基于CD4060音樂夢幻燈課程設計

1、 基于CD4060音樂夢幻燈課程設計仿真部分學院： 測試與光電工程學院學號： 11081238姓名： 王志軒指導老師：吳偉 金信鴻2014/6/15CD4060音樂夢幻燈摘要:本次課設主要以學習為目的，課程設計要求設計一個電路實現(xiàn)三色彩燈循環(huán)亮，循環(huán)滅的功能。主要通過音樂夢幻燈的原理及硬件剖析，了解數(shù)電及模電的相關知識。而本文講述了所設計的電路原理，利用protel99軟件對其原理圖，印刷電路板及調(diào)試和焊接等制作過程的介紹。CD4060音樂夢幻燈可用于多種娛樂場合。對于場合的氣氛程度有不同的提高隨著音樂的音調(diào)不同從而有多種不同顏色的彩燈以多種組合形式閃爍相配合。給人營造出一種關于燈光與音樂相配

2、合的美麗錯覺。關鍵字：夢幻燈，循環(huán)目錄摘要:21、課程設計的任務和要求41.1課程設計的任務41.2課程設計要求42、 CD4060音樂夢幻燈工作原理簡介52.1元件清單53、課程設計理論準備64、電路原理圖75、元件及其工作原理原理：75.1、三極管工作原理：75.2、光二極管105.3、晶體二極管105.4、電解電容115.4.1、電解電容在電路中的作用125.4.2、電解電容的判斷方法125.4.3、電解電容的使用注意事項135.5、變阻器147、仿真過程148、電路工作原理：178.1PNP三極管在電路中作用178.2 CD4060工作簡介188.3 多諧震蕩器簡介218.4 電路工作

3、分析229、部分仿真示意圖2310、參考文獻24附表一：元件清單25附表二：CD4060功能表25附表三：仿真圖26 1、課程設計的任務和要求1.1課程設計的任務1、通過本次課程設計使得自己對于CD4060夢幻燈的制作有一定的了解。對于所涉及到的有關電路方面的知識有更多的了解和認識，從而提高自己對于所學知識的運用能力和加深對知識的掌握程度2學會焊接電路板。3. 熟悉電子線路Protel99軟件及電子線路方針Proteus軟件的使用方法4熟悉CD4060夢幻燈的設計與制作方法。5 熟悉各電路部分的邏輯功能并掌握使用方法。1.2課程設計要求1初步掌握一般電子電路設計的方法，得到一些工程設計的初步訓

4、練，并為以后的畢業(yè)設計奠定良好的基礎。2培養(yǎng)自學能力，獨立分析問題、解決問題的能力。對設計中遇到的問題，通過獨立思考、查找工 4學會查閱治療和手冊，學會選用各種電子元器件。5學會掌握安裝電子線路的基本技能和調(diào)試方法，善于在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。7學會撰寫課程設計。8提高自學能力和改善自學方法。9能很好的發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。2、 CD4060音樂夢幻燈工作原理簡介電路中,U2為一帶振蕩器的14級二分頻計數(shù)器CD4060,R1、R2、R4、C4和U2-9、10、11腳內(nèi)電路組成振蕩器,振蕩頻率可由R4調(diào)節(jié)。通電初始，定時時鐘發(fā)生器首先經(jīng)U2-12腳的電容清零復位，各輸出級均為低電位。隨著振蕩器

5、振蕩，輸出端Q4-Q14以二進制形式遞進輸出，三組發(fā)光管也隨輸出端的高低電平變化而亮滅，當某端輸出高電平時，對應組發(fā)光管滅，輸出低電平時，對應組發(fā)光管亮。Q1，Q2，Q3起驅動作用，D2，D3，D4起循環(huán)復位作用。（Q5，Q6，Q7均為高電平時復位）2.1元件清單名稱位號數(shù)量名稱位號數(shù)量CD4060及插座IC2各1個電阻1.5M10K220KR1，R2，R4各1個音樂芯片IC11片電阻200-12個R5R16各1個無緣蜂鳴器SP1個可調(diào)電阻RP11個按鈕開關SW1個三極管9012-3個Q1，Q2，Q3各1個電源插針1個三極管9013Q41個發(fā)光二極管12個LED1-12各1個電解電容1Uf10

6、0UfC1 C2各1個開關二極管D1-D3各1個二極管D1，D2，D2各一個3、課程設計理論準備Proteus簡介： Proteus軟件已有20多年的歷史，采用PC進行虛擬仿真實驗要比采用單片機實驗箱更為有效，因為用戶可以根據(jù)需要隨時對原理電路圖進行修改，并立即獲得仿真結果。由于在PC上修改原理電路圖要比在實驗箱上修改硬件電路容易得多，而且還可以根據(jù)設計要求采用不同元器件，或者修改元器件參數(shù)以獲得不同輸出結果，在成功進行虛擬仿真并獲得期望結果的條件下，再制作實際硬件進行在線調(diào)試，可以獲得事半功倍的效果。本次課程設計Proteus常用的快捷鍵：Ctrl+s： 打開關閉磁吸 磁吸用于對準一些點的，

