电子节拍器报告.docx
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电子节拍器报告
前言
节拍器在学习音乐中起着重要作用。
主要有：
1、确定乐曲的速度，有的曲子要求用某一速度进行练习，通过节拍器可以找到该速度；2、帮助对于节奏感较差的学生，改善拖拍、抢拍、节奏不稳等现象。
节拍器不仅在音乐方面起着重要的作用，而且在医疗、航空等领域都有着广泛的应用。
随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和技术领域占有不可或缺的核心地位。
在我国现代化建设的发展进程中，数字电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。
因此，可以通过所学的知识设计一种比较简单及成本较低的音乐节拍器。
该节拍器虽然功能有限，限制了其实用性，但其设计及制作过程的意义却是极其重要的。
通过节拍器的制作，不仅熟悉了节拍器的设计及制作过程、培养了我对电子的兴趣，还将电子技术基础理论与实际操作有机地联系起来，加深了对所学理论课程的理解。
同时，还提高了实际操作能力、独立分析和解决问题的能力及创新能力，养成了严谨细致的工作作风和团结协作的工作态度。
该方案虽然实现了课题的绝大部分内容和要求，但还有些地方不够完善、错误和不妥之处，敬望读者批评和指正。
第一章设计要求及系统的组成
1.1基本要求
要求本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。
主要参考元器件：
555，CD4017，LM386
1.2系统结构组成
原理框图如图1.1所示。
该电子节拍器主要由节拍脉冲产生电路、节拍信号产生电路、声音显示电路及灯光显示电路等组成。
节拍脉冲产生电路产生周期性的脉冲信号，节拍信号产生电路产生2/4拍、3/4拍、4/4拍的控制信号。
发声电路和显示电路同步显示节拍。
图1.1原理框图
第二章电路设计
2.1系统电路的组成及工作原理
总电路图如图2.1示。
其工作原理为：
IC1（555）接成多谐振荡器，R12用来改变脉冲周期，即节拍速度。
IC2（CD4017）为1-10循环记数器，15端分别接入Q2、Q3、Q4端可改变计数器的模，从而控制节拍数，可用三档开关控制。
IC3（555）在IC-1、IC-2输出波形的作用下输出不同频率的声音信号，经功放放大后喇叭发出强弱的节拍声音，调节电位器R4可改变音量。
红灯显示节拍速度，即IC-1输出的脉冲信号；绿的显示节拍的高音（重音），由IC-1、IC-2输出波形共同决定。
图2.1电子节拍器电路
2.2单元模块电路设计
2.2.1脉冲产生电路
脉冲产生电路是后级电路的基础，可用555组成多谐振荡器实现，以产生连续脉冲信号，其电路图如图2.2。
图2.2脉冲产生电路
555多谐振荡器的基本原理：
当输出端（3端）低电平时，VCC经过R1、R2、R3给C1充电，当电容两端电压充电至Vc＞2/3Vcc（触发器电平Vt+）时，电路立即发生翻转,使得3端输出变为低电平，即V0=0。
此时，电容C1便又通过电阻R1、R2和电路内的导通管至地间放电，当电容放电至两端电压Vc＜1/3Vcc时，电路发生翻转，使得输出变为高电平，即V0=1。
电路不断重复上述过程，便形成了振荡，在3端产生脉冲信号。
多谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间之和为：
T=T1+T2（式2.1）
电容充电时间为：
T1=0.7（R1+R2+R3）C1（式2.2）
电容放电时间为：
T2=0.7（R2+R3）C1（式2.3）
振荡周期为:
T=0.7（R1+2RW1）C1（式2.4）
其2（6）端、3端的工作波形如图2.3所示：
图2.3工作波形图
其振荡频率决定拍速，调节R3可以改变振荡器的振荡频率,为使节拍速度不至太快或太慢,选择0～50K的可变电阻以及33uF的电容,使得振荡器IC1的振荡周期在0.5S到1.6S内可变。
2.2.2节拍信号产生电路
CD4017，是一种用途非常广泛的十进制计数／分频器。
有3个输入端（MR、CP0和~CP1），和11个输出端（Q0—Q9及1个进位端～Q5-9）。
CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。
CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。
设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。
CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端～Q5-9。
每输入10个计数脉冲，～Q5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
其功能表见表2.1，波形图如图2.4:
表2.1CD4017功能表
由
图2.4CD4017波形图
