同步闪光——调皮小欧
背景知识
在一个快速运动的物体上，要看清上面的文字或图案，需要用闪光灯同步闪光。每当这个文字或图案经过观察点时，就闪光。其它时间不闪光。这样利用视觉暂留作用，就可以看清。
题目说明
在一个电机带动的圆盘上，印有一个单词。
难度一：通过同步闪光的方法使单词可以被看清。
难度二：单词中有个字母，跟单词是相同半径位置，但是位于不同的角度上。通过第二次同步闪光，使字母看起来移动到了单词中正确的位置上。
关键字：红外对管，比较器，窄脉冲延时，集电极开路，三极管电流源
方案对比
这个趣味小制作可以用单片机电路实现，也可以用模拟电子基础电路来实现。下面对比这两个方案。
对比可以看出，单片机实现方案的外部电路少。在单片机开发板上编程调试就可以实现功能。
模拟电路方案，覆盖到多个基础模拟电路。包括RC微分和积分，运放比较器，三极管集电极开路，三极管恒流。对于巩固模电知识非常有用。并且是对模电基础知识活学活用的好例子。
本文用模拟电路来实现这个趣味电路，并分析测试各个单元。介绍设计调试过程。
执行单元说明
转盘上打印或是手写一个单词和一个字母。字母和单词错开角度，但是要在一个半径上。标记出圆盘中心。转盘的边沿上用小刀刻一个缝隙，用于红外对管透过红外光。
执行单元的序号如下，1是小电机。2是红外发光管。3是转盘。4是红外接收管。5是LED灯，用于闪光。
射随器驱动小电机
电阻分压产生3V，然后经过三极管射随器后驱动小电机。减去BE电压0.7V，射随器输出在2.3V。可以带动小电机在1700转/分钟。
红外对管检测转动
由于发光管发出红外光，所以肉眼看不到亮度。有些手机摄像头可以看到有红点。转盘上有个缝隙，每转一圈光就会从缝隙透过，到达红外接收管。红外接收管上就会产生负向脉冲。用硬木课堂平台测试如下
开启电源给电路供电。电机带动圆盘转动起来。然后打开示波器进行测试。
示波器测试到输出波形，并使用了“水平”按钮下的“缩放”功能。可以同时看到多个脉冲波形和单个脉冲的细节。红外接收管在没有红外光照的时候，是电阻Ra 。跟上拉电阻R2分压后是一个直流量。当有红外光照的时候，红外接收管电阻变小为Rb，分压减小产生负向脉冲。实际搭建电路时，根据所选的红外接收管来选择R2的阻值，使负向脉冲方便后面的比较器识别。
比较器产生窄脉冲1
在红外对管电路后面接比较器，产生窄脉冲1. 用示波器三个通道同时观察，测试比较器的输出跟参考和输入信号的关系。
开启电源，提供±12V给运放供电
开启信号源S1，提供直流，给比较器用于参考电压
示波器开启三个通道同时观察。黄色是红外管输出，蓝色是直流参考电压，红色是比较器输出。蓝色通道（AIN2）和黄色通道（AIN1）设置相同的分辨率和水平位置，这样便于同步看。可以看到，蓝色和黄色相交的位置，比较器输出窄脉冲。
调节S1的直流，也就是调节黄色和蓝色的波形交点，可以调节脉冲宽度。脉冲宽度决定了闪光的时间，闪光时间长了就会导致文字模糊，因为圆盘在快速旋转。
使用cursor来测试脉冲宽度。直流1.3V产生了1.37ms宽度的脉冲。
使用cursor来测试脉冲宽度。直流260mV产生了603us宽度的脉冲。
边沿延时单元
在题目说明中，需要一个延时后的窄脉冲2进行第二次闪光，才可以让小欧字母移动到单词的正确位置。这里介绍边沿延时单元的设计。
说到延时，首先会想到RC。RC作为积分时，它的充放电特性可以对方波的边沿进行延时。对需要的RC进行一下估算。测试中两个脉冲1之间的时间距离是30ms，取RC≈ 30/2 ms，C是uF级别电容，R是KΩ级别电阻，所以RC在ms级别。取C=0.47uF，则R等于32KΩ。延时可以调节，选择R为50KΩ的电位器。
需要注意的是，这里的脉冲是窄脉冲，也就是占空比很小。对于RC的充放电时间不对称。充电时间短，放电时间长。先看一下不接D1二极管只使用RC时的波形。可以看到，蓝色波形的尖峰很小，这是因为黄色脉冲的充电时间很短。这样就导致放电很快就结束了，边沿延时可调节范围太小，不能满足时间延时的要求。
