钢琴被誉为艺术冠冕上的一颗明珠，深受艺术家及音乐爱好者的青睐。随着电子技术的发展，一种新型的电子乐器，“电子钢琴”应运而生。它的外形大都模仿传统钢琴的样式，但内部却利用电路来模拟出钢琴的音色。高级琴还能通过按键力度的大小来控制音量及音色的变化，并具有一定的钢琴手感。本文向读者介绍一种适合业余爱好者自制的国产化、集成化73键电子琴，具有钢琴和风琴两种音色，组装、调试容易，电路机心成本200多元，是一种具有较高性能价格比的中档键盘乐器，适用于音乐电化教学、娱乐及演奏、练习用。
音名发生电路
本琴键盘音域从大字一组的C\(_{1}\)（32.703Hz）至小字4组的C\(^{4}\)（2093.0Hz）。一般在波形合成时，还需要比基波高出一个及二个倍频程的频率，因此音名发生器至少能够产生从C1至C6（8373.0Hz）的85个音。本琴音名发生器采用国产BH200系列数字式音名集成电路，能产生109个音。一套电路由BH201、BH202至BH212 12块组成。封装均为14线双列直插式，引线排列见图3音源电路中的IC\(_{2}\)。
现以BH201为例，介绍其具体应用方法。l脚Cp端为2MHz方波时钟信号输入端，经集成电路内部的478进制分频器分频，将输入的时钟信号分成4184.1Hz的信号，经反相后，由Q\(_{1}\)端输出, 产生出音名为C\(^{5}\)的方波信号。这个方波信号与国际平均律制标准相比，仅误差-0.0456％（合-0.789音分）。上述4184.1Hz的信号，再经集成电路内部的八级二分频器逐级分频，反相，产生出c4（2092.1Hz）、c\(^{3}\)、c2、c\(^{1}\)、c、 C、C1及C\(_{2}\)（16.344Hz）的各组八度音，按上述频率高低分别由Q2至Q\(_{9}\)输出。由此可见，BH201产生音阶中C音的各组八度音。同理，由于集成电路内部设计的进制不同，BH202产生C＃的各组八度音，直至BH212产生B的各组八度音。注意只有BH201有Q0输出端，产生C6（8368.2Hz）恰好做为第73键音波形合成用。BH200系列音名电路共用同一时钟频率的信号，音阶关系只由集成电路内部既定进制决定，极符合国际平均律制标准，误差很小，在-0.0783％（合-1.36音分）～＋0.0574％（0.988音分）之间。
主振电路
主振电路由2MHz时钟信号振荡和颤音电路组成，电路见图1。本电路采用一块六反相器（IC\(_{1}\)）CO33B，其中由非门F5及F\(_{6}\)等组成时钟信号振荡器，频率由W2进行微调。产生的2MHz脉冲信号，经缓冲非门F\(_{1}\)、F2反相及整形后，分两路输出。由F\(_{1}\)输出的时钟信号送至BH201～BH206的Cp端，F2提供BH207～BH212的时钟信号。颤音电路由非门F\(_{4}\)等组成双T超低频振荡器，产生约7.7Hz的正弦波信号，经C4耦合输出。W\(_{1}\)为颤音幅度控制电位器，当中心头滑至地端3时，颤音信号被短路，本琴将产生没有颤音的钢琴音。反之，时钟振荡被超低频信号进行频率调制，产生电子钢琴或风琴音的颤音效果。集成电路IC1的电源由稳压管DW1供给，以确保主振时钟频率的稳定。主振级频率稳定度约10\(^{-}\)4／时，合每小时漂移0.17音分。
主振电路的调试方法是：先将颤音电位器中心头调至地端。用万用表测量IC\(_{1}\) VDD电压，应在9.5～10.5V之间。用示波器观察非门F\(_{1}\)及F2输出的脉冲信号，应波形稳定，波沿陡峭。调W\(_{2}\)，使主振频率为2MHz，否则将适当增减R7的阻值。如用万用表10V直流档测量F\(_{1}\)及F2的输出端，电压约4.3V，说明主振电路起振。最后将颤音电位器调大，时钟波形的宽度应随超低频振荡略微抖动，说明颤音电路工作正常。用示波器接在F\(_{4}\)的输出端，可以观察到7～8Hz、幅值约5.5V的正弦波形。如用万用表10V交流档测量C4输出电压约2V。主振频率的精确校准，见整机总调部分。
