双向循环彩灯控制器.doc

哈尔滨工业大学毕业设计（论文）摘 要本文主要介绍双向循环彩灯控制器的工作原理及电路的设计组成。电路中的220V通过可控硅器件SCR加至各彩灯的两端，当可控硅导通时彩灯被点亮，否则熄灭。可控硅的导通与否是由其控制极是否加入触发信号来决定的。这些触发信号是由顺序脉冲发生电路给出的。时钟发生器产生的时钟脉冲（CP），送入顺序脉冲发生电路。随着时钟脉冲（CP）的不断输入，顺序脉冲发生电路的各输出端依次变为高电平，形成时序控制信号。时序控制信号经驱动电路由射极输出器构成送入可控硅的控制极，使各可控硅依次导通，于是各彩灯被依次点亮。关键词 双向循环；彩灯控制器；时钟脉冲；可控硅目 录摘要I第1章 绪论11.1 课题背景11.2 设计任务与要求11.2.1 设计题目的概述11.2.2 设计要求11.2.3 设计内容2第2章 单元电路组成与设计计算32.1 设计方案与方框图32.1.1 设计方案32.1.2 方框图32.2 各单元电路的介绍42.2.1 电源电路42.2.2 时钟发生器42.2.3 顺序脉冲发生电路112.2.4 彩灯双相流动点亮的控制电路142.2.5 驱动电路162.2.6 可控硅开关电路162.2.7 彩灯电路17第3章 电路工作原理及设计计算18第4章 元器件的选择与计算204.1 元器件的选取204.2 元器件的计算及选择22第5章 电路的安装调试235.1 使用的主要仪器235.2 电路的安装235.3 电路的调试245.3.1 注意事项245.3.2 通电检查及调试步骤255.4 电路调试中的故障现象及排除方法26结论28致谢29参考文献30附录1 31附录2 31III第1章 绪 论1.1 课题背景人们在日常生活、娱乐及科研中，到处都会遇到装饰的问题，总离不开彩灯控制器。随着国民经济的发展和人民水平的提高，越来越多的装饰灯问世。例如：各种国庆节日、路灯装饰灯及牌匾的各种装饰灯都是由彩灯控制器来完成的。家庭中拥有彩灯控制器的数量也在不断的增加，使我们的生活和娱乐更加丰富多彩，现在彩灯控制器还在不断的完善。本次设计的电路是双向循环彩灯控制器，这种彩灯控制器的结构简单，制作容易，调整方便，但存在两点不足之处：一是彩灯的点亮方式固定。二是彩灯流动速度不明显。此次毕业设计的意义是：运用学生所学的电子类的理论知识，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、调试方法；巩固常用仪器的使用。并保证所学理论知识与实践的综合运用，培养学生处理实际问题，动手能力和自学能力。1.2 设计任务与要求1.2.1 设计题目的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。它能使彩灯按照人的要求有序地被点亮，还可以同音乐、声音、色彩结合起来，使五彩缤纷的彩光富有音乐、艺术的魅力，给人们带来生气和乐趣。彩灯可大致分成两种类型： 装饰彩灯 音乐彩灯本次毕业设计的类型为装饰彩灯，题目为：双向循环点亮彩控制电路的设计。1.2.2 设计要求1要求控制四路彩灯，每路以20W,200V白炽灯为负载（或在实验箱中以发光二极管为负载）。2要求彩灯双向流动点亮，其闪烁频率在（1-10）Hz内连续可调。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点，简述选择集成组件的原则。3. 组装电路并进行调试，叙述调试方法和调试过程。4计算多谐振荡器的元件参数和确定双向可控硅的额定参数。路并进行调试，叙述调试方法和调试过程。5撰写论文。第2章 单元电路组成与设计计算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。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， 彩灯控制的方法大致分为两种来实现。一种是采用微机控制，优点是编程简单，控制的图案花样多，还可以随时因场地及气氛而改变，需增加的外接电路简单。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，成本也较低。本次设计主要采用第二种方案。一可以发挥自己的专业优势，二可以充分体现我院理论联系实践的教学方针。2.1.2 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包含时钟发生器、顺序脉冲发生电路、双向流动点亮控制电路、可控硅开关电路、驱动电路、彩灯电路和直流电源等组成部分。在这里先给出一个双向流动彩灯控制器的参考方框图。