电子节拍器设计.doc

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1、目录前 言5一 、设计要求及系统的组成61.1 基本要求61.2 系统结构组成6二 、电路设计72.1 系统电路的组成及工作原理72.2 单元模块电路设计82.2.1 脉冲产生电路82.2.2 节拍信号产生电路92.2.3 光显示电路112.2.4 声显示电路12三、实验调试及测试结果与分析133.1调试133.2测试结果与分析14四、实验结论及心得体会144.1 实验结论144.2 心得体会15参考文献16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

2、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

3、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。一 、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， LM3861.2 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

4、电路和显示电路同步显示节拍。图 图1.1原理框图二 、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

5、.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Vc2/3Vcc（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Vc1/3Vcc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

6、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050K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C

7、P1），和11个输出端（Q0Q9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（Q1Q9）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（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

8、平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。波形图如图2.4:图2.4 CD4017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 节拍信号产生电路开关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

9、，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。

10、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音频放大电路三、实验调试及测试结果与分析3.1调试（1）设计完电路领到元器件后，开始准备连接电路。由于本次课程设计是两个同学一组，为确保两位同学都动手操作，作者与同组同学分工一人连接一半的电路，各自检查无明显错误后再将两部分电路连接起来。为了在连线时不发生故障，作者与同组人遵循了以下原则：在接线之前断开所有的电源，检查所需芯片和导线是否完好，参照电路图，先把芯片插座在电路板上进行布局，然后合理、有序

11、的连接电路。（2）连接完电路后，接通电源，发现节拍的速度非常快以至现象不明显以及蜂鸣器发出的声音太弱。作者先检查了电路的连线以确保接触良好，结果无明显变化。接着调节滑动变阻器，慢慢调大电阻的阻值发现节拍的速度逐渐慢下来，此时现象比较清晰。由此同时也可以得出振动频率与电阻成反比。然后作者更换了靠近二极管的电容的大小，将小电容换成了较大的电容，此时听见了蜂鸣器发出的清晰的声音。3.2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“强弱强弱”的节奏声，发光二极管D4和D3也随着节拍声交替发光,发出强音时D4亮，发出弱音时D3亮。分析：“强弱强弱”的节奏声正是2/4拍的节奏，说明

12、电子节拍器能够正常发声和发光。（2）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D4、D3和D2也随着节拍声交替发光，发出强音时D4亮，发出第一声弱音时D3亮，发出第二声弱音时D2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。（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D4、D3、D2和D1也随着节拍声交替发光，发出强音时D4亮，发出第一声弱音时D3亮，发出第二声弱音时D2亮,发出第三声弱音时D1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。（4

13、）调节滑动变阻器可以改变节拍声节奏的快慢和发光二极管闪烁节奏的快慢，所以判定制作的电子节拍器的节拍速度连续可调。以上测试结果表明该设计电路符合设计要求。四、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。以下是总结的设计中的优缺点:优点：1、脉冲发生电路相对555多谐振荡电路焊接比较简单、外观清晰，振荡实现起来容易，而且排除问题，检查方便。2、

14、只需要一个555音频信号发生器驱动扬声器发声，不需要什么外接电路来驱动，而且只需要一个三极管来开关电阻。3、整个电路采用的是模块化设计，模块化焊接，彼此之间联系不紧密，互相影响不大，只要有一个出现问题都能很快被排查出来。劣点：1、 脉冲不稳定，或多或少的会闪烁，而且频率改变不是很大，振幅几乎不变。2、LED灯循环点亮随振荡频率改变后变化很不明显。3、音频信号发声器的三极管起到的开关作用不是很大，当三极管开，关时音频几乎是没有改变。4、依赖性很大，扬声器的发声频率不仅依赖音频发生电路，还依赖振荡器发声电路，顾此实际操作很难有理论实验的效果出现4.2 心得体会 通过本次课程设计，将掌握的理论知识学以致用，才算真正的将知识掌握了。在仿真与调试电路过程中深刻意识到了理论与实际是有相当的差距的，还需更多的知识来丰富自己，这样才能做的更好。做完这课设实验，对上学期所学的知识内容进行了巩固和加深，更好的理解了一些书中的内容。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.