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，就能營造出平面上色彩變化的場景，這比通?？刂埔粭l線上的色彩流動更加豐富絢麗。本控制器采用數(shù)字集成塊，外圍元器件少、電路結(jié)構(gòu)簡單，只要元器件完好、裝接無誤，裝后無須調(diào)試即可一舉成功。

本文以二維彩燈控制信號流程為線索，分析了相關(guān)數(shù)字集成電路基本工作過程，按電子裝接工藝要求介紹了二維彩燈控制器的制作過程。愿此文對電子技校同學(xué)和電子愛好者了解和熟悉數(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IC1（CD4069）、計(jì)數(shù)/時(shí)序分配電路IC2（CD4017）、模擬電子開關(guān)IC3（CD4066）及Ｄ觸發(fā)IC4（CD40174）等組成。

CD4069邏輯功能及引腳如圖2a所示，其中非門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頻率，從而控制彩燈色彩的流動速度，以呈現(xiàn)各種不同的視覺效果。另外，CD4069的非門3還用作CD40174復(fù)位信號的倒相器。

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，過大的瞬變信號和過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模擬開關(guān)切換的控制信號。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具有自動啟動功能，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隔離二極管VD3～VD12連接成兩路控制信號，加到模擬開關(guān)CD4066。

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Y0呈高電平，經(jīng)二極管VD5加到CD4066{12}腳。CD4066為雙向模擬開關(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)立的模擬開關(guān)，本控制器使用了其中B、D兩個(gè)開關(guān)。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。B開關(guān)的輸入端{(lán)11}腳與電源相連、接入高電平；D開關(guān)的輸出端{(lán)8}腳接地；由于兩個(gè)開關(guān)接成串聯(lián)形式，B開關(guān)的輸出端{(lán)10}腳與D開關(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}腳分別為開關(guān)B、D的選通端，輸入高電平時(shí)、開關(guān)閉合；輸入低電平時(shí)開關(guān)斷開。開關(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?。與此同時(shí)，CD4017其余各輸出端Y1～Y9均為低電平，于是CD4066開關(guān)D的選通端也為低電平，開關(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。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，工作開始復(fù)位信號應(yīng)跳變?yōu)楦唠娖?，并在工作期間一直保持。復(fù)位信號是由電容器C3、電阻器R4及CD4069非門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，此脈沖通過非門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倒相后來滿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移入觸發(fā)器D6，寄存器的輸出端狀態(tài)由初始的“00000”變?yōu)?ldquo;10000”，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、再從其發(fā)射極輸出，送入雙向晶閘管VS1的控制極，驅(qū)動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無驅(qū)動信號而阻斷，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)?ldquo;11000”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳呈高電平，經(jīng)三極管VT1、VT2放大，驅(qū)動晶閘管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)?ldquo;11100”，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?、五個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)，CD4017計(jì)數(shù)輸出端Y3、Y4依次呈高電平。CD4066保持開關(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，五路彩燈是按逐行遞增的方式點(diǎn)亮的。