電子課程設(shè)計(jì)電子節(jié)拍器的設(shè)計(jì)

1、 通 信 工 程 專業(yè)課程設(shè)計(jì)題單 班級(jí) 048131 學(xué)生 孫偉杰 課程名稱 電子課程設(shè)計(jì) 課 題 電子節(jié)拍器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求 節(jié)拍器具有聲光顯示功能：設(shè)有2/4，3/4，4/4三檔節(jié)拍轉(zhuǎn)換開關(guān)，音響有強(qiáng)弱之分。節(jié)拍速度連續(xù)可調(diào)。 課 題 發(fā) 給 日 期 2007年1月8號(hào) 課程設(shè)計(jì)完成日期 2007年1月19號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 評(píng)語(yǔ)： 評(píng)分： 摘 要數(shù)據(jù)選擇電路是數(shù)字系統(tǒng)中的常用單元電路，它主要由計(jì)數(shù)器組成。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)選擇電路的應(yīng)用場(chǎng)合很多，例如，在學(xué)習(xí)音樂(lè)中，同學(xué)培養(yǎng)節(jié)奏感用的音樂(lè)節(jié)拍器,就是數(shù)據(jù)選擇電路的一種具體應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)以ne555芯片和cd4093芯片組成振蕩電路,驅(qū)動(dòng)

2、發(fā)光二極管發(fā)光和蜂鳴器發(fā)出聲音，達(dá)到聲音和發(fā)光同步。cd4017組成的節(jié)拍選擇控制電路。當(dāng)開關(guān)與不同的管腳接通時(shí)。就會(huì)有不同的節(jié)拍。該節(jié)拍器的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，有3個(gè)模塊即節(jié)拍脈沖模塊、節(jié)拍選擇控制模塊、以及聲光同步顯示模塊組成。此電路是以ne555及cd4093構(gòu)成振蕩器產(chǎn)生節(jié)拍脈沖，并將脈沖輸入到cd4017構(gòu)成的節(jié)拍選擇控制開關(guān)，此電路是以ne555構(gòu)成自激振蕩器產(chǎn)生脈沖，并將脈沖輸入到蜂鳴器產(chǎn)生節(jié)拍的聲音,及驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管,達(dá)到聲光同步顯示效果。本次設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的是2/4，3/4，4/4三檔節(jié)拍轉(zhuǎn)換。節(jié)拍速度連續(xù)可調(diào)，音響有強(qiáng)弱。采用的技術(shù)和方法還可用于兒童學(xué)習(xí)音樂(lè)培養(yǎng)節(jié)奏感或是喜歡音

3、樂(lè)要入門的人練習(xí)有一定的幫助。關(guān)鍵詞： 節(jié)拍器 振蕩器 數(shù)據(jù)選擇器目 錄前言4第一章 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5第二章 電子節(jié)拍器電路設(shè)計(jì)2.1方案論證及確定6第三章 具體電路設(shè)計(jì)3.1節(jié)拍脈沖振蕩電路93.1.1 振蕩電路93.1.2施密特觸發(fā)器103.2顯示電路103.3電子節(jié)拍控制電路11第四章 電路焊接與調(diào)試4.1電路的焊接134.1電路調(diào)試與分析13結(jié)論14參考文獻(xiàn)15附 錄16前 言最早的節(jié)拍器  發(fā)明于1816年，發(fā)明者是德國(guó)的約翰內(nèi)波穆克梅爾采爾。他是機(jī)械樂(lè)器的創(chuàng)制人，曾研制出百音琴（即機(jī)械樂(lè)隊(duì)）、助聽器以及音樂(lè)節(jié)拍器。1816年，他發(fā)明的第一只較

4、為完善的節(jié)拍器在奧地利首都維也納首次與公眾見面，從此，節(jié)拍器就不脛而走，成為全世界音樂(lè)愛好者的寵物。隨著社會(huì)文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)在各個(gè)近代學(xué)科門類和技術(shù)領(lǐng)域占有不可或缺的核心地位。在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程中，數(shù)字電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。電子節(jié)拍器也越來(lái)越多，價(jià)格比較高，因此，我們可以通過(guò)所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)一種比較簡(jiǎn)單及成本較低的音樂(lè)節(jié)拍器。電子節(jié)拍器在學(xué)習(xí)音樂(lè)中起著重要作用。如下：1、確定樂(lè)曲的速度，有的曲子要求用某一速度進(jìn)行練習(xí)，通過(guò)節(jié)拍器可以找到該速度；2、幫助對(duì)于節(jié)奏感較差的學(xué)生（拖拍、搶拍、節(jié)奏不穩(wěn)），通過(guò)節(jié)拍器的輔助練習(xí)，一段時(shí)間后

