電子實驗專題-電子琴

Electric Piano

•The exact date depend on each class of the week

•1st Week (3/22) ：

Design the circuit according to the assigning materials (LM555)

Demonstrate basic function of project by demoform

•2nd Week ( 3/29) ：

Hand in the Project Report (upload electronics file only)

Demonstrate Advance and complete function by demoform.

Hand in the Project Demoform

from this 2nd Week, Laboratory opening period : 1200~2200

•3rd Week ( 4/5) ：

Spring vacation, Class suspended

•4th Week ( 4/12) ：

More Application Demonstrate (if possible)

Schedule of Midterm Project (EO)

Project Function Requirement

Basic Requirement Either the electric piano can produce from the Do of middle C to its octave Do which

is about 256Hz to 512Hz, respectively or produce eight continuous musical scales that can be across higher octave and lower octave.

The button switches, analog electric switches can be used in this experiment to design your control circuit.

When using the output stage amplifier to amplify the signal to horn, the sound should be identified clearly and the output power can be attenuated by 20dB.

Advance Selection Tone quality enhancement.

Chord Construction.

Photo resistors, and digital ICs can be used in this experiment to design your control circuit.

Auto accompaniment or auto-play two sections. Hint: Using digital circuit to drive analog electric switch.

Auto-play instruction. Hint: Using digital circuit and LED to show the scale by the rhythm.

Creative and industrial design..

To imitate the dialing tone of the DTMF phone. The related information can be referred from the following advance function. (8 pieces of digit keyboard to be borrowed in each class)

Material Available

LM555 Timer x2 - Delivering in basic demo day

OP741 Operational Amplifier

CD4066 Analog Switch x2.

CD4051 Analog Multiplexer x2 (for auto play)

Digital IC or AT89S51 (for auto play)

7407 / Open Collector Buffer (for TTL to CMOS)

7401 Open Collector NAND (as Inverter for TTL to CMOS)

7373 J-K Flip Flop / 74191 Counter

Variable Resistor / Capacitor

TIP41/TIP42

Switch / Speaker

8 pin 3x4 Digit Keyboard – 8 pieces to be borrowed in each class for DTMF

基本要求

可發出中央C的 Do 頻率256 Hz到高八度的 Do

頻率512 Hz 共八個音，或者高八度、低八度等符合音律的八個音階皆可。

利用輸出級到喇叭需清晰可辨識，且功率可衰減20dB。

設計流程

不同電阻產生 不同頻率

喇叭

頻率產生電路 (555震盪器)

放大電路(Class AB 放大器）

系統方塊圖

振盪電路

方波週期(T)

＝充電時間＋放電時間

＝0.693(R1＋2R2)C

輸出頻率(f)＝

1 2

1 1.44

( 2 )T R R C

555 Building Block

555

Timer

1

2

3

4 5

6

7

8 Ground

Trigger

Output

Reset

VCC

Discharge

Threshold

Control Voltage

Q

Q

R

R

R 100

S

R Ck

Threshold(6)

Control

Voltage(5)

Trigger(2)

Discharge(7)

Ground(1)

Output(3)

Reset(4) VCC(8)

Q14

Pin6 = 2/3 Vcc

Pin2 = 1/3 Vcc

S R Q(t+1) Operation

0 0 Q(t) No change

0 1 0 Reset

1 0 1 Set

1 1 ? Undefined

GND

1/3Vcc

2/3Vcc

Vcc

V2

=V6

V3

T1 T2

頻率產生電路圖

R1 << R21~R28

~50% duty cycle

特別注意

當Q14飽和時，第7腳的電位近乎為零，此時有兩股電流被吸入，一股來自VCC，經由R1，一股來自電容，經由R2。此時，為了避免Q14因電流過大而燒燬，R1和R2的數值均應有所限制，它們的最小值為：

R1 ，R2不得低於100Ω

此外，當Q14截止時，它的電流（雖小）限制著R1和R2的最大值。這是因為如果電流太小，電容將無法被充電至2/3VCC，如此一來，振盪便會中止。所以，一般而言，R1加R2之和的最大值在數MΩ左右。實際操作時，有些同學可能用可變電阻代替R1、R2，那麼務必請串聯上一固定電阻，以防不慎事件發生。

