基于CD4060音乐梦幻灯课程设计综述

1、基于CD4060音乐梦幻灯课程设计仿真部分学院：测试与光电工程学院学号：11081238姓名：王志轩指导老师:吴伟金信鸿2014/6/15CD4060音乐梦幻灯摘要：本次课设主要以学习为目的，课程设计要求设计一个电路实现三 色彩灯循环亮，循环灭的功能。主要通过音乐梦幻灯的原理及硬件剖 析，了解数电及模电的相关知识。而本文讲述了所设计的电路原理， 利用protel99软件对其原理图，印刷电路板及调试和焊接等制作过 程的介绍。CD4060音乐梦幻灯可用于多种娱乐场合。对于场合的气氛程度有 不同的提高随着音乐的音调不同从而有多种不同颜色的彩灯以多种 组合形式闪烁相配合。给人营造出一种关于灯光与音乐相

2、配合的美丽 错觉。关键字：梦幻灯，循环目录摘要：21课程设计的任务和要求 41.1课程设计的任务 41.2课程设计要求 42、CD4060音乐梦幻灯工作原理简介 52.1元件清单53、课程设计理论准备 54、电路原理图 65、元件及其工作原理原理： 75.1、三极管工作原理： 75.2、光二极管95.3、晶体二极管105.4、电解电容 115.4.1、电解电容在电路中的作用 115.4.2、电解电容的判断方法 125.4.3、电解电容的使用注意事项 135.5、变阻器147、仿真过程 148、电路工作原理： 168.1PNP三极管在电路中作用 168.2 CD4060工作简介178.3多谐震荡

3、器简介198.4电路工作分析209、部分仿真示意图 2110、参考文献22附表一：元件清单 23附表二：CD4060功能表23附表三：仿真图241、课程设计的任务和要求1.1课程设计的任务1. 通过本次课程设计使得自己对于 CD4060梦幻灯的制作有一定 的了解。对于所涉及到的有关电路方面的知识有更多的了解和认识，从而提高自己对于所学知识的运用能力和加深对知识的掌握程度2. 学会焊接电路板。3. 熟悉电子线路Protel99软件及电子线路方针Proteus软件的 使用方法4. 熟悉CD4060梦幻灯的设计与制作方法。5. 熟悉各电路部分的逻辑功能并掌握使用方法。1.2课程设计要求1. 初步掌握

4、一般电子电路设计的方法， 得到一些工程设计的初步 训练，并为以后的毕业设计奠定良好的基础。2. 培养自学能力，独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇 到的问题，通过独立思考、查找工4. 学会查阅治疗和手册，学会选用各种电子元器件。5. 学会掌握安装电子线路的基本技能和调试方法，善于在调试中 发现问题和解决问题。7. 学会撰写课程设计。8. 提高自学能力和改善自学方法。9. 能很好的发现问题并解决问题。2、CD4060音乐梦幻灯工作原理简介电路中,U2为一带振荡器的14级二分频计数器CD4060,R1 R2R4 C4和U2-9、10、11脚内电路组成振荡器，振荡频率可由R4调节。 通电初始，定

5、时时钟发生器首先经U2-12脚的电容清零复位，各输出 级均为低电位。随着振荡器振荡，输出端 Q4-Q14以二进制形式递进 输出，三组发光管也随输出端的高低电平变化而亮灭， 当某端输出高 电平时，对应组发光管灭，输出低电平时，对应组发光管亮。Q1, Q2 Q3起驱动作用，D2, D3, D4起循环复位作用。（Q5 Q6 Q7均为高 电平时复位）2.1元件清单名称位号数量名称位号数量CD4060及 插座IC2各1个电阻 1.5M10K220KR1, R2, R4各1个音乐芯片IC11片电阻200 Q-12个R5- R16各1个无缘蜂鸣器SP1个可调电阻RP11个按钮开关SW1个:三极管9012-3

6、个Q1, Q2 Q3各1个电源插针1个三极管9013Q41个发光二极管12个LED1-12各1个电解电容 1Uf100UfC1 C2各1个开关二极管D1-D3各1个二极管D1, D2, D2各一个3、课程设计理论准备Proteus 简介:Proteus 软件已有20多年的历史，采用PC进行虚拟仿真实验要 比采用单片机实验箱更为有效，因为用户可以根据需要随时对原理电 路图进行修改，并立即获得仿真结果。由于在PC上修改原理电路图要比在实验箱上修改硬件电路容易得多， 而且还可以根据设计要求采 用不同元器件，或者修改元器件参数以获得不同输出结果，在成功进行虚拟仿真并获得期望结果的条件下，再制作实际硬件

