毕业设计（论文）音乐彩灯控制器.doc

摘要 电力电子技术产业作为当代高新技术尤其是信息技术产业与传统产业的接口，在国民经济中扮演着越来越重要的角色。此设计论述了彩灯的总体控制，彩灯将会随着音乐的节奏闪亮，大大的改善了人们的娱乐环境，人们将在音乐和灯光当中消除工作一天的疲惫，并且彩灯的控制不需要人为的操作控制，将会完全自动的运行，使人们感受到了娱乐场所的智能化，人性化。此设计采用了平时常用的集成电路，包括时钟电路、阶梯波电路、滤波器等等，将会很清晰的呈现出它的工作原理，它是电子技术的实例应用。关键词：电子技术 音乐 彩灯 集成电路。 AbstractAs the joint between the present hi-Tech industry especially the informationtechnology industry and tradition industry, power electronics industry has been playing amore and more important role in the country economy. Although this industry in Chinahas made some progress through developing more than 30 years, compared with thedeveloped countries the gap is still quite big. This industry can"t meet the demands of thecountry economy development in china. Constituting a series of systemic and scientificdeveloping strategy to speed this industry is the purpose of this paper. The importanteffects of this industry on country economy are discussed, the shaping and developingcondition of this industry is analyzed, and the advantages and disadvantages of thisindustry in China are pointed in this paper. On the basis of referring the advancedexperience of developed countries.keyword: electronic technique music illumination unicircuit 目录第一章 绪论11.1 音乐彩灯控制器的研究目的与意义1第二章 音乐彩灯控制器方案的确定22.1设计任务与要求：2第三章：音乐彩灯控制器系统设计33.1电源电路33.2音乐信号：43.3放大部分：53.4带通滤波器：62.5整流器的工作原理与设计:132.6阶梯波发生器:152.7比较器：222.8移位寄存器：252.9 数据选择器:282.10门电路：292.11三极管的开关特性:302.12发光二极管:302.13运放的选择:32第四章 结束语33致 谢34参考文献.37第一章 绪论1.1 音乐彩灯控制器的研究目的与意义 随着现在社会的发展，人们生活水平的提高，人们对娱乐环境的要求越来越高，娱乐环境中的灯光控制，成了一个重要的部分，为此，特意设计了关于音乐彩灯的控制，本设计要求，灯光根据音乐的高低起伏来进行花式闪烁，当有音乐时候，将音乐分成三个不同的频段，用以分别控制三组不同颜色的彩灯，高频段、中频段、低频段分别各自控制一组彩灯，这样使人们用灯光的颜色变化来感受音乐的不同频率变化；此外灯光的亮度将随着音乐幅度的强弱来实现7个梯度的变化，这样使人们将听觉享受转换成视觉上的享受，另外当无音乐信号时，通常都没有灯光变换，让人感觉很单调，本设计基于这点，另外还设计了无音乐时彩灯的花式闪亮。