使用555定時(shí)器來制作一些樂器

描述

今天，我們將使用 555 個(gè)計(jì)時(shí)器來制作一些樂器！我們將建造一個(gè)特雷門琴、管風(fēng)琴和一個(gè) Atari Punk 控制臺(tái)。我在課堂上使用這項(xiàng)活動(dòng)來慶祝從分立元件到集成電路的畢業(yè)。在涵蓋了電阻電容 (RC) 電路和半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)之后，這項(xiàng)活動(dòng)為課程的其余部分提供了很好的幫助。我從未見過學(xué)生如此瘋狂地求解代數(shù)方程來計(jì)算完美的電容值，從而在演出前將他們的儀器調(diào)到正確的頻率。這項(xiàng)活動(dòng)很有趣，并教授電路設(shè)計(jì)的許多方面。它還教會(huì)了我在產(chǎn)生噪音的電路中添加音量旋鈕的重要性。在一個(gè)滿是十幾個(gè)尖叫的特雷門的房間里，你很快就會(huì)知道這一點(diǎn)！

這個(gè)項(xiàng)目需要一點(diǎn)硬件知識(shí)、一些 RC 電路知識(shí)和一些面包板知識(shí)。如果你不熟悉 555 定時(shí)器，那也沒關(guān)系！我將在第一部分教你所有你需要知道的關(guān)于 555 定時(shí)器的知識(shí)。

特別感謝 Forest Mims，他撰寫了一些關(guān)于電子產(chǎn)品的最佳和最容易獲得的介紹性書籍。他的“Toy Organ”和“Stepped Tone Generator”是Organ 和Atari Punk 控制臺(tái)的基礎(chǔ)。如果您有興趣了解更多有關(guān)電子學(xué)的知識(shí)，他的書“電子學(xué)入門”是一個(gè)很好的起點(diǎn)。它寫得非常好，并帶有 100 種不同的電路供您構(gòu)建！

補(bǔ)給品：

特雷敏

• 1 個(gè) 555 定時(shí)器
• 2x 光敏電阻
• 1x 10 kOhm 電阻器
• 1x 1 兆歐電阻
• 1x 1 kOhm 電位器
• 2x 0.1 uF 電解電容
• 1x 100 uF 電解電容器
• 8 歐姆揚(yáng)聲器（1-2 瓦）或無源/壓電蜂鳴器
• 半尺寸面包板
• 一些跳線
• 9V電池
• 9V電池夾

器官

• 1 個(gè) 555 定時(shí)器
• 1x 10 kOhm 電阻器
• 1x 100 kOhm 電位器
• 1x 1 kOhm 電位器
• 1x 0.1 uF 電解電容
• 1x 100 uF 電解電容器
• 各種各樣的陶瓷電容器，從 1 nF 到 22 uF
• 8 個(gè)（或更多！）觸覺/瞬時(shí)按鈕
• 8 歐姆揚(yáng)聲器（1-2 瓦）或無源/壓電蜂鳴器
• 全尺寸面包板
• 一些跳線
• 9V電池
• 9V電池夾

雅達(dá)利朋克控制臺(tái)

• 2x 555 定時(shí)器
• 1x 1 kOhm 電阻器
• 2x 470 kOhm 電阻器
• 1x 1 kOhm 電阻器
• 3x 0.1 uF 電解電容
• 1x 1 uF 電解電容
• 1x 100 uF 電解電容器
• 8 歐姆揚(yáng)聲器（1-2 瓦）或無源/壓電蜂鳴器
• 半尺寸面包板
• 一些跳線
• 9V電池
• 9V電池夾

第 1 步：555 計(jì)時(shí)器如何工作

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555 定時(shí)器是用于產(chǎn)生方波的集成電路 (IC) 芯片。它可用于定時(shí)器/觸發(fā)器應(yīng)用或用作振蕩器。在這種情況下，我們使用它來生成各種頻率的方波，以創(chuàng)建樂器的不同音符。通過改變我們輸入 555 定時(shí)器的 RC 電路，我們可以改變輸出方波的頻率來播放不同的音符。所有儀器電路基本相同。他們只是使用不同的方法來改變我們作為輸入提供的 RC 電路。在這些電路中，我們將在非穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)配置中使用 555 定時(shí)器（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。

在我們深入了解 555 計(jì)時(shí)器之前，我們需要了解一些基本構(gòu)建塊。第一個(gè)是紅色塊和黃色塊中顯示的比較器。比較器有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。當(dāng) V+ 輸入大于 V- 輸入（用氣泡表示）時(shí)，它會(huì)將輸出驅(qū)動(dòng)為高電平。當(dāng) V+ 輸入小于 V- 輸入時(shí)，它將輸出驅(qū)動(dòng)為低電平。555 定時(shí)器電路內(nèi)部有兩個(gè)比較器。這些比較器用于根據(jù)閾值和觸發(fā)值打開或關(guān)閉 555 定時(shí)器的輸出。

