4000系列CMOS數(shù)字集成電路制作（3）

十三、電子6點(diǎn)燈光骰子機(jī)

每按動(dòng)一次電子骰子機(jī)上的按鈕開關(guān)，隨著喇叭的一聲鳴叫，電子骰子會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生1至6點(diǎn)的燈光圖案，模擬一次擲骰子的結(jié)果。

電路簡(jiǎn)介

電路原理圖見圖24-131。電路由時(shí)鐘脈沖信號(hào)發(fā)生器，按鈕開關(guān)，計(jì)數(shù)器，點(diǎn)數(shù)顯示電路以及音響發(fā)生器組成。用4069組成時(shí)鐘脈沖信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為1千赫茲的脈沖信號(hào)；按動(dòng)按鈕開關(guān)時(shí)，時(shí)鐘脈沖信號(hào)通過按鈕開關(guān)輸入到4510計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)端；4510接成減法計(jì)數(shù)器，一旦脈沖信號(hào)輸入，計(jì)數(shù)器就進(jìn)行減計(jì)數(shù)；由于4510的預(yù)置數(shù)已設(shè)置成6，每當(dāng)減計(jì)數(shù)器輸出為0的時(shí)候，預(yù)置數(shù)控制開關(guān)打開，強(qiáng)迫計(jì)數(shù)器輸出預(yù)置數(shù)6。這樣，計(jì)數(shù)器的輸出從6開始依次變成5，4，3，2，1；如此循環(huán)不已。同時(shí)音響發(fā)聲電路也開始工作，壓電陶瓷片發(fā)出鳴叫聲；直到松開按鈕開關(guān)，計(jì)數(shù)器停止工作。在使用者松開按鈕開關(guān)的一瞬間，計(jì)數(shù)器的輸出值有可能停止在1，2，…，6這6個(gè)數(shù)字的任何一個(gè)上；由于輸入的脈沖信號(hào)頻率高達(dá)1千赫茲，所以使用者不可能控制計(jì)數(shù)器輸出的結(jié)果，而且1~6這6個(gè)數(shù)字出現(xiàn)的可能性是完全相同的。4510的輸出為2進(jìn)制數(shù)，表示點(diǎn)數(shù)的發(fā)光二極管直接由4510的輸出端驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輸出端所驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)正好等于其所代表的10進(jìn)制數(shù)的數(shù)值，按照電路圖所示的連接方法，就可以把輸出結(jié)果轉(zhuǎn)變成6點(diǎn)骰子的點(diǎn)數(shù)圖案。

圖24-131

制作要點(diǎn)

電路可以焊接完成，也可以在面包板上組裝完成。電路組裝正確，不需任何調(diào)試即可使用。電源電壓可采用4.5V，發(fā)光二極管要采用3毫米直徑高亮度的，7個(gè)發(fā)光二極管要按照電路圖上的排列方式安裝，這樣顯示的圖案最接近六面體的骰子的圖案（圖24-132）。

圖24-132

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4510計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)介

4510的全稱是“可預(yù)置數(shù)4位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器”。它有清零、預(yù)置數(shù)、加計(jì)數(shù)和減計(jì)數(shù)等4種功能。它有3個(gè)控制端：加/減轉(zhuǎn)換端U/D，預(yù)置數(shù)控制端PE，復(fù)位端R；有4個(gè)置數(shù)輸入端DP1DP4；有4個(gè)輸出端Q1Q4；還設(shè)有進(jìn)位輸入端CI和進(jìn)位輸出端CO。時(shí)鐘脈沖由CP端輸入；輸出端Q1~Q4分別是二進(jìn)制數(shù)的20，21，22，23，輸出4位二進(jìn)制數(shù)。4510輸出數(shù)最大是9，也就是二進(jìn)制數(shù)1001。在加計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，4510的輸出從0開始依次加到9，然后又從0開始循環(huán)計(jì)數(shù)；在減計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，輸出從9依次減到0，然后又從9開始循環(huán)計(jì)數(shù)；相應(yīng)于2進(jìn)制數(shù)，在加計(jì)數(shù)時(shí)，輸出1001之后是0000，在減計(jì)數(shù)時(shí)，輸出0000之后是1001。

4510的管腳排列如圖24-133所示。

圖24-133

4510真值表

2．4510在本電路中的設(shè)置

復(fù)位端R接地，以保證4510處于工作狀態(tài)。4個(gè)預(yù)置數(shù)輸入端設(shè)置為數(shù)6，也就是2進(jìn)制數(shù)0110；其中DP1表示預(yù)置數(shù)的20，其余類推；接高電位表示預(yù)制1，接低電位表示預(yù)制0，所以DP1和DP4接地，DP2和DP3接高電位。加/減轉(zhuǎn)換端U/D接地，使4510為減計(jì)數(shù)器。預(yù)置數(shù)控制端PE通過一個(gè)非門接在進(jìn)位輸出端CO上。CO端平時(shí)輸出高電位，每當(dāng)加計(jì)數(shù)輸出9時(shí)或者減計(jì)數(shù)輸出0時(shí)，CO端輸出一個(gè)低電位脈沖信號(hào)，它通過非門變成一個(gè)高電位脈沖信號(hào)加到PE端，強(qiáng)迫4510的輸出端輸出預(yù)置數(shù)6；從而開始下一個(gè)循環(huán)的減計(jì)數(shù)。4個(gè)輸出端中的3個(gè)Q1~Q3分別接有發(fā)光二極管，作為驅(qū)動(dòng)電路將輸出的2進(jìn)制數(shù)的結(jié)果變成骰子的圖形顯示出來。進(jìn)位輸入端CI在電路中沒有使用，必須接地以保證電路正常工作。

