采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴設計

　　對于固定的簡單功能的實現，模擬電路具有結構簡單，實現方便，成本低廉的優點。在這方面，模擬電路得到廣泛的應用。模擬電路中的RC正弦波振蕩電路具有一定的選頻特性，樂聲中的各音階頻率也是以固定的聲音頻率為機理的。本文介紹基于RC正弦波振蕩電路的簡易電子琴設計方案。

　　1 基本樂理知識

　　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。如果能夠通過某種電路結構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。

　　2 設計原理

　　2．1 RC橋式振蕩電路

　　2．1．1 電路圖

　　RC橋式振蕩電路如圖1所示。

　　2．1．2 RC串并聯選頻網絡

　　RC橋式振蕩電路可以選出特定頻率的信號。具體實現過程的關鍵是RC串并聯選頻網絡，其理論推導如下：

　　可得選頻特性：

　　即當f0=1／(2πRC)時，輸出電壓的幅值最大，并且輸出電壓是輸入電壓的1／3，同時輸出電壓與輸出電壓同相。通過該RC串并聯選頻網絡，可以選出頻率穩定的正弦波信號，也可通過改變R，C的取值，選出不同頻率的信號。

　　2．2 振蕩條件

　　2．2．1 自激振蕩條件

　　圖2所示為含外加信號的正弦波振蕩電路，其中A，F分別為放大器回路和反饋網絡的放大系數。圖2中若去掉Xi，由于反饋信號的補償作用，仍有信號輸出，如圖3所示Xf=Xi，可得自激振蕩電路。自激振蕩必須滿足以下條件：

　　2．2．2 起振條件

　　自激振蕩的初始信號一般較小，為了得到較大強度的穩定波形，起振條件需滿足|A·F|>1。在輸出穩定頻率的波形前，信號經過了選頻和放大兩個階段。具體來說，是對于選定的頻率進行不斷放大，非選定頻率的信號進行不斷衰減，結果就是得到特定頻率的穩定波形。

3 設計方案

　　3．1 設計電路圖

　　設計電路圖如圖4所示。

　　圖4即是八音階微型電子琴的原理電路圖，8個開關對應著電子琴8個音階琴鍵，使用時只能同時閉合一個開關。

　　在實際電路中，為達到起振條件AF>1，常用兩個二極管與電阻并聯，可實現類似于熱敏電阻的功效。另外需要說明的是，理論上電路的初始信號是由環境噪聲及電路本身的電壓提供的。實際操作時，為使現象更明顯，也可通過對電路中的電容充電來實現。

　　另外，電路中的運算放大器芯片LM324工作電壓要求是±5 V，所以還需要用7809穩壓管、整流橋等元器件制作帶負電源的電源電路，同電子琴電路一塊整合到電路板上，制作成可直接使用的完整成品。

　　3．2 參數推導

　　則由式(8)及起振條件|A·F|>1，可得：

　　所以RF1，RF2和Rf的選取應滿足式(9)，但實際取值時，應讓RF1略小于Rf。RF2的取值也應適當，以滿足式(6)，實現自激振蕩。

　　選頻網絡的頻率推導公式為：

　　根據式(8)、式(10)、式(11)，再結合表1的頻率數據，即可確定電路中的元器件參數。需要注意的是，在確定R2內部電阻值時，應該從R21開始，逐個進行。

　　3．3 參考參數

　　根據上述方法，可得出如表2所示的參考參數。按此參數進行仿真，其la調波形如圖5所示，其頻率滿足國際標準音C調頻率440 Hz。

　　4 結語

　　采用RC正弦振蕩電路制作的電子琴，相對于用單片機或CPLD等制作方法，不僅成本低廉，而且功能穩定。缺點是音色的表現并不十分理想，還需通過一定的技術手段。使發出的聲音更接近電子琴的音色特點。功能拓展方面，通過增加R2中并聯的電阻個數和開關數可拓展此電子琴的音階，實現16音階或更多音階的電子琴，還可加入加法器，并入麥克風信號輸入電路，實現卡拉OK功能。