我們需要了解的第二個(gè)電路組件是紫色顯示的 SR（設(shè)置復(fù)位）觸發(fā)器。SR觸發(fā)器的實(shí)現(xiàn)邏輯真值表如上表所示。SR 觸發(fā)器根據(jù)比較器的狀態(tài)設(shè)置輸出狀態(tài)。閾值比較器連接到觸發(fā)器的復(fù)位引腳，觸發(fā)比較器連接到觸發(fā)器的設(shè)置引腳。

粉紅色顯示的推挽輸出驅(qū)動(dòng)器用于為輸出提供電流。藍(lán)色顯示的晶體管用于將放電引腳接地，通常用于對(duì)外部電容器放電。以綠色顯示的 3 個(gè)電阻值相等。它們將電源電壓 VCC 分成其值的 2/3 和 1/3。這些值用作比較器的參考電壓。

雖然乍一看很復(fù)雜，但 555 定時(shí)器本質(zhì)上只是對(duì)外部電容器進(jìn)行充電和放電，并根據(jù)電容器的狀態(tài)切換輸出。開始時(shí)，外部電容放電意味著觸發(fā)電壓小于 1/3 Vcc。這將打開觸發(fā)/設(shè)置比較器，將輸出驅(qū)動(dòng)為高電平。外部電容器繼續(xù)充電，直到超過 2/3 Vcc。此時(shí)，閾值/復(fù)位比較器打開，將輸出驅(qū)動(dòng)為低電平。放電晶體管將外部電容器接地，使其放電。一旦外部電容器降至 1/3 Vcc 以下，整個(gè)過程就會(huì)一遍又一遍地重復(fù)，從而產(chǎn)生我們永無止境的方波。

如果它仍然沒有點(diǎn)擊，您可以查看 Paul Falstad 提供的這些模擬。我是一個(gè)相當(dāng)直觀的學(xué)習(xí)者，所以看到電路模擬真的可以幫助我理解電路中發(fā)生了什么。

我們將主要在非穩(wěn)定模式下使用 555 定時(shí)器。這意味著該電路由 RC 電路供電，并且可以自由運(yùn)行以生成輸出方波。Atari Punk 控制臺(tái)在非穩(wěn)態(tài)模式下使用第一個(gè) 555 計(jì)時(shí)器，在單穩(wěn)態(tài)模式下使用第二個(gè) 555 計(jì)時(shí)器。單穩(wěn)態(tài)模式意味著它由外部源饋電并輸出單次脈沖。在 Atari Punk 控制臺(tái)中，我們使用非穩(wěn)態(tài) 555 計(jì)時(shí)器向單穩(wěn)態(tài) 555 計(jì)時(shí)器提供信號(hào)。

第 2 步：特雷門

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現(xiàn)在是時(shí)候制作你的特雷門了！不像典型的特雷門那樣使用接近度，這種特雷門使用光強(qiáng)度來確定音符的頻率。該電阻器在 RC 電路中有兩個(gè)光敏電阻器為 555 定時(shí)器電路供電，以影響電容器的充電/放電速率。光敏電阻的電阻隨著光強(qiáng)度的降低而降低，這意味著電容器將需要更長的時(shí)間來充電和放電。因此，通過減少到達(dá)光敏電阻的光量，可以降低播放頻率。要增加頻率，請(qǐng)?jiān)黾庸鈴?qiáng)度。

要構(gòu)建您的特雷門，首先將 555 計(jì)時(shí)器芯片放在面包板上。您可以按照自己的方式構(gòu)建電路。我通常首先按順序放置組件，從 IC 芯片的引腳 1 開始，一直移動(dòng)到引腳 8。確保在光敏電阻之間放置一定距離，以便您可以分別控制到達(dá)每個(gè)光敏電阻的光量. 請(qǐng)注意電容器和揚(yáng)聲器的極性。R5 是用于音量控制的電位器。

一旦你建立了電路，再次從引腳 1 到引腳 8 繞過 IC，以再次檢查一切是否正確連接。要確認(rèn)沒有短路，您可以在 555 計(jì)時(shí)器的引腳 1 和引腳 8 之間連接萬用表。您應(yīng)該在這兩點(diǎn)之間看到相當(dāng)多的阻力。一旦你確定一切都正確連接，你可以連接 9V 電池。你的特雷門應(yīng)該開始發(fā)出聲音了！如果您沒有聽到任何聲音或聲音微弱，請(qǐng)調(diào)整 R5 以根據(jù)您的喜好微調(diào)音量。

由于環(huán)境光強(qiáng)度會(huì)根據(jù)您演奏特雷門琴的位置而有很大差異，因此您可能需要更換 C3。如果您的Theremin的頻率范圍太高，請(qǐng)嘗試將C3切換為電容值稍大的電容器。如果頻率太低，請(qǐng)嘗試使用稍低值的電容器。

第 3 步：器官

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現(xiàn)在是時(shí)候制作你的風(fēng)琴了！該風(fēng)琴在非穩(wěn)態(tài)模式下使用 555 定時(shí)器電路。觸覺開關(guān)用于切換不同的電容器以確定播放音調(diào)的頻率。您可以根據(jù)需要并聯(lián)添加任意數(shù)量的不同開關(guān)和電容器。您也可以通過同時(shí)按下兩個(gè)按鈕或鍵將它們組合在一起（并聯(lián)組合電容器會(huì)產(chǎn)生等于兩個(gè)電容之和的等效電容值，這將產(chǎn)生頻率低于兩個(gè)開關(guān)中的任何一個(gè)的聲音他們自己）。

