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亮，再逐行遞減熄滅。若將一定數量的彩色燈組合聯接，就能營造出平面上色彩變化的場景，這比通常控制一條線上的色彩流動更加豐富絢麗。本控制器采用數字集成塊，外圍元器件少、電路結構簡單，只要元器件完好、裝接無誤，裝后無須調試即可一舉成功。

??? 本文以二維彩燈控制信號流程為線索，分析了相關數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和電子愛好者了解和熟悉數字電路的應用有所啟示。

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）、計數/時序分配電路IC2（CD4017）、模擬電子開關IC3（CD4066）及Ｄ觸發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F1、F2和外接電阻R2、R3、電容C4構成多諧振蕩器，產生約3Hz的脈沖方波，供給CD4017作計數脈沖和CD40174作移位脈沖。R3、C4為振蕩定時元件，調節這兩個元件可改變振蕩信號頻率，從而控制彩燈色彩的流動速度，以呈現各種不同的視覺效果。另外，CD4069的非門3還用作CD40174復位信號的倒相器。

??? CD4069為CMOS數字集成電路，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感應靜電而擊穿場效應管的柵極。雖然器件內部輸入端設置了保護電路，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電路失去作用，因此，CD4069中未使用的非門F4、F5、F6的輸入端{9}、{11}、{13}腳均接到Vss接地端，以作保護。

??? CD4069多諧振蕩器輸出端{4}腳送出的脈沖串，一路直接送入CD4017的計數脈沖輸入端{14}腳。CD4017為十進制計數/時序分配器，用于產生CD4066模擬開關切換的控制信號。其引腳功能如圖2b所示。Cr為復位端，當Cr端輸入高電平時、計數器置零態。CD4017具有自動啟動功能，即在電路進入無效狀態時，在計數脈沖作用下，最多經過兩個時鐘周期就能回到正常循環圈中，因此本控制器的CD4017未設置加電復位電路。Co為進位輸出端，當計數滿10個時鐘脈沖時輸出一個正脈沖。CD4017有CL和EN兩個計數輸入端，CL端為脈沖上升沿觸發端，若計數脈沖從CL端輸入，則EN端應接低電平；EN端為脈沖下降沿觸發端，若計數脈沖從EN端輸入，則CL端應接高電平，否則禁止輸入計數脈沖。取自CD4069的計數脈沖從其CL端{14}腳輸入，故EN端{13}腳接地。Y0～Y9為計數器的十個輸出端，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CD4066。

??? 當第一個計數脈沖到來時，CD4017內電路翻轉，{3}腳Y0呈高電平，經二極管VD5加到CD4066{12}腳。CD4066為雙向模擬開關，其引腳功能如圖2c所示，內部含有A、B、C、D四個獨立的模擬開關，本控制器使用了其中B、D兩個開關。每個開關有一個輸入端和一個輸出端，這兩端可以互換使用。B開關的輸入端{11}腳與電源相連、接入高電平；D開關的輸出端{8}腳接地；由于兩個開關接成串聯形式，B開關的輸出端{10}腳與D開關的輸入端{9}腳相連，作為高、低電平的切換點。另外，CD4066的{12}腳和{6}腳分別為開關B、D的選通端，輸入高電平時、開關閉合；輸入低電平時開關斷開。開關B在其選通端{12}腳輸入的高電平作用下，接通{11}腳和{10}腳，{10}腳變為高電平。與此同時，CD4017其余各輸出端Y1～Y9均為低電平，于是CD4066開關D的選通端也為低電平，開關D關斷，這樣不影響{10}腳的電平狀態。

??? CD4066{10}腳輸出的高電平信號直接送入D觸發器CD40174的串行輸入端{3}腳。CD40174內部含有6個D型觸發器，如圖2d所示。本控制器將其中的5個連接成串行輸入、并行輸出的五位移位寄存器。其中D6為最高位觸發器，D2為最低位觸發器（D1未用），依次排列。每個觸發器都有各自的輸入端和輸出端，高一位觸發器的輸出端Q與低一位觸發器的輸入端D相接，只有最高位觸發器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器輸入端和輸出端的連接點，作為五位寄存器的并行輸出端。各觸發器的復位端連在一起，作為寄存器的總清零端。寄存器工作前低電平復位有效，工作開始復位信號應跳變為高電平，并在工作期間一直保持。復位信號是由電容器C3、電阻器R4及CD4069非門3構成的復位電路提供的。在接通電源瞬間，電源電壓經C3、R4微分成一個正脈沖，此脈沖通過非門F3倒相，從CD4069{6}腳輸出，送入CD40174復位端{1}腳，用以完成寄存器工作前的置零任務。隨著時間的延續，C3充電結束，在其負極端形成一個穩定的低電平，經F3倒相后來滿足寄存器工作期間的需要。各觸發器的時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。在第一個移位脈沖的上升沿，CD40174{3}腳輸入的高電平信號移入觸發器D6，寄存器的輸出端狀態由初始的“00000”變為“10000”，CD40174{2}{4}腳呈高電平。此高電平經隔離電阻R11加到三極管VT1放大、再從其發射極輸出，送入雙向晶閘管VS1的控制極，驅動VS1導通，第Ⅰ路彩燈因其電流回路形成而被點亮。與此同時，寄存器其余的四個輸出端均為低電平，雙向晶閘管VS2～VS5無驅動信號而阻斷，所控制的四路彩燈Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ不亮。