元件的选择：图1双T网络中的元件误差要小，其中C\(_{3}\)0.33μF电容不能用介质损耗大的电解电容代替。调颤音幅度时，各音名的中心频率不应有变化，否则要检查C4是否漏电或W\(_{1}\)的1、2端是否焊反。主振电路中的C6要选用云母电容器，R\(_{7}\)用金属膜电阻器。IC1要选用无缓冲级的六反相器，如CD4069UBE、MC14069U等。
一、钢琴音形的包络
风琴音是一种持续音，按下键后发声，松开键后便停止发声。钢琴音是一种敲击音，按键后，声波幅值急剧增长到最大，然后便按指数规律缓慢衰减。图2所示的是本琴钢琴音型的衰减波形，其中上下对称的二条虚线即为包络线。本琴钢琴音型的包络有两种情况，一种是按下后不松键，波的振幅到t\(_{4}\)时刻才自然衰减到零，这时琴的延音最长，多键弹下，能产生雄伟的混响效果。在短促按键时，若钢琴延音（即增音）踏板踩下，音的包络情况同上，即点按一下键仍产生长延音衰减；若不踩踏板，在松键时，如图2中的t2时刻，便开始急剧衰减而止音。同样按住键后松开延者踏板，也能立即止音。这种迅速止音的功能，使钢琴在快速弹奏及连续敲击同一键时，能使音的分割清楚，如同银珠落盘，颗粒性音好，否则混响不清。为能达到上述不同的包络效果，一般电子钢琴的音形包络是用一直流控制电压——包络信号，去控制包络门，产生所需调幅的包络波形。
音形包络门BH501的应用
本琴采用国产电子钢琴专用包络门集成电路BH501。一块电路内含有六组包络门及延音衰减门电路，73锻琴需要13块BH501。由于集成化，外围元件少，包络无失真、无漏音，有音色模拟所需要的三个尺度音输出，较分立元件电路性能指标大大提高，而成本却增加不多。BH501采用20线双列直插式封装，引线排列见图3音源电路中的IC\(_{15}\)。
BH501的使用方法：实际应用电路如图3所示。BH501的第20脚B端为集成电路硅片的衬底端，工作时应接最高正电位。为防止关机时包络门有可能产生瞬时漏音，B端必须接有电容器C\(_{11}\)、C12及二极管D\(_{1}\)，关机后，能提供一段维持B端所需最高正电压的时间。BH501的Q1～Q\(_{8}\)端，为音名信号输入端，接BH200系列相对应的音名信号输出端。用示波器测试Q1～Q\(_{8}\)端时，应观察到频率依次递降的二分频方波信号，幅值接近IC1的V\(_{DD}\)值。S1～S\(_{6}\)是音形门包络信号的控制端，这些端的电压越高，输出包络乐音信号的幅值也越大。D1～D\(_{3}\)为乐音信号的输出端，R12、R\(_{13}\)、R14为这些端的输出负载电阻，并联的C\(_{13}\)～C15是它们的高频信号旁路电容器。D\(_{1}\)端输出8＇音的信号——即键音的基波频率，D2输出4'音，即出键盘上所弹下键的音名高出一个八度的音，D\(_{3}\)为4倍频的2＇信号。因此按下任一键，都能产生相应的三个尺度的八度音。如果同时按下数只键，D1、D\(_{2}\)和D3输出的是三组相差八度的由这些键音相互迭加而成的合成波。这种合成波仍保留原键音的各自特性，互不牵制，也不产生较低频率的难听的互调差拍音。所有这些，都为高质量的音色模拟提供了条件。测试时，按下一个键，D\(_{1}\)～D3输出约150mV峰峰值的方波信号。
G\(_{0}\)和D0分别为延音衰减控制端和模拟接地端。通常D\(_{0}\)接地。若控制端接有延音电容器，如图3中S1端所接C\(_{156}\)、C168等， G\(_{0}\)接高电平时，即延音开关K74与接点1连通，琴的延音最长；K\(_{74}\)接地时，G0为0电平，集成电路内部的延音衰减模拟门导通，加速了延音电容C\(_{156}\)等的放电过程，使延音缩短。根据这种功能，K74开关应装置在电子钢琴下方靠右边的延音（强音）踏板上，踏下时琴音响亮，延音长，抬起时，延音缩短。当然在风琴音色时，应另设一组音色变换开关（图3未标出），以转换到延音最短状态。
