利用NE556双定时器建造一款紧凑型电子钢琴

这是一款由独立元件构建的全功能8音电子钢琴，采用NE556双定时器集成电路，可产生从中央C到C'(261.6 Hz至523.3 Hz)的音乐音符。该钢琴内置可调节颤音效果、双电源(6V电池或5V USB)、音量控制功能，并装入一个紧凑的17×8×6厘米机箱中。总材料成本低于20港元。

我为什么要建造它?

我选择电子钢琴，因为它将模拟电路设计与实用的音乐生成相结合，需要精确的频率计算和元件匹配，同时为诸如颤音效果等创意功能留有空间，最终成品使用和演示起来都十分有趣。

挑战是仅使用无源元件，生成八个独特且准确的音乐音符，在预算范围内完成，并在基本要求之外至少添加一项原创功能。

它是如何工作的?

核心色调生成

NE556定时器的前半部分被配置为单稳态多谐振荡器模式。

C 是一个固定 0.1 微法的陶瓷电容。Ra 是一个固定 18 千欧的电阻。Rb 根据按下的键不同而变化。

当你按下触控开关时，会闭合特定Rb电阻的电路，从而产生一个独特的频率。共有8个按键可发出C、D、E、F、G、A、B和C#音符。

所使用的电阻值如下所示。

音频放大

NE556定时器的输出信号经过一个音量电位器后，进入LM386低电压音频放大器。LM386驱动一个8欧姆、半瓦的扬声器。

颤音效果(关键创新)

我将NE556的第二个定时器改造成一个低频振荡器(LFO)，它产生一个方波，驱动一个与音频信号路径串联的NPN晶体管。该晶体管作为电压控制衰减器，快速地使音频信号上下波动，从而产生颤音效果。

两个电位器用于控制颤音效果。速率旋钮可调节LFO频率，从约1赫兹的缓慢颤音到10赫兹的快速脉冲。深度旋钮则控制晶体管对信号的衰减程度，从轻微到强烈的调制效果。

双电源供电

钢琴可通过6伏电池组(使用4节AAA电池)运行，可提供全音量但略带噪音;也可通过5伏USB接口(经micro-USB连接)供电，音量较小但运行稳定。一个双刀单掷开关可在两种电源之间切换。LED灯用于指示钢琴是否已通电。

示意图

该电路图展示了完整的电路，包括用于音调生成的NE556振荡器配置、按钮电阻网络、LM386放大级，以及作为颤音效果LFO的第二个定时器。

PCB布局

我使用PADS Layout设计了一个紧凑的PCB布局。该设计将元件分组为四个功能模块：利用NE556和电阻网络生成音调，使用LM386和音量控制实现音频放大，通过USB和电池切换提供电源，以及利用LFO和晶体管衰减器实现颤音效果。这种模块化分组有效减少了敏感模拟信号之间的噪声和串扰。

机箱设计

该外壳采用SolidWorks设计，尺寸为17厘米×8厘米×6厘米，内部容纳了PCB板、电池座和扬声器，并设有钥匙、旋钮、开关和USB接口的取用孔。

测试结果

我在实验室中使用示波器和数字万用表测试了钢琴。当无法进入实验室时，我也在TinkerCAD中模拟了电路。

音符频率的准确度在理论值的正负5%范围内。6伏电池模式下音量达到最大，但略有噪音;5伏USB模式下音量降低，但运行稳定。颤音速率范围可调节，从1到10赫兹。颤音深度范围可调，从轻微到强烈调制。功耗在预期范围内。PCB尺寸为17厘米×8厘米，可完全容纳于机箱内。

遇到并解决的问题包括：通过添加去耦电容解决了初始的噪声问题;早期测试中电池连接顺序错误，已修正;第12周时外壳盖安装需要调整;低电量导致无输出，经更换电池后已解决。

费用明细

包括NE556、电阻和电容在内的音调生成部分成本为3.30港元。音频放大部分，包括LM386、扬声器和电容，成本为4.20港元。颤音效果部分，包括电阻、电容和晶体管，成本为3.20港元。电源部分，包括电池座、USB接口、LED灯和二极管，成本为3.40港元。开关部分，包括电源开关、颤音开关和8个触点开关，成本为5.00港元。音效改善部件，包括电容和一个电阻，成本为1.30港元。总成本为19.30港元。

最终产品图片

用户指南

首先，将4节AAA电池插入电池仓，或连接一根Micro-USB数据线。其次，打开电源开关，LED灯会亮起。第三，按下黑色触摸开关以播放音符。第四，旋转音量旋钮调节音量大小。第五，打开颤音开关以启用该效果。第六，调整两个颤音旋钮：一个用于控制速度，另一个用于控制音效强度。

本文编译自hackster.io