1.2 音乐彩灯控制的前景和发展方向在当今这个社会，音乐彩灯的发展方向非常广泛，各种娱乐场所，酒店，广场等，都采用了彩灯烘托环境的美好，尤其是在各类娱乐场所，灯光的配置几乎成了其硬件的主要部分，如果灯光的设计合理化，智能化，将会给客人以涣然一心的感觉，这种身心上的享受，将会成为娱乐公司抓住客户的必要手段，而音乐彩灯能在音乐的节奏下闪耀，更能给客人以全新的感觉。传统的彩灯都是机械的控制彩灯的闪亮，甚至还需要人为的操作开关，这种单调的控制方法，从目前社会的发展趋势看，已经越来越不能适应人们对物质生活和精神生活的追求了，彩灯在人们心中的地位也变得越来越不重要，不是因为它本身就没有什么存在的价值，而是因为它的智能化程度已经跟不上时代的潮流了，如果彩灯能与音乐完美的结合，将是怎样一种状况，如果音乐彩灯能与音乐喷泉一起飞舞一定让人更赏心悦目。此外，随着电子技术的高速发展，对于音乐彩灯的控制也就相当的容易了，无论是从技术上讲还是从需求上讲，音乐彩灯都有很高的发展前景。 第二章 音乐彩灯控制器方案的确定2.1设计任务与要求： 要求将音乐分成四个不同的频段，将彩灯分为四组，各组彩灯颜色不同，每组彩灯包含两个颜色相同的彩灯。 1 当音乐处于高频段 2000-4000HZ 第一组彩灯根据音乐幅度强弱不同产生不同的亮度； 2 当音乐处于中频段 500-1200HZ 第二组彩灯根据音乐幅度强弱不同产生不同的亮度；3 当音乐处于低频段 50HZ-250HZ 第三组彩灯根据音乐幅度强弱不同产生不同的亮度； 4 当音乐在这些频段之外，要求所有彩灯按照1HZ频率节奏性的闪烁； 5当无音乐输入的时候，要求6组彩灯顺序交替移动点亮；2.2 音乐彩灯控制器的程序流程： 首先将彩灯系分为6组，每组彩灯有两个灯，每组彩灯颜色不同，颜色分别为红、橙、黄、绿、蓝、紫，并且每组彩灯设置了两个彩灯以增加其效果。当有音乐信号时，将音乐信号进行放大，若音乐信号频率处于20004000HZ时，触发第一路彩灯使其点亮；当音乐信号处于500-1200HZ时，触发第二路彩灯使其点亮；当音乐信号处于50HZ-250HZ时，触发第三路彩灯并使其点亮；当不同频率的音乐信号在触发每组彩灯点亮的时候，产生一个阶梯波信号与整流后的信号进行比较，比较后产生一串数字信号，再将这串与400HZ的方波进行与，输出占空比不同数字信号，由于占空比不同，输出平均电压的大小也不同，这样就可以改变彩灯的亮度。当音乐信号处于这三个频段之外时，通过整流滤波产生一个高电平和1HZ的方波进行与使6组彩灯以1HZ的频率闪亮。当无音乐信号时，一个6位双向移位寄存器，以计数器和数据选择器进行设置，使6组彩灯双向移动闪亮。现在确定音乐彩灯控制器设计的总体方案，其结构框图如下:第三章：音乐彩灯控制器系统设计3.1电源电路由于本设计所用的电源为220V交流电，而设计所需芯片的工作电压大致在512V，故需要首先设计一个电压转换部分，将220V的交流电转换成5V，12V，相当于一个直流稳压源，以供数字和模拟芯片正常工作。其转换电路如下所示： 变压器变压，再经过全波整流电路和滤波电容得+12V和-12V直流电压作为运算放大器的电源。+12V经过W7805稳压后得到+5V的电压，供TTL数字集成电路使用。3.2音乐信号： 本设计中采用MP3输入音乐信号 ，这种信号电压幅度大约是020mV，所以之后必须对信号进行放大才能对彩灯进行控制。 方案一：直接输入。方案二：音乐信号由麦克输入：本实验中音乐信号的输入由小话筒实现,外界的音乐信号通过麦克将声音信号转换成为一定的电信号以驱动后面电路随音乐进行变化。话筒上有两个引脚，一引脚接地，另一引脚输出由话筒转化成的电信号。话筒本身是有源器件，不需要外加直流电源。为了将比较微小的语音信号体现得比较清楚，在输出端给一个外加的直流电源，与1K电阻相连后接到输出端，相当于加一个直流分量。方案比较：由于考虑到麦克干扰比较大，效果不是特别理想，频率和幅度都不能达到理想的要求，相比之下MP3音乐信号纯度较好，而且存在小于10mV的语音信号，所以把它作为语音信号的输入部分。3.3放大部分： 由于音乐信号的幅度十分有限,仅为十几毫伏,为了驱动后面的电路,必须将输入信号放大后再经过选频等一系列处理。 