數(shù)字電子技術(shù)課程電子節(jié)拍器

1、東 北 石 油 大 學課 程 設(shè) 計課 程 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計 題 目 電子節(jié)拍器 院 系 地球科學學院 專業(yè)班級 勘技14-4班 學生姓名 洪一鳴 學生學號 140102140417 指導教師 王金玉 高金蘭 2016年 7 月 24日東北石油大學課程設(shè)計任務(wù)書課程 數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計 題目 電子節(jié)拍器 專業(yè) 勘技 姓名 洪一鳴 學號 140102140417 主要內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計要求，運用所學的數(shù)字電子技術(shù)及電路基礎(chǔ)等知識，自行設(shè)計一種種比較簡單及成本較低的音樂節(jié)拍器。確定樂曲的速度，有的曲子要求用某一速度進行練習，通過節(jié)拍器可以找到該速度；幫助對于節(jié)奏感較差的學生，改善拖拍、搶拍、節(jié)奏

2、不穩(wěn)等現(xiàn)象。該電子節(jié)拍器主要由節(jié)拍脈沖產(chǎn)生電路、節(jié)拍信號產(chǎn)生電路、聲音顯示電路及燈光顯示電路等組成。節(jié)拍脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生周期性的脈沖信號，節(jié)拍信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生2/4拍、3/4拍、4/4拍的控制信號。發(fā)聲電路和顯示電路同步顯示節(jié)拍?；疽螅?、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)。3、音響有強弱之分，節(jié)拍速度連續(xù)可調(diào)。主要參考資料： 1 陳有卿.實用電子制作精選M.北京：機械工業(yè)出版社，1994.11 2 李哲英等實用數(shù)字電子電路設(shè)計M北京：電子工業(yè)出版社,1997. 3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，1995 4 電子電路百科全書編輯組

3、. 電子電路百科全書M.北京：科學出版社.1988 5 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導M.高等教育出版社，1997. 完成期限 2016.7.182016.7.24 指導教師 王金玉 高金蘭 專業(yè)負責人 2016年 7 月18 日目 錄1 課程設(shè)計的目的12 設(shè)計任務(wù)和要求13 總體方案設(shè)計與原理框圖13.1 節(jié)拍器的基本構(gòu)成13.2 電子節(jié)拍器的基本工作原理24 各單元模塊的設(shè)計與分析24.1 脈沖產(chǎn)生電路24.2 節(jié)拍信號產(chǎn)生電路34.3 光顯示電路54.4 聲顯示電路電路65 器件清單76 單元電路的級聯(lián)設(shè)計107 設(shè)計總結(jié)10參考文獻12數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計（報告）1 課程設(shè)計的目的節(jié)拍

4、器在學習音樂中起著重要作用。主要有：1、確定樂曲的速度，有的曲子要求用某一速度進行練習，通過節(jié)拍器可以找到該速度；2、幫助對于節(jié)奏感較差的學生，改善拖拍、搶拍、節(jié)奏不穩(wěn)等現(xiàn)象。節(jié)拍器不僅在音樂方面起著重要的作用，而且在醫(yī)療、航空等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。隨著社會文明的進步和科學技術(shù)的發(fā)展，先進的電子技術(shù)在各個近代學科門類和技術(shù)領(lǐng)域占有不可或缺的核心地位。在我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展進程中，數(shù)字電子技術(shù)在國民經(jīng)濟和科學研究各個領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。因此，可以通過所學的知識設(shè)計一種比較簡單及成本較低的音樂節(jié)拍器。該節(jié)拍器雖然功能有限，限制了其實用性，但其設(shè)計及制作過程的意義卻是極其重要的。通過節(jié)拍器的制

