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循环彩灯控制电路摘要：人们在日常生活、欢乐节日、娱乐及科研中，到处都会遇到装饰问题，总离不开彩灯控制器。彩灯控制电路的不断完善，使得人们的生活更加丰富多彩。本文主要介绍彩灯循环控制电路的设计组成及工作原理。电路中的220V电压通过可控硅器件加至各路彩灯的两端，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。这些触发信号由移位寄存器产生的顺序脉冲给出。振荡电路产生的时钟脉冲送入移位寄存器，随着时钟脉冲的不断输入，移位寄存器的各输出端依次变为高（低）电平，形成时序控制信号。时序控制信号经驱动电路送入可控硅，使可控硅依次导通，于是各彩灯被依次点亮（熄灭）。关键字：循环显示；时钟脉冲；彩灯控制器目录摘要 第1章 绪论1.1 立题目的和意义1.2 设计任务与要求1.2.1 课题概述1.2.2 技术要求1.2.3 设计内容第2章 电路组成与设计2.1 设计方案与方框图2.1.1 设计方案2.1.2 电路方框图2.2 单元电路介绍2.2.1 电源电路2.2.2 振荡电路2.2.3 计数/时序分配电路2.2.4 模拟电子开关2.2.5 移位寄存器2.2.6 驱动电路2.2.7 可控硅开关电路2.2.8 彩灯电路2.3 本章小结第3章 整机电路工作原理3.1 整机电路工作原理3.1.1 彩灯点亮过程3.1.2 彩灯熄灭过程3.2 本章小结第章 元器件选取与计算4.1 元器件选取4.1.1 电阻器4.1.2 电位器4.1.3 电容器4.1.4 半导体二极管4.1.5 半导体三极管4.1.6 三端稳压器4.1.7 集成芯片4.2 元器件选择4.2.1 双向可控硅4.2.2 限流电阻4.3 本章小结第5章 电路安装与调试5.1 主要使用仪器5.2 电路安装5.3 电路调试5.3.1 注意事项5.3.2 通电检查及调试步骤5.4 电路调试中的故障现象及排除方法5.5 本章小结结论致谢参考文献附录1 外文文献中文译文附录2 整机电路原理图附录3 元器件列表1 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，题目为循环彩灯控制器。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2-2 CD4069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 =(1.42.5)RC 式(2-1)则我们可得出振荡频率f如式(2-2)所示： f =1/(1.42.5)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Y0Y9依次输出高电平，从而控制CD4066的选通状态。图2-4 CD4017 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、D 4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Y1Y9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2-5 CD4066 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CD401743脚接收脉冲信号。CD40174的24脚、56脚、711脚、1013脚、1214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2-6 CD40174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。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CD40696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CD40694脚的脉冲串，从CD401749脚输入。3.1.1 彩灯点亮过程在第一个移位脉冲的上升沿，CD401743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”，CD4017424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VS2VS5无驱动信号而阻断，所控制的四路彩灯、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406612脚。保持开关B的接通，从而维持CD401743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”，CD4017424脚、56脚呈高电平，经三极管VT1、VT2放大，驱动晶闸管VS1、VS2导通。这样在保持第路彩灯点亮的同时，第路彩灯相继被点亮，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CD406612脚。