电子节拍器毕业设计.docx

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电子节拍器毕业设计

通信工程专业

课程设计题单

班级048131学生孙伟杰

课程名称电子课程设计

课题电子节拍器的设计

设计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。

课题发给日期2007年1月8号

课程设计完成日期2007年1月19号

指导教师陈黎娟

评语：

评分：

摘要

数据选择电路是数字系统中的常用单元电路，它主要由计数器组成。

在实际工作中，数据选择电路的应用场合很多，例如，在学习音乐中，同学培养节奏感用的音乐节拍器,就是数据选择电路的一种具体应用。

本次设计以NE555芯片和CD4093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CD4093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。

本次设计所实现的是2/4，3/4，4/4三档节拍转换。

节拍速度连续可调，音响有强弱。

采用的技术和方法还可用于儿童学习音乐培养节奏感或是喜欢音乐要入门的人练习有一定的帮助。

关键词：

节拍器振荡器数据选择器

前言……………………………………………………4

第一章系统的组成与结构

1.1系统结构图………………………………………5

第二章电子节拍器电路设计

2.1方案论证及确定…………………………………6

第三章具体电路设计

3.1节拍脉冲振荡电路………………………………9

3.1.1振荡电路………………………………………9

3.1.2施密特触发器…………………………………10

3.2显示电路…………………………………………10

3.3电子节拍控制电路………………………………11

第四章电路焊接与调试

4.1电路的焊接………………………………………13

4.1电路调试与分析…………………………………13

结论…………………………………………………14

参考文献……………………………………………15

附录…………………………………………………16

前言

最早的节拍器  发明于1816年，发明者是德国的约翰•内波穆克•梅尔采尔。

他是机械乐器的创制人，曾研制出百音琴（即机械乐队）、助听器以及音乐节拍器。

1816年，他发明的第一只较为完善的节拍器在奥地利首都维也纳首次与公众见面，从此，节拍器就不胫而走，成为全世界音乐爱好者的宠物。

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。

电子节拍器也越来越多，价格比较高，因此，我们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。

电子节拍器在学习音乐中起着重要作用。

如下：

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（拖拍、抢拍、节奏不稳），通过节拍器的辅助练习，一段时间后可以大大改善这种现象。

基本要求如下：

1、要求本节拍器具有声光显示功能；

2、设有2/4，3/4，4/4三档节拍转换开关，音响有强弱之分；

3、节拍速度连续可调。

第一章系统的组成与结构

1．1系统结构图

如图1.1所示

图1-1电子节拍器系统结构图

该电子节拍器主要是由节拍脉冲发生器、节拍种类控制器、声音显示及灯光显示等组成的。

节拍脉冲发生器是调节每拍的时间间隔，节拍种类控制器是选择2/4拍、3/4拍、4/4拍。

声音和灯光同时显示。

第二章电子节拍器电路设计

1．方案论证及确定

（1）方案一：

如图1.1.1所示：

图1.1.1电子节拍器

工作原理：

当电源接通时，VCC通过电位器RP1、RP3和电阻R3、R4向电容C3充电。

当电容C3开始充电瞬间，由于IC1的2脚处处于零电平，所以输出端3脚呈高电平；随着电容C3的连续充电，2脚电位上升到VC2≥2/3VCC时，输出端3脚由高电平变为低电平，IC1内的放电管导通，电容C3重新充电。

如此周而复始，形成振荡。

IC1的3脚有两路输出：

一路有三极管VT5组成的快拍电平转换电路，经A1、A2反相器，送入二极管VD6、VD7构成的或门电路，又经A5、A6反相器，通过分压电位器RP4，三极管VT8放大，驱动蜂鸣器BL发出快节奏的节拍声。

另一路经三极管VT2放大，其集电极输出一部分信号由三极管VT3进一步放大，使发光二极管VD3随着快节奏的蜂鸣声而同步闪烁绿光；VT2集电极输出的另一部分信号给由IC2构成的计数/分配器作为时钟输入，由选择开关S2作为IC2的输出，以作为三种模拟数据选择器，通过IC2的1脚输出不同的脉宽，由三极管VT6射极输出去控制三极管VT7集电极输出方波信号，使之形成慢节拍，并通过或门电路中的二极管VD6，经反相器A5、A6去驱动三极管VT8使BL发出慢节奏的蜂鸣声。

