课程设计聂诗超终稿

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课程设计

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：

评语：

聂诗超 20114526 建筑电气01班王明昌

成绩：

重庆大学电气工程学院

2013年6月

一、设计目的 ..................................................................1 二、设计背景 ..................................................................1 三、设计原理 ..................................................................1 3.1桥式整流及电容滤波电路 ....................................................1 3.2 多谐振荡电路 ..............................................................3 3.3 用74LS161构成八进制计数器 ................................................3 3.4用八进制计数器驱动发光二极管构成七色灯 ....................................5 四、设计内容和设计方案 ........................................................5 4.1设计内容及要求： ..........................................................5 4.2设计方案： ................................................................5 五、一些参数的计算及一些器件的选择 ............................................7 5.1 三极管的选择 ..............................................................7 5.2 三极管基极限流电阻选择 ....................................................7 5.3 三极管发射极分压电阻的选择 ................................................7 5.4变压器的选择 ..............................................................7 5.5 整流二极管的选择 ..........................................................8 5.6 其它二极管的选择 ..........................................................8 5.7滤波电容的选择 ............................................................8 5.8多谐振荡器电阻电容的选择 ..................................................8 5.9 原件清单 ..................................................................9 六、实验仿真及仿真结果 .......................................................11 6.1电路仿真图： .............................................................11 6.2 各部分仿真结果： .........................................................11 七、心得体会 .................................................................13 八、参考文献 .................................................................14

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、设计背景

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，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、设计原理

3.1桥式整流及电容滤波电路 1）桥式整流电路

图1 桥式整流电路图及波形图

桥式整流电路由四个整流二极管组成，其中D1和D4顺向串联，D2和D3顺向串联，交流电压与两条串联支路的中点相连，两条串联支路并联后与负载RL形成回路。简化电路如上图1。

设变压器副绕组的电压为v2?2V2sinwt，式中V2是副绕组的电压有效值。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。因此，桥式整流电路的电压和电流波形图如上图。由于二极管的单向导电作用，变压器副边的交流电压，已变换成负载两端的单极性电压，得到了整流的目的。

2）电容滤波电路

图2 电容滤波电路图及波形图

电容与负载并联可实现低通滤波的功能，如上图2所示。当U2为正半周并且数值大于电容两端电压Uc时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当Uc>u2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，Uc按指数规律缓慢下降。当u2为负半周幅值变化到恰好大于Uc时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，Uc上升到u2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，Uc按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。滤波电容的作用简单讲是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压，其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中，使输出电压基本稳定。

3.2 多谐振荡电路

图3 多谐振荡器电路图及工作波形图

如上图3所示，多谐振荡器由一个555定时器，两个电阻，两个电容构成。多谐振荡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。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=0,由功能表知，输出高电平，NMOS管截止。VDD通过电阻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Vc

3.3 用74LS161构成八进制计数器

图4 74LS161管脚图

1）74LS161具有以下功能： ① 清零功能：无论有无计数脉冲CP或其他输入信号为何值，只要R=0，触发器就全部清零，即R=0（低电平有效）是异步清零，作用的优先级别最高。在其他功能时，R=1。 ② 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，D1，D0输入端的数据将分别被Q3～Q0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 计数和保持功能：在CR=LD＝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）；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。

图5 74LS161功能表

2）用74LS161清零端R构成8进制计数器

0000—0001—0010-0011-0100-0101-0110-0111-1000-0000

图6 八进制计数器状态图

3.4用八进制计数器驱动发光二极管构成七色灯

当CP端输入第一个时钟脉冲时， QA 输出高电平，驱动红色LED发出红光；当第二个时钟脉冲到来时， QB端输出高电平，驱动绿色LED发出绿光；当第三个时钟脉冲到来时， QA、QB端同时输出高电平，驱动红色绿色LED发光，根据混光原理，灯箱对外变黄色；依次类推， QA、QB 、QC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=白）来。当第八个时钟脉冲到来时， QA、QB 、QC端均输出低电平，红灯、绿灯、蓝灯全部熄灭片刻；同时Q4端输出高电平，其信号直接送入清零端R，使IC3的内部电路复位；第九个时钟脉冲送入74LS161时，循环上述过程。

四、设计内容和设计方案

4.1设计内容及要求：

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： 4.1.1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：12V(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。

