多功能流水燈設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、1 緒 論1.1 課題背景及目的今時(shí)代是一個(gè)新技術(shù)層出不窮的時(shí)代，在電子領(lǐng)域尤其是自動(dòng)化智能控制領(lǐng)域，數(shù)字邏輯電路的發(fā)展也日趨迅速，通常流水燈的設(shè)計(jì)會(huì)選擇單片機(jī)編程，雖然單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、成本低、應(yīng)用面廣等優(yōu)點(diǎn)，但是，選擇單片機(jī)更大的增加了設(shè)計(jì)費(fèi)用，并且對設(shè)計(jì)者的編程語言要求高，而在數(shù)字電路中，中規(guī)模集成電路以其功能強(qiáng)大、種類繁多，得到廣泛應(yīng)用。很多中規(guī)模集成電路都具有通用性，它的應(yīng)用已不僅僅局限于其本身所具有的功能。如本文所設(shè)計(jì)的流水燈電路，就是利用中規(guī)模集成電路的功能擴(kuò)展，將移位寄存器構(gòu)成移存型計(jì)數(shù)器，將其輸出端接到多個(gè)led指示上。利用數(shù)字電路來控制燈的狀態(tài)，并顯示設(shè)計(jì)結(jié)果。其主

2、要的電路原理：整個(gè)流水燈電路由時(shí)鐘產(chǎn)生，流水程序控制驅(qū)動(dòng)及功率控制元件電源供給電路等電路組成。1.2 課題研究方法常見的流水燈控制系統(tǒng)中，是使用微機(jī)控制，設(shè)備復(fù)雜，成本較高；另外應(yīng)用單片機(jī)控制，雖然簡單，但系統(tǒng)智能化及傳輸可靠性低，且對語言的編程能力要求較高，均不理想。為了提高系統(tǒng)可靠性、實(shí)用性，從而研究了一種基于模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的循環(huán)控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)不僅僅應(yīng)用到流水燈的控制，也在工業(yè)生產(chǎn)中提高自動(dòng)化循環(huán)控制得到利用。為了發(fā)光二極管形成流水效果，將電源加在555定時(shí)器中，定時(shí)發(fā)送脈沖，通過cd4017循環(huán)計(jì)數(shù)，由cd4066控制開關(guān)，使發(fā)光二極管逐個(gè)接受高電平，循環(huán)亮起，設(shè)計(jì)中，選

3、用四種顏色的發(fā)光二極管，從而形成更好的流水效果。1.3 基本要求設(shè)計(jì)方案（1）設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制電路，使其能夠產(chǎn)生一個(gè)控制信號控制彩燈實(shí)現(xiàn)燈光變換的功能。（2）該彩燈控制電路，在完成基本變化的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)彩燈的流向性，間歇性變化的要求，從而使彩燈更加豐富化。（3）給彩燈流水控制電路一個(gè)控制信號，并能夠使其通過利用組合電路實(shí)現(xiàn)自控、手控、流向控制等全方位功能。（4）該多功能流水燈具有定時(shí)功能。有模擬開關(guān)控制燈光的亮暗，彩燈會(huì)根據(jù)預(yù)定的要求作流向、間歇性變化，彩燈與彩燈之間亮暗間隔一定時(shí)間，從第一個(gè)彩燈開始直至最后一個(gè)，然后作重復(fù)性狀態(tài)。（5）通過利用中規(guī)模集成電路中可逆計(jì)數(shù)器和譯碼器實(shí)現(xiàn)正、逆

4、流水功能，與此同時(shí)，根據(jù)需要使彩燈作各種各樣的變化。1.4 設(shè)計(jì)框圖根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)流水控制的原理框圖如圖1.1所示。圖1.1 原理框圖直流電源用于提供相關(guān)電路的工作電源。振蕩器用于產(chǎn)生脈沖信號推動(dòng)計(jì)數(shù)譯碼器工作。計(jì)數(shù)譯碼器在推動(dòng)脈沖的作用下其q0q2依次循環(huán)輸出高電平，開關(guān)電路受計(jì)數(shù)譯碼器輸出的高低電平控制。高電平輸出，對應(yīng)的開關(guān)閉合，低電平輸出，對應(yīng)的開關(guān)斷開。循環(huán)定時(shí)器實(shí)際上是一個(gè)低頻振蕩器，它輸出的高低電平，用于控制自動(dòng)切換電路。定時(shí)器輸出高電平，自動(dòng)切換電路使k1,k2處于圖示狀態(tài)，燈光產(chǎn)生的流水感自左向右定時(shí)器輸出低電平,k1,k2同時(shí)改變狀態(tài)，燈光產(chǎn)生的流水感變?yōu)樽杂蚁蜃?/p>

