课程设计——七彩灯报告

1、电子技术基础课程设计报告题目名称： 七彩循环装饰灯控制器的设计姓 名：学 号：班 级：指导教师：王明昌大学电气工程学院2012年5月目录1. 设计目的2. 设计要求3. 设计容4. 控制器电路各组成部分的工作原理4.1 电路总体功能及设计4.2 电路各部分具体功能及设计4.2.1 整流滤波电路4.2.2 调色时钟脉冲发生电路4.2.3 灯光变色控制电路4.2.4 负载电路五、参数计算及器件选择5.1 、整流滤波电路5.2 调色时钟脉冲发生电路六、仿真分析七、元器件清单八、心得体会 九、参考文献七彩循环装饰灯控制器的设计一设计目的1.1 熟悉七彩循环装饰灯控制器电路的组成、工作原理和设计方法。1

2、.2 掌握多谐振荡器、触发器、计数器的工作原理、使用方法、特点、用途及主要参数 的计算方法。1.3熟悉集成电路CD4001 555定时器、CD40518晶闸管、整流、滤波电路的的组 成、工作原理、特点及用途。二 . 设计要求 目前，很多商业广告（如灯箱，节日彩灯，霓虹灯等）等采用循环装饰控制的形 式。七彩循环装饰灯能按设计者的要求或快或慢地循环发出红、绿、黄、蓝、紫、 青、白七色光，从而起到商业宣传和美化环境的作用，给城市增添了热闹气氛。我们 利用已学的模电数电相关知识，可以自行设计并焊接组装该控制电路。该控制器由变 压器，整流电路，时钟信号发生器，计数器和开关电路等组成。该电路根据三基色原理

3、，采用红、绿、蓝三种发光二极管，通过混色作用（红、 绿、红 +绿 =黄、蓝、红 +绿=紫、绿 +蓝=青、红 +绿+蓝=白）来产生七种色彩。三. 设计容3.1 设计题目：设计一个七彩循环装饰灯控制器电路。各基本单元电路的设计条件和技术指标如下：3.1.1 整流滤波电路正弦信号输入电压： 220V，50Hz；整流滤波电路输出电压：24V,分压输出（供集成电路用）：一组采用稳压管5V;另一组采用集成稳压器。3.1.2 调色时钟脉冲发生和灯光变色控制电路时钟脉冲振荡频率：灯光每隔 0.1s5s自动变换一种颜色，脉冲占空比：60%。灯光变色控制电路：采用同步加法计数器。输出的高电平应满足晶体管控制电平的

4、要求。3.1.3 负载电路红、绿、蓝3基色灯：24V, 8W或发光二极管。3.1.4 其他要求要求控制器能长年通电使用,性能可靠。四、方案的设计与原理论证4.1电路总体功能及设计七彩循环装饰灯控制器电路工作原理如图1所示图1七彩循环装饰灯控制器功能七彩循环装饰框图制器电路的参考原理图如图2所示，它由电源变换电路、调色时钟脉冲发生电路、灯光变色控制电路和负载电路组成。其中Hi、出、H3是被控“ 3基色”灯泡。接通电源，220V交流电经变压器降压、Vdi Vd4桥式整流和滤波后，一路供彩灯 回路用电；另一路经Ri降压限流，Vz稳压，VD5隔离和Ci滤波后，为控制电路提供 约5V的稳定直流电。ICi

5、与外围元件构成一个时钟脉冲发生电路，其中与非门Gi、G2以及Rp、R3和C2组成多谐振荡器；IC2由G3、G4构成基本RS触发器，对振荡产生的脉冲进行整形，然 后由G4输出送到IC3的时钟脉冲CP端。V D2U2VD3V D1VzA $VD4V D5C1Rp +_G1 R.2_?iG-2-J 1i IC111多谐振荡器1C22G3 一七71&G4 ;整形一:tl红16EN V ddQ4 Q1RDC3Q2V1勢一了5 R5>CP Q38计数器R6图2七彩循环装饰灯控制器电路原理IC3是一块有双同步加法计数器功能的 CMOS集成电路，由与非门G4送来的正脉 冲在其部进行二进制编码，并

6、使 Qi Q4输出端的状态发生循环组合变化。其逻辑真值 表见表1 0从真值表中可以看出，当IC3的CP端输入一个时钟脉冲时，其 Q1输出高电平，V1受触发导通，红灯通电发出红光；当第二个时钟脉冲到来时，当IC3的Q2端输出高电平，V2受触发导通，绿灯通电发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时，当IC3的Qi、Q2端同时输出高电平，Vi、V2均触发导通， 红灯、绿灯同时通电点亮，根据混光原 理，灯箱对外变黄色；依次类推，IC3的Qi、Q2、Q3端有8种逻辑状态，可使“三基 色”灯顺序产生7种色光（红、绿、红+绿=黄、蓝、红+绿=紫、绿+蓝=青、红+绿+蓝 二白）来。当第八个时钟脉冲到来时，IC3的Qi