放大电路可以采用很多的形式，比如LM339芯片，普通的三极管放大等等。由于无特殊要求,故本设计只选用普通的反相放大器即可.具体电路如图二所示:（以放大50倍为例）。 3.4带通滤波器： 要求将音乐分为三个不同的频段，所以必须设计一个适用的带通滤波器，对音乐进行滤波，这个带通滤波器的效果将直接影响彩灯的闪亮效果，所以是本设计的核心部分，参数设计也是本设计中的难点。 滤波器是对输入信号的频率具有选择性的一个二端口网络，它允许某些频率次（通常是某个频率范围）的信号通过，而其他频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。这些网络可以由RLC元件或RC元件构成的无缘滤波器，也可以由RC元件和有源器件构成的有源滤波器。 根据幅频特性所表示的通过或阻止信号频率范围的不同，滤波器可分为低通滤波器（LPF），高通滤波器（HPF），带通滤波器（BPF），和带阻滤波器（BEF）四种。从实现方法上可分为FIR，IIR滤波器。从设计方法上可分为切比雪夫滤波器，巴特沃思滤波器。从处理信号方面可分为经典滤波器和现代滤波器。 在这里介绍两种具体的滤波器设计方法： （1）切比雪夫滤波器：是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器”，在阻带波动的为“II型切比雪夫滤波器”。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。 这种滤波器来自切比雪夫多项式，因此得名，用以记念俄罗斯数学家巴夫尼提·列波维其·切比雪夫（ ）。（2）巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提出的。 巴特沃斯滤波器的特性巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上,从某一边界角频率开始,振幅随着角频率的增加而逐步减少,趋向负无穷大。无源滤波器与有源滤波器的比较无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。、方案一：原理图如下:低频段窄带低通电路通带与阻带的幅度对比滤波效果较为理想,过渡带较窄,阻带衰耗较大,基本满足选频要求, 设计参数:频段R1C1R2C2低32K0.1U6.4K0.047U中32K0.1U2.8K0.1U高8.2K0.01U8.2K0.047U 高频段与中频段的实验效果与低频段相似,均较为理想.改进:由于只需要对音频信号分为三个频段,而带通滤波器对设计电路的要求较高,所以用一个高通和一个低通滤波器代替原来高频和低频的两个带通滤波器.这样使相同阶数下滤波器的效果更加理想而不降低题目要求.由此得出以下方案. 方案二：采用有源带通滤波电路来实现。如下图所示，该带通滤波电路由低通与高通滤波器级联得到。其上限截止频率取决于低通滤波器，下限截止频率取决于高通滤波器。选取合适的RC值即可实现要求的带通频率。该方法的优点是：用该滤波方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器，但该实验的带通都较窄。高低频率的参数计算公式：二阶有源滤波器的低通滤波： 高通滤波： 计算后得具体数值为：频段R1=R2R5=R6R3=R7R4=R8C3=C4C1=C2低频60 K300 K10 K15 K001F001F中频32K6.4K 10K15 K0.1F0.1F高频8k4010k15k1F001F方案三：查阅相关资料得知，带通滤波器的带宽越窄，选择性越好，也就是电路的品质因数Q越高。其中Q=foBW ； Fo= ； BW=FhFl 。鉴于此，改用下述带通滤波，以实现窄而稳定的通频带，符合实验要求。这种电路的优点在于改变Rf和R1的比值就可改变频宽而不影响中心频率。带宽较窄，选择性好。方案四:根据题目要求，考虑到高阶滤波对非选通频率的衰减大，我们设计了四阶的带通滤波器参数。