5、。2 流水燈控制電路組成2.1 555定時(shí)器555定時(shí)器是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。其作用是用內(nèi)部的定時(shí)器來構(gòu)成時(shí)基電路，給其他的電路提供時(shí)序脈沖1。2.1.1 電路組成555集成定時(shí)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，由基本rs觸發(fā)器、比較器、分壓器、晶體管開關(guān)和輸出緩沖器五個(gè)部分組成。圖2.1 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)(1)基本rs觸發(fā)器由兩個(gè)與非門組成，是專門設(shè)置的可以外部進(jìn)行置0的復(fù)位端，當(dāng)=0時(shí)，使=0、=1。所以可以把 555 電路等效成一個(gè)放大電開關(guān)的 r-s 觸發(fā)器。這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：閥值端（）可看成是置零端 r，要求高電平；觸

6、發(fā)端（）可看成是置位端 s，低電平有效。它只有一個(gè)輸出端 out，out可等效成觸發(fā)器的端。放電端（dis）可看成由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開關(guān)由觸發(fā)器的端控制：=1 時(shí)dis端接地；=0 時(shí) dis 端懸空。此外這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端，控制電壓端cv，電源端vcc 和接地端gnd。即圖2.2所示。圖2.2 555等效的r-s觸發(fā)器這個(gè)特殊的 r-s 觸發(fā)器有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端 r 即閥值端 th 要求高電平，而置位端s即觸發(fā)端則要求低電平。（2）兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平，也就是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同，當(dāng) cv 端不接控制電壓是，對（r） 端來講，

7、> 2/3vcc 是高電平 1，< 2/3vcc 是低電平 0；而對（s）端來講，> 1/3vcc 是高電平 1，< 1/3vcc 是低電平 0。其功能真值表如表2.1所示。如果在控制端 cv 加上控制電壓 vc，這時(shí)上觸發(fā)電平就變成 vc 值，而下觸發(fā)電平則變成 1/2vc。可見改變控制端的控制電壓值可以改變上下觸發(fā)電平值。表2.1功能真值表outdis110低電平101qn保持01高電平00低電平(2)比較器c1、c2是兩個(gè)電壓比較器。比較器有兩個(gè)輸出端，分別標(biāo)有+號和-號，如果用u+和u-表示相應(yīng)輸入端上所加的電壓，則當(dāng)u+>u-時(shí)，其輸出為高電平，當(dāng)u+&

8、lt;u-時(shí)，輸出低電平，兩個(gè)輸入端基本上不向外電路索取電流，即輸入電阻趨近于無窮大。(3)分壓器三個(gè)阻值均為5千歐姆的電阻串聯(lián)起來構(gòu)成分壓器（555也因此而得名），為比較器c1和c2提供參考電壓，c1之端u+=2vcc/3，c2之端u-=vcc/3。如果在電壓控制端cv另加控制電壓，則可改變c1，c2的參考電壓。工作中不使用cv端時(shí)，一般都通過一個(gè)0.01f的電容接地，以旁路高頻干擾。(4) 晶體管開關(guān)和輸出緩沖器晶體管td構(gòu)成開關(guān)，其狀態(tài)受端控制，當(dāng)為0時(shí)td截止、為1時(shí)td導(dǎo)通。輸出緩沖器就是接在輸出端的反相器g3，其作用是提高定時(shí)器的帶負(fù)載能力和隔離負(fù)載對定時(shí)器的影響。綜上所述可知，5

9、55定時(shí)器不僅提供了一個(gè)復(fù)位電平為2vcc/3，且可通過端直接從外部進(jìn)行置0的基本rs觸發(fā)器，而且還給出了一個(gè)狀態(tài)受該觸發(fā)器端控制的晶體管開關(guān)，因此使用起來極為靈活。2.1.2 555定時(shí)器基本功能表2.1所示為555定時(shí)器的功能表，它全面的表示了555的基本功能。表2.2 555基本功能表(6)(2)(4)(3)導(dǎo)通/0uol導(dǎo)通>2vcc/3>vcc/31uol導(dǎo)通<2vcc/3>vcc/31不變不變/<vcc/31uoh截止=0時(shí)，=1，輸出電壓u0=uol為低電平，td飽和導(dǎo)通。=1、>2/3 vcc、>vcc/3時(shí)，c1輸出低電平、c2輸出高

