使用555定时器来制作一些乐器

描述

今天，我们将使用 555 个计时器来制作一些乐器！我们将建造一个特雷门琴、管风琴和一个 Atari Punk 控制台。我在课堂上使用这项活动来庆祝从分立元件到集成电路的毕业。在涵盖了电阻电容 (RC) 电路和半导体的基础知识之后，这项活动为课程的其余部分提供了很好的帮助。我从未见过学生如此疯狂地求解代数方程来计算完美的电容值，从而在演出前将他们的仪器调到正确的频率。这项活动很有趣，并教授电路设计的许多方面。它还教会了我在产生噪音的电路中添加音量旋钮的重要性。在一个满是十几个尖叫的特雷门的房间里，你很快就会知道这一点！

这个项目需要一点硬件知识、一些 RC 电路知识和一些面包板知识。如果你不熟悉 555 定时器，那也没关系！我将在第一部分教你所有你需要知道的关于 555 定时器的知识。

特别感谢 Forest Mims，他撰写了一些关于电子产品的最佳和最容易获得的介绍性书籍。他的“Toy Organ”和“Stepped Tone Generator”是Organ 和Atari Punk 控制台的基础。如果您有兴趣了解更多有关电子学的知识，他的书“电子学入门”是一个很好的起点。它写得非常好，并带有 100 种不同的电路供您构建！

补给品：

特雷敏

• 1 个 555 定时器
• 2x 光敏电阻
• 1x 10 kOhm 电阻器
• 1x 1 兆欧电阻
• 1x 1 kOhm 电位器
• 2x 0.1 uF 电解电容
• 1x 100 uF 电解电容器
• 8 欧姆扬声器（1-2 瓦）或无源/压电蜂鸣器
• 半尺寸面包板
• 一些跳线
• 9V电池
• 9V电池夹

器官

• 1 个 555 定时器
• 1x 10 kOhm 电阻器
• 1x 100 kOhm 电位器
• 1x 1 kOhm 电位器
• 1x 0.1 uF 电解电容
• 1x 100 uF 电解电容器
• 各种各样的陶瓷电容器，从 1 nF 到 22 uF
• 8 个（或更多！）触觉/瞬时按钮
• 8 欧姆扬声器（1-2 瓦）或无源/压电蜂鸣器
• 全尺寸面包板
• 一些跳线
• 9V电池
• 9V电池夹

雅达利朋克控制台

• 2x 555 定时器
• 1x 1 kOhm 电阻器
• 2x 470 kOhm 电阻器
• 1x 1 kOhm 电阻器
• 3x 0.1 uF 电解电容
• 1x 1 uF 电解电容
• 1x 100 uF 电解电容器
• 8 欧姆扬声器（1-2 瓦）或无源/压电蜂鸣器
• 半尺寸面包板
• 一些跳线
• 9V电池
• 9V电池夹

第 1 步：555 计时器如何工作

 

 

 

 

 

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555 定时器是用于产生方波的集成电路 (IC) 芯片。它可用于定时器/触发器应用或用作振荡器。在这种情况下，我们使用它来生成各种频率的方波，以创建乐器的不同音符。通过改变我们输入 555 定时器的 RC 电路，我们可以改变输出方波的频率来播放不同的音符。所有仪器电路基本相同。他们只是使用不同的方法来改变我们作为输入提供的 RC 电路。在这些电路中，我们将在非稳态和单稳态配置中使用 555 定时器（稍后会详细介绍）。

在我们深入了解 555 计时器之前，我们需要了解一些基本构建块。第一个是红色块和黄色块中显示的比较器。比较器有两个输入和一个输出。当 V+ 输入大于 V- 输入（用气泡表示）时，它会将输出驱动为高电平。当 V+ 输入小于 V- 输入时，它将输出驱动为低电平。555 定时器电路内部有两个比较器。这些比较器用于根据阈值和触发值打开或关闭 555 定时器的输出。

我们需要了解的第二个电路组件是紫色显示的 SR（设置复位）触发器。SR触发器的实现逻辑真值表如上表所示。SR 触发器根据比较器的状态设置输出状态。阈值比较器连接到触发器的复位引脚，触发比较器连接到触发器的设置引脚。

粉红色显示的推挽输出驱动器用于为输出提供电流。蓝色显示的晶体管用于将放电引脚接地，通常用于对外部电容器放电。以绿色显示的 3 个电阻值相等。它们将电源电压 VCC 分成其值的 2/3 和 1/3。这些值用作比较器的参考电压。

虽然乍一看很复杂，但 555 定时器本质上只是对外部电容器进行充电和放电，并根据电容器的状态切换输出。开始时，外部电容放电意味着触发电压小于 1/3 Vcc。这将打开触发/设置比较器，将输出驱动为高电平。外部电容器继续充电，直到超过 2/3 Vcc。此时，阈值/复位比较器打开，将输出驱动为低电平。放电晶体管将外部电容器接地，使其放电。一旦外部电容器降至 1/3 Vcc 以下，整个过程就会一遍又一遍地重复，从而产生我们永无止境的方波。

如果它仍然没有点击，您可以查看 Paul Falstad 提供的这些模拟。我是一个相当直观的学习者，所以看到电路模拟真的可以帮助我理解电路中发生了什么。

我们将主要在非稳定模式下使用 555 定时器。这意味着该电路由 RC 电路供电，并且可以自由运行以生成输出方波。Atari Punk 控制台在非稳态模式下使用第一个 555 计时器，在单稳态模式下使用第二个 555 计时器。单稳态模式意味着它由外部源馈电并输出单次脉冲。在 Atari Punk 控制台中，我们使用非稳态 555 计时器向单稳态 555 计时器提供信号。

