电子节拍器课程设计

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：2015年9月25日2数字电路课程设计任务书15－16学年第1学期第2周－3周注：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、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目电子节拍器内容及要求〖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：CD4017，8050，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：2015-2016学年第一学期4-6周学生姓名：指导时间：第1～3周指导地点：E610室任务下达15年9月7日任务完成15年9月25日考核方式1.评阅□√2.答辩□√3.实际操作□√4.其它□指导教师张小林系（部）主任摘要当今乐器的发展变化越来越快，歌曲的演奏离不开乐器，而电子节拍器作为一种节拍可调、声音悦耳、成本低、容易自制、调试简单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，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。在三周的时间内，通过作者与同组人的共同努力和在指导老师的帮助下，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，转变成自己的研究成果。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，加深了对专业基础课的认识，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热爱。关键字：节拍器，脉冲信号，声光显示，蜂鸣器目录前言………………………………………………………………………………1第一章设计要求………………………………………………………………21.1设计基本要求…………………………………………………………2第二章设计方案的选择………………………………………………………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第四章实验、调试及结果分析……………………………………………134.1试验及调试………………………………………………………104.2测试结果与分析……………………………………………………10第五章收获与体会……………………………………………………………13参考文献………………………………………………………………………17附录一元件清单……………………………………………………………18附录二总设计图……………………………………………………………19附录三实物图……………………………………………………………20附录四PCB制图……………………………………………………………211前言现代音乐的发展以及音乐对人们生活的重要影响，使得乐器发展变得更加迅猛，人们对乐器的要求越来越高。人们希望乐器的发展能够实现智能化及人性化，而节拍器则是乐器当中必不可少的元器件。而作为一名二十一世纪的大学生，不仅仅要将理论知识学会，更为重要是要将所学知识用于实际生活中，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.梅尔策尔发明的节拍器。梅尔策尔的节拍器外形呈金字塔形，内部为时钟结构，有齿轮及发条，带动一摆杆，摆杆每次摆动结束时发出尖锐的“滴哒”声，这些滴哒声的速度可根据刻在摆杆上的游尺刻度上下移动摆锤，进行调整，其速度每分钟40～210拍。约在1945年瑞士钟表业生产有袖珍节拍器，形如挂表。以前的节拍器繁琐复杂且不可调，而现在发展了一种新型的节拍器——电子节拍器，电子节拍器是一种新颖的节拍器，它具有应用范围广、节拍可调，声音悦耳、成本低、容易自制、调试简单等优点。学习了两年的专业基础课，学院为了检验学生对专业基础课知识的了解和实际动手能力，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际的能力，分析和处理问题的能力。通过这样的课程设计，提高学生对专业基础课的学习兴趣，提高学生实际操作能力，使学生受益匪浅。2第一章设计要求1.1设计基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，达到声音和发光同步。2、实现2/4，3/4，4/4三档节拍转换开关：CD4017组成的节拍选择控制电路，通过清零端，当开关与不同的管脚接通时，就会有不同的节拍。3、音响有强弱之分，节拍速度连续可调：根据振荡电路的周期公式，可通过调节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。3第二章设计方案的选择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部分，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。4方案二：现有方案二总电路图如图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行仿真，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单，使用非门CD4069、与非门CD4011和十进制计数器CD4017三种常用的芯片，线路连接也比较简单。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，方案一的驱动能力也许不够，蜂鸣器发出的声音可能比较小，这样的音调信号如果要进行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，故最后决定用方案二。5第三章系统设计及仿真本设计电路主要由四部分组成，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下图所示图3-1所示：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，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。节拍信号产生电路发声电路显示电路脉冲产生电路63.1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控制信号，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Vc＞2/3Vcc（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Vc＜1/3Vcc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2.2所示：图3-2555芯片管脚图图3-3工作波形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7快或太慢,选择0～100K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。图3-4脉冲产生电路3.2节拍信号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分配器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，输入第二个脉冲后Q2输出高电平，以此类推，输入十个脉冲后电路恢复初始状态。如果把某个输出端接到复位端MR，当该输出端为高电平时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，是一种用途非常广泛的十进制计数／分频器。有3个输入端（MR、CP0和~CP1），和11个输出端（Q0—Q9及1个进位端～Q5-9）。8CD4017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（Q1～Q9）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（Q0～Q9）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，故可直接用作顺序脉冲发生器。其功能表见表3-1，波形图如图3-5:表3-1CD4017功能表9图3-5CD4017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，电路图如图所示。图3-6节拍信号产生电路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。其波形图如下图10图3-72/4拍波形图图3-83/4拍波形图图3-94/4拍波形图113.3声光显示电路显示电路,灯光使用节拍信号控制；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其中一路输出高电平时，