三基色混色效應演示探究器

陳曉珍，朱成標

（安徽省鳳陽中學，安徽鳳陽，233100）

目前，很多電子產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。顯示屏是由若干個可發光的像素構成，每個像素就是一個紅、綠、藍三基色發光單元，根據三基色的混色原理，利用三基色發光單元發出的三基色光的不同強度的比例混合，可實現像素的任意色彩的發光，從而使顯示屏能顯示彩色圖像。在對學生進行科普教育時發現，目前中學實驗室里還沒有相關三基色原理的實驗器材，為了讓學生更好地理解三基色的混色效應原理。筆者設計、制作了“三基色混色效應演示探究器”，并將“三基色混色效應演示探究器”用于課堂教學，取得很好的教學效果。

1 作品介紹及電路原理

三基色混色效應演示探究器面板如圖1 所示。

圖1 三基色混色效應演示探究器面板

三基色混色效應演示探究器主要功能有兩個方面，一是自動演示；二是實驗探究。實驗探究又分為“色彩輸入”探究和“混色調節”探究。

■1.1 自動演示功能

當功能選擇開關撥到“1、自動演示”檔時，自動演示顯示屏在驅動電路的控制下，按3s 的時間間隔，依次循環進行“紅-黃-綠-青-藍-紫-白……”的彩色顯示；分色顯示燈R、G、B 為紅、綠、藍單色LED 發光二極管，能同步地對顯示屏顯示的彩色進行分色顯示。分色顯示和對應的混色關系如表1 所示。

表1 三基色混色關系

自動演示部分電路如圖2 所示。控制電路的核心器件是十進制計數器/脈沖分配器CD4017B 數字集成電路。

圖2 自動演示部分電路圖

接通電源開關S1，再將選擇開關S2 撥到V1 檔，電路進入自動演示模式。IC2 時基集成電路NE555 構成多諧振蕩器，產生周期為3s 的振蕩信號，振蕩信號輸送到十進制計數器/脈沖分配器集成電路CD4017B 的時鐘輸入端Cp端，CD4017B 的輸出端Q0～Q9 依次輸出高電平，但由于輸出端Q7 接復位端R，因此CD4017B 只有7 個輸出端Q0～Q6 依次循環輸出高電平，這7 個輸出端在12 個開關二極管構成的或門電路作用下，為顯示屏提供R、G、B 控制信號，經三極管驅動，顯示屏即可發出“紅-黃-綠-青-藍-紫-白……”彩色顯示，同時LEDA、LEDB、LEDC 同步進行分色顯示。CD4017B 的時鐘輸入端Cp 及顯示屏R、G、B 輸入端的信號時序圖如圖3 所示。

圖3 自動演示部分控制信號時序圖

圖2 中每個虛線框內電路完全相同，每個虛線框內5個三基色發光二極管構成顯示器的一個發光行，顯示器由五個發光行構成5×5 發光點陣。自動演示部分電路板（正、反面）如圖4 所示。

圖4 自動演示部分電路板

■1.2 實驗探究功能

當功能選擇開關撥到“2、實驗探究”檔時，探究顯示屏在人工色彩輸入的控制下顯示混色的彩色。實驗探究部分電路如圖5 所示。

圖5 實驗探究部分電路圖

接通電源開關S1，再將選擇開關S2 撥到V2 檔。

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

當S3 閉合時，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，IC6的或非門被關斷，IC3、IC4、IC5 提供的三基色色彩強度控制信號無法傳送到顯示屏，這時只能用A1、A2、A3 三個按鍵對顯示屏進行色彩鍵控輸入，來探究三基色的基本混色關系。三個按鈕開關A1、A2、A3 分別控制三基色R、G、B顯示的色彩輸出，通過對按鈕的組合控制，即可在顯示屏上產生混色效果顯示。例如，當按下A1、A2 按鈕開關時，顯示屏的紅色、綠色發光二極管被點亮，顯示屏顯示紅色、綠色的混色，即發出黃色的光。

（2）混色調節探究：將切換開關撥到“混色調節”檔，調節控制R、G、B 三基色發光強度的電位器旋鈕，可以改變實驗探究顯示屏的R、G、B 三基色成分的亮度，從而實現任意顏色的混色顯示。

當S3 斷開時，探究功能為“混色調節”探究。IC3、IC4、IC5 時基集成電路NE555 分別構成R、G、B 脈沖寬度調制（PWM）調光電路，調節W1、W2、W3 可分別控制IC3、IC4、IC5 輸出的方波脈沖信號的占空比，從而實現對R、G、B 發光強度的無極調節。當S3 斷開時，IC6 的或非門均被打開，IC3、IC4、IC5 提供的三基色色彩強度控制信號傳送到顯示屏的驅動三極管的基極，由三基色的成分和強度控制顯示屏發出的色彩。W1、W2、W3 分別為R、G、B 三基色強度調節電位器。實驗探究部分電路電路板（正、反面）如圖6 所示。

圖6 實驗探究部分電路電路板

圖1 中三基色混色效應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

這兩幅圖對學生的自主探究有引導、提示作用。在進行“色彩輸入”探究時，可以對照“三基色混色圖”。三基色混色圖反映了三基色的簡單混色關系，三基色交集區的顏色就是混色后的顏色。在進行“混色調節”探究時，可以參照“三基色色相圖”進行色彩調節，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，先將藍色亮度調節旋鈕W3 調至“0”，再同時將紅色亮度調節旋鈕W1 由亮度最大逐漸調為“0”、綠色亮度調節旋鈕W2 由“0”逐漸調為亮度最大，就可以觀察到顯示屏發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。還可以根據要調制的顏色在色相圖上的位置，確定該顏色應由哪兩基色進行混色。

2 制作

將制作的兩塊電路板安裝在PVC 面板的背面，自動演示顯示屏與實驗探究顯示屏及相應的驅動電路各自獨立，安裝位置參見圖8。

圖8 電路板的安裝

三基色發光LED 選用φ5mm 霧狀四腳共陽LED 發光二極管，（注意：不要選用透明狀發光管，這種發光管發出的光刺眼），發光管管腳排列如圖9 所示。三極管全部選用8050NPN 型塑封三極管，（注意：要用同一規格的，β值要接近）。二極管全部選用開關二極管1N4148。電位器選用B 型（線性型）單聯50K 音量調節電位器。所有電阻選用1/4W 金屬膜電阻。5V 電源用手機電源適配器代替，要求額定電流在1.5A 以上。

圖9 三基色發光LED 管教排列圖

三基色混色效應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。只要元件參數正確，電路連接無誤，無需調節電路即可正常工作。