流水灯电路的设计与实现

实验题目：流水灯电路的设计与实现

课程简要信息

课程名称：电工学实验（III）

课程学时：32学时

项目学时：课内8学时+课外4学时

适用专业：飞行器动力工程、飞行器制造工程等

学生年级：大二（第4学期）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

该实验为电工学实验（III）课程中的综合设计项目，以555定时器组成的多谐振荡器为基础电路，完成频率和占空比均可调的流水灯电路的设计与仿真、制作与调试。该电路主要包括四个部分：电源电路、脉冲信号产生电路、脉冲分配电路和LED显示部分。+5V的电源由实验室直流稳压电源提供，学生需要完成其它三个部分的设计和制作。

实验的主要任务有：

1）设计脉冲信号产生电路。在555定时器组成多谐振荡器应用的基础上，要求学生对原始电路进行改进，设计频率范围为5～15Hz,占空比为40%～60%可调的振荡器电路。

2）设计脉冲分配电路。通过查找资料学习十进制计数器/脉冲分配器CD4017的工作原理及引脚功能，了解其作为顺序脉冲发生器的使用方法。

3）设计LED显示电路。将CD4017的10个输出端接发光二极管（LED）以呈现流水灯的效果。学习发光二极管的工作原理和使用方法，不同颜色的发光二极管具有不同的工作电压和电流，需要学生查找资料并计算选取合适的分压限流电阻。

4）将设计好的电路进行Multisim仿真测试。

5）在PCB板上完成电路的制作、安装和测试。对于学有余力的同学，可采用洞洞板或其它方案完成制作（提高要求）。

实验过程及要求（限300字）

1. 课前发放设计任务，要求学生在课前查找资料，自学个单元模块的相关知识。

2. 简单讲解电路原理和设计注意事项，指导学生进行电路设计及仿真测试。

3. 电路方案确定之后领取元器件，焊接前进行元器件的检查与测试。

4. 领取焊接工具及材料，进行电路的焊接与制作。

5. 焊接完成后，学生需要进行通电前的检查，包括焊点的质量、器件的型号、有极性的元件是否装反等。

6. 搭建测试环境，接通电源，利用万用表、直流稳压电源、示波器对电路进行调试与测试。

7. 改变电位器的阻值大小，观察流水灯的闪烁效果，记录示波器显示的波形测试结果。

8. 现场进行操作展示和验收，回答教师的提问。

9. 课后撰写设计总结报告。

相关知识及背景（限150字）

该实验是面向飞动、飞制等非电类专业学生开设的综合设计项目，运用电工学所学理论知识，以机场助航灯光系统中进近中线灯的闪烁效果为设计原型，将555多谐振荡器作为核心电路设计频率、占空比可调的流水灯电路。该实验项目将理论知识应用于实践，运用虚拟仿真技术进行电路设计，并完成电路的制作以增强学生的工程实践能力。

实验环境条件

实验工具：电烙铁、焊锡丝、斜口钳、吸锡器、镊子、螺丝刀

实验仪器设备：万用表、直流稳压电源、示波器、计算机

设计软件工具：Multisim仿真软件

主要电子元器件及配件：NE555、CD4017、二极管、电阻、电位器、电容、排针、电路板等

教学目标与目的（限150字）

巩固学过的电工学理论知识，并能将这些理论知识应用于实践，进行简单的电路设计。在实验过程中，使学生了解常用元器件的选型方法，掌握手工焊接技术，电路的制作和调试技能，学会查找和排除电路故障，撰写实验总结报告。培养学生的动手能力、分析与解决问题的能力，并融入创新意识、科学素养、工匠精神和劳动精神等内容。

教学设计与实施进程

本实验是一个比较完整的工程实践项目，在555定时器的基本应用——多谐振荡器原始电路的基础上，引导学生对电路进行改进和创新，将其作为控制流水灯的核心电路，结合脉冲分配器CD4017设计并制作出振荡频率、占空比可调的流水灯电路。需要经历学习研究、方案设计与仿真、电路焊接与调试、验收与总结等过程。由于本实验面向对象为非电类工科学生，仅具备电工学理论的专业知识基础，因此在实验方案、设计难度的设置上较电类专业有所降低。教学设计和实施进程具体如下：