5、可以大大改善這種現(xiàn)象?；疽笕缦拢?、 要求本節(jié)拍器具有聲光顯示功能；2、 設(shè)有2/4，3/4，4/4三檔節(jié)拍轉(zhuǎn)換開關(guān)，音響有強(qiáng)弱之分；3、 節(jié)拍速度連續(xù)可調(diào)。第一章 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)11系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖1.1所示節(jié)拍脈沖發(fā)生器節(jié)拍種類控制電路聲音播放電路顯示光顯示電路 圖1-1 電子節(jié)拍器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖該電子節(jié)拍器主要是由節(jié)拍脈沖發(fā)生器、節(jié)拍種類控制器、聲音顯示及燈光顯示等組成的。節(jié)拍脈沖發(fā)生器是調(diào)節(jié)每拍的時(shí)間間隔，節(jié)拍種類控制器是選擇2/4拍、3/4拍、4/4拍。聲音和燈光同時(shí)顯示。第二章 電子節(jié)拍器電路設(shè)計(jì)1方案論證及確定（1）方案一：如圖1.1.1所示：圖1.1.1 電子節(jié)拍器工作原理：

6、 當(dāng)電源接通時(shí)，vcc通過(guò)電位器rp1、rp3和電阻r3、r4向電容c3充電。當(dāng)電容c3開始充電瞬間，由于ic1的2腳處處于零電平，所以輸出端3腳呈高電平；隨著電容c3的連續(xù)充電，2腳電位上升到vc22/3vcc 時(shí)，輸出端3腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑琲c1內(nèi)的放電管導(dǎo)通，電容c3重新充電。如此周而復(fù)始，形成振蕩。 ic1的3腳有兩路輸出：一路有三極管vt5組成的快拍電平轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)a1、a2反相器，送入二極管vd6、vd7構(gòu)成的或門電路，又經(jīng)a5、a6反相器，通過(guò)分壓電位器rp4，三極管vt8放大，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器bl發(fā)出快節(jié)奏的節(jié)拍聲。另一路經(jīng)三極管vt2放大，其集電極輸出一部分信號(hào)由三極管vt3進(jìn)

7、一步放大，使發(fā)光二極管vd3隨著快節(jié)奏的蜂鳴聲而同步閃爍綠光；vt2集電極輸出的另一部分信號(hào)給由ic2構(gòu)成的計(jì)數(shù)/分配器作為時(shí)鐘輸入，由選擇開關(guān)s2作為ic2的輸出，以作為三種模擬數(shù)據(jù)選擇器，通過(guò)ic2的1腳輸出不同的脈寬，由三極管vt6射極輸出去控制三極管vt7集電極輸出方波信號(hào)，使之形成慢節(jié)拍，并通過(guò)或門電路中的二極管vd6，經(jīng)反相器a5、a6去驅(qū)動(dòng)三極管vt8使bl發(fā)出慢節(jié)奏的蜂鳴聲。此時(shí)，ic2的2腳出現(xiàn)有規(guī)律的忽高忽低電平，使三極管vt4在導(dǎo)通、截止兩種狀態(tài)之間交替轉(zhuǎn)換，而發(fā)光二極管vd4將隨著慢節(jié)奏的蜂鳴聲而同步閃動(dòng)著紅色的光亮。這樣，選擇開關(guān)s2置不同的擋位，蜂鳴器bl將發(fā)出有比

8、例的快、慢節(jié)拍聲，發(fā)光二極管vd3、vd4也跟隨閃著有比例的紅、綠閃光信號(hào)。（2）方案二： 如圖1.1. 2所示: 圖1.1.1 電子節(jié)拍器工作原理：圖中ici-1、ici-2（1/4cd4093）是用cmos與非門構(gòu)成的典型的方波振蕩電路。當(dāng)電容c1為“1”、ici-1輸出為“0”d6導(dǎo)通；d5截止，使得ici-1輸入一個(gè)為“1”、一個(gè)為“0”經(jīng)過(guò)與非門使輸出為“1”如此反復(fù)，形成節(jié)拍脈沖振蕩器。通過(guò)rp1可以調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間間隔。 cd 4017為十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分配器。它是由越翰遜計(jì)數(shù)器和譯碼器兩部分組成。他有三個(gè)輸入端（復(fù)位端r、時(shí)鐘端cp和cpe）和十給譯碼輸出端q0q9。在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，只

9、有q0為高電平“1”狀態(tài)。其他輸出端均為低電平狀態(tài)“0”。當(dāng)有脈沖輸入時(shí)，輸出端依次變?yōu)楦唠娖健?”狀態(tài)，q0端變?yōu)榈碗娖健?”狀態(tài)。cd4017在實(shí)驗(yàn)中起到節(jié)拍種類控制器。ne555在實(shí)驗(yàn)中提供脈沖驅(qū)動(dòng)蜂鳴器bl，ci-3、ici-4驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使得能與蜂鳴器同步工作。（3）比較及確定方案： 方案一： 優(yōu)點(diǎn)：完整功能比較全。 缺點(diǎn)：電路比較復(fù)雜，不便封裝。且cd4022在生產(chǎn)生活中用的不是很廣。方案二： 優(yōu)點(diǎn)：功能完善，電路簡(jiǎn)單，元器件使用廣泛，電路小封裝簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：元器件有點(diǎn)浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)比較討論，本小組采用方案二。第三章 具體電路設(shè)計(jì)3.1節(jié)拍脈沖振蕩電路3.1.1振蕩電路如圖3.1.

