12级电气工程及其自动化3班 程林云 - 图文

郑州科技学院

《数字电子技术》课程设计

题 目 简易电子琴 学生姓名 程林云 专业班级 12级电气工程及其自动化3班 学 号 201247069 院 （系） 电气工程学院 指导教师 李 杰 完成时间 2014年5月24日

引 言

随着电子技术的不断地发展，模似电子技术的缺点和局限性越发明显，并且也会阻碍电子技术发展的趋势。19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。

数字电子技术与模似电子技术相比有显而易见的稳定性。最经几年来，数字电子技术又有了巨大的发展。随着当代科技的发展，电子产品在人们的日常生活中占据着越来越重要的地位。生活中使用到许多的电子设备，它带给我们生活上的便利与影响。而电子琴就作为其中的一个典型代表，引领许多孩子进入音乐的殿堂。而这些有时甚至含有内建音乐，有时又可以千变万化，真诱惑人想动手试试看，因此我们对它产生了许多问题与想象。

在数字电路中，可以用施密特多谐振荡器产生频率稳定的方波，该电路结构简单、操作方便，是制做简易电子琴的一个非常不错的选择方案。在电子课程设计的过程中，系统的概念十分重要，熟悉从系统的层次分析问题、解决问题的方式。根据555多谐振荡器的产生电路。NE555是属于555系统的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及应用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定性、耗电量以及产生的振荡频率也不太一样，但是其总体上的计时精度高，其稳定度好，并且价格低；它的延时范围非常广555的操作电源电压范围非常大。

目录

摘 要 ......................................................................................................... 1 1 课程设计的目的 ................................................................................ 2 2 课程设计的任务与要求 .................................................................. 2

2.1 课程设计的任务 ..................................................................... 2 2.2 课程设计的要求 ..................................................................... 3 3 设计方案和论证 ................................................................................ 3 4 电路工作原理及其说明 ..................................................................6 5 单元电路的设计（计算与说明） ...............................................8 6 硬件的制作与调试 ........................................................................ 12

6.1 电烙铁的使用 ........................................................................ 12 6.2 焊接实物图 ............................................................................ 13 6.3 焊接过程出现的问题 .......................................................... 14 6.4 调试 ........................................................................................... 15 7 Multisim仿真 .................................................................................. 17

7.1 电路的仿真 ............................................................................ 17

7.2 仿真图的调试 ........................................................................ 18 8 总结 ..................................................................................................... 20 参考文献 .................................................................................................. 23 附录一：总体电路原理图 ................................................................. 24 附录二：实物图附录三：元器件清单 .................................................................................... 25 ........................................................................... 26

摘 要

本次设计所设计的是一块简易电子琴，主要是通过NE555定时器构成施密特多谐振荡器产生频率稳定的方波，该电路结构简单、操作方便，这个电子琴主要是由NE555定时器、一些电阻、电容、开关以及RC选通网络组成。根据555多谐振荡器的产生电路。确定RC选通网络的电阻、电容的参数，通过改变电阻、电容的参数来改变各音符的频率，从而达到所需音符的频率要求，最后通过3W的扬声器发出不同频率的声音。我们这次的课程设计是采用数字电路来产生C调的低、中、高二十一个音符。对于固定简单功能的实现，数字电路具有结构简单、实现方便、产生频率稳定、成本低等优点。制作中发现了一些问题，通过共同的分析研究得到解决，此次的课程设计巩固了前阶段的理论知识，增强了动手实践能力。

关键字：电子琴、NE555定时器、RC选通网络、施密特多谐振荡器

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1 课程设计的目的

1.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，巩固和掌握数字电路设计的综合理论知识、基本方法，掌握元件的特点应用、电路的仿真、典型电路的应用及线路焊接实现设计的要求，锻炼实际动手操作能力，同时培养交流、表达与合作能力；

2.培养实践技能，掌握电子电路安装和调试的方法及和故障排除方法，提高分析和解决实际问题的能力，培养创新能力和创新思维。

3.学会简易电子琴的设计和性能指标测试方法提高电子电路实验技能及仪器使用能力，了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理，一定要掌握对电子测量，焊接，电路的深层次认识；