4.1.2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0.1s~5s自动变换一种颜色

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闸管或晶体管控制电平的要求。负载电路

红、绿、蓝3基色灯：12V，8W。(24V，8W)，或发光二极管。晶闸管：最大反向电压 ≥1.414U2。

4.1.3要求控制器能长年通电使用，性能可靠。

4.1.4要求画出完整的设计电路图，计算电路各元器件参数，写出设计总结报告

4.2设计方案：

4.2.1：电路整体的设计和功能

4.2.2：方案

交流工频220v电压经过变压器后形成12v交流电压，该电压通过整流滤波后形成12v直流电压，其一路直接供发光二极管回路使用，另一路则通过稳压滤波电路形成5v的稳定直流电压，为555定时器以及定时器提供电源。555定时器构成的多谐振荡器在5v电源作用下自动产生矩形脉冲，脉冲的时间以及占空比可以通过其电阻电容的选择来决定。再利用集成计数器构成八进制计数器，多谐振荡器为该八进制计数器提供cp 脉冲，八进制计数器的输出则用来驱动三极管工作，进而驱动发光二极管工作，八进制计数器不同时间的输出结果驱动不同数目不同组合的发光二极管工作，从而形成七种颜色的彩灯。考虑到计数器输出高电平的大小以及三极管基极的电流限制，我们选择了电阻来进行限流，在发光二极管两侧，由于其有限定的两端电压，所以采用电阻来进行分压。在这些细节工作也基本完成之后，方案完成。

4.2.3：方案图以及必要的说明

LED1 LED2 LED3

D1 D3 R1 V1 T1 C1 D6 R2 R4 8R7 R8 R9

D5 D2 D4 OUT 3 7 DIS 6 THR 2 TRI C2 5 CON C3 GND C4 1 R3 4RSTVCC U1 3456U2 A VCC16 B QA 14 R6 CD QB 13 QC 12 7 ENP QD 11 10 ENT 15 RCO 9 ~LOAD 1 ~CLR & U3A 2 CLK 8 GND R5 Q1 Q2 Q3

图7 设计方案图

上图为我们的设计方案图，在这部分，我们重点讨论使用74Ls160集成计数器构成八进制计数器的方法，各电阻电容二极管的选择将在参数计算和器件选择上进行讨论。采用74LS160构成八进制计数器可以采用复位端R，也可以采用置位端L，我的设计采用R端来实现，74LS160是异步清零，所以在计数器计数到1000时，将最高位的高电平1经过与非门产生低电平0，计数器立即清零，重新开始计数。多谐振荡器产生的脉冲直接影响发光二极管的发光频率，所以我们设计其脉冲周期为0.7S，具体参数选择和计算见下文。

五、一些参数的计算及一些器件的选择

5.1 三极管的选择

三极管的选择可以说是整个参数计算的起始起点，我选择的三极管为实验常用三极管S9013 H331，其集电极电流ICmax?0.5A,放大倍数??331，

VBE?0.7V,VCEmax?25V

5.2 三极管基极限流电阻选择

由于一般的发光二极管 LED的正向导通电流为2-20mA,所以用IC?3.31mA来计算，则因为??331，所以IB?3.31/331?0.01mA。由于74LS161的高电平输出为

3.6V

，

所

以

限

流

电

阻

两

端

电

压

VR?3.6?VBE?3.6?0.7?2.9V,R?2.9/0.01?290K?,所以可选择图7中的电

阻R4,R5,R6=300K?

5.3 三极管发射极分压电阻的选择

由于三极管集电极与发射极之间最大允许电压大于发光二极管正向端电压

12V，所以分压电阻的选择比较随意，例如取R?1000?,又发光二极管的导通电压大致为2到3V，所以集电极与发射极两端电压VCE?5.59到6.69V,所以可选择图7中的电阻R7,R8,R9=1K?

5.4变压器的选择

由于模拟电子技术教材上三极管两端通常使用VCC?12V，所以为了和这个电压

相符合，简化运算，故将变压器副端电压控制为为12V,又由于负载端电流约为3.31mA，所以变压器的功率为P=U*I=12*0.00331=0.04W.所以选择变压器匝数比为55：3，功率为0.04W.

