二維彩燈控制器的電路分析與制作

??? 本彩燈控制器可控制五路彩燈逐行遞增點(diǎn)亮，再逐行遞減熄滅。若將一定數(shù)量的彩色燈組合聯(lián)接，就能營(yíng)造出平面上色彩變化的場(chǎng)景，這比通常控制一條線上的色彩流動(dòng)更加豐富絢麗。本控制器采用數(shù)字集成塊，外圍元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要元器件完好、裝接無(wú)誤，裝后無(wú)須調(diào)試即可一舉成功。

??? 本文以二維彩燈控制信號(hào)流程為線索，分析了相關(guān)數(shù)字集成電路基本工作過(guò)程，按電子裝接工藝要求介紹了二維彩燈控制器的制作過(guò)程。愿此文對(duì)電子技校同學(xué)和電子愛(ài)好者了解和熟悉數(shù)字電路的應(yīng)用有所啟示。

電路工作原理

??? 二維彩燈控制器電路如圖1所示，主要由非門(mén)IC1（CD4069）、計(jì)數(shù)/時(shí)序分配電路IC2（CD4017）、模擬電子開(kāi)關(guān)IC3（CD4066）及Ｄ觸發(fā)IC4（CD40174）等組成。

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??? CD4069邏輯功能及引腳如圖2a所示，其中非門(mén)F1、F2和外接電阻R2、R3、電容C4構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生約3Hz的脈沖方波，供給CD4017作計(jì)數(shù)脈沖和CD40174作移位脈沖。R3、C4為振蕩定時(shí)元件，調(diào)節(jié)這兩個(gè)元件可改變振蕩信號(hào)頻率，從而控制彩燈色彩的流動(dòng)速度，以呈現(xiàn)各種不同的視覺(jué)效果。另外，CD4069的非門(mén)3還用作CD40174復(fù)位信號(hào)的倒相器。

??? CD4069為CMOS數(shù)字集成電路，是一種高輸入阻抗器件，容易受外界干擾造成邏輯混亂或出現(xiàn)感應(yīng)靜電而擊穿場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。雖然器件內(nèi)部輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，但它們吸收瞬變能量有限，過(guò)大的瞬變信號(hào)和過(guò)高的靜電電壓將使保護(hù)電路失去作用，因此，CD4069中未使用的非門(mén)F4、F5、F6的輸入端{(lán)9}、{11}、{13}腳均接到Vss接地端，以作保護(hù)。

??? CD4069多諧振蕩器輸出端{(lán)4}腳送出的脈沖串，一路直接送入CD4017的計(jì)數(shù)脈沖輸入端{(lán)14}腳。CD4017為十進(jìn)制計(jì)數(shù)/時(shí)序分配器，用于產(chǎn)生CD4066模擬開(kāi)關(guān)切換的控制信號(hào)。其引腳功能如圖2b所示。Cr為復(fù)位端，當(dāng)Cr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(wú)效狀態(tài)時(shí)，在計(jì)數(shù)脈沖作用下，最多經(jīng)過(guò)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CD4017未設(shè)置加電復(fù)位電路。Co為進(jìn)位輸出端，當(dāng)計(jì)數(shù)滿(mǎn)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{(lán)14}腳輸入，故EN端{(lán)13}腳接地。Y0～Y9為計(jì)數(shù)器的十個(gè)輸出端，輸出端送出的脈沖方波通過(guò)隔離二極管VD3～VD12連接成兩路控制信號(hào)，加到模擬開(kāi)關(guān)CD4066。

??? 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017內(nèi)電路翻轉(zhuǎn)，{3}腳Y0呈高電平，經(jīng)二極管VD5加到CD4066{12}腳。CD4066為雙向模擬開(kāi)關(guān)，其引腳功能如圖2c所示，內(nèi)部含有A、B、C、D四個(gè)獨(dú)立的模擬開(kāi)關(guān)，本控制器使用了其中B、D兩個(gè)開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)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。B開(kāi)關(guān)的輸入端{(lán)11}腳與電源相連、接入高電平；D開(kāi)關(guān)的輸出端{(lán)8}腳接地；由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)接成串聯(lián)形式，B開(kāi)關(guān)的輸出端{(lán)10}腳與D開(kāi)關(guān)的輸入端{(lán)9}腳相連，作為高、低電平的切換點(diǎn)。另外，CD4066的{12}腳和{6}腳分別為開(kāi)關(guān)B、D的選通端，輸入高電平時(shí)、開(kāi)關(guān)閉合；輸入低電平時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)B在其選通端{(lán)12}腳輸入的高電平作用下，接通{11}腳和{10}腳，{10}腳變?yōu)楦唠娖健Ｅc此同時(shí)，CD4017其余各輸出端Y1～Y9均為低電平，于是CD4066開(kāi)關(guān)D的選通端也為低電平，開(kāi)關(guān)D關(guān)斷，這樣不影響{10}腳的電平狀態(tài)。

