三基色混色效應(yīng)演示探究器

陳曉珍，朱成標(biāo)

（安徽省鳳陽中學(xué)，安徽鳳陽，233100）

目前，很多電子產(chǎn)品都帶有彩色顯示器，通常彩色顯示器的顯示屏都是利用三基色原理來顯示彩色圖像的。顯示屏是由若干個(gè)可發(fā)光的像素構(gòu)成，每個(gè)像素就是一個(gè)紅、綠、藍(lán)三基色發(fā)光單元，根據(jù)三基色的混色原理，利用三基色發(fā)光單元發(fā)出的三基色光的不同強(qiáng)度的比例混合，可實(shí)現(xiàn)像素的任意色彩的發(fā)光，從而使顯示屏能顯示彩色圖像。在對(duì)學(xué)生進(jìn)行科普教育時(shí)發(fā)現(xiàn)，目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室里還沒有相關(guān)三基色原理的實(shí)驗(yàn)器材，為了讓學(xué)生更好地理解三基色的混色效應(yīng)原理。筆者設(shè)計(jì)、制作了“三基色混色效應(yīng)演示探究器”，并將“三基色混色效應(yīng)演示探究器”用于課堂教學(xué)，取得很好的教學(xué)效果。

1 作品介紹及電路原理

三基色混色效應(yīng)演示探究器面板如圖1所示。

圖1 三基色混色效應(yīng)演示探究器面板

三基色混色效應(yīng)演示探究器主要功能有兩個(gè)方面，一是自動(dòng)演示；二是實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)探究又分為“色彩輸入”探究和“混色調(diào)節(jié)”探究。

■1.1 自動(dòng)演示功能

當(dāng)功能選擇開關(guān)撥到“1、自動(dòng)演示”檔時(shí)，自動(dòng)演示顯示屏在驅(qū)動(dòng)電路的控制下，按3s的時(shí)間間隔，依次循環(huán)進(jìn)行“紅-黃-綠-青-藍(lán)-紫-白……”的彩色顯示；分色顯示燈R、G、B為紅、綠、藍(lán)單色LED發(fā)光二極管，能同步地對(duì)顯示屏顯示的彩色進(jìn)行分色顯示。分色顯示和對(duì)應(yīng)的混色關(guān)系如表1所示。

表1 三基色混色關(guān)系

自動(dòng)演示部分電路如圖2所示?？刂齐娐返暮诵钠骷鞘M(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器CD4017B數(shù)字集成電路。

圖2 自動(dòng)演示部分電路圖

接通電源開關(guān)S1，再將選擇開關(guān)S2撥到V1檔，電路進(jìn)入自動(dòng)演示模式。IC2時(shí)基集成電路NE555構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生周期為3s的振蕩信號(hào)，振蕩信號(hào)輸送到十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器集成電路CD4017B的時(shí)鐘輸入端Cp端，CD4017B的輸出端Q0～Q9依次輸出高電平，但由于輸出端Q7接復(fù)位端R，因此CD4017B只有7個(gè)輸出端Q0～Q6依次循環(huán)輸出高電平，這7個(gè)輸出端在12個(gè)開關(guān)二極管構(gòu)成的或門電路作用下，為顯示屏提供R、G、B控制信號(hào)，經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)，顯示屏即可發(fā)出“紅-黃-綠-青-藍(lán)-紫-白……” 彩色顯示，同時(shí)LEDA、LEDB、LEDC同步進(jìn)行分色顯示。CD4017B的時(shí)鐘輸入端Cp及顯示屏R、G、B輸入端的信號(hào)時(shí)序圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)演示部分控制信號(hào)時(shí)序圖

圖2中每個(gè)虛線框內(nèi)電路完全相同，每個(gè)虛線框內(nèi)5個(gè)三基色發(fā)光二極管構(gòu)成顯示器的一個(gè)發(fā)光行，顯示器由五個(gè)發(fā)光行構(gòu)成5×5發(fā)光點(diǎn)陣。自動(dòng)演示部分電路板（正、反面）如圖4所示。

圖4 自動(dòng)演示部分電路板

■1.2 實(shí)驗(yàn)探究功能

當(dāng)功能選擇開關(guān)撥到“2、實(shí)驗(yàn)探究”檔時(shí)，探究顯示屏在人工色彩輸入的控制下顯示混色的彩色。實(shí)驗(yàn)探究部分電路如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)探究部分電路圖

