三基色混色效应演示探究器

陈晓珍，朱成标

（安徽省凤阳中学，安徽凤阳，233100）

目前，很多电子产品都带有彩色显示器，通常彩色显示器的显示屏都是利用三基色原理来显示彩色图像的。显示屏是由若干个可发光的像素构成，每个像素就是一个红、绿、蓝三基色发光单元，根据三基色的混色原理，利用三基色发光单元发出的三基色光的不同强度的比例混合，可实现像素的任意色彩的发光，从而使显示屏能显示彩色图像。在对学生进行科普教育时发现，目前中学实验室里还没有相关三基色原理的实验器材，为了让学生更好地理解三基色的混色效应原理。笔者设计、制作了“三基色混色效应演示探究器”，并将“三基色混色效应演示探究器”用于课堂教学，取得很好的教学效果。

1 作品介绍及电路原理

三基色混色效应演示探究器面板如图1 所示。

图1 三基色混色效应演示探究器面板

三基色混色效应演示探究器主要功能有两个方面，一是自动演示；二是实验探究。实验探究又分为“色彩输入”探究和“混色调节”探究。

■1.1 自动演示功能

当功能选择开关拨到“1、自动演示”档时，自动演示显示屏在驱动电路的控制下，按3s 的时间间隔，依次循环进行“红-黄-绿-青-蓝-紫-白……”的彩色显示；分色显示灯R、G、B 为红、绿、蓝单色LED 发光二极管，能同步地对显示屏显示的彩色进行分色显示。分色显示和对应的混色关系如表1 所示。

表1 三基色混色关系

自动演示部分电路如图2 所示。控制电路的核心器件是十进制计数器/脉冲分配器CD4017B 数字集成电路。

图2 自动演示部分电路图

接通电源开关S1，再将选择开关S2 拨到V1 档，电路进入自动演示模式。IC2 时基集成电路NE555 构成多谐振荡器，产生周期为3s 的振荡信号，振荡信号输送到十进制计数器/脉冲分配器集成电路CD4017B 的时钟输入端Cp端，CD4017B 的输出端Q0～Q9 依次输出高电平，但由于输出端Q7 接复位端R，因此CD4017B 只有7 个输出端Q0～Q6 依次循环输出高电平，这7 个输出端在12 个开关二极管构成的或门电路作用下，为显示屏提供R、G、B 控制信号，经三极管驱动，显示屏即可发出“红-黄-绿-青-蓝-紫-白……”彩色显示，同时LEDA、LEDB、LEDC 同步进行分色显示。CD4017B 的时钟输入端Cp 及显示屏R、G、B 输入端的信号时序图如图3 所示。

图3 自动演示部分控制信号时序图

图2 中每个虚线框内电路完全相同，每个虚线框内5个三基色发光二极管构成显示器的一个发光行，显示器由五个发光行构成5×5 发光点阵。自动演示部分电路板（正、反面）如图4 所示。

图4 自动演示部分电路板

■1.2 实验探究功能

当功能选择开关拨到“2、实验探究”档时，探究显示屏在人工色彩输入的控制下显示混色的彩色。实验探究部分电路如图5 所示。

图5 实验探究部分电路图

接通电源开关S1，再将选择开关S2 拨到V2 档。

（1）色彩输入探究：将切换开关拨到“色彩输入”档，R、G、B 三基色输入按钮的组合使用，即可产生如表1 所示的混色显示。

当S3 闭合时，探究功能为“色彩输入”探究。IC6 为四二输入端或非门集成电路CD4001，在S3 闭合时，IC6的或非门被关断，IC3、IC4、IC5 提供的三基色色彩强度控制信号无法传送到显示屏，这时只能用A1、A2、A3 三个按键对显示屏进行色彩键控输入，来探究三基色的基本混色关系。三个按钮开关A1、A2、A3 分别控制三基色R、G、B显示的色彩输出，通过对按钮的组合控制，即可在显示屏上产生混色效果显示。例如，当按下A1、A2 按钮开关时，显示屏的红色、绿色发光二极管被点亮，显示屏显示红色、绿色的混色，即发出黄色的光。

（2）混色调节探究：将切换开关拨到“混色调节”档，调节控制R、G、B 三基色发光强度的电位器旋钮，可以改变实验探究显示屏的R、G、B 三基色成分的亮度，从而实现任意颜色的混色显示。

当S3 断开时，探究功能为“混色调节”探究。IC3、IC4、IC5 时基集成电路NE555 分别构成R、G、B 脉冲宽度调制（PWM）调光电路，调节W1、W2、W3 可分别控制IC3、IC4、IC5 输出的方波脉冲信号的占空比，从而实现对R、G、B 发光强度的无极调节。当S3 断开时，IC6 的或非门均被打开，IC3、IC4、IC5 提供的三基色色彩强度控制信号传送到显示屏的驱动三极管的基极，由三基色的成分和强度控制显示屏发出的色彩。W1、W2、W3 分别为R、G、B 三基色强度调节电位器。实验探究部分电路电路板（正、反面）如图6 所示。

图6 实验探究部分电路电路板

图1 中三基色混色效应演示探究器面板中间有两幅图，分别是“三基色混色图”和“三基色色相图”，如图7 所示。

图7 三基色混色图、色相图

这两幅图对学生的自主探究有引导、提示作用。在进行“色彩输入”探究时，可以对照“三基色混色图”。三基色混色图反映了三基色的简单混色关系，三基色交集区的颜色就是混色后的颜色。在进行“混色调节”探究时，可以参照“三基色色相图”进行色彩调节，三基色色相图反映了由一种基色变换成另一种基色的色彩渐变过程，例如在探究由红色到绿色的色彩渐变过程时，先将蓝色亮度调节旋钮W3 调至“0”，再同时将红色亮度调节旋钮W1 由亮度最大逐渐调为“0”、绿色亮度调节旋钮W2 由“0”逐渐调为亮度最大，就可以观察到显示屏发光颜色由红变换成绿色的色彩渐变过程，颜色的变化与三基色色相图吻合。还可以根据要调制的颜色在色相图上的位置，确定该颜色应由哪两基色进行混色。

2 制作

将制作的两块电路板安装在PVC 面板的背面，自动演示显示屏与实验探究显示屏及相应的驱动电路各自独立，安装位置参见图8。

图8 电路板的安装

三基色发光LED 选用φ5mm 雾状四脚共阳LED 发光二极管，（注意：不要选用透明状发光管，这种发光管发出的光刺眼），发光管管脚排列如图9 所示。三极管全部选用8050NPN 型塑封三极管，（注意：要用同一规格的，β值要接近）。二极管全部选用开关二极管1N4148。电位器选用B 型（线性型）单联50K 音量调节电位器。所有电阻选用1/4W 金属膜电阻。5V 电源用手机电源适配器代替，要求额定电流在1.5A 以上。

图9 三基色发光LED 管教排列图

三基色混色效应演示探究器的电路部分可以直接焊接在两张9×15cm 的万能电路板（洞洞板）上，元件分布参见图4、图6。只要元件参数正确，电路连接无误，无需调节电路即可正常工作。