见图2.1可控硅开关电路直流电源驱动电路时钟发生器顺序脉冲发生电路彩灯双向流点亮的控制电路彩灯电路220V图2.1双向流动彩灯控制器方框图2.2 各单元电路的介绍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。该彩灯控制器选用两组直流电源。一组直流取自桥式整流电容滤波电路，它的输出电压为7V，主要为射极输出器供电；另一组是经三端集成稳压器CW7805获得，它输出5V直流电压，作为本控制电路中的数字电路（振荡器、计数器和译码器等）部分的直流电源。由于对这部分电路的供电不需要很大的电流，所以也可以采用最简单的单管稳压电路取代三端稳压器CW7805。2.2.2 时钟发生器时钟发生器可以由门电路或555定时器构成的多谐振荡器产生。采用555电路组成的多谐振荡器是一个比较好的选择。下面我们对555电路进行分析。1基本555电路简介555电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。图2.2中示出了555时基电路的内部等效电路图。鉴于各种双极型的555集成块的内部电路大同小异，下面我们以NE555 为例分析其内部电路和原理。从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三5k电阻组成的分压器的上端，电压为VDD；VT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电位为VDD。在电路设计时，要求组成分压器的三个5k电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位VDD和VDD。VTl4-VTl7与一个4.7k的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VTl8-VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。555时基电路的工作过程如下：当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低.图2.2 555时基电路的内部等效电路图电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3脚输出高电平。此时，不管6端(阈值电压)为何种电平，由于双稳态触发器(VTl4-VTl7)中的47k电阻的正反馈作用(VTl5的基极电流是通过该电阻提供的)，3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于VDD的电平为止。当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7k电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。同时，VTl8的截止使VT6也截止。当触发信号加到6脚时，且电位高于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此时，若2脚仍无触发信号，则VTl5通过4.7k电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。同时，VTl8的导通，使放电级VT6饱和导通。通过上面两种状态的分析，可以发现：只要2脚的电位低于VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。4脚为复位端。当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。因VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。通过上面对555等效功能电路的分析，可得出555各功能端的真值表。表2-1 555各功能端的真值表引脚26437电平 VDD*1.4V高电平悬空状态电平 VDD VDD1.4V低电平低电平电平 VDD1.4V保持电平保持电平*0.3V低电平低电平由表可看出，S、R、MR的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。 如图2.3所示是用555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2、C是外接定时元件,6脚和7脚连起来接输入,7脚接R1、R2的公共端。