具体参数如下所示： R1 R2 R3 C1 C250250HZ 15K 22K 165K 0.01U 0.1U 5001200HZ 15K 20K 30K 0.01U 0.01U20004000HZ 1.8K 22K 8.1K 102J 0.01U 四阶带通滤波器方案比较： 方案一的集成度高，选择性好，稳定度高，但价钱较高，对于该实验而言，需要三片芯片，会造成成本太高，不适宜产品的普及。方案二至方案五各有优缺点，经过在面包板上模拟，发现对于高中频段，二阶有源滤波效果就可以满足要求；对于低频段，由于低频段较小，可以不做选择，故采用低通滤波实现上限截频。实验最终原理电路,滤波器部分:这种波是根据切比雪夫滤波器的原理所实现的，它和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，虽然通频带内存在幅度波动，但对本设计的影响不大。一般的滤波器分为带通滤波和带阻滤波，高通滤波和低通滤波，而高通滤波器和低通滤波器并联就形成带阻滤波器，高通滤波器和低通滤波器串联变形成了如上所示的带通滤波器。该方法的优点是：用该滤波方法构成的带通滤波器的通带较宽，通带截止频率易于调整，因此多用作测量信号噪声比的音频带通滤波器。高低频率的参数计算公式：二阶有源滤波器的低通滤 高通滤波： 。频段R1=R2R3=R4R5=R6R7=R8C1=C42C3=C4 低频60 K300 K10 K15 K001F001F 中频32K6.4K 10K15 K0.1F0.1F 高频8k4010k15k1F001F 2.5整流器的工作原理与设计: 方案一：由于只有直流信号才可比较，因而信号在进入比较器之前需进行整流，将交流音乐信号转为直流信号进行比较。精密整流器精密整流器该部分电路由线性半波整流跟一加法器级联得到。其中D1，D2，R构成A3的反馈网络，2R作为级间反馈。R1，R2作为运放同相输入端的平衡电阻。当Vi为负值时，A3反向输出，Uo1为正值。D2因反向偏置而截止，D1受正向压降作用而导通。（由于集成运放的开环电压放大倍数很高，即使Vi的输入值很小，也可产生很大的Uo1使D1导通）。此时，D2，R形成的回路断开，Uo2近似为0，由A3形成的放大电压对A4基本无影响。输入电压经2R加在A4的反向输入端，经A4反向放大输出，从而得到正向电压Uo。当Ui为正值时，A3反向输出，Uo1为负值。此时，D1反向偏置截止，D2受正向压降作用导通，Uo2为负值。从而Uo3为负值，经A4反向放大输出，得到正向电压Uo。利用集成运放虚地、虚断、虚短的特性，不难得出输出电压Uo与输入Ui在数值上呈线性比例关系，即整流器输出全波成比例正的直流信号。我们知道，利用半导体二极管的单向导电性，可以组成整流电路，把交流变成直流。但是二极管的门限电压约为0.7V，当被整流的信号电压低于门限电压时，二极管截止，整流作用消失，即使被整流的电压值大于0.7V，由于二极管的弯曲，还会产生非线性误差。但利用该集成运放电路可有效地克服这两方面的缺点。因而在整流器的选取上，采用该精密全波整流器，可以更好的进行后继工作。方案二：当音乐信号不这三个频段之内，同样需要对音乐信号进行整流，这时整流已经不需要前面的要求，由于前面的精密整流器成本高，所以现在我们采用桥式整流滤波： 桥式整流滤波方案比较：将音乐信号分为三个频段来进行滤波，用于控制不同颜色的彩灯，此外还要控制彩灯的亮度，整流器直接影响到灯光的效果，对整流器的要求比较高，所以应采用精密整流器。而当音乐频段不在那三个频段之内时，整流器的作用只是用于简单的整流，滤波，将信号成一个持续的高电平信号，对整流器的要求并不是那么高，所以从经济成本上来考虑应该采用桥式整流滤波。2.6阶梯波发生器: 设计要求根据音乐信号的大小控制彩灯的亮度。因而想到用一阶梯波发生器产生7个阶梯，作为参考电压与音乐信号进行比较，从而决定了比较器输出的高电平的个数，最终由平均电压大小来控制灯的亮度。每次输出不同的高电平个数，从而产生一串占空比不同的数字信号，由于占空比不同，从使平均电压的大小发生7个不同的变化，将灯的亮度分为7个程度，本设计采用555时钟脉+计数器（74LS161）+DA转换器（DAC0832）作为阶梯波发生器的组成部分，这样产生的阶梯波，波形比较规整，产生的最高电平是+5V。时钟脉冲：在数字系统中，经常要用到不同宽度和幅度的矩形脉冲波形，矩形波的产生、整形和变换的电路形式很多，现在介绍555集成定时器的组成和功能以及由集成定时器构成的多谐振荡器。 