数字电路课程设计自动奏乐器设计.docx
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数字电路课程设计自动奏乐器设计
数字电路课程设计报告
设计课题：
自动奏乐器设计1
专业班级：
13电信本
学生姓名：
某某
学 号：
130802040
指导教师：
某某
设计时间：
自动奏乐器设计1
一、设计任务与要求
1．开机能自动奏一个乐曲，可以反复演奏；
2．速度可变；
3．并显示乐谱；
二、方案设计与论证
1、方案一、用8个NE555做8个频率不同的振荡器做8个音符，再并联输入到扬声器播放
通过并行输入到扬声实现器
8个时钟电路产生8个音符
图2-1（方案一方框图）
缺点是没有播放音符的显示电路，同时会一直循环播放，没有停止功能,无法有效地实现题目所要求的功能，所以不选择此方案。
2、方案二、主要利用8选一数据选择器来实现播放哪一个音符，同时用8进制计数器来产生地址码来实现选择，同时产生的8421码输入到cd4511里进行译码显示。
通过CD4511译码显示
产生不同频率的时钟脉冲，电位器控制播放快慢
8进制计数器产生8421码
利用8选一数据选择器实现循环输出
通过7个振荡电路产生7个不同频率的信号做7个音符
扬声器播放声音
图2-2（方案二方框原理图）
通过分析，结合设计电路性能指标、以及电路有显示播发的音符是哪一个的优点，和播发可以暂停以及可调速度的功能，综合这些优点，可实现基本要求，则本设计电路选择方案二进行焊接测试。
三、单元电路设计与参数计算
555定时器
555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。
外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。
它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。
其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。
几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。
555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。
双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。
图8-1555定时器内部框图
555电路的工作原理
555电路的内部电路方框图如图8-1所示。
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为
和
。
A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过
时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于
时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
是复位端，当其为0时，555输出低电平。
平时该端开路或接VCC。
Vc是控制电压端（5脚），平时输出
作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。
T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。
多谐振荡器的工作原理
多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。
多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。
如图8-4，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。
电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端
放电，使电路产生振荡。
电容C在
和
之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图8-5所示。
图8-4555构成多谐振荡器图8-5多谐振荡器的波形
输出信号的时间参数是：
T=
=0.7（R1+2R2）C
=0.7R2C
其中，
为VC由
上升到
所需的时间，
为电容C放电所需的时间。
555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于3.3MΩ。
外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。
因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。
设计原理：
1、直流电源设计
图3-1电源原理图
利用LM317的可调电压功能，调节R1的阻值，使得输出为5v电压。
公式U0=（1+R1/R2）*1.25V
2、时钟产生电路
图3-2震荡电路（时钟产生电路）
频率设置公式T=2.2*R2C1通过该变R2或者改变C1该变信号的频率，7个频率的参数设置可以为R21=22K，R22=33K，R23=44K，R24=50K，R25=70K，R26=80K，R27=90K。
同样可以改变电容c1的值来实现8个频率的不同。
C1的值选择2.2uf，3.3uf，4.7uf，或0.1uf（高频率是使用）
3、8进制计数器电路加数显电路
图3-3八进制计数器加显示电路
主要由一个74160构成的八进制计数器产生地址码实现，计数器ABCD端置0，计数器初时状态为0，开始计数，计到第七个CP信号完成时置数端有效，计数器回到初时状态0。
再通过CD4511译码在数码显示管上显示乐谱，并且输入到8选一数据选择器利用74LS151进行选择输出和循环。
4、功能电路
图3-2功能电路图
音符的输出主要由一个74151数据选择器来实现的，从而达到7个音符的循环播放输出。
利用八选一数据选择器选择输出来实现7个音符的输出，ABC是数据选择器的地址编码，这样就由数据选择器选择输出每个确定状态对应的音符。
使用T触发器的作用是为使占空比为1：
1，输出到一个ＴＦＦ调节占空比后再送到扬声器输出端。
音符对应的频率如下表所示：
音调
C高音）
7/B
6/A
5/G
4/F
3/E
2/D
1/C
频率Hz）
261.63x2
493.88
440.00
392.00
349.23
329.63
293.66
261.63
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图（不包括8个音符产生电路）
图4-1总电路图（不包括8个音符产生电路音符产生电路如图3-1所示）
2．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注（单价）
R2
1k~33k
10
0.1元
C1
2.2uf，3.3uf
电解电容（各4个）
8
0.5元
74LS160
1
2元
CD4511
1
2.5元
BS201
1
2元
74LS151
1
3元
五、安装与调试
1.电路安装
买好设计所需要的器材,按电路原理图焊接电路板。
2.电路调试
a．接自制电源或在实验箱上接通电源。
b．先测试计数数显电路，观察有没有完成8进制计数。
c．测试8个音符的频率是否不同，如果相同则进行重新修改电路。
d．接入测试号的8个音符到功能电路中完成最终测试。
六、性能测试与分析
1.直流电源测试与分析
（1）测试步骤
①将UI=220V,f0=50Hz接入电路板；
②观察两个发光二极管是否有亮；
③若两个发光二极管都亮，则用万用表交流电压档测降压后的电压U1；
④用万用表直流电压档测滤波后电压U4（由于接入了滤波电路所以整流电压等于U2）;
⑤用万用表直流电压档测输出的正负电压Uo.