• 课前预习（课外2学时）：

课前发放设计任务，要求学生自主学习流水灯各单元模块相关知识。思考以下问题：

① 555多谐振荡器振荡频率和占空比的决定因素？

② CD4017作为顺序脉冲发生器的使用方法？

③ 发光二极管的使用注意事项？

在此阶段，学生需要准备Multisim仿真软件，并熟练掌握手工焊接技术。教师准备实验用的仪器设备与焊接工具及元器件。

• 教学引导（课内4学时）：

1. 课上讲解实验设计背景——机场助航灯光系统，由此引入课程任务的主题。

2. 从原始的多谐振荡器电路讲起，层层递进，逐步加上占空比可调、振荡频率可调的功能，引导学生设计出振荡频率、占空比可调的脉冲信号产生电路结构。

3. 设计脉冲分配电路和LED显示电路。这里提醒学生关注不同颜色LED指示灯的工作电压和电流不同，应为LED选取合适的分压限流电阻，并区分LED共阳极接法和共阴极接法的区别。将这两个单元电路与脉冲发生电路组合，完成电路的初步设计。

4. 由于学生没有电路设计基础，需要给学生提供理论计算实例，使学生对于电路设计时电阻、电容大小数量级的选取有一定的概念。然后由学生根据任务指标自行计算出电阻、电容元器件的参数，并搭建仿真电路进行测试验证。仿真测试后提醒学生将仿真结果与理论计算结果进行对比分析，找出误差存在的原因，借此培养学生严谨细致的科学素养。

5. 确定电路设计方案，指导学生根据元器件的常用标称值系列选定元器件参数。

• 课堂实践（课内3学时）：

1. 学生动手操作前，教师首先进行安全教育和焊接注意事项的讲解。要求学生关注焊接质量和组装工艺，以精益求精的大国工匠精神激励学生。

2. 学生根据电路图完成电路的焊接制作。提供PCB板和万能板两种制作方式，由学生自主选择。对于PCB版，学生只需进行焊接，不需要布线；对于有电路制作基础的学生，可以选择万能板进行布线制作。

3. 电路制作完成检查无误后，指导学生通电测试记录数据。将实测结果再次与仿真结果进行对比，使学生体会理论与实际的区别。同时揭晓仿真结果与理论计算产生误差的原因。如果不能正常实现电路功能，指导学生采用断电直接观察、通电测量电压、信号跟踪等方法排除故障。并鼓励同学之间相互查找、解决问题。

• 验收与总结（课内1学时+课外2学时）：

1. 学生自主测试无误后找教师现场验收，学生进行操作展示，教师针对实验情况进行提问。

2. 学生完成设计报告，记录实验数据，总结实验收获。

图1展示了学生焊接和验收的场景。

图1 学生焊接、验收图片

实验原理及方案

1. 系统框图

该实验采用555定时器组成的多谐振荡器产生脉冲信号，作为十进制计数器/脉冲分配器CD4017的时钟信号来控制LED流水灯的闪烁变化。系统框图如图2所示。

图2 流水灯电路系统框图

2. 实现方案

电源部分（+5V）由实验室配备的直流稳压电源提供，不需要学生进行设计。

555组成的多谐振荡器是一种比较常见的脉冲信号产生电路，电路原理图及波形图如图3所示。该电路的工作原理是利用电容C充放电过程中电容电压uC的变化来改变加在高低电平触发端（6脚/2脚）电平的变化，使555定时器内的状态置“1”、置“0”，从而在输出端uo（3脚）获得矩形波。

了解充放电电路有助于加深对原理的理解。

充电电路：UCC→R1→R2→C→“地”，充电时间：tp1≈0.7（R1+R2）C

放电电路：C→R2→T→“地”，放电时间：tp2≈0.7R2C

该电路输出波形的周期为，振荡频率，占空比。

图3 多谐振荡器电路图及波形图

图4中，用D1和D2两只二极管将电容C的充放电电路分开，并接入一电位器RP，即可组成占空比可调的多谐振荡器。此时，充放电电路分别为：

充电电路：UCC→→D1→C→“地”，充电时间：tp1≈0.7C

放电电路：C→D2→→T→“地”，放电时间：tp2≈0.7C

占空比，当时，q=50%。

进一步地，为了使振荡频率可调，将固定电阻R1和R2分别替换为电位器RP2和RP3，如图5所示。

图4 占空比可调的多谐振荡器 图5 频率、占空比均可调的多谐振荡器

555多谐振荡器产生的脉冲信号作为CD4017的时钟输入CP。CD4017是一种十进制计数器/脉冲分配器，其引脚功能如图6所示。VDD为正电源，Vss为接地端，Q0～Q9为计数脉冲输出端，CO为进位脉冲输出端，CP为时钟输入端，CR为复位引脚，INH为禁止端。