4510在本電路中的波形圖見圖24-134。

圖24-134

3．4069脈沖振蕩器

為了確保每次使用電子骰子機(jī)都能夠得到隨機(jī)的點(diǎn)數(shù)，計(jì)數(shù)器的工作必須足夠快，本電路采用4069組成RC脈沖振蕩器，振蕩頻率設(shè)計(jì)在1000赫茲。用這個(gè)頻率作為4510的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，可以滿足隨機(jī)輸出結(jié)果的要求，同時(shí)兼顧發(fā)聲電路的需要。4069的6個(gè)非門在本電路中組成了3個(gè)電路，除了用3個(gè)非門組成振蕩器提供計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖信號(hào)之外，還用了兩個(gè)非門串聯(lián)組成緩沖器，驅(qū)動(dòng)陶瓷發(fā)聲器發(fā)出音響。最后1個(gè)非門用來作為反相器，提供驅(qū)動(dòng)預(yù)置數(shù)開關(guān)工作的正脈沖信號(hào)。

4．如何使4510循環(huán)輸出其它區(qū)間的數(shù)字

為了模擬六點(diǎn)骰子的功能，要求4510必須循環(huán)輸出1～6這6個(gè)數(shù)字，這就要求它不能輸出0，7，8，9這4個(gè)數(shù)字。為了做到這一點(diǎn)，采用減計(jì)數(shù)工作狀態(tài)，同時(shí)利用4510的預(yù)置數(shù)功能。電路從6減到0的時(shí)候，如何保證4510輸出預(yù)置數(shù)6，然后進(jìn)入下一次循環(huán)計(jì)數(shù)呢？這就要使用動(dòng)態(tài)預(yù)置數(shù)開關(guān)PE了。每當(dāng)PE輸入一個(gè)高電位脈沖信號(hào)，4510就會(huì)被強(qiáng)制輸出預(yù)置數(shù)6。這樣就保證了本電路循環(huán)輸出1～6這6個(gè)數(shù)。

用4510循環(huán)輸出0～9這10個(gè)數(shù)字，既可以用加計(jì)數(shù)器，也可以用減計(jì)數(shù)器，電路也不需要使用預(yù)置數(shù)功能。而用4510循環(huán)輸出1～n這n個(gè)數(shù)字（其中n<9），最好使用減計(jì)數(shù)狀態(tài)，并利用預(yù)置數(shù)功能，這樣電路比較簡(jiǎn)單。

如何設(shè)計(jì)循環(huán)輸出0～n的電路呢？

如何設(shè)計(jì)循環(huán)輸出m～9的電路呢（其中m>1）？

最后，如何設(shè)計(jì)輸出任意兩個(gè)1位數(shù)之間的循環(huán)數(shù)呢？（例如讓4510循環(huán)輸出3，4，5，6，7這5個(gè)數(shù)字。）

5．六點(diǎn)骰子圖案顯示電路

4510是以2進(jìn)制數(shù)輸出1～6這6個(gè)數(shù)，也就是在它的輸出端輸出0001，0010，0011，0100，0101，0110，其中1表示輸出高電位，0表示輸出低電位。如何把這種輸出變成相應(yīng)的六點(diǎn)骰子的圖形呢？按照電路圖所示，在Q1，Q2和Q3三個(gè)輸出端分別接入1個(gè)，2個(gè)和4個(gè)發(fā)光二極管。這樣，每次輸出一個(gè)數(shù)，就有同樣數(shù)目的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。例如輸出的數(shù)字是5，它的2進(jìn)制數(shù)為101，也就是Q1和Q3兩個(gè)輸出端為高電位，Q1的輸出端連接有一個(gè)發(fā)光二極管，Q3的輸出端連接有4個(gè)發(fā)光二極管，總共有5個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。這些發(fā)光管的安裝位置是按照真正的六面體骰子的圖案設(shè)計(jì)的，Q1的輸出燈光位于正中，Q2的輸出位于正方形的對(duì)稱的兩邊，Q3的輸出位于正方形的四角，這樣電子骰子機(jī)輸出的燈光圖案就組成了六面體骰子的圖案。

6．制作雙六點(diǎn)骰子機(jī)