CC7555定时器定时器有8个端子，其引线端子摆列如图：1端接地;2端为低触发端TR；3端为输出端OUT；4端为复位端CO；6端为高触发端TH；7端为放电端D；8端为电源点压UDD。 现在讲解其基本功能，当复位端R=0,输出OUT=0，放电管导通，其他输入端不起作用。当TH端大于2/3UDD，TR端电压大于1/3时，R=1，S=0，RS触器被置0，输出低电平，放电管VT导通，D端对地短路。当TH端电压下降到小于2/3UDD时，只要TR电压大于1/3UDD，触发器状态不变，输出仍然为低电平，如果TR引入负脉冲，则触发器翻转，输出为高电平，放电管VT截止。CC7555定时器逻辑功能表如下：高触发端TH低触发端TR复位端R输出OUT放电管VT×× 0 0导通2/3UDD1/3UDD10导通2/3UDD1/3UDD1保持保持×1/3UDD11截止多谐振荡器： 多谐振荡器是一种不需外加触发信号便能自动地、周期性翻转，从而产生连续矩形波的电路，由555定时器构成的多谐振荡器如图（a）。 设接通电源时，Uc=0，故U6=U21/3UDD,U0为高电平。放电管VT截止，电容C将被充电，充电回路为UDDR1R2C地，电路处于第一暂稳态，随着C的充电，电容C两端电压Uc逐渐升高，当Uc2/3UDD,即U6=U22/3UDD，U0为低电平，此时，放电VT由截止转为导通，电路C放电，放电回路为CRVT地，电路处于第二暂稳态，C放电至Uc1/3UDD后，电路又翻转到第一稳态，电容C放电结束，C再次被充电，电路重复上述过程。由理论分析得知： T1=0.7(R1+R2)C; T2=0.7R2C; T=T1+T2 =0.7(R1+2R)C;计数器：74LS161是一同步4位二进制计数器，下面介绍几种利用它构成N进制的计数方法： 反馈归零法：反馈归零法是利用芯片的复位端CR使之归零的一种方法，当计数器计数到N种状态后，它的下一个状态要通过门电路使CR=0，即直接置0，计数器的第N+1种状态是计数器的最初状态。 预置数归零法：预置数归零法利用的是芯片的预置控制端LD和预置输入端D3 D2 D1 D0,给D3 D2 D1 D0首先预置0 0 0 0，当计数器计数到N-1种状态时，使LD=0，那么它在第N个CP脉冲来的时候，计数器的状态便会回到0 0 0 0。 采用进位输出置最小数法：进位输出最小数法是利用芯片的预置控制端LD和进位输出端CO，将CO端输出经非门送到LD端，给预置输入D3 D2 D1 D0置一个最小数M，M=16-N。联级法：一片74LS161可构成从二进制到十六进制之间任意进制的计数器。利用两片74LS161，就可构成从二进制到二百五十六进制之间任意进制的计数器。依次类推，可根据计数需要选用芯片数量。当计数器容量需要采用两块或更多的同步集成计数器芯片时，可以采用联级方法，将低位芯片的进位输出端CO端和高位芯片的计数控制端CTt或CTp直接连接，外部计数脉冲同时从每片芯片的CP端输入，再根据要求，选取上述三种实现任意进制计数的方法之一，完成对应电路的构成。本设计对计数器没有特别的要求，所以采用一片芯片，采用反馈归零法。数模转换DAC0832: 将数字量转换成模拟量的装置称为数模转换器，简称DA转换器或DAC。DAC0832是用CMOS工艺制成的双列直插式8位DAC芯片，可直接与8080 8084 8085及其他微处理器接口，它采用双缓冲寄存器，能方便地应用于多个DAC同时工作的场合。DAC832的原理图如下：引线端子功能： DI0DI78位数字输入端； CS 输入寄存器选通信号，低电平有效； WR输入寄存器写信号，低电平有效； ILE输入寄存器锁存信号，高电平有效； Xfer 数据传送控制端，低电平有效； WR2DAC寄存器写信号，低电平有效; Uref基准电压输入端（1010）； Rfb外接反馈电阻端； Iout1DAC模拟电流输出1； Iout2DAC模拟电流输出2； UDD电源输入端（515V）； AGND模拟地； DGND数字地;工作方式： 直通方式：当CS=WR2=Xfer=WR1=0,ILE=1时，寄存器处于“直通”状态，数据同时直接写入两级寄存器，直接输入DAC转换输出。 