图2.3多谐振荡器2电路的设计和计算(1)工作原理电路如图2.4所示是用555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2、C是外接定时元件，定时器TH（6）、（2）端连起来接uC，晶体三极管集电极（7）R1、R2的连接点P。起始状态接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故uC=0比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器Q=1、=0，uO=UOH、TD截止。暂稳态Q=1、=0、uO=UOH、TD截止，是电路一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充电、uc缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是VccR1、R2C地，时间常数是1=（R1+R2）C。自动翻转当电容C充电，uC上升到2Vcc/3时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，Q=1、=0、uo=UOL、TD饱和导通。图2.4 555定时器构成的多谐振荡器暂稳态Q=1、=0、uo=UOL、TD饱和导通，是电路的另一种暂稳态，因为这种状态下，同样有一个电容C放电、uC缓慢下降的渐变过程在进行着，放电回路是CR2TDF ，时间常数是2=R2C（忽略TD饱和导通电阻RCES）。自动翻转当电容C放电,uc下降到VCC/3时,比较器C2输出跳变为0,基本RS触发器立即翻转到期状态,Q=1、=0、uo=UOH、TD截止，即暂稳态。在暂稳态，电容C又充电、uc再上升，不难理解，接通电源之后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转振荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲。电路的工作波形见图2.5图2.5工作波形(2)振荡频率的估算和占空比可调电路 由工作原理分析知道，电路稳定工作之后，电容C充电和放电的过渡过程总是周而复始重复进行的。电容C充电时间，即暂稳态维持时间tw1的估算电容充电时，时间常数1=（R1+R2）C，起始值uc(0+)=VCC/3，终了值uc（）=VCC、转换值uc（tW1）=2 VCC/3，代入RC过渡过程计算公式进行计算：电容C放电时间即暂稳态维持时间tW2R的估算电容放电时，时间常数2=R2C，起始值uc(0+)=2Vcc/3,终了值uc()=0,l转换值uc(tW12)=VCC/3,代入RC过渡过程公式进行计算:电路振荡频率f振荡周期TT=tW1+ tW2=0.7 (R1+R2）C+0.7R2C （2-3） =0.7 (R1+2R2）C振荡频率f:（2-4）图2.6 时基电路占空比q定义:q=tW1/T,脉冲宽度与重复周期之比，称为占空比。（2-5）为了方便调节频率可以采用图2.62.2.3 顺序脉冲发生电路顺序脉冲发生电路是在时钟脉冲的作用下，能输出在时间上有先后顺序的脉冲。它通常是由计数器和译码器组成。为了达到四路彩灯双向流动电亮的效果，采用的计数器应具有加法和减法计数的功能，以便为改变彩灯电亮的方向提供方便。具有这种计数功能的计数器很多，比如：CD4510、CD 4029等，前者为十进制加/减计数器（四位BCD码输出），并且带负载能力强，能输出较大的驱动电流。后者可实现四位二进制或十进制（BCD码输出）计数。双向流动彩灯所是电路采用CD4510做计数器。注意图C2,R2中组成微分电路，接至计数器清零端CR，以便在开机时，使清零端得到一个高电平脉冲，使计数器清零。选择译码器时，要注意和所采用的计数器相匹配，因为计数器的输出端和译码器的输入端直接相连的。这里采用CD4028，它是4线-10线译码器。当输入为BCD码时，该译码器十个输出端的对应端变为高电平。1.计数器 广义地讲，一切能够完成计数工作的器物都是计数器，算盘是计数器，里程表是计数器，钟表是计数器，温度计是计数器等。具体的各式各样的计数器，可以说是不胜枚举，无计其数。在数字电路中，把记忆输入CP脉冲个数的操作叫做计数，能够实现计数操作的电子电路称为计数器。它的主要特点是：(1)一般地说这种计数器除了输入计数脉冲CP信号之外，很少有另外的输入信号，其输出通常也都是现态的函数，是一种Moore型的时序电路，而输入计数脉冲CP是当作触发器的时钟信号对待。(2)从电路组成看，其主要组成单元是时钟触发器。