电子节拍器课程设计.docx

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1、课程设计报告课程设计名称：电子课程设计课程设计题目：电子节拍器学 院 名 称：信息工程学院专业： 通信工程班级：130422 班学号：姓名：评分：教师：2023 年 9 月 25 日数字电路课程设计任务书15 16 学年 第 1 学期 第 2 周 3 周题目电子节拍器内容及要求根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：CD4017，8050，LM386进度安排1. 设计、仿真、画 PCB 线路板图、领元器件：5 天；2. 制作、焊接：3 天3调试：6 天4. 验收：1 天5. 提交报告：2023

2、-2023 学年第一学期 4-6 周学生姓名：指导时间：第 13 周任务下达15 年 9 月7日指导地点：E610室任务完成15 年 9 月 25 日考核方式1.评阅 指导教师张小林2.辩论3.实际操作4.其它系部主任注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计完毕后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。2摘 要当今乐器的进展变化越来越快，歌曲的演奏离不开乐器，而电子节拍器作为一种节拍可调、声音动听、本钱低、简洁自制、调试简洁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

3、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和蜂鸣器发出声音，到达声音和发光同步。CD4017 组成的节拍选择掌握电路。当开关与不同的管脚接通时，就会有不同的节拍。该节拍器的设计承受模块化构造，有 3 个模块即节拍脉冲模块、节拍选择掌握模块、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 构成的节拍选择掌握开关，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

4、级管,到达声光同步显示效果。在三周的时间内，通过作者与同组人的共同努力和在指导教师的帮助下，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，转变成自己的争论成果。通过本次设计，使作者明白了一般电子产品的设计及制作过程，加深了对专业根底课的生疏，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宠爱。关键字：节拍器，脉冲信号，声光显示，蜂鸣器名目前言1第一章设计要求21. 1设计根本要求2其次章设计方案的选择32. 1方案设计32. 2方案比较4第三章系统的设计及仿真53.1脉冲产生电路73.2节拍信号产生电路73.3声光显示电路10第四章 试验、调试及结果分析1 34.

5、 1试验及调试1 04. 2测试结果与分析1 0第五章 收获与体会1 3参考文献1 7附录一元件清单1 8附录二总设计图1 9附录三实物图2 0附录四PCB制图21前 言现代音乐的进展以及音乐对人们生活的重要影响，使得乐器进展变得更加迅猛， 人们对乐器的要求越来越高。人们期望乐器的进展能够实现智能化及人性化，而节拍器则是乐器当中必不行少的元器件。而作为一名二十一世纪的大学生，不仅仅要将理论学问学会，更为重要是要将所学学问用于实际生活中，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. 梅尔策尔制造的节

6、拍器。梅尔策尔的节拍器外形呈金字塔形，内部为时钟构造，有齿轮及发条，带动一摆杆，摆杆每次摇摆 完毕时发出锋利的 “滴哒”声，这些滴哒声的速度可依据刻在摆杆上的游尺刻度上下移动摆锤，进展调整，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。以前的节拍器繁琐简单且不行调，而现在进展了一种型的节拍器电子节拍器，电子节拍器是一种颖的节拍器，它具有应用 范围广、节拍可调，声音动听、本钱低、简洁自制、调试简洁等优点。学习了两年的专业根底课，学院为了检验学生对专业根底课学问的了解和实际动手力量，在大三上学期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

7、际的力量，分析和处理问题的力量。通过这样的课程设计，提高学生对专业根底课的学习兴趣，提高学生实际操作力量，使学生受益匪浅。1第一章 设计要求1.1设计根本要求本节拍器具有声光显示功能，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，到达声音和发光同步。2、实现 2/4，3/4，4/4 三档节拍转换开关：CD4017 组成的节拍选择掌握电路，通过清零端，当开关与不同的管脚接通时， 就会有不

8、同的节拍。3、音响有强弱之分，节拍速度连续可调：依据振荡电路的周期公式，可通过调整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。2其次章设计方案的选择2.1 方案设计通过几天的图书馆查阅以及网上资料，我们提取出了两种方案。方案一：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局部，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。3方案二：现有方案二总电