本電路在按動(dòng)開關(guān)模擬擲骰子的時(shí)候，7個(gè)發(fā)光管都是亮的。然而根據(jù)電路分析，電路是不可能輸出7的，這是為什么呢？你會(huì)覺得這個(gè)問題太簡(jiǎn)單了，根本不值得問。請(qǐng)解決一個(gè)難度較大的問題：在麻將比賽中，通常同時(shí)使用兩個(gè)骰子進(jìn)行游戲，你能設(shè)計(jì)一種同時(shí)模擬擲兩個(gè)骰子結(jié)果的電子骰子機(jī)嗎？要求也很簡(jiǎn)單，用一個(gè)開關(guān)控制，每次輸出兩個(gè)骰子的結(jié)果；兩個(gè)骰子的輸出結(jié)果必須是互相獨(dú)立的。要是你設(shè)計(jì)成功了，以后玩麻將時(shí)，使用自己設(shè)計(jì)的音樂電子骰子，會(huì)別有一番情趣。

十四、電子燈光抓鬮器

電子燈光抓鬮器可以在2至10之間選擇抓鬮總?cè)藬?shù)，使用時(shí)只需按動(dòng)一下操作按鈕，就可以得到輸出結(jié)果。

電路簡(jiǎn)介

電路原理圖見圖24-141。電路由脈沖發(fā)生器、總?cè)藬?shù)選擇開關(guān)K2、數(shù)據(jù)分配器、燈光顯示電路和操作按鈕AN組成。數(shù)據(jù)分配器用4017集成電路組成，用來確定抓鬮的結(jié)果。使用時(shí)根據(jù)參與抓鬮的總?cè)藬?shù)確定選擇開關(guān)K2的位置；工作時(shí)脈沖發(fā)生器向4017送出計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，由數(shù)據(jù)分配器進(jìn)行計(jì)數(shù)運(yùn)算，同時(shí)把計(jì)數(shù)結(jié)果分配給輸出端，驅(qū)動(dòng)各個(gè)輸出端上的發(fā)光管輪流點(diǎn)亮；此時(shí)按動(dòng)一次操作按鈕AN，4017就會(huì)停止計(jì)數(shù)運(yùn)算，結(jié)果是輸出端上的10個(gè)發(fā)光二極管中有一個(gè)被點(diǎn)亮，根據(jù)這個(gè)被點(diǎn)亮的燈顯示的數(shù)字，就可以確定抓鬮的結(jié)果。由于計(jì)數(shù)運(yùn)算的速度高達(dá)每秒鐘上千次，人按動(dòng)操作按鈕時(shí)是無法控制最后結(jié)果的，顯示結(jié)果的10個(gè)發(fā)光二極管中究竟哪一個(gè)亮可以看成是隨機(jī)發(fā)生的，這樣就模擬了一次抓鬮過程。再按動(dòng)一次操作按鈕，4017計(jì)數(shù)器又開始進(jìn)行計(jì)數(shù)，為下一次輸出抓鬮結(jié)果做準(zhǔn)備。依次按動(dòng)操作按鈕，電路就會(huì)循環(huán)進(jìn)行計(jì)數(shù)和輸出抓鬮結(jié)果。

圖24-141

制作要點(diǎn)

用4017的輸出端直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，輸出的亮度與電源電壓有關(guān)；采用直徑為3毫米的發(fā)光管，電源電壓用4.5V就可以保證足夠的亮度。每個(gè)發(fā)光二極管要通過一個(gè)2k的電阻接到4017的輸出端上，這個(gè)電阻是不能省略的。這是因?yàn)榘l(fā)光二極管的正向電壓降在1.6V左右（高亮度發(fā)光二極管），總?cè)藬?shù)選擇開關(guān)要從它上面取出3V以上的復(fù)位電壓，所以必須在每個(gè)發(fā)光管上串聯(lián)上一個(gè)電阻，以提高輸出端工作時(shí)的電壓。為了區(qū)別輸出的結(jié)果，應(yīng)該給Q0～Q9這10個(gè)發(fā)光管編上號(hào)碼：Q0顯示“1”，Q1顯示“2”，Q2顯示“3”，……，Q9顯示“10”；可以在每個(gè)發(fā)光二極管上面分別粘貼上一個(gè)透光的數(shù)字板，上面分別刻有“1”，“2”，…，“10”這10個(gè)數(shù)字（見圖24-142）。總?cè)藬?shù)選擇開關(guān)用來事先設(shè)定抓鬮的人數(shù)；可以用1×9開關(guān)制作人數(shù)選擇開關(guān)，也可以用9個(gè)接線插座代替。操作按鈕AN用來決定電路的工作狀態(tài)；依次按動(dòng)它，電路就會(huì)在計(jì)數(shù)和輸出抓鬮結(jié)果之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在計(jì)數(shù)狀態(tài)，輸出數(shù)字依次被點(diǎn)亮，由于頻率很高，看起來所有數(shù)字都是亮的。

圖24-142

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．十進(jìn)制計(jì)數(shù)/分配器集成電路4017

