[0001] 本发明涉及到电子玩具技术领域，具体涉及一种电子琴。

[0002] 随着科学技术的发展和人们对物质生活的提高，以及课外兴趣培养的快速普及，学校和家庭越来越重视对青少年音乐能力的培养。优良简易的电子琴有助于提升青少年的音乐素养，对中小学生了解电子琴的构造，培养音乐素养和动手能力有很大的帮助。音乐素养的培养和动手能力需要以构造简单、易于学习的电子琴为载体，简单易用的电子琴可提升青少年的音乐素养和动手能力。

[0003] 目前所知的电子琴有两种类型：

[0004] 1、市面上售卖的电子琴。该类电子琴是目前用户最常使用的电子琴。用户在使用电子琴时，通过电子琴上放置的琴谱进行特定的琴音练习，再将所弹奏的声音通过琴上的扬声器或耳机传出，用户根据传出的声音判断是否弹奏正确，由此循环往复练习。

[0005] 2、DIY制作的电子琴。该类电子琴通常是高校学生或网络博主制作的电子琴，电子琴是由各种电子器件组成焊接在洞洞板上使用。用户在使用时，通过查阅的琴谱按动板上的按键(琴键)进行使用，所按动的声音由板上的蜂鸣器或扬声器传出，用户根据传出的琴音判断所弹奏的琴谱是否正确，由此循环往复练习。

[0006] 然而，现有技术中这两种类型的电子琴都存在一些问题：

[0007] 1、市面上售卖的电子琴：

[0008] (1)市面上已售卖的电子琴由于使用的材料较多，导致电子琴的价格较高，在前期学习阶段，会使用户学习电子琴的成本过高，多数用户是不易接受的；

[0009] (2)该类电子琴虽然功能较为丰富，但是使用难度较大，而且是全面进行封装，不利于对青少年动手能力的培养；

[0010] (3)电子琴的体积较大，现在广泛的电子琴用户异地使用的频率较高，电子琴体积较大，不易方便用户携带前往异地使用。

[0011] 2、DIY制作的电子琴：

[0012] (1)技术要求高；制作此类电子琴需要具备一定的电子技术和音乐知识，包括各种电路设计、编程、声音合成等方面的技术，制作时面临较大的学习和实践难度；

[0013] (2)难以维护和修复；该类电子琴可能会面临维护和修复方面的困难，特别是如果出现故障或问题时，需要具备专业的电子维修知识和技能；

[0014] (3)音质和稳定性；由于DIY电子琴通常是基于个人设计和制作，因此在音质和稳定性方面无法与商业生产的专业电子琴相媲美，尤其是对于追求高品质音色和稳定性的演奏者来说不够满意。

[0015] 综上所述，需要一种电子琴以克服现有技术所存在的缺陷。

[0049] 下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

[0050] 实施例1：

[0051] 如图1至图3所示，一种电子琴，包括底板10与若干具有基础功能的电子积木块20，所述底板10为PCB板，在底板10的上表面横竖等间距设置有多个结点单元30，每个结点单元30均由对称设置的四个排母31构成，每个排母31均设有四个插孔32，每个插孔32具有不同编号，在每个插孔32内设有第一电连接件，四个插孔32内的第一电连接件分别用于传输电信号、提供正电压、提供负电压以及提供零电压，在同一结点单元30中功能相同的第一电连接件通过位于底板10内的导电线电连接，不同结点单元30之间用于传输电信号的第一电连接件相互绝缘，其他功能的第一电连接件通过底板10内的导电线和功能相同的第一电连接件一一对应电连接，任意两个相邻结点单元30之间的设置间距大于同一结点单元30内两个对称设置的排母31之间的距离；

[0052] 所述电子积木块20具有用于搭建电子琴的各类功能电路或电子元器件，在电子积木块20的下表面设有与所述插孔32的位置相适应的第二电连接件21，且相邻第二电连接件21之间的距离大于同一结点单元30内两个对称设置的排母31之间的距离，可以防止电子积木块20的第二电连接件21插入错误插孔32而导致电路短路的现象；

