制作电平显示器

【任务目标】

（1）了解音频交流信号构成与特征；

（2）熟悉LED发光机理及三极管电流驱动的应用；

（3）重点掌握交流信号的构成与特征；

（4）能够运用发光二极管的应用知识，按照电子产品生产标准，进行音响LED动态显示器的组装。

一、任务概述

1.LED五段电平显示电路

如图4－2所示为LED五段电平显示电路。

图4－2 LED五段电平显示电路

2.预期目标

（1）熟练阅读电路，并可根据电路要求进行元器件的选取、检测处理；

（2）能对电路图进行信号流程分析、跟踪，掌握电路图的正确阅读方法；

（3）掌握必要的电路基本原理知识，培养分析电路和灵活应用的能力；

（4）掌握电子电路元器件的正确焊接、线材连接、电路板制作、电路检测、功能调整处理的方法；

（5）能对完整电路的制作进行评测，制订作品测试报告，并进行归纳总结。

【注意】此任务的制作是项目制作的第一部分，也是项目制作中要求学生必须掌握的基本单元电路，故对于此任务的学习与制作应给予足够的重视。

二、基本知识概述

根据电路对理论知识的要求与实际制作的需要，将与电路相关的基本知识划分为以下5个知识点来进行介绍。

（1）音频电信号。

（2）交流检波 （倍压整流）。

（3）LED简介。

（4）电流驱动应用。

（5）LED驱动拓展。

1.音频电信号

1）声音的基本概念

生活中所出现的声音是由于空气振动引起耳膜的振动，从而被人耳感知。声音的3个要素分别是音调、响度和音色。根据声音的特征，可把声音信息分为规则音频和不规则声音两类。其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。声波或正弦波有3个重要参数，即频率ω、幅度A、和相位ψ，这也就决定了音频信号的特征。

①基频与音调。

频率是指信号每秒钟变化的次数。人对声音频率的感觉表现为音调的高低，在音乐中称为音高。音调正是由频率ω所决定的。音乐中音阶的划分是在频率的对数坐标 （20lg）上取等分而得的，如图4－3所示。

图4－3 声音音阶划分

②谐波与音色。

nω0称为ω0的高次谐波分量，也称为泛音。音色是由混入基音的泛音所决定的，高次谐波越丰富，音色就越有明亮感和穿透力。不同的谐波具有不同的幅值An和相位偏移ψn，由此产生各种音色效果。

③幅度与响度。

人耳对于声音细节的分辨只有在强度适中时才最灵敏。人的听觉响应与强度成对数关系。一般的人只能察觉出3dB以上的音强变化，再细分则没有太多意义。常用音量来描述音强，以分贝 （dB＝20lg）为单位。在处理音频信号时，绝对强度可以放大，但其相对强度更有意义，一般用动态范围定义为，动态范围＝20lg（dB）（信号的最大强度/信号的最小强度）。

④音宽与频带。

音频信号的频带宽度称为带宽 （BW），是描述组成复合信号的频率范围。从频率的大范畴来说，声音信号的频率属于低频范畴 （20Hz～20kHz）。

【小结】声音信号中的基频变化对应了人耳听觉上的音调高低变化，声音信号中的谐波分量的多少对应了听觉上音色明亮感程度，声音信号的幅度对应了听觉的声音强弱变化程度，声音信号的音宽对应了音频信号频带的宽窄变化。

2）音频电信号的形成

在电子领域中，常常会有这样的要求：将声音信号进行记录或扩音处理。这就要求必须对声音信号进行电转换处理，即声电转换。把声音信号转换成为对应的电信号，称之为音频电信号。

由图4－4所示，生活中的各种声音信号经过特定的声电转换器的转换处理，就可以转换成以电压、电流为代表的电信号。电信号中各分量的变化也同样代表着声音信号中的分量变化，如信号的幅度大小、频率高低、波形变化等情况，两者都是基本一致的，这就说明了特定的声电转换器能实现信号的完整转换工作，即将机械声波转成电信号。

图4－4 音频电信号的形成

典型的声电转换器有压电陶瓷，各类话筒、传声器。产品不同，性能指标、应用场合、技术参数都不尽相同。在实际应用中，应根据应用的具体需求，选用合适的声电转换器来实现声电转换。