此时，IC2的2脚出现有规律的忽高忽低电平，使三极管VT4在导通、截止两种状态之间交替转换，而发光二极管VD4将随着慢节奏的蜂鸣声而同步闪动着红色的光亮。

这样，选择开关S2置不同的挡位，蜂鸣器BL将发出有比例的快、慢节拍声，发光二极管VD3、VD4也跟随闪着有比例的红、绿闪光信号。

（2）方案二：

如图1.1.2所示:

图1.1.1电子节拍器

工作原理：

图中ICI-1、ICI-2（1/4CD4093）是用CMOS与非门构成的典型的方波振荡电路。

当电容C1为“1”、ICI-1输出为“0”D6导通；D5截止，使得ICI-1输入一个为“1”、一个为“0”经过与非门使输出为“1”如此反复，形成节拍脉冲振荡器。

通过RP1可以调节脉冲的时间间隔。

CD4017为十进制计数/分配器。

它是由越翰逊计数器和译码器两部分组成。

他有三个输入端（复位端R、时钟端CP和CPE）和十给译码输出端Q0—Q9。

在复位状态时，只有Q0为高电平“1”状态。

其他输出端均为低电平状态“0”。

当有脉冲输入时，输出端依次变为高电平“1”状态，Q0端变为低电平“0”状态。

CD4017在实验中起到节拍种类控制器。

NE555在实验中提供脉冲驱动蜂鸣器BL，CI-3、ICI-4驱动发光二极管，使得能与蜂鸣器同步工作。

（3）比较及确定方案：

方案一：

优点：

完整功能比较全。

缺点：

电路比较复杂，不便封装。

且CD4022在生产生活中用的不是很广。

方案二：

优点：

功能完善，电路简单，元器件使用广泛，电路小封装简单。

缺点：

元器件有点浪费。

经过比较讨论，本小组采用方案二。

第三章具体电路设计

3.1节拍脉冲振荡电路

3.1.1振荡电路

如图3.1.1所示

图3.1.1节拍脉冲振荡电路

节拍脉冲振荡电路是：

当电容C1为“1”、ICI-1输出为“0”D6导通；D5截止，使得ICI-1输入一个为“1”、一个为“0”经过与非门使输出为“1”如此反复，形成节拍脉冲振荡器。

通过RP1可以调节脉冲的时间间隔。

从而为NE555提供驱动脉冲信号，NE555振荡使蜂鸣器BL发出声音。

T=（R4+2R5）*C*ln2

3．1．2施密特触发器

如图2.1.2所示：

施密特触发器的特点是：

电路有两个稳定状态，电路状态的翻转依靠外触发电平来维持。

一旦外触发电平下降到一定电平后电路立即恢复大初始稳态。

其工作原理是施密特触发器有两个触发电平VTH和VTL，当输入信号大于VTH时，VO状态翻转；一直到Vi下降到低于VTH时VO又恢复到初始状态。

电路的回差电压

VT=VTH—VTL。

集成施密特触发器由于性能好，触发电平稳定，得到了广泛应用。

例如CMOS集成CD4093是2输入4与非门施密特触发器。

3.2显示电路

如图3.2.1所示:

图3.2.1显示电路

CD4093振荡时,其中的两个与非门为NE555提供驱动脉冲，使蜂鸣器发出声音。

另外两个与非门则控制LED1～LED3，从而使LED1～LED3和蜂鸣器发出的声音同步。

LED4～LED7一直亮着，表示是4拍的节奏。

CD4093其工作原理是施密特触发器有两个触发电平VTH和VTL，当输入信号大于VTH时，VO状态翻转；一直到Vi下降到低于VTH时VO又恢复到初始状态。

3．3电子节拍控制电路

如图3.3.1所示:

图3.3.1电子节拍控制电路

以CD4017十进制计数器作为节拍选择控制器。

当S1和S2闭合时，电路为2/4拍，声音表现为强、弱、强、弱……反复出现，发光二极管为亮、暗、亮、暗……反复出现。

当S1、S2和S3同时闭合时，电路为3/4拍，声音表现为强、弱、弱；强、弱、弱……反复出现，发光二极管为亮、暗、暗，亮、暗、暗……反复出现。

当S1、S2、S3、S4同时闭合时，电路为4/4拍，声音表现为强、弱、弱、弱，强、弱、弱、弱……反复出现，发光二极管为亮、暗、暗、暗，亮、暗、暗、暗……反复出现。