第5、8腳與地之間接電容(503) ，這是穩定電位用的。由於555內部正反器在轉態時會使消耗電流瞬間增大或減小，這種現象極易使VCC電壓不穩，進而影響內部據以比較的1/3VCC、2/3VCC位準。在5、8腳與地之間並聯電容可以改善這種現象。在接下來的實作中，不管電路圖上是否標明，只要用到555之處，都必須加上這兩個電容，否則實驗結果會和理論值出入極大。

輸出端與VCC之間接有一個電阻（以虛線示出），這個電阻的作用在於， 可使輸出的高電位提升到VCC。在實作中，這個電阻可加可不加，若不加則高電位約比VCC低0.5V。

第4腳取名重置（Reset），若將之接地，則Q14恆為飽和且輸出恆為低電位。同學們在這裡會發現一個矛盾：「Q14飽和時C會放電，使第2腳低於1/3VCC，此時，輸出不是高電位嗎？」這個問題的正確答案為：「重置」勝過其它接腳的功用。由此可以推論：第4腳不用時應該接到VCC，不應該讓它浮接，以防雜訊由此導入來影響其它接腳。

R1

R2

C

6 5

2

7

1

3 4 8

VCC

頻率(Hz) 週期(s) 音名 Spice模擬電阻值 實際電阻值 誤差

261.6 0.003823 C 183 140.6 -0.30156

293.7 0.003405 D 161 124.3 -0.29525

329.6 0.003034 E 140 109.6 -0.27737

349.2 0.002864 F 133 102.8 -0.29377

392 0.002551 G 117 90.2 -0.29712

440 0.002273 A 102 79.5 -0.28302

493.9 0.002025 B 89.5 69.8 -0.28223

523.2 0.001911 C 83.5 65.2 -0.28067

587.4 0.001702 D 73 57.2 -0.27622

659.2 0.001517 E 63 49.5 -0.27273

698.4 0.001432 F 58.5 46.5 -0.25806

784 0.001276 G 51 40.4 -0.26238

880 0.001136 A 43.5 34.9 -0.24642

987.8 0.001012 B 37 30 -0.23333

電阻與頻率關係

電阻VS頻率關係圖

0

500

1000

1500

0 50 100 150

電阻值 (歐姆)

頻率

(Hz)

PSPICE

實際電路圖～1

實際電路圖～2

實際電路圖～3

進階選擇

和弦的使用。

音色修整加強。

操作部分可使用類比電子開關，也可使用光感電阻等元件。

自動伴奏或自動演奏兩小節。Hint: 可使用數位電路驅動類比電子開關。

自動演奏教學。Hint: 可使用數位電路及LED按節拍顯示音階。

模擬雙音多頻式(DTMF)電話撥號音調。

外型美觀。

自行發揮。

和弦使用與音色加強

電路設計流程

不穩態複振器 → 波形整形器 → 加法器

AB放大器 → 8歐姆喇叭 → 音箱輸出

不穩態複振器

由積分電路及Schmitt trigger circuit所組合成的不穩態複振器（Astable Vibrator），可以同時產生方波及三角波。

OP1

+

-

Vo1

R1

R2

R3

VZ=5.1V

OP2

+

-R4 C

Vo2

頻率的產生

不穩態複振器 產生的波形頻率f為

我們需要運用這個特性產生不同的聲音頻率

上圖中的R2是可變電阻，用來調整頻率。

fR

R R C 2

3 44

波形整形器

為什麼需要做波形整形?