开关B继续接通，继续维持CD401743脚的高电平。第三个移位脉冲使寄存器的输出状态由“11000”变为“11100”，CD4017424脚、56脚、711脚同时呈高电平，经三极管VT1、VT2、VT3驱动晶闸管VS1、VS2、VS3导通。第、路彩灯继续点亮的同时，第路彩灯又被点亮。同理，当第四、五个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y3、Y4依次呈高电平。CD4066保持开关B的接通，CD401743脚维持高电平状态。第四、五个移位脉冲使寄存器的输出状态依次为“11110”和“11111”，晶闸管在控制点亮前三路彩灯的基础上，又依次点亮了第、路彩灯。由此可见，五路彩灯是按逐行递增的方式点亮的。3.1.2 彩灯熄灭过程当第六个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y5呈高电平。此高电平从其1脚输出，经二极管VD2加到CD4066开关D的选通端6脚，接通8脚和9脚，从而使9脚接地。同时，CD4017其余的计数输出端均为低电平，CD4066开关B因此而关断，以防止电源被接通的开关D短路。由于CD401743脚与CD40669脚直接相连，于是CD40174寄存器的串行输入端变为低电平。在第六个移位脉冲作用下，寄存器的输出状态由“11111”变为“01111”，CD40174的24脚输出低电平，三极管VT1截止。晶闸管VS1失去触发信号，在交流电源过零瞬间自行阻断，第路灯熄灭。而寄存器其余四路输出端的高电平，通过VT2、VT3、VT4、VT5和VS2、VS3、VS4、VS5继续控制第、四路彩灯点亮。当第七个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y6呈高电平。此高电平从其5脚输出，经二极管VD6加到CD40666脚，保持9脚接地。以维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。第七个移位脉冲使寄存器的输出状态由“01111”变为“00111”，CD4017424脚、56脚同时输出低电平，三极管VT1、VT2截止。晶闸管VS1因无触发信号而维持其阻断状态；VS2因失去触发信号，在交流电源过零瞬间而阻断，第、路彩灯熄灭。而寄存器其余三路输出的高电平，依然控制第、三路彩灯点亮。同理，当第八、九、十个计数脉冲到来时，CD4017计数输出端Y7、Y8、Y9依次输出的高电平控制CD4066开关D的接通，维持CD40174寄存器串行输入端的低电平。当寄存器的移位脉冲输入端依次接收到第八、九、十个脉冲时，寄存器的输出状态则依次为“00011”、“00001”、“00000”，第3、4、5位的低电平控制晶闸管VS3、VS4、VS5依次阻断，在第、路彩灯熄灭的情况下，第、三路彩灯依次熄灭。上述说明，五路彩灯是按逐行递减的方式熄灭的。当计数器CD4017计数满10个脉冲时，其进位端12脚输出一个正脉冲，直接反馈到其复位端15脚，使计数器复位，然后开始下一轮的计数过程，这样彩灯就周而复始地循环工作。3.2 本章小结本章对整机电路的工作原理进行了详细的叙述，我们可以通过本章的介绍，更进一步了解各集成芯片的功能，及其在设计中的使用与实现方法。学习其设计思想，对以后的设计会有很大的帮助。第章 元器件选取与计算4.1 元器件选取4.1.1 电阻器电阻器的作用 在电路中，电阻器主要用来控制电压和电流，即起降压、分压、隔离、滤波(与电容器配合使用)、匹配和信号幅度调节等作用。电阻器的主要参数 电阻器的主要参数有标称阻值、额定功率和允许偏差。电阻器的选取 固定电阻器有很多类型，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。所选用的电阻器的电阻值应接近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的功率。若要求是功率型电阻器，其额定功率可高于实际应用电路要求功率的12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选定的。例如470欧电阻、10K欧电阻、43K欧电阻、47K欧电阻、75K电阻、100K电阻以及1M欧电阻。4.1.2 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、规格和调节方式等，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50K欧的电位器，用来与固定电阻、电容配合与CD4069共同构成脉冲发生部分，用来调节振荡信号频率，从而控制彩灯闪亮速度，但效果不十分明显。4.1.3 电容器 电容器的选用应根据应用电路的具体要求进行选择。