【正文】 ...................................... 18 主要使用儀器 ............................................................................ 18 電路安裝 ................................................................................... 18 電路調(diào)試 ................................................................................... 18 注意事項(xiàng) .......................................................................... 19 通電檢查及調(diào)試步驟 ........................................................ 19 電路調(diào)試中的故障現(xiàn)象及排除方法 ............................................ 20 本章小結(jié) ................................................................................... 20 結(jié)論 ...................................................................................................... 22 致謝 ...................................................................................................... 23 參考文獻(xiàn) ............................................................................................... 24 附錄 1 外文文獻(xiàn)中文譯文 ...................................................................... 25 附錄 2 外文文獻(xiàn) .................................................................................... 28 附錄 3 整機(jī)電路原理圖 ......................................................................... 32 附錄 4 元器件列表 ................................................................................ 33 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 隨著人們生活環(huán)境的不斷改善和美化，在許多場(chǎng)合可以看到彩色霓虹燈。 本彩燈控制器可控制五路彩燈逐行遞增點(diǎn)亮，再逐行遞減熄滅。本控制器采用數(shù)字集成塊，外圍元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它有別于其他彩燈顯示電路，相當(dāng)于二維彩燈控制器，本文以二維彩燈控制信號(hào)流程為線索，分析相關(guān)數(shù)字集成電路基本工作過(guò)程，按電子裝接工藝要求介紹二維彩燈控制器的制作過(guò)程。使得理論與實(shí)踐相結(jié)合，可提高處理實(shí)際問(wèn)題的能力以及動(dòng)手能力。一般包括以下幾部分的內(nèi)容。它能使彩燈按照要求有序地被點(diǎn)亮，還可以同音樂(lè)、聲音、色彩等結(jié)合起來(lái)，使繽紛的世界更具絢麗的色彩。 技術(shù) 要求 (1) 能夠?qū)崿F(xiàn)五路彩燈逐行遞增點(diǎn)亮，再逐行遞減熄滅； (2) 循環(huán)過(guò)程自動(dòng)實(shí)現(xiàn)； (3) 彩燈色彩的流動(dòng)速度可調(diào)。 (2) 各單元電路的設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)述選擇集成組件的原則。 (4) 撰寫(xiě)論文。根據(jù)技術(shù)計(jì)數(shù)指標(biāo)的要求，通過(guò)大量資料的查詢，并有效結(jié)合所學(xué)知識(shí)，最后確定了的一套比較合適的方案，即通過(guò)振蕩電路、計(jì)數(shù) /時(shí)序分配電路、雙向模擬開(kāi)關(guān)、移位寄存器及彩燈顯示五部分電路實(shí)現(xiàn)其功能。一種是采用單片機(jī)控制，其優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，控制的圖案花樣多，需增加的電解電路簡(jiǎn)單；另一種是利用電子電路 裝置控制，其電路不很復(fù)雜，制作和調(diào)試容易 ，成本也相對(duì)較低。 電路方框圖 根據(jù)設(shè)計(jì)要求和概述中介紹的彩燈控制電路的基本組成，可以確定彩燈控制器應(yīng)由振蕩電路、計(jì)數(shù) /時(shí)序分配電路、雙向模擬開(kāi)關(guān)、一位寄存器和彩燈顯示五部分組成。其中，振蕩電路用來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，調(diào)節(jié)外圍元件可改變振蕩信號(hào)頻率，從而控制彩燈色彩的流動(dòng)速度，將此作為時(shí)間基準(zhǔn) 供給計(jì)數(shù)、移位寄存器。 可實(shí)現(xiàn)控制五路彩燈逐行遞增點(diǎn)亮，再逐行遞減哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 熄滅，時(shí)間可按實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)循環(huán)過(guò)程?？