→把三角波整形為較柔和的近梯形波，產生出來的音色較方波或三角波優美。

+

-Vo

R1=4.7K

D2D1

Vin R2=10KR4=100K

R3=10K

V1

實際電路

波形整形器 不穩態複振器

R2

X24

加法器

使用的元件為non-inverting的op電路加法器，主要是為了處理鋼琴的和弦音色。從示波器上我們可以觀察到當兩個以上的單音同時按下時，產生的波形會是所有波形的疊合。

使用non-inverting op amp

的原因是我們可以利用

superposition的原理避免

和弦波形的振幅在疊加的

過程中過大。

加法器實際電路

AB放大器

放大輸出電流及輸出功率

降低輸出阻抗，以便和

8歐姆喇叭匹配

Vcc

-Vcc

RLVi

R2

R1

R2

AB放大器實際電路

成品

Features

兩個八度共24音完整呈現

一目暸然的調音方式

調音器認可的穩定無雜質柔和優美單音

和弦音色

音量調節(靜音到很大聲)

音色調節(響音到悶音)

完全比照鋼琴琴鍵排列，方便彈奏

特製手工喇叭音箱，給聽者最舒適的享受

外型美觀實用

可播放音樂訊號並與音樂同步演奏

555 -> Class A - CC放大器

電路設計與實際成果

（高低八度部分）

低八度音頻產生電路

設計一個除頻器，利用JK F/F，而JK同時為1

時，Q就會和Q’交互出現。而Clock為第一級（原高八度音）產生的訊號

直接使用Counter除頻

CMOS Transmission Gate

(Analog Switches)

HD74HC4066

Quad Analog Switches/Quad Multiplexers

VIL,VIH

4066工作條件

0V

6V 6V

HEF4051B 8-channel analog

multiplexer/demultiplexer

The HEF4051B is an 8-channel analog multiplexer/demultiplexer with three address

inputs (A0 to A2), an active LOW enable input (E), eight independent inputs/outputs

(Y0 to Y7) and a common input/output (Z).

The device contains eight bidirectional analog switches, each with one side connected to

an independent input/output (Y0 to Y7) and the other side connected to a common

input/output (Z).

With E LOW, one of the eight switches is selected (low-impedance ON-state) by A0 to A2.

With E HIGH, all switches are in the high-impedance OFF-state, independent of A0 to A2.

If break before make is needed, then it is necessary to use the enable input.

VDD and VSS are the supply voltage connections for the digital control inputs (A0 to A2,

and E). The VDD to VSS range is 3 V to 15 V. The analog inputs/outputs (Y0 to Y7, and Z)

can swing between VDD as a positive limit and VEE as a negative limit. VDD - VEE may not

exceed 15 V.

For operation as a digital multiplexer/demultiplexer, VEE is connected to VSS (typically

ground).

SPEC.

Pull-up resistor (Open collector output) / Pull-down resistor

Pull-up resistors may be used at logic outputs where the logic device cannot

source current, such as open-collector TTL logic devices. Such outputs are used for driving external devices, for a wire-OR function in combinatorial logic, or for a simple way of driving a logic bus with multiple devices connected to it.

For example, the circuit shown on the right uses 5 V logic level inputs to actuate a relay. If the input is left unconnected, pull-down resistor R1 ensures that the input is pulled down to a logic low. The 7407 TTL device, an open collector buffer, simply outputs whatever it receives as input, but as an open collector device, the output is left effectively unconnected when outputting a "1". Pull-up resistor R2 thus pulls the output all the way up to 12 V when the buffer outputs a "1", providing enough voltage to turn the power MOSFET all the way on and actuate the relay.

Pull-up resistor

用於TTL(ex:Counter74191)

接至CMOS(Analog

Multiplexer CD4051)所需電壓與提升電阻,並請注意其邏輯準位要求.

TTL (7406 Buffer with Open collector output)

to CMOS (CD4066) by Pull-up resistor

Pull-up resistor

用於TTL(ex:Counter74191)接至CMOS(Analog

Multiplexer CD4051)所需電壓與提升電阻,並請注意其邏輯準位要求.

使用數位電路驅動類比開關實現自動演奏範例:霹靂燈實作

Method? (可向助教登記領取7401x1, 4051x1)

74191(counter) -> 7401(OC NAND) -> 4051(8 Ch Analog Multiplexer)

Counter

74191 Decoder

DeMux

74151

No. 0 LED

No. 1 LED

No. 15 LED 74154

Control circuit

使用數位電路驅動類比開關實現自動演奏範例:學號產生器實作

7447Counter

74191F.G.

Your

Logic circuits

QDQCQBQA D C B A

Order?