9、路图如图 2-2 所示：图 2-2方案二总电路图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 R4、CD4017 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展仿真，方案一和方案二都可行，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洁，使用非门CD4069、与非门CD4011和十进制计数 器CD4017三种常用的芯片，线路连接也比较简洁。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，方案一的驱动力量或许不够，蜂

10、鸣器发出的声音可能比较小，这样的音调信号假设要进展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，故最终打算用方案二。4第三章 系统设计及仿真本设计电路主要由四局部组成，其分别是：脉冲产生电路、节拍信号产生电路、灯光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。设计参考原理框图如以下图所示图 3-1 所示：脉冲产生电路节 拍 信 号产生电路发声电路显示电路图 3-1 系统组成框图以 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，到达声音和发光同步。C

11、D4017 组成的节拍选择掌握电路。当开关与不同的管脚接通时。就会有不同的节拍。该节拍器的设计承受模块化构造，有 3 个模块即节拍脉冲模块、节拍选择掌握模块、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 构成的节拍选择掌握开关，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,到达声光同步显示效果。53.1 脉冲产生电路脉冲产生电路，用来产生矩形脉冲信号作为节拍信号产生电路的掌握信号，由555 芯片完成。电路如图3-4所示。电路通过555自激震荡产生方波输出，555多谐

12、振荡器的根本 原理：当输出端3端低电寻常，VCC经过R1、R2、R3给C1充电，当电容两端电压充电至Vc2/3Vcc触发器电平Vt+时，电路马上发生翻转,使得3端输出变为低电平，即V =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0电至两端电压Vc1/3Vcc时，电路发生翻转，使得输出变为高电平，即V =1。电路不0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=0.7R2+R3C1式2.3振荡周期为:T

13、=0.7(R1+2RW1)C1式2.4其26端、3端的工作波形如图2.2所示：图3-2 555芯片管脚图图3-3工作波形其振荡频率打算拍速，调整R3可以转变振荡器的振荡频率,为使节拍速度不至太6快或太慢,选择0100K的可变电阻以及0.01uf的电容,使得振荡器IC1的振荡周期在0.5S到1.6S内可变。3.2 节拍信号产生电路图 3-4 脉冲产生电路节拍信号产生电路，以脉冲信号作为输入信号产生节拍信号。节拍产生器主要由脉冲安排器 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，输入其次个脉冲后Q2 输

14、出高电平，以此类推，输入十个脉冲后电路恢复初始状态。假设把某个输出端接到复位端MR，当该输出端为高电寻常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端上形成不同的节拍输出。CD4017，是一种用途格外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Q0Q9 及 1 个进位端Q5-9。7CD4017 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Q1Q9均为低电平。CP0 和 CPl 是 2 个时钟输入端，假设要用上升沿来计数，则信号由 CP0 端输入；假设要用下降沿来计数，则信

15、号由CPl 端输入。设置 2 个时钟输入端，级联时比较便利，可驱动更多二极管发光。CD4017 有 10 个输出端Q0Q9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， 故可直接用作挨次脉冲发生器。其功能表见表 3-1，波形图如图 3-5:表 3-1CD4017 功能表8图 3-5CD4017 波形图CD4017很简洁构成节拍信号掌握电路，产生相应的分频信号，与时钟信号一起掌握发光二极管发光和喇叭发声，电路图如下图。图3-6 节拍

16、信号产生电路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信号反响到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。其波形图如以下图9图3-72/4拍波形图图3-83/4拍波形图图3-94/4拍波形图103.3 声光显示电路显示电路,灯光使用节拍信号掌握；发声电路，利用功率较大的放大电路来驱动发生器。当Q0、Q2、Q4、Q6其中一路输出高电寻常，通过与其相连接的发光二极连接到地从而同步发光，另外二极管与四个电阻相连，由于R5的阻值小于R6、R7、R9的阻值,故当Q0输出高电寻常，声音掌握信号输出的电

17、流大一些，发出强音，区分于其他弱音信号。声音掌握信号输出后通过三级管放大，再输出到蜂鸣器进展发声，这样所听到的声音就大。声光显示电路如图3-10和图3-11所示图3-10光显电路电路1图3-11 声控电路下面以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。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。输入其次个脉冲后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M

