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中南大学彩灯控制器实验报告.doc22页
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电工电子课程设计
题目名称： 彩灯控制器
指导教师：
专业班级：
电子技术课程设计是配合电子技术基础课程与实验教学的一个非常重要的教学环节。它是电气信息类专业学生的重要基础实践课，也是工科专业的必修课，能巩固电子技术的理论知识，提高电子电路的设计水平，加强综合分析问题和解决问题的能力，进一步培养学生的实验技能和动手能力，启发学生的创新意识及创新思维。完成本次课程设计，对进行毕业设计及毕业后从事电子技术方面的工作都有很大的帮助。
近年来，由于集成电路的迅速发展，使得数字逻辑电路的设计发生了根本性的变化。在设计中更多的使用中规模集成电路，不仅可以减少电路组件的数目，使电路简捷，而且能提高电路的可靠性，降低成本。因此用集成电路来实现更多更复杂的器件功能则成为必然可编程的彩灯控制电路很多，构成方式和采用的集成片种类、数目更是五花八门，而且有专门的可编程循环彩灯控制电路。绝大多数的彩灯控制电路都是用数字电路来实现的，例如，用中规模集成电路实现的彩灯控制主要用计数器，译码器，分配器和移位寄存器等集成本次设计的可编程彩灯控制电路就是用寄存器、计数器和译码器等来实现，其特点是用发光二极管显示，实现可预置编程循环功能设计目的本课程设计主要是为了实现可编程彩灯控制的功能，且通过本次电子课程设计，了解电子产品设计的一般过程，掌握电子线路设计的基础方法和一般过程，能灵活运用已学过或者类似的集成块构
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& 音乐彩灯控制器设计报告
【设计目的】
通过设计过程中对问题的分析与思考、小组成员之间的密切合作，掌握电子电路的一般设计方法，并锻炼自己的学习能力和动手能力，培养良好的团结协作精神。
【设计要求】
要求电路把输入的信号分为高、中、低三个频段，并分别控制三种颜色的彩灯。
（1）高频段&&&
2000Hz一4000Hz&&&
（2）中频段&&&
800Hz一1200Hz&&&&
（3）低频段&&&
50Hz一250Hz&&&&&&
（4）电源电压交流220V，输入信号的有效值为20mV。
【设计步骤】
1．电路图设计
（1）确定方案：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输。根据系统功能，选择各模块所用电路形式。
（2）确定参数:根据电路原理及设计要求确定元器件参数。
2．电路仿真、实际调试
（1）仿真：用Multisim进行电路仿真，初步调整电路。
（2）实验调试：在模电实验箱上模拟连接电路，检测是否符合技术指标，修改电路参数。
（3）焊接完成电路，最终确定电路参数。
【设计思路】
该电路初步可分为信号放大部分，滤波部分和稳压整流部分，由信号放大部分将20mv的输入信号放大，滤波部分进行分频，因为其中需要用到运放，故设计稳压整流部分将220交流电转化为22v的直流偏置作为运放的使能部分。
1.信号放大部分电路设计思路
负反馈放大电路作为信号放大部分
由于晶体管的参数会随着环境温度的改变而改变，不仅放大器的工作点、放大倍数不稳定，还存在失真和干扰等问题。为了改善放大器的这些性能，常在放大电路中引入反馈环节。
故本次电路采用负反馈放大电路作为信号放大部分，其放大倍数为：
Avf=1+R2/R1&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
2.分频滤波部分电路设计思路
（1）在滤波部分，因为三个彩灯的频率范围都有上下限，故使用带通滤波器执行这一部分功能。带通滤波器由低通与高通串接而成。
（2）相对于普通的二阶有源滤波器，sallen_key模式滤波器的带宽更宽，震荡更小，也更易于控制Q点。经小组讨论决定采用sallen_key模式滤波器。
（3）由于三个彩灯要同时控制亮度，故将三个滤波器并接组成最终的滤波部分。
（4）翻阅资料及上网搜索后得到sallen_key模式滤波器的经典电路连接方式如下图。
图2.sallen_key模式滤波器电路连接方式
其幅频特性曲线如下图。
图3.sallen_key模式滤波器幅频特性
由图3可知，使用该滤波器在带宽方面的表现较好，只是因为运放输出阻抗的原因，会产生零点，导致在高频端会由-40dB/dec变成-2OdB/dec。但由于本次设计的最高频率范围只有4000HZ,故不会对彩灯信号造成太大影响。
（5）经小组成员初步仿真，决定确认滤波器实际连接方式如图4。如图，取R1=R2=R5=R,C1=C2=C,则经由电路分析可得增益公式为：
Avf=1+R4/R3&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
中心角频率为：
W0=&1.414／(RC)&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
品质因数Q值（即f0/(fH-fL））为：
Q= 1.414/（5-Avf）&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图4.初步确定的滤波器连接方式
（6）综合公式（2）（3）（4）及根据设计要求初步确定电路参数如表1与表2。
表1.由设计要求得出的电路参数
表2.由公式及表1所得元件参数
（7）初步确定电路参数后，便可以进行仿真验证。
3.整流稳压部分电路设计思路