Eg. 9313001 and 9313002 (可向助教登記領取7401x1, 4051x1)

9->3->1->3->0->0->1-> ->9->3->1->3->0->0->2-> ->重複第一個學號

Notices 74XX Logic IC

Vcc 和 GND 兩隻接腳，必須接上。

小心操作電壓，過高的電壓會使IC燒毀，過低的電壓會使IC工作不正常。

確實做好限流（≦0.2A）。

Output Pin不可短路接地，亦不可接 Vcc， 否則會燒燬。

Input Pin 如果不接（此狀況稱為浮接），可視為 HIGH ；然 而浮接端非常容易感應雜訊造成運算錯誤，最好視情況接 Vcc 或 GND。

IC pins 的輸入順序，LSB or MSB？

IC Datasheet 見網站參考文件。

Notices 74XX Logic IC

電源供應器的紅燈亮起

七段顯示器沒接電阻？

其他

數字不會跳動

Counter正常工作？

頻率太高？

Offset？

IC損壞

其他

IC邏輯錯誤

Vcc and GND腳位接對？

電壓達到工作電壓(5V)

IC損壞

其他

結果錯誤

先檢查以上錯誤

設計錯誤

其他

8051控制開關架構圖 (cont.)

2007/6/14 數位電子琴 49

頻率產生電路

S3 S2 S1 S0

16_1 Switch

89S51

後級電路

15

4 (P2[3:0])

頻率產生電路

控制電路

放大器電路

AT89S51

IC4066

自製 AT89S51 單晶片燒錄器

http://m955.com/wp/archives/142

新型的AT89S5X系列單晶

片，燒錄電壓只需要 +5V，而且可以採取並列或者是串列的方式燒錄，

因為使用者可以採用串列方式燒錄，因此無論是在實驗過程或是已經完成的產品，燒錄時都不需將IC拔起，

使用者只需預留4支接腳（SCK、MOSI、MISO、RST

）的接頭，就可以執行燒錄器記憶體的配置工作。這一種燒錄方式稱之為ISP（In

System Programming）

AT89S51 DataSheet

http://www.atmel.com/dyn/products/Product_card.asp?part_id=1917

ISP燒錄相關PIN腳 (cont.)

2007/6/14 數位電子琴 51

頻率產生電路

控制電路

放大器電路

雙音多頻式(DTMF)電話撥號

雙音多頻式電話，顧名思義是建基於雙音調、多頻率 (Dual Tone Multi-Frequency, DTMF)

的概念。

DTMF電話內有兩組用來產生不同頻率音調的正弦波振盪電路，所撥出的每個數字都由兩個音調組成，並以可聽得到的音調傳送到電話交換機

OP1

+

-

R1

Vo

R2

RCRC

正弦波形整形器

→把三角波整形為弦波，產生出來的音頻較三角波接近單一頻率。

+

-Vo

R1=4.7K

D2D1

Vin R2=10KR4=100K

R3=10K

V1

雙音多頻鍵盤

1 2 3 A 697 Hz

4 5 6 B 770 Hz

7 8 9 C 852 Hz

* 0 # D 941 Hz

1209 Hz 1336 Hz 1477 Hz 1633 Hz

DTMF電話二維陣列形式按鍵撥號盤

•按鍵是以四列三行的二維陣列形式排列，對於每一列或行，都有特定頻率的音調。行的音調頻率較高而列的音調頻率則較低。

•當某一按鍵被按下時，由兩個不同頻率所組成的雙音調訊號會產生，這兩個頻率一個屬於低頻率群組而另一個則屬於高頻率群組。就是這個原因，所以我們才稱這種技術為“雙音多頻”。

DTMF雙音多頻波形混合電路

混合雙音可使用non-inverting的op電路加法器，主要是可組合的高頻率群組與低頻率群組的雙音調。從示波器上我們可以觀察到當兩個單音同時按下時，產生的波形會是波形的疊合。

8PIN 3X4 數字鍵盤接線

由鍵盤的結構圖來看，直的三條線ABC與橫的四條線DEFG， 在按下任何一個鍵時，可將其中一條橫線與其中一條直線接通，同時也都會接到共通腳pin8-H

ABCDEFGH (Top View)