7、进行在线调 试，可以获得事半功倍的效果。本次课程设计Proteus常用的快捷键：Ctrl+s :打开关闭磁吸 磁吸用于对准 些点的，如引脚等X：打开关闭定位坐标 显示 个大十字射线0：重新设置原点将鼠标指向的点设为原点u：撤销键Pgd n：改变图层Pgup：改变图层Ctrl+Pgdn :最底层Ctrl+pgup :最顶层Ctrl+画线：可以划曲线F5:重定位中心4、电路原理图图4.1电路原理5、元件及其工作原理原理:5.1、三极管工作原理:三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管, 是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐 值较大的电信号， 也用作无触点开关。

8、晶体三极管，是半导体基本 元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是 在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN结，两个PN结把整块半 导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排 列方式有PNP和NPN两种。工作原理:放大：b极提供信号（输入）c极提供能量e极输出还有一个重要的特点：Ubc在线性电路中通常为0.7v，这个性质可以 稳压，稳流等。饱和：利用它的开关特性，常用在数字电路。晶体三极管按材料分有两种：错管和硅管。而每一种又有 NPN和 PNFW种结构形式，但使用最多的是硅 NPN和PNP两种三极管，两者 除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面

9、仅介绍NPN硅管 的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块 P型半导体所 组成，发射区与基区之间形成的 PN结称为发射结，而集电区与基区 形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极 e、基极b和集 电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec 要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接 通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）极基区的 多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方

10、扩散，但因前者 的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流， 这股电 子流称为发射极电流Ie。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集 电结进入集电区而形成集电集电流lc ,只剩下很少（1-10%）的电子 在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源 Eb重新补 给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：le=lb+lc这就是说，在基极补充一个很小的lb，就可以在集电极上得到一 个较大的lc，这就是所谓电流放大作用，lc与lb是维持一定的比例 关系，即：B 仁lc/lb式中：B1 -称为直流放大倍数，集电极电流的变化量 lc与基极电流的变化量 lb之

11、比为：B = lc/ lb式中（3 -称为交流电流放大倍数，由于低频时 B1和B的数值 相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，B 值约 为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的 电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。5.2、光二极管发光二极管简称为LED由镓（Ga）与砷（AS、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光， 因而可以用 来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数 字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极 管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED

12、 发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN结组成，也具有单向导电 性。当给发光二极管加上正向电压后， 从P区注入到N区的空穴和由 N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空 穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不 同，释放出的能量越多，贝恢出的光的波长越短。常用的是发红光、 绿光或黄光的二极管。晶体二极管：为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结， 在其界面处两侧形成空间电荷层， 并建有自建电场。当不存在外加电 压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引 起的漂移电流相等

13、而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外 界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了 正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加 强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流10。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。电解电容与陶瓷电容一般用在IC的电源与地之间，起滤波作用， 陶瓷电容单独使用去耦作用，它的使用一般在 IC中会有说明，其电 解值的大小与IC所需电流大小有关，陶瓷取0.01uf。滤波电容的选择要看

14、你是用在局部电源还是全局电源。对局部电 源来说就是要起到瞬态供电的作用。为什么要加电容来供电呢？是因 为器件对电流的需求随着驱动的需求快速变化（比如DDR controller ）,而在高频的范围内讨论，电路的分布参数都要进行考 虑。由于分布电感的存在，阻碍了电流的剧烈变化，使得在芯片电源 脚上电压降低-也就是形成了噪声。而且，现在的反馈式电源都有一个反应时间-也就是要等到电压波动发生了一段时间（通常是 ms或者us级）才会做出调整，对于ns级的电流需求变化来说，这 种延迟，也形成了实际的噪声。所以，电容的作用就是要提供一个低 感抗（阻抗）的路线，满足电流需求的快速变化。541、电解电容在电路

