課程設(shè)計(jì)——七彩燈報(bào)告

1、電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目名稱： 七彩循環(huán)裝飾燈控制器的設(shè)計(jì)姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：指導(dǎo)教師：王明昌重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院2012年5月目錄1. 設(shè)計(jì)目的2. 設(shè)計(jì)要求3. 設(shè)計(jì)內(nèi)容4. 控制器電路各組成部分的工作原理 4.1 電路總體功能及設(shè)計(jì)4.2電路各部分具體功能及設(shè)計(jì)4.2.1 整流濾波電路4.2.2 調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路4.2.3 燈光變色控制電路4.2.4 負(fù)載電路五、參數(shù)計(jì)算及器件選擇5.1、整流濾波電路5.2調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路六、仿真分析七、元器件清單八、心得體會(huì)九、參考文獻(xiàn)七彩循環(huán)裝飾燈控制器的設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)目的1.1 熟悉七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路的組成、工作原理和設(shè)計(jì)方法。1.2

2、掌握多諧振蕩器、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器的工作原理、使用方法、特點(diǎn)、用途及主要參數(shù)的計(jì)算方法。1.3 熟悉集成電路 CD4001、555 定時(shí)器、 CD40518、晶閘管、整流、濾波電路的的組成、工作原理、特點(diǎn)及用途。二 .設(shè)計(jì)要求目前，很多商業(yè)廣告（如燈箱，節(jié)日彩燈，霓虹燈等）等采用循環(huán)裝飾控制的形式。七彩循環(huán)裝飾燈能按設(shè)計(jì)者的要求或快或慢地循環(huán)發(fā)出紅、綠、黃、藍(lán)、紫、青、白七色光，從而起到商業(yè)宣傳和美化環(huán)境的作用，給城市增添了熱鬧氣氛。我們利用已學(xué)的模電數(shù)電相關(guān)知識(shí)，可以自行設(shè)計(jì)并焊接組裝該控制電路。該控制器由變壓器，整流電路，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，計(jì)數(shù)器和開關(guān)電路等組成。該電路根據(jù)三基色原理，采用紅、綠

3、、藍(lán)三種發(fā)光二極管，通過混色作用（紅、綠、紅 +綠 =黃、藍(lán)、紅 +綠=紫、綠 +藍(lán)=青、紅 +綠+藍(lán)=白）來產(chǎn)生七種色彩。三.設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1 設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一個(gè)七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路。各基本單元電路的設(shè)計(jì)條件和技術(shù)指標(biāo)如下：3.1.1整流濾波電路正弦信號(hào)輸入電壓： 220V，50Hz；整流濾波電路輸出電壓：24V，分壓輸出（供集成電路用）：一組采用穩(wěn)壓管5V；另一組采用集成穩(wěn)壓器。3.1.2調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生和燈光變色控制電路時(shí)鐘脈沖振蕩頻率：燈光每隔0.1s5s自動(dòng)變換一種顏色，脈沖占空比：60%。燈光變色控制電路：采用同步加法計(jì)數(shù)器。輸出的高電平應(yīng)滿足晶體管控制電平的要求。3.1.3負(fù)載

4、電路紅、綠、藍(lán) 3 基色燈： 24V， 8W。或發(fā)光二極管。3.1.4其他要求要求控制器能長(zhǎng)年通電使用，性能可靠。四、方案的設(shè)計(jì)與原理論證4.1 電路總體功能及設(shè)計(jì)七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路工作原理如圖1 所示。圖 1 七彩循環(huán)裝飾燈控制器功能框圖2 所示，它由電源變換電路、調(diào)色七彩循環(huán)裝飾燈控制器電路的參考原理圖如圖時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路、燈光變色控制電路和負(fù)載電路組成。其中H1、H2、H3 是被控“ 3基色”燈泡。接通電源， 220V 交流電經(jīng)變壓器降壓、 V D1 VD4 橋式整流和濾波后，一路供彩燈回路用電；另一路經(jīng) R1 降壓限流， V Z 穩(wěn)壓， V D5 隔離和 C1 濾波后，為控制電路

5、提供約 5V 的穩(wěn)定直流電。ICI 與外圍元件構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路，其中與非門G1、G2 以及 RP、R3 和 C2組成多諧振蕩器； IC 2 由 G3、 G4 構(gòu)成基本 RS 觸發(fā)器，對(duì)振蕩產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行整形，然后由 G4 輸出送到 IC3 的時(shí)鐘脈沖 CP 端。VD1 VD2R1Rp+ C2紅綠藍(lán)IC 2216V D52G26EN VDDG1 RG33 R3&&Q4Q1V 1220 U1U2&RD4 R4VZC1IC 17Q2V 2IC 35 R5V D4SA&1CP Q3V 3V D3多諧振蕩器G48計(jì)數(shù)器 R6 R7 R8整形圖 2 七彩循環(huán)裝飾燈控