5、作，不僅熟悉了節(jié)拍器的設(shè)計及制作過程、培養(yǎng)了我對電子的興趣，還將電子技術(shù)基礎(chǔ)理論與實際操作有機地聯(lián)系起來，加深了對所學理論課程的理解。同時，還提高了實際操作能力、獨立分析和解決問題的能力及創(chuàng)新能力，養(yǎng)成了嚴謹細致的工作作風和團結(jié)協(xié)作的工作態(tài)度。2 設(shè)計任務(wù)和要求(1)任務(wù)：自行設(shè)計一種種比較簡單及成本較低的音樂節(jié)拍器，幫助對于節(jié)奏感較差的學生，改善拖拍、搶拍、節(jié)奏不穩(wěn)等現(xiàn)象。(2)節(jié)拍器性能要求：要求本節(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)。音響有強弱之分，節(jié)拍速度連續(xù)可調(diào)。3 總體方案設(shè)計與原理框圖3.1 節(jié)拍器的基本構(gòu)成該電子節(jié)拍器主要由節(jié)拍脈沖產(chǎn)生電路、節(jié)拍信

6、號產(chǎn)生電路、聲音顯示電路及燈光顯示電路等組成。節(jié)拍脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生周期性的脈沖信號，節(jié)拍信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生2/4拍、3/4拍、4/4拍的控制信號。發(fā)聲電路和顯示電路同步顯示節(jié)拍。聲音顯示電路光顯示電路脈沖產(chǎn)生電路節(jié)拍信號產(chǎn)生電路圖3-1 原理框圖3.2 電子節(jié)拍器的基本工作原理IC-1（555）接成多諧振蕩器，R12用來改變脈沖周期，即節(jié)拍速度。IC-2（CD4017）為1-10循環(huán)記數(shù)器，15端分別接入Q2、Q3、Q4端可改變計數(shù)器的模，從而控制節(jié)拍數(shù)，可用三檔開關(guān)控制。IC-3（555）在IC-1、IC-2輸出波形的作用下輸出不同頻率的聲音信號，經(jīng)功放放大后喇叭發(fā)出強弱的節(jié)拍聲音，調(diào)節(jié)電位器

7、R4可改變音量。紅燈顯示節(jié)拍速度，即IC-1輸出的脈沖信號；綠的顯示節(jié)拍的高音（重音），由IC-1、IC-2輸出波形共同決定。本設(shè)計電路主要由四部分組成，分別是：脈沖產(chǎn)生電路、節(jié)拍信號產(chǎn)生電路、燈光顯示電路和發(fā)聲電路。節(jié)拍信號產(chǎn)生電路：以脈沖信號作為輸入信號產(chǎn)生節(jié)拍信號。 燈光顯示電路：燈光使用節(jié)拍信號控制。發(fā)聲電路：利用功率較大的放大電路來驅(qū)動發(fā)生器，繼而通過蜂鳴器產(chǎn)聲音。4 各單元模塊的設(shè)計與分析 主體電路是功能部件或單元電路組成的，在設(shè)計這些電路或選擇部件時，應(yīng)盡量選用同類型的器件，下面介紹各功能部件與單元電路的設(shè)計。4.1 脈沖產(chǎn)生電路 脈沖產(chǎn)生電路是后級電路的基礎(chǔ)，可用555組成多諧

8、振蕩器實現(xiàn)，以產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號，其電路圖如圖. 圖4-1 脈沖產(chǎn)生電路 555多諧振蕩器的基本原理：當輸出端（3端）低電平時，VCC經(jīng)過R1、R2、R3給C1充電，當電容兩端電壓充電至Vc2/3Vcc（觸發(fā)器電平Vt+）時，電路立即發(fā)生翻轉(zhuǎn),使得3端輸出變?yōu)榈碗娖?，即V0=0。此時，電容C1便又通過電阻R1、R2和電路內(nèi)的導通管至地間放電，當電容放電至兩端電壓Vc1/3Vcc時，電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得輸出變?yōu)楦唠娖?，即V0=1。電路不斷重復上述過程，便形成了振蕩，在3端產(chǎn)生脈沖信號。其2（6）端、3端的工作波形如圖4-2所示：圖4-2 工作波形圖其振蕩頻率決定拍速，調(diào)節(jié)R3可以改變振蕩器的振蕩頻率

