1、電子節拍器設計報告 通 信 工 程 專業課程設計題單 班級 048131 學生 孫偉杰 課程名稱 電子課程設計 課 題 電子節拍器的設計 設計要求 節拍器具有聲光顯示功能：設有2/4，3/4，4/4三檔節拍轉換開關，音響有強弱之分。節拍速度連續可調。 課 題 發 給 日 期 2007年1月8號 課程設計完成日期 2007年1月19號 指 導 教 師 評語： 評分： 摘 要數據選擇電路是數字系統中的常用單元電路，它主要由計數器組成。在實際工作中，數據選擇電路的應用場合很多，例如，在學習音樂中，同學培養節奏感用的音樂節拍器,就是數據選擇電路的一種具體應用。本次設計以ne555芯片和cd4093芯片

2、組成振蕩電路,驅動發光二極管發光和蜂鳴器發出聲音，達到聲音和發光同步。cd4017組成的節拍選擇控制電路。當開關與不同的管腳接通時。就會有不同的節拍。該節拍器的設計采用模塊化結構，有3個模塊即節拍脈沖模塊、節拍選擇控制模塊、以及聲光同步顯示模塊組成。此電路是以ne555及cd4093構成振蕩器產生節拍脈沖，并將脈沖輸入到cd4017構成的節拍選擇控制開關，此電路是以ne555構成自激振蕩器產生脈沖，并將脈沖輸入到蜂鳴器產生節拍的聲音,及驅動發光二級管,達到聲光同步顯示效果。本次設計所實現的是2/4，3/4，4/4三檔節拍轉換。節拍速度連續可調，音響有強弱。采用的技術和方法還可用于兒童學習音樂培

3、養節奏感或是喜歡音樂要入門的人練習有一定的幫助。關鍵詞： 節拍器 振蕩器 數據選擇器目 錄前言4第一章 系統的組成與結構1.1 系統結構圖5第二章 電子節拍器電路設計2.1方案論證及確定6第三章 具體電路設計3.1節拍脈沖振蕩電路93.1.1 振蕩電路93.1.2施密特觸發器103.2顯示電路103.3電子節拍控制電路11第四章 電路焊接與調試4.1電路的焊接134.1電路調試與分析13結論14參考文獻15附 錄16前 言最早的節拍器發明于1816年，發明者是德國的約翰內波穆克梅爾采爾。他是機械樂器的創制人，曾研制出百音琴（即機械樂隊）、助聽器以及音樂節拍器。1816年，他發明的第一只較為完善

4、的節拍器在奧地利首都維也納首次與公眾見面，從此，節拍器就不脛而走，成為全世界音樂愛好者的寵物。隨著社會文明的進步和科學技術的發展，先進的電子技術在各個近代學科門類和技術領域占有不可或缺的核心地位。在我國現代化建設的發展進程中，數字電子技術在國民經濟和科學研究各個領域的應用也越來越廣泛。電子節拍器也越來越多，價格比較高，因此，我們可以通過所學的知識設計一種比較簡單及成本較低的音樂節拍器。電子節拍器在學習音樂中起著重要作用。如下：1、確定樂曲的速度，有的曲子要求用某一速度進行練習，通過節拍器可以找到該速度；2、幫助對于節奏感較差的學生（拖拍、搶拍、節奏不穩），通過節拍器的輔助練習，一段時間后可以大

5、大改善這種現象。基本要求如下：1、 要求本節拍器具有聲光顯示功能；2、 設有2/4，3/4，4/4三檔節拍轉換開關，音響有強弱之分；3、 節拍速度連續可調。第一章 系統的組成與結構11系統結構圖 如圖1.1所示節拍脈沖發生器節拍種類控制電路聲音播放電路顯示光顯示電路 圖1-1 電子節拍器系統結構圖該電子節拍器主要是由節拍脈沖發生器、節拍種類控制器、聲音顯示及燈光顯示等組成的。節拍脈沖發生器是調節每拍的時間間隔，節拍種類控制器是選擇2/4拍、3/4拍、4/4拍。聲音和燈光同時顯示。第二章 電子節拍器電路設計1方案論證及確定（1）方案一：如圖1.1.1所示：圖1.1.1 電子節拍器工作原理： 當電