6、制器電路原理IC 3 是一塊有雙同步加法計(jì)數(shù)器功能的CMOS 集成電路，由與非門G4 送來的正脈2沖在其內(nèi)部進(jìn)行二進(jìn)制編碼，并使 Q1 Q4 輸出端的狀態(tài)發(fā)生循環(huán)組合變化。其邏輯真值表見表 1。從真值表中可以看出，當(dāng)IC3 的 CP 端輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，其Q1 輸出高電平，V 1 受觸發(fā)導(dǎo)通，紅燈通電發(fā)出紅光；當(dāng)?shù)诙€(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，當(dāng)IC 3 的 Q2 端輸出高電平， V 2 受觸發(fā)導(dǎo)通，綠燈通電發(fā)出綠光；當(dāng)?shù)谌齻€(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，當(dāng)IC 3 的 Q1、Q2 端同時(shí)輸出高電平， V 1、V 2 均觸發(fā)導(dǎo)通， 紅燈、綠燈同時(shí)通電點(diǎn)亮，根據(jù)混光原理，燈箱對(duì)外變黃色；依次類推， IC 3 的 Q1

7、、 Q2 、Q3 端有 8 種邏輯狀態(tài)，可使“三基色”燈順序產(chǎn)生 7 種色光（紅、綠、紅 +綠=黃、藍(lán)、紅 +綠=紫、綠 +藍(lán)=青、紅 +綠+藍(lán)=白）來。當(dāng)?shù)诎藗€(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)， IC 3 的 Q1、 Q2 、Q3 端均輸出低電平，紅燈、綠燈、藍(lán)燈全部熄滅片刻；同時(shí) IC3 的 Q4 端輸出高電平，其信號(hào)直接送入清零端 R，使 IC3 的內(nèi)部電路復(fù)位；第九個(gè)時(shí)鐘脈沖送入 IC 3 時(shí)，循環(huán)上述過程。表 1CD4518 真值表CP 時(shí)鐘12345678輸出Q110101010Q201100110Q300011110Q400000001電路中，燈光變色由與非門G1、G2 組成的多諧振蕩器工作頻率確

8、定，其工作頻率由公式 f=1/0.69(RP+R2)C2 來估算。調(diào)節(jié) RP阻值，可使燈光隔0.1s5s自動(dòng)變換一種顏色。閉合開關(guān) SA，與非門 G1 的控制輸入端由高電平變?yōu)榈碗娖?，振蕩停止工作，變色燈停留在上?8 個(gè)狀態(tài)中的某一個(gè)狀態(tài)。4.2 電路各部分具體功能及設(shè)計(jì)4.2.1整流濾波電路1 ）橋式整流電路輸入為正弦 220V，頻率 50HZ 的電壓，經(jīng)過整流濾波電路后輸出為5V 的直流電壓。為提高整流電路的性能，抑制變壓器的直流偏磁，減少對(duì)電路的不利影響，實(shí)驗(yàn)采用橋式整流電路。橋式整流電路采用四個(gè)二極管D1D4互相接成橋式結(jié)構(gòu)。橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見，二極管用理想

9、模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。3在 U2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向負(fù)載 RL，在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓，再由二極管 D3 流回變壓器，所以 D1、D3正向?qū)ǎ?D2、D4反偏截止。在 U2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管 D2流向負(fù)載 RL，再由二極管 D4 流回變壓器，所以 D1、D3 反偏截止， D2、D4正向?qū)?。電流流過 RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的電路圖及波形如圖 3 所示。圖 3橋式整流電路圖及波形圖2）電容濾波

10、電路利用儲(chǔ)能元件電容器C兩端的電壓不能突變的性質(zhì)，把電容C（或電感 L）與整流電路的負(fù)載 RL并聯(lián)（或串聯(lián)），就可以將整流電路輸出中的交流成分大部分加以濾除，從而提高了輸出電壓的直流成分，而降低了脈動(dòng)成分，得到比較平滑的直流電。4.2.2調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路：多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源后，不需要電源，不需要外加觸發(fā)信號(hào)（即沒有輸入信號(hào)）便能自動(dòng)產(chǎn)生矩形脈沖。由于矩形脈沖中含有豐富的高次諧波分量，所以稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器由 555 定時(shí)器和電阻、電容元件構(gòu)成。555 定時(shí)器功能表如圖4 所示。圖 4 555定時(shí)器功能表4先將 555 定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，再將施密特觸發(fā)器的輸