[0053] 各电子积木块20和底板10插接后形成组合体时，第二电连接件21插入插孔32内，第二电连接件21和插孔32内的第一电连接件电连接，同时形成电子琴的功能电路。

[0054] 如图3所示，结点单元30中的每个所述排母31均为条形结构，在其上表面设置所述插孔32，四个插孔32在所述排母31上呈阵列式分布。

[0055] 本例中，所述结点单元30呈十字形结构，四个排母31对称分布于十字形结构的四个端点，也即是四个排母31以结点单元30的中心呈中心对称，所述结点单元30由四个2×2pin的排母31及PCB板内部的相应电路构成，四个排母31按照上、下、左、右四个方位均匀排列。每个结点单元30采用四个排母31组成，可以在确保完成电子电路实验的前提下，有效控制结点单元30的体积，从而使得底板10上可以设置更多的结点单元。

[0056] 同时，为了降低电路的复杂度，提升电路搭接效率，本实施例对每个排母31的四个插孔32进行不同的编号，如图3所示，分别编号为A、G、V、E，不可相互替换。

[0057] 具体的：一个结点单元30中的四个编号为A的插孔32内的第一电连接件通过底板10上的电路电连接，且与底板10上的其他结点单元30中编号为A的插孔32内的第一电连接件绝缘，用于实现不同电子积木块20之间的电信号传输。整个底板10上所有编号为G的插孔
32内的第一电连接件通过底板10上的电路电连接；整个底板10上所有编号为V的插孔32内的第一电连接件通过底板10上的电路电连接；整个所有编号为E的插孔32内的第一电连接件通过底板10上的电路电连接，编号为G、V、E的插孔32内的第一电连接件用于在插上电源类积木块后提供正电压、零电压和负电压。

[0058] 通过对底板10上结点单元30的形式、布局、排母各孔的编号及电气属性进行了规定，当底板插上了电源积木后，每个结点都能为其他电子积木块提供正电压、零电压和负电压，免去为其他有源电子积木块(需要电源的积木块)通过额外飞线连接电源的步骤，降低了电路的复杂度，提升了电路搭接效率。

[0059] 可见，本例中每个排母31中设置四个阵列分布的插孔32，插孔32内的第一电连接件分别用于传输电信号、提供正电压、提供负电压以及提供零电压，从而使得结点单元30既能够用于数字电路中提供电压源，还能够用于模拟电路中进行电信号的传输，有效的提高了本装置的兼容性。此外，插孔32的数量虽然可以在兼容数字电路和模拟电路的基础之上设置更多，但更多数量的插孔32的设置，会造成排母31的体积增大，经济性和底板10上能够设置的结点单元30的数量都会降低，因此四个排母31和在每个排母31上设置四个插孔32的方式是兼顾兼容性和经济性的最优设计。

[0060] 采用上述的设计，对底板10上结点单元30的形式、布局、排母各孔的编号及电气属性进行了规定。当底板10插上了电源类积木块后，每个结点单元30都能为其他电子积木块提供正电压、零电压和负电压，免去为其他有源电子积木块(需要电源的积木块)通过额外飞线连接电源的步骤，降低了电路的复杂度，提升了电路搭接效率。同时，底板10上每个结点单元30的四组排母21相对结点单元的中心对称，电子积木块20旋转90°、180°、270°后，均可插在底板10的结点单元30间使用，灵活性高。

[0061] 本例中，所述第二电连接件21采用排针，从而使得底板和电子积木块分别使用排母和排针作为连接器，同时为底板和电子积木块提供机械连接和电气连接，排母和排针均为常见电连接器，方便实现电路实验装置与其他电路的拓展连接，增强了本装置的兼容性。