??? 當第二個計數脈沖到來時，CD4017計數輸出端Y1呈高電平。此高電平從其{2}腳輸出，經二極管VD4加到CD4066{12}腳。保持開關B的接通，從而維持CD40174{3}腳串行輸入端的高電平狀態。在第二個移位脈沖作用下，寄存器的輸出狀態由“10000”變為“11000”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳呈高電平，經三極管VT1、VT2放大，驅動晶閘管VS1、VS2導通。這樣在保持第Ⅰ路彩燈點亮的同時，第Ⅱ路彩燈相繼被點亮，而其余三路彩燈則仍為熄滅狀態。

??? 當第三個計數脈沖到來時，CD4017計數輸出端Y2呈高電平。此高電平從其{4}腳輸出，經二極管VD6加到CD4066{12}腳。開關B繼續接通，繼續維持CD40174{3}腳的高電平。第三個移位脈沖使寄存器的輸出狀態由“11000”變為“11100”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳、{7}{11}腳同時呈高電平，經三極管VT1、VT2、VT3驅動晶閘管VS1、VS2、VS3導通。第Ⅰ、Ⅱ路彩燈繼續點亮，第Ⅲ路彩燈又被點亮。

??? 同理，當第四、五個計數脈沖到來時，CD4017計數輸出端Y3、Y4依次呈高電平。CD4066保持開關B的接通， CD40174{3}腳維持高電平狀態。第四、五個移位脈沖使寄存器的輸出狀態依次為“11110”和“11111”，晶閘管在控制點亮前三路彩燈的基礎上，又依次點亮了第Ⅳ、Ⅴ路彩燈。

??? 由此可見，五路彩燈是按逐行遞增的方式點亮的。

??? 當第六個計數脈沖到來時，CD4017計數輸出端Y5呈高電平。此高電平從其{1}腳輸出，經二極管VD3加到CD4066開關D的選通端{6}腳，接通{8}腳和{9}腳，從而使{9}腳接地。同時，CD4017其余的計數輸出端均為低電平，CD4066開關B因此而關斷，以防止電源被接通的開關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為低電平。在第六個移位脈沖作用下，寄存器的輸出狀態由“11111”變為“01111”，CD40174{2}{4}腳輸出低電平，三極管VT1截止。晶閘管VS1失去觸發信號，在交流電源過零瞬間自行阻斷，第Ⅰ路燈熄滅。而寄存器其余四路輸出端的高電平，通過VT2、VT3、VT4、VT5和VS2、VS3、VS4、VS5繼續控制第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ四路彩燈點亮。

??? 當第七個計數脈沖到來時，CD4017計數輸出端Y6呈高電平。此高電平從其{5}腳輸出，經二極管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。第七個移位脈沖使寄存器的輸出狀態由“01111”變為“00111”，CD40174{2}{4}腳、{5}{6}腳同時輸出低電平，三極管VT1、VT2截止。晶閘管VS1因無觸發信號而維持其阻斷狀態；VS2因失去觸發信號，在交流電源過零瞬間而阻斷。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三路彩燈點亮。

??? 同理，當第八、九、十個計數脈沖到來時，CD4017計數輸出端Y7、Y8、Y9依次輸出的高電平控制CD4066開關D的接通，維持CD40174寄存器串行輸入端的低電平。當寄存器的移位脈沖輸入端依次接收到第八、九、十個脈沖時，寄存器的輸出狀態則依次為“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。上述說明，五路彩燈是按逐行遞減的方式熄滅的。
?當計數器CD4017計數滿10個脈沖時，其進位端{12}腳輸出一個正脈沖，直接反饋到其復位端{15}腳，使計數器復位，然后開始下一輪的計數過程，這樣彩燈就周而復始地循環工作。

??? 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市電通過電源電路的降壓、整流、濾波及穩壓處理，變換成比較穩定的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、規格和檢測元器件性能良好后，即可進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端接電源的負極，即集成塊切不可插反，同時注意避免其引腳未完全插入插孔的現象。電阻器、 二極管引腳成形時，應在距引腳根部1.5mm處開始折彎，以防止引線折斷；器件應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，要確保焊點無漏焊、虛焊、搭焊等現象。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、印刷電路板與五聯電源插座的連接

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

??? 拆開五聯電源插座，焊下電源線，斷開各簧片原有的連線。從電源插座同一側的五個簧片上分別焊出五條絕緣導線，導線的另一端頭再依次與電路板上的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ焊盤相接。電源插座另一側的各簧片連接在一起，然后用導線將其公共點與電源處的b焊盤相連。接好后理順導線，從穿線孔引出，裝好電源插座。
?電源線為雙股導線，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，在盒側面適當位置開出一個穿線口，再剪一塊與印制板面積相當的青殼紙墊在盒底上，然后將電路板元器件面朝上平行置于盒內，用502膠在盒內側壁與電路板邊緣處稍加固定，從穿線口中引出導線，合上盒蓋，這樣印制板就被封裝在盒內了。

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300w。如果組合較復雜的圖形，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功率的彩色燈串代替。

??? 使用時，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，再將控制器的電源插頭插入市電AC220V的插座內即可。