4017是十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它的特點(diǎn)是把十進(jìn)制的計(jì)數(shù)結(jié)果按順序分配給10個(gè)輸出端，也就是隨著計(jì)數(shù)進(jìn)程，它的10個(gè)輸出端輪流輸出高電平。它有一個(gè)復(fù)位端R，兩個(gè)時(shí)鐘輸入端CP和CPE--，一個(gè)進(jìn)位輸出端CO。當(dāng)復(fù)位端為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器處于復(fù)位狀態(tài)時(shí)，這時(shí)只有Q0端為高電平“1”，其他輸出端均為低電平“0”。在計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，隨著計(jì)數(shù)脈沖的輸入，Q0端變?yōu)榈碗娖健?”，輸出端Q1~Q9依次變?yōu)楦唠娖健?”。4017管腳排列圖見圖24-143。

圖24-143

4017真值表

從4017的真值表可以看出，當(dāng)CP輸入端的脈沖信號(hào)上升時(shí)，觸發(fā)計(jì)數(shù)器開始作加1的計(jì)數(shù)；CP-------E端則正相反，輸入到CP-------E端的脈沖信號(hào)下降時(shí)，計(jì)數(shù)器開始加1。當(dāng)使用脈沖信號(hào)的上沿觸發(fā)時(shí)，脈沖信號(hào)從CP端輸入，而且CP-------E端必須保持低電平；如果CP-------E端為高電平，則計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，保持以前的輸出不變。無論用CP端輸入還使用CP-------E端輸入，4017都是作加1計(jì)數(shù)，也就是它的Q0~Q9輸出端按從小到大的順序輪流輸出高電平；當(dāng)Q9輸出高電平之后，計(jì)數(shù)器自動(dòng)從Q0開始進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)。本電路采用從CP端輸入計(jì)數(shù)脈沖；使用操作按鈕AN組成的開關(guān)鍵電路，控制4017的CPE端的電平在高電平與低電平之間轉(zhuǎn)換，以達(dá)到控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)與暫停計(jì)數(shù)（輸出抓鬮結(jié)果）的目的；復(fù)位端用來決定計(jì)數(shù)器的循環(huán)區(qū)間，其工作原理在下面給予說明。

2．如何根據(jù)不同的人數(shù)選擇4017的循環(huán)區(qū)間

本電路實(shí)際上是一個(gè)2～10這9個(gè)整數(shù)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。為了模擬不同的抓鬮人數(shù)，它應(yīng)該有調(diào)整隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生范圍的功能。圖24-144為4017的波形圖，從圖可以看出，每當(dāng)它的復(fù)位端R為高電平時(shí)，除了Q0端輸出高電平之外，其余9個(gè)輸出端均輸出低電平。電路就是利用它的這個(gè)特性，來設(shè)定4017的循環(huán)計(jì)數(shù)區(qū)間。以要進(jìn)行3人的抓鬮為例，這時(shí)把總?cè)藬?shù)選擇開關(guān)撥到“3”，電路中的復(fù)位端R與輸出端Q3相連；在計(jì)數(shù)器工作的過程中，每從輸入端得到一個(gè)時(shí)鐘脈沖，4017就進(jìn)行一次加1運(yùn)算，Q0、Q1、Q2就依次輸出高電平，輸出結(jié)果依次為“1”、“2”、“3”。每當(dāng)計(jì)數(shù)器的輸出端Q3變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)候，復(fù)位端就獲得高電平信號(hào)，迫使計(jì)數(shù)器中止計(jì)數(shù)運(yùn)算，計(jì)數(shù)器返回到Q0，同時(shí)Q3變回低電平；而此時(shí)復(fù)位端又變成低電平，計(jì)數(shù)器又重新開始進(jìn)行下一個(gè)周期的計(jì)數(shù)。在這一過程中，Q3輸出高電平的時(shí)間是非常短暫的，與Q0、Q1、Q2相比可以忽略不計(jì)，接在Q3端上的發(fā)光二極管“4”不會(huì)被點(diǎn)亮。這樣就實(shí)現(xiàn)了抓鬮器在計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)循環(huán)輸出“1”、“2”、“3”，直到停止計(jì)數(shù)，顯示其中的一個(gè)數(shù)字作為輸出結(jié)果為止。本電路采用1×9多路開關(guān)進(jìn)行人數(shù)設(shè)定，總?cè)藬?shù)最少為2人，最多為10人。