10、電平，基本rs觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，因此u0、td也保持原來狀態(tài)不變。=1、<2/3 vcc、<vcc/3時(shí)，c1輸出高電平、c2輸出低電平，=0，=1，u0=u0h、td截止。555定時(shí)器的電源電壓范圍較大，雙極型電路vcc=4.516v，輸出高電平不低于電源電壓的90，ttl型的帶拉電流和灌電流負(fù)載的能力可達(dá)200ma；cmos電路vdd=318v,輸出高電平不低于電源電壓的95，帶拉電流負(fù)載的能力為1ma，灌電流負(fù)載的能力為3.2ma2。2.1.3 脈沖產(chǎn)生的整形電路在數(shù)字電路中，基本工作信號是二進(jìn)制的數(shù)字信號或兩狀態(tài)的邏輯信號，二進(jìn)制數(shù)字信號只有0，1兩種數(shù)字符號，邏輯信

11、號0，1兩種取值都具有二值特點(diǎn)。而獲取矩形脈沖波形的途徑不外乎以下兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖，另一種則是通過各種整形電路把已有的周期性變化波形變換為所要求的矩形脈沖。當(dāng)然，在采取整形的方案時(shí)，是以能夠找到頻率和幅度符合要求的一種已有電壓信號為前提的。在同步時(shí)序電路中，作為時(shí)鐘信號的矩形脈沖控制并且協(xié)調(diào)著整個(gè)系統(tǒng)的工作。因此，時(shí)鐘脈沖的特性直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常地工作。脈沖產(chǎn)生的整形電路種類很多,本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的電路屬于產(chǎn)生矩形脈沖的多諧振蕩器,用于產(chǎn)生環(huán)形移位寄存器的cp脈沖。經(jīng)常應(yīng)用的脈沖整形電路有:施密特觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。這幾種電路的用途很廣，利用它

12、們不只是可以方便地獲取矩形脈沖。例如，多諧振蕩器就經(jīng)常用作產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和時(shí)間信號的脈沖發(fā)生器；施密特觸發(fā)器除用作整形外，還可以用于電平比較和脈沖鑒幅等；從延遲和定時(shí)角度看，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器本身就是很好的脈沖延遲環(huán)節(jié)和定時(shí)單元。其輸出端送出的脈沖，一路直接送入cd4017的計(jì)數(shù)脈沖輸入端14腳。用于產(chǎn)生cd4066模擬開關(guān)切換的控制信號3。2.2 環(huán)形譯碼寄存器cd4017 環(huán)形移位寄存器由集成芯片cd4017實(shí)現(xiàn)，十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器cd4017是一種用途非常廣泛的電路。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是00、01、02、09依次出

13、現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。圖2.3 cd4017內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖cd4017提供了16引線多層陶瓷雙列直插（d）、熔封陶瓷雙列直插（j）、塑料雙列直插（p）和陶瓷片狀載體（c）4種封裝方式。其引腳圖如圖2.4所示。同時(shí)cd4017的工作條件為：電源電壓控制在3v15v范圍內(nèi)，輸入電壓范圍控制在0vvdd內(nèi)，工作溫度范圍：n類：55125、e類：4085。圖2.4 cd4017引腳圖cd4017是5位johnson計(jì)數(shù)器，具有10個(gè)譯碼輸出端，cp、cr、en、輸入端。時(shí)鐘輸入端口的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時(shí)鐘脈沖上升和下降時(shí)間無限制。en為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘上升沿

14、計(jì)數(shù)；反之，計(jì)數(shù)功能無效。cr為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零。johnson計(jì)數(shù)器，提供了快速操作、2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計(jì)數(shù)順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應(yīng)時(shí)鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10個(gè)時(shí)鐘輸入周期co信號完成一次進(jìn)位，并用作多計(jì)數(shù)鏈的下級脈動(dòng)時(shí)鐘。cd4017引腳功能:芯片有10個(gè)譯碼輸出q0q9;mr為清零端,cp0和cp1是2個(gè)時(shí)鐘輸入端,三個(gè)輸出端的控制：0y1y2y。每個(gè)譯碼輸出一般處于低電平,且在時(shí)鐘脈沖由低到高的上升沿輸出高電平;每個(gè)高電平輸出維持1個(gè)時(shí)鐘周期; 每輸入10個(gè)時(shí)鐘脈沖,輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖,因而進(jìn)位輸出信號可作為下一級計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號