计数器应用十分广泛，从各式各样的小型数字仪表，到大型电子数字计算机，几乎是无所不在，是任何数字仪表乃至数字系统中，不可缺少的组成部分。 本电路为改换彩灯点亮的方向提供方便。采用的计数器是具有加法和减法计数功能的CD4510芯片。它是可预置BCD可逆计数器（单时钟）：进位和借位有一个公共的进位输出端CO非输出，并且与时钟异步。CD4510CD4510的引出端排列图2.7LD是置数控制端；CE非是始能端：CO非是进位/借位信号输出端；CR是清零端；U/D非是加减计数控制端；CP是脉冲输入端；D0-D3是数据输入端；Q0-Q3是状态输出端；VDD是电源端；VSS是接地端。图2.7 CD4510的引出端CD4510的功能表表2-2所示是CD4510的功能表，该表反映集成可逆计数器CD4510具有：预置数、清除不计数、可逆计数功能。表2-2 CD4510的功能表CPLDCR工作方式XXXHL预置数XXXXH清除XHXLL不计数上升沿LHLL加计数上升沿LLLL减计数2译码器 译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码状态，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程要译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者是低电平。译码器的种类很多，但它们的工作原理和分析设计方法大同小异。由于本电路所选的译码器是要与计数器相配合。在这里采用CD4028，它是4线-10线译码器。当输入为四位BCD码时，该译码器十个输出端的对应端变为高电平。CD4028CD4028的引出端排列图图2.8所示是CD4028的引出端和逻辑功能示意图。A0-A3是数据输入端；Y0-Y9是信号输出端；VDD是电源端；GND接地端。图2.8 CD4028的引出端CD4028的功能表表2-3所示是CD4028的功能表，该表反映了4线-10线译码器CD4028具有：控制十路输出信号的功能。表2-3 CD4028功能表NoA3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y90LLLLHLLLLLLLLL1LLLHLHLLLLLLLL2LLHLLLHLLLLLLL3LLHHLLLHLLLLLL4LHLLLLLLHLLLLL5LHLHLLLLLHLLLL6LHHLLLLLLLHLLL7LHHHLLLLLLLHLL8HLLLLLLLLLLLHL9HLLHLLLLLLLLLH2.2.4 彩灯双向流动点亮的控制电路为了使彩灯点亮的顺序具有双相的效果，必须使计数器CD4510交替进行加法和减法计数。因此，需使计数器的脚交替得到高低电平的控制信号。本电路的这部分控制功能是由三极管T1和集成D触发器（IC4）来完成的。图2.9所示是有关电路和连接方式的示意图。图2.9（1） 图中三极管T1构成射极输出器。T1采用PNP型管CS9012。（2）双D触发器 CMOS边沿D触发器CC4013 引出端功能图2.10图2.10CC4013中集成了两个触发器单元，都是CP上升沿触发的边沿D触发器，RD,SD均为高电平有效，即RD=1时触发器复位到0，SD=1时触发器置位到1。特性表表2-4所示的是CMOS集成边沿D触发器的特性表表2-4 D触发器的特性表CPDQn+1上升沿00上升沿11 如果把异步输入端的功能也考虑进去，则可列出如表2-5所示是特性表。表2-5输入输出备注CPDRdSdQn+1上升沿0000同步置0上升沿1001同步置1上升沿X00Qn保持XX011异步置1XX100异步置0XX11不用不允许表2-5所示的特性表全面地描述了CMOS集成边沿D触发器CC4013的逻辑功能。当RD=SD=0时，电路按照方程Qn+1=D转换状态CP上升沿时刻有效；当异步输入端工作时，CP、D均无效，若RDSD=01则置1，若RDSD=10则置0，RD，SD的取值应遵守约束条件RDSD=0。2.2.5 驱动电路按照电路原理图所示电路中，译码器的输出信号作为可控硅控制极的触发脉冲。为了增大输入到可控硅控制极的触发电流，本电路插入了一级三极管射极输出器。所采用的三极管是NPN型的CS9013。如电路原理图所示，输入信号与输出信号的公共端是三极管的集电极，所以属于共集组态。又由于输出信号从发射极引出，因此这种电路也称为射极输出器。特点是：共集电极放大电路的电流放大倍数大于1，但电压放大倍数恒小于1，而接近于1，且输出电压与输入电压同相，所以又称为射极输出器。由于CS9013有这样的特点，恰好符合本电路的要求。