项目三--CD4060多彩灯(葛中海)

1项目三CD4060多彩灯一、教学目标●掌握电容降压供电电路的结构和特点，了解它的用途和负载能力。●熟悉CD4060内部功能框图，掌握CD4060的逻辑功能。●掌握带控制门的时钟振荡器电路的结构和特点。●掌握CD4060分频的工作原理。●了解LED驱动电路的结构特点，掌握它的工作原理。二、电路结构本电路可分为几大部分，它们分别是电源变换电路、稳压滤波电路、时钟振荡电路、复位电路和分频驱动电路。1．电源变换电路：由高压电容C11C和D1～D4，R7、D5和C2等组成；2．时钟振荡电路：由C3、R9、R10与CD4060组成；3．复位电路：由C4、R8与CD4060组成；4．分频驱动电路：由CD4060输出（Q4～Q14）与三极管4~1QQ及多只发光管组成。三、认识特殊器件1.CD4060CD4060是十四阶递进累计二进制计数器，是双列直插式脚塑封，引脚和特征参数如图3.1。图3.1CD4060引脚图和特征参数2.高压电容薄膜电容器是电容器的一大类，市场上对其型号的叫法非常不统一。CBB（聚丙烯电容）电容是对CBB18、CBB21、CBB22电容的统称，人们常说的CBB电容主要是指CBB21是内部串式高压金属化聚丙烯电容。电容CBB的优点是抗电流电压能力强、损耗小（是大多数工程师最保险的选择）。电容CBB的缺点是价格贵、体积大、脚距一般在15-20mm。思考题：你能说出图3.2两个电容上标示的字符的具体含意吗？2图3.2CBB电容实物图3.稳压二极管稳压二极管又称齐纳二极管（ZenerDiode）或电压调整二极管，简称稳压管。当反向电压加到某一定值时，反向电流急增，产生反向击穿，其特性如图3.3。图中的Uz表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作用原理在于电流有很大增量时，只引起很小的电压变化。a）稳压二极管应用电路b）稳压二极管特性曲线图3.3稳压二极管特性曲线及应用电路四、工作原理1．电源变换电路如图3.4，JP1是接市电插头，其中一路由高压电容C1降压、另一路经保险电阻R5（也叫熔断电阻，兼具电阻和保险丝的双重功能，后级短路时烧毁，从而保护其它元器件），两路进线加到D1～D4组成的桥式整流电路上。整流后的脉动直流电压分成两路：一路去LED供电电路，另一路经R7限流（思考：如何确定R7参数的大小？），二极管稳压和电容C2滤波，做为集成电路C4060稳定的电压源。实测脉动直流电压的平均值大约25V～30V。图3.4电源变换电路这种电路是非隔离式电容降压电路，电路中的GND只是参考电平，并不是真正的大地，对3人体而言它是危险电压。R6是C1的放电电阻，对正常工作的电路来说，并没有什么作用。但是断电后C1上可能残存较高电压，若没有电阻泄放掉，人接触时会有触电的危险！整流输出电流的大小与高压电容C1的容量有关。跟据经验：1uF的电容在全波整流时大约能输出电流60mA～80mA，半波整流时大约输出40mA1。R7和D5组成二极管稳压电路，C2是滤波电容滤除杂波电源的纹波，提高电压的稳定度。2．时钟振荡电路CD4060内含逻辑门电路，可以与外接阻容元件组成多谐振荡电路，如图3.5。①．当RESET=1，第一个非门输出“0”，与非门输出恒为“1”振荡电路不工作，此时振荡电路处于封锁状态。②．当RESET=0，第一个非门输出“1”，此时与非门输出状态由⑾端的状态决定，分析发现此时的与非门相当于非门。观察图2.3，看看它们的电路结构是不是一样？！图3.5RC振荡电路示意图图图3.6CH1、CH2是CD4060的⑾、⑽端3．振荡电路波形图3.7CH1是R1、R2和C节点，CH2是CD4060的⑨端注：电阻R1、R2和电容C节点电压波形类似于图2.4之A点。当然，CD4060也可以和晶体及电容组成振荡电路，如图3.8。