4.通过老师、同学间的帮助及通过查阅手册和文献资料，感受实际操作中设计和制作的一般操作流程，培养对实践操作的兴趣、以及与搭档合作交流意识，逐步形成良好的工程意识。

2 课程设计的任务与要求

2.1 课程设计的任务

电子琴在丰富人类的精神生活上有着非常重要的作用，电子琴已经进入了家家户户的生活。电子琴是很好的娱乐工具，大人小孩都爱玩，甚至一玩就是几个小时。而我们的设计任务是利用其基本的工作原理设计一个简易电子琴，简易电子琴可以利用模拟电路和数字电路产生不同频率信号

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驱动扬声器来实现，本设计是采用数字电路来产生C调的低、中、高二十一个音阶，达到基本的电子琴的要求，每按下一个琴键，扬声器发出一个声音，演奏时的音量和节拍可以调节，当然也能弹奏出简单的曲目。

2.2 课程设计的要求

1. 使用NE555定时器构成施密特多谐振荡器、RC选通网络、电阻、电容、开关、扬声器等器件设计完成简易电子琴的设计与制作；

2. 用单刀三掷开关实现正常、高音阶和低音阶的切换，能够较便捷地完成音阶的升降；

3. 当单刀三掷开关接不同的电阻、电容时，可以改变选通网络RC选通网络的振荡频率，从而驱动扬声器有节奏地发出已设定的音频信号或音乐，能够弹奏出至少21个音符，其音长由弹奏着自由控制。

4. 选择电路方案，完成对所确定方案电路的设计。计算出电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。用Multisim仿真软件完成仿真，然后在对仿真图进行相应的调试使仿真图得到正确波形和频率。使每个音符的中心频率偏移不能超过5HZ;然后按照仿真图制作出相应实物，然后进行调试，并按规定格式写出课程设计报告书。

3 设计方案和论证

简易电子琴的课程设计方案有很多种，最终要选择那个方案却需要考虑很多因素，考虑它是否容易调试，元器件是否容易买到，经济是否允许，设计方案是否简单易懂，时间上是否允许，在仿真时是否能达到理想效果等因素。不管选那一种方案，简易电子琴一般是由正弦波产生电路，功率

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放大电路和滤波电路组成。简易电子琴是通过RC串并联网络和集成运放产生一个稳定的正弦波。整个电路由NE555定时器构成施密特多谐振荡器、RC选通网络、扬声器和琴键按钮等部分组成。通过Multisim11仿真，我们可以对这三种简易电子琴课程设计方案进行对比，最终得到最佳设计的方案。

方案一：

图3-1 主板电路图

图3-2 键盘电路图

NE555计时器用作振荡器，以生成音符。振荡器的反馈路径是从U1的输出3脚返回到输入感应插脚2和6。

振荡器的频率由反馈电阻和插脚2和6所连接的10nF 的电容器C4所决定。相邻音符总反馈电阻的比例系数几乎都为 1.0595。这意味着音符的频率或音调将按相同的系数或总量上升，这和现代音乐理论音符之间的“十二平均律”是完全吻合的。

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如图3-1和图3-2可以看到，扬声器连接在U1的输出插脚3和负极总线之间，另外还有一个150欧的电阻器R9（起限流作用）和一个470μF的电解电容（隔直），这样的连接方式将使得集成电路的某些输出信号进入扬声器，其结果就是：只要振荡器工作，扬声器就可以按振荡器的频率来产生声音。但是此电路需要30多个的电阻，并且这些电阻有的在市场上买不到，还需要用两个或两个以上的电阻串并联才能实现，这些使得电路显得比较麻烦。

同时，可以对比方案二、方案三总电路图做出比较，选出最佳设计方案。

方案二：

图3-3 电路原理图

如图3-3电路原理图，其设计思想首先采用RC正弦振荡电路产生正弦波，产生正弦波就需要用到运放，而且需用正反馈,调节电位器是放大倍数至少达到三倍。达到起振的要求，然后通过示波器观察波形是否是正弦波，然后接一个功放，最后通过滤波网络输出。方案二的不足之处是电路

