电子节拍器的设计与实现 毕业设计.doc

信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)设计(论文)题目:电子节拍器的设计与实现 专 业: 通 信 技 术 班 级: 通 技 06-2 学 号: 姓 名: 指导教师: 二oo八年十二月三十日职业技术学院毕业设计（论文）任务书学 生姓 名学号0班级通技06-2专业通信技术设计（或论文）题目电子节拍器的设计与实现指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注工程师073高级工程师司8设计（论文）内容：（1）设计指标 设计一个能产生音乐节拍的电路，要求在1分钟内能够让人们感受到一定的节拍数； 在1分钟内可在40208次范围内快速调节发出的声或光； 要求对振荡器输出脉冲进行监控； 要求对扬声器发声进行显示。（2）设计要求 画出电路原理图（或仿真电路图）； 元器件及参数选择； 为保证电路工作的可靠性，对电路进行确认和检测； 制作电路pcb。进度安排：第5周：任务下达，理解消化任务要求；初步设计方案确定；第6周第10周：设计方案确定，分模块部分完成；第11周：中期检查，查找问题，分析解决难点；第12周第15周：分模块调试，整体电路调试，论文书写等；第16周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1邱寄帆.唐程山-数字电子技术河北：人民邮电出版社，20052熊建云protel99seeda技术及应用北京：机械工业出版社，20073郑应光-模拟电子线路（一）南京：东南大学出版社，2005年4潘松.黄继业数字电路技术实用教程科学出版社，2006年9月第三版5胡汉才.电子设计技术北京：清华大学出版社，20036许瑛琪.数字电路设计实例北京：清华大学出版社，20027陆坤电子设计技术成都：电子科技大学出版社，19988李红青，孙晓民等电子产品设计实用技术北京：航空航天大学出版社，20029许瑛琪电子设计实例北京：清华大学出版社，200210董凤毕业设计指导西安：西安电子科技大学出版社，2005审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份 目录摘要1第1章绪论2第2章方案设计3第3章单元电路的设计63.1定时器电路的设计63.1.1石英晶体振荡器63.1.2lc振荡器63.1.3555定时器73.1.4rc环形振荡器73.2脉冲转换电路的选择93.2.1555定时器构成的单稳态触发器93.2.2单稳多谐振荡器74hc123芯片103.2.374hc123构成的转换电路113.3扬声器电路设计123.4监控电路设计12第4章总体电路与电路检测144.1电子节拍器的总体电路144.2电路的检测154.3电路工作的确认15总结16致谢17参考文献18附录pcb板底图19i摘要随着当今社会电子产品的飞速发展，电子产品也日新月异，许多高科技产品也慢慢介入了乐器市场，电子节拍器也步入市场，特别是在一些娱乐场所中，节拍器可让人们感受到音乐的美妙，对一些音乐爱好者来说也很重要，可以跟随节拍来更好的学习音乐知识。本电路是利用rc环形振荡器、单稳多谐振荡、otl放大扬声器电路设计一个能在1分钟内可在40208次范围内快速调节发出节奏音乐的电子节拍器。论文主要介绍了电子节拍器的选择方案和单元电路的设计以及电路的检测和确认。关键词rc振荡器；单稳态多谐振荡器；otl放大电路第1页共19页第1章绪论随着时代的进步，电子产品也日新月异，许多高科技产品也慢慢介入了乐器市场，节拍器现在几乎已经成为了初学者必备的学习工具，他的基本功能顾名思义就是帮助新手们树立并培养良好的节奏感，事实上今天的节拍器已经不只是这几点了 他还有电子调音、节奏分类等功能 尤其是电子调音。产生音乐节拍的装置叫做节拍器。电子节拍器具有强烈的节奏感，在娱乐场所里不时可以听到电子节拍器发出的有节奏的声音。电子节拍器是一种能在各种频率中发出一种稳定的节拍的电子装置，作为一种节奏性乐器使用。1696年巴黎人e-卢列创制第一架节拍器后，这种装置的种类就在不断更新，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40210拍。约在1945年瑞士钟表业生产有袖珍节拍器，形如挂表。