7、如引腳等x： 打開關閉定位坐標 顯示一個大十字射線o： 重新設置原點 將鼠標指向的點設為原點u： 撤銷鍵Pgdn： 改變圖層Pgup： 改變圖層Ctrl+Pgdn： 最底層Ctrl+pgup： 最頂層Ctrl+畫線： 可以劃曲線F5： 重定位中心4、電路原理圖 圖4.1 電路原理5、元件及其工作原理原理：5.1、三極管工作原理：三極管，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶體管,晶體三極管，是一種電流控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成輻值較大的電信號， 也用作無觸點開關。晶體三極管，是半導體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導體基片上制作兩個相距很近

8、的PN結，兩個PN結把整塊半導體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。工作原理：放大：b極提供信號（輸入） c極提供能量 e極輸出還有一個重要的特點：Ubc在線性電路中通常為0.7v，這個性質(zhì)可以穩(wěn)壓，穩(wěn)流等。飽和：利用它的開關特性，常用在數(shù)字電路。晶體三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和PNP兩種三極管，兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。 對于NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾著一塊P型半導體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結稱為發(fā)射

9、結，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。 當b點電位高于e點電位零點幾伏時，發(fā)射結處于正偏狀態(tài)，而C點電位高于b點電位幾伏時，集電結處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。 在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）極基區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）很容易地越過發(fā)射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流Ie。 由于基區(qū)很薄,加上集電結的反偏，注入基區(qū)的電子大

10、部分越過集電結進入集電區(qū)而形成集電集電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區(qū)的空穴進行復合，被復合掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得： Ie=Ib+Ic 這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關系，即： 1=Ic/Ib 式中：1-稱為直流放大倍數(shù)， 集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為： = Ic/Ib 式中-稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。 三極管是一種電流放大

11、器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?5.2、光二極管 發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。 它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)

12、的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 5.3、晶體二極管晶體二極管：為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結，在其界面處兩側形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍

13、內(nèi)與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。5.4、電解電容 電解電容與陶瓷電容一般用在IC的電源與地之間,起濾波作用，陶瓷電容單獨使用去耦作用，它的使用一般在IC中會有說明，其電解值的大小與IC所需電流大小有關,陶瓷取0.01uf。濾波電容的選擇要看你是用在局部電源還是全局電源。對局部電源來說就是要起到瞬態(tài)供電的作用。為什么要加電容來供電呢？是因為器件對電流的需求隨著驅動的需求快速變化（比如DDR controller）,而在高頻

14、的范圍內(nèi)討論，電路的分布參數(shù)都要進行考慮。由于分布電感的存在，阻礙了電流的劇烈變化，使得在芯片電源腳上電壓降低也就是形成了噪聲。而且，現(xiàn)在的反饋式電源都有一個反應時間也就是要等到電壓波動發(fā)生了一段時間（通常是ms或者us級）才會做出調(diào)整，對于ns級的電流需求變化來說，這種延遲，也形成了實際的噪聲。所以，電容的作用就是要提供一個低感抗（阻抗）的路線，滿足電流需求的快速變化。5.4.1、電解電容在電路中的作用 1、濾波作用:在電源|穩(wěn)壓器電路中,整流電路將交流變成脈動的直流,而在整流電路之后接入一個較大容量的電解電容,利用其充放電特性,使整流后的脈動直流電壓變成相對比較穩(wěn)定的直流電壓。在實際中,為

15、了防止電路各部分供電電壓因負載變化而產(chǎn)生變化,所以在電源的輸出端及負載的電源輸入端一般接有數(shù)十至數(shù)百微法的電解電容由于大容量的電解電容一般具有一定的電感,對高頻及脈沖干擾信號不能有效地濾除,故在其兩端并聯(lián)了一只容量為0.001-0.lpF的電容,以濾除高頻及脈沖干擾。2、耦合作用：在低頻信號的傳遞與放大過程中,為防止前后兩級電路的靜態(tài)工作點相互影響,常采用電容藕合為了防止信號中韻低頻分量損失過大,一般總采用容量較大的電解電容。5.4.2、電解電容的判斷方法 電解電容常見的故障有,容量減少,容量消失、擊穿短路及漏電,其中容量變化是因電解電容在使用或放置過程中其內(nèi)部的電解液逐漸干涸引起,而擊穿與漏

16、電一般為所加的電壓過高或本身質(zhì)量不佳引起。判斷電源電容的好壞一般采用萬用表的電阻檔進行測量。具體方法為：將電容兩管腳短路進行放電,用萬用表的黑表筆接電解電容的正極。紅表筆接負極(對指針式萬用表,用數(shù)字式萬用表測量時表筆互調(diào)),正常時表針應先向電阻小的方向擺動,然后逐漸返回直至無窮大處。表針的擺動幅度越大或返回的速度越慢,說明電容的容量越大,反之則說明電容的容量越小。如表針指在中間某處不再變化,說明此電容漏電,如電阻指示值很小或為零,則表明此電容已擊穿短路。因萬用表使用的電池電壓一般很低,所以在測量低耐壓的電容時比較準確,而當電容的耐壓較高時,打時盡管測量正常,但加上高壓時則有可能發(fā)生漏電或擊穿