[0062] 在本例中，所述排针部分或全部与所述功能电路或电子元器件电连接，具体根据电子积木块20是否为有源器件进行分别设置，若电子积木块20为电源类积木块或集成运算放大器类积木块时设置的排针中插针的数量和对应位置处的插孔32的数量一致；当电子积木块20为电阻类积木块、扬声器类积木块、按键类积木块、电容类积木块、导线类积木块时，设置的排针中插针的数量少于对应位置处的插孔32的数量。并且，所述电子积木块20设置的排针中均包括机械连接用插针和电气连接用插针，其中集成运算放大器类积木块和电源类积木块的每组排针中机械连接用插针的数量少于电气连接用插针，且机械连接用插针的数量为零个或一个；所述电阻类积木块、扬声器类积木块、按键类积木块、电容类积木块、导线类积木块设置的机械连接用插针的数量为零个或一个。具体根据电子积木块20上设置的电子元器件的类型进行设置，例如：

[0063] 当所述电子积木块20为电源类积木块时，如图4所示，电源类积木块包括PCB基板以及设置在PCB基板上的电源转换电路和电源接口电路，电源转换电路可输出+5V、0V(地)和‑5V电压，接口电路为两个2×2pin的排针，也即设置的排针中插针的数量与所述插孔32的数量一致，同时排针中每个插针的编号、布局和尺寸与底板10上2×2pin排母31的每个插孔32的编号、布局和尺寸一致。当电源接口电路的2×2pin的排针插入排母31的每个插孔32中时，A号插针无电气属性，仅用于提供机械连接。其余的G、V、E号插针将为底板10提供+5V、0V(地)和‑5V的电压源。此时，底板10上所有的编号为V、G和E的插孔32都将分别带+5V、0V(地)和‑5V的电压。

[0064] 当所述电子积木块20为集成运算放大器类积木块时，请参见附图5，包括PCB基板以及设于PCB基板上的运放芯片和运放接口电路，运放芯片直接焊接在PCB基板上，运放接口电路为分布在PCB基板的上端、下端和右端的三组个2×2pin的排针，由此可见集成运算放大器类积木块设置的排针中插针的数量与所述插孔32的数量一致，其中除G号插针外(此时G号插针无电气属性，仅提供机械连接)排针上每个插针的编号、布局和尺寸与底板10上2×2pin排母31的每个插孔32的编号、布局和尺寸一致。位于PCB基板上端的A号插针通过PCB电连接至运放芯片的同向输入端，位于PCB基板下端的A号插针通过PCB电连接至运放芯片的反向输入端，位于PCB基板右端的A号插针通过PCB电连接至运放芯片的输出端，运放接口电路的所有V号插针通过PCB电连接至运放芯片的正电源端，运放接口电路的所有E号插针通过PCB电连接至运放的负电源端。当运放接口电路的三组2×2pin的排针插入底板10上的三组2×2pin的排母31中，运放类积木块三组2×2排针的A号插针分别将运放芯片的同相输入端、反相输入端和输出端电连接至底板10上对应的结点单元30。同时，底板10上排母32中的V号插针和E号插针将为运放积木块提供+5V和‑5V的电压源。

[0065] 当所述电子积木块20为电阻类积木块时，请参见附图6，其包括PCB基板以及焊接在PCB基板上的电阻器件、设置在PCB基板上的电阻接口电路，电阻接口电路为分布在两端的两组1×2pin的排针，可见电阻类积木块设置的排针中插针的数量少于所述插孔32的数量，每组排针具有编号为A和G的两根插针且两根插针的位置不可调换，两组排针的A号插针通过PCB基板内的电路电连接至电阻器件的两端，两组排针的G号插针没有电气属性，仅用于提供机械连接。将电阻类积木块的两组排针分别插入底板10上任意两个结点单元30的相邻2×2pin排母的A号孔和G号孔，便实现将底板10上两个结点单元30之间跨接电阻。

[0066] 当所述电子积木块20为扬声器类积木块时，请参见附图7，包括PCB基板以及设于PCB基板上的扬声器和扬声器接口电路，扬声器直接焊接在PCB基板上，扬声器接口电路为分布在PCB基板的上端、下端和右端的三组个2×2pin的排针，由此可见其设置的排针中插针的数量与所述插孔32的数量一致，排针上每个插针的编号、布局和尺寸与底板10上2×2pin排母31的每个插孔32的编号、布局和尺寸一致。位于PCB基板右端的A号插针通过PCB电连接至扬声器的音频信号输入端，扬声器接口电路的所有G号插针通过PCB电连接至扬声器的接地端，其余插针无电气属性仅用于提供机械连接。当扬声器接口电路的三组2×2pin的排针插入底板10上的三组2×2pin的排母31中，扬声器类积木块右端的A号插针将扬声器的音频信号输入端电连接至底板10上对应的结点单元30中的插孔32中并与第一电连接件电连接。同时，底板10上排母32中的G号插针将为扬声器类积木块提供零电压。