15、。在清零輸入端(r)加高電平或正脈沖時(shí),只有輸出端q0為高電平,其余各輸出端都為低電平"0"。cd4017有3個(gè)控制端（mr、cp0、cp1），mr為清零端，當(dāng)在mr端上加高電平或正脈沖時(shí)，其輸出00未高電平，其余輸出端（01-09）均為低電平，cp0和cp1是2個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來計(jì)數(shù)，則信號有cp0端輸入；若要用下降沿來計(jì)數(shù)，則信號有cp1端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端，級聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。由此可見，當(dāng)cd4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。其真值表如表2.3所示。表2.3 cd4017真值表輸入

16、輸出cpencrq0q9co××hq0計(jì)數(shù)脈沖為q0q4時(shí)：co=hll計(jì) 數(shù)hll×l保 持計(jì)數(shù)脈沖為q5q9時(shí)：co=l×hl×l×l2.3 模擬開關(guān)cd4066近年來，便攜式產(chǎn)品越來越多地采用多源設(shè)計(jì)，因此開關(guān)功能是視頻、音頻傳輸及處理過程中的一個(gè)重要組成部分。早期采用的機(jī)械開關(guān)具有可靠性低、體積大、功耗大等缺點(diǎn)，所以模擬開關(guān)已經(jīng)引起了越來越多人的重視，并已被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。 盡管模擬開關(guān)具有機(jī)械開關(guān)不可取代的優(yōu)勢，然而它的應(yīng)用較機(jī)械開關(guān)稍微復(fù)雜些，初次使用模擬開關(guān)的工程人員往往會(huì)由于模擬開關(guān)使用不當(dāng)，引起整個(gè)系統(tǒng)的故

17、障，本文重點(diǎn)將模擬開關(guān)結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用到流水燈的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中4。許多工程師第一次使用模擬開關(guān)，往往會(huì)把模擬開關(guān)完全等同于機(jī)械開關(guān)。其實(shí)模擬開關(guān)雖然具備開關(guān)性，但和機(jī)械開關(guān)有所不同，它本身還具有半導(dǎo)體特性： （1）導(dǎo)通電阻(ron)隨輸入信號(vin)變化而變化 圖2.5中（a）圖是模擬開關(guān)的簡單示意圖，由圖中可以看出模擬開關(guān)的常開常閉通道實(shí)際上是由兩個(gè)對偶的n溝道m(xù)osfet與p溝道m(xù)osfet構(gòu)成，可使信號雙向傳輸，如果將不同vin值所對應(yīng)的p溝道m(xù)osfet與n溝道m(xù)osfet的導(dǎo)通電阻并聯(lián)，可得到圖2.5（b）并聯(lián)結(jié)構(gòu)下ron隨輸入電壓(vin)的變化關(guān)系，如果不考慮溫度、電源電壓的

18、影響，ron隨vin呈線性關(guān)系，將導(dǎo)致插入損耗的變化，使模擬開關(guān)將產(chǎn)生總諧波失真(thd)。此外，ron也受電源電壓的影響，通常隨著電源電壓的上升而減小。 （a） (b)圖2.5（a）模擬開關(guān)原理圖（b）模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻與輸入電壓關(guān)系（2）模擬開關(guān)輸入有嚴(yán)格的輸入信號范圍 由于模擬開關(guān)是半導(dǎo)體器件，當(dāng)輸入信號過低(低于零電勢)或者過高(高于電源電壓)時(shí)，mosfet處于反向偏置，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)(超出限值0.3v)，此時(shí)開關(guān)無法正常工作，嚴(yán)重者甚至損壞。因此模擬開關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號不要超出規(guī)定電壓的范圍。 （3）注入電荷 應(yīng)用機(jī)械開關(guān),我們當(dāng)然希望ron越低越好，因?yàn)榈妥柚悼梢越?/p>

19、低信號的損耗。然而對于模擬開關(guān)而言，低ron并非適用于所有的應(yīng)用，較低的ron需要占據(jù)較大的芯片面積，從而產(chǎn)生較大的輸入電容，在每個(gè)開關(guān)周期其充電和放電過程會(huì)消耗更多的電流。時(shí)間常數(shù)t=rc，充電時(shí)間取決于負(fù)載電阻(r)和電容(c)，一般持續(xù)幾十納秒。這說明低ron具有更長的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間。為此，選擇模擬開關(guān)應(yīng)該綜合權(quán)衡ron和注入電荷。 （4）開關(guān)斷開時(shí)仍會(huì)有感應(yīng)信號漏出 這一特性指的是當(dāng)模擬開關(guān)傳輸交流信號時(shí)，在斷開情況下，仍然會(huì)有一部分信號通過感應(yīng)由輸入端傳到輸出端，或者由一個(gè)通道傳到另一個(gè)通道。通常信號的頻率越高，信號泄漏的程度越嚴(yán)重5。 （5）傳輸電流比較小 模擬開關(guān)不同于機(jī)械開關(guān)，