（2）测试数据
U1=13.5VU2=20.5V
（3）数据处理及误差计算
1.变压器的副边输出电压为13.5V 理论 U=13V
η1=（13-13.5）/13*100%=3.8%
2.整流滤波电压稳压管的输入电压均为17.5V 理论 U=18V
η2=（18-17.5）/18*100%=2.7%
3.稳压管输出电压
UO=3~18v
（4）结论分析（包含误差分析）
A．结论
①集成直流稳压电路由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成；
②电源变压器起降压作用；
③整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压；
④滤波电路减小电压的脉动，使输出电压平滑；
⑤稳压电路使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响；
⑥在误差允许的范围内，滤波后电压等于降压后的1.2倍；整流后电压等于降压后的0.9倍。
B．误差分析
1．电路板上所用的各元件并不是完全和我们所计算的理论值相等，大小有不同。
2.导线接触不良或导线本身有电阻引起误差；
2.功能电路测试与分析
1．功能电路测试
（1）测试步骤
a．接通电源，打开开关，测试8个音符电路的频率是否相同。
b．测试计数器是否是0~7计数。
c．当调节电位器时观察计数快慢的变化，有没改变，同时听播放速度有没有随之变化。
（2）测试数据
a．音符F1：
20HZF2：
40HZF3：
60HZF4：
100HZF5：
90HZF6：
F7：
110HZ。
b．计数器按0~7计数并显示。
c．当调节电位器计数显示变快时，同时播放速度也变快，达到题目要求。
调试成功。
（3）结论分析
电路实现了开机自动播放7个音符的自动奏乐功能，当接通电源，蜂鸣器会按输入的7个音符按顺序不停的播放。
当按下快速档后计数变快，播放也变快，这是由于输入时钟的频率变大而引起的，当CLK的频率变大后计数加快，输出的ABC，三个地址码的输出也加快，8选一的选通输出也加快，播放就随之加快。
（4）误差分析
1电路板上所用的各元件并不是完全和我们所计算的理论值相等，大小有不同，不够精确导致误差。
2.导线接触不良或导线本身有电阻引起误差；
六、实验中遇到的问题
1、开始时音乐演奏速度太快，通过多次降低CLK的频率将速度变慢，才得到了相对比较好的演奏效果。
2、卡诺图化简为最简式时是通过真值表的形式将Q0~Q4转化为ABC表示的，化简出的表达式非常的复杂，容易化简错，从而导致电路图的连接特别容易错误，可以适当采用工具。
3实际频率设计的与理论有差别，导致声音不是很清晰。
七，作品图片展示
七、结论
这次课程设计，我是先从简单的几个音符的分频开始做，之后又参考了一些以前同学做过的资料，才得以日益完善自己的电路设计，细细推敲，一步一步的上手。
从最初的一点点想法，到最后一个规模庞大的电路，终于电路大功告成了。
且每次改动电路图后都要重新编译，完成新的波形仿真，一个小小的错误就会导致整个电路无法正常运行。
设计过程中出现的种种问题让我明白，出现任何一点小的误差就会导致整个文件系统的编译出现错误提示。
经过反复调试，但总是发出刺耳的声音，后多次调解CP1的频率才得到音符。
这次课设，我遇到了不少的麻烦，当遇到不懂的、不会的问题，要自己看书温故知新，要不耻下问请教同学，要请教老师指点迷津。
通过自己的努力和老师，同学的帮助，最终都被一一解决
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