18、R端为高电平，脉冲安排器快速进入复位状态，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。12第四章 试验、调试及结果分析4.1试验及调试经过前期的资料查询及探讨等预备工作，已经确定了制作方案。在确定了电路及领好元件后，首先对电路进展了布局而后在开头连连接电路，由于电路比较简单，使用的导线和各种器件比较多，所以就和同组人明确分工，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，这样既可以节约时间，也不简洁出错。连接好电路之后，翻开电源，用开关进展测试，灯依次循环点亮，有节拍效果， 但是声音很难区分凹凸，于是调整滑动变阻器，但是并没有什么效果。于是

19、重用multism 重设定参数仿真。其次天调试的时候觉察灯已经没有节拍，用示波器测量脉冲输出端有方波输出，连续检查发光二极管的输出波形，波形特别输出，推断应当是 CD4017 芯片消灭了虚焊，经检查得出错误所在，重测试，灯泡准确，但是蜂鸣器始终响无节拍，用示波器测量，有正常波形输出，说明电路正确。于是重调整滑动变阻器，把脉冲波的频率降低，但是效果不大。后来询问教师，教师表示可能是555 芯片产生的脉冲频率过超群出人眼的频率识别范围。在教师的指导下，我们通过转变电路中的电阻和电容的值来转变脉冲的频率，最终解决了该问题。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

20、 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 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。仿真图如图 4-1 所示图 4-1 2/4 拍仿真波形图13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，发出其次声弱音时 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，如图 5-2 所示。图 4-2

21、3/4 拍仿真波形图（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，发出其次声弱音时 D3 亮, 发出第三声弱音时 D4 亮。分析：“强 弱 弱 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，如图 4-3 所示。图 4-3 4/4 拍仿真波形图14（4） 调整滑动变阻器，节拍声节奏加快，发光二极管闪耀节奏也同步加快；反向调整变阻器，节拍声节奏减慢，发光二极管闪耀节奏也同步减慢。所以判定制作的电子节拍器的

22、节拍速度连续可调。（5） 调整放大电路中电容的大小来调整声音的大小，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。由于阅历的缺乏，导致这次试验铺张大量的时间，并且消灭很多不必要的错误。以上测试结果说明：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。15第五章 收获与体会这是一比较系统的电路设计，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力量。刚开头拿到题目，感觉有些难度，由于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

23、和指导教师的帮助下，才渐渐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，最终得出两套可行方案。最终承受了其次套方案。在这个过程中熬炼了自己猎取信息、分析信息处理信息的力量。体会：本次试验中消灭了很多的问题，最大的一个问题是 555 产生的脉冲信号频率的选取，我们无视了常识，人眼的区分率并不高，而刚开头555 脉冲信号频率过高，导致试验现象不符合。但是试验也有格外值得可喜，虽然没有接触过CD4017，也没有使用过，但是通过看芯片的真值表以及引脚，把握了 CD4017 的运用并懂了脉冲安排器的原理，并觉察 CD4017 是一种格外便利做流水灯的芯片，其次件格外可喜的是试验消灭

24、了特别，我并没有灰心而是逐级分模块用示波器检查其波形并推断出是哪块模块出了问题，通过有序排查的方式，我们最终找到了错误的根源。加强了调试力量。通过本次课程设计，使我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，加深了对专业根底课程学问的学习和了解。同时也加强了独立分析力量和合作力量，使作者明白团队精神的重要性。16参考文献1童诗白.模拟电子技术根底第四版.北京：高等教育出版社，2023 2阎石.数字电子技术根底第五版.北京：高等教育出版社，2023 3赵柯，彭嵩.脉冲与数字电路试验指导书.南昌航空大学电子信息工程学院实践中心，20234日汤山俊夫.数字电路设计与制作第一版. 彭军,译.北京： 科学出版社，20235兰吉昌.数字集成电路应用 260 例第一版.北京：化学工业出版社， 202317附录一 元件清单类型元件数量芯片CD4017各 1 个NE5551 个三极管S90132 个二极管IN605 个发光二极管蓝色4 个电容10uF1 个0.1 uF1 个1 uF1 个电阻51k4 个240、100各 1 个1.5 k1 个91 k1 个滑动变阻器1M1 个蜂鸣器1 个单刀三至开关1 个18附录二 电路总图19附录三实物图20附录四 PCB 图21