20、它通常只能傳輸小電流，目前cmos工藝的模擬開關(guān)允許連續(xù)傳輸?shù)碾娏鞔蠖鄶?shù)小于500ma。 （6） 邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小 機(jī)械開關(guān)邏輯控制端的驅(qū)動(dòng)電流往往都是毫安級，有時(shí)單純靠數(shù)字i/o很難驅(qū)動(dòng)。而模擬開關(guān)的邏輯控制端驅(qū)動(dòng)電流極小，一般低于納安級。因此，它完全可以由數(shù)字i/o直接驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到降低功耗、簡化電路的目的。此次流水燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用到的是cd4066，其框圖如圖2.6所示：圖2.6 cd4066內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖r為復(fù)位端，當(dāng)r端輸入高電平時(shí)、計(jì)數(shù)器置零態(tài)。cd4017具有自動(dòng)啟動(dòng)功能，即在電路進(jìn)入無效狀態(tài)時(shí)，在計(jì)數(shù)脈沖作用下，最多經(jīng)過兩個(gè)時(shí)鐘周期就能回到正常循環(huán)圈中，因此本控制器的cd4

21、017未設(shè)置加電復(fù)位電路。為進(jìn)位輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)滿10個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)輸出一個(gè)正脈沖。cd4017有cl和en兩個(gè)計(jì)數(shù)輸入端，cl端為脈沖上升沿觸發(fā)端，若計(jì)數(shù)脈沖從cl端輸入，則en端應(yīng)接低電平；en端為脈沖下降沿觸發(fā)端，若計(jì)數(shù)脈沖從en端輸入，則cl端應(yīng)接高電平，否則禁止輸入計(jì)數(shù)脈沖。取自cd4069的計(jì)數(shù)脈沖從其cl端14腳輸入，故en端13腳接地。為計(jì)數(shù)器的十個(gè)輸出端，輸出端送出的脈沖方波加到模擬開關(guān)cd40665。3 流水燈控制電路的整體分析3 .1 原理圖電源部分（1）電源電路如圖3.1。圖3.1 電源部分（2）電路中接到220v的市電網(wǎng)中經(jīng)變壓器變壓后為18v電壓再經(jīng)整流電路，濾波電路和

22、穩(wěn)壓電路后得到設(shè)計(jì)電路所需的相應(yīng)直流電源。（3）電路中c1的作用是防止電網(wǎng)污染，濾除電路中的高頻成份。由于在整個(gè)電路傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生高頻成份會(huì)經(jīng)變壓器電路反饋到市電網(wǎng)中去，而這些高頻成份會(huì)對市電網(wǎng)中其它用戶的電器造成干擾而產(chǎn)生不可估計(jì)的損失，而電網(wǎng)中的高頻成份也會(huì)對電源電路產(chǎn)生不良的影響。由容抗xc1wc得知，由于c是個(gè)容值很小的固定值但角頻率很大，即高頻成份經(jīng)過c1時(shí)，c1相當(dāng)于短路由此就濾除高頻成份，當(dāng)沒有高頻成份時(shí)c1對于50hz的市電來說相當(dāng)于開路，因而c1能有效的防止電網(wǎng)污染7。（4）由四個(gè)二極管組成橋式整流電路見圖3-1。在變壓器副邊電壓u2的正半周內(nèi)二極管vd1，vd2導(dǎo)通，vd

23、3，vd4截止。在u2的負(fù)半周內(nèi)二極管vd1，vd2截止，而vd3，vd4導(dǎo)通。因而在正負(fù)半周內(nèi)都有電流流過后面的電路。橋式整流電路的波形圖見圖3.2.圖3.2 橋式整流電路的波形圖輸出直流電壓（av）是輸出電壓瞬時(shí)值u0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值 3.1（av）= 3.2由（3.1.2）式說明在橋式整流電路中，負(fù)載上得到的直流電壓約為變壓器副邊電壓有效值的90%。如果要考慮到整流電路中的二極管正向電阻和變壓器等效內(nèi)阻上的壓降則輸出直流電壓的實(shí)際數(shù)值還要低一些。脈動(dòng)系數(shù)s是輸出電壓基波的最大值與其平均值之比，即s 3.3在本課題中s0.67在此不作詳細(xì)介紹。（5）在整流電路中輸出的電壓含有較大的脈動(dòng)