（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图5。
图5.直流稳压电路原理图
（5）整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图6所示。在U2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。
图6.桥式全波整流原理
（6）稳压电路可选集成三端稳压器电路。
本实验所用集成稳压器为三端固定正稳压器KA7815，它的主要参数有：输出直流电压
U0＝＋22V，输出电流 L:0.1A，M:0.5A，电压调整率 10mV/V，输出电阻 R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围25～30V
。因为一般UI要比
，才能保证集成稳压器工作在线性区。
图7.KA7815系列外形及接线图
图8.由KA7815构成的串联型稳压电源
图8是用三端式稳压器KA7815构成的单电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图。其中整流部分采用了由四个二极管组成的桥式整流器成品（又称桥堆），型号为2W06(或KBP306)，内部接线和外部管脚引线如图7所示。滤波电容C1、C2一般选取几百～几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C3（数值为0.33μF ），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C4(0.1μF)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。
由于运放需要正反两个直流偏置，所以需要在W7815外再并联一个L7915提供反向电压偏置。
【仿真调试】
1．滤波部分电路仿真
根据购置的LED彩灯的导通电压确定Multisim仿真软件的LED的下限电压，并以此调整电路参数。仿真得到的滤波电路全图如图9。
图9.仿真所得滤波部分电路
如图9，在仿真过程中由于三个滤波器并联后的互相影响，因此调整了信号放大部分的放大倍数，调整至86倍放大。并为调整频带范围，将三个滤波器的反馈电阻依次改为180,150以及170。
以下是三个频段的输出幅频特性图。
图11.低频带通滤波输出幅频特性图
由图知中心频率约为160HZ，另仿真所得亮度明显的频带范围为：70HZ-300HZ,基本满足设计要求，可在实验室进行进一步的调试。
图12.中频带通滤波输出幅频特性图
由图知中心频率约为1.6KHZ，另仿真所得亮度明显的频带范围为：800HZ-1.9KHZ,基本满足设计要求，可在实验室进行进一步的调试。
图13.高频带通滤波输出幅频特性图
由图知中心频率约为3.3kHZ，另仿真所得亮度明显的频带范围为：2KHZ-4.5KHZ,基本满足设计要求，可在实验室进行进一步的调试。
2.整流稳压电路的仿真调试
经过初步调试，决定采用以下电路进行测试，以下是测试电路
&图14.稳压部分仿真电路图
初步测试结果如下：
（1）输入波形：
&输入的有效值为220V，频率为50Hz。
（2）整流后的输出波形如下：
（3）滤波后的输出波形：
（4）稳压后的输出：
&从输出波形上看，基本满足稳定输出直流偏置的要求，可在实验室进行进一步的调试。
【实际焊接调试】
3.交流毫伏表
4.稳压芯片：KA7815（+15V）,L7915CV(-15V)
5.变压器：EI-10VA&&
6.uA741四片
7.LED彩灯三个
8.电阻电容若干
2.实验过程
（1）本次焊接试验遇到很多问题，在第一次焊接完成后电路输出不稳定，在多次测试无果的情况下小组讨论重新焊接电路。但重新焊接完成后有输出而LED不亮，我们排查后发现是运放在第一次焊接时已烧坏。经换上新的运放后焊接基本成功。这次失败提醒我们在焊接过程中要做好电路检查，防止焊接线路出错以及芯片损坏。
&（2）在实际的测试中，由于LED的导通情况与理论及仿真有一定误差，在多次调试后，小组决定通过改变LED限流电阻的
阻值来精确频带范围，最终三个频段的LED的限流电阻为：
其他参数与仿真结果无明显偏差。
（3）在稳压部分，由于我们事先没有搞清楚7915的公共端管脚标号，导致接错端口，烧坏了一片7915，这提醒我们要做好芯片资料的准备工作，避免不必要的损失和时间消耗。
最终实际的稳压效果为：KA7815稳压15V，L7915稳压-22V，7915芯片的相对误差较大，这是因为7915的稳压电流至少为5mA,实际的电流达不到，故产生了误差，但对运放的影响比较小，小组讨论后决定对这一部分忽略不计。
（4）最终将两部分电路连接完成后，实验的测试结果如下：
低频段带通幅频传输特性曲线
彩灯亮度明显的频段为：70HZ-370HZ
中频段幅频传输特性曲线
彩灯亮度明显的频段为：700HZ-1500HZ
高频段带通幅频传输特性曲线
彩灯亮度明显的频段为：2000HZ-3800HZ
（5）各频段除低频的上限外，误差均在10%以内，可认为基本满足实验要求。由于低频的效应变化不明显，故小组讨论后决定不进行进一步调试。最终确定的实验原理图及相关实物图如下：
最终确定的电路原理图
图19.滤波部分电路实物图
图20.稳压部分电路实物图
【心得体会】
1.本次设计过程锻炼了我们的学习能力与动手能力，同时积累了设计电路，调试电路，焊接电路的宝贵经验。
2.仿真与实际调试有一定的差距，要注意灵活调整电路，设计出符合实际要求的电路。
3.在与其他小组的沟通与交流过程中明白了我们设计电路的优势与不足，将在以后的设计中用学到的新知识完善电路，提高性能。
参考文献：[1] 李宁.《模拟电路基础》.
