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1、电子节拍器 课程设计说明书课程设计名称： 数字逻辑 课程设计题目： 电子节拍器 学 院 名 称： 信息工程学院 专业： 计算机科学与技术 班级： 学号： 16 姓名： 评分： 教师： 20 10 年 9 月 14 日 摘要当今乐器的发展变化越来越快，歌曲的演奏离不开乐器，而电子节拍器作为一种节拍可调、声音悦耳、成本低、容易自制、调试简单的元器件而被被广泛应用于各种电子乐器当中。本次课题设计的目的是：设计一电子节拍器，要求节拍器具有声光显示功能：设有2/4，3/4，4/4三档节拍转换开关，音响有强弱之分，节拍速度连续可调。本次设计以NE555芯片和CD4017芯片组成振荡电路,驱动发光二极管发光
2、和蜂鸣器发出声音，达到声音和发光同步。CD4017组成的节拍选择控制电路。当开关与不同的管脚接通时。就会有不同的节拍。该节拍器的设计采用模块化结构，有3个模块即节拍脉冲模块、节拍选择控制模块、以及声光同步显示模块组成。此电路是以NE555及CD4017构成振荡器产生节拍脉冲，并将脉冲输入到CD4017构成的节拍选择控制开关，此电路是以NE555构成自激振荡器产生脉冲，并将脉冲输入到蜂鸣器产生节拍的声音,及驱动发光二级管,达到声光同步显示效果。在为期两周的时间内，通过作者与同组人的共同努力和在指导老师的帮助下，借助学校图书馆，网络等各种信息平台收集资料，经过分析，提炼，转变成自己的研究成果。通过
3、本次设计，使作者明白了一般电子产品的设计及制作过程，加深了对专业基础课的认识，以及对所学课程的实际应用有了一个更深的理解，促进了对所学专业的热爱。关键字：节拍器，脉冲信号，声光显示，蜂鸣器目录前言4第一章 设计要求51.1设计基本要求5第二章 设计方案的选择62.1方案设计62.2方案比较7第三章 系统的组成及工作原理83.1系统的组成83.2工作原理9第四章 单元电路设计104.1脉冲产生电路.104.2节拍信号产生电路 114.3声光显示电路 11第五章 实验、调试及结果分析 14 5.1试验及调试 14 5.2测试结果与分析15第六章 收获与体会16参考文献17附录一 元件清单18附录二
4、 总设计图19前言现代音乐的发展以及音乐对人们生活的重要影响，使得乐器发展变得更加迅猛，人们对乐器的要求越来越高。人们希望乐器的发展能够实现智能化及人性化，而节拍器则是乐器当中必不可少的元器件。而作为一名二十一世纪的大学生，不仅仅要将理论知识学会，更为重要是要将所学知识用于实际生活中，使理论与实际能够联系起来。1696年巴黎人E.卢列创制第一架节拍器后，这种装置的种类很多，最普遍使用的是1816年由奥地利人J.N.梅尔策尔发明的节拍器。梅尔策尔的节拍器外形呈金字塔形，内部为时钟结构，有齿轮及发条，带动一摆杆，摆杆每次摆动结束时发出尖锐的“滴哒”声，这些滴哒声的速度可根据刻在摆杆上的游尺刻度上下
5、移动摆锤，进行调整，其速度每分钟40210拍。约在1945年瑞士钟表业生产有袖珍节拍器，形如挂表。以前的节拍器繁琐复杂且不可调，而现在发展了一种新型的节拍器电子节拍器，电子节拍器是一种新颖的节拍器，它具有应用范围广、节拍可调，声音悦耳、成本低、容易自制、调试简单等优点。学习了两年的专业基础课，学院为了检验学生对专业基础课知识的了解和实际动手能力，在大二下学期末安排了这次电子课程设计。本次课程设计的主要目的是检验学生理论结合实际的能力，分析和处理问题的能力。通过这样的课程设计，提高学生对专业基础课的学习兴趣，提高学生实际操作能力，使学生受益匪浅。第一章 设计要求1.1 设计基本要求本节拍器具有声