现代利用半导体和集成电路的节拍器小巧灵便 ，具有多种功能。匈牙利作曲家g-利盖蒂在交响诗中用过100个节拍器以不同速度鸣响。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。在电子节拍器之前有机械式节拍器，节拍器通常是弹簧式结构，能够与音乐的旋律想对应地改变砝码的位置。由砝码距支点的位置决定加快或是放慢节拍，但随着时代的进步，机械节拍器已被电子节拍器所代替，对于节拍器来说，最重要的就要能够让人们感受到1min内地节拍数即速率。本设计利用数字ic制作电子节拍器，1min内可在40208次范围内快速调节发出的声或光。第5页共19页第2章方案设计节拍器作为感受音乐的手段，就是让装置发出“咔其、咔其”的声音，只要能够感受到音乐的节拍，什么形式的装置都是可以采用的。节拍器有电子节拍器和机械式节拍器，机械式节拍器的动力采用的是弹簧，它改变节拍的方式是改变砝码的位置，又大又重，而电子节拍器与机械式节拍器完全不同，它是利用声和光电装置，动力采用的是电池或电源，感受节拍的方式是振荡器发出的电子音乐和led的发光，所改变节拍的方式是调节（旋转）调节器（vr），又小而且较轻。所以本电路设计一个电子节拍器，设计的电子电路是能够按照一定的音乐节拍发出使人们可以感受到的声或光电效应，从而感受音乐的美丽。方案一：简单电子节拍器。简单的电子节拍器由两部分组成，一部分产生定时用，另一部分产生扬声器声音用，扬声器发出的声音是由振荡器提供的，将振荡器直接连接到扬声器上，就会发声。其电路框图如图2-1所示。图2-1简单电子节拍器结构框图电路工作波形如图2-2所示。图2-2工作波形从图2-2电子节拍器的波形图可以看出，一般的rc振荡器输出的“h”部分与“l”部分之比差不多是1:1(叫做占空比是50%)，就是说当产生定时的振荡器的输出为“h”时扬声器才会工作而发出声音。这就是说，它的动作只是在决定节拍周期的一半时间发出声音，在另一半时间内并不发声，也就是说我们就不能听到具有节奏的音乐声。从图2-2框图中可以看出，如果我们就按照上面的结构来设计电路是不行的，由于只是在决定节拍的周期的一半时间里发出声音，那么当周期变长时，发出的声音也就会变长。这就是说，它的动作与机械式节拍器发出的“咔其、咔其”的声音不相同，我们感受不到音乐的节奏。方案二：具有监控电路的电子节拍器。从方案一的框图和波形图我们可以看出扬声器在一半时间内发声，一半时间不发声，这样我们就不能听到具有节奏的音乐声，而我们是要让扬声器在不同频率下能够连续发声，所以扬声器电路我们采用otl来解决连续发声；如果按照方案一扬声器发声将是长音，而我们目地就是在不同的频率下都能够发出“哔，哔”的短音，为了实现这一点，电路中可以使用单稳多谐振荡器，单稳多谐振荡器的特点是当输入触发信号时，能够产生出由外接电阻和电容器所确定的输出脉冲，输入的触发信号是由定时电路送来的脉冲信号，下降沿到来有效。所以无论输入脉冲的宽度如何，都能够获得固定宽度的脉冲输出。使用单稳多谐振荡器可以使扬声器发声的时间成为固定的，同时在方案二中附加了监控时基用振荡器输出脉冲的led1和显示扬声器发声的led2。具体的结构如图2-3所示。图2-3电子节拍器结构图其工作波形如图2-4所示。图2-4电子节拍器工作波形从图2-3的框图看出，电子节拍器电路由两个rc振荡器、单稳多谐振荡器、扬声器驱动电路、led驱动显示电路构成。电路中两个rc振荡器起着不同的作用，当我们接通电源后，驱动扬声器电路rc振荡器产生一个稳定的4khz的输出信号脉冲来驱动扬声器发声，定时电路rc振荡器在1分钟内可在40208次范围产生不同的频率脉冲送到单稳多谐振荡器中去，这时单稳多谐振荡器将定时电路rc振荡器送来的脉冲进行处理，也就是将宽脉冲变为窄脉冲，单稳多谐振荡器将经过处理的信号和驱动扬声器电路的信号共同经过一个与非门送到扬声器电路中去，这时扬声器将会发出具有节奏的音乐，而图中的两个led分别是检测rc振荡器和单稳态多谐振荡器的工作状态。由于方案二能够更充分的表现出音乐的节奏，并且能够时实监测电路的工作状态，所以此次设计选择方案二。第3章单元电路的设计在电子产品设计中，单元电路的设计尤为重要，要考虑到许许多多的方面，来更方便的实现电子产品的各项功能和使用起来更方便，同时能够更好的降低它的成本等问题。