接通電源開關(guān)S1，再將選擇開關(guān)S2撥到V2檔。

（1）色彩輸入探究：將切換開關(guān)撥到“色彩輸入”檔，R、G、B三基色輸入按鈕的組合使用，即可產(chǎn)生如表1所示的混色顯示。

當(dāng)S3閉合時(shí)，探究功能為“色彩輸入”探究。IC6為四二輸入端或非門集成電路CD4001，在S3閉合時(shí)，IC6的或非門被關(guān)斷，IC3、IC4、IC5提供的三基色色彩強(qiáng)度控制信號(hào)無法傳送到顯示屏，這時(shí)只能用A1、A2、A3三個(gè)按鍵對(duì)顯示屏進(jìn)行色彩鍵控輸入，來探究三基色的基本混色關(guān)系。三個(gè)按鈕開關(guān)A1、A2、A3分別控制三基色R、G、B顯示的色彩輸出，通過對(duì)按鈕的組合控制，即可在顯示屏上產(chǎn)生混色效果顯示。例如，當(dāng)按下A1、A2按鈕開關(guān)時(shí)，顯示屏的紅色、綠色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，顯示屏顯示紅色、綠色的混色，即發(fā)出黃色的光。

（2）混色調(diào)節(jié)探究：將切換開關(guān)撥到“混色調(diào)節(jié)”檔，調(diào)節(jié)控制R、G、B三基色發(fā)光強(qiáng)度的電位器旋鈕，可以改變實(shí)驗(yàn)探究顯示屏的R、G、B三基色成分的亮度，從而實(shí)現(xiàn)任意顏色的混色顯示。

當(dāng)S3斷開時(shí)，探究功能為“混色調(diào)節(jié)”探究。IC3、IC4、IC5時(shí)基集成電路NE555分別構(gòu)成R、G、B脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光電路，調(diào)節(jié)W1、W2、W3可分別控制IC3、IC4、IC5輸出的方波脈沖信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)R、G、B發(fā)光強(qiáng)度的無極調(diào)節(jié)。當(dāng)S3斷開時(shí)，IC6的或非門均被打開，IC3、IC4、IC5提供的三基色色彩強(qiáng)度控制信號(hào)傳送到顯示屏的驅(qū)動(dòng)三極管的基極，由三基色的成分和強(qiáng)度控制顯示屏發(fā)出的色彩。W1、W2、W3分別為R、G、B三基色強(qiáng)度調(diào)節(jié)電位器。實(shí)驗(yàn)探究部分電路電路板（正、反面）如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)探究部分電路電路板

圖1中三基色混色效應(yīng)演示探究器面板中間有兩幅圖，分別是“三基色混色圖”和“三基色色相圖”，如圖7所示。

圖7 三基色混色圖、色相圖

這兩幅圖對(duì)學(xué)生的自主探究有引導(dǎo)、提示作用。在進(jìn)行“色彩輸入”探究時(shí)，可以對(duì)照“三基色混色圖”。三基色混色圖反映了三基色的簡單混色關(guān)系，三基色交集區(qū)的顏色就是混色后的顏色。在進(jìn)行“混色調(diào)節(jié)”探究時(shí)，可以參照“三基色色相圖”進(jìn)行色彩調(diào)節(jié)，三基色色相圖反映了由一種基色變換成另一種基色的色彩漸變過程，例如在探究由紅色到綠色的色彩漸變過程時(shí)，先將藍(lán)色亮度調(diào)節(jié)旋鈕W3調(diào)至“0”，再同時(shí)將紅色亮度調(diào)節(jié)旋鈕W1由亮度最大逐漸調(diào)為“0”、綠色亮度調(diào)節(jié)旋鈕W2由“0”逐漸調(diào)為亮度最大，就可以觀察到顯示屏發(fā)光顏色由紅變換成綠色的色彩漸變過程，顏色的變化與三基色色相圖吻合。還可以根據(jù)要調(diào)制的顏色在色相圖上的位置，確定該顏色應(yīng)由哪兩基色進(jìn)行混色。

2 制作

將制作的兩塊電路板安裝在PVC面板的背面，自動(dòng)演示顯示屏與實(shí)驗(yàn)探究顯示屏及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路各自獨(dú)立，安裝位置參見圖8。

圖8 電路板的安裝

三基色發(fā)光LED選用φ5mm霧狀四腳共陽LED發(fā)光二極管，（注意：不要選用透明狀發(fā)光管，這種發(fā)光管發(fā)出的光刺眼），發(fā)光管管腳排列如圖9所示。三極管全部選用8050NPN型塑封三極管，（注意：要用同一規(guī)格的，β值要接近）。二極管全部選用開關(guān)二極管1N4148。電位器選用B型（線性型）單聯(lián)50K音量調(diào)節(jié)電位器。所有電阻選用1/4W金屬膜電阻。5V電源用手機(jī)電源適配器代替，要求額定電流在1.5A以上。

圖9 三基色發(fā)光LED管教排列圖

三基色混色效應(yīng)演示探究器的電路部分可以直接焊接在兩張9×15cm的萬能電路板（洞洞板）上，元件分布參見圖4、圖6。只要元件參數(shù)正確，電路連接無誤，無需調(diào)節(jié)電路即可正常工作。