2.交流检波 （倍压整流）

1）倍压整流技术

在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器 “整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压比输入电压的倍数分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。

这种方式的整流电路的优点是电流小，容易获取到高电压，瞬时反应快，跟随能力强；其缺点是电路构成较一般整流电路复杂，元器件耐压要求高，组建电路较为烦琐。

如图4－5所示为二倍压整流电路。电路由变压器B、两个整流二极管D1、D2及两个电容器C1、C2组成。

u2正半周（上正下负）时，二极管D1导通，D2截止，电流经过D1对C1充电，将电容C1上的电压充到接近u2的峰值槡2U2，并基本保持不变。u2负半周（上负下正）时，二极管D2导通，D1截止。此时，C1上的电压UC1槡＝2U2，与电源电压u2串联相加，电流经D2对电容C2充电，充电电压UC2＝u2峰值＋1.2U2≈ 槡22U2。如此反复充电，C2上的电压就基本是变压器次级电压的二倍，所以叫作二倍压整流电路。

在实际电路中，负载上的电压USC＝（2×1.2）U2。整流二极管D1和D2所承受的最高反向电压均为 槡22U2。电容器上的直流电压UC1槡＝2U2，UC2＝2U2。可以据此设计电路和选择元器件。在二倍压整流电路的基础上，再加一个整流二极管D3和一个滤波电容器C3，就可以组成三倍压整流电路，如图4－6所示。三倍压整流电路的工作原理是：u2的第一个半周和第二个半周与二倍压整流电路相同，即C1上的电压被充电到槡2U2，C2上的电压被充电到接近 槡22U2。当第三个半周时，D1、D3导通，D2截止，电流除经D1给C1充电外，又经D3给C3充电，C3上的充电电压UC3＝u2峰值＋UC2－UC1≈ 槡22U2，这样，在RFZ上就可以输出直流电压USC＝UC1＋UC3≈槡2U2槡＋22U2槡＝32U2，实现三倍压整流。

图4－5 二倍压整流电路

图4－6 三倍压整流电路

在实际电路中，负载上的电压USC≈（3×1.2）U2，整流二极管D3所承受的最高反向电压也是 槡22U2，电容器上的直流电压为 槡22U2。

2）知识拓展

依照以上方法，增加多个二极管和相同数量的电容器，便可以组成多倍压整流电路，如图4－7所示。当n为奇数时，输出电压从上端取出；当n为偶数时，输出电压从下端取出。必须说明一点，高倍压整流电路只能在负载较轻（即RFZ较大，输出电流较小）的情况下使用，如果负载较重（即RFZ较小，输出电流较大），则输出电压下降的情况就较明显。

用于倍压整流电路的二极管，其最高反向电压应大于 2。可用高压硅整流堆，其系列型号为2DL。如2DL2/0.2，表示最高反向电压为2k V，整流电流平均值为200mA。倍压整流电路使用的电容器电容值比较小，一般在交流市电应用情况下不宜使用电解电容器。电容器的耐压值要大于 （1.5×U2，在使用上才安全可靠。

【小结】此任务中，在LED电平显示电路中使用了交流倍压整流电路，其目的就是利用交流倍压整流的高电压、瞬时反应快、跟随能力强的特性来获得快速、瞬时的LED光强弱变化，以达到动态、绚丽多彩的灯光显示效果。

3.LED简介

1）LED基本知识

半导体发光器件包括半导体发光二极管 （简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏 （简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个LED，LED的构造如图4－8所示。

LED是由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如Ga As（砷化镓）、Ga P（磷化镓）、Ga As P（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此具有一般PN结的I－N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子 （少子）一部分与多数载流子 （多子）复合而发光。

图4－7 多倍压整流电路

图4－8 LED的构造

2）LED发光机理

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与带正价的空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（介于导带、介带中间附近）捕获，而后与空穴复合，但每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面几微米以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）

式中，Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光（波长在380nm的紫光～780nm的红光），半导体材料的Eg应在1.63～3.26e V之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光LED，但其中蓝光LED成本、价格很高，使用不普遍。

3）LED分类

①按LED发光颜色分类。

按LED发光颜色分，可将LED分成红色、橙色、绿色 （又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等类型。另外，有的LED中包含两种或3种颜色的芯片。根据LED出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的LED还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射4种类型。散射型LED经常做指示灯用。

