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1、数字电路课程设计报告设计课题：自动奏乐器设计 1 专业班级： 13 电信本 学生姓名： 某某 学 号： 指导教师： 某某 设计时间： 自动奏乐器设计 1一、设计任务与要求1开机能自动奏一个乐曲，可以反复演奏； 2速度可变； 3并显示乐谱；二、方案设计与论证1、方案一、用 8 个 NE555 做 8 个频率不同的振荡器做 8 个音符，再并联输 入到扬声器播放图 2-1（方案一方框图）缺点是没有播放音符的显示电路，同时会一直循环播放，没有停止功 能,无法有效地实现题目所要求的功能，所以不选择此方案。2、方案二、主要利用 8 选一数据选择器来实现播放哪一个音符，同时用 8 进制计数器来产生地址码来实
2、现选择，同时产生的 8421 码输入到 cd4511 里进行译码显示。图 2-2（方案二方框原理图）通过分析，结合设计电路性能指标、以及电路有显示播发的音符是哪 一个的优点，和播发可以暂停以及可调速度的功能，综合这些优点，可 实现基本要求，则本设计电路选择方案二进行焊接测试。8 个时钟电路产生 8 个音 符通过并行输入到扬声 实现器产生不同频率的时钟脉冲， 电位器控制播放快慢8 进制计数器产生 8421 码通过 CD4511 译码显示利用 8 选一数据选择器实 现循环输出通过 7 个振荡电路产生 7 个不同频率的信号做 7 个 音符扬声器播放声音三、单元电路设计与参数计算555555定时器定时
3、器555 集成 时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。外形为双列直插 8 脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐 和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5K 的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和 CMOS 型 两大类，两者的工作原理和结构相
4、似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的 CMOS 产品型号最后四位数码都是7555或 7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V+15V，输 出的最大电流可达200mA，CMOS 型的电源电压是+3V+18V。图图8-18-1 555555定时器内部框图定时器内部框图555555 电路的工作原理电路的工作原理555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本 RS触发器，一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只5K 的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器
5、 A1同相比较端和低电平比较器 A2的反相输入端的参考电平为和。A1和 A2的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接 VCC。Vc 是控制电压端（5脚） ，平时输出作为比较器 A1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，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确
6、保参考电平的稳定。T 为放电管，当 T 导通时，将给接于脚 7 的电容器提供低阻放电电路。多谐振荡器的工作原理多谐振荡器的工作原理多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。如图8-4，由555定时器和外接元件 R1、R2、C 构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过 R1、R2向 C 充电，以及 C 通过 R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容 C 在和
7、之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图8-5所示。图 8-4 555555 构成多谐振荡器构成多谐振荡器 图 8-5 多谐振荡器的波形输出信号的时间参数是： T=0.7（R1+2R2）C=0.7R2C其中，为 VC由上升到所需的时间，为电容 C 放电所需的时间。555电路要求 R1与 R2均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。设计原理：设计原理：1、直流电源设计图 3-1 电源原理图利用 LM317 的可调电压
8、功能，调节 R1 的阻值，使得输出为 5v 电压。公 式 U0=(1+R1/R2)*1.25V2、时钟产生电路图 3-2 震荡电路（时钟产生电路） 频率设置公式 T=2.2*R2C1 通过该变 R2 或者改变 C1 该变信号的频率，7个频率的参数设置可以为 R21=22K，R22=33K，R23=44K，R24=50K，R25=70K，R26=80K，R27=90K 。同样可以改变电容 c1 的值来实现 8 个频率的不同。C1 的值选择 2.2uf，3.3uf，4.7uf，或 0.1uf（高频率是使用） 3、8 进制计数器电路加数显电路图 3-3 八进制计数器加显示电路 主要由一个 74160
9、 构成的八进制计数器产生地址码实现，计数器 ABCD 端 置 0，计数器初时状态为 0，开始计数，计到第七个 CP 信号完成时置数端有效， 计数器回到初时状态 0。再通过 CD4511 译码在数码显示管上显示乐谱，并且输 入到 8 选一数据选择器利用 74LS151 进行选择输出和循环。4、功能电路图 3-2 功能电路图音符的输出主要由一个 74151 数据选择器来实现的，从而达到 7 个音符 的循环播放输出。利用八选一数据选择器选择输出来实现 7 个音符的输出，ABC 是数据选择器的地址编码，这样就由数据选择器选择输出每个确定状态对应的 音符。使用 T 触发器的作用是为使占空比为 1：1，输
10、出到一个调节占空 比后再送到扬声器输出端。音符对应的频率如下表所示：音调音调 C 高音高音)7/B6/A 5/G 4/F 3/E 2/D 1/C频率频率 Hz) 261.63x2 493.88 440.00392.00 349.23329.63293.66 261.63四、总原理图及元器件清单1总原理图（不包括 8 个音符产生电路）图 4-1 总电路图（不包括 8 个音符产生电路音符产生电路如图 3-1 所示） 2元件清单元件序号型号主要参数数量备注（单 价） R21k33k100.1 元 C12.2uf，3.3uf电解电容（各 4 个）80.5 元 74LS16012 元 CD451112.