17、現(xiàn)象。5.4.3、電解電容的使用注意事項 1、電解電容由于有正負極性,因此在電路中使用時不能顛倒聯(lián)接。在電源電路中,輸出正電壓時電解電容的正極接電源輸出端,負極接地,輸出負電壓時則負極接輸出端,正極接地當電源電路中的濾波電容極性接反時,因電容的濾波作用大大降低,一方面引起電源輸出電壓波動,另一方面又因反向通電使此時相當于一個電阻的電解電容發(fā)熱當反向電壓超過某值時,電容的反向漏電電阻將變得很小,這樣通電工作不久,即可使電容因過熱而炸裂損壞。2、加在電解電容兩端的電壓不能超過其允許工作電壓,在設計實際電路時應根據(jù)具體情況留有一定的余量,在設計穩(wěn)壓電源的濾波電容時,如果交流電源電壓為220時變壓器次

18、級的整流電壓可達22V,此時選擇耐壓為25V的電解電容一般可以滿足要求。但是,假如交流電源電壓波動很大且有可能上升到250V以上時,最好選擇耐壓30V以上的電解電容。3、電解電容在電路中不應靠近大功率發(fā)熱元件,以防因受熱而使電解液加速干涸。4、對于有正負極性的信號的濾波,可采取兩個電解電容同極性串聯(lián)的方法,當作一個無極性的電容。5.5、變阻器可以調(diào)節(jié)電阻大小的裝置，接在電路中能調(diào)整電流的大小。一般的變阻器用電阻較大的導線（電阻線）和可以改變接觸點以調(diào)節(jié)電阻線有效長度的裝置構成。作用：1、限制電流，保護電路 2、改變電路中電壓的分配7、仿真過程1、元件清單2、放置元件在如圖Keywords欄輸入

19、元件編號，選定元件后，放入編輯區(qū)內(nèi)。元件清單3、連線如圖連接元件。5、運行運行結果見下圖。8、電路工作原理：8.1PNP三極管在電路中作用由PNP三極管工作原理可知：當VeVbVc導通，且一般硅管Vbe-0.7v，鍺管Vbe=0.2v。當接通電源后，由CD4060音樂夢幻燈原理圖可知，當Qx輸入為低電平時Ve=Vcc-Vrx-V發(fā)光二極管 (x=516)Vc=0 Vb=Vcc-Vr4-V二極管 其中發(fā)光二極管及二極管兩端的電壓可看作相等 所以：VBE=VB-VE=VRX-VR4 由于RxR4 Rx兩端的電壓小于R4兩端的電壓 VBEVB 因為Vcc為電源電壓，所以 VB0,VE0 VEVBVC

20、 即當Qx輸入為低電平時，三極管導通，發(fā)光二極管發(fā)光 當Qx輸入為高電平時 VE=VCC-VRX-V發(fā)光二極管 VB=VCC VBVE 此時三極管截止，發(fā)光二極管熄滅8.2 CD4060工作簡介8.2.1 CD4060 仰角圖8.1 圖8.1 CD4060仰角圖8.2.2 CD4060 工作接線如圖8.2 圖8.2 工作接線圖8.2.3工作原理 如圖8.3Cp1 cp0 cp0 R 功能0計數(shù)0011復位 圖8.3 工作原理圖Q4-Q14以二進制形式遞進輸出，但考慮到電路原理圖的要求只以Q4 Q5 Q6都為1時就復位，所以就只列部分所要求的。8.3 多諧震蕩器簡介8.3.1 CD4060與多諧

21、震蕩由CD4060工作圖可知：R1,C4,R2,R4,CD4060的11,9,10端構成多諧震蕩器。 其中R1為上拉電阻，可減少電源電壓變化對振蕩頻率的影響可將R1并入與非門中即可轉化為多諧震蕩器。8.3.2 工作原理：第一暫穩(wěn)態(tài)及電路自動翻轉過程 假定接通電源時刻，t=0，（未充電，電路處于初始狀態(tài)） Va=Vcc，Vb=Vc=Vol 即第一暫穩(wěn)態(tài)，此時電源給RC充電，隨著充電時間的增加，Vc不斷上升，當達到Vth時，電路發(fā)生下述正反饋 VcVaVb 這一過程瞬時完成，電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)。即Va=Vol，Vb=VCC：第二暫緩態(tài)即電路自動翻轉過程電路進入第二暫緩態(tài)瞬間，Vb由0Vcc。由于電容兩端電壓不能突變。則Vc由VthVth+Vdd 由于二極管的鉗位作用，Vc僅上跳至Vdd+V+ 隨后電容C通過R4+R2放電。使Vc下降，當Vc降低至Vth后，又發(fā)生正反饋，從而電路又返回到第一暫緩態(tài)，Va=Vcc，Vb=Vol此后，電路重復上述過程，周而復始地從一個暫緩態(tài)翻轉到另一個暫緩態(tài)，在Vo輸出端得到方波。其一個方波