2.2.6 可控硅开关电路可控硅是有控制极的可控整流器件，它的导通要同时具备两个条件：阳极和阴极间加正向电压，控制极输入正向触发脉冲。要关断已经导通的可控硅，应该把可控硅的阳极电流减小到维持电流以下才行，因此，电源电压过零时可控硅被关断。在彩灯控制电路中，应用更广泛的是双向可控硅，它相当于把两个相同的可控硅反向并联起来。它用于交流控制电路中时，在交流的正、负半周均可以导通。（1）双向可控硅的符号本电路中采用976型的双向可控硅，其符号入图2.11所示。它仍有三个极，分别叫第一阳极，第二阳极和控制极。它和单向可控硅的主要区别是，只要控制极加有触发信号，无论第一阳极和第二阳极之间的电压为正或者为负，它均导通，于是其射极有电流产生，通过75欧姆电阻加到可控硅的控制极，则对应的双向可控硅就导通，使该路彩灯被点亮。图2.11（2）双向可控硅的选择，要根据负载电流的大小确定。可控硅的两个参数:额定电压和额定电流，是选取可控硅的重要依据，选取的基本原则是：可控硅的额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压。考滤到电源电压波动等多种因素，一般选取可控硅的额定电压要等于电路实际承受电压的2-3倍。可控硅的额定电流要大于实际流过管子电流的最大值。可控硅的电流过载能力较差，带电阻性负载时电路中还有较大的启动电流，因此选择可控硅时要留有充分的余地。工程上，一般选取其额定电流值为电路中流过管子最大电流的1.5-2倍。 因此，本电路可控硅时应按照以上两条原则进行选取。2.2.7 彩灯电路 本电路是控制四路彩灯的输出。每一路是由三只彩色的发光二极管和大功率的限流电阻组成，也可以采用小彩珠串联，根据要求，彩灯可以排列成各种不同的图形，比如直线，圆形，辐射状，还可以组成文字字形。为了简化设计，本电路选择排成直线形。 第3章 电路工作原理及设计计算电路的整机工作原理图，见附录1所示下面介绍整机工作原理与设计计算。合上电源的开关，市电220V一路通过双向可控硅SCR加至各彩灯的两端；另一路通过电源变压器，整流电路，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。时钟信号是由555定时器几其外接元件RW，R1，C1组成的典型的自激多谐振荡器产生的，其中，电位器Rw是用来调节振荡频率的，用以改变彩灯流动点亮的速度。时钟脉冲的周期为：Tc=0.7（R1+Rw）C1彩灯控制电路时钟频率通常多较低，最高也不超过十赫兹，最低可达到零点几赫兹。计算的时候，电容C1的容量要取得大些，以减少分布电容的影响。自激多谐振荡器产生的脉冲信号由555定时器的3脚输出至计数器CD4510的15脚。图中的C2，R2组成微分电路，接至计数器清零端CR，以便在开机时，使清零端得到一个高电平脉冲，使计数器清零。所以，给15脚加至一个脉冲，计数器就计数一次（编码一次），四位BCD码输出端就输出一次信号，加至译码器的对应端就输出高电平（别电路只用四路输出）即Y0、Y1、Y2、Y3。然而，Y0的输出信号有两路：一路经15K电阻加至射极输出器的基极如果Y0-Y3其中有一路是高电平，那么这一路的三极管就会导通，三极管发射极的LED管就会发光，表示某一路的三极管正常工作了，就会触发对应的双向可控硅；另一路是经50千欧的电阻加至彩灯双向流动电亮控制电路，即T1的基极，三极管输出接D触发器的清零端1R（高电平有效），CP信号来自CD4028，上升沿触发，开机时，电源加至三极管T1的发射极，经4.7千欧的电阻直接加至D触发器的的清零端1R上，使D触发器复位，输出端Q为低电平，而Q非为高电平，因此书记计数器的U/D非端为高电平，则计数器进行加法（递增）计数，也就是说在开机时计数器处于加法计数状态，随着时钟的输入，经译码器各输出端按Y0-Y9的顺序依次出现高电平，使彩灯的灯光正向流动。当最后一位Y3（本电路只用了四路）输出高电平时，产生一个上升沿信号作用于D触发器的时钟输入端（CP信号），使D触发器的输出状态翻转，即Q端为高电平，Q非为低电平，Q非的低电平又作用于计数器的U/D非端，使计数器变为减法计数。随着时钟脉冲的输入，译码器输出则按Y9-Y0的顺序依次输出高电平，结果使彩灯的灯光作反向流动。而当Y0达到高电平时，使三极管T1导通，其集电极变为低电位，发射极为高电位，作用于D触发器的清零端1R上，又使触发器复位，Q非又变为高电平。计数器的U/D非端也同时变为高电平，计数器重新进行加法计数，如此反复循环下去。电路中的表现为：各三极管发射极的LED1-LED4反复循环被电亮。