10、1所示 圖3.1.1 節(jié)拍脈沖振蕩電路 節(jié)拍脈沖振蕩電路是：當(dāng)電容c1為“1”、ici-1輸出為“0”d6導(dǎo)通；d5截止，使得ici-1輸入一個(gè)為“1”、一個(gè)為“0”經(jīng)過(guò)與非門使輸出為“1”如此反復(fù)，形成節(jié)拍脈沖振蕩器。通過(guò)rp1可以調(diào)節(jié)脈沖的時(shí)間間隔。從而為ne555提供驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，ne555振蕩使蜂鳴器bl發(fā)出聲音 。t=（r4+2r5）*c*ln2312施密特觸發(fā)器 如圖2.1.2所示：施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)是：電路有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，電路狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)依靠外觸發(fā)電平來(lái)維持。一旦外觸發(fā)電平下降到一定電平后電路立即恢復(fù)大初始穩(wěn)態(tài)。其工作原理是施密特觸發(fā)器有兩個(gè)觸發(fā)電平vth和vtl，當(dāng)輸入信號(hào)大于v

11、th時(shí)，vo狀態(tài)翻轉(zhuǎn)；一直到vi下降到低于vth時(shí)vo又恢復(fù)到初始狀態(tài)。電路的回差電壓 vt=vth vtl。 集成施密特觸發(fā)器由于性能好，觸發(fā)電平穩(wěn)定，得到了廣泛應(yīng)用。例如cmos集成cd4093是2輸入4與非門施密特觸發(fā)器。3.2顯示電路 如圖3.2.1所示: 圖 3.2.1 顯示電路cd4093振蕩時(shí),其中的兩個(gè)與非門為ne555提供驅(qū)動(dòng)脈沖，使蜂鳴器發(fā)出聲音。另外兩個(gè)與非門則控制led1led3，從而使led1led3和蜂鳴器發(fā)出的聲音同步。led4led7一直亮著，表示是4拍的節(jié)奏。cd4093其工作原理是施密特觸發(fā)器有兩個(gè)觸發(fā)電平vth和vtl，當(dāng)輸入信號(hào)大于vth時(shí)，vo狀態(tài)翻轉(zhuǎn)

12、；一直到vi下降到低于vth時(shí)vo又恢復(fù)到初始狀態(tài)。33電子節(jié)拍控制電路 如圖3.3.1所示:圖 3.3.1 電子節(jié)拍控制電路以cd4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為節(jié)拍選擇控制器。當(dāng)s1和s2閉合時(shí)，電路為2/4拍，聲音表現(xiàn)為強(qiáng)、弱、強(qiáng)、弱反復(fù)出現(xiàn)，發(fā)光二極管為亮、暗、亮、暗反復(fù)出現(xiàn)。當(dāng)s1、s2和s3同時(shí)閉合時(shí)，電路為3/4拍，聲音表現(xiàn)為強(qiáng)、弱、弱；強(qiáng)、弱、弱反復(fù)出現(xiàn)，發(fā)光二極管為亮、暗、暗，亮、暗、暗反復(fù)出現(xiàn)。當(dāng)s1、s2、s3、s4同時(shí)閉合時(shí)，電路為4/4拍，聲音表現(xiàn)為強(qiáng)、弱、弱、弱，強(qiáng)、弱、弱、弱反復(fù)出現(xiàn)，發(fā)光二極管為亮、暗、暗、暗，亮、暗、暗、暗反復(fù)出現(xiàn)。cd4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器，它是一

13、種用途非常廣泛的電路。其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是o0、o1、o2、o9依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 cd4017有3個(gè)輸（mr、cp0和cp1），mr為清零端，當(dāng)在mr端上加高電平或正脈沖時(shí)其輸出o0為高電平，其余輸出端（o1o9）均為低電平。cp0和cpl是2個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由cp0端輸入；若要用下降沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由cpl端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。cd4017有10個(gè)輸出端（o0o9）和1個(gè)進(jìn)位輸出端o5-9。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，o5-9就可得到1個(gè)進(jìn)