CD4017十进制计数／分频器，它是一种用途非常广泛的电路。

其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、…、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。

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O0为高电平，其余输出端（O1～O9）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（O0～O9）和1个进位输出端～O5-9。

每输入10个计数脉冲，～O5-9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。

第四章电路焊接与调试

4.1电路的焊接

参照电路图，先把芯片插座在电路板上进行布局，然后按照安装原则进行合理、有序的焊接，注意虚焊漏焊，一些芯片的耐热性比较差，要防止烧坏芯片。

4.2电路的调试与分析

4.2.1电路调试

1、接上电源后，把开关S1合上，蜂鸣器发出声音（强、强……）发光二极管也同步发光（亮、亮……）。

2、同时把开关S1、S2合上。

蜂鸣器发出声音（强、弱，强、弱……）发光二极管也同步发光（亮、暗，亮、暗……）表示2/4拍的节奏。

3、同时把开关S1、S2和S3合上。

蜂鸣器发出声音（强、弱、弱，强、弱、弱……）发光二极管也同步发光（亮、暗、暗，亮、暗、暗……）表示3/4拍的节奏。

4、同时把开关S1、S2、S3及S4合上。

蜂鸣器发出声音（强、弱、弱、弱，强、弱、弱、弱……）发光二极管也同步发光（亮、暗、暗、暗，亮、暗、暗、暗……）表示4/4拍的节奏。

4.2.2调试分析

当把电源接上后,闭合S1开关后,锋鸣器发出声音,而发光二极管有三个会亮,但不稳定,有四个不亮,就用万用表检查显示电路,发现电容两只脚是虚焊,导致接触不良,使三个发光二极管工作不稳定,而另外四个是因为在电路板放置元器件时,粗心大意把正负极接反了,使之不能工作.修改显示电路后，发光二极管能正常工作，当把节拍控制开关（S2、S3、S4）闭合后，却无法改变电路工作状态，只能实现2/4拍。

经过反复的检查电路及对比电路图，发现开关（S2、S3、S4）与接地一端之间少接了一个10K电阻，当接上电阻后开关也能正常工作。

有时也不能很好的完成整个功能。

重新检查电路时发现好几个虚焊的接点。

经过反复检查和焊接后，能稳定的完成各个功能。

结论

数据选择电路是数字系统中的常用单元电路，它主要由计数器组成。

在实际工作中，数据选择电路的应用场合很多，例如，在学习音乐中，同学培养节奏感用的音乐节拍器,就是定时电路的一种具体应用。

通过这次课程设计，一定程度上提高了分析能力、动手操作能力及合作能力。

在这过程中，遇到不懂的知识作者能够通过各种途径查找到所需资料，出现问题时也能够独立思考和互相讨论研究出来，学到了不少的经验和教训。

不仅对课堂所学知识，比如部分芯片的使用方法，理论值与实际值的差别等，还提高了对简单的数字电路的设计能力。

设计时应该先完全领会要求再去动手，不能急躁。

更重要的是学到了科学试验中的所需的毅力与耐心。

知道了有科学的态度才能完成科学的试验。

振荡电路中由于对CD4093芯片不熟悉,走了弯路。

使整个电路不能很好的完成。

按本小组所设计的电路可用一个发光二极管就可以拉，当初的设想是4个发光二极管代表4拍子，剩下三个分别表示2/4、3/4、4/4拍，当2/4拍十三个只有一个亮，当3/4拍十有2个亮，当4/4拍时有三个亮。

由于时间有限，本小组还没完善电路。

但基本符合此次课程设计的要求。

两周的实习，经历了查资料，设计的整个过程，明白了设计电路的复杂，及对所学知识掌握不牢带来的后果，明白了电路系统的庞大以及设计一个电路所涉及的知识、理论非常广，明白了除了学习本专业的知识外，应该多注意与专业有关的资料，拓宽自己的知识面。

参考文献

[1]杨帮文.实用电子小制作精选.北京.人民邮电出版社.2006年1月

[2]佚名.娱乐应用电路集粹.机械工业出版社.2005年2月

[3]阎石.数字电子技术基础.北京.高等教育出版社2006年5月

附录1元器件清单

CD4093一块

CD4017一块

NE555一块

喇叭一个

三极管9013两个

发光二极管七个

二极管三个

单刀开关四个

电位器两个

电阻电容若干

附录2原理图