对RC电路加以改进，加入D1二极管，使充放电路径不对称。充电时通过D1二极管完成，放电时通过P1电位器完成。这样充电时电阻很小，在窄脉冲内就可以完成充电。测试改进后的波形。蓝色波形峰值有了很大的提升。放电时间可调节范围大大加长。蓝色波形经过比较器后，产生边沿延时后的方波（红色）。比较器参考电压由电阻分压得到（绿色波形）。
调节P1电位器，分别截取多个波形。可以看到红色信号的下降沿，相对于黄色信号窄脉冲延时，可以调节几乎一个周期。这样圆盘上任意位置的小欧字母都可以被移动到单词中。
整形为窄脉冲
通过RC非对称积分，得到了边沿延时后的方波。我们需要在这个延时边沿上产生一个窄脉冲2，由窄脉冲2来控制闪光。
RC微分电路的Uout= RC d（Uin）/dt
方波的边沿斜率很大，也就是du/dt很大，经过RC微分后会有两个很窄的尖峰信号。这个尖峰信号可以用来产生窄脉冲。
示波器双综来观察这个微分波形。黄色是输入方波信号，蓝色是微分后的信号。跟方波下降沿相关的负向尖峰，是需要的延时后脉冲位置。用cursor测量这个尖峰的峰值ΔY=12.79V，超出了运放±12V供电时允许的输入电压。所以需要用稳压管钳位一下。
加上钳位后，接入运放比较器，用HSS输出直流调节参考，产生需要的窄脉冲2 。
示波器使用4个通道同时观察，接信号按原理图所示。用“水平”按钮中的“缩放”功能，展宽局部细节。可以看到蓝色信号跟红色信号的交点处比较器输出绿色窄脉冲。蓝色负尖峰被钳位在6.2V。蓝色正尖峰，钳位在D1二极管的正向导通电压0.7V。调节红色参考电压，可以调节窄脉冲2的脉冲宽度。
再用示波器双综观察一下窄脉冲1和窄脉冲2的延时关系。
调节P1电位器，蓝色窄脉冲在两个黄色脉冲之间移动，也就是说延时范围可以达到一个周期。
三极管集电极开路单元
前面的电路已经可以得到两个关键的窄脉冲。后面控制LED闪光就可以实现功能。两个脉冲分别控制两个LED是一种方法。这样导致了冗余的电路。将两个脉冲合并控制一个LED，可以简化电路。两个比较器的输出不能直接接一起，因为它们是push-pull（推挽）结构的输出。这里就要用到三极管的集电极开路（MOS管里称作漏极开路）。
集电极开路涉及到两个概念。一个是低阻输出，就是输出端的内阻小，电路状态由输出端电压决定。一个是高阻输出，就是输出端的内阻大，电路状态由外部电路决定。也就是高阻输出时，输出端释放了控制权。例如图中信号为高电压时，C极输出低电压，并且是低阻输出。信号为低电压时，C极是高阻输出，释放控制权。
将两个集电极开路的输出接在一起。输出就表现为或非门的逻辑效果。
| 窄脉冲1 | 窄脉冲2 | C输出 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
这样两个窄脉冲就可以产生一个C输出来控制一个LED闪光。测试集电极开路输出波形如下。红色信号的低脉冲控制LED闪光。
三极管电流源驱动LED
最后一级是电流源驱动LED。前面电路产生低脉冲来控制闪光，5V是LED灭，0V是LED亮。所以电流源要使用PNP管来搭建。
B点为5V时，T3管截止，LED灯不亮。B点为0V时，T3管电流为
（5V-0.7V）/470Ω =9.1mA
需要注意的是，A点要接-12V不能接GND，因为T3管要工作在线性区才可以是恒流源。分析如下：B点为0V时，E点电压为0.7V，如果A点接GND，考虑到LED1还有正向导通电压，则CE间电压就会小于0.1V. T3管处于饱和状态，实现不了恒流源。A点接-12V，则B点为0V时，CE间电压为10V左右，在线性区。
按原理图接示波器进行测试，如下，黄色是B极脉冲，蓝色是E极电压，红色是C极电压。用cursor卡一下蓝色脉冲，ΔY= 4.32V，则R4中的电流为 4.32/470=9.2mA。
整体原理图
硬件实物