傮w方案的每個(gè)模塊，往往是由一個(gè)主要電路組成的，其性能指標(biāo)比較單一。具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以模仿成熟的先進(jìn)電路，也可 以進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，但都必須保證性能要求。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)減少元件的類(lèi)型、電平轉(zhuǎn)換和接口電路，以保證電路簡(jiǎn)單、工作可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 該彩燈控制器選用交、直 流兩種電壓供電。 CD4069 的引腳 圖 如圖 22 所示。由于 CD4069 為 CMOS 數(shù)字集 成電路，是一種高輸入阻抗器件，容易受外界干擾造成邏輯混亂或出現(xiàn)感應(yīng)靜電而擊穿場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。 由 CD4069 及電阻和電容構(gòu)成的振蕩定時(shí)電路如圖 23 所示。 其中，振蕩周期可 由式 (21)求得： T =(～ )RC 式 (21) 則我們可得出振蕩頻率 f 如式 (22)所示： f =1/(～ )RC 式 (22) 本電路中振蕩頻率設(shè)為 5Hz,由此可選取參數(shù) R=100K、 C=1uF,并可通過(guò)電位器進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)。 用于產(chǎn)生 對(duì) CD4066模擬開(kāi)關(guān)切換的控制信號(hào)。 其中， Cr 為復(fù)位端，哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 當(dāng) Cr 端輸入高電平時(shí) ， 計(jì)數(shù)器置零態(tài)。 Co 為進(jìn)位輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)滿 10 個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)輸出一個(gè)正脈沖。在本電路中使用脈沖上升沿觸發(fā)，因此，將計(jì)數(shù)脈沖從 CL 端輸入， EN 端接低電平。 圖 24 CD4017 引腳圖 模擬 電子 開(kāi)關(guān) CD4066 為雙向模擬開(kāi)關(guān)，其引腳功能如圖 25 所示，每個(gè)封裝 內(nèi)部有A、 B、 C、 D 4 個(gè)獨(dú)立的模擬開(kāi)關(guān)，每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端子，其中輸入端和輸出端可互換。模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開(kāi)關(guān)截止時(shí)，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開(kāi)路。各開(kāi)關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為－ 50dB。每個(gè)開(kāi)關(guān)有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，這兩端可以互換使用。另外， CD4066 的 {12}腳和 {6}腳分別為開(kāi)關(guān) B、 D 的 選通端，輸入高電平時(shí) 開(kāi)關(guān)閉合；輸入低電平時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。與此同時(shí)， CD4017其余各輸出端 Y1～ Y9 均為低電平，于是 CD4066 開(kāi)關(guān) D 的選通端也為低電哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 平，開(kāi)關(guān) D 關(guān)斷，這樣不影響 {10}腳的電平狀態(tài)。 圖 25 CD4066 引腳圖 移位寄存器 移位寄存器是暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的部件，同時(shí)它還具有移位功能。一般說(shuō)來(lái)，寄存單元的個(gè)數(shù)就是移位寄存器的位數(shù)。 (2) 所有寄存單元共用一個(gè)時(shí)鐘。每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，寄存器的數(shù)據(jù)就順序向左或向右移動(dòng)一位。移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入方式有串行輸入和并行輸入之分。 在 CMOS 移位寄存器中，有的品種只具有串行或并行中的一種輸入方式，但也有些品種同時(shí)兼有串行和并行兩種輸入方式。移位寄存器的移位方向有右移和左移 之分。 移位寄存器的輸出也有串行和并行之分。 CMOS 移位寄存器有些品種只有一種輸出方式，但也有些品種兼具兩種輸出方式。在本設(shè)計(jì)中選用的是 CD40174，使用其串行輸入、右移輸出來(lái)控制五路彩燈進(jìn)行逐 行點(diǎn)亮或逐行熄滅。 本控制器將其中的 5 個(gè)連接成串行輸入、并行輸出的五位移位寄存器。每個(gè)觸發(fā)器都有各自的輸入端和輸出端，高一位觸發(fā)器的輸出端 Q 與低一位觸發(fā)器的輸入端 D 相接，只有最高位觸發(fā)器 D6 的輸入端 CD40174{3}腳接收脈沖信號(hào)。各觸發(fā)器的復(fù)位端連在一起，作為寄存器的總清零端。 圖 26 CD40174 引腳圖 驅(qū)動(dòng)電路 按 照電路原理圖所示，為了增大輸入到可控硅控制極的觸發(fā)電流，因此選用一級(jí)三極管作為放大。