15、中的作用1、滤波作用：在电源|稳压器电路中，整流电路将交流变成脉动的直流，而在整 流电路之后接入一个较大容量的电解电容，利用其充放电特性，使整流后的脉动直流电压变成相对比较稳定的直流电压。在实际中，为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，所以在电源的输出端及负载的电源输入端一般接有数十至数百微法的电解电容.由于大容量的电解电容一般具有一定的电感，对高频及脉冲干扰信号不能有 效地滤除,故在其两端并联了一只容量为 0.001-0.lpF 的电容，以滤 除高频及脉冲干扰。2、耦合作用：在低频信号的传递与放大过程中，为防止前后两级电路的静态工作点 相互影响，常采用电容藕合.为了防止信号中韵低频

16、分量损失过大，一般总采用容量较大的电解电容。542、电解电容的判断方法电解电容常见的故障有，容量减少，容量消失、击穿短路及漏电， 其中容量变化是因电解电容在使用或放置过程中其内部的电解液逐 渐干涸引起，而击穿与漏电一般为所加的电压过高或本身质量不佳引 起。判断电源电容的好坏一般采用万用表的电阻档进行测量。具体方法为：将电容两管脚短路进行放电，用万用表的黑表笔接电 解电容的正极。红表笔接负极（对指针式万用表，用数字式万用表测量 时表笔互调）,正常时表针应先向电阻小的方向摆动，然后逐渐返回直 至无穷大处。表针的摆动幅度越大或返回的速度越慢 ，说明电容的容 量越大,反之则说明电容的容量越小。如表针指

17、在中间某处不再变化， 说明此电容漏电，如电阻指示值很小或为零，则表明此电容已击穿短 路。因万用表使用的电池电压一般很低，所以在测量低耐压的电容时比较准确，而当电容的耐压较高时，打时尽管测量正常，但加上高压时 则有可能发生漏电或击穿现象。543、电解电容的使用注意事项1、电解电容由于有正负极性，因此在电路中使用时不能颠倒联接。在电源电路中，输出正电压时电解电容的正极接电源输出端，负极接地，输出负电压时则负极接输出端，正极接地.当电源电路中的滤波电 容极性接反时，因电容的滤波作用大大降低，一方面引起电源输出电 压波动，另一方面又因反向通电使此时相当于一个电阻的电解电容发热.当反向电压超过某值时，电

18、容的反向漏电电阻将变得很小，这样通 电工作不久，即可使电容因过热而炸裂损坏。2、 加在电解电容两端的电压不能超过其允许工作电压，在设计实 际电路时应根据具体情况留有一定的余量，在设计稳压电源的滤波电 容时,如果交流电源电压为 220时变压器次级的整流电压可达 22V, 此时选择耐压为25V的电解电容一般可以满足要求。但是，假如交流 电源电压波动很大且有可能上升到 250V以上时，最好选择耐压30V以 上的电解电容。3、电解电容在电路中不应靠近大功率发热元件 ，以防因受热而使 电解液加速干涸。4、对于有正负极性的信号的滤波，可采取两个电解电容同极性串联的方法，当作一个无极性的电容。可以调节电阻大

19、小的装置，接在电路中能调整电流的大小。一般 的变阻器用电阻较大的导线（电阻线）和可以改变接触点以调节电阻 线有效长度的装置构成。作用：1、限制电流，保护电路 2、改变电路中电压的分配7、仿真过程1、元件清单2、放置元件B esults No Filter）：DeviceKeywrds：IM atch Whole Words?Show on|y 匚临 祇h models?CategoiiJ：All 匚UnspecifiedAnalog GCapacitois 匸MBS 4000 series在如图Keywords栏输入元件编号，选定元件后，放入编辑区内Deintor+Part Type+Foot

20、printDeficrrptFarv1SwIPv03G lufQRADC2QCapactor1汐0 liFPRAM却Capac / tor+IAXLALIJ4*1Res istor*AXLALOAfies istor+-R6P1K+1AXLAL 护retort砂1叭AXIAL Wh1Res istor4. 7K*AXIAL G4*-Res ； stor+-1C4心4U7/16VPRAD曲Capac i t6r-5P1盼AXLALW1Res sto-rRLY1P12V-PPOTER4+SPOT Relay*1UR7GL-2PP3-Ttrii!fiAIPofii t vcVoltage Reuia

