彩灯循环控制电路Word格式文档下载.doc
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Thecirculationdemonstrated;
Silicon-controlledrectifier
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1立题目的和意义 1
1.2设计任务与要求 1
1.2.1课题概述 1
1.2.2技术要求 1
1.2.3设计内容 2
第2章电路组成与设计 3
2.1设计方案与方框图 3
2.1.1设计方案 3
2.1.2电路方框图 3
2.2单元电路介绍 4
2.2.1电源电路 4
2.2.2振荡电路 4
2.2.3计数/时序分配电路 5
2.2.4模拟电子开关 6
2.2.5移位寄存器 7
2.2.6驱动电路 8
2.2.7可控硅开关电路 10
2.2.8彩灯电路 10
2.3本章小结 10
第3章整机电路工作原理 11
3.1整机电路工作原理 11
3.1.1彩灯点亮过程 11
3.1.2彩灯熄灭过程 12
3.2本章小结 13
第４章元器件选取与计算 14
4.1元器件选取 14
4.1.1电阻器 14
4.1.2电位器 14
4.1.3电容器 14
4.1.4半导体二极管 15
4.1.5半导体三极管 15
4.1.6三端稳压器 15
4.1.7集成芯片 15
4.2元器件选择 16
4.2.1双向可控硅 16
4.2.2限流电阻 17
4.3本章小结 17
第5章电路安装与调试 18
5.1主要使用仪器 18
5.2电路安装 18
5.3电路调试 18
5.3.1注意事项 19
5.3.2通电检查及调试步骤 19
5.4电路调试中的故障现象及排除方法 20
5.5本章小结 20
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录1外文文献中文译文 25
附录2外文文献 28
附录3整机电路原理图 32
附录4元器件列表 33
第1章绪论
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。
由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
本彩灯控制器可控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭。
若将一定数量的彩色灯组合联接，就能营造出平面上色彩变化的场景，这比通常控制一条线上的色彩流动更加丰富绚丽。
本控制器采用数字集成块，外围元器件少、电路结构简单，但它有别于其他彩灯显示电路，相当于二维彩灯控制器，本文以二维彩灯控制信号流程为线索，分析相关数字集成电路基本工作过程，按电子装接工艺要求介绍二维彩灯控制器的制作过程。
1.1立题目的和意义
通过本电路的设计运用所学的理论知识，分析问题，解决问题，掌握电子电路的设计方法；
熟悉电路的组装、焊接、调试等方法；
巩固常用仪器的使用。
使得理论与实践相结合，可提高处理实际问题的能力以及动手能力。
1.2设计任务与要求
每一个电路的设计，都要有设计任务和要求（技术指标），这是电路设计的前提。
一般包括以下几部分的内容。
1.2.1课题概述
彩灯控制电路是近年来随着电子技术发展而产生的一种控制装置。
它能使彩灯按照要求有序地被点亮，还可以同音乐、声音、色彩等结合起来，使缤纷的世界更具绚丽的色彩。
彩灯可大致分为两种类型：
（1）装饰彩灯
（2）音乐彩灯
本次毕业设计的类型为装饰彩灯，题目为彩灯循环控制器。
1.2.2技术要求
（1）能够实现五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭；
（2）循环过程自动实现；
（3）彩灯色彩的流动速度可调。
1.2.3设计内容
（1）说明彩灯控制器的工作原理和各单元电路的作用。
（2）各单元电路的设计要求，简述选择集成组件的原则。
（3）计算元件参数，组装电路并进行调试，叙述调试方法和调试过程。
（4）撰写论文。
第2章电路组成与设计
2.1设计方案与方框图
这一节包括的内容是设计方案的选择，根据设计要求设计电路，画出系统的电路方框图，并标明信号的流程方向。
根据技术计数指标的要求，通过大量资料的查询，并有效结合所学知识，最后确定了的一套比较合适的方案，即通过振荡电路、计数/时序分配电路、双向模拟开关、移位寄存器及彩灯显示五部分电路实现其功能。
2.1.1设计方案
彩灯一般是发光二极管、白炽灯或有不同色彩的灯泡，彩灯控制器大致可分为两种方案实现。
一种是采用单片机控制，其优点是编程简单，控制的图案花样多，需增加的电解电路简单；
另一种是利用电子电路装置控制，其电路不很复杂，制作和调试容易，成本也相对较低。
为体现专业优势，本次设计采用第二种方案。
2.1.2电路方框图
根据设计要求和概述中介绍的彩灯控制电路的基本组成，可以确定彩灯控制器应由振荡电路、计数/时序分配电路、双向模拟开关、一位寄存器和彩灯显示五部分组成。