按LED出光面特征分，可将LED分成圆灯、方灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等类型。圆形灯按直径可分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等类型。国外通常把直径为3mm的LED记作T－1；把直径为5mm的LED记作T－1（3/4）；把直径为4.4mm的LED记作T－1（1/4）。

②按LED发光强度角来分类。

高指向性：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

标准型：通常用作指示灯，其半值角为20°～45°。

散射型：通常用作视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，LED内部所掺入散射剂的量较大。

③按LED结构分类。

按LED的结构分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等类型。

④按LED发光强度和工作电流分类。

按发光强度和工作电流可分为普通亮度的LED（发光强度100mcd）、高亮度LED（发光强度在100～1000mcd）。

一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

4）LED的应用

由于LED的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用LED时应根据实际需要进行恰当选择。

由于LED具有最大正向电流IDM、最大反向电压URM的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流ID应在0.6IDM以下；可能出现的最大反向电压为URM。

LED被广泛用于各种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源。红外LED常被用于电视机、录像机等设备的遥控器中。

（1）通常利用高亮度或超高亮度LED制作微型手电。

（2）常用于直流电源、整流电源及交流电源的指示电路。

（3）作单LED电平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用LED表示输出信号是否正常，只有当输出电压大于LED的阈值电压时，LED才可能发光。

（4）单LED可充作低压稳压管用。由于LED正向导通后，电流随电压变化非常快，故具有普通稳压管的稳压特性。LED的稳定电压范围为1.4～3V，应根据需要进行选择。

（5）常用于电平表作美观显示用。目前，在音响设备中大量使用LED电平表，利用多只LED指示输出信号电平，即发光的LED数目不同，则表示输出电平的高低变化。

【说明】本任务中，如图4－12所示是由5路发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时，全不发光。当输入信号电平增大时，首先第一路LED亮，再使第二路LED亮……。

5）LED的检测方法

①普通LED的检测。

a.用万用表检测。

利用具有 “×10kΩ”量程的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至二百千欧，反向电阻的值为无穷大。如果正向电阻值为0或为无穷大，反向电阻值很小或为0，则表明此只LED已损坏。但这种检测方法不能真实地看到LED的发光情况，因为 “×10kΩ”量程不能向LED提供较大正向电流。

如果有两块指针万用表 （最好同型号），就可以较好地检查LED的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的 “＋”接线柱与另一块表的 “－”接线柱连接。余下的黑表笔接被测发光管的正极 （P区），余下的红表笔接被测发光管的负极 （N区）。两块万用表均置于欧姆挡 “×10Ω”量程。正常情况下，接通后LED就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表置于欧姆挡 “×1Ω”量程，若仍很暗，甚至不发光，则说明该LED性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于欧姆挡 “×1Ω”量程，以免电流过大，损坏发光二极管。

b.外接电源测量。

用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表 （指针式或数字式皆可）可以较准确地测量LED的光电特性。如果测得URM在1.4～3V之间，且发光亮度正常，则说明该LED发光正常。如果测得URM＝0或URM≈3V，且不发光，则说明该LED已坏。

②红外LED的检测。

由于红外LED发射1～3μm的红外光，故而人眼看不到。通常单只红外LED发射功率很小，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3～2.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常与否。为此，最好准备一只光敏器件 （如2CR、2DR型硅光电池）作接收器，用万用表测光电池两端电压的变化情况，来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。

4.电流驱动应用

三极管最基本的应用是用作信号放大器，利用三极管导通与截止的特性，也可以将三极管用作开关来使用，并且利用三极管的电流驱动原理——IB控制IC（IC＝βIB），可以灵活将三极管用作电流可控器件，比如此任务中的LED电平显示驱动。

1）三极管电流控制简述

在如图4－9所示电路中，VT1、Rb、RP、Rc、＋9V构成了一个基本的简单直流放大电路，调节RP大小就可以改变VT1的IB变化，从而引发VT1的IC变化，其关系为IC＝βIB，其中β为三极管电流放大系数值。