当译码器CD4028的输出端某一路为高电平时，该路所对应的发射极经75欧电阻加至双向可控硅SCR的控制极，该路的双向可控硅被触发，这一路的双向可控硅接的这路彩灯被点亮，其余三路的情况亦是如此。从而实现了彩灯双向循环点亮的效果。彩灯闪亮的速度是通过调整多谐振器的振荡频率来实现的（F0=1/0.7（R1+2Rw）C2），即调整电位器Rw的中心旋扭来改变的。由于指标是（1-10）Hz内连续可调，再者1Hz与10Hz相差无几，调整时，彩灯闪亮的效果不是很明显。但也能看出彩灯闪亮速度的快慢。第4章 元器件的选择与计算4.1 元器件的选取1.电阻器 电阻器的选择应根据应用电路的具体要求而定。（1）高频电路应选用分布电感和分布电容的非线绕电阻器。（2）高增益小信号放大电路应选用低噪声电阻器。（3）线绕电阻器的功率较大、电流噪声小、耐高温,但体积较大。所选用电阻器的电阻值应接近应用电路中计算值的一个标称值,优先选用标准的电阻器。一般电路中使用的电阻器允许偏差为:5%-10%。所选用的额定功率要符合应用电路中对电阻器功率容量的要求,一般不应随意加大或减小电阻器的功率。若要求是功率型电阻器,则其额定功率可高于实际应用电路要求功率的1-2倍.本电路所选用的固定电阻器都是按照上述电阻器选用原则而定的.如:75欧电阻、180欧电阻、4.7千欧电阻、15千欧电阻、50千欧电阻。2.电位器电位器的选用应根据使用要求选用电位器的电阻体材料、结构、类型、规格、调节方式。合理选择电位器的电参数。根据阻值变化规律选用电位器。本电路只选用了一个精密电位器（2兆欧），用来和电容、电阻配合与555定时器构成多谐振荡器，用来调节振荡器的振荡频率的，控制四路彩灯闪亮的速度。3.电容器电容器的选用应根据应用电路的具体要求选择电容器。 （1）电解电容器的选用 电解电容器主要用于电源电路或中、低频电路中作电源滤波（100-10000微法）、退耦（47-220微法）、低频电路级间耦合（1-22微法）、低频旁路、时间常数设定、隔直流等电容器使用。选用电解电容时，应注意其外表面要光滑，无凹陷或残缺，塑料封装应完好，标志要清楚，引脚不能松动，引脚根部处不能有电解液泄露。（2）固定有机介质电容器的选用 在固体有机介质电容器中，使用最多的是有机薄膜介质电容器。（3）固定无机介质电容器的选用 在固定无机介质电容器中，使用最多的是瓷片电容器。高频电路中的耦合电容器、旁路电容器及调谐电路中的固定电容器，均可以选用玻璃电容器或云母电容器。4.半导体二极管 发光二极管的检测：（1）正负极的判别将发光二极管放在一个光源下，观察两个金属片的大小，通常金属片大的一端为负极，金属片小的一端为正极。（2）性能好坏的判断 用万用表R*10K档，测量发光二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值为10-20千欧，反向电阻值为250千欧-。较高灵敏度的发光二极管，在测量正向电阻值时，管内会发微光。5.半导体三极管 一般高频晶体管的选用。一般小信号处理电路中使用的高频晶体管，可以选用特征频率在30-300兆赫的高频晶体管，例如：CS9011、CS9012、 CS9013、 CS9014等型号的小功率晶体管，还要考虑被选用晶体管的耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压、电流放大系数等参数及外型尺寸等。本电路选用的晶体三极管型号为CS9012、 CS9013。6.变压器 电源变压器在选用时，要与负载电路相匹配，电源变压器应留有功率余量。输出电压应与负载电路供电部分的交流输入电压相同。本电路选用集成变压器：是输出直流电压为9V、输出直流电流为1A、频率为50Hz、功率为25W的变压器。7.三端稳压器 78L系列集成稳压器的输出电流为100mA-150mA，输出电压有+5V，+6V，+8V，+9V，+10V，+12V，+15V，+18V，+20V。本电路选用的型号为7805的三端稳压器：输出电压是5V，电流是1A。8.集成芯片 在选用某种类型的集成电路之前，应先认真阅读产品说明书或有关资料，全面了解该集成电路的功能、电气参数、外型封装及相关外围电路。绝对不允许集成电路的使用环境、参数等指标超过厂家所规定的极限参数。本电路根据设计要求和选用集成芯片的原则，选用了以下几个集成芯片：CD4510、CD4028、CD4013、NE555EP。4.2 元器件的计算及选择1.双向可控硅（1）双向可控硅的测量 判断各电极，用万用表R1或R10档分别测量双向晶闸管三个引脚间的正、负电阻值，若测得某一管脚与其它两个管脚均不通，则此脚便是主电极T2。找出T2极之后，剩下的两脚便是主电极T1和门极G3。