方框图如图2-1所示：
图2-1电路方框图
以上各部分由相应的集成芯片和外围电路组成。
其中，振荡电路用来产生脉冲信号，调节外围元件可改变振荡信号频率，从而控制彩灯色彩的流动速度，将此作为时间基准供给计数、移位寄存器。
计数/时序分配电路，用以产生模拟开关切换的控制信号，经模拟开关转换后的信号直接送入移位寄存器，通过彩灯显示出来。
可实现控制五路彩灯逐行递增点亮，再逐行递减熄灭，时间可按实际需要进行设定，并自动实现循环过程。
2.2单元电路介绍
任何复杂的电子电路装置和设备，都是由若干个具有简单功能的单元电路组成的。
总体方案的每个模块，往往是由一个主要电路组成的，其性能指标比较单一。
在明确每个单元电路的技术指标的前提下，要分析清楚各个单元电路的工作原理，与前后级电路之间的关系以及电路的结构形式等。
具体设计时，可以模仿成熟的先进电路，也可以进行创新和改进，但都必须保证性能要求。
而且，不仅各单元电路本身要设计合理，各单元电路也要互相配合，注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号之间的关系。
设计时应减少元件的类型、电平转换和接口电路，以保证电路简单、工作可靠、经济实用。
2.2.1电源电路
电子设备中所用的直流电源，通常是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压以后得到的，对于直流电源的主要要求是输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能基本保持不变，直流输出电压平滑，脉动成分小，交流电变换成直流电时的转换率高。
该彩灯控制器选用交、直流两种电压供电。
直流电压取自由电阻、电容及二极管组成的整流、滤波、稳压电路，经稳压后输出5V稳定电压，为各集成电路供电；
交流电压直接取自市电
2.2.2振荡电路
由于本电路对时间精度的要求不很严格，因此振荡电路采用集成芯片CD4069和外接电阻、电容构成多谐振荡器，来产生脉冲信号。
CD4069的引脚图如图2-2所示。
图2-2CD4069引脚图
CD4069为六非门集成器件，其中F1、F2用以产生振荡信号，而非门3用作CD40174复位信号的倒相器。
由于CD4069为CMOS数字集成电路，是一种高输入阻抗器件，容易受外界干扰造成逻辑混乱或出现感应静电而击穿场效应管的栅极。
虽然器件内部输入端设置了保护电路，但它们吸收瞬变能量有限，过大的瞬变信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用，因此，CD4069中未使用的非门F4、F5、F6的输入端{9}、{11}、{13}脚均接到VSS接地端，以作保护。
由CD4069及电阻和电容构成的振荡定时电路如图2-3所示。
R3、R4和C4为振荡定时元件，调节这两个元件可改变振荡信号频率，从而控制彩灯色彩的流动速度，以呈现不同的视觉效果。
其中，振荡周期可由式（2-1）求得：
T=（1.4～2.5）RC式（2-1）
则我们可得出振荡频率f如式（2-2）所示：
f=1/（1.4～2.5）RC式（2-2）
本电路中振荡频率设为5Hz,由此可选取参数R=100K、C=1uF,并可通过电位器进行进一步调节。
图2-3振荡定时电路
2.2.3计数/时序分配电路
十进制计数／分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，
由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Y0、Y1、Y2、…、Y9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
用于产生对CD4066模拟开关切换的控制信号。
其引脚功能如图2-4所示。
其中，Cr为复位端，当Cr端输入高电平时，计数器置零态。
CD4017具有自动启动功能，即在电路进入无效状态时，在计数脉冲作用下，最多经过两个时钟周期就能回到正常循环圈中，因此本控制器的CD4017未设置加电复位电路。
Co为进位输出端，当计数满10个时钟脉冲时输出一个正脉冲。
CD4017有CL和EN两个计数输入端，CL端为脉冲上升沿触发端，若计数脉冲从CL端输入，则EN端应接低电平；
EN端为脉冲下降沿触发端，若计数脉冲从EN端输入，则CL端应接高电平。
在本电路中使用脉冲上升沿触发，因此，将计数脉冲从CL端输入，EN端接低电平。
每到来一个脉冲，其输出向前移动一位，即在脉冲到来时，CD4017的各输出端将由Y0～Y9依次输出高电平，从而控制CD4066的选通状态。
图2-4CD4017引脚图
2.2.4模拟电子开关
CD4066为双向模拟开关，其引脚功能如图2-5所示，每个封装内部有A、B、C、D4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子，其中输入端和输出端可互换。
当控制端加高电平时，开关导通；
当控制端加低电平时开关截止。