三極管有一個(gè)重要參數(shù)就是電流放大系數(shù) β 。集電極電流隨基極電流的變化而變化，并且基極電流很小的變化可以引起集電極電流很大的變化，這就是三極管的放大作用。 在這里我們將對(duì)三極管的幾種特殊用途做進(jìn)一步介紹。除了構(gòu)成放大器和作開(kāi)關(guān)元件使用外，還能夠做成一些可獨(dú)立使用的兩端或三端器器件。 (1) 擴(kuò)流 把一只小功率可控硅和 一只大功率三極管組合，就可得到一只大功率可控硅，其最大輸出電流由大功率三極管的特性決定，見(jiàn)附圖 a 。利用三極管的電流放大作用，將電容容量擴(kuò)大若干倍。用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路雖具有簡(jiǎn)單、元件少、制作經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)，但由于穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電流一般只有數(shù)十毫安，因而決定了它只能用在負(fù)載電流不太大的場(chǎng)合。 (2) 代換 圖 d 中的兩只三極管串聯(lián)可直接代換調(diào)光臺(tái)燈中的雙向觸發(fā)二極管；圖 e 中的三極管可代用 8V 左右的穩(wěn)壓管。上述應(yīng)用時(shí)，三極管的基極均不使用。大功率可變電阻價(jià)貴難覓，用圖 g 電路可作模擬品，調(diào)節(jié) 510 歐 電阻的阻值，即可調(diào)節(jié)三極管 C、 E 兩極之間的阻抗，此阻抗變化即可代替可變電阻使用。其穩(wěn)壓原理是：當(dāng)加到 A、 B 的輸入電壓上升時(shí)，因三極管的 B、 E 結(jié)壓降基本不變， 故 R2 兩端壓降上升，經(jīng)過(guò) R2 的電流上升，三極管發(fā)射 結(jié) 正 向 偏 置 增強(qiáng)，其導(dǎo)通性也增強(qiáng)， C、 E 極間呈現(xiàn)的等效電阻減小，壓降降低，從而使 AB 端輸 入電壓下降。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 可控硅開(kāi)關(guān)電路 可 控硅是一種有源開(kāi)關(guān)元件，平時(shí)它保持在非道通狀態(tài)，直到由一個(gè)較小 的控制信號(hào)對(duì)其觸發(fā)或稱(chēng) “ 點(diǎn)火 ” 使其 導(dǎo) 通，一旦被點(diǎn)火就算撤離觸發(fā)信號(hào)它也保持 導(dǎo) 通狀態(tài)， 要使其截止可在其陽(yáng)極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^(guò)可控硅二極管的電流減少到某一個(gè)值以下?？煽毓韬推渌雽?dǎo)體器件一樣，其有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。本電路正是利用其開(kāi)關(guān)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)彩燈的控制的。每一路由不同顏色的發(fā)光二極管和限流電阻組成，當(dāng)然也可以選用 彩色串燈 來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里選擇的是字母顯示。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，我們可以對(duì)幾種常見(jiàn)的集成芯片 有更深層次的了解，并能夠熟練選取某 參數(shù) 的元器件 ， 是對(duì)邏輯思維能力的一種鍛煉， 對(duì)以后能夠熟練使用此類(lèi)元器件以及利用它們來(lái)設(shè)計(jì)電路奠定了的一定的基礎(chǔ)。 下面介紹整機(jī)電路工作原理與設(shè)計(jì)計(jì)算。 在接通電源瞬間，電源電壓經(jīng) C R5 微分成一個(gè)正脈沖，此脈沖通過(guò)非門(mén) F3 倒相，從 CD4069{6}腳輸出，送入 CD40174 復(fù)位端 {1}腳，用以完成寄存器工作前 置零任務(wù)。各觸發(fā)器的時(shí) 鐘脈沖輸入端也連接在一起，作為寄存器的移位脈沖輸入端。 彩燈點(diǎn)亮過(guò)程 在第一個(gè)移位脈沖的上升沿， CD40174{3}腳輸入的高電平信號(hào)移入觸發(fā)器 D6 ， 寄 存 器 的 輸 出 狀態(tài)由初始的 “ 00000” 變?yōu)?“ 10000” ，CD40174{2}{4}腳呈高電平。與此同時(shí)，寄存器其余的四個(gè)輸出端均為低電 平，雙向晶閘管 VS2～ VS5 無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而阻斷，所控制的四路彩燈 Ⅱ 、Ⅲ 、 Ⅳ 、 Ⅴ 不亮。此高電平從其 {2}腳輸出，經(jīng)二極管 VD3 接到 4066{12}腳。在第二個(gè)移位脈沖作用下，寄存器的輸出狀態(tài)由 “ 10000” 變?yōu)?“ 11000” ，CD40174{2}{4}腳、 {5}{6}腳呈高電平，經(jīng)三極管 VT VT2 放大，驅(qū)動(dòng)晶閘管 VS VS2 導(dǎo)通。 當(dāng)?shù)谌齻€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017 計(jì)數(shù)輸出端 Y2 呈高電平。開(kāi)關(guān) B 繼續(xù)接通，繼續(xù)維持 CD40174{3}腳的高電平。第 Ⅰ 、 Ⅱ 路彩燈繼續(xù)點(diǎn)亮 的同時(shí)， 第 Ⅲ 路彩燈又被點(diǎn)亮。 CD4066 保持開(kāi)關(guān) B 的接通， CD40174{3}腳維持高電平狀態(tài)。由此可見(jiàn)，五路彩燈是按逐行遞增的方式點(diǎn)亮的。此高電平從其 {1}腳輸出，經(jīng)二極管 VD2 加到 CD4066 開(kāi)關(guān) D 的選通端 {6}腳，接通 {8}腳和 {9}腳，從而使 {9}腳接地 。由于 CD40174{3}腳與 CD