6、光显示功能，有2/4，3/4，4/4三档节拍转换开关，音响有强弱之分，节拍速度连续可调。1、 节拍器实现具有声光显示功能：以NE555芯片和CD4017芯片组成振荡电路, 通过NE555产生脉冲信号，CD4017分频产生节拍，驱动发光二极管发光和蜂鸣器发出声音，达到声音和发光同步。2、 实现2/4，3/4，4/4三档节拍转换开关：CD4017组成的节拍选择控制电路，通过清零端，当开关与不同的管脚接通时，就会有不同的节拍。3、 音响有强弱之分，节拍速度连续可调：根据振荡电路的周期公式，可通过调节震荡电路的频率以实现音响有强弱之分，节拍速度连续可调。 第二章 设计方案的选择2.1 方案设计方案一：
7、现有方案一总电路图如图2-1所示： 图2-1 方案一总电路图本方案是由速度发生器、音调发生器以及节拍信号产生器所组成，非门IC2A 、IC2B 、RPl、C3 等组成多谐振荡器作为速度发生器。音调发生器包括高音和低音两部分，IC3A 、IC3B、R7、C5 等组成高音发声器。节拍产生器由ICl、VDl、S2、C2、R1等组成。方案二：现有方案二总电路图如图2-2所示：本方案是由脉冲产生电路、节拍信号产生电路、声光显示电路所组成，脉冲由555芯片产生，节拍产生器由C4、CD4017、R11等组成，声光显示电路则由发光二极管、蜂鸣器及个电路元器件组成。2.2 方案比较通过在电脑上进行仿真，方案一和
8、方案二都可行，都可以产生有强弱之分的节拍，且可以打出多档节拍，具有声光同步显示的功能。方案一的特点是电路比较简单，使用非门CD4069、与非门CD4011和十进制计数器CD4017三种常用的芯片，线路连接也比较简单。方案二的特点是电路比较稳定，使用的元件多，效果相对较好。但考虑到实际制作中，方案一的驱动能力也许不够，蜂鸣器发出的声音可能比较小，这样的音调信号如果要进行放大的话会比较困难，而且该方案还需要5V和9V双电源，没有方案二简便，可行性没有方案二好，故最后决定用方案二。第三章 系统的组成及工作原理3.1 系统的组成本设计电路主要由四部分组成，其分别是：脉冲产生电路、节拍信号产生电路、灯光
9、显示和发声显示电路。 通过按键开关来产生2/4，3/4，4/4三档节拍，并通过发光二极管及声音显示出来。1、脉冲产生电路电路通过555自激震荡产生方波输出，其频率范围为570-2800Hz,调节滑动变阻器可使节拍在每分钟34至170次范围内变化。2、节拍信号产生电路节拍产生器由C4、CD4017、R11等组成。其中脉冲分配器CD4Ol7，其十个输出端QO-Q9，只有一个输出高电平，复位状态下QO输出高电平，在CP0端输入第一个脉冲后Ql输出高电平，输入第二个脉冲后Q2输出高电平，以此类推，输入十个脉冲后电路恢复初始状态。如果把某个输出端接到复位端MR，当该输出端为高电平时电路提前进入复位状态，
10、利用这一特点通过开关接在不同的输出端上形成不同的节拍输出。C4、R11组成开机复位电路.4、 声光显示电路当Q0、Q2、Q4、Q6其中一路输出高电平时，通过与其相连接的发光二极管再过R3连接到地从而同步发光，另外二极管与四个电阻相连，由于R7的阻值小于R4、R5、R6的阻值,故当Q0输出高电平时，声音控制信号输出的电流大一些，发出强音，区别于其他弱音信号。声音控制信号输出后通过三级管放大，再输出到蜂鸣器进行发声，这样所听到的声音就大。3.2 工作原理设计参考原理框图如下图所示图3-1所示：图3-1 系统组成框图脉冲产生电路，用来产生矩形脉冲信号作为节拍信号产生电路的控制信号；节拍信号产生电路，
11、以脉冲信号作为输入信号产生节拍信号；显示电路,灯光使用节拍信号控制；发声电路，利用功率较大的放大电路来驱动发生器。以NE555芯片和CD4017芯片组成振荡电路,驱动发光二极管发光和蜂鸣器发出声音，达到声音和发光同步。CD4017组成的节拍选择控制电路。当开关与不同的管脚接通时。就会有不同的节拍。该节拍器的设计采用模块化结构，有3个模块即节拍脉冲模块、节拍选择控制模块、以及声光同步显示模块组成。此电路是以NE555及CD4017构成振荡器产生节拍脉冲，并将脉冲输入到CD4017构成的节拍选择控制开关，此电路是以NE555构成自激振荡器产生脉冲，并将脉冲输入到蜂鸣器产生节拍的声音,及驱动发光二级