[0067] 当所述电子积木块20为按键类积木块时，请参见附图8，其包括PCB基板以及焊接在PCB基板上的按键器件、设置在PCB基板上的按键接口电路，按键接口电路为分布在两端的两组1×2pin的排针，可见按键类积木块设置的排针中插针的数量少于所述插孔32的数量，每组排针具有编号为A和G的两根插针且两根插针的位置不可调换，两组排针的A号插针通过PCB基板内的电路电连接至按键器件的两端，两组排针的G号插针没有电气属性，仅用于提供机械连接。将按键类积木块的两组排针分别插入底板10上任意两个结点单元30的相邻2×2pin排母的A号孔和G号孔，便实现将底板10上两个结点单元30之间跨接按键。

[0068] 当所述电子积木块20为电容类积木块时，请参见附图9，其包括PCB基板以及焊接在PCB基板上的电容器件、设置在PCB基板上的电容接口电路，电容接口电路为分布在两端的两组1×2pin的排针，可见电容类积木块设置的排针中插针的数量少于所述插孔32的数量，每组排针具有编号为A和G的两根插针且两根插针的位置不可调换，两组排针的A号插针通过PCB基板内的电路电连接至电容器件的两端，两组排针的G号插针没有电气属性，仅用于提供机械连接。将电容类积木块的两组排针分别插入底板10上任意两个结点单元30的相邻2×2pin排母的A号孔和G号孔，便实现将底板10上两个结点单元30之间跨接电容。

[0069] 当所述电子积木块20为导线类积木块时，请参见附图10，其包括PCB基板以及设置在PCB基板上的导线接口电路，导线接口电路为分布在两端的两组1×2pin的排针，可见导线类积木块设置的排针中插针的数量少于所述插孔32的数量，每组排针具有编号为A和G的两根插针且两根插针的位置不可调换，两组排针的A号插针通过PCB基板内的电路电连接在一起，两组排针的G号插针没有电气属性，仅用于提供机械连接。将导线类积木块的两组排针，分别插入底板10上任意两个结点单元30的相邻2×2pin排母的A号孔和G号孔，便实现将底板10上两个结点单元30的A点电连接在一起。

[0070] 需要说明的是，虽然电源类积木块、导线类积木块和其他无源类积木块上的排针均能够设置为与底板10上2×2pin排母相适应的2×2pin，但是这样无疑会造成排针的浪费，还会增大电子积木块所占用的空间，在进行电子电路实验时，还会增大电子积木块20和底板10之间的拉拔力，对电子积木块20的插拔带来不便。因此，上述类型的积木块采用一根插针用于机械连接、一根插针用于电气连接的方式，既能够在满足电气连接保证基本电气功能之外，还能够使得电子积木块20和底板10之间具有足够的连接强度，并且兼具良好经济性和使用便利性。

[0071] 在本实施例中，对于任意类型的电子积木块20，其任意两组排针之间的距离大于同一结点单元30内两个对称设置的排母31之间的距离，并且等于两个相邻结点单元30之间的距离，从而有效防止了电子积木块20排针插入错误排母而导致电路短路的现象。

[0072] 如图1‑图10所示，本实施例中所述电子积木块20中的电子元器件均裸露其表面，从而方便实验人员观察电子元器件的状态。此外，在所述电子积木块20上表面还设有功能电路或电子元器件的名称，从而进一步的降低了电路的复杂度，提升了电路搭接效率。

[0073] 本实施例所述电子琴是基于矩形波发生电路设计，该电路需要产生振荡，也就是输出的高、低电平两种状态自动地相互转换，则电路的输出必须通过一定的方式引回到它的输入，输出状态是按照一定的时间间隔交替变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。该电路由正向输入的滞回比较器和RC电路组成，RC电路作为延迟环节，电容C上电压作为滞回比较器的输入，通过RC充放电实现输出状态的转换。