24、成份不能直接使用，因而我們要采取濾波的措施，使輸出電壓接近于理想的直流電壓。在此我們利用電容在二極管導(dǎo)電時(shí)儲存一部分能量然后在二極管截止時(shí)再釋放出來，從而得到比較平滑的波形。波形圖如圖3.3所示。在的正半周，當(dāng)二極管，導(dǎo)電時(shí)除了有一個(gè)電流流向負(fù)載外同時(shí)還有一個(gè)電流向電容充電，電容電壓的極性為上正下負(fù)。當(dāng)達(dá)到最大值以后開始下降，此時(shí)電容上的電壓將由于放電而逐漸下降。當(dāng)時(shí)，二極管，被反向偏置因而不導(dǎo)電，于是以一定的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降直到下一個(gè)半周。當(dāng)時(shí)二極管，導(dǎo)通。波形如圖實(shí)線所示。為了能得到比較好的濾波效果，在實(shí)際工作中經(jīng)常根據(jù)（3.1.4）式來選擇濾波電容的容量。 3.4 其中t為電網(wǎng)交流

25、電壓的周期。當(dāng)濾波電容的空容值滿足（3.1.4）式可以認(rèn)為輸出直流電壓近似為1.2u2,。本課題的 1.21821.6v 圖3.3 電容濾波波形圖（6）在整流濾波電路中輸出的直流電壓和理想的電壓還有相當(dāng)?shù)木嚯x。主要存在兩方面的問題：第一當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)，輸出直流電壓將隨之發(fā)生變化。第二當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，由（3.1.2）式可知，整流電路的輸出電壓直接與變壓器副邊電壓u2有關(guān)。因此也要相應(yīng)的變化。為了能夠提供更加穩(wěn)定的直流電源，需要在整流濾波電路的后面再加上穩(wěn)壓電路。本課題采用的三端集成穩(wěn)壓器為w7800系列的。w7800系列穩(wěn)壓器是一種固定的正電壓輸出的集成芯片。在芯片的內(nèi)部設(shè)有過熱，過流及

26、調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路，因而電路使用安全可靠。 由于本電路555內(nèi)部的比較器靈敏度高，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響。在現(xiàn)場，由于控制中心到各個(gè)檢測點(diǎn)距離不同所以電流在傳輸過程中所損失的壓降也不同。為了保證每個(gè)555定時(shí)器的振蕩頻率不受其影響，確保在各個(gè)led點(diǎn)上的電壓都是相同的12v電源，所以在電路中要采用二級穩(wěn)壓。電流在傳輸過程會(huì)產(chǎn)生高頻成分，因而在穩(wěn)壓器的輸入端要接電容以濾除高頻成分，在穩(wěn)壓器輸出端所接的電容是為了濾除穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的高頻成分以及防止其自激振蕩。（7）最后所接的發(fā)光二極管是用來指示電源電路工作正常與否。限流電阻是保護(hù)發(fā)光二極管以免因電流過大而燒毀。3.2 整體電路

27、的分析圖3.4 流水燈控制電路圖設(shè)計(jì)的多功能流水燈原理電路圖如圖3.4所示。原理電路圖由振蕩電路、譯碼電路、模擬開關(guān)和光源電路組成8。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)，cd4017內(nèi)電路翻轉(zhuǎn)，3腳呈高電平，加到cd406613腳。由于cd4066是雙向模擬開關(guān)高電平接通，低電平斷開，其引腳功能內(nèi)部含有a、b、c、d四個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān)，本電路使用了三片cd4066開關(guān)共有12組獨(dú)立的雙向模擬開關(guān)，只用到其中的10組。每個(gè)開關(guān)有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，這兩端可以互換使用。此時(shí)a開關(guān)13腳是高電平，所以a開關(guān)接通。與此同時(shí)，cd4017其余各個(gè)輸出端y1y9均為低電平，于是cd4066開關(guān)b，c，d的選通端為

28、低電平，開關(guān)為關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)送來第二個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，cd4017計(jì)數(shù)輸出端y1呈高電平，而y1端接到是b開關(guān)的12腳，其它輸出端均為低電平，所以此時(shí)cd4066模擬開關(guān)只有b開關(guān)是接通的，其它組是都斷開；當(dāng)其它計(jì)數(shù)脈沖分別送來時(shí)，分別讓其對應(yīng)的模擬開關(guān)接通而送相應(yīng)的信號到后面的led電路中去。這樣就實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)脈沖到來時(shí)刻只有一個(gè)信號送到后面的發(fā)光電路中，也就是每一時(shí)刻只能亮起一種顏色的燈，由模擬開關(guān)的控制，不同顏色的燈逐一亮起，形成流水的效果。當(dāng)計(jì)數(shù)器cd4017計(jì)數(shù)滿10個(gè)脈沖時(shí)，其進(jìn)位端12腳輸出一個(gè)正脈沖，直接反饋到其復(fù)位端15腳，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，然后開始下一輪的計(jì)數(shù)過程，這樣就周而復(fù)始地循