??? CD4066{10}腳輸出的高電平信號(hào)直接送入D觸發(fā)器CD40174的串行輸入端{(lán)3}腳。CD40174內(nèi)部含有6個(gè)D型觸發(fā)器，如圖2d所示。本控制器將其中的5個(gè)連接成串行輸入、并行輸出的五位移位寄存器。其中D6為最高位觸發(fā)器，D2為最低位觸發(fā)器（D1未用），依次排列。每個(gè)觸發(fā)器都有各自的輸入端和輸出端，高一位觸發(fā)器的輸出端Q與低一位觸發(fā)器的輸入端D相接，只有最高位觸發(fā)器D6的輸入端CD40174{3}腳接收脈沖信號(hào)。CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳、{7}{11}腳、{10}{13}腳、{12}{14}腳分別為各相鄰觸發(fā)器輸入端和輸出端的連接點(diǎn)，作為五位寄存器的并行輸出端。各觸發(fā)器的復(fù)位端連在一起，作為寄存器的總清零端。寄存器工作前低電平復(fù)位有效，工作開(kāi)始復(fù)位信號(hào)應(yīng)跳變?yōu)楦唠娖剑⒃诠ぷ髌陂g一直保持。復(fù)位信號(hào)是由電容器C3、電阻器R4及CD4069非門(mén)3構(gòu)成的復(fù)位電路提供的。在接通電源瞬間，電源電壓經(jīng)C3、R4微分成一個(gè)正脈沖，此脈沖通過(guò)非門(mén)F3倒相，從CD4069{6}腳輸出，送入CD40174復(fù)位端{(lán)1}腳，用以完成寄存器工作前的置零任務(wù)。隨著時(shí)間的延續(xù)，C3充電結(jié)束，在其負(fù)極端形成一個(gè)穩(wěn)定的低電平，經(jīng)F3倒相后來(lái)滿(mǎn)足寄存器工作期間的需要。各觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端也連接在一起，作為寄存器的移位脈沖輸入端。

??? 移位脈沖取自CD4069{4}腳的脈沖串，從CD40174{9}腳輸入。在第一個(gè)移位脈沖的上升沿，CD40174{3}腳輸入的高電平信號(hào)移入觸發(fā)器D6，寄存器的輸出端狀態(tài)由初始的“00000”變?yōu)椤?0000”，CD40174{2}{4}腳呈高電平。此高電平經(jīng)隔離電阻R11加到三極管VT1放大、再?gòu)钠浒l(fā)射極輸出，送入雙向晶閘管VS1的控制極，驅(qū)動(dòng)VS1導(dǎo)通，第Ⅰ路彩燈因其電流回路形成而被點(diǎn)亮。與此同時(shí)，寄存器其余的四個(gè)輸出端均為低電平，雙向晶閘管VS2～VS5無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而阻斷，所控制的四路彩燈Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ不亮。

??? 當(dāng)?shù)诙€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y1呈高電平。此高電平從其{2}腳輸出，經(jīng)二極管VD4加到CD4066{12}腳。保持開(kāi)關(guān)B的接通，從而維持CD40174{3}腳串行輸入端的高電平狀態(tài)。在第二個(gè)移位脈沖作用下，寄存器的輸出狀態(tài)由“10000”變?yōu)椤?1000”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳呈高電平，經(jīng)三極管VT1、VT2放大，驅(qū)動(dòng)晶閘管VS1、VS2導(dǎo)通。這樣在保持第Ⅰ路彩燈點(diǎn)亮的同時(shí)，第Ⅱ路彩燈相繼被點(diǎn)亮，而其余三路彩燈則仍為熄滅狀態(tài)。