【说明】改变三极管的基极电流可以达到改变集电极电流的目的，从而改变负载元件中电流的变化。

2）电流驱动应用

如图4－10所示电路，是一个以三极管来控制发光二极管VD的光强弱变化的电路。随着外来直流电平的输入，VT1的基极电流也随之变化，从而引发VT1集电极电流变化。变化的电流经过VD引发VD发出的光强度变化，且外来直流电平幅度变化越大，VD发光的变化程度就越明显，从而将外来直流电平的高低变化转换为LED光强的明亮变化，实现了电光转换。

图4－9 简单直流放大电路

3）思考

在如图4－9所示电路中，在外来电平的输入下：

（1）VT1有没有可能工作在截止状态？

（2）RC的作用是什么？移走RC会有什么样的后果？

（3）如何获得变化的直流电平送给VT1？

5.LED驱动拓展

如图4－11所示，仔细观察该图与图4－10的不同之处。

图4－10 发光二极管驱动电路 （1）

图4－11 发光二极管驱动电路 （2）

（1）VT1负载由单个LED转成由多个LED组成的光柱，并取消R的存在；

（2）输入信号明确指定外来直流电平来自于交流倍压整流电路。

【注意】目前在实际应用中，单纯用三极管分立元件作小电流驱动的方式已经很少采用，随着集成技术的飞速发展与日益成熟，小电流驱动电路基本上都已做成专用驱动IC来应用，达到了简化电路的效果，同时又提高了电路的工作可靠性。

课后查阅：用作小电流驱动的IC的资料，要求：有型号、参数、引脚功能、可代换品。

三、组装与调试LED电平显示电路

1.LED五段电平显示电路

LED五段电平显示电路如图4－12所示。

图4－12 LED五段电平显示电路

2.元器件清单

LED五段电平显示电路元器件清单如表4－1所示。

表4－1 LED五段电平显示电路元器件清单

3.实施步骤

1）准备工作

在熟悉电路原理的基础上，准备好焊接工具、电路板及元器件，依据如图4－12所示电路列出元器件清单，见表4－2。

表4－2 元器件清单

续表

2）安装及焊接

在检查各元器件无损坏后，按照如图4－12所示电路将元器件安插在相应位置并焊牢。注意，如果是用万用板进行安装，需特别注意连线的准确性；LED要安装在便于拆卸且一体成形的框架中，以备日后改装到机器外壳上；在焊接三极管、二极管时，要注意焊接时间的控制，一般焊接时间应控制在3s左右，否则极容易损坏管子。可调电阻由于体积较大，在保持元件稳固安装的前提下，应注意元器件引脚与印制板之间应有大约0.3mm的间隙，可保护引出端根部不受外力损伤，也便于焊后清洗时清洗液的流出和挥发。

3）电路调试

确认电路焊接无误后，即可进入电路调试阶段。

LED电平指示电路的制作工艺现已经发展得很成熟，所以安装、焊接完毕后不需太多调试工作，重点是检验电路的功能是否能正常实现，步骤如下。

（1）准备一台直流可调稳压电源和一台万用表。

（2）电路静态工作点调整。利用直流稳压电源向电路提供＋9V工作电压，并且将电路交流输入端口——音频输入口短路接地，此时电路中VD1～VD15都应熄灭，即要求电路工作在静态工作点（无信号送来），VT1、VT2、VT3、VT4、VT5均处于截止状态；如果此时发现有某组LED发光或闪光情况出现，则重点查找该路电路是否存在焊接错误、元器件参数变值、性能变劣等问题。

（3）电路功能测试。利用直流稳压电源继续向电路提供＋9V工作电压，同时将音频信号发生器的输出端接入到LED电平显示器电路的输入口，如图4－13所示。

图4－13 LED电平显示器电路输入口

开启音频信号发生器电源，将频率输出调整到500～1000Hz，并且适当调节音频信号发生器信号的输出幅度，使输出电压在0～3V，如果此时电路工作一切正常，电平显示电路中LED光柱就会开始逐步被点亮，并且随着音频信号发生器输出信号强度增大而一级接一级地依次点亮 （从电路左向右），或随着音频信号发生器输出信号强度减少而一级接一级地依次熄灭 （从电路右向左），表明电路能根据输入信号电平的变化使LED光柱发生亮、灭变化，达到了电路预期的目标 （请自行分析其工作原理）。