模拟开关导通时，导通电阻为几十欧姆；
模拟开关截止时，呈现很高的阻抗，可以看成为开路。
模拟开关可传输数字信号和模拟信号，可传输的模拟信号的上限频率为40MHz。
各开关间的串扰很小，典型值为－50dB。
本控制器使用了其中B、D两个开关。
每个开关有一个输入端和一个输出端，这两端可以互换使用。
B开关的输入端{11}脚与电源相连、接入高电平；
D开关的输出端{8}脚接地；
两个开关接成串联形式，B开关的输出端{10}脚与D开关的输入端{9}脚相连，作为高、低电平的切换点。
另外，CD4066的{12}脚和{6}脚分别为开关B、D的选通端，输入高电平时开关闭合；
输入低电平时开关断开。
开关B在其选通端{12}脚输入的高电平作用下，接通{11}脚和{10}脚，使{10}脚变为高电平。
与此同时，CD4017其余各输出端Y1～Y9均为低电平，于是CD4066开关D的选通端也为低电平，开关D关断，这样不影响{10}脚的电平状态。
CD4066按此原理进行工作，以达到控制选通的目的。
图2-5CD4066引脚图
2.2.5移位寄存器
移位寄存器是暂时存放数据的部件，同时它还具有移位功能。
从逻辑结构上看，移位寄存器有以下两个显著特征：
（1）移位寄存器是由相同的寄存单元所组成。
一般说来，寄存单元的个数就是移位寄存器的位数。
为了完成不同的移位功能，每个寄存单元的输出与其相邻的下一个寄存单元的输入之间的连接方式也不同。
（2）所有寄存单元共用一个时钟。
在公共时钟的作用下，各个寄存单元的工作是同步的。
每输入一个时钟脉冲，寄存器的数据就顺序向左或向右移动一位。
通常可按数据传输方式的不同对CMOS移位寄存器进行分类。
移位寄存器的数据输入方式有串行输入和并行输入之分。
串行输入就是在时钟脉冲作用下，把要输入的数据从一个输入端依次一位一位地送入寄存器；
并行输入就是把输入的数据从几个输入端同时送入寄存器。
在CMOS移位寄存器中，有的品种只具有串行或并行中的一种输入方式，但也有些品种同时兼有串行和并行两种输入方式。
串行输入的数据加到第一个寄存单元的D端，在时钟脉冲的作用下输入，数据传送速度较慢；
并行输入的数据一般由寄存单元的R、S端送入，传送速度较快。
移位寄存器的移位方向有右移和左移之分。
右移是指数据由左边最低位输入，依次由右边的最高位输出；
左移时，右边的第一位为最低位，最左边的则为最高位，数据由低位的右边输入，由高位的左边输出。
移位寄存器的输出也有串行和并行之分。
串行输出就是在时钟脉冲作用下，寄存器最后一位输出端依次一位一位地输出寄存器的数据；
并行输出则是寄存器的每个寄存单元均有输出。
CMOS移位寄存器有些品种只有一种输出方式，但也有些品种兼具两种输出方式。
实际上，并行输出方式也必然具有串行输出功能。
在本设计中选用的是CD40174，使用其串行输入、右移输出来控制五路彩灯进行逐行点亮或逐行熄灭。
CD40174内部含有6个D型触发器，其引脚功能如图2-6所示。
本控制器将其中的5个连接成串行输入、并行输出的五位移位寄存器。
其中D6为最高位触发器，D2为最低位触发器（D1未用），依次排列。
每个触发器都有各自的输入端和输出端，高一位触发器的输出端Q与低一位触发器的输入端D相接，只有最高位触发器D6的输入端CD40174{3}脚接收脉冲信号。
CD40174的{2}{4}脚、{5}{6}脚、{7}{11}脚、{10}{13}脚、{12}{14}脚分别为各相邻触发器输出端和输入端的连接点，作为五位寄存器的并行输出端。
各触发器的复位端连在一起，作为寄存器的总清零端。
寄存器工作前低电平复位有效，工作开始复位信号应跳变为高电平，并在工作期间一直保持。
图2-6CD40174引脚图
2.2.6驱动电路
按照电路原理图所示，为了增大输入到可控硅控制极的触发电流，因此选用一级三极管作为放大。
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。
三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。
当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。
集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
本电路正是利用了三极管的这个特点，并采用NPN型的CS9014来实现。
在这里我们将对三极管的几种特殊用途做进一步介绍。
三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。
除了构成放大器和作开关元件使用外，还能够做成一些可独立使用的两端或三端器器件。
下面将列举出三极管的几种特殊用途，如图2-7所示。
（1）扩流把一只小功率可控硅和一只大功率三极管组合，就可得到一只大功率可控硅，其最大输出电流由大功率三极管的特性决定，见附图a。
图b为电容容量扩大电路。
利用三极管的电流放大作用，将电容容量扩大若干倍。