??? 當(dāng)?shù)谌齻€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y2呈高電平。此高電平從其{4}腳輸出，經(jīng)二極管VD6加到CD4066{12}腳。開(kāi)關(guān)B繼續(xù)接通，繼續(xù)維持CD40174{3}腳的高電平。第三個(gè)移位脈沖使寄存器的輸出狀態(tài)由“11000”變?yōu)椤?1100”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳、{7}{11}腳同時(shí)呈高電平，經(jīng)三極管VT1、VT2、VT3驅(qū)動(dòng)晶閘管VS1、VS2、VS3導(dǎo)通。第Ⅰ、Ⅱ路彩燈繼續(xù)點(diǎn)亮，第Ⅲ路彩燈又被點(diǎn)亮。

??? 同理，當(dāng)?shù)谒摹⑽鍌€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y3、Y4依次呈高電平。CD4066保持開(kāi)關(guān)B的接通， CD40174{3}腳維持高電平狀態(tài)。第四、五個(gè)移位脈沖使寄存器的輸出狀態(tài)依次為“11110”和“11111”，晶閘管在控制點(diǎn)亮前三路彩燈的基礎(chǔ)上，又依次點(diǎn)亮了第Ⅳ、Ⅴ路彩燈。

??? 由此可見(jiàn)，五路彩燈是按逐行遞增的方式點(diǎn)亮的。

??? 當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y5呈高電平。此高電平從其{1}腳輸出，經(jīng)二極管VD3加到CD4066開(kāi)關(guān)D的選通端{(lán)6}腳，接通{8}腳和{9}腳，從而使{9}腳接地。同時(shí)，CD4017其余的計(jì)數(shù)輸出端均為低電平，CD4066開(kāi)關(guān)B因此而關(guān)斷，以防止電源被接通的開(kāi)關(guān)D短路。由于CD40174{3}腳與CD4066{9}腳直接相連，于是CD40174寄存器的串行輸入端變?yōu)榈碗娖健Ｔ诘诹鶄€(gè)移位脈沖作用下，寄存器的輸出狀態(tài)由“11111”變?yōu)椤?1111”，CD40174{2}{4}腳輸出低電平，三極管VT1截止。晶閘管VS1失去觸發(fā)信號(hào)，在交流電源過(guò)零瞬間自行阻斷，第Ⅰ路燈熄滅。而寄存器其余四路輸出端的高電平，通過(guò)VT2、VT3、VT4、VT5和VS2、VS3、VS4、VS5繼續(xù)控制第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四路彩燈點(diǎn)亮。

??? 當(dāng)?shù)谄邆€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y6呈高電平。此高電平從其{5}腳輸出，經(jīng)二極管VD7加到CD4066{6}腳，保持{9}腳接地。以維持CD40174寄存器串行輸入端的低電平。第七個(gè)移位脈沖使寄存器的輸出狀態(tài)由“01111”變?yōu)椤?0111”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳同時(shí)輸出低電平，三極管VT1、VT2截止。晶閘管VS1因無(wú)觸發(fā)信號(hào)而維持其阻斷狀態(tài)；VS2因失去觸發(fā)信號(hào)，在交流電源過(guò)零瞬間而阻斷。第Ⅰ、Ⅱ路彩燈熄滅。而寄存器其余三路輸出的高電平，依然控制第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三路彩燈點(diǎn)亮。

??? 同理，當(dāng)?shù)诎恕⒕拧⑹畟€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y7、Y8、Y9依次輸出的高電平控制CD4066開(kāi)關(guān)D的接通，維持CD40174寄存器串行輸入端的低電平。當(dāng)寄存器的移位脈沖輸入端依次接收到第八、九、十個(gè)脈沖時(shí)，寄存器的輸出狀態(tài)則依次為“00011”、“00001”、“00000”，第3、4、5位的低電平控制晶閘管VS3、VS4、VS5依次阻斷，在第Ⅰ、Ⅱ路彩燈熄滅的情況下，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三路彩燈依次熄滅。上述說(shuō)明，五路彩燈是按逐行遞減的方式熄滅的。
?當(dāng)計(jì)數(shù)器CD4017計(jì)數(shù)滿(mǎn)10個(gè)脈沖時(shí)，其進(jìn)位端{(lán)12}腳輸出一個(gè)正脈沖，直接反饋到其復(fù)位端{(lán)15}腳，使計(jì)數(shù)器復(fù)位，然后開(kāi)始下一輪的計(jì)數(shù)過(guò)程，這樣彩燈就周而復(fù)始地循環(huán)工作。

