符慶

（海南科技職業(yè)大學(xué)特種機(jī)器人工程技術(shù)中心 海南省?？谑?570216）

1 引言

電子技術(shù)是社會(huì)文明現(xiàn)代化進(jìn)程中必不可少的技術(shù)。本文對(duì)2018年海南省電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的其中一題進(jìn)行解析，并結(jié)合實(shí)際電路制作經(jīng)驗(yàn)，就電子技術(shù)一些基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用做了探討，茲以本文進(jìn)行闡述。

2 2018年海南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽J題[1]

無(wú)線遙控比分牌

2.1 任務(wù)

以數(shù)字IC 為核心，用無(wú)線遙控組件、大數(shù)碼管、數(shù)?；旌螴C等，設(shè)計(jì)制作一套體育競(jìng)賽用的無(wú)線遙控?cái)?shù)碼管顯示的比分牌（如圖1 所示）。

2.2 要求

2.2.1 基本要求

（1）遙控部分采用四路無(wú)線遙控組件，圖2 為接收器輸出端子示意圖。

（2）用發(fā)射器遙控比分的翻動(dòng)，A 鍵對(duì)應(yīng)A 隊(duì)得分，B 鍵對(duì)應(yīng)B 隊(duì)得分。每按一次按鍵加1 分。

（3）數(shù)碼管必須是不小于1.5 吋的綠色管，正常顯示時(shí)無(wú)閃爍感，字段亮度均勻，清晰可辨。

（4）兩個(gè)冒號(hào)點(diǎn)為綠色Φ5 LED。

（5）主電路使用一組12V 電源供電。

（6）其它功能要求：①C 鍵用于清零，清零后顯示為“0:0”；②D 鍵用于測(cè)試，按D 鍵時(shí)顯示為“88:88”，且能自鎖，再按D鍵時(shí)解鎖；③具有無(wú)效零消隱功能。

（7）測(cè)試燈與前項(xiàng)中的②同步亮或滅。該測(cè)試燈為220V 白熾燈，功率不小于5W。

（8）主電路上同時(shí)配置與A、B、C、D 對(duì)應(yīng)的手動(dòng)按鈕（手動(dòng)D 鍵可不自鎖）。

2.2.2 發(fā)揮部分

在完成基本要求任務(wù)的基礎(chǔ)上，增加如下功能：

（1）為減小功耗，要求數(shù)碼管為動(dòng)態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。要提供測(cè)量端子，方便使用示波器來(lái)觀測(cè)動(dòng)態(tài)顯示的波形和頻率。

（2）通過(guò)調(diào)節(jié)頻率可調(diào)節(jié)顯示的穩(wěn)定性及亮度，最大亮度時(shí)總電流I0≤570mA。

（3）就實(shí)用性而言，該比分牌如果要用于大球比賽場(chǎng)館，應(yīng)如何改進(jìn)？此項(xiàng)不做電路要求，但要求參賽者在設(shè)計(jì)報(bào)告中體現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)方案。

2.3 說(shuō)明

（1）無(wú)線遙控組件可購(gòu)買成品的套件。

（2）只允許使用1 個(gè)接收器，且不允許使用帶“學(xué)習(xí)功能”的接收器。

（3）不允許使用單片機(jī)，只允許選用數(shù)字IC、模擬IC、數(shù)?；旌螴C。

圖1：無(wú)線遙控比分牌

圖2：接收器

圖3：解題整機(jī)電路原理圖

圖4：CD4033 管腳排列

（4）常規(guī)元器件方面，電阻、電容、三極管、二極管等不限。

3 解題過(guò)程

3.1 設(shè)計(jì)思路

（1）首先根據(jù)題目對(duì)遙控器各按鍵的功能要求，應(yīng)選用點(diǎn)動(dòng)型的無(wú)線遙控組件。再根據(jù)接收器各輸出信號(hào)的功能，采用與門選通方法，使各按鍵能獨(dú)立起作用。

（2）采用十進(jìn)制數(shù)碼管計(jì)數(shù)譯碼器帶動(dòng)七段數(shù)碼管顯示比分?jǐn)?shù)字。同時(shí)，該計(jì)數(shù)譯碼器要有無(wú)效零消隱功能。

（3）綜合考慮計(jì)數(shù)譯碼器的選用和發(fā)揮部分的要求，七段數(shù)碼管選用共陽(yáng)極型的。

（4）由于大數(shù)碼管需要的驅(qū)動(dòng)電流大，而計(jì)數(shù)譯碼器的輸出電流有限，不能直接驅(qū)動(dòng)大數(shù)碼管，因此需要在計(jì)數(shù)譯碼器與數(shù)碼管之間插入驅(qū)動(dòng)器。

（5）采用D 觸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)測(cè)試燈的自鎖功能。

（6）用三極管開關(guān)電路，把直流電壓斬波成脈沖電壓給數(shù)碼管供電，達(dá)到數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示要求。

3.2 整機(jī)電路原理圖

整機(jī)電路原理圖如圖3 所示。

3.3 單元電路解析

3.3.1 指令信號(hào)選通、變換電路

對(duì)于點(diǎn)動(dòng)型的無(wú)線遙控組件，當(dāng)按發(fā)射器上的某個(gè)按鍵時(shí)，接收器對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)為高電平（其它端子為低電平），同時(shí)在VT端給出一個(gè)指令有效的脈沖。當(dāng)松開該按鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出回歸低電平。由于后面的電路需要的是脈沖信號(hào)，因此采用與門來(lái)組成指令信號(hào)選通、變換電路，把按鍵信號(hào)A、B、C、D 變換成脈沖信號(hào)A0、B0、C0、D0，見(jiàn)圖3 電路中的IC5（CD4081），CD4081 是一片四二輸入與門。如果不插入該變換電路，會(huì)由于按鍵抖動(dòng)或接觸問(wèn)題而產(chǎn)生誤動(dòng)作。

