电子技术基础知识的综合应用实例

2020-02-05符庆

电子技术与软件工程 2020年7期

关键词：译码器三极管数码管

符庆

（海南科技职业大学特种机器人工程技术中心海南省海口市 570216）

1 引言

电子技术是社会文明现代化进程中必不可少的技术。本文对2018年海南省电子设计竞赛中的其中一题进行解析，并结合实际电路制作经验，就电子技术一些基础知识的综合应用做了探讨，兹以本文进行阐述。

2 2018年海南省大学生电子设计竞赛J题[1]

无线遥控比分牌

2.1 任务

以数字IC 为核心，用无线遥控组件、大数码管、数模混合IC等，设计制作一套体育竞赛用的无线遥控数码管显示的比分牌（如图1 所示）。

2.2 要求

2.2.1 基本要求

（1）遥控部分采用四路无线遥控组件，图2 为接收器输出端子示意图。

（2）用发射器遥控比分的翻动，A 键对应A 队得分，B 键对应B 队得分。每按一次按键加1 分。

（3）数码管必须是不小于1.5 吋的绿色管，正常显示时无闪烁感，字段亮度均匀，清晰可辨。

（4）两个冒号点为绿色Φ5 LED。

（5）主电路使用一组12V 电源供电。

（6）其它功能要求：①C 键用于清零，清零后显示为“0:0”；②D 键用于测试，按D 键时显示为“88:88”，且能自锁，再按D键时解锁；③具有无效零消隐功能。

（7）测试灯与前项中的②同步亮或灭。该测试灯为220V 白炽灯，功率不小于5W。

（8）主电路上同时配置与A、B、C、D 对应的手动按钮（手动D 键可不自锁）。

2.2.2 发挥部分

在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：

（1）为减小功耗，要求数码管为动态显示，动态频率在一定范围内连续可调。要提供测量端子，方便使用示波器来观测动态显示的波形和频率。

（2）通过调节频率可调节显示的稳定性及亮度，最大亮度时总电流I0≤570mA。

（3）就实用性而言，该比分牌如果要用于大球比赛场馆，应如何改进？此项不做电路要求，但要求参赛者在设计报告中体现自己的设计方案。

2.3 说明

（1）无线遥控组件可购买成品的套件。

（2）只允许使用1 个接收器，且不允许使用带“学习功能”的接收器。

（3）不允许使用单片机，只允许选用数字IC、模拟IC、数模混合IC。

图1：无线遥控比分牌

图2：接收器

图3：解题整机电路原理图

图4：CD4033 管脚排列

（4）常规元器件方面，电阻、电容、三极管、二极管等不限。

3 解题过程

3.1 设计思路

（1）首先根据题目对遥控器各按键的功能要求，应选用点动型的无线遥控组件。再根据接收器各输出信号的功能，采用与门选通方法，使各按键能独立起作用。

（2）采用十进制数码管计数译码器带动七段数码管显示比分数字。同时，该计数译码器要有无效零消隐功能。

（3）综合考虑计数译码器的选用和发挥部分的要求，七段数码管选用共阳极型的。

（4）由于大数码管需要的驱动电流大，而计数译码器的输出电流有限，不能直接驱动大数码管，因此需要在计数译码器与数码管之间插入驱动器。

（5）采用D 触发器，实现测试灯的自锁功能。

（6）用三极管开关电路，把直流电压斩波成脉冲电压给数码管供电，达到数码管的动态显示要求。

3.2 整机电路原理图

整机电路原理图如图3 所示。

3.3 单元电路解析

3.3.1 指令信号选通、变换电路

对于点动型的无线遥控组件，当按发射器上的某个按键时，接收器对应的输出信号为高电平（其它端子为低电平），同时在VT端给出一个指令有效的脉冲。当松开该按键时，对应的输出回归低电平。由于后面的电路需要的是脉冲信号，因此采用与门来组成指令信号选通、变换电路，把按键信号A、B、C、D 变换成脉冲信号A0、B0、C0、D0，见图3 电路中的IC5（CD4081），CD4081 是一片四二输入与门。如果不插入该变换电路，会由于按键抖动或接触问题而产生误动作。

3.3.2 计数译码器电路

计数译码器IC1、IC2、IC3、IC4 是该电路的核心器件，采用CD4033[2]，这是一片十进制七段数码管计数译码器，其管脚排列见图4。

电路刚通电时，由于第15 脚接有自动复位电路（R1、C1），且IC2、IC4 有消隐功能，数码管显示为“0:0”。之后通过遥控或手动输入指令，数码管做相应显示。

3.3.3 数码管驱动电路

显示器件为四个七段数码管[3]。如果是1 吋以下的小数码管，计数译码器CD4033可以直接驱动，但要用共阴极型的，如图5所示。

而对于大数码管，由于计数译码器的输出电流有限，不能直接驱动，必须插入驱动芯片ULN2003，ULN2003 实际上是起扩流作用，而这时的数码管要采用共阳极型的，如图6 所示。

ULN2003 的内部结构[4]如图7 所示（实际上是7 个NPN 型扩流三极管），其第9 脚为测试端，当第9 脚接地时，电流不流经扩流三极管，而是流经数码管的所有字段及各限流电阻后经内部二极管入地，这时显示为“8”。

另外，从理论上讲，共阳极或共阴极型数码管的各字段都可以共用一个限流电阻，但这样做的话会有各字段亮度不均匀的现象，因此要分别各串联一个限流电阻。

3.3.4 测试自锁电路

测试自锁功能由D触发器[5]达成。图3电路中的IC8（CD4013），是一片双D 触发器，本电路只用了其中一个。D 触发器的功能是：每来一个触发脉冲，其输出状态翻转一次。而没有触发脉冲时，其输出状态保持不变，这就是自锁功能。当它的输出状态Q=1 并保持时，计数译码器CD4033 的第14 脚Test=1，显示“8”。只有当Q=0（也就是Test=0）时，数码管才正常显示。

3.3.5 小信号控制大电流电路

小信号控制大电流电路由三极管Q3 和继电器J 组成，这时的三极管起开关作用，其通断状态由D 触发器的输出状态Q 决定，当Q=1 时，三极管Q3 饱和导通，继电器J 吸合，测试灯被点亮。因此测试灯与数码管显示“8”是同步的。

3.3.6 动态显示电路

这里的动态显示，是指利用人眼的残留时间，让数码管间歇显示而人感觉不出来，从而达到减小电路功耗的目的。

动态显示电路由IC7、Q1、Q2 组成。实际上这是一个斩波电路，它利用三极管开关电路，把直流电压斩波成脉冲电压给数码管供电，从而使数码管间歇显示。该电路中，由IC7（555 时基电路）构成多谐振荡器[6]，输出矩形脉冲，经Q1 放大后，控制Q2 的通断，使数码管的供电电源由+12V 直流电压变成约+10V 的脉冲电压，从而使供电电流大幅减小，达到减耗目的。