9、,為使節(jié)拍速度不至太快或太慢,選擇050K的可變電阻以及33uF的電容,使得振蕩器IC1的振蕩周期在0.5S到1.6S內(nèi)可變。4.2 節(jié)拍信號產(chǎn)生電路 CD4017，是一種用途非常廣泛的十進制計數(shù)分頻器。有3個輸入端（MR、CP0和CP1），和11個輸出端（Q0Q9及1個進位端Q5-9）。 CD4017有3個輸（MR、CP0和CP1），MR為清零端，當在MR端上加高電平或正脈沖時其輸出Q0為高電平，其余輸出端（Q1Q9）均為低電平。CP0和CPl是2個時鐘輸入端，若要用上升沿來計數(shù)，則信號由CP0端輸入；若要用下降沿來計數(shù)，則信號由CPl端輸入。設(shè)置2個時鐘輸入端，級聯(lián)時比較方便，可

10、驅(qū)動更多二極管發(fā)光。 CD4017有10個輸出端（Q0Q9）和1個進位輸出端Q5-9。每輸入10個計數(shù)脈沖，Q5-9就可得到1個進位正脈沖，該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。由此可見，當CD4017有連續(xù)脈沖輸入時，其對應(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。CD4017很容易構(gòu)成節(jié)拍信號控制電路，產(chǎn)生相應(yīng)的分頻信號，與時鐘信號一起控制發(fā)光二極管發(fā)光和喇叭發(fā)聲，電路圖如圖4-3所示。圖4-3 節(jié)拍器信號產(chǎn)生器開關(guān)A、B、C可用一個三檔開關(guān)代替。14端（CP0）為脈沖輸入信號，由脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生，（Q1）為輸出信號。當開關(guān)A閉合時，4端（Q2）信號反饋到15端（M

11、R）構(gòu)成模2計數(shù)器，得到2/4拍信號；同樣，當B、C開關(guān)閉合時，可分別得到3/4拍、4/拍信號。圖4-4 輸入輸出波形4.3 光顯示電路光顯示電路用于顯示節(jié)拍狀態(tài)，紅燈指示節(jié)拍速率，綠燈指示節(jié)拍種類，電路圖如圖4-5所示。圖4-5 光顯示電路二極管的發(fā)光狀態(tài)由CP和節(jié)拍控制信號共同決定，紅燈顯示節(jié)拍速度，當CP為高電平時發(fā)光；綠燈顯示節(jié)拍種類，當CP和節(jié)拍控制信號同為高電平時發(fā)光，與高音同步。晶體管可增大電流，其輸入輸出波形圖如圖4-6所示（以2/4拍為例）。圖4-6 光顯示電路波形4.4 聲顯示電路如圖4-7所示。該發(fā)聲電路由555構(gòu)成的多諧振蕩器、放大器及喇叭組成，能發(fā)出間歇的高低音，從二

12、顯示節(jié)拍。555構(gòu)成的多諧振蕩器參考電壓為節(jié)拍控制信號，若用Vo表示，則VTH=Vo；VTL=1/2Vo。而振蕩器的頻率與VTH、VTL有關(guān)，故Vo的高低電平?jīng)Q定音調(diào)的高低。同時，只有CP為高電平時多諧振蕩器才能振動，從而發(fā)聲，故CP使喇叭間歇發(fā)聲。圖4-7 聲顯示電路放大電路可用LM386構(gòu)成，電路如圖4-8，放大倍數(shù)為Av=200，音量可通過電位器調(diào)節(jié)。圖4-8音頻放大電路5 器件清單表5-1 電路中所用器件清單序號類型型號數(shù)量備注1芯片CD401712NE55523LM386144093BT15電容1511622117103184731933uf1電解電容1010uf1電解電容11250

13、uf1電解電容12電阻101131.0 K1144.7 K11510 K11620 K11730 K118150 K119電阻10 K1電位器2050 K1電位器21二極管發(fā)光二極管4紅、綠各2個22晶體管9013223開關(guān)單刀開關(guān)3 可用1三擋開關(guān)代替24萬能板125喇叭1主要器件的功能及引腳圖如下：（1）Ne555Ne555是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。Ne555的作用是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路，給其他的電路提供時序脈沖。Ne555時基電路有兩種封裝形式有：一是dip雙列直插8腳封裝，另一種是sop-8小型（smd）封裝形式。其他