(1) 电解电容器选用 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(100u-1000u)、退耦(47-220u)、低频电路极间耦合(1-22u)、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 在固定有机介质电容器中，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国定电容器，均可以选用玻璃电容器或云母电容器。4.1.4 半导体二极管 这里主要对发光二极管的检测：(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，通常金属片大的一方为负极，金属片小的一方为正极(2) 性能好坏的判断 用万用表R*10档，测量发光二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值为1020千欧，反向电阻值为250千欧。较高灵敏度的发光二极管，在测量正向电阻时，管内会发微光。4.1.5 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30300兆赫兹的高频晶体。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、电流放大系数及外型尺寸等参数。本电路选用的三极管型号为CS9014。4.1.6 三端稳压器78LXX系列集成稳压器的输出电流为100mA150mA，输出电压有+5V，+6V，+8V，+9V，+10V，+12V，+15V，+18V，+20V。本电路选用型号为78L05的三端稳压器。4.1.7 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材料，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：CD4069、CD4017、CD4066、CD40174。4.2 元器件选择4.2.1 双向可控硅双向可控硅的测量: (1) 判别各电极 用万用表R1或R10 档分别测量双向晶闸管三个引脚间的正、反向电阻值，若测得某一管脚与其它两脚均不通，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，会测得两个较小的电阻值。在电阻值较小(约几十欧姆)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。螺栓型双向晶闸管的螺栓一端为主电极T2，较细的引线端为门极G3，较粗的引线端为主电极T1。 金属封装(TO-3)双向晶闸管的外壳为主电极T2. 塑封(TO-220)双向晶闸管的中间引脚为主电极T2，该极通常与自带小散热片相连。(2) 判别其好坏 用万用表R1或R10 档测量双向晶闸管的主电极T1与主电极T2之间、主电极T2与门极G3之间的正、反向电阻值，正常时均应接近无穷大。若测得电阻值均很小，则说明该晶闸管电极间已击穿或漏电短路。测量主电极T1与门极G之间的正、反向电阻值，正常时均应在几十欧姆()、至一百欧姆()之间(黑表笔接T1极，红表笔接G3极时，侧测得的正向电阻值较反向电阻值略小一些)。若测得T1极与G3极之间的正、反向电阻值均为无穷大，则说明该晶闸管已开路损坏。触发能力检测：对于工作电流为8A以下的小功率双向晶闸管，可用万用表R1档直接测量。测量时先将黑表笔接主电极T2，红表笔接主电极T1，然后用镊子将T2极与门极G3短路，给G极加上正极性触发信号，若此时测得的电阻值由无穷大变为十几欧姆()，则说明该晶闸管已被触发导通，导通方向为T2 T1。再将黑表笔接主电极T1，红表笔接主电极T2，用镊子将T2极与门极G3之间短路，给G3极加上负极性触发信号时，测得的电阻值应由无穷大变为十几欧姆，则说明该晶闸管已被触发导通，导通方向为T1T2。若在晶闸管被触发导通后断开G3极，T2、T1极间不能维持低阻导通状态而阻值变为无穷大，则说明该双向晶闸管性能不良或已经损坏。若给G3极加上正(或负)极性触发信号后，晶闸管仍不能导通(T1与T2间的正、反向电阻值仍为无穷大)，则说明该晶闸管已损坏，无触发导通能力。对于工作电流在8A以上的中、大功率双向晶闸管，在测量其触发能力时，可先在万用表的某支表笔上串接13节1.5V干电池，然后再用R1档按上述方法测量。对于耐压为400V以上的双向晶闸管，也可以用220V交流电压来测试其触发能力及性能好坏15。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600V的双向可控硅。额定电流的选取应根据电路中每路彩灯的功率瓦数。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3A的双向可控硅。在本电路中选用的双向可控硅的型号为TLC336A。4.2.2 限流电阻由于本电路采用发光二极管代替负载，交流220V电压直接加至彩灯的两端，因此需要加一个限流电阻。又由于每路所选用的二级管的个数不同，故每路的限流电阻也不相同。但限流电阻的计算方法是相同的,计算公式如下所示：RU/I（220ULED）/ I 式(4-1)其中可由电流表直接测得。根据以上公式及可算出各路的限流电阻的阻值。