电子节拍器课设报告

电子课程设计报告题目名称：
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南昌航空大学科技学院
2011年月日
摘要
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，是一种能在各种速度中发出一种稳定的节拍的电动或电子装置，作为一种节奏性乐器使用。

本次的设计课题为“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。

”脉冲产生环节产生脉冲信号，然后输入到脉冲分配环节，脉冲分配环节按照所规定节拍规律分配脉冲信号的输出，然后由蜂鸣器发声产生节拍声音，发光二极管发出光显示，达到声光同步。

通过这次课程设计，使作者明白了电子节拍器的设计及制作过程，对专业基础课程的学习进行了巩固和加深，以及对数字电路的应用有了一个更深的理解，增强了对所学的专业的兴趣。

关键字：脉冲信号，节拍，声光显示，蜂鸣器
目录
前言 (4)
第一章设计内容及要求 (5)
1-1 设计要求 (5)
1-2 系统组成 (5)
第二章系统设计方案选择 (6)
第三章系统组成及工作原理 (7)
3.1 系统组成 (7)
3.2 工作原理 (7)
第四章单元电路设计及工作原理 (8)
4.1脉冲产生电路 (8)
4.2节拍控制电路 (10)
4.3声光控制电路 (11)
第五章实验、调试及测试结果分析 (14)
5-1焊接 (14)
5-2调试 (14)
5-3 测试结果与分析 (15)
结论及收获、体会 (16)
参考文献 (17)
附录一 (18)
附录二 (19)
前言
《数字电子技术基础》是一门发展迅速、实践性和应用性很强的电子技术专业基础课程。

为了适应现代电子技术飞跃发展的需要，更好的培养21世纪应用型电子技术人才，需要在加强学生基础理论学习的同时，还要加强实验技能的训练。

将理论知识、课题内容的作业、讨论与技能训练相结合，融为一体，课程设计以此为目的使能力培养贯穿于整个教学过程。

本实验通过对数字电路的性能测试和调整，使学生巩固和加深理解所学的理论知识，熟悉电子电路中常用元器件的性能和常用电子仪器的使用，掌握电子电路测量的基本原理和方法，为制作和调试整机电路打下基础。

第一章电子节拍器的设计与分析
1-1 设计要求
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。

1-2 系统组成
电子节拍器工作原理有以下几个环节：
1.脉冲产生环节
2.脉冲分配环节
3.发声和光显示环节
脉冲产生环节产生脉冲信号，然后输入到脉冲分配环节，脉冲分配环节按照所规定节拍规律分配脉冲信号的输出，然后由喇叭发声产生节拍声音，发光二极管发出光显示。

原理框图如图1-2-1所示。

第二章系统设计方案选择
方案一:组成电路包括三部分
1.速度发生器
2.音调发生器
3.节拍控制器
方案二:组成电路包括三部分
1.脉冲产生电路
2.节拍控制电路
3.声音控制电路
通过仿真软件Multisim在计算机上进行仿真，方案一和方案二都可行，能够产生出音响有强弱之分的节拍，并且能够打出多档节拍，具有声光同步显示的功能
方案一的特点是电路比较稳定，使用的元器件比方案二多，效果相对较好。

方案二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CD4017三种比较简单常用的芯片，线路连接也比较简单。

但是考虑到实际制作中，方案一的驱动能力可能不够，由蜂鸣器发出的声音可能比较小，而且这样的音调信号如果要进行放大的话会比较困难，另外该方案需要5V和9V双电源，不如方案二简便，可行性不如方案二，所以最后决定使用方案二进行制作。

第三章系统组成及工作原理
3.1 系统组成
本系统由拍点发生，拍型发生，声光指示电路组成。

通过三个按键来控制拍型的改变。

1、脉冲产生电路
由555振荡器组成,用于产生时基方波,其周期T=1.44/(R1+2R2)C,
以此控制产生方波的频率在0.667~3.467HZ之间。

2、节拍控制电路
拍型转换由三个开关按键控制，当第一个开关打开时，产生2/4拍、第二个开关打开时，产生3/4拍、第三个开关打开时，产生4/4拍。

3、声光指示电路
该部分声音先经三极管放大，后由音响放出，并列的四个发光LED灯顺序显示。

信号来自555，经CD4017后从输出端依次输出。

3.2 工作原理
首先由555产生1HZ的方波频率，周期T=1.44/(R1+2R2)C,
这里取R1=24K,R2=60K。

经非门取反，再由CD4017 14脚输入，当15脚为低时，芯片正常工作，15脚为高时，芯片复位。

信号依次从Q0,Q1,Q2…,Q9输出。

三个按键开关控制拍型，当第一个按键关闭时，信号先从Q0输出，LED4亮，再从Q2输出，LED3亮，再从Q5输出，被开关一短路，导致15脚为高，芯片复位，重复以上过程；当第二个按键关闭时，信号先从Q0输出，LED4亮，再从Q2输出，LED3亮，再从Q5输出，LED2亮，再从Q9输出，被开关一短路，导致15脚为高，芯片复位，重复以上过程；当第三个按键关闭时，信号先从Q0输出，LED4亮，再从Q2输出，LED3亮，再从Q5输出，LED2亮，再从Q9输出，LED1亮，再从Q11输出，被开关一短路，导致15脚为高，芯片复位，重复以上过程。