要計(jì)算每個(gè)鍵的特定音調(diào)，您可以使用以下等式。R1 將成為基于雨刷位置的電位器的值，R2 為 10kOhm。C 是您要接入的電容器的值。f 是以赫茲為單位的結(jié)果頻率。0.693 是 2 的自然對(duì)數(shù)。

f = 1 / (0.693×C×(R1 + 2×R2))

作為起點(diǎn)，上面是一些常見電容值及其相應(yīng)計(jì)算頻率的表格，假設(shè) R1 為 100 kOhm。請(qǐng)記住，如果您沒有所需的確切電容值，則可以使用以下等式組合電容器。

對(duì)于串聯(lián)電容器：1/C_equivalent = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

對(duì)于并聯(lián)電容器：C_equivalent = C1 + C2 + C3

為了更容易地弄清楚如何組合已經(jīng)必須創(chuàng)建特定電容值的電容器，請(qǐng)查看本教程并嘗試我的Stocked Resistor/Capacitor Equivalence Calculator 。

以與構(gòu)建特雷門相同的方式構(gòu)建您的管風(fēng)琴。首先將 555 定時(shí)器芯片放在面包板上。請(qǐng)記住，您需要為按鈕節(jié)省大量空間。開始放置其余組件，從連接到 IC 引腳 1 的部件開始，一直移動(dòng)到引腳 8。在連接其他所有部件后，我放置了按鈕及其相應(yīng)的電容器。

請(qǐng)注意電容器和揚(yáng)聲器的極性。和以前一樣，仔細(xì)檢查電路并確認(rèn)沒有短路。一旦你確定一切都正確連接，你可以連接 9V 電池。按下琴鍵，您的風(fēng)琴應(yīng)該開始演奏了！如果您沒有聽到任何聲音或聲音微弱，請(qǐng)調(diào)整 R3 以根據(jù)您的喜好微調(diào)音量。

第 4 步：雅達(dá)利朋克控制臺(tái)

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現(xiàn)在是時(shí)候制作您的 Atari Punk 控制臺(tái)了！Atari Punk 控制臺(tái) (APC) 本質(zhì)上是一個(gè)非穩(wěn)態(tài) 555 定時(shí)器電路，它產(chǎn)生一個(gè)方波來驅(qū)動(dòng)一個(gè)產(chǎn)生單個(gè)方脈沖的單穩(wěn)態(tài) 555 定時(shí)器電路。有兩個(gè)用于控制的電位器：一個(gè)用于振蕩器的頻率 (R2)，另一個(gè)用于脈沖寬度 (R3)。APC 被認(rèn)為是最具標(biāo)志性的簡(jiǎn)單 DIY 合成器之一。

以與構(gòu)建其他樂器相同的方式構(gòu)建 Atari Punk 控制臺(tái)。我將首先為第一個(gè) 555 計(jì)時(shí)器 (U1) 構(gòu)建電路，然后再轉(zhuǎn)到第二個(gè) 555 計(jì)時(shí)器 (U2)。開始放置其余組件，從連接到 IC 引腳 1 的部件開始，一直移動(dòng)到引腳 8。完成 U1 周圍的電路后，將 U2 添加到板上并構(gòu)建 U2 周圍的電路。

和以前一樣，請(qǐng)注意電容器和揚(yáng)聲器的極性。仔細(xì)檢查電路并確認(rèn)沒有短路。一旦你確定一切都正確連接，你可以連接 9V 電池。您的 APC 應(yīng)該開始播放了！開始轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和脈沖寬度旋鈕并播放您自己的合成器。如果您沒有聽到任何聲音或聲音微弱，請(qǐng)調(diào)整 R4 以根據(jù)您的喜好微調(diào)音量。

第5步：戰(zhàn)斗！混音！

現(xiàn)在您已經(jīng)擁有了所有三種樂器，并且可以組建您的樂隊(duì)了！在我的課堂上，我花了大約一天半的時(shí)間來完成 555 計(jì)時(shí)器、搭建電路、組裝樂隊(duì)、想出名稱和徽標(biāo)、寫歌和準(zhǔn)備表演。最終的結(jié)果很有趣。有的樂隊(duì)擁有完美調(diào)音的樂器，他們演奏了近乎完美的“Lavender Town”，而其他樂隊(duì)則更多地采用了自由爵士樂和即興的方式。總而言之，對(duì)于任何級(jí)別的任何人來說，這些都是非常有趣的電路。

您還可以嘗試更多地重新混合這些電路！嘗試將 APC 中的電位器換成光敏電阻。嘗試將風(fēng)琴或特雷門與 APC 的第二階段結(jié)合起來。嘗試使用熱敏電阻或壓敏電阻代替光敏電阻。嘗試使用固定電阻和可變電容，而不是固定電容和可變電阻。您可以使用這些工具有很多不同的方向。玩得開心！

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