圖24-144

3．開關(guān)鍵電路原理

為了操作簡(jiǎn)便，控制開關(guān)采用開關(guān)鍵。普通按鈕開關(guān)的功能是按下后電路接通，松開后電路切斷。開關(guān)鍵則不然，它的功能是按下后電路接通，松開后電路仍保持這種狀態(tài)；只有再次按動(dòng)一下按鍵，電路才會(huì)切斷，而且松開后仍可保持切斷狀態(tài)。開關(guān)鍵有機(jī)械式的，利用機(jī)械自鎖裝置實(shí)現(xiàn)這一功能。本電路中使用了一個(gè)用4069組成的開關(guān)鍵電路，它的主要功能是將一個(gè)普通按鈕開關(guān)AN變成開關(guān)鍵。它的典型電路如圖24-145所示，由2個(gè)4069的非門（門1和門2）串聯(lián)組成，還包括一個(gè)正反饋電阻R2、積分電路R3和C3；門3用來推動(dòng)發(fā)光二極管，以顯示開關(guān)鍵的輸出結(jié)果。開關(guān)鍵工作原理如下面所述。①假設(shè)當(dāng)前電路中門1輸出低電平，根據(jù)非門特性，門2輸出高電平；這個(gè)高電平通過反饋電阻R2，門1的輸入端也為高電平，從而使門1的輸出端為低電平。此時(shí)門1和門2處于穩(wěn)定狀態(tài)，開關(guān)鍵的輸出為高電平（門3輸出低電平，發(fā)光二極管不亮）；電容C3上電壓為低電平。②這時(shí)按下AN后再松開，電路會(huì)發(fā)生什么變化呢？在按下AN的一瞬間，門1的輸入端與電容C3接通，電容C3上電壓為低電平；由于電容器的性質(zhì)，電容C3上面的電壓不能躍變，致使門1輸入端變成低電平；這時(shí)門1輸出端變成高電平，導(dǎo)致門2輸出低電平，也就是改變了一次開關(guān)鍵輸出的狀態(tài)（門3輸出高電平，發(fā)光二極管點(diǎn)亮）。③下面分析一下門1輸入端電壓的情況：表面上看，由于反饋電阻R2和積分電路的電阻R3的存在，當(dāng)按下按鈕開關(guān)時(shí)門1輸入端的電壓受到門1和門2的輸出端的雙重控制，但實(shí)際上由于R2的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R3的阻值，門1輸入端的電壓的高低狀態(tài)完全由門2的輸出電壓控制，所以門1輸入端的電位與門2輸出端的相同，為低電平。④松開按鈕開關(guān)后，門1的輸出端的高電平通過電阻R3向電容C3充電，導(dǎo)致C3電壓逐漸升高；最后C3上的電壓和門1的輸出端相同，為高電平，為下一次使用開關(guān)鍵做好了準(zhǔn)備。此后如果再按動(dòng)一下AN，上述的變化過程就會(huì)重復(fù)發(fā)生，所不同的是各個(gè)門的輸出電平正好相反；結(jié)果是門2的輸出端變成低電平，也就是又改變了一次輸出的狀態(tài)。設(shè)計(jì)這種開關(guān)鍵電路的要點(diǎn)在于積分電路的電阻R3的阻值一般為反饋電阻R2的3倍至10倍，積分電路的時(shí)間常數(shù)可由試驗(yàn)決定，一般在十分之一秒左右。

圖24-145

4．4017彩燈控制電路

本電路4017在進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖頻率為1000赫茲，因?yàn)橛?jì)數(shù)的速度非?？欤说难劬茈y觀察出來。如果把脈沖發(fā)生器的頻率降低，例如用幾赫茲的頻率驅(qū)動(dòng)4017計(jì)數(shù)，就會(huì)看到10個(gè)發(fā)光管在輪流循環(huán)發(fā)光。選用不同的頻率，可以改變各個(gè)輸出端循環(huán)發(fā)光的速度。這樣就組成了常見的循環(huán)彩燈控制電路。只要選擇合適的計(jì)數(shù)脈沖頻率，然后用每個(gè)輸出端分別控制一路燈光，就可以控制燈光的循環(huán)變化。在彩燈控制電路中，原來的人數(shù)選擇電路用來選擇彩燈燈光的路數(shù)。如果要帶動(dòng)多支發(fā)光二極管，可以用三極管放大，參考電路見圖24-146。如果使用交流電源的電燈，用可控硅驅(qū)動(dòng)的電路，參考電路見圖24-147。經(jīng)過巧妙地設(shè)計(jì)和安裝各路燈光的位置，還可以制作出追逐跑燈串。

圖24-146

圖24-147

5．能夠設(shè)計(jì)結(jié)果機(jī)會(huì)不均等的抓鬮器嗎？

前面所說的抓鬮器，它的輸出結(jié)果機(jī)會(huì)是相同的。在某些特殊場(chǎng)合下，我們需要輸出機(jī)會(huì)不均等的抓鬮結(jié)果。例如要模擬兩支實(shí)力不相等的球隊(duì)的勝負(fù)結(jié)果，甲隊(duì)的勝率是乙隊(duì)的2倍。在多路循環(huán)彩燈的設(shè)計(jì)中，對(duì)各路燈光維持的時(shí)間長(zhǎng)短也可能有特殊要求；例如要模擬紅綠黃交通燈循環(huán)變化電路，要求按照“紅—黃—綠—黃、紅—黃……”的循環(huán)變化，并且這3種顏色的燈光持續(xù)時(shí)間分別為紅燈30秒，黃燈10秒，綠燈40秒，黃燈10秒；這時(shí)應(yīng)如何設(shè)計(jì)電路呢？