李宁.《模拟电路基础实验》
[3]孙肖子.邓建国《电子设计指南》
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以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。安；（2）从数据中发现，通过彩灯的电流与电压不成正比，其原因是；（3）能证实灯丝支架与细金属丝之间有绝缘物质的实验现象是；（4）请依据彩灯结构及实验现象，推测彩灯串中一只灯丝熔断其他彩灯却仍能发光的原因是．
分析：（1）电流表的正确读数：首先确定使用的量程，然后确定每一个大格和每一个小格代表的示数．（2）灯丝的电阻随温度的升高而增大，灯泡越亮，温度越高，电阻越大．（3）灯丝支架和细金属丝之间绝缘，电路是断路，电压表串联在电路中，其他的元件相当于导线，电压表的示数等于电源电压．（4）各小彩灯的连接方式为串联，当其中一只灯丝熔断，其他彩灯却仍能发光，可能是灯丝支架和细金属丝之间绝缘部分被击穿．解答：解：（1）由图中的数据知，2V电压下电流是0.12A，6V电压下电流是0.20A，所以4V电压下电流在0.12A～0.20A之间，电流表使用的是0～0.6A，每一个大格代表0.2A，每一个小格代表0.02A，示数是0.18A．（2）根据R=UI得出的1--6次实验的电阻：
电阻（Ω）
很亮可以看出灯泡越来越亮，灯丝温度越来越高，电阻越来越大．所以电流跟电压不成正比．（3）电压表并联在灯泡的两端，电压表的示数等于电源电压，说明电压表并联的部分是断路，能证实灯丝支架与细金属丝之间有绝缘物质．（4）各小彩灯的连接方式为串联，当其中一只灯丝熔断，其他彩灯却仍能发光，可能是灯丝支架和细金属丝之间绝缘部分被击穿，电路形成通路．故答案为：（1）0.18；（2）彩灯电阻随温度的升高而增大；（3）第6次实验时灯丝两端电压等于电源电压；（4）在220伏（较高电压）下，细金属丝表面的绝缘层被击穿．点评：（1）掌握电流表的正确读数．（2）掌握导体的电阻随温度变化而变化，有的随温度的升高而增大，有的随温度升高而减小．（3）通过电压表的示数变化能判断电路状态．（4）条件变化时，导体可以变为绝缘体．
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科目：初中物理
小明在欣赏圣诞树上的小彩灯时发现，各小彩灯的连接方式为串联，当其中一只灯丝熔断，其他彩灯却仍能发光，如图甲，这是为什么呢？他仔细观察灯泡的构造如图乙，查阅得知细金属丝表面涂有绝缘物质；取一只完好的彩灯，按图丙电路进行实验，电源电压为7.5V，数据及现象记录如表：
灯丝烧断请依据上述信息完成以下问题：（1）从数据中发现，通过彩灯的电流与电压不成正比，其原因是灯丝电阻随温度的升高而增大；（2）能证实灯丝支架与细金属丝之间有绝缘物质的实验现象是第6次实验时灯丝两端电压等于电源电压；（3）请依据彩灯结构及实验现象，推测彩灯串中一只灯丝熔断其他彩灯却仍能发光的原因是在220伏（较高电压）下，细金属丝表面的绝缘层被击穿．
科目：初中物理
小明在欣赏圣诞树上的小彩灯时发现，各小彩灯的连接方式为串联，当其中一只灯丝熔断，其他彩灯却仍能发光，如图甲，这是为什么呢？他仔细观察灯泡的构造如图乙，查阅得知细金属丝表面涂有绝缘物质；取一只完好的彩灯，按图丙电路进行实验，电源电压为7.5伏，数据及现象记录如下表&
电压（伏）
电流（安）
请依据上述信息完成以下问题：（1）第4次实验电流表示数如图丁，其读数为&& ▲&& 安；（2）从数据中发现，通过彩灯的电流与电压不成正比，其原因是&& ▲&& ；（3）能证实灯丝支架与细金属丝之间有绝缘物质的实验现象是&& ▲&& ；（4）请依据彩灯结构及实验现象，推测彩灯串中一只灯丝熔断其他彩灯却仍能发光的原因是&&& ▲& 。&
科目：初中物理
来源：2011年广东省潮州市钱东二中九年级上学期第三次月考物理卷