7、、Q2、Q3端均输出低电平，红灯、绿 灯、蓝灯全部熄灭片刻；同时IC3的Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端 R,使 IC3的部电路复位；第九个时钟脉冲送入IC3时，循环上述过程。表1CD4518真值表、CP时钟输岀12345678Q110101010Q201100110Q300011110Q400000001电路中，灯光变色由与非门G1、G2组成的多谐振荡器工作频率确定，其工作频 率由公式f=1/0.69（Rp+R2）C2来估算。调节Rp阻值，可使灯光隔0.1s5s自动变换一种 颜色。闭合开关Sa,与非门G1的控制输入端由高电平变为低电平，振荡停止工作，变色 灯停留在上述8个状态中的某一个

8、状态。4.2电路各部分具体功能及设计4.2.1 整流滤波电路1 ）桥式整流电路输入为正弦220V，频率50HZ的电压，经过整流滤波电路后输出为 5V的直流电 压。为提高整流电路的性能，抑制变压器的直流偏磁，减少对电路的不利影响，实验 米用桥式整流电路。桥式整流电路采用四个二极管 D1D4互相接成桥式结构。桥式整流电路的工作 原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反 向电阻为无穷大。在U2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向负载RL,在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4

9、反偏截止。在U2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经 过二极管D2流向负载RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4 正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。根据上述 分析，可得桥式整流电路的电路图及波形如图 3所示。图3桥式整流电路图及波形图2）电容滤波电路利用储能元件电容器C两端的电压不能突变的性质，把电容 C （或电感L）与整流 电路的负载RL并联（或串联），就可以将整流电路输出中的交流成分大部分加以滤 除，从而提高了输出电压的直流成分，而降低了脉动成分，得到比较平滑的直流电。调色时钟脉冲发生电路：多谐振荡

10、器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要电源，不需要外加触发信 号（即没有输入信号）便能自动产生矩形脉冲。由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波 分量，所以称为多谐振荡器。多谐振荡器由555定时器和电阻、电容元件构成。555定时器功能表如图4所示。THTRIGOCTDISjX低电平低电平导通>2Vdd/3高电平低电平导通高电平保持保持X高电平鬲电平截止图4 555定时器功能表先将555定时器构成施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC积分电路接回到它的输入端，即可构成多谐振荡器。其电路构成及工作波形如图5所示。接通电源时，电容电压Vc=O，由功能表知，输出高电平，NMOS管截止。Vdd通过

11、电阻 R2、R3给电容C2充电，充电时间常数为（R2+R3）C,电容上的电压Vc按指数规律上 升；当Vc>2Vdd/3时，有功能表知，电路输出低电平，NMOS管导通，电容C开始通过R3放电，放电时间常数约为 R3C，Vc随之下降。当下降到 VcvVdd/3时，电路输 出高电平，NMOS管截止，之后，电容开始充电。如此周而复始，电路形成自激振 荡，出矩形脉冲。图5多谐振荡器电路图及工作波形图多谐振荡器产生的矩形脉冲作为后续的计数器电路的时钟信号，可以控制彩灯循 环变化的速度，使彩灯发光时间各不相同，从而起到变速循环的效果。设计彩灯循环 变化的周期为T=0.7S,脉冲占空比为p =60%。灯

12、光变色控制电路该部分电路以三基色原理为基础，利用计数器74LS161的置数端LD实现计数功能，计数器从0001开始计数，到0111时，通过与非门对LD端输入一个低电平，从而 使计数器重新从0001开始计数。74LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异 步清零、同步并行置数、保持等功能。74LS161的引脚排列图和功能表如图6所示， CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0，D, D2，D3是预置数据输人端，P和T是计74LS161数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。 具有以下功能：(1) 异步清零功能：当CR= 0时，不管其他

13、输人端的状态如何(包括时钟信号 CP , 4个触发器的输出全为零。(2) 同步并行预置数功能：在 CR= 1的条件下，当LD= 0且有时钟脉冲CP的上 升沿作用时，D3，D2, D, D0输入端的数据将分别被Q3Q所接收。由于置数操作必须 有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。(3) 保持功能：在CR=LB 1的条件下，当T= P= 0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。(4) 同步二进制计数功能：当 CR= LD= P= T= 1时，74LS161处于计数状态，电 路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路 将从1111状态返回到0000状 态，状态