喇叭共鳴與成品外型

電子實驗專題-電子琴

Electric Piano (DEMO說明)

電子琴音基本功能與進階選擇

基本要求：

可發出中央C的 Do 頻率256 Hz到高八度的 Do 頻率512 Hz 共八個音，或者高八度、低八度等符合音律的八個音階皆可。

操作部分可使用簡易按鍵開關及類比電子開關利用輸出級到喇叭需清晰可辨識，且功率可衰減20dB。

進階選擇：

和弦的使用。

音色修整加強。

可使用光感電阻、數位IC等有幫助的元件。

自動伴奏或自動演奏兩小節。Hint: 可使用數位電路驅動類比電子開關。

自動演奏教學。Hint: 可使用數位電路及LED按節拍顯示音階。

模擬雙音多頻式(DTMF)電話撥號音調，相關資料參見附錄。

外型美觀。

自行發揮。

第1週:基本功能DEMO說明

Demo1 可發出中央C的 Do 頻率256 Hz到高八度的 Do 頻率512 Hz 共八個音，或者高八度、低八度等符合音律的八個音階皆可。

Demo2 利用類比開關CD4066切換震盪電路，發出八個音，並輸出級到喇叭需清晰可辨識，且功率可衰減20dB。 。

方波週期(T)

＝充電時間＋放電時間

＝0.693(R1＋2R2)C

輸出頻率(f)＝

1 2

1 1.44

( 2 )T R R C

555 Building Block

555

Timer

1

2

3

4 5

6

7

8 Ground

Trigger

Output

Reset

VCC

Discharge

Threshold

Control Voltage

Q

Q

R

R

R 100

S

R Ck

Threshold(6)

Control

Voltage(5)

Trigger(2)

Discharge(7)

Ground(1)

Output(3)

Reset(4) VCC(8)

Q14

Pin6 = 2/3 Vcc

Pin2 = 1/3 Vcc

S R Q(t+1) Operation

0 0 Q(t) No change

0 1 0 Reset

1 0 1 Set

1 1 ? Undefined

GND

1/3Vcc

2/3Vcc

Vcc

V2

=V6

V3

T1 T2

特別注意

當Q14飽和時，第7腳的電位近乎為零，此時有兩股電流被吸入，一股來自VCC，經由R1，一股來自電容，經由R2。此時，為了避免Q14因電流過大而燒燬，R1和R2的數值均應有所限制，它們的最小值為：

R1 ，R2不得低於100Ω

此外，當Q14截止時，它的電流（雖小）限制著R1和R2的最大值。這是因為如果電流太小，電容將無法被充電至2/3VCC，如此一來，振盪便會中止。所以，一般而言，R1加R2之和的最大值在數MΩ左右。實際操作時，有些同學可能用可變電阻代替R1、R2，那麼務必請串聯上一固定電阻，以防不慎事件發生。

第5、8腳與地之間接電容(503) ，這是穩定電位用的。由於555內部正反器在轉態時會使消耗電流瞬間增大或減小，這種現象極易使VCC電壓不穩，進而影響內部據以比較的1/3VCC、2/3VCC位準。在5、8腳與地之間並聯電容可以改善這種現象。在接下來的實作中，不管電路圖上是否標明，只要用到555之處，都必須加上這兩個電容，否則實驗結果會和理論值出入極大。

輸出端與VCC之間接有一個電阻（以虛線示出），這個電阻的作用在於， 可使輸出的高電位提升到VCC。在實作中，這個電阻可加可不加，若不加則高電位約比VCC低0.5V。

第4腳取名重置（Reset），若將之接地，則Q14恆為飽和且輸出恆為低電位。同學們在這裡會發現一個矛盾：「Q14飽和時C會放電，使第2腳低於1/3VCC，此時，輸出不是高電位嗎？」這個問題的正確答案為：「重置」勝過其它接腳的功用。由此可以推論：第4腳不用時應該接到VCC，不應該讓它浮接，以防雜訊由此導入來影響其它接腳。