29、環(huán)工作。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，本文選用的脈沖發(fā)生器是有ne555與r2、r3及c3組成。主要是為燈光流動(dòng)控制器提供流動(dòng)控制的脈沖，調(diào)整c4和r2、r3可以改變閃爍的頻率，加大c4容量和r2、r3的阻值，流動(dòng)速度變慢，反之則加快，所以有較大的速度調(diào)節(jié)范圍9。燈光流動(dòng)控制器由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)脈沖分配器cd4017和若干電阻組成。cd4017的cp端受脈沖發(fā)生器輸出脈沖的控制，其輸出端（q0-q9）將輸入脈沖按輸入順序依次分配，輸出控制的脈沖，其輸出控制脈沖的速度由脈沖發(fā)生器輸出的脈沖頻率決定。當(dāng)q0-q9依次輸出控制脈沖時(shí)三種發(fā)光二極管按照接通回路的順序依次發(fā)光，形成流動(dòng)發(fā)光狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)正向流水和逆向流水的

30、功能。電源電路采用電容降壓，二極管整流和穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的供電方式，直流工作電壓由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定。本文設(shè)計(jì)電路所采用的電源為9v。因?yàn)閯偨油ㄊ须姇r(shí)cd4017的哪一個(gè)輸出端為高電平無法確定，但在cp端脈沖的作用下，q0q2很快進(jìn)入依次輸出高電平的循環(huán)工作方式。假定ne555的3腳輸出高電平，則模擬開關(guān)cd4066的2腳和13腳分別為“1”，使之處于接通狀態(tài)。模擬開關(guān)cd4066因5腳和12腳分別為低電平而被關(guān)閉。當(dāng)q0為“1”，則其輸出高電平，第一組彩燈發(fā)光。當(dāng)q1為高電平，該高電平直接加到模擬開關(guān)的12腳,使其導(dǎo)通，第二組彩燈發(fā)光（第一組熄滅）。當(dāng)q2為高電平，4腳輸出高電平，第三組彩燈發(fā)光（

31、第二組熄滅）。當(dāng)q3為“1”，則ic2立即復(fù)位使q0又輸出高電平，電路將重復(fù)上述工作。此時(shí)看見的流水感自左向右。當(dāng)q3繼續(xù)接受脈沖信號高電平， 7腳輸出高電平，模擬開關(guān)5腳導(dǎo)通，第三組彩燈亮；q4為高電平，10、12腳導(dǎo)通，第二組彩燈亮；q5為高電平，2、13腳導(dǎo)通，第一組彩燈亮，此時(shí)燈光產(chǎn)生的流水感自右向左，當(dāng)連接復(fù)位端的q6為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)重新計(jì)數(shù)10。 由于ic1,3腳輸出高低電平依照整定時(shí)間循環(huán)出現(xiàn)，所以燈光流水方向亦在定時(shí)改變。cd4017的15腳是復(fù)位端，所以15腳與那個(gè)腳相連，燈光的循環(huán)就截止到哪一個(gè)燈。圖中所連接的二極管具有單向?qū)ǖ奶匦?，所以它的作用是防止電流回流。圖中，

32、調(diào)整c4和r2、r3可以改變閃爍的頻率，加大c4容量和r2、r3的阻值，流動(dòng)速度變慢，反之則加快。cd4017的15腳為復(fù)位腳，意思是q0-q9這十個(gè)輸出端要幾路輸出，就把15腳接到第幾位，這樣就可以到哪一位從頭循環(huán)下去，不用的輸出端要懸空。當(dāng)然，為了方便，上述電路圖中只用到具有代表性的三種顏色的燈，并將其排列整齊，導(dǎo)通電路時(shí)就會(huì)看到漂亮的流水燈。當(dāng)計(jì)數(shù)器cd4017計(jì)數(shù)滿10個(gè)脈沖時(shí)，其進(jìn)位端12腳輸出一個(gè)正脈沖，直接反饋到其復(fù)位端15腳，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，然后開始下一輪的計(jì)數(shù)過程，這樣就周而復(fù)始地循環(huán)工作。從而實(shí)現(xiàn)了高電平循環(huán)送入后面的判斷電路，即實(shí)現(xiàn)了循環(huán)移位。使不同顏色的燈亮起時(shí)達(dá)到流水的