这种等效电容和一般电容器一样，可浮置工作，适用于在长延时电路中作定时电容。
用稳压二极管构成的稳压电路虽具有简单、元件少、制作经济方便的优点，但由于稳压二极管稳定电流一般只有数十毫安，因而决定了它只能用在负载电流不太大的场合。
图c可使原稳压二极管的稳定电流及动态电阻范围得到较大的扩展，稳定性能可得到较大的改善。
（2）代换图d中的两只三极管串联可直接代换调光台灯中的双向触发二极管；
图e中的三极管可代用8V左右的稳压管。
图f中的三极管可代用30V左右的稳压管。
上述应用时，三极管的基极均不使用。
（3）模拟用三极管构成的电路还可以模拟其它元器件。
大功率可变电阻价贵难觅，用图g电路可作模拟品，调节510欧电阻的阻值，即可调节三极管C、E两极之间的阻抗，此阻抗变化即可代替可变电阻使用。
图h为用三极管模拟的稳压管。
其稳压原理是：
当加到A、B的输入电压上升时，因三极管的B、E结压降基本不变，故R2两端压降上升，经过R2的电流上升，三极管发射结正向偏置增强，其导通性也增强，C、E极间呈现的等效电阻减小，压降降低，从而使AB端输入电压下降。
调节R2即可调节模拟稳压管的稳压值。
2.2.7可控硅开关电路
可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非道通状态，直到由一个较小的控制信号对其触发或称“点火”使其导通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持导通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。
可控硅是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。
它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。
本电路正是利用其开关特性来实现对彩灯的控制的。
2.2.8彩灯电路
本电路是控制五路彩灯的输出。
每一路由不同颜色的发光二极管和限流电阻组成，当然也可以选用彩色串灯来实现。
彩灯图形可按设计者的意愿进行自行设定，比如直线，圆形，星形或是字母、文字等。
在这里选择的是字母显示。
2.3本章小结
在这一章，首先对电路的方案进行选择与设定，并据此确定电路方框图，从而对每一部分单元电路进行分析与设计。
通过本章的学习，我们可以对几种常见的集成芯片有更深层次的了解，并能够熟练选取某参数的元器件，是对逻辑思维能力的一种锻炼，对以后能够熟练使用此类元器件以及利用它们来设计电路奠定了的一定的基础。
第3章整机电路工作原理
3.1整机电路工作原理
电路的整机原理图，见附录3。
下面介绍整机电路工作原理与设计计算。
接通电源，市电220V一路通过双向可控硅加至各路彩灯的两端；
另一路通过整流、滤波电路，稳压电路分别加至各三极管的集电极和各集成芯片的供电电源上，保证各电路正常供电。
在接通电源瞬间，电源电压经C4、R5微分成一个正脉冲，此脉冲通过非门F3倒相，从CD4069{6}脚输出，送入CD40174复位端{1}脚，用以完成寄存器工作前置零任务。
随着时间的延续，C4充电结束，在其负极形成一个稳定的低电平，经F3倒相后满足寄存器工作期间的需要。
各触发器的时钟脉冲输入端也连接在一起，作为寄存器的移位脉冲输入端。
移位脉冲取自CD4069{4}脚的脉冲串，从CD40174{9}脚输入。
3.1.1彩灯点亮过程
在第一个移位脉冲的上升沿，CD40174{3}脚输入的高电平信号移入触发器D6，寄存器的输出状态由初始的“00000”变为“10000”，CD40174{2}{4}脚呈高电平。
此高电平经隔离电阻R7加到三极管T1放大、再从其发射极输出，送入双向晶闸管VS1的控制极，驱动VS1导通，第Ⅰ路彩灯因其电流回路形成而被点亮。
与此同时，寄存器其余的四个输出端均为低电平，双向晶闸管VS2～VS5无驱动信号而阻断，所控制的四路彩灯Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ不亮。
当第二个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y1呈高电平。
此高电平从其{2}脚输出，经二极管VD3接到4066{12}脚。
保持开关B的接通，从而维持CD40174{3}脚串行输入端的高电平状态。
在第二个移位脉冲作用下，寄存器的输出状态由“10000”变为“11000”，CD40174{2}{4}脚、{5}{6}脚呈高电平，经三极管VT1、VT2放大，驱动晶闸管VS1、VS2导通。
这样在保持第Ⅰ路彩灯点亮的同时，第Ⅱ路彩灯相继被点亮，而其余三路彩灯则仍为熄灭状态。
当第三个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y2呈高电平。
此高电平从其{4}脚输出,经二极管VD5接到CD4066{12
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