14、位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信號(hào)。 由此可見，當(dāng)cd4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。 第四章 電路焊接與調(diào)試4.1 電路的焊接 參照電路圖，先把芯片插座在電路板上進(jìn)行布局，然后按照安裝原則進(jìn)行合理、有序的焊接，注意虛焊漏焊，一些芯片的耐熱性比較差，要防止燒壞芯片。4.2 電路的調(diào)試與分析4.2.1 電路調(diào)試 1、接上電源后，把開關(guān)s1合上，蜂鳴器發(fā)出聲音（強(qiáng)、強(qiáng)）發(fā)光二極管也同步發(fā)光（亮、亮）。 2、同時(shí)把開關(guān)s1、s2合上。蜂鳴器發(fā)出聲音（強(qiáng)、弱，強(qiáng)、弱）發(fā)光二極管也同步發(fā)光（亮、暗，亮、暗）表示2/4拍的節(jié)奏。 3、同時(shí)

15、把開關(guān)s1、s2和s3合上。蜂鳴器發(fā)出聲音（強(qiáng)、弱、弱，強(qiáng)、弱、弱）發(fā)光二極管也同步發(fā)光（亮、暗、暗，亮、暗、暗）表示3/4拍的節(jié)奏。 4、同時(shí)把開關(guān)s1、s2、s3及s4合上。蜂鳴器發(fā)出聲音（強(qiáng)、弱、弱、弱，強(qiáng)、弱、弱、弱）發(fā)光二極管也同步發(fā)光（亮、暗、暗、暗，亮、暗、暗、暗）表示4/4拍的節(jié)奏。 4.2.2 調(diào)試分析 當(dāng)把電源接上后,閉合s1開關(guān)后,鋒鳴器發(fā)出聲音,而發(fā)光二極管有三個(gè)會(huì)亮,但不穩(wěn)定,有四個(gè)不亮,就用萬(wàn)用表檢查顯示電路,發(fā)現(xiàn)電容兩只腳是虛焊,導(dǎo)致接觸不良,使三個(gè)發(fā)光二極管工作不穩(wěn)定,而另外四個(gè)是因?yàn)樵陔娐钒宸胖迷骷r(shí),粗心大意把正負(fù)極接反了,使之不能工作.修改顯示電路后，發(fā)

16、光二極管能正常工作，當(dāng)把節(jié)拍控制開關(guān)（s2、s3、s4）閉合后，卻無(wú)法改變電路工作狀態(tài)，只能實(shí)現(xiàn)2/4拍。經(jīng)過(guò)反復(fù)的檢查電路及對(duì)比電路圖，發(fā)現(xiàn)開關(guān)（s2、s3、s4）與接地一端之間少接了一個(gè)10k電阻，當(dāng)接上電阻后開關(guān)也能正常工作。有時(shí)也不能很好的完成整個(gè)功能。重新檢查電路時(shí)發(fā)現(xiàn)好幾個(gè)虛焊的接點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查和焊接后，能穩(wěn)定的完成各個(gè)功能。結(jié) 論數(shù)據(jù)選擇電路是數(shù)字系統(tǒng)中的常用單元電路，它主要由計(jì)數(shù)器組成。在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)選擇電路的應(yīng)用場(chǎng)合很多，例如，在學(xué)習(xí)音樂(lè)中，同學(xué)培養(yǎng)節(jié)奏感用的音樂(lè)節(jié)拍器,就是定時(shí)電路的一種具體應(yīng)用。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，一定程度上提高了分析能力、動(dòng)手操作能力及合作能力。在這

17、過(guò)程中，遇到不懂的知識(shí)作者能夠通過(guò)各種途徑查找到所需資料，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)也能夠獨(dú)立思考和互相討論研究出來(lái)，學(xué)到了不少的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。不僅對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)，比如部分芯片的使用方法，理論值與實(shí)際值的差別等，還提高了對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字電路的設(shè)計(jì)能力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該先完全領(lǐng)會(huì)要求再去動(dòng)手，不能急躁。更重要的是學(xué)到了科學(xué)試驗(yàn)中的所需的毅力與耐心。知道了有科學(xué)的態(tài)度才能完成科學(xué)的試驗(yàn)。振蕩電路中由于對(duì)cd4093芯片不熟悉,走了彎路。使整個(gè)電路不能很好的完成。按本小組所設(shè)計(jì)的電路可用一個(gè)發(fā)光二極管就可以拉，當(dāng)初的設(shè)想是4個(gè)發(fā)光二極管代表4拍子，剩下三個(gè)分別表示2/4、3/4、4/4拍，當(dāng)2/4拍十三個(gè)只有一個(gè)亮，當(dāng)3/4拍十有2個(gè)亮，當(dāng)4/4拍時(shí)有三個(gè)亮。由于時(shí)間有限，本小組還沒完善電路。但基本符合此次課程設(shè)計(jì)的要求。兩周的實(shí)習(xí)，經(jīng)歷了查資料，設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，明白了設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜，及對(duì)所學(xué)知識(shí)掌