3.1定时器电路的设计说到定时器，大家脑海中会想到许多能够做为定时的电路，比如说最常见的是555定时器、石英晶体振荡器、rc环形振荡器、lc振荡器等。3.1.1石英晶体振荡器节拍器最重要的功能之一就是准确定时，而且还必须能够根据需要方便地对定时做出调整，说到准确的定时，人们脑海里会立即浮现出石英晶体振荡器来。石英晶体振荡器确实是很准确的定时，石英晶体振荡器电路它采用石英晶体作为振荡回路，组成的晶体振荡器的q值高达104以上，频率稳定度最高可达10-10，它的振荡f由石英晶体，因而在各类对频率稳定度要求高的电子通信中广泛采用，所以它的稳定度很高，电路如图3-1所示。图3-1石英晶体振荡器但是石英晶体振荡器的振荡频率不能方便地改变，而我们电子节拍器是要随时改变我们的频率，所以我们不采用石英晶体振荡器。3.1.2lc振荡器lc振荡器也能满足电路所需的定时用，lc振荡电路因选频网络采用lc谐振电路而得名，主要用来产生高频振荡信号其振荡频率一般在几兆赫兹到几百赫兹，lc振荡器的工作频率较高，当达到平衡后，振荡管一般工作大信号非线性状态，因此，对lc进行精确的计算相当困难，所以我们也不采用lc振荡器。3.1.3555定时器555定时器是我们最常见的一种定时器，它的输出脉冲u0的工作周期为t0.7（r1+2r2）c，要求相当高，而我们此次的设计要求不太高，参数的计算也太麻烦，所以我们也不采用它。3.1.4rc环形振荡器rc环形振荡器能方便电路振荡频率的改变，计算要求不高，所以我们选择此电路作为本次设计电路的脉冲发生器。具体的定时电路如图3-2所示。图3-2rc环形振荡器图3-2中，rs是限流电阻，是为了保护u3而设置的，通常选择100欧左右，通过改变电阻r和电容c改变uo3的电平（因为rs很小，在分析时往往忽略不计）来控制u3周期性的导通和截止，从而在输出端产生矩形脉冲，因此该电路能方便地通过频率的改变使扬声器发出具有节奏感的音乐，不像石英晶体那样麻烦。rc环形振荡器的工作波形如图3-3所示。图3-3rc振荡器的工作波形根据此次电路设计需要，在设计中要用到两个rc振荡器电路，即定时用rc振荡器和扬声器用rc振荡器。1定时器用rc振荡器定时用振rc荡器必须能够在比较宽的频率范围内产生振荡，节拍器在1min内发生的节拍大约是40208个脉动的范围。我们根据1min发出的脉动数，就可以求得它的频率。1hz就是1s内发生1个脉动的频率。就是说，求得的频率就是每秒内发生的脉动数，所以我们先确定电子节拍器振荡器的振荡频率，其计算如下：因为1min是60s，所以当每分钟40个脉冲时，频率为：4060=0.667（hz）当每分钟208个脉冲时，频率为：20860=3.467（hz）所以如果能够在0.667hz3.467hz范围内振荡就可以满足我们设计的要求。要使扬声器能在0.667hz3.467hz范围内发出有节奏的音调，我们就要改变定时电路输出的频率，可以通过振荡频率来确定可变电容c的取值范围来调整输出它的频率。通过rc环形振荡器的波形可以知道其振荡周期为：t2.2rc改变r、c的值，可以调节rc环形振荡器的振荡周期t。但是，r不能选得太大（一般1k左右），否则电路不能正常工作，所以，定时器rc环形振荡器中的电阻取r=960，我们可以根据它的周期t就可以计算出可变电容c的范围：因为t2.2rcr=960而f=1/t，再由上面我们算f的范围可得：当f=0.667hz时，由t2.2rc知：1/2.2rc960c=0.667f，得c709.87f当f=3.467hz时，由t2.2rc知：1/2.2rc960c=3.467f，得c136.57f从上述计算可得可变电容c的变化范围在709.87f136.57f内即可满足设计要求。2扬声器用rc振荡器驱动扬声器我们采用的也是rc环形振荡器，但它和定时用的有所不同，它的频率是固定的，因为我们只是用来驱动扬声器持续发声，不需要改变它的频率，它的电路如图3-4所示。图3-4rc环形振荡器它的工作原理和定时电路rc振荡器基本一样，我们是要扬声器持续发声，所以不需要可变电容，但我们也还是要计算出它的参数，其计算如下。通常我们人耳能听见声音频率范围在十几khz几十khz，但我们听到声音的最佳频率在4khz，所以f=4khz，我们仍取r=960由t2.2rc、r=960可得c=118.37f。