单缓冲方式：当CS=WR2=Xfer=0，ILE=1时；若WR1=1，数据锁存，模拟输出不变；若WR1=0，模拟输出更新。 双缓冲方式：分别控制两级寄存器，实现两次锁存缓冲，可以同时接受两组数据，以提高转换速度。DAC主要指标：分辨率：分辨率是指D/A转换器最小输出与最大输出电压之比。对于一个n位的D/A转换器，当输入数字量为0001时，即最低位（LSB）为1，其余各位为0，输出电压为最小输出电压Ulsb,即 Ulsb=Uref/（0+0+.+）=Uref/当输入数字量为11.11(各位都是1)时，输出电压为最大输出电压Ufsr，即 Ufsr=Uref/(+) = Uref/(1)分辨率可表示为 分辨率=Ulsb/Ufsr=1/1分辨率与DA转换器的位数有关，位数越多，分辨率越高。 转换精度：转换精度是指D/A转换器实际输出的模拟电压与理论值之间的最大误差，通常要求D/A的误差小于Ulsb/2。 转换时间： 转换时间是指D/A从输入信号起，到输出信号达到稳定值所需要的时间，转换时间越短，工作速度越高。 下面是阶梯波产生的整体电路图，包括参数： 阶梯波发生器2.7比较器：（典型的电压比较器：LM339，LM393）电压比较器(以下简称比较器)是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。本文主要介绍其基本概念、工作原理及典型工作电路，并介绍一些常用的电压比较器。简单地说， 电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图1所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+” 端) 及反相输入端(“-”端)，有一个输出端Vout(输出电平信号)。另外有电源V+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压VA，反相端输入VB。VA和VB的变化如图1(b)所示。在时间0t1时，VA>VB；在t1t2时，VB>VA；在t2t3时，VA>VB。在这种情况下，Vout的输出如图1(c)所示：VA>VB时，Vout输出高电平(饱和输出)；VB>VA时，Vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。 如果把VA输入到反相端，VB输入到同相端，VA及VB的电压变化仍然如图1(b)所示，则Vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与VA、VB的输入端有关。图2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。如果它的VA、VB输入电压如图1(b)那样，它的输出特性如图2(b)所示。VB>VA时，Vout输出饱和负电压。  如果输入电压VA与某一个固定不变的电压VB相比较，如图3(a)所示。此VB称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0V(地电平)，如图3(b)所示，它一般用作过零检测。 比较器的工作原理比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。图4(a)由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：Vout=(1+RF/R1)·R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB。若R1=R2，R3=RF，则Vout=RF/R1(VA-VB)，RF/R1为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=(相当于R3、RF开路)时，Vout=。增益成为无穷大，其电路图就形成图4(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。 从图4中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。