第 2 步：特雷门

 

 

 

 

 

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现在是时候制作你的特雷门了！不像典型的特雷门那样使用接近度，这种特雷门使用光强度来确定音符的频率。该电阻器在 RC 电路中有两个光敏电阻器为 555 定时器电路供电，以影响电容器的充电/放电速率。光敏电阻的电阻随着光强度的降低而降低，这意味着电容器将需要更长的时间来充电和放电。因此，通过减少到达光敏电阻的光量，可以降低播放频率。要增加频率，请增加光强度。

要构建您的特雷门，首先将 555 计时器芯片放在面包板上。您可以按照自己的方式构建电路。我通常首先按顺序放置组件，从 IC 芯片的引脚 1 开始，一直移动到引脚 8。确保在光敏电阻之间放置一定距离，以便您可以分别控制到达每个光敏电阻的光量. 请注意电容器和扬声器的极性。R5 是用于音量控制的电位器。

一旦你建立了电路，再次从引脚 1 到引脚 8 绕过 IC，以再次检查一切是否正确连接。要确认没有短路，您可以在 555 计时器的引脚 1 和引脚 8 之间连接万用表。您应该在这两点之间看到相当多的阻力。一旦你确定一切都正确连接，你可以连接 9V 电池。你的特雷门应该开始发出声音了！如果您没有听到任何声音或声音微弱，请调整 R5 以根据您的喜好微调音量。

由于环境光强度会根据您演奏特雷门琴的位置而有很大差异，因此您可能需要更换 C3。如果您的Theremin的频率范围太高，请尝试将C3切换为电容值稍大的电容器。如果频率太低，请尝试使用稍低值的电容器。

第 3 步：器官

 

 

 

 

 

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现在是时候制作你的风琴了！该风琴在非稳态模式下使用 555 定时器电路。触觉开关用于切换不同的电容器以确定播放音调的频率。您可以根据需要并联添加任意数量的不同开关和电容器。您也可以通过同时按下两个按钮或键将它们组合在一起（并联组合电容器会产生等于两个电容之和的等效电容值，这将产生频率低于两个开关中的任何一个的声音他们自己）。

要计算每个键的特定音调，您可以使用以下等式。R1 将成为基于雨刷位置的电位器的值，R2 为 10kOhm。C 是您要接入的电容器的值。f 是以赫兹为单位的结果频率。0.693 是 2 的自然对数。

f = 1 / (0.693×C×(R1 + 2×R2))

作为起点，上面是一些常见电容值及其相应计算频率的表格，假设 R1 为 100 kOhm。请记住，如果您没有所需的确切电容值，则可以使用以下等式组合电容器。

对于串联电容器：1/C_equivalent = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

对于并联电容器：C_equivalent = C1 + C2 + C3

为了更容易地弄清楚如何组合已经必须创建特定电容值的电容器，请查看本教程并尝试我的Stocked Resistor/Capacitor Equivalence Calculator 。

以与构建特雷门相同的方式构建您的管风琴。首先将 555 定时器芯片放在面包板上。请记住，您需要为按钮节省大量空间。开始放置其余组件，从连接到 IC 引脚 1 的部件开始，一直移动到引脚 8。在连接其他所有部件后，我放置了按钮及其相应的电容器。

请注意电容器和扬声器的极性。和以前一样，仔细检查电路并确认没有短路。一旦你确定一切都正确连接，你可以连接 9V 电池。按下琴键，您的风琴应该开始演奏了！如果您没有听到任何声音或声音微弱，请调整 R3 以根据您的喜好微调音量。

第 4 步：雅达利朋克控制台

 

 

 

 

 

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现在是时候制作您的 Atari Punk 控制台了！Atari Punk 控制台 (APC) 本质上是一个非稳态 555 定时器电路，它产生一个方波来驱动一个产生单个方脉冲的单稳态 555 定时器电路。有两个用于控制的电位器：一个用于振荡器的频率 (R2)，另一个用于脉冲宽度 (R3)。APC 被认为是最具标志性的简单 DIY 合成器之一。

以与构建其他乐器相同的方式构建 Atari Punk 控制台。我将首先为第一个 555 计时器 (U1) 构建电路，然后再转到第二个 555 计时器 (U2)。开始放置其余组件，从连接到 IC 引脚 1 的部件开始，一直移动到引脚 8。完成 U1 周围的电路后，将 U2 添加到板上并构建 U2 周围的电路。

和以前一样，请注意电容器和扬声器的极性。仔细检查电路并确认没有短路。一旦你确定一切都正确连接，你可以连接 9V 电池。您的 APC 应该开始播放了！开始转动频率和脉冲宽度旋钮并播放您自己的合成器。如果您没有听到任何声音或声音微弱，请调整 R4 以根据您的喜好微调音量。

第5步：战斗！混音！

现在您已经拥有了所有三种乐器，并且可以组建您的乐队了！在我的课堂上，我花了大约一天半的时间来完成 555 计时器、搭建电路、组装乐队、想出名称和徽标、写歌和准备表演。最终的结果很有趣。有的乐队拥有完美调音的乐器，他们演奏了近乎完美的“Lavender Town”，而其他乐队则更多地采用了自由爵士乐和即兴的方式。总而言之，对于任何级别的任何人来说，这些都是非常有趣的电路。

您还可以尝试更多地重新混合这些电路！尝试将 APC 中的电位器换成光敏电阻。尝试将风琴或特雷门与 APC 的第二阶段结合起来。尝试使用热敏电阻或压敏电阻代替光敏电阻。尝试使用固定电阻和可变电容，而不是固定电容和可变电阻。您可以使用这些工具有很多不同的方向。玩得开心！