数字电子技术课程电子节拍器

1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 数字电子技术课程设计 题 目 电子节拍器 院 系 地球科学学院 专业班级 勘技14-4班 学生姓名 洪一鸣 学生学号 指导教师 王金玉 高金兰 2016年 7 月 24日东北石油大学课程设计任务书课程 数字电子技术课程设计 题目 电子节拍器 主要内容：根据设计要求，运用所学的数字电子技术及电路基础等知识，自行设计一种种比较简单及成本较低的音乐节拍器。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；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。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

2、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。发声电路和显示电路同步显示节拍。基本要求：1、要求本节拍器具有声光显示功能。2、设有2/4，3/4，4/4三档节拍转换开关。3、音响有强弱之分，节拍速度连续可调。主要参考资料： 1 陈有卿.实用电子制作精选M.北京：机械工业出版社，1994.11 2 李哲英等实用数字电子电路设计M北京：电子工业出版社,1997. 3 张凤言.电子电路基础M.北京：高等教育出版社，1995 4 电子电路百科全书编辑组. 电子电路百科全书M.北京：科学出版社.1988 5 彭介华.电子技术课程设计指导

3、M.高等教育出版社，1997. 完成期限 2016.7.182016.7.24 指导教师 王金玉 高金兰 专业负责人 2016年 7 月18 日目 录1 课程设计的目的12 设计任务和要求13 总体方案设计与原理框图13.1 节拍器的基本构成13.2 电子节拍器的基本工作原理24 各单元模块的设计与分析24.1 脉冲产生电路24.2 节拍信号产生电路34.3 光显示电路54.4 声显示电路电路65 器件清单76 单元电路的级联设计107 设计总结10参考文献121 课程设计的目的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

4、；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

5、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。2 设计任务和要求(1)任务：自行设计一种种比较简单及成本较低的音乐节拍器，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。(2)节拍器性能要求：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。3 总体方案设计与原理框图3.1 节拍器的基本构成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

6、、3/4拍、4/4拍的控制信号。发声电路和显示电路同步显示节拍。声音显示电路光显示电路脉冲产生电路节拍信号产生电路图3-1 原理框图3.2 电子节拍器的基本工作原理IC-1（555）接成多谐振荡器，R12用来改变脉冲周期，即节拍速度。IC-2（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。IC-3（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

7、波形共同决定。本设计电路主要由四部分组成，分别是：脉冲产生电路、节拍信号产生电路、灯光显示电路和发声电路。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。 灯光显示电路：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，继而通过蜂鸣器产声音。4 各单元模块的设计与分析 主体电路是功能部件或单元电路组成的，在设计这些电路或选择部件时，应尽量选用同类型的器件，下面介绍各功能部件与单元电路的设计。4.1 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. 图4-1 脉冲产生电路 555多谐振荡器的基本原理：当输出端（3

8、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。其2（6）端、3端的工作波形如图4-2所示：图4-2 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

9、.6S内可变。4.2 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CP1），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

10、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。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4-3所示。图4-3 节拍器信号产生器开关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。图4-4 输入输

11、出波形4.3 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，绿灯指示节拍种类，电路图如图4-5所示。图4-5 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4-6所示（以2/4拍为例）。图4-6 光显示电路波形4.4 声显示电路如图4-7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

12、器的频率与VTH、VTL有关，故Vo的高低电平决定音调的高低。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4-7 声显示电路放大电路可用LM386构成，电路如图4-8，放大倍数为Av=200，音量可通过电位器调节。图4-8音频放大电路5 器件清单表5-1 电路中所用器件清单序号类型型号数量备注1芯片CD401712NE55523LM386144093BT15电容1511622117103184731933uf1电解电容1010uf1电解电容11250uf1电解电容12电阻101131.0 K1144.7 K11510 K11620 K11730 K118150

13、 K119电阻10 K1电位器2050 K1电位器21二极管发光二极管4红、绿各2个22晶体管9013223开关单刀开关3 可用1三挡开关代替24万能板125喇叭1主要器件的功能及引脚图如下：（1）Ne555Ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。Ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。Ne555时基电路有两种封装形式有：一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品内部结构和工作原理都相同。Ne555的内部结构可等

14、效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管组成了比较器、RS触发器等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器为上、下比较器提供基准电压.所以称之为555。其引脚图如图5-1所示。图5-1 Ne555引脚图（2） LM386 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386的

15、封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM386具有以下特性：静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V或5-18V外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度。其引脚图如图5-2所示。图5-2 LM386引脚图（3） CD4017CD4017 是5 位Johnson计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson计数器提供了快速操作输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选

16、通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。CD4017 提供了16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。图5-3 CD4017引脚图6 单元电路的级联设计将脉冲产生电路、节拍信号产生电路、光显示电路、声显示电路依照图3-1所示的方式连接，就构成了完整的电子节拍器电路，如图6-1所示。图6-1 电子节拍器总电路图7 设计总结本次课程设计让我体会到了电子在实践中的应用，增强了对电子的热爱，同时还加强了对所学理论的

17、理解和应用，培养了团结协作、认真细致的工作精神，为今后的进一步学习和工作打下了坚实的基础。通过查阅资料，确定设计方案， Multisim仿真及焊接和调试电路，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。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、独立分析和解决问题的能力及创新能力，养成了严谨细致的工作作风

18、和团结协作的工作态度。本次课程设计开始由于不知道节拍的相关知识而感觉措手不及，弄懂之后反而觉得电路设计及调试本身并不是很难，所以在学好专业课的同时还应注重拓宽知识面。总之，通过这次课程设计，不仅使我对所学过的知识有了一个新的认识。而且提高了我考虑问题，分析问题的全面性以及动手操作能力。使我的综合能力有了一个很大的提高。感谢学院给我这次课程设计的机会，让我受益匪浅。参考文献1 陈有卿.实用电子制作精选M.北京：机械工业出版社，1994.112 李哲英等实用数字电子电路设计M北京：电子工业出版社,1997.3 张凤言.电子电路基础M.北京：高等教育出版社，19954 电子电路百科全书编辑组. 电子电路百科全书M.北京：科学出版社.19885 彭介华.电子技术课程设计指导M.高等教育出版社，1997.6 华成英.模拟电子技术基础M.高等教育出版社.2006. 7 阎石. 数字电子技术基础M.高等教育出版社.2005. 8 郁汉琪.数字电子技术实验及课题设计M.高等教育出版社.1995.9 吕思忠.数子电路实验与课程设计M.哈尔滨工业大学出版社.2001.10 张文荣.数字电子技术课程教学新探J .石家庄：能源职