大，外接元件和总谐波失真小等优点，功率输出达1 W。功放电路如图5所示，调节电位器RP调节输出音量。

2 电路仿真
    采用Multisim10在工作区建立电路，参数设置如图6所示，RP=5 kΩ、RT=8 kΩ、R=9 kΩ；C=0．33μF、R1=200 Ω。对电子琴主振电路进行仿真，打开仿真按钮，1)当R21=14 kΩ，fo=264 Hz，电路起振并稳幅波形如图7所示；2)当R28=5．5 kΩ，fo=440 Hz，电路起振并稳幅波形如图8所示。

3 结束语
    采用Multisim10对电子琴电路仿真说明：RC主振电路输出的频率满足C调为基准音的的指标要求，幅度有效值达到6 V，波形失真度较小；设计的电子琴具有结构简单，成本低廉。该案例仿真用于课堂教学，活跃了课堂气氛，调动学生学习兴趣。Multisim10电子仿真软件操作简洁，使用人性化，在电子设计及教学领域具有重要的推广、应用价值。