灯亮时，连接喇叭的三极管导通，喇叭响。

第四章单元电路设计及工作原理
4.1脉冲产生电路
电路如图
电路通过555自激震荡产生方波输出，其频率范围为0.5Hz-4Hz,调节两个电位器可以使拍子在每分钟30至240次的范围内变化。

本部分由555振荡器组成,产生脉冲方波,其周期T=1.44/(R1+2R2)C,以此控制产生方波的频率在0.667~3.467HZ之间。

周期T=1.44/(R1+2R2)C,所以取R1=24K,R2=60K，这样通过计算，得到的方波满足要求。

555芯片
555的内部结构可等效成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.
555属于cmos工艺制造.
555引脚图介绍如下
1地 GND
2触发
3输出
4复位
5控制电压
6门限(阈值）
7放电
8电源电压Vcc 555的引脚图
74ls04引脚图
4.2节拍控制电路
电路如图
节拍控制器由CD4017、C1、R5等组成。

其中脉冲分配器CD4Ol7，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又恢复到初始状态。

如果把某个输出端接到复位端RST，则当该输出端为高电平时电路即提前进入复位状态，我们正是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。

C1、R5组成开机复位电路。

当J1合上时，产生2/4节拍。

当J2合上时，产生3/4节拍。

当J3合上时，产生4/4节拍。

CD4017芯片
CD4Ol7是十进制计数器／脉冲分配器，如图1所示，它有16个引脚，其输入电压范围为3-15V。

其十个数据输出引脚QO-Q9只有一个输出高电平，在CLK 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；Reset为复位引脚，复位状态下QO输出高电平，Q1至Q9均输出
低电平；Carry-out为进位脚，当计数10个脉冲之后，输出进位信号；clock-enable为时钟使能端，当此脚为低电平时，在时钟脉冲的上升沿进位，当此脚为高电平时，时钟被禁止。

4.3声光指示电路
电路如
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管再过R8连接到地从而同步发光显示，另外通过二极管与电阻相连，由于R1=100Ω与其他R2=R3=R4=51KΩ不相同，所以当Q0输出高电平时，声音控制信号输出的电流将大一些，发出重音，区别于其他低音信号。

声音控制信号输出以后通过三级管放大电路对其进行放大，再输出到蜂鸣器进行发声。

下面以3／4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R1电路发出一重音，LED1灯亮，R2、R3、R4中无电流通过。

CP 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R2电路发出一低音，LED2灯亮，R1、R3、R4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R3电路发出一低音，LED3灯亮，R1、R2、R4中无电流通过。

输入第四个
脉冲后Q6输出高电平，通过开关又使Reset 端为高电平，脉冲分配器迅速进入复位状态。

如此周而复始，便可发出一强两弱的节拍声， 2／4、4／4 拍的工作原理可以此类推。

第五章实验调试及测试结果分析
5-1焊接
设计工作完成后，把所需要的工具准备好准备焊接：电烙铁、焊锡丝、数字万用表、剪线钳，然后就进行电路板排版和布线。

（1）作者使用计算机软件Protel 99进行排版布线，经过反复修改后，确定电路图，再在万用板上进行焊接。

总体遵循的规则为：
导线尽量与焊接板的边缘平行或垂直，一般不允许出现斜导线，如要拐弯则折成90°角；所有的导线必须紧贴电路板，不允许出现导线过长而突出在表面；同时要注意当两根导线靠的很近时，一定要保证在其接触部位有绝缘皮分隔开，防止出现短路，造成元器件的损坏。

