基于RC桥式振荡电路的电子琴电路的设计

杨坤，汤艳坤，石静苑

（空军航空大学 基础部，吉林长春，130022）

0 引言

RC桥式振荡电路是电工电子技术基础课程中模拟电路部分的重要内容，是学员接触到的第一类信号产生电路。由于RC桥式振荡电路具有选频特性，而音乐中各音阶对应着不同的频率，因此本文以RC桥式振荡电路为基础设计制作一款电子琴电路。

1 正弦波振荡电路

对于一个放大电路来说，只有在输入端外加输入信号的情况下，输出端才有输出信号。但是如果当大电路的输入端没有外加输入信号，而输出端仍有一定频率和幅值的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡。自激振荡现象是放大电路需要避免的，却是构成振荡电路的必要条件。振荡电路就是不用外加输入信号，而是依靠电路本身的自激振荡来产生输出信号的电路。正弦波振荡电路是依靠电路自身的自激振荡来产生正弦信号的电路。它广泛应用于通信、自动控制、测量等领域，也可以作为模拟电子电路的测试信号。正弦波振荡电路按照频率的不同可以分为：LC正弦波振荡电路、RC正弦波振荡电路和石英晶体振荡电路。

LC正弦波振荡电路的振荡频率由选频网络—LC振荡回路的谐振频率决定。工作频率降低时，要求增大振荡回路的电感量和电容量。大电感量的电感和大容量的电容器体积大、笨重，因此LC振荡器不适用于低频，工作频率一般不应低于几百千赫。

石英晶体振荡电路通常简称为晶体振荡电路。它既可以产生高频信号，也可以产生低频信号。为了提高振荡电路的频率稳定性，将LC振荡电路中选频网络的一部分用石英晶体替代的振荡电路。

1.1 正弦波振荡电路的振荡条件

正弦波振荡电路是一个未加输入信号的正反馈闭环电路。若输出正弦电压经反馈环节产生的反馈电压恰好等于放大电路所需的输入电压，即幅度相等，相位相同，即则可在闭环电路的输出端得到持续稳定的正弦波。由，可得：

1.2 正弦波振荡的建立于稳定

一个实际的正弦波振荡电路的初始信号是由电路内部噪声和瞬态过程的扰动引起的。通常这些噪声和扰动的频谱很宽而幅度很小。为了最终能得到一个稳定的正弦信号，首先必须用一个选频环节把所需频率的分量从噪声或扰动信号中挑选出来，使其满足平衡条件，而使其他分量不满足平衡条件。其次，为了能使振荡能够从小到大建立起来，要求满足即正弦波振荡电路的起振条件。振荡建立起来之后，输出信号会由小到大不断增长，这时仍然不能得到一个幅值稳定的正弦波。实际上，信号的幅度最终要受到放大电路非线性的限制，即当幅度逐渐增大时，电路的电压放大倍数会逐渐减小，最终使达到平衡，从而使正弦波振荡稳定。

1.3 电路组成

正弦波振荡电路从组成上看必须包含四个基本环节。（1）放大电路部分：保证电路的输出信号的幅值逐渐增大，实现从起振到动态平衡，实现能量放大。（2）选频网络：确定输出信号的频率，使电路产生单一频率的正弦波输出。（3）正反馈网络：在负反馈放大电路的基础上引入正反馈，并且正反馈的强度大于负反馈，整体上使放大电路的输入信号等于反馈信号。（4）稳幅环节：保证振荡电路输出幅值稳定的正弦波。

2 RC桥式振荡电路

2.1 选频特性

由Z1、Z2构成的RC串并联选频网络，电路如图1所示。选频网络的输入电压即为放大器的输出电压，选频网络的输出电压为运算放大器同相输入端的输入电压。其中：

反馈网络的反馈系数为：

2.2 振荡过程

2.2.1 起振过程

由于振荡电路中，信号的来源是电源接通瞬间的扰动信号，扰动信号是非常小的，所以要使信号能循环放大，即满足：起振条件，输出波形如图2所示。电路的输出信号达到一定幅值之后，还要能自动地恢复到即满足平衡条件：。因此还需加入稳幅环节，整个振荡过程是由起振到平衡的过程。

图1 RC桥式振荡电路

图2 输出波形

2.2.2 稳幅过程

稳幅环节使电路的输出信号达到一定幅值之后，能自动地恢复等幅振荡。这里，用两个二极管实现稳幅。电路如图3所示。

图3 自动稳幅的RC桥式振荡电路

3 电子琴电路的设计

音调主要由声音的频率决定，一定频率的声音与特定的乐音之间是相互对应的。以C调为基准音的八度音阶中，乐音所对应的频率如表1所示。如果通过振荡电路产生特定频率的波形信号，再利用扬声器将电信号转换为声音信号，就可以制作一款简易的音乐发生器，音乐发生器的外部制作成电子琴的结构，就可实现电子琴的制作了。

本实验的电子琴电路采用RC桥式振荡电路结构，如图4所示。其中开关1—8对应着电子琴的8个音阶按键，使用时一次只能闭合一个开关。理论上，电子琴电路的初始信号是由环境噪声及电路内部合闸通电时的干扰信号提供的。实际操作时，为了使电路现象更加明显，也可通过对电路中的电容充电来实现。C调靶音阶对应的基本频率如表1所示。C调靶音阶对应的基本频率如表1所示。

表1 C调靶音阶对应的基本频率

图4 电子琴电路图

实际电路中采用运算放大器芯片µA741，功放部分采用以运算放大器芯片LM386为核心的集成模块构成，工作电压是±9V。成品电路如图5所示。

图5 实物图

4 结论

本文在RC桥式振荡电路的基础上设计并制作了一款电子琴电路。该电路由运算放大器、选频网络、正反馈网络和稳幅环节构成，同时在输出端连接扬声器，将电信号转换为声音信号。在按下不同的按键的时候，通过改变接入电路中的电阻和电容值，改变输出信号的频率，使电子琴发出不同音阶，实现了电子琴的基本功能。学生在理论学习之后动手实践，真正做到学以致用。