[0074] 基于底板10和各类电子积木块20，按照设计好的电路图在底板10上进行搭建即可完成电子琴的制作。搭建成的电子琴是一个简易电子琴，如图1所示，所述电子琴包含1234567七个基本琴音，其中区域A为该电子琴的核心——滞回比较器，由于矩形波电路可以产生丰富多样的音频信号，这些信号经过适当的处理和控制后，则可变成我们能听见的琴音。在该运算放大器的正反馈网络中，根据矩形波电路的振荡周期公式
将反馈中的两个电阻阻值设置为相等，便于对1234567七个基本音律
的频率调节。由于七个琴音1234567的频率分别是261.63Hz、293.66Hz、329.63Hz、
349.23Hz、392.00Hz、440.00Hz、493.88Hz，而且在正反馈网络中若R1、R2两个电阻阻值相同，则根据公式 只需控制R3的阻值便可得到1234567七个琴音的音色。

[0075] 在区域B中，搭建按键成为电子琴的琴键，经过计算得到七个琴音频率对应的电阻阻值分别是17.5K、15K、14K、13K、11.5K、10K、9K，进行并联搭建成为琴键部分。

[0076] 在进行琴键的搭建完成后，需要对琴音播放模块进行搭建，在区域C使用扬声器播放音乐信号，扬声器音量较大，且音质效果较好。

[0077] 区域D为电子琴的供电模块，并在其上增加了变压模块，通过变压能为运算放大器模块供电。

[0078] 实施例2：

[0079] 本实施例提出了一种基于实施例1所述电子琴的制备方法，包括如下步骤：

[0080] 步骤1、制备底板10；

[0081] 在所述底板10的上表面横竖等间距设置有多个结点单元30，每个结点单元30均由对称设置的四个排母31构成，每个排母31均设有四个插孔32，每个插孔32具有不同编号，在每个插孔32内设有第一电连接件，同一结点单元30中编号相同插孔32内的第一电连接件通过位于底板10内的导电线电连接，不同结点单元30之间除其中一个编号的插孔32外，其他所有编号相同的插孔32内的第一电连接件通过底板10内的导电线分别对应连接，任意两个相邻结点单元30之间的距离大于同一结点单元30内两个对称设置的排母31之间的距离；

[0082] 步骤2、制备具有电子琴所需的各类功能电路或电子元器件的电子积木块20；

[0083] 在所述电子积木块20的下表面设有与所述插孔32的位置相适应的第二电连接件21，相邻第二电连接件21之间的距离大于同一结点单元30内两个对称设置的排母31之间的距离，且为两个相邻结点单元30之间的距离的整数倍；

[0084] 步骤3、通过第二电连接件21插入插孔32内，将各电子积木块20与底板10通过直插式相互级联形成积木组合体，第二电连接件21和插孔32内的第一电连接件同时电连接，搭建形成电子琴。

[0085] 综上所述，本发明所述电子琴采用积木化搭建而成，通过对底板的结点单元的形式、布局、排母各孔的编号及电气属性进行了规定，各个电子积木块均可自由组建，用户可根据自身需求自由组合各种电子积木块，实现个性化的音频合成配置，用户可根据自己的创意和音乐需求来搭建独特的音色和声音效果，可以帮助青少年对音频合成原理和技术进行深入理解，青少年可以参与搭建和连接各种电子积木块，在培养动手能力的同时，学习如何生成不同类型的声音。同时，由于整体采用积木式模块设计和模块化搭建，各个模块有极强的拓展性，用户可以随时增加新的模块以满足不断变化的音乐创作需求，相比于市面上昂贵的电子琴，该电子琴成本较低，能够使广大用户易于接受，满足家庭和学校培养学生的音乐素养。此外，并没有复杂的电路连接，搭建电子琴时效率高，制作、维护和故障修复均不需要专业知识，更易维护和维修，且体积较小，方便携带前往异地使用。

[0086] 以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。