14、ha17555、lm555、ca555分屬不同的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理都相同。Ne555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可等效成23個晶體三極管、17個電阻、兩個二極管組成了比較器、RS觸發(fā)器等多組單元電路。特別是由三只精度較高5k電阻構(gòu)成了一個電阻分壓器為上、下比較器提供基準電壓.所以稱之為555。其引腳圖如圖5-1所示。圖5-1 Ne555引腳圖（2） LM386 LM386是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至 200。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到

15、電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。LM386具有以下特性：靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；工作電壓范圍寬，4-12V或5-18V外圍元件少；電壓增益可調(diào)，20-200；低失真度。其引腳圖如圖5-2所示。圖5-2 LM386引腳圖（3） CD4017CD4017 是5 位Johnson計數(shù)器，具有10 個譯碼輸出端，CP、CR、INH 輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。INH 為低電平時，計數(shù)器在時鐘上升沿計數(shù)；反之，計

16、數(shù)功能無效。CR 為高電平時，計數(shù)器清零。Johnson計數(shù)器提供了快速操作輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10 個時鐘輸入周期CO 信號完成一次進位，并用作多級計數(shù)鏈的下級脈動時鐘。CD4017 提供了16 引線多層陶瓷雙列直插(D)、熔封陶瓷雙列直插(J)、塑料雙列直插(P)和陶瓷片狀載體(C)4 種封裝形式。圖5-3 CD4017引腳圖6 單元電路的級聯(lián)設(shè)計將脈沖產(chǎn)生電路、節(jié)拍信號產(chǎn)生電路、光顯示電路、聲顯示電路依照圖3-1所示的方式連接，就構(gòu)成了完整的電子節(jié)拍器電路，如圖6-1所示。圖6-1 電子節(jié)

17、拍器總電路圖7 設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計讓我體會到了電子在實踐中的應(yīng)用，增強了對電子的熱愛，同時還加強了對所學理論的理解和應(yīng)用，培養(yǎng)了團結(jié)協(xié)作、認真細致的工作精神，為今后的進一步學習和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。通過查閱資料，確定設(shè)計方案， Multisim仿真及焊接和調(diào)試電路，基本達到了預(yù)期效果，滿足課程設(shè)計要求。但由于沒有經(jīng)驗，仍有一些需改進的地方。比如在實驗時，沒有三檔開關(guān)，而選擇三個單鍵開關(guān)簡單代替，導致必須長按開關(guān)才能工作，降低了實用性，簡單的解決辦法是給開關(guān)加一鎖存器。通過節(jié)拍器的制作，不僅熟悉了節(jié)拍器的設(shè)計及制作過程、培養(yǎng)了我對電子的興趣，還將電子技術(shù)基礎(chǔ)理論與實際操作有機地聯(lián)系起來，加深

18、了對所學理論課程的理解。同時，還提高了實際操作能力、獨立分析和解決問題的能力及創(chuàng)新能力，養(yǎng)成了嚴謹細致的工作作風和團結(jié)協(xié)作的工作態(tài)度。本次課程設(shè)計開始由于不知道節(jié)拍的相關(guān)知識而感覺措手不及，弄懂之后反而覺得電路設(shè)計及調(diào)試本身并不是很難，所以在學好專業(yè)課的同時還應(yīng)注重拓寬知識面?？傊?，通過這次課程設(shè)計，不僅使我對所學過的知識有了一個新的認識。而且提高了我考慮問題，分析問題的全面性以及動手操作能力。使我的綜合能力有了一個很大的提高。感謝學院給我這次課程設(shè)計的機會，讓我受益匪淺。參考文獻1 陳有卿.實用電子制作精選M.北京：機械工業(yè)出版社，1994.112 李哲英等實用數(shù)字電子電路設(shè)計M北京：電子工業(yè)出版社,1997.3 張鳳言.電子電路基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，19954 電子電路百科全書編輯組. 電子電路百科全書M.北京：科學出版社.19885 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導M.高等教育出版社，1997.6 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社.2006. 7 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社.2005. 8 郁漢琪.數(shù)字電子技術(shù)實驗及課題設(shè)計M.高等教育出版社.1995.9 呂思忠.數(shù)子電路實驗與課程設(shè)計M.哈爾濱工業(yè)大學出版社.2001.10 張文榮.數(shù)字電子技術(shù)課程教學新探J .石家莊：能源職業(yè)技術(shù)學院學報，200