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有时不易起振，不能很好的控制电路，还有就是在接通开关的瞬间，不能立刻达到想要的振幅，这对电子琴按键迅速转换时不利。

同时，可以对比方案一、方案三总电路图做出比较，选出最佳设计方案。

方案三：

图3-4 电路原理图

如图3-4所示可以看出，本设计方案主要是由RC选频网络、NE555定时器构成的多谐振荡器组成，由单刀三掷开关来改变电容的参数，使产生不同频率信号来驱动扬声器发出好听的旋律，从而实现简易电子琴的高音阶、中音阶和低音阶三音阶的转换来产生C调的低、中、高二十一个音符。通过与方案一、方案二进行对比发现，更加容易调试、简练、吸引我的是方案三，因为我考虑到时间的紧张，此电路结构简单、操作容易、起振方便，所用的元件也非常的常见，是设计简易电子琴的最佳方案。所以本设计将采用以上电路。

4 电路工作原理及其说明

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直流稳压电源 RC调频网络 555多谐振荡 图4-1 整体电路方框图

如图4-1所示可以看出，此电路具有原理简单、容易制作、调试方便等特点。能够实现二十一种频率的方波并且驱动扬声器C调的二十一个音阶。其5V直流稳压电源可以由干电池、还可以通过用充电器自制的直流稳压源、电脑提供等等。

图4-2 电路原理图

设计思想：此电路是由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选频网络的电阻、电容的参数进行改变。利用这一原理，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。

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5 单元电路的设计（计算与说明）

1、波形产生电路。

TRTHCO8UDDR65R＋2RD71USS(a)V－＋－4R1≥1UA≥1Q11OUT3∞△△A∞BUB≥1QUSSTROUTR12348765UDDDTHCO

(b)图5-1 555集成电路内部结构图

用555定时器构成的多谐振荡器产生方波首先对555定时器芯片进行简单介绍：如图5-1所示电路可以看出，555集成电路主要是由3个5K欧的电阻组成的分压器、一个基本RS触发器、一个作为放电通路的管子及输出驱动电路组成，其结构框图如图5-1所示。

分压器：分压器由3个5K欧的电阻构成的。在Vo端末加外加信号是，分别为生Vcc/3、2Vcc/3的基准点药。在Vo端外加基准电压时，则基准电压未外加信号电压值为VREF和VREF/2。

比较器：集成运算放大器A1、A2、构成单门限比较器。

基本RS触发器：G1、G2构成具有置“0”输入端的基本RS触发器；G3、G4为该触发器的缓冲输出级，电路的输出逻辑状态与Q端输出相同。增加缓冲级是为了提高555集成电路模块的带负载能力。

开关放电管和输出缓冲级：双极型三极管T构成放电开关电路。当Q端输出低电平时三极管导通；当Q端输出为高电平时三极管截止。

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555集成电路的逻辑功能如表5-1所示。

表5-1 555集成电路的逻辑功能

输入信号组合 输出及三极管的状态 Vi2 X >Vcc/3 Vcc/3 Vo 低电平 不变 高电平（不定） 高电平 低电平 T的状态 导通 不变 截止 截止 导通 RD 0 1 1 1 1 Vi1 X <2Vcc/3 >2Vcc/3 <2Vcc/3 >2Vcc/3

图5-2 多谐振荡电路

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图5-3 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形

用555定器构成的多谐振荡电路如图5-3所示。多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。多谐振荡器可用作方波发生器。

在电路与电源接通瞬间，由于C2两端还没有储存电荷，即C2两端的电压为零，导致555定时器的2、6端输入电压为零，即出现6端电压输出小于（2/3）Vcc，2端的输入电压小于（1/3）Vcc的情况，输出信号Vo为高电平。是555定时器内部的晶体管截止，电源Vcc经R1、R2、C2到公共端对C2充电，这种情况直到维持到C2的两端电压略超过（2/3）Vcc。直到C2两端电压超过（2/3）Vcc时，出现6端输入电压大于2Vcc/3，,2端的输入电压大于1Vcc/3的情况，输出信号Vo为低电平，使晶体管导通，电容经C2、R2放电到公共端地，这种情况直到C2两端的电压小于Vcc/3，此后又重新回到上述状态，输出波形如图5-3所示。

