描述

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

這個項目需要一點硬件知識、一些 RC 電路知識和一些面包板知識。如果你不熟悉 555 定時器，那也沒關系！我將在第一部分教你所有你需要知道的關于 555 定時器的知識。

特別感謝 Forest Mims，他撰寫了一些關于電子產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 控制臺的基礎。如果您有興趣了解更多有關電子學的知識，他的書“電子學入門”是一個很好的起點。它寫得非常好，并帶有 100 種不同的電路供您構建！

補給品：

特雷敏

• 1 個 555 定時器
• 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 555 定時器
• 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（或更多！）觸覺/瞬時按鈕
• 8 歐姆揚聲器（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

雅達利朋克控制臺

• 2x 555 定時器
• 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 計時器如何工作

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555 定時器是用于產生方波的集成電路 (IC) 芯片。它可用于定時器/觸發器應用或用作振蕩器。在這種情況下，我們使用它來生成各種頻率的方波，以創建樂器的不同音符。通過改變我們輸入 555 定時器的 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，我們將在非穩態和單穩態配置中使用 555 定時器（稍后會詳細介紹）。

在我們深入了解 555 計時器之前，我們需要了解一些基本構建塊。第一個是紅色塊和黃色塊中顯示的比較器。比較器有兩個輸入和一個輸出。當 V+ 輸入大于 V- 輸入（用氣泡表示）時，它會將輸出驅動為高電平。當 V+ 輸入小于 V- 輸入時，它將輸出驅動為低電平。555 定時器電路內部有兩個比較器。這些比較器用于根據閾值和觸發值打開或關閉 555 定時器的輸出。

我們需要了解的第二個電路組件是紫色顯示的 SR（設置復位）觸發器。SR觸發器的實現邏輯真值表如上表所示。SR 觸發器根據比較器的狀態設置輸出狀態。閾值比較器連接到觸發器的復位引腳，觸發比較器連接到觸發器的設置引腳。

粉紅色顯示的推挽輸出驅動器用于為輸出提供電流。藍色顯示的晶體管用于將放電引腳接地，通常用于對外部電容器放電。以綠色顯示的 3 個電阻值相等。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。

雖然乍一看很復雜，但 555 定時器本質上只是對外部電容器進行充電和放電，并根據電容器的狀態切換輸出。開始時，外部電容放電意味著觸發電壓小于 1/3 Vcc。這將打開觸發/設置比較器，將輸出驅動為高電平。外部電容器繼續充電，直到超過 2/3 Vcc。此時，閾值/復位比較器打開，將輸出驅動為低電平。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，整個過程就會一遍又一遍地重復，從而產生我們永無止境的方波。

如果它仍然沒有點擊，您可以查看 Paul Falstad 提供的這些模擬。我是一個相當直觀的學習者，所以看到電路模擬真的可以幫助我理解電路中發生了什么。

我們將主要在非穩定模式下使用 555 定時器。這意味著該電路由 RC 電路供電，并且可以自由運行以生成輸出方波。Atari Punk 控制臺在非穩態模式下使用第一個 555 計時器，在單穩態模式下使用第二個 555 計時器。單穩態模式意味著它由外部源饋電并輸出單次脈沖。在 Atari Punk 控制臺中，我們使用非穩態 555 計時器向單穩態 555 計時器提供信號。

第 2 步：特雷門

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現在是時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度來確定音符的頻率。該電阻器在 RC 電路中有兩個光敏電阻器為 555 定時器電路供電，以影響電容器的充電/放電速率。光敏電阻的電阻隨著光強度的降低而降低，這意味著電容器將需要更長的時間來充電和放電。因此，通過減少到達光敏電阻的光量，可以降低播放頻率。要增加頻率，請增加光強度。

要構建您的特雷門，首先將 555 計時器芯片放在面包板上。您可以按照自己的方式構建電路。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每個光敏電阻的光量. 請注意電容器和揚聲器的極性。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。要確認沒有短路，您可以在 555 計時器的引腳 1 和引腳 8 之間連接萬用表。您應該在這兩點之間看到相當多的阻力。一旦你確定一切都正確連接，你可以連接 9V 電池。你的特雷門應該開始發出聲音了！如果您沒有聽到任何聲音或聲音微弱，請調整 R5 以根據您的喜好微調音量。

由于環境光強度會根據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，請嘗試將C3切換為電容值稍大的電容器。如果頻率太低，請嘗試使用稍低值的電容器。

第 3 步：器官

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現在是時候制作你的風琴了！該風琴在非穩態模式下使用 555 定時器電路。觸覺開關用于切換不同的電容器以確定播放音調的頻率。您可以根據需要并聯添加任意數量的不同開關和電容器。您也可以通過同時按下兩個按鈕或鍵將它們組合在一起（并聯組合電容器會產生等于兩個電容之和的等效電容值，這將產生頻率低于兩個開關中的任何一個的聲音他們自己）。

要計算每個鍵的特定音調，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果頻率。0.693 是 2 的自然對數。

f = 1 / (0.693×C×(R1 + 2×R2))

作為起點，上面是一些常見電容值及其相應計算頻率的表格，假設 R1 為 100 kOhm。請記住，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。

對于串聯電容器：1/C_equivalent = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

對于并聯電容器：C_equivalent = C1 + C2 + C3

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

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

請注意電容器和揚聲器的極性。和以前一樣，仔細檢查電路并確認沒有短路。一旦你確定一切都正確連接，你可以連接 9V 電池。按下琴鍵，您的風琴應該開始演奏了！如果您沒有聽到任何聲音或聲音微弱，請調整 R3 以根據您的喜好微調音量。

第 4 步：雅達利朋克控制臺

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現在是時候制作您的 Atari Punk 控制臺了！Atari Punk 控制臺 (APC) 本質上是一個非穩態 555 定時器電路，它產生一個方波來驅動一個產生單個方脈沖的單穩態 555 定時器電路。有兩個用于控制的電位器：一個用于振蕩器的頻率 (R2)，另一個用于脈沖寬度 (R3)。APC 被認為是最具標志性的簡單 DIY 合成器之一。

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

和以前一樣，請注意電容器和揚聲器的極性。仔細檢查電路并確認沒有短路。一旦你確定一切都正確連接，你可以連接 9V 電池。您的 APC 應該開始播放了！開始轉動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，請調整 R4 以根據您的喜好微調音量。

第5步：戰斗！混音！

現在您已經擁有了所有三種樂器，并且可以組建您的樂隊了！在我的課堂上，我花了大約一天半的時間來完成 555 計時器、搭建電路、組裝樂隊、想出名稱和徽標、寫歌和準備表演。最終的結果很有趣。有的樂隊擁有完美調音的樂器，他們演奏了近乎完美的“Lavender Town”，而其他樂隊則更多地采用了自由爵士樂和即興的方式。總而言之，對于任何級別的任何人來說，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。嘗試將風琴或特雷門與 APC 的第二階段結合起來。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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