一般来说，由电阻、电容组成的RC振荡电路结构简单、成本低、振荡频率精度低；晶体振荡电路电路复杂、成本高、振荡频率精度高。1由欧姆定律得RUI/，电容同样有类似的情形。电容的容抗用CZ表示，CZC/1，是通过电容的交流信号的角频率f2。因此，流过电容的电流UCfCUZUICC2/。4图3.8晶体振荡电路示意图3．复位电路已知CD4060复位端RESET=0，第一非门输出“1”，电路正常振荡系统随之正常工作。RESET=1时，第一非门非门输出“0”，振荡电路的与非门被封死，输出恒为“1”，电路不能正常振荡，则整个系统也不能正常工作。初始上电时，电容C4瞬间短路（电容两端电压不能突变），Vcc直接加到RST端系统复位。电容C4充电满了以后，RST由R8接电源地，系统进入工作模式。4．分频驱动电路CD4060是十四阶递增二进制计数器，它具有十个输出Q4～Q14，其中Q4是最低位，Q1是最高位。分频驱动电路由CD4060输出（Q4～Q14）与三极管Q1～Q4及多只发光二极管组成。图3.9显示CD4060的Q4信号频率约为34.5Hz，在Q4一个周期内⑨端经历十六个周期，因此把Q4定义为基本时钟信号的四分频。实际测量基本时钟信号f555Hz，四分频乃除以42之意，即555Hz/Hz68.3424（测量有误差）。同样道理，Q5是Q4分频信号，在Q5的一个周期内Q4经历2个周期；Q6是Q5分频信号，在Q6的一个周期内，Q5经历2个周期……Q14是Q13分频信号，在Q14的一个周期内，Q13经历2个周期。图3.9CH1、CH2是4060的⑦（Q4）、⑨端图3.10CH1、CH2是Q4、Q5因为，Q4的信号频为4Qf34.5Hz，由上图容易得出Q5信号频为5Qf17.25Hz。根据同样的理由，Q6的信号频为6Qf8.6Hz，Q7的信号频为7Qf4.3Hz……以此类推，可以想象Q8、Q9、Q10、Q12、Q13、Q14输出信号的频率梯次降低，且Q14的频率5最低，如图3.11。五、焊接测试由于CD4060的输出Q4～Q14不是按顺序分布的，为了观察的方便、有意安排原理图Q4～Q14集中在一起。如图3.12是Q4～Q14引线分布图，三极管Q1～Q4的基极电阻R11～R14没有和CD4060的任何一只输出端直接连接，把CD4060输出Q4～Q14设计可供选择的焊盘形式，学生可根据个人喜好选择不同控制输出方式，以期观察不同的设计效果。根据理论分析得知CD4060的最低位输出（Q4）频率最高，最高位输出（Q14）频率最低，因此最低位（Q4）控制的发光二极管亮/灭速率最快，最高位（Q14）输出控制的发光二极管亮/灭速率最慢。图3.12思考计算：1．若电路采用图3.8结构，晶体振荡频768.32fHz，计算?4Qf和?14Qf2．估算电容降压电路提供给负载的电流为多少？3．电阻R3的参数的选择依据是什么？61234ABCD4321DCBAD31N4007D41N4007D11N4007D21N4007R510R/1W保险电阻C247uF/35V12JP12PIND6LEDR6470kC10.47uF/400VD55.6VCIN11COUT9COUT10RST12Q47Q55Q64Q76Q814Q913Q1015Q121Q132Q143VCC16GND8U1CD4060C3104R11kD7LEDD8LEDD18LEDD9LEDR21kD10LEDD11LEDD19LEDD12LEDR31kD13LEDD14LEDD20LEDR73KR810KQ48050Q18050Q28050R133.3KQ4Q6Q8R9100KR1010KC410uF/16VR113.3KR143.3KR123.3KD15LEDR41kD16LEDD17LEDD21LEDQ38050Q10VCCQ5Q6Q7Q8Q9Q10Q12Q13Q14Q4去LED电路供电7