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，按照一定的顺序依次将不同的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的要求，有节奏的发出已设定的音频信号或音乐。

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2、选频网络的R、C的确定

表5-2 音调发音的音阶 (频率单位为Hz)

发 音音阶 低 中 高 262 523 1046 294 587 1175 330 659 1318 349 698 1397 392 784 1568 440 880 1760 494 988 1967 7 dou 6 ruai 5 mi 4 fa 3 suo 2la 1si 由表5-2可以看出，低音阶是中音阶的频率的0.5倍，低音阶是高音的频率的0.25倍，因此在设计选频网络的时候，只要准确地确定低音的频率，改变电容、电阻的大小，就能非常方便的调节出高音阶的频率。

依据555多谐振荡器产生电路的计算式，如上所述，可以非常方便的的确定电阻的参数。在选择电阻的参数时，采用首先固定电容和充电电阻R1的值，将简易电子琴的不同音阶的频率带入公式f=1.43/(R1+2R2)C2，计算出电阻R2的大小。为了使输出波形的占空比大于为0.5，将充电电阻R1的值设置尽可能小一点，然后将不同的频率带入计算取得近似值如表5-3（电阻单位：KΩ，频率：Hz）:

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表5-3 电阻的参数

R1=715Ω C2=1uF 7 262 R2 2.31 6 294 R3 2.00 5 330 R4 1.75 4 349 R5 1.62 3 392 R6 1.42 2 440 R7 1.24 1 494 R8 1.05 电路的选频网络电路图如图5-4所示：

图5-4 R、C选频网络图

6 硬件的制作与调试

6.1 电烙铁的使用

良好的焊接是实验成功的重要保证；反过来说，如果焊接不良，往往会使实验失败，甚至损毁元器件。虽然焊接技术并不复杂，但如果认为它操作简单而掉以轻心，也会造成种种不良后果。所以应注意以下几点：

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1.电烙铁焊接555集成芯片的时候，一定要等电烙铁加热后，拔掉电源插头，用电烙铁的余热焊。否则，温度过高的焊接，会烫坏芯片。

2.焊接扬声器的时候，一定要将连接电源正、负极的导线分别焊接在扬声器标有“＋”、“—”符号的一端。扬声器的下方还有两个类似焊点的地方，如果错将导线焊在那儿，扬声器就会损坏，不能使用了。

3.烙铁使用时间长了，烙铁头容易被氧化，即在表面出现一层黑色氧化物，而且变得凹凸不平。氧化的烙铁头很难熔化和沾取焊锡，需用锉刀将它重新挫亮。尽量使用市场上出售的空心焊锡丝，它是将焊锡做成直径2～4毫米的细管状，在管内装进松香粉。使用这种焊锡丝，能保护烙铁头不易被氧化。

4.使用电烙铁一定要注意安全，使用前用万用表测一下电烙铁电源插头两端的电阻是否为正常值。电源插头与电烙铁外壳、烙铁头之间的电阻应接近无穷大，否则说明这把电烙铁漏电，不能使用。

6.2 焊接实物图

图6-1 实物图正面

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本设计的主要难点就是电阻的选择。在低音阶时有两个按键的声音有点杂音，在低音阶时，发音频率相差不大，电阻误差稍微大一点，就将导致发不出正确的音调。还有就是设计电路的电阻在市场上不一定都能买到。为了克服这些问题，我们用两个电阻或两个以上的电阻串或并联组合，来得到所需要的阻值，尽量减小误差。市场上没有0.25uF和0.5uF的电容，所以我们采用1uF 的电容串联。由于没有1F的电容或10mF的电容，所以我们没接直接接扬声器，使扬声器有时会发出杂音。

6.3 焊接过程出现的问题

在焊接前我和搭档一起合作把元器件在板子上总体布局了一下，元件放置总体还算整齐，元件插放原则是先低后高，从电阻开始，到电容结束。焊接时，要注意烙铁的温度和焊接时间，不要将烙铁一直与焊接点接触，焊接时间越快越好。还有就是焊接环境应该注意通风，尽量呼吸焊接时冒出的气体。在插电容时一定要注意极性，否则电路在接通电源的时候容易爆掉，及其危险。