6、源接通時，vcc通過電位器rp1、rp3和電阻r3、r4向電容c3充電。當電容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的連續充電，2腳電位上升到vc22/3vcc 時，輸出端3腳由高電平變為低電平，ic1內的放電管導通，電容c3重新充電。如此周而復始，形成振蕩。 ic1的3腳有兩路輸出：一路有三極管vt5組成的快拍電平轉換電路，經a1、a2反相器，送入二極管vd6、vd7構成的或門電路，又經a5、a6反相器，通過分壓電位器rp4，三極管vt8放大，驅動蜂鳴器bl發出快節奏的節拍聲。另一路經三極管vt2放大，其集電極輸出一部分信號由三極管vt3進一步放

7、大，使發光二極管vd3隨著快節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給由ic2構成的計數/分配器作為時鐘輸入，由選擇開關s2作為ic2的輸出，以作為三種模擬數據選擇器，通過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，使之形成慢節拍，并通過或門電路中的二極管vd6，經反相器a5、a6去驅動三極管vt8使bl發出慢節奏的蜂鳴聲。此時，ic2的2腳出現有規律的忽高忽低電平，使三極管vt4在導通、截止兩種狀態之間交替轉換，而發光二極管vd4將隨著慢節奏的蜂鳴聲而同步閃動著紅色的光亮。這樣，選擇開關s2置不同的擋位，蜂鳴器bl將發出有比例的快

8、、慢節拍聲，發光二極管vd3、vd4也跟隨閃著有比例的紅、綠閃光信號。（2）方案二： 如圖1.1. 2所示: 圖1.1.1 電子節拍器工作原理：圖中ici-1、ici-2（1/4cd4093）是用cmos與非門構成的典型的方波振蕩電路。當電容c1為“1”、ici-1輸出為“0”d6導通；d5截止，使得ici-1輸入一個為“1”、一個為“0”經過與非門使輸出為“1”如此反復，形成節拍脈沖振蕩器。通過rp1可以調節脈沖的時間間隔。 cd 4017為十進制計數/分配器。它是由越翰遜計數器和譯碼器兩部分組成。他有三個輸入端（復位端r、時鐘端cp和cpe）和十給譯碼輸出端q0q9。在復位狀態時，只有q0

9、為高電平“1”狀態。其他輸出端均為低電平狀態“0”。當有脈沖輸入時，輸出端依次變為高電平“1”狀態，q0端變為低電平“0”狀態。cd4017在實驗中起到節拍種類控制器。ne555在實驗中提供脈沖驅動蜂鳴器bl，ci-3、ici-4驅動發光二極管，使得能與蜂鳴器同步工作。（3）比較及確定方案： 方案一： 優點：完整功能比較全。 缺點：電路比較復雜，不便封裝。且cd4022在生產生活中用的不是很廣。方案二： 優點：功能完善，電路簡單，元器件使用廣泛，電路小封裝簡單。 缺點：元器件有點浪費。經過比較討論，本小組采用方案二。第三章 具體電路設計3.1節拍脈沖振蕩電路3.1.1振蕩電路如圖3.1.1所示

10、 圖3.1.1 節拍脈沖振蕩電路 節拍脈沖振蕩電路是：當電容c1為“1”、ici-1輸出為“0”d6導通；d5截止，使得ici-1輸入一個為“1”、一個為“0”經過與非門使輸出為“1”如此反復，形成節拍脈沖振蕩器。通過rp1可以調節脈沖的時間間隔。從而為ne555提供驅動脈沖信號，ne555振蕩使蜂鳴器bl發出聲音 。t=（r4+2r5）*c*ln2312施密特觸發器 如圖2.1.2所示：施密特觸發器的特點是：電路有兩個穩定狀態，電路狀態的翻轉依靠外觸發電平來維持。一旦外觸發電平下降到一定電平后電路立即恢復大初始穩態。其工作原理是施密特觸發器有兩個觸發電平vth和vtl，當輸入信號大于vth時

11、，vo狀態翻轉；一直到vi下降到低于vth時vo又恢復到初始狀態。電路的回差電壓 vt=vth vtl。 集成施密特觸發器由于性能好，觸發電平穩定，得到了廣泛應用。例如cmos集成cd4093是2輸入4與非門施密特觸發器。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,其中的兩個與非門為ne555提供驅動脈沖，使蜂鳴器發出聲音。另外兩個與非門則控制led1led3，從而使led1led3和蜂鳴器發出的聲音同步。led4led7一直亮著，表示是4拍的節奏。cd4093其工作原理是施密特觸發器有兩個觸發電平vth和vtl，當輸入信號大于vth時，vo狀態翻轉；一直

