电子节拍器课程设计.doc

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

数字电路 课程设计任务书
15 － 16 学年 第 1学期　第 2 周－ 3 周
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：E 610 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

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。

2
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………………………………………………………………2
1.1设计基本要求…………………………………………………………2
第二章 设计方案的选择………………………………………………………3
2.1方案设计………………………………………………………………3
2.2方案比较………………………………………………………………4
第三章 系统的设计及仿真………………………………………………5
3.1脉冲产生电路………………………………………………………7
3.2节拍信号产生电路………………………………………………… 7
3.3声光显示电路………………………………………………………10
第四章 实验、调试及结果分析……………………………………………13
4.1试验及调试………………………………………………………10
4.2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……………………………………………………………21

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。

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。
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。

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。

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。
发声电路
设计参考原理框图如下图所示图3-1所示：
脉冲产生电路
节拍信号产生电路

显示电路

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。

3.1 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3-2 555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）。
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（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3-1 CD4017功能表

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

图3-7 2/4拍波形图

图3-8 3/4拍波形图

图3-9 4/4拍波形图

3.3 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，通过与其相连接的发光二极连接到地从而同步发光，另外二极管与四个电阻相连，由于R5的阻值小于R6、R7、R9的阻值,故当Q0输出高电平时，声音控制信号输出的电流大一些，发出强音，区别于其他弱音信号。声音控制信号输出后通过三级管放大，再输出到蜂鸣器进行发声，这样所听到的声音就大。声光显示电路如图3-10和图3-11所示

图3-10 光显电路电路

图3-11 声控电路

下面以2／4拍为例说明电路的工作原理：
在复位状态Q0输出高电平，通过R7电路发出一重音，LED4灯亮，R4、R5、R6中无电流通过。CP0端输入第一个脉冲后QO输出低电平Q1输出高电平，电路没有输出。输入第二个脉冲后Q2输出高电平，通过R6电路发出一低音，LED3灯亮，R4、R5、R7中无电流通过。输入第三个脉冲后Q3输出高电平，电路没有输出。输入第四个脉冲后，Q4输出高电平，通过开关又使MR端为高电平，脉冲分配器迅速进入复位状态，如此周而复始，就可发出一强一弱的节拍声。3／4、4／4拍的工作原理以此类推。

第四章 实验、调试及结果分析
4.1 实验及调试
经过前期的资料查询及探讨等准备工作，已经确定了制作方案。在确定了电路及领好元件后，首先对电路进行了布局而后在开始连连接电路，由于电路比较复杂，使用的导线和各种器件比较多，所以就和同组人明确分工，同组人看图并说明及负责导线的测试，作者连接线路，两人同时看着电路的连接，这样既可以节省时间，也不容易出错。
连接好电路之后，打开电源，用开关进行测试，灯依次循环点亮，有节拍效果，但是声音很难分辨高低，于是调节滑动变阻器，但是并没有什么效果。于是重新用multism重新设定参数仿真。第二天调试的时候发现灯已经没有节拍，用示波器测量脉冲输出端有方波输出，继续检查发光二极管的输出波形，波形异常输出，判断应该是CD4017芯片出现了虚焊，经检查得出错误所在，重新测试，灯泡准确，但是蜂鸣器一直响无节拍，用示波器测量，有正常波形输出，说明电路正确。于是重新调节滑动变阻器，把脉冲波的频率降低，但是效果不大。后来询问老师，老师表示可能是555芯片产生的脉冲频率过高超出人眼的频率识别范围。在老师的指导下，我们通过改变电路中的电阻和电容的值来改变脉冲的频率，最后解决了该问题。
5.2 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D1和D2也随着节拍声交替发光,发出强音时D1亮，发出弱音时D2亮。
分析：“强 弱 强 弱”的节奏声正是2/4拍的节奏，说明电子节拍器能够正常发声和发光。仿真图如图4-1所示

图4-1 2/4拍仿真波形图

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D1、D2和D3也随着节拍声交替发光，发出强音时D1亮，发出第一声弱音时D2亮，发出第二声弱音时D3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，如图5-2所示。

图4-2 3/4拍仿真波形图
（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D1、D2、D3和D4也随着节拍声交替发光，发出强音时D1亮，发出第一声弱音时D2亮，发出第二声弱音时D3亮, 发出第三声弱音时D4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，如图4-3所示。

图4-3 4/4拍仿真波形图
（4）调节滑动变阻器，节拍声节奏加快，发光二极管闪烁节奏也同步加快；反向调节变阻器，节拍声节奏减慢，发光二极管闪烁节奏也同步减慢。所以判定制作的电子节拍器的节拍速度连续可调。
（5）调节放大电路中电容的大小来调节声音的大小，当电容越大声音就越大，反之就相反。所以判定电子节拍器的声音有强弱之分。
因为经验的缺乏，导致这次实验浪费大量的时间，并且出现许多不必要的错误。以上测试结果表明：制作的电子节拍器能够完全正确地完成设计所要求的功能，总的来说该次制作是成功的，该课程设计也是成功。

第五章 收获与体会
这是一比较系统的电路设计，是一次将理论与实际相结合的实践。其中包括电路的设计，资料的查找，分析问题解决问题的能力。
刚开始拿到题目，感觉有些难度，因为这种课程设计还是第一次做，而且对电子节拍器也不是很了解。后来在图书馆查找相关书籍，在互联网上收集相关资料和指导老师的帮助下，才慢慢对电子节拍器有了初步的了解。作者和同组人把收集出来的资料汇总，提炼，最后得出两套可行方案。最后采用了第二套方案。在这个过程中锻炼了自己获取信息、分析信息处理信息的能力。
体会：
本次实验中出现了很多的问题，最大的一个问题是555产生的脉冲信号频率的选取，我们忽略了常识，人眼的分辨率并不高，而刚开始555脉冲信号频率过高，导致实验现象不符合。但是实验也有非常值得可喜，虽然没有接触过CD4017，也没有使用过，但是通过看芯片的真值表以及引脚，掌握了CD4017的运用并懂了脉冲分配器的原理，并发现CD4017是一种非常方便做流水灯的芯片，第二件非常可喜的是实验出现了异常，我并没有灰心而是逐级分模块用示波器检查其波形并判断出是哪块模块出了问题，通过有序排查的方式，我们最终找到了错误的根源。加强了调试能力。
通过本次课程设计，使我明白了一般的电子产品的设计及制作过程，尝试到了动手制作电子产品的乐趣，加深了对专业基础课程知识的学习和了解。同时也加强了独立分析能力和合作能力，使作者明白团队精神的重要性。

参考文献
[1]童诗白.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2006
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2006
[3]赵柯，彭嵩.脉冲与数字电路实验指导书.南昌航空大学电子信息工程学院实践中心，2008
[4]（日）汤山俊夫.数字电路设计与制作（第一版）. 彭军,译.北京：科学出版社，2005
[5]兰吉昌.数字集成电路应用260例（第一版）.北京：化学工业出版社，2009

附录一 元件清单

类型
元件
数量
芯片
CD4017
各1个
NE555
1个
三极管
S9013
2个
二极管
IN60
5个
发光二极管
蓝色
4个
电容
10uF
1个
0.1 uF
1个
1 uF
1个
电阻
51kΩ
4个
240Ω、100Ω
各1个
1.5 kΩ
1个
91 kΩ
1个
滑动变阻器
1MΩ
1个
蜂鸣器

1个
单刀三至开关

1个

附录二 电路总图

附录三 实物图

附录四 PCB图

21