测量这两脚之间的正、反向电阻值会测得两个均较小的电阻值。在电阻值较小的一次测量中，黑表笔接的是主电极T1，红表笔接的是门极G3。（2）双向可控硅的选择 由于市电220V直接点亮彩灯，按选用双向可控硅的原则：本电路应选用额定电压为400V的双向可控硅。额定电流的选取应根据电路中每路彩等的功率瓦数。由于负载采用的是发光二极管和限流电阻组成的。彩灯的个数比较多，功率也较大，因此应选用电流为1A的双向可控硅。本电路中所选用双向可控硅的型号为97A6。2.限流电阻 由于本电路采用发光二极管代替负载，交流220V的电压直接加至彩灯的两端，因此需要加一个限流电阻：R=U/I=220-8/10=20KP=I/R=10020=2W所以，此限流电阻应选用电阻值为20K，功率为2W的大功率的电阻。第5章 电路的安装调试5.1 使用的主要仪器使用的主要仪器有万用表、示波器、信号源等。1.万用表万用表也称三用表或万能表，它集成电压表、电流表和电阻表为一体，是测量、维修各种电气设备时最常用、最普通的测量工具。2.示波器示波器是一种用途广泛的图示测量仪器。用于实域测量时，可观察电信号随时间变化的波形，测量波形的幅值、宽度、周期和频率等参数。用于频域测量时，可显示网络的频率特性，用做X-Y图示仪时，可以将图形方程显示任意两个相关电参数间的关系。5.2 电路的安装 首先，应绘制系统总体电路图：（1）布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图。利于对图的理解和阅读。（2）注意信号的流程。（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。（4）连接线应为直线，并且交叉和折弯应最少。然后，电子电路设计好后，便可进行安装。毕业设计的安装，通常应采用焊接和在面包板上插接两种方法。焊接组装可提高焊接技术，但元器件可重复利用率低。在面包板上组装，元器件便于插接，且电路便于调试，并可提高元器件可重复利用率。本次毕业设计选择的方式是后者，即利用面包板组装。 归纳总结组装方法如下：（1）集成电路的组装 插接集成电路时，首先应认清方向，不要倒插，所有集成电路的插入方向要保持一致，注意引脚不要弯曲。（2）元器件的位置 根据电路图的各部分功能确定元器件在面包板上的位置，并按信号的流程将元器件顺序地连接，以方便调试，互相有影响或产生干扰的元器件应尽可能分开或屏蔽。（3）导线的选择和连接导线直径应和插接板的插孔直径相一致，过粗会损坏插孔，过细则与插孔接触不良。为了检查电路的方便，根据不同用途，导线可以选用不同的颜色。一般习惯是正电源用红线，负电源用蓝线，地线用黑线，信号线用黄线。连接用的导线要求紧贴在插接板上，避免接触不良，连线不允许跨接在集成器上，一般从集成电路器件周围通过，尽量做到横平竖直，这样便于查线和更换器件。导线应尽可能短一些，避免交织混杂在一起。微弱信号的输入引线应当选用屏蔽线，屏蔽线外层的一端要接地，直流电源引线较长时，应加滤波电路。组装电路时应注意，电路之间要共地。正确的组装方法和合理的布局，不仅使电路整齐美观，而且能提高工作的可靠性，便于电路的检查和故障的排除。基于以上的原则，本次毕业设计的布局比较合理，电路比较整齐。看上去也比较美观。要求的技术指标也完全的实现了，四路彩灯闪亮的效果也相当的美妙，彩灯的颜色搭配的也较和谐。可以说，这次毕业设计的电路十分的成功。5.3 电路的调试 任何一个电子电路，甚至是已被他人实验证明是成功可行的电子电路，按照设计的电路原理图，并不能立即投入运行。因为在设计时，对各种客观的因素难以预测，加之元器件参数和不同程度的误差，所以必须通过安装后的调试，发现和纠正设计方案的不足之处，采用措施加以弥补，以使电路达到预期的技术指标。所以，电子电路的调试是保证电路正常工作和性能优良的关键之一。5.3.1 注意事项在通电调试前，一定要认真检查焊接的电路是否有错焊、漏焊、虚焊等。用万用表欧姆档，测量芯片各引脚和各个元器件之间的连接是否正常，测量各个元器件之间的连接是否正常。用电压表把各个芯片所用的电压调整到规定的数值。检查各个芯片的接地是否连接牢固。检查无误，经指导老师同意后，方可通电调试。5.3.2 通电检查及调试步骤先设计好印刷电路板，然后按照电路图把元器件仔细插好，注意先不接可控硅，彩灯和限流电阻。认真检查一下各元器件连接是否正确，要注意各集成组件引脚，线有没有搭错，二极管和三极管管脚要接对，各集成组件的电源端和接地端要接好。然后分为以下几步进行检查和调试：1.