（2）由于元器件有不同的耐热性，因此在焊接时要注意焊接顺序。

首先，应焊接耐热性最强的电阻。

电阻要求紧贴电路板，焊完一个将多余的线剪掉。

其次，焊瓷片电容和电解电容，同样要求紧贴电路板且注意速度要快，元器件的安装选择卧式或者立式安装也应注意。

再次，焊耐热性能差的元器件，像二极管、三极管等。

一定要注意一个火候，做到快、精、准、好。

最后，要注意焊芯片一定要先焊插槽，然后芯片直接插在插槽里，这样才不容易损坏芯片，万一芯片烧坏，只需更换另一个芯片，比较方便。

（3）由于焊接者技术有限，不可能每一次电焊时保证不出现虚焊、假焊的现象。

这就需要经常通过数字万用表进行测量，做到一边焊一边测，这样才能及时发现错误。

按照以上规则执行，一个比较好的电路模块制作完成。

5-2调试
焊接完以后接下来要进行的工作就是调试，这是一部非常重要的工作，制作者过去所做的所有工作都是通过调试来检验的。

调试工作主要有以下几个步骤：
（1）调节直流稳压电源输出电压为+5V，然后将所焊接的电路板的电源输入端接至直流稳压电源输出端，注意正负极不要接错。

（2）观察发光二极管是否正常发光，蜂鸣器是否正常发声，如果不正常，则用示波器观察各点波形，从555的第3端开始，看是否输出脉冲方波，然后根据设计时的原理判断应该出现的现象和结果逐级往下查，直至发现问题，找出错误原因，并进行相应的处理。

如果是焊接问题则重新进行焊接，如是元器件损坏则更换元器件，直至电路板正常工作。

修改的时候要注意断开电源，不要带电操作。

（3）当电路板的发声和光显示都正常时，然后调节节拍开关，试听其他的节拍，如果不能正确的打节拍，则继续检查电路并进行改正。

如果能够正确的打出节拍，则大功告成，制作已经完成。

（4）调试时要保持一个平稳的心态，不急不躁，积极思考，这样才能发现问题，得出想要的结果。

5-3 测试结果与分析
将电子节拍器的档位开关拨至2/4拍，接通电源开关，此时从电子节拍器的蜂鸣器发出“强弱强弱强弱强弱”的节奏声，电子节拍器上的发光二极管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。

将电子节拍器的档位开关拨至3/4拍，接通电源开关，此时从电子节拍器的蜂鸣器发出“强弱弱强弱弱”的节奏声，电子节拍器上的发光二极管D1和D2、D3也随着节拍声交替发光。

将电子节拍器的档位开关拨至4/4拍，接通电源开关，此时从电子节拍器的蜂鸣器发出“强弱弱弱强弱弱弱”的节奏声，电子节拍器上的发光二极管D1、D2、D3和D4也随着节拍声交替发光。

收获与体会
这是一次将理论与实践相结合的实践的电子设计。

其中包括了设计电路，查找资料，分析问题思考问题和解决问题，也是对焊接技术及排版美观的一个考验。

如这次电子设计不是简简单单的在书本之中寻找到一个电路图，并将其简单的焊接起来，而是要自己认真的思考各个电路的功能以及排版，作为通信工程的一名学生，只有由自己思考，查找资料，亲自焊接才能提高自己的专业水平和实际的动手能力。

在刚开始的焊接过程中不是很熟悉，但在不断的焊接中也渐渐摸索到了怎样焊接才更好，经几次调试，也知道了怎样排查电路中的问题。

也深刻意识到了即使有很好的理论知识也不一定能做出成品，所以还需更多的知识来丰富自己。

做完这次的电子设计，对以前所学的知识内容进行了复习和强化，一些书中的内容更加的透彻了。

这次设计中最困难的是当把板子焊接完成后，进行调试，对电路原理进行分析，检查焊点，发现了不少的假焊。

经过一个星期的努力，这次电子设计完成了。

从中总结出一些结论：完成一个模块后，就检查，确保无误后就进行下一模块的焊接，任何电路的设计都不是只存在一个电路，它是有各个小模块组成的，因而在电路的设计中就必须注意将电路模块化。

这样才能有针对性的将问题解决。

如果我们不将电路模块化，一次性将电路焊接好来，当我们焊接完检查电路之时，如果有错误，我们自己都不知道如何检查，这样会花很多的时间。

通过这次的课程设计还让我学到在遇到问题时我们只有耐心去思考问题，分析问题才是解决问题的最佳途径。

参考文献
[1]华成英.模拟电子技术基础教程.清华大学出版社，2006
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社2009
[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
附录一元器件清单
序号类型型号数量
1
芯片555定时器（带插座） 1
2 CD4017芯片（带插座） 1
3 74LS04反相器（带插座） 1
4
电阻100Ω 1
5 240Ω 1
6 1.5KΩ 1
7 51KΩ 3
8 91KΩ 2
9
电容0.01uF 2
10 0.1uF 1
11 10uF 1
12
电位器50K 1
13 100K 1
14
二极管发光二极管 4
15 IN1204C 5
16 晶体管9014NPN 2
17 蜂鸣器 1
18 按钮开关 3
19 PCB板 1
附录二总电路图。