12、管,达到声光同步显示效果。 第四章 单元电路设计4.1 脉冲产生电路电路如图4-1所示。电路通过555自激震荡产生方波输出，其频率范围为570-2800Hz,调节滑动变阻器可使节拍在每分钟34至170次范围内变化。图4-1 脉冲产生电路4.2 节拍信号产生电路 节拍产生器主要由脉冲分配器CD4Ol7组成，其十个输出端QO-Q9，只有一个输出高电平，复位状态下QO输出高电平，在CP0端输入第一个脉冲后Ql输出高电平，输入第二个脉冲后Q2输出高电平，以此类推，输入十个脉冲后电路恢复初始状态。如果把某个输出端接到复位端MR，当该输出端为高电平时电路提前进入复位状态，利用这一特点通过开关接在不同的输出
13、端上形成不同的节拍输出。电路如图4-2所示。图4-2 节拍信号产生电路4.3 声光显示电路当Q0、Q2、Q4、Q6其中一路输出高电平时，通过与其相连接的发光二极管再过R3连接到地从而同步发光，另外二极管与四个电阻相连，由于R7的阻值小于R4、R5、R6的阻值,故当Q0输出高电平时，声音控制信号输出的电流大一些，发出强音，区别于其他弱音信号。声音控制信号输出后通过三级管放大，再输出到蜂鸣器进行发声，这样所听到的声音就大。声光显示电路如图4-3所示。图4-3 声光显示电路下面以24拍为例说明电路的工作原理：在复位状态Q0输出高电平，通过R7电路发出一重音，LED4灯亮，R4、R5、R6中无电流通过
14、。CP0端输入第一个脉冲后QO输出低电平Q1输出高电平，电路没有输出。输入第二个脉冲后Q2输出高电平，通过R6电路发出一低音，LED3灯亮，R4、R5、R7中无电流通过。输入第三个脉冲后Q3输出高电平，电路没有输出。输入第四个脉冲后，Q4输出高电平，通过开关又使MR端为高电平，脉冲分配器迅速进入复位状态，如此周而复始，就可发出一强一弱的节拍声。34、44拍的工作原理以此类推。第五章 实验、调试及结果分析5.1 实验及调试经过前期的资料查询及探讨等准备工作，已经确定了制作方案。在确定了电路及领好元件后，首先对电路进行了布局而后在开始连连接电路，由于电路比较复杂，使用的导线和各种器件比较多，所以就
15、和同组人明确分工，同组人看图并说明及负责导线的测试，作者连接线路，两人同时看着电路的连接，这样既可以节省时间，也不容易出错。连接好电路之后，打开电源，用开关进行测试，虽然有节拍，发但现二极管第四个发光二极管总是发光，用示波器测量脉冲输出端，有正常的方波输出，说明电路正确，再用万用表测量第四个二极管的电压，原来是发光二极管接反了。再次测量调试，二极管发光正常且有节拍，蜂鸣器却没有发声。二极管发光说明脉冲产生电路正常，蜂鸣器没发声说明蜂鸣器或是声光显示电路可能出现问题。关闭电源，就开始检查蜂鸣器的正负极是否连错，检查后没问题。又检查声光显示电路，也没问题。思考后想到可能是线路的接触问题，就把所有的
16、接口处接紧一些。之后开启电源，二极管发光，蜂鸣器也有声音了，都有节奏感。二极管发光正常及蜂鸣器发声正常后，开始调节发光显示频率，根据频率公式，调节滑动变阻器使其频率改变，通过观察示波器上的方波变化，发现频率变化不大，后来通过增大滑动变阻器的值为1M发现频率变化开始表白的明显之后在经过几次电阻的改变，最终达到了要求。而声音的大小改变则可通过调节放大电路中电容的大小，当电容越大声音就越大，反之就相反。5.2 测试结果与分析（1）将导线开关连在2/4拍，接通电源开关，蜂鸣器发出“强 弱 强 弱”的节奏声，发光二极管D1和D2也随着节拍声交替发光,发出强音时D1亮，发出弱音时D2亮。分析：“强 弱 强