根据表1所示的CD4017功能表，CP触发计数器计数，CR用于将计数器复位为0。当CP引脚接收到上升沿时，计数器会递增1，同时输出引脚Q0～Q9中的一个将变为高电平，其余输出引脚将变为低电平，如图7所示。当有连续脉冲输入时，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。

图6 CD4017引脚功能 图7 CD4017输出波形图

表1 CD4017功能表

CD4017输出端Q0～Q9接发光二极管。不同颜色发光二极管的工作电压和电流不同，以红色发光二极管为例，工作电压约为1.8V左右，工作电流范围为5～20mA，假设工作电流为6mA，分压限流电阻Ω。实际电路中，适当增大该电阻，亮度变低，适当减小该电阻，亮度变高。

流水灯电路的仿真电路图如图8所示。在LED显示部分，发光二极管为共阳极接法，当CD4017输出高电平时，所接的LED熄灭，因此流水效果为逐个熄灭。

图8 流水灯仿真电路

以图8电路中的元件参数为例，根据振荡频率，调节RP2和RP3可改变555输出脉冲信号的频率范围，理论计算结果为：

当RP2= RP3=0Ω时，=100kΩ，C=680nF，fmax=21Hz；

当RP2= RP3=200 kΩ时，=500kΩ，C=680nF，fmin=4.2Hz。

频率越大，流水灯闪烁速度越快，反之流水灯闪烁速度越慢。图9为当RP2= RP3=0Ω，RP1上=50kΩ时的仿真结果，此时频率应最大，占空比为50%。实测频率为17.4Hz，与理论值21Hz存在误差，该误差的产生原因主要是由于理论计算中忽略了二极管的导通电阻导致的。

图9 流水灯电路仿真测试结果（RP2= RP3=0Ω，RP1上=50kΩ）

调节RP1可以改变555输出脉冲信号的占空比，当RP2= RP3=100kΩ时，输出脉冲占空比的范围为33.3%～66.7%，与充电电容C1的大小无关。图10所示结果为RP2= RP3=100kΩ，RP1上=0Ω时，占空比约为33.3%，与理论计算结果一致。

图10 流水灯电路仿真测试结果（RP2= RP3=100kΩ，RP1上=0Ω）

实验电路的焊接与制作。图11为近两年学生完成的流水灯电路作品，进行了一轮授课后，将流水灯电路的PCB板的外形改为了小飞机的样式。

图11 近两年学生制作的流水灯电路

学生完成的作品利用万用表、示波器进行波形测试并观察流水灯的闪烁效果，如图12所示。

图12 流水灯电路的测试

实验报告要求

实验报告的规范性与完整性是考核的一项指标，需要反映以下工作：

1. 实验目的：通过此次实验掌握的知识和实验技能。

2. 实验内容（任务）：明确要实现的设计目标及任务。

3. 电路原理分析：简述实验电路各部分的原理，应包括对振荡频率、占空比的理论推导计算。

4. 实验操作步骤：描述完成整个项目的步骤，包括实验准备、电路分析与设计、仿真与测试，器件选型与焊接、调试与测试。

5. 实验结果：包括实验仪器测试结果以及流水灯电路实际效果的记录。

6. 实验总结：总结实验过程中出现的问题与实验收获。

考核要求与方法（限300字）

该实验内容为电工学实验课程中的综合设计项目，占总成绩的20%，共20分。

1. 性能指标：功能与性能指标的完成程度，振荡频率、占空比等指标是否满足基本要求，5分。

2. 作品质量：焊接质量和组装工艺，重点考核焊点大小是否一致、光滑、平整，元器件安装是否整齐、美观，4分。

3. 实物效果：发光二极管是否全部点亮，闪烁效果，3分。

4. 线上测试：线上平台测试题完成情况，1分。

5. 实验报告：实验报告的规范性与完整性，5分。

6. 提高要求：采用万能板制作，或选用其它方案，2分。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

1. 引导学生对基本电路进行改革、创新，并以流水灯的形式实现，有助于培养学生理论应用于实际的能力和创新能力。

2. 用流水灯电路模拟机场助航灯光系统中进近中线灯的闪烁效果，具有一定的实用性和趣味性。

3. 将虚拟仿真技术与电路设计制作相结合，增强学生动手能力的同时使学生获得了成就感，激发了学生的学习兴趣。

附件1 证明材料

图13 学校线上平台课程计划