观察发光二极管是否正常发光 合上电源开关，接通电源，这时发光二极管应逐各闪亮，循环反复，如果它们不联，应首先检查整流滤波电路和集成稳压器输出的直流电压（分别应为10V和5V）是否正常，然后检查各元件是否插接好，各发光二极管的阴极是否都确切接地，并检查各射极输出器的集电极是否接入直流电压。如发光二极管正常发光，则可确定电路已正常工作。2.检查振荡器是否起振 如发光二极管只有LED1常亮而其余均不亮，则表明逻辑电路有问题，应先检查555定时器是否起振，可用万用表电压挡检测定时器的输出端3脚是否有信号产生，先将电位器Rw调到阻值最大位置，使振荡频率最低，万用表用10V电压档，红表笔接3脚，黑表笔接地，观察万用表指针是否有摆动，若指针有摆动，则说明3脚有信号输出。3.检查计数和译码电路如振荡器有信号输出，但发光二极管仍不能逐个闪亮的话，就要检查计数器和译码器工作是否正常，同样检查译码器输出端是否依次有高电平输出，查看电源端是否接上，各接地静脚是否为0V使用有计数允许控制端的计数器时，要检查该端是否为有效状态（接地或接电源），如都正常则可能是采用的计数器或译码器组件损坏，此时应该更换新的组件。4.带载实验 上述检查都正常后，可将可控硅插入电路板中了，限流电阻和各彩灯也应接入电路中了，电路应正常工作，彩灯应依次闪亮。如果某路彩灯不亮，可能是对应的可控硅引脚未接正确，或者对应的各路彩灯接触不良，也可能是该路的可控硅元件有损坏。一般来讲，经过前面各步骤验查，发光二极管发光时，可控硅输出部分不会有大的问题。5.灯光移动速度调试灯光移动速度取决于振荡器的方波频率，改变电位器Rw阻值的大小即相应改变振荡器的振荡频率。可把Rw调至阻值最大，这时移动的速度最慢，再把Rw调至阻值最小（振荡频率），这时的移动的速度最快。然后逐渐改变Rw的滑动端，移动速度将相应的变快或变慢。如果移动速度不可调，则很可能是电位器本身有问题，应予以调换。如果各彩灯全两，则说明振荡频率设计的过高，这时就要改动振荡器的定时元件，即应加大电阻值。以上就是电路调试的注意事项和步骤。5.4 电路调试中的故障现象及排除方法故障现象是不希望出现但又不可避免的电路异常工作状况。分析、寻找、排除故障是每一个电子技术人员必须掌握的实际技能。 故障现象及排除方法（1）电路没有输入信号,但有输出信号.引起此故障的原因是由电器中元器件本身,如:电阻、电感、电容、晶体管及集成器件等特性不良或损坏变质，电容、变压器绝缘击穿，元器件安装不当等，判断和排除比较容易，只要寻找出，损坏的元器件后进行更换，电路即可正常工作。本电路是电容被击穿引起的此故障，排除方法是更换元器件。（2）振荡电路不产生振荡 一般都是仪器设备引起的此故障，仪器设备本身有故障，造成功能失于控制，不能正常工作；仪器设备连接方式不当，造成仪器设备之间的故障等等。原因是使用仪器之前没有校准仪器，或者对仪器设备的性能和使用方法不熟悉。本电路是由555定时器与外围电路组成的多谐振荡器不起振引起2的。原因是没有满足555定时器的工作条件，将555定时器的5脚接一个瓷片电容后就起振了，电路恢复正常的工作。（3）出发器不翻转，或者逻辑关系混乱 此故障现象是由操作者的操作失误所引起的。如连线的错接、漏接或多接，元器件参数选择不当等。本设计产生故障的原因是元器件参数选择的不当引起的（4）译码器不译码 原因是元器件参数选择的不当和芯片管脚搭接的不对引起的，改正之后电路恢复正常。（5）回路彩灯不循环闪亮 通上220V的交流电源后，四路彩灯全常亮。分析原因有：双向可控硅全部被击穿，故障的排除方法是更换双向可控硅。但现象还是如此。后来在导师的指导下，分析了双向可控硅的内部结构原理，原来是双向可控硅的第一阳极和第二阳极接反了，掉换双向可控硅的第一阳极和第二阳极后，电路正常工作了。结 论本次毕业设计历时三个月，终于圆满地结束了，此次设计的课题是：双向循环彩灯控制器。 在设计中，实现了利用分立元器件和集成电路来组装一个双向循环彩灯控制器，进一步理解了双向循环彩灯的工作过程。经调试后，电路可以正常的工作，各项的功能要求均已实现。 设计过程中，经过一系列的动手组装与实践，充分的锻炼了自己的逻辑思维和判断的能力，在此期间得到了很大的收获。 首先，充分认识到了理论基础知识的重要性。没有良好的理论基础知识作铺垫，在做电路分析与故障排除的过程中会有许多的不便，同时想完成一个电路的设计与制作是很困难的。 其次，更加认识到了动手能力的重要性。许多看似简单的电路调试起来却是相当的复杂，因此，这时才真正的体会到：理论与实践要相结合，有了理论的支持，实践才得心应手；有了实践的证实，理论才更加牢固。通过这次毕业设计，掌握了许多调试硬件电路的方法，对基本电子测量仪器的使用更加熟练，还懂得了许多集成器件及方法。同时也锻炼了自己分析问