CD4017很容易构成节拍信号控制电路，产生相应的分频信号，与时钟信号一起控制发光二极管发光和喇叭发声，电路图如图2.5所示。
图2.5节拍器信号产生器
开关A、B、C可用一个三档开关代替。
14端（CP0）为脉冲输入信号，由脉冲发生电路产生，（Q1）为输出信号。
当开关A闭合时，4端（Q2）信号反馈到15端（MR）构成模2计数器，得到2/4拍信号；同样，当B、C开关闭合时，可分别得到3/4拍、4/拍信号。
其波形图如图2.6所示。
图2.6输入输出波形
2.2.3光显示电路
光显示电路用于显示节拍状态，红灯指示节拍速率，绿灯指示节拍种类，电路图如图2.7所示。
图2.7光显示电路
二极管的发光状态由CP和节拍控制信号共同决定，红灯显示节拍速度，当CP为高电平时发光；绿灯显示节拍种类，当CP和节拍控制信号同为高电平时发光，与高音同步。
晶体管可增大电流，其输入输出波形图如图2.8所示（以2/4拍为例）。
图2.8光显示电路波形
2.2.4声显示电路
如图2.9所示。
该发声电路由555构成的多谐振荡器、放大器及喇叭组成，能发出间歇的高低音，从二显示节拍。
555构成的多谐振荡器参考电压为节拍控制信号，若用Vo表示，则VTH=Vo；VTL=1/2Vo。
而振荡器的频率与VTH、VTL有关，故Vo的高低电平决定音调的高低。
同时，只有CP为高电平时多谐振荡器才能振动，从而发声，故CP使喇叭间歇发声。
图2.9声显示电路
放大电路可用LM386构成，电路如图2.10，放大倍数为Av=200，音量可通过电位器调节。
图2.10音频放大电路
第三章电路焊接与调试
3.1实验仪器
直流稳压电源1台
电子示波器1台
电烙铁1只
万用表1只
第四章实验结论及心得体会
4.1实验结论
通过查阅资料，确定设计方案，Multisim仿真及焊接和调试电路，基本达到了预期效果，满足课程设计要求。
但由于没有经验，仍有一些需改进的地方。
比如在实验时，没有三档开关，而选择三个单键开关简单代替，导致必须长按开关才能工作，降低了实用性，简单的解决办法是给开关加一锁存器。
4.2心得体会
本次课程设计让我体会到了电子在实践中的应用，增强了对电子的热爱，同时还加强了对所学理论的理解和应用，培养了团结协作、认真细致的工作精神，为今后的进一步学习和工作打下了坚实的基础。
万能板焊接比较麻烦，只能焊接简单的电路，可以作为焊接练习用，而不能用在实际生产中，我深刻体会到了Protel制板的优越性，应该在今后加强对制板的学习和应用。
调试相比焊接更是考验，能充分检验对原理的掌握情况，如果不清楚原理，将无从下手，知道原理后用万用表甚至更简单的工具就能排除各种故障，这需要不断学习和不断积累经验。
对于本次课程设计，我感觉相对比较轻松，但也发现一些同学觉得吃力，有的甚至不会用万用表检查电路。
这说明基础非常重要，在今后的学习中更要加强理论学习，同时注重实践。
本次课程设计开始由于不知道节拍的相关知识而感觉措手不及，弄懂之后反而觉得电路设计及调试本身并不是很难，所以在学好专业课的同时还应注重拓宽知识面。
最后忠心地感谢学院为我们提供这一难得的机会，让我收获良多！
参考文献
[1]华成英.模拟电子技术基础（第四版）.高等教育出版社.2006.
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社.2005.
[3]郁汉琪.数字电子技术实验及课题设计.高等教育出版社.1995.
[4]吕思忠.数子电路实验与课程设计.哈尔滨工业大学出版社.2001.
附录1元器件清单
序号
类型
型号
数量
备注
1
芯片
CD4017
1
2
NE555
2
3
LM386
1
4
4093BT
1
5
电容
151
1
6
221
1
7
103
1
8
473
1
9
33uf
1
电解电容
10
10uf
1
电解电容
11
250uf
1
电解电容
12
电阻
10Ω
1
13
1.0KΩ
1
14
4.7KΩ
1
15
10KΩ
1
16
20KΩ
1
17
30KΩ
1
18
150KΩ
1
19
10KΩ
1
电位器
20
50KΩ
1
电位器
21
二极管
发光二极管
4
红、绿各2个
22
晶体管
9013
2
23
开关
单刀开关
3
可用1三挡开关代替
24
万能板
1
25
喇叭
1
附录2芯片引脚图
Ne555引脚图LM386引脚图
CD4017引脚图4093引脚图
目录
前言1
第一章设计要求及系统的组成2
1.1基本要求2
1.2系统结构组成2
第二章电路设计3
2.1系统电路的组成及工作原理3
2.2单元模块电路设计4
2.2.1脉冲产生电路4
2.2.2节拍信号产生电路5
2.2.3光显示电路8
2.2.4声显示电路9
第三章电路焊接与调试10
3.1实验仪器10
3.2电路焊接10
3.3调试10
3.4实验结果10
第四章实验结论及心得体会12
4.1实验结论12
4.2心得体会12
参考文献13
附录1元器件清单14
附录2芯片引脚图15
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