4.3 本章小结本章介绍了一些常用元器件的选取与测试方法，通过本章的学习，我们可以更加了解某些元器件(如电阻器、电容器、电位器等)的功能和特点，消除了初次使用者难以选取合适元器件的困扰，为以后能够正确而熟练地使用元器件，而创造了有利的条件。第5章 电路安装与调试5.1 主要使用仪器使用的主要仪器为万用表。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、维修各种电器设备时最常用、最普通的测量工具。5.2 电路安装首先，应绘制系统总体电路图：(1) 布局合理、排列均匀、图画清晰、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。课程设计的安装，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。本次课程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，所以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，互相用影响或产生干扰的元器件应尽可能分开或评屏蔽。基于以上原则，本次课程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实现了。5.3 电路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之前，一定要认真检查焊接的电路是否有错焊、漏焊、虚焊等。用万用表欧姆挡，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 先设计好电路板，然后按照电路图把元器件仔细插好，认真检查各元器件连接是否牢固。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) 接通电源，首先检查整流滤波电路和集成稳压器输出的直流电压(分别为9V和5V）是否正常，然后检查各部分电路是否均接入直流电压。如果发现输出的直流电压不正常需对选定参数进行修改，直到满足要求为止。直流电压确定接入后即可进行下一步的调试。(2) 检查移位寄存器输出电路 用万用表测量移位寄存器的五个输出端，看是否有脉冲信号产生。若有则说明之前各部分电路工作均已正常，否则需检查振荡电路是否有脉冲信号输出。(3)检查振荡电路是否起振 用万用表的电压档测量振荡电路的输出端是否有脉冲产生，若有则说明振荡电路已工作正常，否则需检查此部分电路是否有短路或断路的地方，检查产生脉冲信号的外围电路是否接好，完全正确后再进行测量。若振荡电路工作正常，则可能是计数/时序分配电路或是双向模拟开关 电路有问题，检查这两组件是否完好，若两组件均没有问题，则说明外围电路搭接有问题，需认真检查。(4) 带载实验 上电检查各部分都能正常工作后，即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，彩灯依次点亮再依次熄灭，并自动循环。如果某路彩灯不亮，可能是对应的可控硅引脚未接正确，或者是该路彩灯某处接触不良，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电路的振荡频率，改变电位器R3阻值大小，相应的即可改变振荡频率。把R3阻值调至最大，这时移动的速度最慢，再把R3阻值调至最小，这时的移动速度最快。逐渐改变R3的阻值，移动速度将相应的变快或变慢。如果各彩灯同时点亮，则说明振荡频率设计得过高，这时就要改动振荡电路的定时元件，可通过替换电阻或电容来实现。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，只要找出损坏的元器件并进行更换，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 经检查发现振荡电路连接正常，则可能有缺焊的现象，仔细排查后，发现是由于在焊接构成振荡电路的外围器件时，不小心将焊盘弄掉，使得其与电路板没有接上，经整理后，重新通电，电路恢复正常工作。(3) 回路彩灯不循环点亮 通上220V的交流电源后，五路彩灯全部点亮。分析原因有：双向可控硅全部击穿，故障的排除方法是更换可控硅。替换后现象还是如此。最后，在导师的指导下，分析了可控硅的内部结构原理，原因是可控硅的第一阳极与第二阳极接反了，调换可控硅的第一阳极与第二阳极后，电路开始正常工作，实现设计要求。5.5 本章小结 在这一章，主要介绍了电路的组装与调试。首先，讲述了使用的主要仪器与电路的安装方法，以及在安装过程中，应遵循哪些原则。其次，说明电路调试中的注意事项，及通电检查和调试步骤。最后，对调试过程中出现的问题进行分析与解决。从而使我们能够顺利地完成本次设计。结论经历几个星期，这次设计终于圆满结束了。此次设计的题目是：循环彩灯控制电路。本设计电路原理正确，元器件选择合理，通电调试后，电路可以正常的工作，各项功能指标均已完成。设计过程中，首先对设计要求进行分析，选定设计方案，确定设计方框图。