3.2脉冲转换电路的选择使用单稳多谐振荡器可以使扬声器发声的时间成为固定的，单稳多谐振荡器的特点的是当输入触发信号是脉冲的上升沿或下降沿部分，所以不管脉冲的宽度宽也好窄也好，都能够获得固定的脉冲输出，当然能满足此功能的单稳多谐振荡器电路有很多，比如555定时器构成的单稳态触发器、74hc123芯片构成单稳触发器等。3.2.1555定时器构成的单稳态触发器555定时器构成的单稳态触发器转换电路如图3-5a）所示和工作波形如图3-5b）所示。图3-5555定时器单稳态触发器及工作波形由图3-5知，当触发脉冲下降沿到来时，由于1/3vcc，而th=uc=0，输出端out为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管vt截止。由于vt截止，vcc则通过r对c充电，当th=uc2/3vcc时，输出端out跳变为低电平，电路自动返回稳态，此时放电管vt导通。电路返回稳态后，c通过导通的放电管vt放电，使电路迅速恢复到初始状态。我们也可从它的工作波形图看出它将窄脉冲变为了宽脉冲，是一个微分电路，这样的话我们将会听到较长的音乐声，不适合电路设计要求，所以我们不采用555定时器作单稳态触发器。3.2.2单稳多谐振荡器74hc123芯片74hc123芯片是一个积分型电路，它可将宽脉冲变为窄脉冲，与555定时器单稳态触发器微分电路相反，使用74hc123芯片能够听到短音，就可以满足电路需要。74hc123芯片有上升沿或下降沿两种触发方式，都可作为输入端使用。在此设计中选择74hc123芯片下降沿作为电路输入端。74hc123芯片逻辑符号如图3-6所示。图3-674hc123芯片逻辑符号在图中，a、b端（1、2脚）是触发输入a端和触发输入b端，且a端低电平有效；clr（3脚）为清零控制端；rcext（15脚）外接定时电阻；cext（14脚）外接定时电容；q端（13脚）为输出端。74hc123电路的功能表如表3-7所示。表3-7芯片74hc123功能表输入输出abclrq00010001111基于74hc123芯片的功能，因此在设计中改变脉冲宽度使用74hc123芯片来实现。3.2.374hc123构成的转换电路74hc123构成的转换电路其具体的电路如图3-8所示。将芯片3脚（clr）接高电平，2脚（b输入端）接高电平，14脚外接一个电容，15脚外接一个电阻，从而在芯片输出端可得到一个比较窄的输出脉冲。图3-8单稳多谐振荡电路因为电路采用的74hc123芯片的1脚（a端）作为输入端，2脚（b端）接低电平，输入信号来自与非门的输出，由于3脚（clr端）清零控制端低电平有效，所以我们将它接高电平，使电路处于工作状态，15脚（rcext端）和14脚（cext端）是接芯片的阻容器件端，当a端接收到来自与非门的输入信号时，芯片处理输入的脉冲，这时在13脚（q端）会输出固定宽度的脉冲，如图3-9所示。再将此脉冲和驱使扬声器电路的脉冲共同通过与非门输入到扬声器电路中去，此时扬声器发声的时间成为固定的，我们就可以听到美妙的音乐，实际上74hc123芯片此时将宽脉冲变为了窄脉冲，如波形图3-9所示。图3-9单稳多谐输出波形3.3扬声器电路设计扬声器电路是电子节拍器中重要电路之一，它能使人们听到具有节凑的音乐，也能检测此次设计是否达到目的，扬声器的驱动使用了两个晶体管，我们采用的otl放大电路原理将扬声器声音放大，具体电路图如图3-10所示。图3-10扬声器电路从图3-10可以看出，来自单稳多谐振荡器电路和rc振荡电路的信号作为与非门输入，共同控制otl放大电路工作，otl电路是用两个三极管交替放大工作，r4和r5起限流作用，当信号输入为低电平时，q1截至而q2导通，q2将使扬声器放大发声；高电平输入时，q1导通q2截止，此时q1使扬声器放大发声，电容c在电路中起隔直流通交流作用，此时扬声器就将发出具有节凑的声音。3.4监控电路设计在此次电路设计中我们附加了两个监控电路，它们一个监控rc振荡器（定时用）工作状态，一个监控单稳多谐振荡电路的工作状态，具体电路如图3-11所示。图3-11监控电路led1是检测rc定时电路的工作状态，led2是检测单稳多谐振荡电路的工作状态，电阻在电路中起限流的作用，它们的工作波形如图3-12所示。