17、 弱”的节奏声正是2/4拍的节奏，说明电子节拍器能够正常发声和发光。（2）将导线开关连在3/4拍，蜂鸣器发出“强 弱 弱 强 弱 弱”的节奏声，发光二极管D1、D2和D3也随着节拍声交替发光，发出强音时D1亮，发出第一声弱音时D2亮，发出第二声弱音时D3亮。分析：“强 弱 弱 强 弱 弱”的节奏声正是3/4拍的节奏，说明电子节拍器能够正常发声和发光。（3）将导线开关连在4/4拍，蜂鸣器发出“强 弱 弱 弱 强 弱 弱 弱”的节奏声，发光二极管D1、D2、D3和D4也随着节拍声交替发光，发出强音时D1亮，发出第一声弱音时D2亮，发出第二声弱音时D3亮, 发出第三声弱音时D4亮。分析：“强 弱 弱
18、 弱 强 弱 弱 弱”的节奏声正是4/4拍的节奏，说明电子节拍器能够正常发声和发光。（4）调节滑动变阻器，节拍声节奏加快，发光二极管闪烁节奏也同步加快；反向调节变阻器，节拍声节奏减慢，发光二极管闪烁节奏也同步减慢。所以判定制作的电子节拍器的节拍速度连续可调。（5）调节放大电路中电容的大小来调节声音的大小，当电容越大声音就越大，反之就相反。所以判定电子节拍器的声音有强弱之分。因为经验的缺乏，导致这次实验浪费大量的时间，并且出现许多不必要的错误。以上测试结果表明：制作的电子节拍器能够完全正确地完成设计所要求的功能，总的来说该次制作是成功的，该课程设计也是成功。第六章 收获与体会这是一比较系统的电路
19、设计，是一次将理论与实际相结合的实践。其中包括电路的设计，资料的查找，分析问题解决问题的能力。如果不能以一种认真的态度去面对这次实践，而只是简简单单的在书本之中寻找到一个电路，并将其简单的连接起来，那就失去了本次电子课程设计的意义。刚开始拿到题目，感觉有些难度，因为这种课程设计还是第一次做，而且对电子节拍器也不是很了解。后来在图书馆查找相关书籍，在互联网上收集相关资料和指导老师的帮助下，才慢慢对电子节拍器有了初步的了解。作者和同组人把收集出来的资料汇总，提炼，最后得出两套可行方案。第一套方案是使用非门CD4069和若干电阻，电容产生脉冲信号，使用与非门CD4011和若干电阻，电容产生高音和低音
20、信号，使用十进制计数器CD4017作节拍产生器的电子节拍器电路。该电路的特点是比较简单，缺点是驱动能力不足，需要两种伏值的电源。第二套方案是使用555起振产生脉冲信号，使用十进制计数器CD4017作节拍产生器，然后通过流过不同的阻值的电阻产生不同大小的电流来控制声音的强弱这一原理的电子节拍器电路。该电路的特点是比较稳定，效果较好，但是使用的元件比较多。经过综合分析决定用第二套方案进行制作。由于作者和同组人的积极合作，在制作和调试过程中，虽然出现了许多问题，但经过我们的努力，最终圆满完成制作任务，制作出了一个完全符合设计要求的电子节拍器，而且还可以实现1/4节拍。本次试验不仅培养了我分析解决问题
21、的能力，而且还培养了我的动手能力，是我的实践能力得到了极大地提高。通过本次课程设计，使作者明白了一般的电子产品的设计及制作过程，尝试到了动手制作电子产品的乐趣，加深了对专业基础课程知识的学习和了解。同时也加强了独立分析能力和合作能力，使作者明白团队精神的重要性。参考文献1.陈永甫.新编555集成电路应用800例.成都电子科技大学出版社.19922.赵珂，彭嵩.脉冲与数字电路指导书.南昌航空大学电子信息工程学院试验实践中心.20083.白中英.数字逻辑与数字系统（第四版）.科学出版社.2007.4.李大友.数字电路逻辑设计. 清华大学出版社.19975.任绍发.脉冲与数字电路实验及其应用.重庆大学出版社: 19946.王毓银.数字电路逻辑设计.高等教育出版社: 19997.吴汉清.实用制作电子节拍器.电子制作2003年第10期8.赵淑范.电子技术试验与课程设计. 清华大学出版社.2006附录一 元件清单类型元件数量芯片CD40171个NE5551个三极管2N17112个二极管IN605个发光二极管蓝色4个电容0.01 uF1个0.1 uF1个1 uF1个电阻10k5个2401个1 k2个91 k2个滑动变阻器1M1个蜂鸣器1个单刀三至开关1个附录二 总设计图21