包络门BH501除Q\(_{1}\)～Q8及S\(_{1}\)～S6各端外，所有同名端都应连接在一起，就象图3中的IC\(_{14}\)与IC15那样。
产生钢琴包络线的方法
为达到图2所示的电子钢琴音的包络效果，可采用图3所示的双接点键盘方案，这将使外包络电路大为简化，但对电子琴键盘有特殊的要求。本琴采用的键盘开关采用簧片式的常闭、常开接点。在图3电路中，键开关K\(_{1}\)未按下时，12V电源已通过常闭接点向余音电容C48充足电（由于电源内阻很小，充电过程极短），K\(_{1}\)按下后，常开接点闭合，C48与C\(_{36}\)成并联，并迅速充放到电压平衡，再通过包络门控制端S6放电。由于此时常闭接点已断开，电源已不再向C\(_{48}\)供电，因此产生图2所示的钢琴音形的衰减过程。在短促按键时的松键过程中，C36与C\(_{48}\)间接点断开，只有C36单独向S\(_{1}\)放电，由于C36电容量不大，产生了急剧止音的快速衰减包络线。在包络门IC\(_{15}\)S控制端中，K1是键盘左起第一键开关，控制S\(_{6}\)端信号；然后依次是第13、25、37、49及61键的开关，分别控制C1、C、c、c\(^{1}\)、c2及c\(^{3}\)音名，即S\(_{5}\)、S4、S\(_{3}\)、S2、S\(_{1}\)端信号。IC14产生第73键c4音。由于各音名延音长短不同，所需余音电容值也不同。本琴余音电容大小是按音组划分的，具体数值参见附表中的方案1。
风琴音形的产生：当钢琴／风琴转换开关K\(_{75}\)与接点2接通时，12V电源通过隔离二极管D8、D\(_{2}\)0至D80直加在各键簧片上，因此只要按下某键，则相应的常开接点闭合，就能供给该键控制端一个稳恒的直流电压，产生出持续的风琴音包络。隔离二极管是防止在钢琴音工作状态下键盘开关互相连通。不要风琴音色时，可省去这些隔离二极管。风琴音不象钢琴那样击弦后起音急促，风琴簧片需要振动一段时间才能达到最大振幅，即起音较缓，或称软音头。为模拟出风琴音的这种特点，可在每个隔离二极管与+12V之间再串联一个1kΩ～3.3kΩ的电阻，按键时，由于RC电路充电速度减慢，例如使K\(_{1}\)上的C36电压跃变延续约0.2～0.3秒的时间，包络出圆润、柔和的风琴音头。松键时，C\(_{36}\)上电压的急剧衰减，也恰好模拟出簧片停止振动的衰减过程。如不用C36，演奏时感觉到起音生硬，尾音干涩，并会在按键时产生喀呖声。
产生钢琴包络的第二种方案：键盘为常用的单触点电子琴键盘。电原理见图4。其中R\(_{L}\)是BH501控制端的等效输入电阻，一个音名需要5个包络元件，没有风琴音形包络。图4a所示的是键盘触点K1闭合时，产生长延音时电流的流向情况。由于R\(_{L}\)、C1数值较大，电源经D\(_{2}\)、RL及与R\(_{L}\)并联的C2向C\(_{1}\)充电时间较长，在RL两端产生出缓慢衰减的包络电压。在K\(_{1}\)断开时的图4（b）中，已充有电荷的C1通过R\(_{1}\)、D1快速放电，清除了C\(_{1}\)中残存的电荷，以便再次按键时能从头开始包络。电容量较小的C2只能向R\(_{L}\)放电，产生出迅速止音的延音衰减。电路中利用二极管D1与D\(_{2}\)的单向导电特性，控制所需电流的流向。泄放电阻R1的阻值不能太大，否则在快速弹奏时，R\(_{1}\)来不及将C1中电荷泄放掉；过小，又将增加电路的耗电。本电路中各元件的数值参见附表中的方案2。
附表中所列方案1中的C\(_{小}\)是与BH501控制端直接相联的电容，例图3中的C36，C大是与键盘簧片直接相联的电容，例C\(_{48}\)。
音色形成电路