十五、變速循環(huán)彩燈器

一般的循環(huán)彩燈器可以按順序輪流點(diǎn)亮多路燈光，由于它以一種固定的速度進(jìn)行循環(huán)變化，看久了會(huì)給人以單調(diào)的感覺。變速循環(huán)彩燈顧名思義，其燈光變換速率忽快忽慢，一改普通循環(huán)彩燈變化單調(diào)的感覺。本文介紹了兩種變速循環(huán)彩燈電路；通過制作本文的作品，還可以掌握創(chuàng)新構(gòu)思的一種基本方法：組合發(fā)明法。

電路簡(jiǎn)介

1．不規(guī)則變速循環(huán)彩燈電路（圖24-151）

它由不規(guī)則周期脈沖發(fā)生器和4017彩燈電路組成。不規(guī)則周期脈沖信號(hào)發(fā)生器采用兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器分別輸出頻率不同的兩路脈沖信號(hào)，再由一個(gè)或門門電路把它們合成為一個(gè)不規(guī)則周期脈沖信號(hào)；用這個(gè)不規(guī)則脈沖信號(hào)作為4017彩燈電路的計(jì)數(shù)脈沖，就可以使彩燈循環(huán)變化的速度忽快忽慢，多路彩燈的每一路燈光的發(fā)光時(shí)間也變得各不相同，從而實(shí)現(xiàn)了變速循環(huán)的效果。通過分別調(diào)整兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器的頻率，可以改變不規(guī)則周期脈沖信號(hào)的變化規(guī)律。

圖24-151

2．紅綠黃三色交通燈模擬電路（圖24-152）

用它可以模擬十字路口上的交通燈。通常紅綠黃燈的變化是在紅燈和綠燈變化中間加上一段黃燈，一般這個(gè)黃燈持續(xù)的時(shí)間比較短；本電路采用紅、綠、黃3種發(fā)光二極管，工作時(shí)可模擬十字路口交通燈“紅、黃、綠、黃—紅、黃、綠、黃—……”的規(guī)律循環(huán)變化；其中紅燈持續(xù)30秒，黃燈持續(xù)10秒，綠燈持續(xù)50秒。為了達(dá)到這個(gè)結(jié)果，4017的計(jì)數(shù)脈沖的周期為10秒，在4017分配器的輸出端經(jīng)過或門電路的組合，紅燈由3個(gè)連續(xù)的輸出端通過或門驅(qū)動(dòng)，黃燈由2個(gè)不連續(xù)的輸出端通過或門驅(qū)動(dòng)，綠燈由5個(gè)連續(xù)的輸出端通過或門驅(qū)動(dòng)，從而得到3種顏色的燈光既能按照指定的順序發(fā)光，又能滿足每一種顏色燈光要求的發(fā)光時(shí)間。

圖24-152

制作要點(diǎn)

1．不規(guī)則變速循環(huán)彩燈電路

電路組裝完畢后，可用調(diào)速電阻R2和R4改變循環(huán)變化的速度和規(guī)律；從電路分析不難看出，它們可以分別調(diào)整一個(gè)多諧振蕩器的頻率。如果同時(shí)加快或減慢兩個(gè)振蕩器的頻率，則彩燈循環(huán)的速度也會(huì)加快或減慢，同時(shí)也會(huì)改變循環(huán)變化的不規(guī)則的狀態(tài)。調(diào)整每一個(gè)振蕩器的頻率，都會(huì)改變循環(huán)的不規(guī)則狀態(tài)。電路可以輸出2路至10路燈光，可用選擇開關(guān)K2進(jìn)行燈光路數(shù)的調(diào)節(jié)。本電路只是一種變速循環(huán)彩燈的基本電路，它的驅(qū)動(dòng)電路僅用一組發(fā)光二極管代替；讀者可以根據(jù)自己的特殊需要，在這個(gè)電路的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，設(shè)計(jì)出各種各樣的彩燈電路。

2．紅綠黃三色交通燈模擬電路

調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生電路的頻率，可以改變每一種燈光持續(xù)的時(shí)間。對(duì)于紅燈和綠燈，它們持續(xù)的時(shí)間是黃燈的整數(shù)倍；本電路中，紅燈由4017的3個(gè)輸出端驅(qū)動(dòng)，綠燈由4017的5個(gè)輸出端驅(qū)動(dòng)，它們持續(xù)的時(shí)間分別是黃燈的3倍和5倍；改變4017的輸出端與紅燈或綠燈連接的個(gè)數(shù)，可以調(diào)整這個(gè)倍數(shù)。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．電路設(shè)計(jì)中的一種創(chuàng)新方法：組合發(fā)明法