然后，根据方框图进行元器件的选择，确定设计电路图，此设计中选用了集成芯片CD4069、CD4017、CD4066、CD40174及电阻、电容、可控硅等组成控制电路，来实现设计要求。最后，按照电路图将各组件搭接好，在焊接之前将各部分调试成功，以减少在万用板上难以更改电路的麻烦。经过一系列的动手组装与调试，最终达到设计要求。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，还能够了解多种集成器件的功能及使用方法，锻炼分析问题、解决问题的能力。同时，也是一种对耐心的考验，为以后的工作奠定了一定的基础，这是一次很有意义的设计。致谢本次设计能够顺利完成，给我最大帮助的不但有我的导师王建珍老师，还有实验室的老师们，以及关心帮助过我的同学们。没有他们的帮助，我的设计就不能够这么顺利的完成，在这里我要真诚地向你们道一声“谢谢您！老师”。在完成本电路的设计过程中，我的导师王建珍老师几乎每天都询问我的设计及进展情况。在我设计遇到困难时，老师和我一起分析问题所在，一起解决问题，特别是在最后调试时，显示部分怎么都不能达到要求，连我自己都快要失去信心的时候，老师还在一旁安慰我和我一起找原因，终于在我们共同的努力下，我成功地完成了本次设计。实验室的所有老师们，为了使我们都能够顺利完成本次设计，常常牺牲自己的休息时间，为我们争取时间。我们有问题也可以找他们解决，他们都会尽全力帮助我们。帮不了的也会想办法帮我们解决。在本次设计中，感谢老师对我的严格要求，使我学到了很多实用知识，增强了我的自信心，同时也认识到了自己的不足。在以后的学习和工作中，我会加强理论和实践的结合，不断完善自己，成为一个真正具有综合能力的人才。我会用实际的成绩给以回报，绝不会令老师们失望！参考文献1 康华光.电子技术基础数字部分.第四版.北京：高等教育出版社，2000:128-1402 李双庆.常用半导体器件简明手册.北京：电子工业出版社，1999：93-99 3 李亚伯.数字电路与系统.北京：电子工业出版社，2005:136-1474 刘丽华等.专用集成电路设计方法.北京:北京邮电大学出版社,2000:192-2015 郭培源.电子电路与电子器件.北京：高等教育出版社，2000:49-516 蔡惟铮.常用电子元器件手册.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998：74-807 王克义.电子技术与数字电路.北京：北京大学出版社，1996：58-618 马楚仪.数字电子技术试验.华南理工大学出版社,2006:99-1029 M. Brown, S. Kimura. Digital Electronic Technology Development. Electronics Industry Publishing House, 1994:7-10，217-22010 杨振江.新型集成电路指南与典型应用.西安：西安电子科技大学出版社，1998：79-6311 李亚伯.数字系统设计方法.大连：大连理工大学出版社，1992：126-13012 金玉良.数字电路与逻辑设计.北京：北京邮电大学出版社，1994：114-11713 张建华.数字电子技术.北京：北京理工大学出版社，1985：201-20414 X. Lionel. The Silicon Controlled Rectifier . Mechanical Industry Publishing House, 2002:59-6115张庆双等.电子元器件的选用与检测.北京：机械工业出版社，2002:325-328附录1 外文文献中文译文数字电路定义： 用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。 数字逻辑电路分类（按功能分）： (1) 组合逻辑电路 简称组合电路，它由最基本的逻辑门电路组合而成。特点是：输出值只与当时的输入值有关，即输出唯一地由当时的输入值决定。电路没有记忆功能，输出状态随着输入状态的变化而变化，类似于电阻性电路，如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。 (2) 时序逻辑电路 简称时序电路，它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路（输出到输入）或器件组合而成的电路，与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。时序电路的特点是：输出不仅取决于当时的输入值，而且还与电路过去的状态有关。它类似于含储能元件的电感或电容的电路，如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。 数字电路的特点： (1) 同时具有算术运算和逻辑运算功能 数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算，又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。 (2) 实现简单，系统可靠 以二进制作为基础的数