11、5 元 BS20112 元 74LS15113 元五、安装与调试1.电路安装 买好设计所需要的器材,按电路原理图焊接电路板。2.电路调试a接自制电源或在实验箱上接通电源。 b先测试计数数显电路，观察有没有完成 8 进制计数。 c测试 8 个音符的频率是否不同，如果相同则进行重新修改电路。 d接入测试号的 8 个音符到功能电路中完成最终测试。六、性能测试与分析1.直流电源测试与分析（1）测试步骤 将 UI=220V,f0=50Hz 接入电路板； 观察两个发光二极管是否有亮；若两个发光二极管都亮，则用万用表交流电压档测降压后的电压 U1； 用万用表直流电压档测滤波后电压 U4（由于接入了滤波电路所
12、以整 流电压等于 U2）; 用万用表直流电压档测输出的正负电压 Uo. （2）测试数据 U1=13.5 V U2=20.5V （3）数据处理及误差计算 1.变压器的副边输出电压为 13.5V 理论 U=13V1=(13-13.5)/13*100%=3.8%2.整流滤波电压稳压管的输入电压均为 17.5V 理论 U=18V 2=（18-17.5）/18*100%=2.7% 3.稳压管输出电压 UO=318v （4）结论分析（包含误差分析） A结论 集成直流稳压电路由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成；电源变压器起降压作用； 整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压； 滤波电路减小电
13、压的脉动，使输出电压平滑； 稳压电路使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响；在误差允许的范围内，滤波后电压等于降压后的 1.2 倍；整流后电压 等于降压后的 0.9 倍。 B B误差分析 1电路板上所用的各元件并不是完全和我们所计算的理论值相等，大小有 不同。 2. 导线接触不良或导线本身有电阻引起误差；2.功能电路测试与分析1 功能电路测试 （1） 测试步骤 a接通电源，打开开关，测试 8 个音符电路的频率是否相同。 b 测试计数器是否是 07 计数。 c当调节电位器时观察计数快慢的变化，有没改变，同时听播放速 度有没有随之变化。 （2） 测试数据 a音符 F1：20HZ F
14、2：40HZ F3：60HZ F4：100HZ F5：90HZ F6：F7：110HZ。 b计数器按 07 计数并显示。 c当调节电位器计数显示变快时，同时播放速度也变快，达到题目要求。调试成功。 （3）结论分析电路实现了开机自动播放 7 个音符的自动奏乐功能，当接通电源， 蜂鸣器会按输入的 7 个音符按顺序不停的播放。当按下快速档后计数 变快，播放也变快，这是由于输入时钟的频率变大而引起的，当 CLK 的频率变大后计数加快，输出的 ABC，三个地址码的输出也加快，8 选一的选通输出也加快，播放就随之加快。 （4）误差分析1 电路板上所用的各元件并不是完全和我们所计算的理论值相等，大小 有不同
15、，不够精确导致误差。2. 导线接触不良或导线本身有电阻引起误差；六、实验中遇到的问题、实验中遇到的问题1、开始时音乐演奏速度太快，通过多次降低 CLK 的频率将速度变慢，才得 到了相对比较好的演奏效果。 2、卡诺图化简为最简式时是通过真值表的形式将 Q0Q4 转化为 ABC 表示的， 化简出的表达式非常的复杂，容易化简错，从而导致电路图的连接特别容易错 误，可以适当采用工具。 3 实际频率设计的与理论有差别，导致声音不是很清晰。七，作品图片展示七、结论这次课程设计，我是先从简单的几个音符的分频开始做，之后又参考了 一些以前同学做过的资料，才得以日益完善自己的电路设计，细细推敲，一步 一步的上手
16、。从最初的一点点想法，到最后一个规模庞大的电路，终于电路大 功告成了。且每次改动电路图后都要重新编译，完成新的波形仿真，一个小小 的错误就会导致整个电路无法正常运行。设计过程中出现的种种问题让我明白， 出现任何一点小的误差就会导致整个文件系统的编译出现错误提示。经过反复 调试，但总是发出刺耳的声音，后多次调解 CP1 的频率才得到音符。这次课设， 我遇到了不少的麻烦，当遇到不懂的、不会的问题，要自己看书温故知新，要 不耻下问请教同学，要请教老师指点迷津。通过自己的努力和老师，同学的帮 助，最终都被一一解决。以后要善于思考，发现问题，解决问题，才能更好的 做出满意的设计。通过对自动奏乐器的设计，我还