很多電子發(fā)燒友在掌握了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)之后，都不會(huì)滿足于僅僅模仿別人的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，都會(huì)產(chǎn)生自己設(shè)計(jì)新電路的想法。如何設(shè)計(jì)新的電路呢？這里向大家介紹一種簡(jiǎn)單而有效的創(chuàng)新方法：組合發(fā)明法。把兩種以上的電路組合在一起，有可能產(chǎn)生新的功能和好的效果，就是一種創(chuàng)新，這種方法叫組合發(fā)明。

分析圖24-151的電路后不難看出，它是把偽隨機(jī)變色彩燈電路與多路循環(huán)彩燈電路組合在一起而完成的。偽隨機(jī)變色彩燈可以發(fā)出令人捉摸不定的各種顏色的燈光，其原理是利用了兩個(gè)頻率不同的脈沖進(jìn)行差拍，合成出一種含有多種頻率成分的脈沖信號(hào)。多路循環(huán)彩燈可以在脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，使多路彩燈輪流發(fā)光。將它們二者組合在一起，用一種含有多種頻率成分的脈沖信號(hào)作為循環(huán)彩燈的計(jì)數(shù)脈沖，就可以實(shí)現(xiàn)各路彩燈既可以循環(huán)發(fā)光，又可以變換發(fā)光速度的目的。

設(shè)計(jì)變速循環(huán)彩燈的思路解決了，如何實(shí)現(xiàn)呢？我們把兩種頻率不同的脈沖信號(hào)分別接到一個(gè)與門電路的兩個(gè)輸入端，在它的輸出端就會(huì)變成一種不規(guī)則的脈沖信號(hào)。用這種脈沖信號(hào)作為循環(huán)彩燈電路計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)，就會(huì)得到變速循環(huán)的效果。電路采用了二極管組成的或門電路，也可將兩個(gè)脈沖振蕩器的信號(hào)合成為一種不規(guī)則的脈沖信號(hào)。

2．如何改變紅綠黃交通燈中3種顏色燈光持續(xù)的時(shí)間比

在紅綠黃交通燈模擬電路中，如果僅使用1個(gè)4017集成電路，并且采用二極管組成的或門電路來實(shí)現(xiàn)不同的時(shí)間組合，那么它只能模擬出比較簡(jiǎn)單的變化。例如各種顏色的時(shí)間比為“紅:黃:綠:黃＝3:1:5:1”。這是因?yàn)橐?017的1個(gè)輸出端點(diǎn)亮的時(shí)間為最短持續(xù)時(shí)間，剩下只有9個(gè)輸出端；一個(gè)循環(huán)周期總長(zhǎng)為最短持續(xù)時(shí)間的10倍。用少于10個(gè)的輸出端只能組成1位數(shù)的整數(shù)比，而且可能組合的個(gè)數(shù)也很有限。如何設(shè)計(jì)出任意的時(shí)間比呢？比如要設(shè)計(jì)5路燈光，各路燈光持續(xù)時(shí)間比為2:3:4:3:2，或者要設(shè)計(jì)2路燈光，其時(shí)間比為13:5，又該如何設(shè)計(jì)電路呢？解決方法是增加4017的個(gè)數(shù)，用多個(gè)4017接成級(jí)聯(lián)電路，如用2個(gè)4017可以接成20進(jìn)位的加法計(jì)數(shù)器。使用多個(gè)4017接成級(jí)聯(lián)電路，可供選擇的時(shí)間比就增多了。有關(guān)4017級(jí)聯(lián)電路，在許多資料上都有介紹，這里就不再贅述了。

本電路中，在1個(gè)循環(huán)過程中，紅燈亮1次，綠燈亮1次，黃燈亮2次；為了實(shí)現(xiàn)在紅綠燈轉(zhuǎn)換中間插入1次黃燈，黃燈必須如電路中的設(shè)計(jì)，使用4017的2個(gè)互不相連的輸出端驅(qū)動(dòng)。

3．二極管門電路原理

用二極管可以組成或門電路和與門電路，下面我們分析一下二極管門電路的原理。

①或門電路 什么是或門電路呢？它有多個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。用數(shù)字“1”代表高電平，用數(shù)字“0”代表低電平?；蜷T的特點(diǎn)是只要有1個(gè)輸入端為“1”，輸出端就輸出“1”。換句話說就是多個(gè)輸入端中有1個(gè)是高電平，輸出端就是高電平，只有當(dāng)所有的輸入端都是低電平，輸出端才是低電平。