焊接时由于那天的电烙铁一点也不好用，结果导致焊坏了板子，使得板子惨不忍睹，焊接结束后，居然扬声器一直发出吱吱的声音，我们仔细的检查了一遍又一遍的电路，终于找到了一个错误，居然555定时器的1脚没有接地，但是改过之后还是没有改善，扬声器还是发出吱吱的声音，于是又让同学帮忙买了一套，买过来之后，我本来那试试的态度把新买的扬声器接到之前的电路上，没想到居然发出了不同的旋律。我们决定再从新焊一个。这次增加了单刀三掷开关，可以说在焊接时增加了很多麻烦，

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由于买的单刀三掷开关有个管脚是断了，并且管脚的功能也不知道，再加上单刀三掷开关也不能卡在电路板上给我们带来了很多问题，不过用了半天时间我们又制作了一个，我认为我们焊的第二个还是比较完美的，如图5-2所示。在焊的过程中我们用焊锡代替导线。焊点外观上比较好看，是因为我有个好搭档，不过焊接技术还有待提高。

图5-2 实物图的背面

6.4 调试

电路焊接完毕后，必须在未接电的情况下，对电路板进行认真细致的检查，以便纠正安装错误。特别要注意555定时器、单刀三掷开关的管脚有没有接错检查应特别注意以下问题：

1. 元器件引脚之间有无短路。

2. 扬声器的正、负极是否接反，电解电容的正、负极性有没有接反，正、负极之间有没有短路现象，电阻的参数是否接错，按键开关是否生锈，是否焊好，555定时器、单刀三掷开关的引脚是否接对，插头与电源线的连接处是否漏电。

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3.检查一下电路板是否有虚焊、漏焊，接线是否接错等。严格按照步骤进行仔细检查。

4.通电调试，能够弹奏出至少21个音符，能够较便捷地完成音阶的升降，用单刀三掷开关实现正常、高音阶和低音阶的切换。

为了使扬声器在没有有效信号输出是保持安静，所以在3端接一个隔置电容C5，因为有效信号的频率也很低，所以隔直电容应该足够大，否则输出波形将变成脉冲信号，如图6-1和图6-2分别是C5为1F和100uF时的输出波形。

图6-1 C5为1F时的输出波形

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图6-2 C5为100uF时的输出波形

如图6-4-1和图6-4-2分别是C5为1F和100uF时的输出波形。两幅图明显可以看出，当电容足够大时，输出的波形是理想的方波;但是电容减小，输出波形变成了就会产生失真的波形。如果C5足够小，将输出失真的波形。所以在选择C5时也很重要，输出波形变成脉冲，扬声器发音就很难了。

7 Multisim仿真

7.1 电路的仿真

图7-1 仿真电路图

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7.2 仿真图的调试

1.开关J7闭合，单刀三掷开关接通1uF电容。此时对应的发音频率应该为262HZ,仿真结果如图7-2所示.

dou

图7-2 dou音阶的输出波形

如图7-2所示输出波形为理想的方波，输出频率为260.727Hz，非常接近理论值，产生误差的主要原因是因为市场上很难买到十分精确的电阻，所以电阻在电路中都取得是近似值，都是通过两个或两个以上的电阻组合来得到。

2.分别闭合开关J6、J5、J4、J3、J2、J1可得到其他几个低音音阶的仿真发音频率如下图：

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Ruai Mi

图7-3 Ruai Mi音阶的输出波形

Fa Sou

图7-4 Fa Sou音阶的输出波形

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La Si

图7-5 La Si音阶的输出波形

其他的14个音阶发音原理与低音相同，只要将单刀三掷开关分别接通到0.5uF、0.25uF的电容上都可以实现，这里不再赘述。

8 总结

通过这一周的学习，从一开始的选课题、仿真、调试、买元器件、焊接到完成整个电路的实验过程中发现了很多问题，同时认识到与搭档合作的重要性,我们积极主动，相互督促，团结协作，克服了实验中的种种困难，在我们的努力下终于成功地完成了这次实验，收获很多，在听到搭档弹奏着我们设计的简易电子琴发出优美的旋律时，心里很是高兴，让我们尝试到了付出努力就会得到成功的喜悦和成就感。

