可编程音乐发生器课程设计

一设计目的……………………………………………………二设计要求……………………………………………………三电路的总体结构……………………………………………四各部分电路设计……………………………………………五整体电路图…………………………………………………六设计总结……………………………………………………七参考文献………………………………………………………
1、进一步熟悉数字电路中计数器，555定时器等中规模逻辑器件的综合使用。

2、学习可编程音乐发生器的工作原理。

3、 通过这次课程设计，了解使用数字电子知识来解决电子线路的实际问题的能力，以便更好掌握所学的知识，培养一定的动手能力。

二、设计要求
1、可产生5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 等12个音调。

2、要求使用555定时器、计数器。

3、可循环重复播放某一乐曲。

三、总体设计
四、各部分电路设计
1、555定时器
555由比较器C1和C2、基本RS 触发器和集电极开路的放电三极管T 三部分组成。

图4.1 555内部结构图4.2 555内部引脚图
1.1 555定时器的工作原理
555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。

外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。

555定时器原理图及引线排列如图4.1、4.2所示。

其功能见表4.1。

定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。

分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。

A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。

4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。

5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。

如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平稳定。

表4.1 CB555定时器的功能表
1.2 555定时器构成的占空比可调的时钟脉冲发生器，接入两只二极管D1,D2后，电容C 的充放电回路分开。

调节电位器R4可以改变输出脉冲的占空比，但频率不变。

VCC OUT
U1
555_TIMER_RATED
GND
DIS RST THR CON
TRI R110k¦¸
R2
10k¦¸
D11N1202C
D2
1N1202C
C1
100nF C210nF
5V
Key = A
100k¦¸
1
234
7
8VCC
XSC1
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+_
Vo
6图4.3 占空比可调的脉冲发生器
图4.4 波形调试图
1.3 555定时器构成的多谐振荡器
由555 电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡电路中RC 元件的数值进行改变。

根据这一原理，通过设定一些不同的RC 数值并通过控制电路，按照一定的速度依次将不同值的RC 组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏地发出已设定的音频信号或音乐。

图4.5 多谐振荡器
2、CD4017
2.1 CD4017功能简述:
CD4017是5位Johnson计算器，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，计算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，2输入译码选通和无毛刺译码输出。

防锁选通，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。

2.2 CD4017引脚图:
图4.5 CD4017的引脚图
2.3 CD4017引脚功能：
CD4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。

CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为：
A、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。

B、数据输出脚：
a、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)
b、CARRY OUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY OUT将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。

D、控制脚：
a、CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。

b、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。

五、整体电路图
全电路由三部分组成:以U2 为主组成的音乐音阶振荡器、由十进制计数/脉冲分配器CD4017 (U3) 组成的切换控制电路和由U1 组成的为U3 提供时钟脉冲的时钟脉冲发生电路。

在由U2组成的音阶振荡器中，电阻R8 、R9 和电容Cx 是决定电路振荡频率的元件，在本电路中将R8 、R9固定，通过改变Cx 的数值来改变振荡频率。

电路中，按照音乐的七个基本音阶，将Cx 分成七组，即C3，C8，C9，C10，C12，C11，C4 ，每一个电容可以组成七个音阶中的一个音阶，七个电容组成振荡电路的1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 。

根据音乐音阶信号的分析测量，已知七个基本音阶的频率分别为: 1-261. 63Hz ,2-293.66hz，3-329.63Hz, 4-349.23hz，5-392.00Hz, 6-440.00Hz, 7-493.88Hz 。

电容的容量即可按照上述音阶对应的频率来计算确定。

通过计算，各音阶振荡频率对应的Cx 的容量数值分别为: 1 -(C4 )0.083μF ，2-(C5)0.074μF，3- (C6)0.066μF，4-(C7)0.062μF，5-(C8)0.056μF，6-(C9)0.049μF，7-(C10)0.044μF 。

音阶振荡电容切换控制电路由U3 与Q1~Q7 组成。

U3 (CD4017) 是一只十进制计数/脉冲分配器集成电路，它的14脚为时钟脉冲输入端,每输入一个时钟脉冲，它的输出端前移一位并输出高电平。

CD4017 共有10 个输出端，分别为QO (引脚③)、Q1 (引脚②)、Q2 (引脚④)、Q3 (引脚⑦)、Q4 (引脚⑩)、Q5 (引脚①)、Q6 (引脚⑤)、Q7 (引脚⑥)、Q8 (引脚⑨)、Q9 (引脚11)。

本电路只用了其中7 个引脚，即Q1~Q7 。

由于Q0在接通电源后就输出高电平，所以不能用。

C6、R7组成微分电路，产生复位脉冲。

每当接通电源之后，微分电路产生一个复位脉冲，通过U3的15脚加至电路内的复位端使电路复位，Q0输出高电平。

每当输入一个时钟脉冲，U3的输出端就输出高电平，它所连接的晶体管
开关电路就接通。

例如当Q1 输出高电平时，通过R4 使Q1 导通。

这时电容C4 通过Q1 接地，振荡电路发出"1" 音。

当连续的时钟脉冲从输入端输入时，U3的输出端就依次连续输出高电平，晶体管依次连续导通，电容依次被接地，振荡电路依次发出"2" 、"3" 、"4" 、"5" 、"6" 、" 7" 。

当Q8~Q0 输出高电平时，振荡电路停止一段时间，然后继续按"1"、"2" 、"3" 、"4" 、"5" 、"6" 、" 7"发出音阶。

U1与R1 、R2 、C1 及D1 、D2 组成时钟脉冲发生电路，它是一个振荡频率和占空比可调的振荡电路.调节R1可以调节脉冲的振荡频率和占空比。

由U1 输出的时钟脉冲经14脚输人U3的时钟脉冲输入端。

六、设计总结
1、扬声器不发生，一运行软件就会造成U2与扬声器的连接处爆炸
原因是我没看清楚扬声器的引脚图，只是扬声器短路，造成U2的烧毁。

在设计555多谐振荡器的时候，忘记考虑外加电源，一开始没有成功仿真，改正之后得到结果。

如何用555定时器实现不同频率音调的发出，就此问题我解决的办法是运用555定时器和少量的器件（电阻、电容、三极管等）来实现。

2、设计体会
本次专业方向课程设计，在老师布置课题并讲解了基本原理后，几天以来我查阅了许多有关此设计的资料，并通过与同学交流经验和自学，以及向老师请教等方式，最终基本完成了此次课程设计。

通过这次电子课程设计，对以前所学的电子电路知识既是巩固又是发展，进一步理解并加深了对所学的模拟及数字电子技术的认识。

学会了在实践中运用理论，用理论来指导实践，培养了理论联系实际的正确设计思想。

通过对课题的设计，训练了运用所学的理论知识去思考问题并联系理论实际解决问题的能力，提高了逻辑思维的能力。

总之，通过这次电子课程设计，培养了实际运用理论的能力，懂得理论联系实际去处理问题，也培养了吃苦耐劳的精神，为以后更好的的学习和工作打下了结实的基础，对于我们来说是一次难得的实践机遇，也是一个宝贵的精神财富。

2、对设计的建议
这次音乐可编程发生器的设计不足之处是运用调节电阻的方法来实现"1"、"2" 、"3" 、"4" 、"5" 、"6" 、" 7" 10个音调的输出，可以采用74LS154十六
进制的译码器实现十二个音调的输出。

七、参考文献
《数字电子技术基础》
《模拟电子技术基础》。