由包络门BH501输出的8＇、4＇和 2＇信号，都是方波信号。由于方波信号只含有奇次谐波，仅能模拟出管乐类的音色，而弦乐类音色含有丰富的偶次谐波，因此需要将这三组方波信号按一定幅值比例进行迭加，合成出电子琴最理想的锯齿波音源信号相近似的阶梯波信号。由于该波各次谐波丰富，如加接各种滤波器，就能模拟出不同的音色。另外，BH501输出的三个尺度的包络信号，只有图2所示的包络波形中的正向部分，是单边的音形包络线，它同脉动直流一样，既含有乐音的交流信号，又含有一定的直流成分，按键时，这个直流电平的跃升，会引起扬声器中的呼呼声。本琴采用图5所示的电路，在完成波形合成的同时，抵消了其中的直流成分。
在图5由BG\(_{1}\)等组成的阶梯波合成电路中，倍频程的4＇和2＇方波信号，通过波形合成电阻R15和R16,产生出有三级台阶的阶梯波信号（A点为反相后的波形），经BG\(_{1}\)放大、反相及分压后，送到前置放大级BG2的输入端B，并与由W\(_{3}\)来的8＇方波信号再次迭加，不仅产生出所需的阶梯波，而且还将上述两路信号中相位相反的直流成分相互抵消。调W3，使B点合成出七级台阶高度一致的锯齿波音源信号，调试标准见图5中的B点波形。如用超低频示波器观测包络线，应是如图2所示的上下对称的音形包络。也可以单凭听觉进行这一级调试：按下键盘高音区的任一键，在扬声器中可以分辨出钢琴音中伴有按键时的呼呼声，细调W\(_{2}\)，能使呼声消失，得到清脆明亮的钢琴音。
由K\(_{76}\)、R26～28及C\(_{2}\)0组成脚踏弱音控制电路。弱音开关K76应安装在电子钢琴左踏板上，踩下时，K\(_{76}\)闭合，上述网路不仅减弱了音量，同时还衰减了高音，以模拟传统钢琴击弦机的小锤打在呢条上而间接使琴弦发音所产生的弱音效果。
功放及电源供给电路
本琴采用集成功放TDA2030，它具有极低的互调及瞬态失真，并有过热保护功能，尤其适用于电子钢琴的功放电路。具体电路见图6。本功放采用单电源供电方式，变压器B可选用次级输出18V、1A左右的，容量要选择得稍大一些。本电路最大正弦功率输出不小于5VA，信噪比优于50dB。若将变压器次级电压提高到24V，最大正弦功率可达10VA以上。扬声器可选用标称功率3～6VA的低音扬声器，如φ200mm、3VA的低音扬声器，并配接φ78mm、3VA高音扬声器。 C\(_{28}\)要用无极性电容，或用两支10μ耐压16V以上的电解电容反向串联后代替。
本级一般无需调整即能正常工作。若需调试，首先要测量C\(_{33}\)、C34上电压应为23V（零信号）左右及12V。TDA2030的4脚电压恰为5脚电压的一半，否则要检查R\(_{3}\)0、R31之间的中点参考电压是否准确，过低时，说明C\(_{24}\)漏电严重或TDA2030特性不良。
总体调试
前文已介绍了有关各部分的调试，如功能正常，就要进行下一部的总体调试。
音高的校准：在扬声器两端接上数字式频率计，选用风琴音色，将颤音调至零，在琴通电10～15分钟后，按下第46即a\(^{1}\)键，微调W\(_{2}\)，使测到的频率正好符合国际标准音的音高440.0H2。如嫌取样速度慢，也可以改用测周期的方法，调到2.2727ms。一般应测到4位有效数字，否则要检查主振微调电阻W\(_{2}\)的精度。也可用A调校音笛或音叉。具体步骤与上相似，只是用耳听。一般先调整琴的音量与校音笛响度大体相当，用听差拍音的方法，即两者音高越相近，拍音频率越低，当听到每秒有0.5～1个强弱的拍音变化时，即为校准。
整机增益的确定：电子钢琴在演奏时，有时一个键弹下，有时同时弹下七、八只键，音量动态较大。及电子琴波形峰值高，有效值却较低，因此要求功放有足够的功率贮备。象本琴最大正弦功率输出5～10瓦，但一般只用到1～2瓦，超过时，将引起切顶失真。本琴考虑到业余自制，外加音色滤波网路，因此增益余量较大。限定方法是：在扬声器两端接示波器，选用风琴音色，在键盘中音区同时按下6只键，若已观察到切顶，和增加BG\(_{2}\)的发射极电阻R24，直到刚好消除为止。如用万用表，应选用10V交流档，接在扬声器两端，同上步骤，限制输出电压在3V左右，即可消除多键同时弹下时的切顶失真。
有关电路板、元件安装图等，因篇幅所限，不再赘述。（孙心若）