5.5 整流二极管的选择

流过整流二极管的品均整流电流IDF?1/2I0?1.655mA 二极管承受的最大反向电压为VDR?2V2?122V 所以选择的整流二极管为IF?(1.5~2)IDF?2.5~3.3mA

VR?(1.5~2)VDR?25~34V

其中IF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所以选择整流桥2W10来替代图7中的四个整流二极管:D1，D2，D3，D4

5.6 其它二极管的选择

5.6.1 稳压二极管D5

稳压二极管的作用是将电压稳定在5V，故查找稳压二极管手册后选择型号为1N-4734A的二极管作为稳压二极管D5 5.6.2 隔离二极管D6

因为该二极管仅起到一个隔离作用，所以用普通二极管2CZ11J即可，所以选择D6为2CZ11J。

5.7滤波电容的选择

滤波电容的选择通常采用公式：??RLC?T/2

对于滤波电容C1,由于RL?12/0.00331约为3.7K?,工频电压周期T=0.02S，所以可取RLC?4*T/2,所以可得C1=0.04/3700=10.8?F

对于滤波电容C2,经相关实验所得数据，RL?5/(0.42mA~0.488mA)=

10.4~11.9K?

所以C2?88.2~168.3?F

故综上所述，电容C1选用10uF/50V的电解电容电容C2选用标称值为100uF/50V的电解电容

5.8多谐振荡器电阻电容的选择

输出矩形脉冲的周期等于电容的充电时间和放电时间之和。用一阶RC电路的三要素法可求出电容的充电时间和放电时间。充电时间T1?(R1?R2)ClnVDD?1/3VDD?0.7(R1?R2)C

VDD?2/3VDD放电时间为T2?R2Cln0?2/3VDD?0.7R2C

0?1/3VDD振荡周期为T?0.7(R1?2R2)C 占空比为??T1R?R2 ?1T1?T2R1?2R2我们设计的占空比为60%，所以R1:R2?1:2,考虑到周期T=0.1s~5s，所以可以选择

R1?2K?,

R2?4K?,对应于图7方案图中的

R2?2K?,R3?4K?,C3?100?F，C4?0.01?F.

对应的T?0.7*(R2?2R3)*0.0001?0.7S

5.9 原件清单

器件名称型号 LM555CM 参数 ------ 个数 1 555定时器 9

十进制计数器电阻电容变压器发光二极管稳压二极管整流桥二极管三极管导线

74LS160 R1 R2 R3 R4，R5,R6 R7，R8，R9 C1 C2 C3 C4 T1 LED1红 LED2绿 LED3蓝 1N-4734A 2W10 2CZ11J S9013 H331 ------ ------ 500? 2K? 4K? 300K? 1K? 10uF 100uF 100uF 0.01uF ----- 2~20mA,2V 2~20mA,2.4V 2~20mA,2.5V 5.6V ------ 1A，100V 见计算参数 ------ 1 1 1 1 3 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 若干

六、实验仿真及仿真结果

6.1电路仿真图：

6.2 各部分仿真结果：

6.2.1变压器两端波形

6.2.2桥式整流后波形

6.2.3电容滤波后波形图

6.2.4多谐振荡波形图

七、心得体会

通过本次的课程设计，我对模拟电子技术和数字电子技术的理论知识有了一次实践性的认识。对模拟电子技术的第12章的直流稳压电源的应用有了认识，对桥式整流电路，电容滤波电路，稳压电路的原理以及波形变化也有了重新的认识。在三极管的主要参数的计算上，也对这方面知识进行了复习。在数字电子技术方面，利用555定时器构成了多谐振荡器，产生了稳定的时间脉冲；利用集成计数器构成8进制计数器来驱动发光二极管的工作等，都让我对数字电子技术的广泛应用有了了解。七彩灯的原理相对比较简单，但是弄清楚每一个部分的作用和原理也需要一定的电子技术基础，对整个电路的设计也显得非常重要。弄清楚这些原理仅仅是设计的开始，之后还需要根据实际情况对每个元件的参数进行计算，然后是选择合适的器材。在完成这些工作之后，就可以在计算机软件上进行仿真了，如果结果与理论相符合，就可以进行实际制作了。在实做过程中，焊电路板也是一种考验，每一根线都要准确无误才能保证电路正常工作，所以来不得半点的差错，在炎炎夏日里焊电路板，很累却很高兴，因为看到自己的劳动成果会有一种成就感。本次的课程设计是对理论知识学习的一次检验，同样也是理论与实际的一次碰撞，我一直不知道大学学习的知识有什么作用，自己学习的东西有实际运用吗？这次的课程设计给了一个积极的回答，我们所学的是非常有实际价值的，这给了我们好好学习的动力，也给我们带来了希望。

八、参考文献

【1】唐治德.2012.模拟电子技术基础.北京：科学出版社【2】唐治德.2013.数字电子技术基础.北京：科学出版社

【3】郭永贞.2004.《电子技术实验与课程设计指导数字电路分册》.江苏：东南大学出版社

【4】夏鸣风.2013.数字电子技术实验.重庆大学电气工程学院