3.3.2 計(jì)數(shù)譯碼器電路

計(jì)數(shù)譯碼器IC1、IC2、IC3、IC4 是該電路的核心器件，采用CD4033[2]，這是一片十進(jìn)制七段數(shù)碼管計(jì)數(shù)譯碼器，其管腳排列見(jiàn)圖4。

電路剛通電時(shí)，由于第15 腳接有自動(dòng)復(fù)位電路（R1、C1），且IC2、IC4 有消隱功能，數(shù)碼管顯示為“0:0”。之后通過(guò)遙控或手動(dòng)輸入指令，數(shù)碼管做相應(yīng)顯示。

3.3.3 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

顯示器件為四個(gè)七段數(shù)碼管[3]。如果是1 吋以下的小數(shù)碼管，計(jì)數(shù)譯碼器CD4033可以直接驅(qū)動(dòng)，但要用共陰極型的，如圖5所示。

而對(duì)于大數(shù)碼管，由于計(jì)數(shù)譯碼器的輸出電流有限，不能直接驅(qū)動(dòng)，必須插入驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003，ULN2003 實(shí)際上是起擴(kuò)流作用，而這時(shí)的數(shù)碼管要采用共陽(yáng)極型的，如圖6 所示。

ULN2003 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[4]如圖7 所示（實(shí)際上是7 個(gè)NPN 型擴(kuò)流三極管），其第9 腳為測(cè)試端，當(dāng)?shù)? 腳接地時(shí)，電流不流經(jīng)擴(kuò)流三極管，而是流經(jīng)數(shù)碼管的所有字段及各限流電阻后經(jīng)內(nèi)部二極管入地，這時(shí)顯示為“8”。

另外，從理論上講，共陽(yáng)極或共陰極型數(shù)碼管的各字段都可以共用一個(gè)限流電阻，但這樣做的話會(huì)有各字段亮度不均勻的現(xiàn)象，因此要分別各串聯(lián)一個(gè)限流電阻。

3.3.4 測(cè)試自鎖電路

測(cè)試自鎖功能由D觸發(fā)器[5]達(dá)成。圖3電路中的IC8（CD4013），是一片雙D 觸發(fā)器，本電路只用了其中一個(gè)。D 觸發(fā)器的功能是：每來(lái)一個(gè)觸發(fā)脈沖，其輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次。而沒(méi)有觸發(fā)脈沖時(shí)，其輸出狀態(tài)保持不變，這就是自鎖功能。當(dāng)它的輸出狀態(tài)Q=1 并保持時(shí)，計(jì)數(shù)譯碼器CD4033 的第14 腳Test=1，顯示“8”。只有當(dāng)Q=0（也就是Test=0）時(shí)，數(shù)碼管才正常顯示。

3.3.5 小信號(hào)控制大電流電路

小信號(hào)控制大電流電路由三極管Q3 和繼電器J 組成，這時(shí)的三極管起開關(guān)作用，其通斷狀態(tài)由D 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)Q 決定，當(dāng)Q=1 時(shí)，三極管Q3 飽和導(dǎo)通，繼電器J 吸合，測(cè)試燈被點(diǎn)亮。因此測(cè)試燈與數(shù)碼管顯示“8”是同步的。

3.3.6 動(dòng)態(tài)顯示電路

這里的動(dòng)態(tài)顯示，是指利用人眼的殘留時(shí)間，讓數(shù)碼管間歇顯示而人感覺(jué)不出來(lái)，從而達(dá)到減小電路功耗的目的。

動(dòng)態(tài)顯示電路由IC7、Q1、Q2 組成。實(shí)際上這是一個(gè)斬波電路，它利用三極管開關(guān)電路，把直流電壓斬波成脈沖電壓給數(shù)碼管供電，從而使數(shù)碼管間歇顯示。該電路中，由IC7（555 時(shí)基電路）構(gòu)成多諧振蕩器[6]，輸出矩形脈沖，經(jīng)Q1 放大后，控制Q2 的通斷，使數(shù)碼管的供電電源由+12V 直流電壓變成約+10V 的脈沖電壓，從而使供電電流大幅減小，達(dá)到減耗目的。

圖5：小數(shù)碼管直接驅(qū)動(dòng)

圖6：大數(shù)碼管擴(kuò)流驅(qū)動(dòng)

圖7：ULN2003 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

調(diào)整100K微調(diào)電阻，可改變多諧振蕩器的振蕩頻率，頻率越低，供電電流越小，數(shù)碼管顯示越暗。當(dāng)頻率過(guò)低，矩形脈沖的周期大于人眼的殘留時(shí)間（0.02 秒）時(shí)，數(shù)碼管顯示就會(huì)閃爍。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)競(jìng)賽題的解析，展示電子技術(shù)中的一些基本知識(shí)的實(shí)際綜合應(yīng)用，以資為學(xué)生或電子愛(ài)好者在電子技術(shù)實(shí)際應(yīng)用方面提供參考。