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1、1.广告牌的发展 1.1国际研究状况 当前，信息化建设在各地蓬勃发展，作为信息发布的终端显示设备，LED(发光二极管)显示屏己经广泛应用于工作和生活的各个方面，主要用于显示文字、图像、动画等。 LED显示屏是20世纪90年代出现的新型平板显示器件，由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳，使它在公众多媒体显示领域一枝独秀，因此市场空间巨大。LED显示屏的发展可分为以下几个阶段： 第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。 第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色
2、视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。 LED广告牌与传统的萤光灯箱和霓虹灯相比， LED用于广告牌虽然初装价格比较高，但其具有亮度高，寿命长和节能的特点。一些欧洲，美洲还有东南亚的灯具生产商和广告牌经营者看好这个产品的发展，并正在努力开发相关市场。 1.2国内研究现状 随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，
3、这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。在中国，LED广告牌产品未来的发展良好，以前在城市的街道看到的广告牌，大多还是传统的灯箱，但是现在我们看到的大多是漂亮的LED广告牌，近几年它的发展速度更是惊人的，相关的LED的生产规模也日益扩大，整个行业都在蓬勃发展。 2.电路各部分原理 用555构成的多谐振荡器产生方波脉冲， CD4017计数器输出的顺序脉冲驱动彩色发光二极管发出流水式的循环组合闪烁效果。并可以根据需要设计出若干种亮灯模式，利用电位器调节亮灯的频率，然后驱动各种颜色的灯亮或灭，还可以根据不同场合和时间来调节亮
4、灯频率和亮灯时间。 2.1单相桥式整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中（1kw以下）中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。这里主要研究单相桥式整流电路。 以下分析整流电路时，为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 2.1.1 工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，是工程上最常用的单相整流电路。电路如图2.1所示，图中电源变压器的作用是将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只
5、整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 图2.1 单相桥式整流电路及其简化画法 整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图2.1的电路可知： 当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周； 当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。 在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的电流与电压波形见图2.2。 2.1.2参数计算 根据图2.2可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。其输出平均电压为 (2-1) 图2.2 单相
6、桥式整流电路的电流与电压波形 流过负载的平均电流为 （2-2） 流过二极管的平均电流为 （2-3） 二极管所承受的最大反向电压 （2-4） 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。 （2-5） （2-6） 2.2 滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。 2.2.1电容滤波电路 图2.3为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压v
7、c对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。 图2.3 滤波电路的基本形式 （a）C型滤波电路 （b）倒L型滤波电路 （c）型滤波电路 图2.4 桥式整流、电容滤波电路 2.2.2电容滤波电路的特点： 1. 二极管的导通角 VR1、vI2 VR2时，比较器C1的输出vc1=0、比较器C2的输出vc2=1，SR锁存器被置0，TD导通，同时vo为低电平。 当vI1 VR2时，vc1=1、vc2=1,锁存器的状态保持不变，因而TD和输出的状态也维持不变。 当vI1 VR1、vI22Vcc/3 2Vcc/3 Vcc/3 Vcc/3 低 低 不变 高 高 导通 导通 不变 截
8、止 截止 表2-1 CB555的功能表 为了提高电路的带负载能力，还在输出端设置了缓冲器G4。如果将vod端经过电阻接到电源上，那么只要这个电阻的阻值足够大，vo为高电平时vod也一定为高电平，vo为低电平时vod也一定为低电平。555定时器能在很宽的电源电压范围内工作，并可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压范围为516V，最大的负载电流达200mA。CMOS型7555定时器的电源电压范围为318V，但最大负载电流在4mA以下。 可以设想，如果使vc1和vc2的低电平信号发生在输入电压信号的不同电平，那么输出和输入之间的关系将为施密特触发特性；如果在v12加入一个低电平触发信号以