21、torC04D6O-PD1P22+RW100+1AXLALW尺2。価附AXLAL呼ftes sto-r*21R4200KNR5十Pcxtent ometer+-GWKMXMJ/UV粋虫2QCapac t tor+ D2+14G07DIODE E 仔PNJuf-ttiortDiodelAna 1 og Part)EE4PhiJun.-ct on0 ： odeJAna 1 ojf Part)4C07DIVDEE如PNJuntt ?onD-(Atm log: Part)4则DIWELAPNJunct i onD vdeiAna log Part)Q2TO-52HPH BJT门ro-52*3HPN B

22、JT元件清单3、连线如图连接元件5、运行运行结果见下图&电路工作原理:8.1PNP三极管在电路中作用由PNP三极管工作原理可知：当 VeVbV（导通，且一般硅管 Vbe=-0.7v，错管Vbe=0.2v。当接通电源后，由 CD4060音乐梦幻灯原理图可知，当 Qx输入为低电平时：Ve二Vcc-Vrx-V发光二极管 (x=516)Vc=0其中发光二极管及二极管两端的电压可看作相等所以：VBE二VB-VE二VRX-VR4由于RxR4Rx 两端的电压小于 R4两端的电压VBEVB因为Vcc为电源电压，所以 VB0,VE0VEVBVC即当Qx输入为低电平时，三极管导通，发光二极管发光当Qx输入为高电平

23、时VE二VCC-VRX-V发光二极管VB=VCCVBVE此时三极管截止，发光二极管熄灭8.2 CD4060工作简介8.2.1 CD4060 仰角图 8.1图8.1 CD4060仰角图822 CD4060工作接线如图8.2RC OscilJatorCrystal Oscillator!5MILA/W1Q32 7&S kH-TTUI39 Pf图8.2工作接线图823工作原理如图8.3Cp1cp0cp0R功能fJf0计数001 1复位图8.3工作原理图Q4-Q14以二进制形式递进输出，但考虑到电路原理图的要求只以Q4Q5 Q6都为1时就复位，所以就只列部分所要求的。8.3多谐震荡器简介8.3.1 C

24、D4060与多谐震荡由CD4060工作图可知：R1,C4,R2,R4,CD4060的11,9,10端构成多谐震荡器。其中R1为上拉电阻，可减少电源电压变化对振荡频率的影 响可将R1并入与非门中即可转化为多谐震荡器。8.3.2工作原理：第一暂稳态及电路自动翻转过程假定接通电源时刻，t=0,（未充电，电路处于初始状态）Va=Vcc ，Vb=Vc=Vol即第一暂稳态，此时电源给 RC充电，随着充电时间的增加，Vc不断上升，当达到Vth时，电路发生下述正反馈VcVaJ Vbf这一过程瞬时完成，电路进入第二暂稳态。即Va二Vol, Vb=VCC：第二暂缓态即电路自动翻转过程电路进入第二暂缓态瞬间，Vb由

25、0宀Vcc。由于电容两端电压不能突 变。则Vc由Vth Vth+Vdd由于二极管的钳位作用，Vc仅上跳至Vdd+ V+随后电容C通过R4+R2放电。使Vc下降，当Vc降低至Vth后， 又发生正反馈，从而电路又返回到第一暂缓态，Va=Vcq Vb二Vol此后，电路重复上述过程，周而复始地从一个暂缓态翻转到另一个暂 缓态，在Vo输出端得到方波。其一个方波周期T=RCln4可通过转动滑动变阻器 R4达到控制方波周期的目的，从而可得到不同频率的方波8.4电路工作分析由多谐振荡器的工作原理可知当电路进入第二暂稳态时Vef CpOj VOf ,即 Cp1 f CpO J CpO 当 R=0是符合 CD4O60勺计 数功能时的条件，也可以说是 R1,C4,R2,R4及11, 9, 10端所构成的 多谐振荡器每隔一段时间对14级分频器输入一个脉冲使得每输入一 个脉冲分频器计数一次随着振荡器振荡，输出端 Q4 Q14,以二进制形式输出，从而导致Q4-Q14在不同时刻的输出电平或为高或为低，从而使得三极管随 着输出的高低电平变化而截止与导通，进而控制三组发光管也随 Q4-Q14输出的高低电平变化而亮灭。而且当 Q5,Q6,Q7均为高电平 时，二极管D2,D3,D4截止，从而使得，R端为高电平，进而使得CD4060 达到复位条件，CD406C复位计数从头开始并周而复始。9、部分仿真示意