同相放大器电路如图5所示。如果图5中RF=，R1=0时，它就变成与图3(b)一样的比较器电路了。图5中的Vin相当于图3(b)中的VA。 2.8移位寄存器： 移位寄存器是一个集成寄存器，寄存器常用于寄存一组二进制代码，它被广泛用于各类数字系统和数字计算机中，应为一个触发器能存储一位二进制代码，所以用n个触发器组成的寄存器存储一组n位二进制代码。对寄存器种使用的触发器只要求具有置1、置0的功能即可。 移位寄存器具有数码寄存和移位两个功能。若在移位脉冲的作用下，寄存器中的数码，依次向右移动，则称为右移，若依次向左移动，称为左移。只具有单向移位功能的称为单向移位寄存器；即可左移又可右移的称为双向移位寄存器。 74LS194是一种典型的中规模集成移位寄存器，其引线排列端子图和功能表如下：CRM1M0CPQ3Q2Q1Q0功能0×××0000清零100×Q3Q2Q1Q0保持101Q2Q1Q0SL左移110SRQ3Q2Q1右移111D3D2D1D0并行输入74LS194功能表74LS194引线端摆列图由上表可知，移位寄存器具有如下功能。 异步清零 当CR=0时，实现清零功能，即Q3 Q2 Q1 Q0=0 0 0 0; 保持 当CR=1、M1M0=00时，移位寄存器保持原来的状态； 左移 当CR=1、M1M2=01时，在CP脉冲配合下进行左移位，每来一个脉冲的上升沿，寄存器中的数据左移一位，并且由SL端输入一位数据。 右移 当CR=1、M1M2=10时，在CP脉冲配合下进行右移位，每来一个脉冲的上升沿，寄存器种的数据左移一位，并且由SL端输入一位数据。 并行输入 当CR=1、M1M2=11时，在CP脉冲的上升沿作用下，能够将并行输入端D3 D2 D1 D0 的数据存入寄存器中。 现在我们使用两片74LS194组成双向八位移位寄存器，用于控制六组彩灯的闪亮，如图： 双向八位移位寄存器2.9 数据选择器:数据选择器是一种多输入，单输出的组合逻辑电路。它能在选择控制信号作用下，从多个输入信息中选择一个信息送至输出端进行传输。也称为多路选择器或多路开关。其工作原理可用一个单刀多掷开关来描述，其作用是将输入并行数据变为串行数据输出。目前中规模集成数据选择器种类繁多，按照数据输入端可分为四选一、八选一、十六选一等形式，上图为八选一数据选择器74LS151的符号图，下表为其功能表。其中D0D7为数据输入端；ST为使能端，低电平有效；Y为输出端。STDA2A1A0Y1××××O10D0000D0D00D1001D1D10D2010D2D20D3011D3D30D4100D4D40D5101D5D50D6110D6D60D7111D7D7数据分配器：数据分配是数据选择的逆过程，在选择控制信号作用下，将下一路输入信息送至多个输出端中的指定输出通道上进行传输的电路，称为数据分配器。它是一种单输入、多输出的组合逻辑电路。作用是将串行数据输入变为并行数据输出。2.10门电路： 此设计用到了很多门电路，在这里，我先将门电路的基本知识加以介绍：门电路其实就是一种逻辑关系，逻辑关系是指事物的因果关系，即条件与结果的关系，在数字电路中用输入信号反应条件，用输出信号反应结果，这种电路称为逻辑电路，在逻辑电路中最基本的逻辑电路关系有三种，即与逻辑、或逻辑，相应的逻辑门电路也有三种，即与门电路、或门电路、非门电路。门电路可以由二极管、三极管、电阻等分立元件组成，也可以是集成电路。下面接受，本设计所用到的门电路，以及其逻辑关系： 基本逻辑运算 逻辑表达式逻辑功能 与 Y=A.B有0出0，全1出1 或 Y=A+B有1出1，全0出0 非 Y=有1出0，有0出1 与非 Y=有0出1，全1出0 或非 Y=有1出0，全0出1 2.11三极管的开关特性: 三极管的开关特性是指三极管交替工作在饱和和截至的状态。这是由三极管的制造工艺特点所决定的，三极管发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，使用时，发射极不能和集电极交换。但三极管处了运用于放大，我们还经常将它用于饱和和截至状态，例如开关三极管，当三极管处于截至状态时候，三极管开关闭合，当三极管处于饱和状态时，三极管开