11、出端經(jīng)RC積分電路接回到它的輸入端，即可構(gòu)成多諧振蕩器。其電路構(gòu)成及工作波形如圖5 所示。接通電源時(shí)，電容電壓 Vc=0,由功能表知，輸出高電平， NMOS 管截止。 V DD 通過電阻R2、 R3 給電容 C2 充電，充電時(shí)間常數(shù)為 (R2+R3)C，電容上的電壓 Vc 按指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng) Vc>2V DD/3 時(shí)，有功能表知，電路輸出低電平，NMOS 管導(dǎo)通，電容 C 開始通過 R3 放電，放電時(shí)間常數(shù)約為 R3C， Vc 隨之下降。當(dāng)下降到 Vc<V DD/3 時(shí)，電路輸出高電平， NMOS 管截止，之后，電容開始充電。如此周而復(fù)始，電路形成自激振蕩，出矩形脈沖。圖 5多諧振

12、蕩器電路圖及工作波形圖多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖作為后續(xù)的計(jì)數(shù)器電路的時(shí)鐘信號(hào)，可以控制彩燈循環(huán)變化的速度，使彩燈發(fā)光時(shí)間各不相同，從而起到變速循環(huán)的效果。設(shè)計(jì)彩燈循環(huán)變化的周期為 T=0.7S，脈沖占空比為 =60%。4.2.3燈光變色控制電路該部分電路以三基色原理為基礎(chǔ)，利用計(jì)數(shù)器74LS161的置數(shù)端 LD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能，計(jì)數(shù)器從 0001 開始計(jì)數(shù)，到 0111 時(shí)，通過與非門對(duì)LD端輸入一個(gè)低電平，從而使計(jì)數(shù)器重新從0001 開始計(jì)數(shù)。74LS161是 4 位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，除了有二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能外，還具有異步清零、同步并行置數(shù) 、保持等功能。 74LS161的引腳排列圖和功能表

13、如圖 6 所示，CR是異步清零端， LD是預(yù)置數(shù)控制端， D0 ，D1，D2， D3 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸人端， P和 T 是計(jì)數(shù)使能端， C 是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)提供了方便。74LS1615具有以下功能：（ 1）異步清零功能：當(dāng) CR0 時(shí)，不管其他輸人端的狀態(tài)如何（包括時(shí)鐘信號(hào)CP）， 4 個(gè)觸發(fā)器的輸出全為零。（ 2）同步并行預(yù)置數(shù)功能：在 CR1 的條件下，當(dāng) LD0 且有時(shí)鐘脈沖 CP的上升沿作用時(shí)， D3 ，D2，D1， D0 輸入端的數(shù)據(jù)將分別被 Q3Q0 所接收。由于置數(shù)操作必須有 CP脈沖上升沿相配合，故稱為同步置數(shù)。（ 3）保持功能：在 CR=LD1 的條件

14、下，當(dāng) T P 0 時(shí)，不管有無 CP脈沖作用，計(jì)數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變（停止計(jì)數(shù)） 。（ 4）同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)功能：當(dāng) CRLD P T 1 時(shí)， 74LS161處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，電路從 0000 狀態(tài)開始，連續(xù)輸入 16 個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后，電路 將從 1111 狀態(tài)返回到 0000 狀態(tài)，狀態(tài)表見下表。（ 5）進(jìn)位輸出 C：當(dāng)計(jì)數(shù)控制端 T1，且觸發(fā)器全為 1 時(shí)，進(jìn)位輸出為 1，否則為零。圖 674LS161的功能表和引腳排列圖4.2.4負(fù)載電路負(fù)載電路主要由彩燈組成。當(dāng) 74LS161 的輸入端輸入由 555 振蕩器產(chǎn)生的脈沖時(shí)，輸出端依次輸出高電平時(shí) ,根據(jù)輸出高電平，二極管 V 1、 V2

15、、 V 3 依次導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)彩燈也依次點(diǎn)亮，產(chǎn)生一種循環(huán)變化的效果。當(dāng)?shù)诎藗€(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，IC3的 Q1、6Q2 、Q3 端均輸出低電平，紅燈、綠燈、藍(lán)燈全部熄滅片刻；同時(shí)IC3 的 Q4 端輸出高電平，其信號(hào)直接送入清零端R，使 IC3 的內(nèi)部電路復(fù)位；第九個(gè)時(shí)鐘脈沖送入IC3時(shí)，循環(huán)上述過程。但由于彩燈要求的額定電流較大，故應(yīng)使負(fù)載電路中燈泡兩端的電阻盡量小，才能使燈泡正常發(fā)亮。 R、 C 構(gòu)成微分電路，用于上電復(fù)位。同樣也可以把彩燈換成發(fā)光二級(jí)管。但是由于發(fā)光二級(jí)管所要求的額定電流較小，所以需要在發(fā)光二極管兩端串聯(lián)上一個(gè)較大電阻，用來保護(hù)發(fā)光二級(jí)管不被擊穿。五、參數(shù)計(jì)算及器件選擇5.1