在我们俩决定做简易电子琴时换过了好多课题，本来说一开始数字钟的，但是经过查阅相关资料发现数字钟用的芯片比较多，由于我怕容易焊坏，然而换成了电子色子，又因为我没能仿真出其原理图，再加上我的搭档也不想做这个，于是我又放弃了，最终选择了简易电子琴，选这个课题,

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不是因为它简单而是因为这课题有趣吸引着我们。通过这个课题将理论与实践相结合，融会贯通。在设计过程中，我们俩人经历了很多波折和失败，但最终成功的完成了课程设计的要求。在设计时，我们首先把课本上关于555定时器、555多谐振荡器以及RC选频网络的内容仔细浏览了一遍，并且从图书馆又找到了好多关于此的参考书。理出了设计简易电子琴的基本原理，器件参数要求和电路搭接。通过与同伴的共同探讨与学习，我们终于通过Multisim软件把所选电路仿真了出来，但是下面的问题又来了，仿真出来了却不能调试所需的频率，真是无奈加伤心，经过半天的调试还是以失败告终，后来在老师与同学的帮助下又重新调整了下元器件的参数才使仿真图能够成功地调试。

在设计的整个过程中，出现了好多问题，例如电阻、电容的选择，由于市场上没有那么精确的电阻电容，有的是通过几个元器件的串并联近似得到的，实际的频率和设计的频率有一定的误差，仔细分析电路，可以总结一下原因：

1、温度对振荡有一定的影响、

2、元件本身的精度不高，电阻和电容的误差都在10%左右，这是实际值与理论值差别较大的主要原因。

3、电容在充放电过程中存在着漏电。

在实际调试过程中有些东西并不像仿真显示的结果那样，达不到所期望的性能指标。通过这次课程设计，我觉得我自己收获很多，不仅加深了对这一知识点的理解与巩固，而且在与老师交流、与搭档合作的过程中，学了一些宝贵的经验。使我懂得了理论联系实际的重要性,使我懂得了理论

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脱离实际是毫无意义的,没有理论的实际更是无从谈起的。深刻体会到课本知识的重要性,并让我学到了很多课本上学不到的东西，俗话说：尽信书，不如无书。与此同时，我也认识到了自己的一些不足。要想把理论与实际联系起来，还是比较难的。要想做出一个可以用的符合要求的实物来，并不是自己想象中的那样简单。纸上谈兵不是真本事。要想做到完美，是需要花费许多功夫的，需要亲自动手实践。让我深刻体会了何为“实践才是检验真理的唯一标准”，更重要的是学会了“学以致用”。对我今后的学习甚至是将来的工作都影响颇深，这是我人生一笔宝贵财富。

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参考文献

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[4] 吴友宇.数字电子技术基础.北京:清华大学出版社,2005

[4] 康光华.电子技术基础数字部分（第5版）.北京:高等教育出版社,2008 [5] 陈永甫.新编555集成电路应用800例.电子工业出版社,2001 [6] 赵淑范，王宪伟.电子技术实验与课程设计.清华大学出版社,2006 [7] 焦阳.电工与电子技术[M].北京：机械工业出版社.2011.12.211~223 [8] 韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].北京：电子工业出版社.2002.8 [9] 稻田保.振荡电路的设计与应用，科学出版社,2004 [10] 李定华. 555定时器及其运用，中国期刊网,2009-1-14

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附录一：总体电路原理图

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附录二：实物图

图附录2-1 实物图正面

图附录2-2 实物图反面

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附录三：元器件清单

元件 555定时器 扬声器 电容 按键开关 单刀三掷开关 元件型号 NE555N 8Ω 3W 1uF 750Ω 1K 2K 电阻 200Ω 430Ω,620Ω 51Ω 电路板 导线 1 各3 2 1块 若干 数量 1 1 7 7 1 1 7 2

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