R1

R2

C

6 5

2

7

1

3 4 8

VCC

Demo1 參考下圖利用開關切換完成中央C所在8音階

R1 << R21~R28

~50% duty cycle

使用8pin開關切換8段振盪迴路,並將CH1接於PIN2, CH2接於PIN3後的8ohm喇叭,觀察波形

及FFT頻譜

Demo1 中央C所在8音階

頻率(Hz) 週期(s) 音名

261.6 0.003823 C

293.7 0.003405 D

329.6 0.003034 E

349.2 0.002864 F

392 0.002551 G

440 0.002273 A

493.9 0.002025 B

523.2 0.001911 C

CMOS Transmission Gate

(Analog Switches)

HD74HC4066

Quad Analog Switches/Quad Multiplexers

CD4066工作條件與電壓準位

0V

6V 6V

Demo2 參考下圖利用切換類比開關CD4066完成中央C所在8音階

R1 << R21~R28

~50% duty cycle

使用兩個CD4066代替原本8pin開關,以切換8段振盪迴路,並將CH1接於PIN2, CH2再接PIN3附加輸出級後的8ohm喇叭上, 以觀察波形及FFT頻譜,CD4066 Control端則使用8pin開關配合pull down Resistor.

•The exact date depend on each class of the week

•1st Week (3/22) ：

Design the circuit according to the assigning materials (LM555)

Demonstrate basic function of project by demoform

•2nd Week ( 3/29) ：

Hand in the Project Report (upload electronics file only)

Demonstrate Advance and complete function by demoform.

Hand in the Project Demoform

from this 2nd Week, Laboratory opening period : 1200~2200

•3rd Week ( 4/5) ：

Spring vacation, Class suspended

•4th Week ( 4/12) ：

More Application Demonstrate (if possible)

Schedule of Midterm Project

Project Function Requirement

Basic Requirement Either the electric piano can produce from the Do of middle C to its octave Do which

is about 256Hz to 512Hz, respectively or produce eight continuous musical scales that can be across higher octave and lower octave.

The button switches, analog electric switches can be used in this experiment to design your control circuit.

When using the output stage amplifier to amplify the signal to horn, the sound should be identified clearly and the output power can be attenuated by 20dB.

Advance Selection Chord Construction.

Tone quality enhancement.

Photo resistors, and digital ICs can be used in this experiment to design your control circuit.

Auto accompaniment or auto-play two sections. Hint: Using digital circuit to drive analog electric switch.

Auto-play instruction. Hint: Using digital circuit and LED to show the scale by the rhythm.

Creative and industrial design.

To imitate the dialing tone of the DTMF phone. The related information can be referred from the following advance function. (8 pieces of digit keyboard to be borrowed in each class)

Material Available

LM555 Timer x2 - Delivering in basic demo day

OP741 Operational Amplifier

CD4066 Analog Switch x2.

CD4051 Analog Multiplexer x2 (for auto play)

Digital IC or AT89S51 (for auto play)

7407 / Open Collector Buffer (for TTL to CMOS)

7401 Open Collector NAND (as Inverter for TTL to CMOS)

7373 J-K Flip Flop / 74191 Counter

Variable Resistor / Capacitor

TIP41/TIP42

Switch / Speaker

8 pin 3x4 Digit Keyboard – 8 pieces to be borrowed in each class for DTMF

歡迎使用數位電路驅動類比開關實現自動演奏範例:霹靂燈實作

Method? (可向助教登記領取7401x1, 4051x1)

74191(counter) -> 7401(OC NAND)x1 -> 4051(8 Ch Analog Multiplexer)x2

Counter

74191 Decoder

DeMux

74151

No. 0 LED

No. 1 LED

No. 15 LED 74154

Control circuit

期中專題報告內容與評分重點：

期中專題報告至少包括：專題介紹、電路設計原理、規格與功能、專題照片紀錄、問題討論、製作心得等項目。

評分重點：設計方法是否具創意，電路原理與實作描述是否詳盡，製作過程發現哪些問題、如何解決或解釋，以及獲得哪些心得。

基本功能：可實現至少8個音階的利用類比電子開關選擇電子琴音透過輸出級到喇叭。

進階功能：可選擇加入和弦等加強音色功能,或利用類比電子開關、光感電阻、數位IC的操作應用等。

期中專題報告內容與評分重點