9、后，经过一定的时间能在vc1输入端自动产生一个低电平信号，就可以得到单稳态触发器；如果能使vc1和vc2的低电平信号交替地反复出现，就可以得到多谐振荡器。 2.4.2用555定时器接成的多谐振荡器 多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源后，不需要外加触发信号（即没有输入信号），便能自动产生矩形脉冲，由于矩形脉冲中含有丰富的高次谐波分量，所以称为多谐振荡器。如下图，先将555定时器构成施密特触发器，再将施密特触发器的输出端经RC定时器的vI1和vI2连在一起接成施密特触发器，然后再将vo经RC积分电路积分电路接回到它的输入端，即可构成多谐振荡器，因此，只要将555接回输入端就可以了。且其电容C的
10、电压Vc将在VT+和VT-之间反复振荡。 图2.10 用555接成的多谐振荡器电路 图2.11 多谐振荡器的工作波形 电容电压VC与输出电压VO的波形如下图所示。 充电时间： (2-10) 放电时间： (2-11) 振荡周期：T=T1+T2=(R1+2R2)Cln2，振荡频率：f=1/T (2-12) 占空系数： (2-13) 通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率约500kHz，用CB7555组成的多谐振荡器最高振荡频率也只有1MHz。因此用555定时器接成的振荡器在频率范围方面有较大的局限性，高频的多谐振荡器仍然需要使用高速门电路接成。 由上面的式子
11、求出输出脉冲的占空比为q=T1/T2=(R1+R2)/(R1+2R2) 上式说明，图四电路输出脉冲的占空比始终大于50%。为了得到小于或等于50%的占空比，可以采用它的改进电路。 实验数据及分析结论:多谐振荡器实验电路如下图所示。 图2.12 多谐振荡器实验电路 图2.13 多谐振荡器实验电路波形 仿真结果分析及其结论:图所示电路构成的多谐振荡器的占空比始终大于50%，且在电容C充电时间里输出高电平；放电时间输出低电平。输出矩形波的频率取决于外接电阻、电容的值。 2.5 CD4017原理 图2.14 CD4017管脚介绍 在这里先介绍一下CD4017十进制计数译码集成块。IC CD4017 是
12、单端输入十进制计数、分配输出电路。CD4017为进口的双列直插16脚CMOS集成块，与国产的CC4017完全相同。其引出端功能及外型如图2.30所示。该集成块有3个输入端R(即MR)、CP（即CP0）、EN（即CP1）。其中R为复位端。当R加上高电平或正脉冲时，计数器中各技术单元全部复位至“0”状态。在译码器中只有对应“0”状态的输出端Y0为高电平。CP和EN是两个不同边沿计数的时钟输入端。用脉冲的上升沿计数时，信号由CP端输入（EN端必须接低电平）;用脉冲的下降沿计数时，信号由EN端输入（CP端必须接高电平），设置两个时钟输入端是为级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。 CD4017有10个
13、译码输出端（Y0Y9，即0009）, 计数状态由CD4017的十个译码输出端 Y0Y9 显示，每个输出端的状态与输入计数器的脉冲个数相对应。例如，输入5个脉冲时，如果计数器从0起步计数，则此时输出端中只有Y5为高电平，其余输出端均为低电平。为了级联，电路里还设有一个进位输出端CO（即O5-9）， 每输入10个计数脉冲， O5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。 十进制计数分频器CD4017，其内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是O0、O1、O2、O9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。 由此可见，当CD4017
14、有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。 2.6 发光二极管 2.6.1 发光二极管基础，特性及参数 1基础知识 图2.15(a)示出了用于表示LED的标准符号。当LED通以正向电流时，其两端就产生一个有效的正向电压（约2V），并且发出宽带极窄的可见光（通常是红、桔、黄、绿）或红外光。图2.15(b)所示为不同颜色的标准LED在通以20mA的正向电流时其典型的正向电压值。如果一只LED加上反向偏置，则它在一个相当低的电压值上将发生雪崩或齐纳击穿，如图2.15(c)所示。多数的LED所具有的最大反向电压额定值范围为3V5V。 （a） (b) (c) 图2.
15、15 (a)LED的符号 (b)各种颜色的标准LED的电压值 (c)反向偏置LED 图2.16 对给定的Vf和If求R值的方法 在使用中，LED必须与一个限流元件（如电阻）相串联。图2.16示出了如何根据已知的电源电压和给定的电流值去计算出所需的电阻值。在实际使用中，R既可以连接在LED的阳极上也可以连接在阴极上。LED的亮度与其通过的电流成正比。多数LED的最大安全工作电流值为30mA40mA。LED也可以在交流电路中作指示器用，但要把它与一只普通的二极管反向并联，如图2.17所示的那样，这样就可以防止LED被反偏。在交流电路中，对于某特定的LED的亮度，R的数值为同等条件下直流电路中所需R
16、的数值的一半。 图2.17 在交流电路中用一只LED作指示器 2. 特性及参数 （1）伏安特性。发光二极管的伏安特性与普通二极管大致相同，只是在正向特性的上升速率上略有差异。当所施正向电压未达开启电压时，电流就急剧上升，电流电压几乎呈线性关系，即发光二极管呈现欧姆导通特性，如图2.18所示。发光二极管的开启点电压通常称作正向电压，它决定于制作器件材料的禁带宽度，例如GaAsP红色LED约为1.7V，而绿色GaAsP的LED约为2.2V。LED的反向击穿电压一般大于5V，但为使器件长时间稳定而又可靠地工作，安全使用电压选择在5V以下。 图2.18 发光二极管的伏安特性 （2）光谱特性。发光二极管的光谱特性可用图2.19来描述。发光光谱有两个特点，一是峰值波长p直接决定着发光二极管的发光颜色；二是半宽度（即在光谱特性曲