14、表见下表。(5) 进位输出C:当计数控制端T= 1,且触发器全为1时，进位输出为1,否则 为零。RLDSACP%n,QQ丄QiQbc说圈0XXXXXXX0n000浦零10Xt巧比qDi岛Dl111tXXXX4论同歩二进制加法 计刼计数110tXXXXQiQQiQo保持图6 74LS161的功能表和引脚排列图负载电路负载电路主要由彩灯组成。当74LS161的输入端输入由555振荡器产生的脉冲时，输出端依次输出高电平时，根据输出高电平，二极管 V1、V2、V3依次导通，驱动彩灯也依次点亮，产生一种循环变化的效果。当第八个时钟脉冲到来时，IC3 的 Q1、Q2、Q3端均输出低电平，红灯、绿灯、蓝灯全

15、部熄灭片刻；同时IC3的Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端 R,使IC3的部电路复位；第九个时钟脉冲送入IC3时, 循环上述过程。但由于彩灯要求的额定电流较大,故应使负载电路中灯泡两端的电阻尽量小,才 能使灯泡正常发亮。 R、 C 构成微分电路,用于上电复位。同样也可以把彩灯换成发光 二级管。但是由于发光二级管所要求的额定电流较小,所以需要在发光二极管两端串 联上一个较大电阻,用来保护发光二级管不被击穿。五、参数计算及器件选择5.1 、整流滤波电路1） 变压器选择：根据题目要求，三个灯泡的参数均为：额定电压U灯=24V，额定 功率 8W。由整流滤波电路的结构得变压器副边电压有效值U2=U0

16、/0.9=26.667 V。故变压器副绕线组的电压有效值为 26.667 V,由此可选择匝数比为10： 1变压器。由 Multisim 软件仿真测得脉冲电路和计数器电路的电流的总电流l=24mA1.0A。变压器的功率为 P=U2*I=5.422.4V,所以变压器功率选择 24W.2）整流二极管参数选择 :流过整流二极管的平均整流电流等于负载直流电流的一 半，即二极管承受的最大反向电压为根据上述的参数选择整流二极管 ，即式中，I F和Vr。是二极管的最大平均整流电流和最高反向工作电压参数。通过查询普通整流二极管参数表可知：2CZ11J（ 1A，100V）满足条件，可以作 为电路整流管。故选择2C

17、Z11J（ 1A，100V）作为电路的整流管可满足要求。3）稳压管D6的选择：Vz=5+0.6=5.76V故选择2CW7C（ 38mA,5.6V）作为稳压管 可满足要求。4）隔离二极管D5的选择：因为二极管起到一个隔离作用，用普通二极管即可。5）降压限流电阻 R的选择：电阻R分压为18.4V左右，为保证稳压管不被烧坏, 选择电阻 R>18.4V/38mA=484 Q,所以选择 R=500Q。6 )滤波电容的选择：由于电容在闭合开关K之前已经充电完成，闭合开关后，电容经负载放电，放 电时间常数为t =R-C>T(交流电源周期)，其中R-为负载电阻。在实际应用中，通常选择t =RLC&

18、gt; (35) T/2。经相关实验所得数据，Rl 5/(0.42mA 0.488mA) =10.4 K Q 11.9KQ。G 88.2 168.3uF。考虑到电网电压波动土 10%则电容所承受的最高电压为=(1+10% =7.778V因此，选用标称值为100uF/50V的电解电容。5.2调色时钟脉冲发生电路由图可知，振荡周期T1 T2为电容充电时间，t2为电容放电时间。充电时间1V DD 3V DDT1 (R2 R3)C2|n(3) MR? R3Q2V DD 3V DD放电时间矩形波的振荡周期脉冲占空比 P=T1R2RLT1 T2 R2 2R3因此改变r2、r3和电容c2的值便可改变矩形波的

19、周期和频率。在本次设计中R2 =20kQ , R3=40kQ C2=1°卩F进行仿真，得周期T=0.7s,并保证占空比为60%此外，电容C3只要小电容，这里选择0.01UF。六、仿真分析：1. 整体电路仿真截图:2. 变压器副绕线组的电压有效值测量:xtn-nD1：1N4RD1UDFC -D6：: 1N4J04：:R1 5DQQ1M4DG1ODijF3、多谐振荡器输出波形口TL妙曲缈丄竺臥力甲TmebaiscChannel A.Chcnndl BTrigg a-sole; 30 msAMv 圉Sale： 5 畑vScale： 5 VDvEdge; B(T)Qe fnEpcs.tPN); QY poj.Qfi'): 0Y pos,(0iv); QLevd:qV函画两丽® EIUJGEiD 匸,Type lng. | '-Jor. | jud | Bne由此可看出，经过 555时基电路组成的多谐振荡器后，脉冲的周期为0.7s ,与理论值相符。七、元器件清单：器件名称型号参数个数555定时器LM555CM一1同步十进制计数器74LS161一1电阻R1500 Q1R220KQ1R340K Q1R4-R61K Q3电容C1100 卩 F1C2