16、、整流濾波電路1）變壓器選擇：根據(jù)題目要求，三個(gè)燈泡的參數(shù)均為：額定電壓U 燈 =24V，額定功率 8W。由整流濾波電路的結(jié)構(gòu)得變壓器副邊電壓有效值U2=U0/0.9=26.667 V。故變壓器副繞線組的電壓有效值為26.667 V，由此可選擇匝數(shù)比為10： 1 變壓器。由 Multisim 軟件仿真測(cè)得脈沖電路和計(jì)數(shù)器電路的電流的總電流 I=24mA1.0A 。變壓器的功率為 P=U2*I=5.422.4V, 所以變壓器功率選擇 24W.2 ）整流二極管參數(shù)選擇 : 流過整流二極管的平均整流電流等于負(fù)載直流電流的一I DFI2 0.012 A 0.5A二極管承受的最大反向電壓為V DF2U

17、2 37.71V根據(jù)上述的參數(shù)選擇整流二極管，即I F(1.5 2) I DF max0.75A 1AV R(1.5 2)V DR max56.57V 75.42V式中， I F 和V R 錯(cuò)誤！未找到引用源。 是二極管的最大平均整流電流和最高反向工作電壓參數(shù)。通過查詢普通整流二極管參數(shù)表可知： 2CZ11J（ 1A， 100V）滿足條件，可以作為電路整流管。 故選擇 2CZ11J（1A ，100V）作為電路的整流管可滿足要求。3）穩(wěn)壓管 D6的選擇 : V Z=5+0.6=5.76V 故選擇 2CW7C（38mA,5.6V ）作為穩(wěn)壓管可滿足要求。74）隔離二極管 D5 的選擇 :因?yàn)槎O管

18、起到一個(gè)隔離作用，用普通二極管即可。5）降壓限流電阻 R 的選擇 :電阻 R 分壓為 18.4V 左右，為保證穩(wěn)壓管不被燒壞，11選擇電阻 R >18.4V/38mA=484 ,所以選擇 R =500。116 ）濾波電容 C1 的選擇：由于電容C1 在閉合開關(guān) K之前已經(jīng)充電完成，閉合開關(guān)后，電容經(jīng)負(fù)載放電，放電時(shí)間常數(shù)為 =RLCT( 交流電源周期 ) ，其中 RL 為負(fù)載電阻。在實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇=RLC>（ 35）T/2 。經(jīng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，RL5/(0.42mA 0.488mA) =10.4 K 11.9K。C1uF 。88.2 168.3考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)±

19、 10%,則電容所承受的最高電壓為= （ 1+10%）=7.778V因此，選用標(biāo)稱值為100uF/50V 的電解電容。5.2 調(diào)色時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路由圖可知，振蕩周期 T1T 2 為電容充電時(shí)間， T2 為電容放電時(shí)間。充電時(shí)間1T 1( R2R3 )C 2 ln (V DD3V DD) 0.7( R2 R3)C 2V DD23V DD放電時(shí)間01T 1R3C2ln (3V DD2) 0.7 R3C203V DD矩形波的振蕩周期TT 1 T 20.7( R2 2R3)C 2脈沖占空比 = T1R2R3T1 T2R22R3因此改變 R 、 R 和電容 C 的值便可改變矩形波的周期和頻率。在本次設(shè)計(jì)中232R =20k , R =40k C =10 F 進(jìn)行仿真，得周期 T=0.7s, 并保證占空比為 60%。232此外，電容 C3 只要求是小電容，這里選擇0.01uF 。8六、仿真分析：1.整體電路仿真截圖：2. 變壓器副繞線組的電壓有效值測(cè)量：93、多諧振蕩器輸出波形由此可看出，經(jīng)過555 時(shí)基電路組成的多諧振蕩器后，脈沖的周期為0.7s ，與理論值相符。七、元器件清單：器件名稱型號(hào)參數(shù)個(gè)數(shù)555 定時(shí)器LM555CM1同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS1611電阻R11500R2201R340K1R4-R61K 3電容C11100 FC210 F1C