??? 電路中的電阻器R1、電容器C1、C2、二極管VD1、VD2組成電源電路。AC220V市電通過(guò)電源電路的降壓、整流、濾波及穩(wěn)壓處理，變換成比較穩(wěn)定的DC12V低壓，為各晶體管和集成電路提供工作電壓。

控制器的制作

1、印刷電路板的裝接

??? 在熟悉元器件型號(hào)、規(guī)格和檢測(cè)元器件性能良好后，即可進(jìn)行印刷電路板的裝接。印制板如圖3所示。

??? 印制板的裝接是制作成功的關(guān)鍵，為了取得更好的效果和順利裝盒，工藝要求如下：

??? 集成電路、電阻器、二極管采取水平安裝方式。集成電路的VDD端接電源的正極，VSS端接電源的負(fù)極，即集成塊切不可插反，同時(shí)注意避免其引腳未完全插入插孔的現(xiàn)象。電阻器、 二極管引腳成形時(shí)，應(yīng)在距引腳根部1.5mm處開(kāi)始折彎，以防止引線折斷；器件應(yīng)貼靠印刷電路板安裝。電容器、三極管、晶閘管垂直安裝。電容器引腳不作成形處理，可直接插入插孔焊接，但電容器底部要緊貼印刷電路板，否則其高度會(huì)給裝盒造成不便。三極管、晶閘管器件體底部距印刷電路板高度以2～3mm為宜，以利于散熱。焊接時(shí)，要確保焊點(diǎn)無(wú)漏焊、虛焊、搭焊等現(xiàn)象。焊接完成后，要剪去引腳多余的部分，留頭在焊面以上0.5～1mm，且不可損傷焊接面。

2、印刷電路板與五聯(lián)電源插座的連接

??? 在印刷電路板的焊接面，用絕緣導(dǎo)線將與各晶閘管電極T1相連的焊盤(pán)c、d、e、f、g接在一起，再與電源處的焊盤(pán)a相接。

??? 拆開(kāi)五聯(lián)電源插座，焊下電源線，斷開(kāi)各簧片原有的連線。從電源插座同一側(cè)的五個(gè)簧片上分別焊出五條絕緣導(dǎo)線，導(dǎo)線的另一端頭再依次與電路板上的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ焊盤(pán)相接。電源插座另一側(cè)的各簧片連接在一起，然后用導(dǎo)線將其公共點(diǎn)與電源處的b焊盤(pán)相連。接好后理順導(dǎo)線，從穿線孔引出，裝好電源插座。
?電源線為雙股導(dǎo)線，其一端接有電源插頭，另一端懸空。將懸空一端的兩線頭分別焊在印刷電路板的L、N焊盤(pán)上。

3、印制板的封裝

??? 取一尺寸不小于100×75×15mm的空塑料盒，在盒側(cè)面適當(dāng)位置開(kāi)出一個(gè)穿線口，再剪一塊與印制板面積相當(dāng)?shù)那鄽ぜ垑|在盒底上，然后將電路板元器件面朝上平行置于盒內(nèi)，用502膠在盒內(nèi)側(cè)壁與電路板邊緣處稍加固定，從穿線口中引出導(dǎo)線，合上盒蓋，這樣印制板就被封裝在盒內(nèi)了。

控制器的使用

??? 彩色燈選用電壓為220V、功率為5W～25W的小型燈泡，由于受雙向晶閘管的功率限制，每路燈總功率不要超過(guò)300w。如果組合較復(fù)雜的圖形，需要更多的燈泡，可選用額定正向平均電流較大的晶閘管。彩色燈泡也可用相應(yīng)功率的彩色燈串代替。

??? 使用時(shí)，只要將五路彩燈的電源插頭分別插入控制器組合插座的各插孔內(nèi)，再將控制器的電源插頭插入市電AC220V的插座內(nèi)即可。