图3-12led1、led2工作波形从图3-12工作波形图可看出，led1、led2分别监测rc振荡器（定时用）和单稳多谐振荡电路的工作状态，正常工作时led发光，当定时电路输出高电平信号时，它的信号分别输入到led监控电路和单稳多谐振荡电路中，此时led1监控电路对它进行检测开始发光，单稳多谐振荡器将定时电路输入的高电平信号开始处理变窄，单稳多谐振荡器将输出较窄的高平到led监控电路，此led也开始发光，由于rc振荡器输出的是较宽的信号而单稳多谐振荡器是将输入宽带信号处理变窄，所led1发光时间比led发光时间长。第15页共19页第4章总体电路与电路检测4.1电子节拍器的总体电路在完成单元电路设计和确认了电子节拍器的框图以及它的工作原理后，可以画出节拍器的总体电路图，如图4-1所示。图4-1电子节拍器电路图在经过单元电路的设计我们就会很清楚电路的工作原理，图4-1中，有两个rc环形振荡器，一个是定时电路rc振荡器作定时用，为了能够方便频率的改变我们将定时电路rc环形振荡器的电容改接了一个可变电容，通过调节电容容值就可以方便改变地频率；另一个是驱动扬声器电路rc振荡器是驱动扬声器持续发声，当我们接通电源后，电路开始工作，驱动电路产生脉冲来使扬声器持续发声，而这时定时电路也将产生脉冲，如果此时定时电路产生的脉冲直接输入到扬声器中，那么扬声器发声就会出现方案一的那种情况，所以定时电路产生的脉冲输入到单稳多谐振荡器，即输入到芯片74hc123中，由于我们采用的下降沿有效，所以在它的输入端接了一个与非门，这时芯片74hc123将定时电路输入的脉冲进行处理，将宽脉冲变窄再输入到扬声器电路中去，扬声器在led1发光的瞬间发出声音，使扬声器发出“哔，哔”的声音，这时我们就会听到具有节奏的音乐，led1和led2是检测rc振荡器和单稳多谐振荡器的工作状态。4.2电路的检测当我们完成电路设计后，也许会出现许多的故障，这时就需要我们逐个的检查，在将其排除。电路的检测可以根据led1、led2发光来判断。当我们完成电路后，如果扬声器没有声音也不发光，就要逐个方框地检查它们的工作。可以通过led1是否发光来确认产生定时用的振荡器工作。如果led1不发光，或者无控制地发光，很有可能的定时电路rc环形振荡电路出现问题，应该确认它的接线。当led1熄灭，led2不发光，或者无控制地发光时，说明单稳态多谐振荡器芯片74hc123有出现问题，可以检查它引脚接线和阻容器件端是否有问题，如果正确，但是仍然不工作，就可能是ic出现了问题，我们可以换一个振荡器观察它的工作。如果led1、led2都正常但仍然不发声，可能是扬声器声音用的振荡器工作不良，或者扬声器驱动部分有问题，与非门的3号管脚上的电阻接在2号管脚上，确认是否发声。如果仍然不发声，那么把信号从门ic的输出通过电容器加到扬声器上，这时如果发声，那就是晶体管电路内部有问题，如果还不发声，那就是振荡器不振荡，或者扬声器有问题。4.3电路工作的确认当确定了3个ic、扬声器以及led的位置后，我们接上电源，就可以确认电路是否能够像我们所设计的那样工作，在确认发出声音的同时led也能够发光，就可以完成工作的确认，然后旋转可变电容看扬声器发出声音的间隔是否变化，再计算1min内发出“哔、哔”声音的次数和右旋vr时，如果能够分别达到208次以上和40次以下我们就足够使用了，我们就完成了此次的设计。总结在大学的学习过程中，毕业设计是一个重要的环节，是我们步入社会参与实际工程建设的一次极好的演示，我十分有幸能提早把毕业设计和实际工程有机的结合起来。在指导老师的指点下，通过各种渠道开始准备工作通过网络、图书馆搜集相关学术论文、核心期刊、书籍等。通过几个月的深入学习，搜集了一大堆与毕业设计相关的资料，在弥老师的指导下，摒弃了一些无关紧要的内容，保留了有参考价值的资料作为备用。在这段时期，我整天出入图书馆。在中国知网上，我搜索了一些学术论文和期刊文章；在springer上，我搜索了外文文献资料；在常见的搜索引擎中，我了解到一些相关的知识，同时特意浏览了大量的外文网站，并将这些内容列成提纲，便于以后查询，以减少后期工作量。接下来，我开始对所搜集的资料进行整理、分析研究，对电子节拍器的方案选择，确定原理图，单元电路的设计等，在这些方面我多次与弥老师电话或短信以及利用e-mail进行沟通，听取老师好的建议，积极采纳。老师将初稿修改后及时反馈给我，看了之后才发现论文中的论文漏洞很多，特别是论文的格式，就单元电路的选择来说，弥老师从功能的方便实现以及