33、效果。圖3-4電路中流水燈的流向?yàn)椋?，2，4腳的高電平使3個(gè)發(fā)光二極管依次向右發(fā)光。隨后又7，10，1腳的高電平使3個(gè)發(fā)光二極管由右向左發(fā)光。此電路僅僅考慮了流水燈的多向流動(dòng)功能，且發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)也只有三個(gè)，從而使得整個(gè)電路比較單調(diào)，并沒有考慮到多個(gè)二極管的同時(shí)發(fā)光，所以在實(shí)際電路中，將同種顏色的發(fā)光二級管并聯(lián)在一起就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)同種顏色的燈循環(huán)亮起。另外燈可以根據(jù)需要進(jìn)行擺放，例如做成圓形的，不同顏色的燈光就可以實(shí)現(xiàn)由中心向外發(fā)散亮起，或者由邊緣向中心逐一亮起。本文的此種設(shè)計(jì)還有一定缺陷，因?yàn)閏d4017的引腳只有q0-q9十個(gè)，當(dāng)選用多種顏色的燈光時(shí)，只用一個(gè)cd4017是無法實(shí)現(xiàn)的，

34、所以，我們可以在ne555的7腳再引出一個(gè)cd4016的芯片，采用2個(gè)cd4017芯片和多個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)光二極管的同步多向流水功能。當(dāng)然，這些電路只是在現(xiàn)有設(shè)備中所能完成設(shè)計(jì)電路功能的，當(dāng)電路設(shè)備的逐步龐大，本文還可以設(shè)計(jì)更加復(fù)雜、更加美觀的流水電路。3.3 電路的調(diào)試完成電路設(shè)計(jì)，安裝元器件及連好導(dǎo)線后，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果測試。試驗(yàn)前首先完成以下步驟：1. 檢查電路原理圖及導(dǎo)線的連接。在電腦上仿真，能夠得出正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，所以電路原理圖正確。檢查導(dǎo)線的連接是否與電路原理圖一致。2. 檢查導(dǎo)線的連接。對照電路原理圖，用數(shù)字萬用表打到合適的檔位，測試各對應(yīng)的接點(diǎn)是否連接好并導(dǎo)通。3. 檢查實(shí)驗(yàn)儀器

35、和器材是否完好。電源9v直流電壓輸出正常，cd4017芯片測試其功能均正常，用萬用表檢查開關(guān)，按下時(shí)導(dǎo)通均正常。完成上述步驟后，接通9伏的直流電源，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為：按下開關(guān)，發(fā)光二極管出現(xiàn)循環(huán)亮暗變化，其中包括正方循環(huán)以及間歇亮暗，通過改變相關(guān)電容的大小，進(jìn)一步確定發(fā)光二極管各自發(fā)光停留的時(shí)間，從而形成多彩的流水燈效果。至此，多功能流水燈電路設(shè)計(jì)，調(diào)試與實(shí)驗(yàn)成功。結(jié) 論本次設(shè)計(jì)的多功能流水燈是cd4017芯片和ne555芯片的集成電路，是cd4017芯片和ne555芯片的綜合運(yùn)用。該流水燈的功能是能根據(jù)需要產(chǎn)生多種多樣的變化方式，從而產(chǎn)生豐富多彩的彩燈圖案，達(dá)到裝飾作用，給人以美感。方案中采用了c

36、d4017芯片和ne555芯片來實(shí)現(xiàn)變化的需要，采用cd4017芯片實(shí)現(xiàn)對脈沖信號的分配，使得輸出時(shí)序就是與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期，ne555產(chǎn)生連續(xù)脈沖輸入，cd4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)時(shí)，其對應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，直接用作順序脈沖發(fā)生器，配合二極管，進(jìn)而形成相應(yīng)的多功能流水彩燈電路。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我一個(gè)對實(shí)際電路設(shè)計(jì)的全方位的思考角度，讓我真正地掌握設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)的流程。有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用環(huán)形計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)流水燈，運(yùn)用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的設(shè)計(jì)改變了以往常用的單片機(jī)設(shè)計(jì)，尤其重要的一點(diǎn)是運(yùn)用了模擬開關(guān)，它不僅能應(yīng)用在流水燈方面，還可以應(yīng)用在氣體、壓力、流量等方面。因此有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和理論價(jià)值。而且，此次的設(shè)計(jì)所用到的環(huán)形計(jì)數(shù)器不僅可以用在流水燈的設(shè)計(jì)中，還可以將此構(gòu)想用在