题型：实验题
小明在欣赏圣诞树上的小彩灯时发现，各小彩灯的连接方式为串联，当其中一只灯丝熔断，其他彩灯却仍能发光，如图甲，这是为什么呢？他仔细观察灯泡的构造如图乙，查阅得知细金属丝表面涂有绝缘物质；取一只完好的彩灯，按图丙电路进行实验，电源电压为7.5伏，数据及现象记录如下表：&实验次数123456电压（伏）0.312467.5电流（安）0.060.100.12&0.200彩灯亮度不发红弱光较亮亮很亮灯丝烧断请依据上述信息完成以下问题：（1）第4次实验电流表示数如图丁，其读数为＿＿＿＿A；（2）从数据中发现，通过彩灯的电流与电压不成正比，其原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；（3）能证实灯丝支架与细金属丝之间有绝缘物质的实验现象是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；（4）请依据彩灯结构及实验现象，推测彩灯串中一只灯丝熔断其他彩灯却仍能发光的原因是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。
科目：初中物理
来源：学年江苏省高新区九年级上学期期末考试物理试卷
题型：实验题
小明在欣赏圣诞树上的小彩灯时发现，各小彩灯的连接方式为串联，当其中一只灯丝熔断，其他彩灯却仍能发光，如图甲，这是为什么呢？他仔细观察灯泡的构造如图乙，查阅得知细金属丝表面涂有绝缘物质（在较高电压下会被击穿）；取一只完好的彩灯，按图丙电路进行实验，电源电压为7.5V，数据及现象记录如下表：
&&& 请依据上述信息完成以下问题：
&&& (1)第4次实验电流表示数如图丁，其读数为& ▲& A；
&&& (2)从数据中发现，彩灯的亮度由& ▲& 决定的；
&&& (3)按图丙电路进行实验时，能证实灯丝支架与细金属丝之间有绝缘物质的实验现象是& ▲& ；
&&& (4)请依据彩灯结构及实验现象，推测彩灯串中一只灯丝熔断其他彩灯却仍能发光的原因是& ▲& ．PLC彩灯控制程序的编程实验
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摘要: 一、实验目的1．进一步熟悉三菱FX系列PLC的基本指令和功能指令系统。2．进一步熟悉PLC的程序设计和调试方法。二、实验内容图1为16位循环移位彩灯控制程序图，图中彩灯是否移位由X20来控制，移位的方向由X21来控制， ...
一、实验目的1．进一步熟悉三菱FX系列的基本指令和功能指令系统。2．进一步熟悉PLC的程序设计和调试方法。二、实验内容图1为16位循环移位彩灯控制程序图，图中彩灯是否移位由X20来控制，移位的方向由X21来控制，其中X0-X21可用实验箱上的钮子开关来模拟，Y0-Y16用实验箱上的信号等来表示。在X20由OFF转到ON时，根据X0-X16的状态给Y0-Y16置初值。&&&&
&&&&&&&&&&&&& 图1 彩灯控制程序梯形图将图1所示的控制程序写入PLC，检查无误后开始运行。通过观测与Y0-Y17对应的LED，检查彩灯的工作情况。按以下步骤操作，检查程序是否正确：1．观察移位寄存器的循环移位功能是否正常，初始值是否与设定值相同。2．改变初始值设定开关X0-X16的状态，断开开关X20，然后将它接通，观察是否在X20接通时，移位寄存器按新的初始值运行，其初始值是否符合新的设定值。3．改变T0的设定值年，观察移位速率是否变化。4．改变X21的状态，观察能否改变移位的方向。三、预习要求1．仔细阅读实验指导书，了解移位寄存器的工作原理。2．写出图1所对应的指令表程序。四、实验报告要求1．写出本程序的调试步骤和观察结果。2．自己用相关指令重新设计一个彩灯控制程序。并上机调试、观测实验结果。
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