12、到vi下降到低于vth時vo又恢復到初始狀態。33電子節拍控制電路 如圖3.3.1所示:圖 3.3.1 電子節拍控制電路以cd4017十進制計數器作為節拍選擇控制器。當s1和s2閉合時，電路為2/4拍，聲音表現為強、弱、強、弱反復出現，發光二極管為亮、暗、亮、暗反復出現。當s1、s2和s3同時閉合時，電路為3/4拍，聲音表現為強、弱、弱；強、弱、弱反復出現，發光二極管為亮、暗、暗，亮、暗、暗反復出現。當s1、s2、s3、s4同時閉合時，電路為4/4拍，聲音表現為強、弱、弱、弱，強、弱、弱、弱反復出現，發光二極管為亮、暗、暗、暗，亮、暗、暗、暗反復出現。cd4017十進制計數分頻器，它是一種用途

13、非常廣泛的電路。其內部由計數器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實現對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是o0、o1、o2、o9依次出現與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。 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o0為高電平，其余輸出端（o1o9）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，則信號由cp0端輸入；若要用下降沿來計數，則信號由cpl端輸入。設置2個時鐘輸入端，級聯時比較方便，可驅動更多二極管發光。cd4017有10個輸出端（o0o9）和1個進位輸出端o5-9。每輸入10個計數脈沖，o5-9就可得到1個進位正脈

14、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有連續脈沖輸入時，其對應的輸出端依次變為高電平狀態，故可直接用作順序脈沖發生器。 第四章 電路焊接與調試4.1 電路的焊接 參照電路圖，先把芯片插座在電路板上進行布局，然后按照安裝原則進行合理、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 電路的調試與分析4.2.1 電路調試 1、接上電源后，把開關s1合上，蜂鳴器發出聲音（強、強）發光二極管也同步發光（亮、亮）。 2、同時把開關s1、s2合上。蜂鳴器發出聲音（強、弱，強、弱）發光二極管也同步發光（亮、暗，亮、暗）表示2/4拍的節奏。 3、同時把開關

15、s1、s2和s3合上。蜂鳴器發出聲音（強、弱、弱，強、弱、弱）發光二極管也同步發光（亮、暗、暗，亮、暗、暗）表示3/4拍的節奏。 4、同時把開關s1、s2、s3及s4合上。蜂鳴器發出聲音（強、弱、弱、弱，強、弱、弱、弱）發光二極管也同步發光（亮、暗、暗、暗，亮、暗、暗、暗）表示4/4拍的節奏。 4.2.2 調試分析 當把電源接上后,閉合s1開關后,鋒鳴器發出聲音,而發光二極管有三個會亮,但不穩定,有四個不亮,就用萬用表檢查顯示電路,發現電容兩只腳是虛焊,導致接觸不良,使三個發光二極管工作不穩定,而另外四個是因為在電路板放置元器件時,粗心大意把正負極接反了,使之不能工作.修改顯示電路后，發光二極

16、管能正常工作，當把節拍控制開關（s2、s3、s4）閉合后，卻無法改變電路工作狀態，只能實現2/4拍。經過反復的檢查電路及對比電路圖，發現開關（s2、s3、s4）與接地一端之間少接了一個10k電阻，當接上電阻后開關也能正常工作。有時也不能很好的完成整個功能。重新檢查電路時發現好幾個虛焊的接點。經過反復檢查和焊接后，能穩定的完成各個功能。結 論數據選擇電路是數字系統中的常用單元電路，它主要由計數器組成。在實際工作中，數據選擇電路的應用場合很多，例如，在學習音樂中，同學培養節奏感用的音樂節拍器,就是定時電路的一種具體應用。通過這次課程設計，一定程度上提高了分析能力、動手操作能力及合作能力。在這過程中

17、，遇到不懂的知識作者能夠通過各種途徑查找到所需資料，出現問題時也能夠獨立思考和互相討論研究出來，學到了不少的經驗和教訓。不僅對課堂所學知識，比如部分芯片的使用方法，理論值與實際值的差別等，還提高了對簡單的數字電路的設計能力。設計時應該先完全領會要求再去動手，不能急躁。更重要的是學到了科學試驗中的所需的毅力與耐心。知道了有科學的態度才能完成科學的試驗。振蕩電路中由于對cd4093芯片不熟悉,走了彎路。使整個電路不能很好的完成。按本小組所設計的電路可用一個發光二極管就可以拉，當初的設想是4個發光二極管代表4拍子，剩下三個分別表示2/4、3/4、4/4拍，當2/4拍十三個只有一個亮，當3/4拍十有2個亮，當4/4拍時有三個亮。由于時間有限，本小組還沒完善電路。但基本符合此次課程設計的要求。兩周的實習，經歷了查資料，設計的整個過程，明白了設計電路的復雜，及對所學知識掌握不牢帶來的