在圖24-151的電路中，為了保證兩個(gè)振蕩器都能穩(wěn)定地工作，必須加上一級(jí)緩沖級(jí)，也就是電路中的門3和門6。即使這樣，從門3和門6輸出的脈沖信號(hào)也不能直接與一個(gè)輸入端相連，必須通過或門電路或通過與門電路，再與下一級(jí)電路相連?；蜷T電路的原理是這樣的：兩路振蕩信號(hào)分別通過一個(gè)正向?qū)щ姷亩O管，接入4017的計(jì)數(shù)輸入端，在計(jì)數(shù)輸入端上接有1個(gè)下拉電阻R5；由于電阻R5的作用，在沒有外來信號(hào)的情況下，或門的輸出端保持低電平；由于2路脈沖信號(hào)分別通過1個(gè)正向?qū)щ姷亩O管接到電阻R5上，只要其中有1路脈沖信號(hào)為高電平，或門的輸出端（電阻R5上、4017輸入端）既為高電平；只有當(dāng)兩路脈沖信號(hào)均為低電平時(shí)，或門的輸出端（電阻R5上、4017輸入端）才為低電平。圖24-153是典型的二極管或門電路，圖24-154是它的波形圖。圖24-152的電路在4017的輸出端使用了二極管的或門電路驅(qū)動(dòng)各路燈光。由于紅燈通過3個(gè)二極管組成的或門電路與4017的3個(gè)連續(xù)的輸出端相連，所以只要有1個(gè)輸出端為高電平，電燈就會(huì)亮，這樣它點(diǎn)亮的時(shí)間就是1個(gè)輸出端的3倍。綠燈與黃燈的原理與紅燈的相同，從而實(shí)現(xiàn)了模擬紅綠黃交通燈的目的。

圖24-153

圖24-154

②與門電路 所謂與門電路，就是在多個(gè)輸入端中只有當(dāng)全部為高電平的時(shí)候，輸出端才為高電平；輸入端中只要有1個(gè)為低電平，輸出端就是低電平。把兩種不同頻率進(jìn)行合成，既可以采用或門電路，也可以采用與門電路。通常用二極管組成的與門電路如圖24-155所示。它的輸出端有1個(gè)上拉電阻，將與門輸出端與電源的高電平相連。每個(gè)輸入端通過一個(gè)反向?qū)щ姷亩O管與輸出端相連。這樣，只要有1個(gè)輸入端為低電平，它上面的二極管就會(huì)導(dǎo)通，從而導(dǎo)致輸出端為低電平；只有當(dāng)所有的輸入端都為高電平，所有的二極管均不導(dǎo)通，這樣由于上拉電阻的作用，輸出端才為高電平。兩種不同頻率的脈沖信號(hào)經(jīng)過與門合成后，其波形圖如圖24-156所示。

圖24-155

圖24-156

4．如何設(shè)計(jì)輸出結(jié)果機(jī)會(huì)不均等的抓鬮器電路

可以紅綠黃三色交通燈模擬電路設(shè)計(jì)出結(jié)果機(jī)會(huì)不均等的抓鬮器。這種輸出結(jié)果的機(jī)會(huì)不均等，并且具有固定比的抓鬮器電路有什么實(shí)用價(jià)值呢？舉例來說，要用它來模擬未來1個(gè)月的天氣是晴還是陰，如果已知當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓?guī)律是晴天占50%，陰天占30%，雨天占20%，那么就不能用普通的3路機(jī)會(huì)均等的抓鬮器來模擬這種結(jié)果。而如果用3路燈光持續(xù)時(shí)間的比為5:3:2的電路，再用頻率高達(dá)1000赫茲的計(jì)數(shù)脈沖，就可以模擬未來的天氣變化狀況。又如用它來模擬輸出甲乙兩支球隊(duì)的比賽勝負(fù)結(jié)果，已知甲隊(duì)與乙隊(duì)的獲勝的比率是2:1，我們用兩種顏色的燈光分別代表兩支球隊(duì)獲勝的結(jié)果，使其中一種顏色的燈光持續(xù)的時(shí)間是另一種的2倍就可以了。

十六、多位數(shù)字密碼鎖

這是一款0～9數(shù)字密碼鎖，它的特點(diǎn)是最多可以組成10位不重復(fù)數(shù)字的密碼，可以在設(shè)計(jì)中根據(jù)需要增加或減少密碼位數(shù)，兼顧密碼鎖的可靠性和方便性。

電路原理

電路圖見圖24-161。電路由數(shù)字密碼電路、開關(guān)鍵電路和模擬輸出開關(guān)組成。數(shù)字密碼電路由4017計(jì)數(shù)器構(gòu)成。在如圖的電路中，設(shè)定的密碼是4位，這4個(gè)開關(guān)分別是AN1、AN2、AN3、AN4。在未按動(dòng)任何密碼鍵時(shí)，積分電路充電，使4017計(jì)數(shù)器的重置端R保持高電位，計(jì)數(shù)器處于計(jì)數(shù)初始狀態(tài)，即只有Q0輸出端為高電位，其余均為低電位。按動(dòng)第一個(gè)數(shù)字鍵AN1后，計(jì)數(shù)器重置端控制電壓為低電位，4017計(jì)數(shù)器進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)積分電路開始充電，重置端電壓逐漸升高，這個(gè)低電位維持大約3秒鐘，只有在這段時(shí)間按動(dòng)密碼鍵才有效；此時(shí)繼續(xù)正確按動(dòng)數(shù)字鍵AN2，則4017在常態(tài)時(shí)的輸出端Q0的高電位被輸出到計(jì)數(shù)器的輸入端CP，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，做加1的計(jì)算，結(jié)果是Q0端變0，Q1端變1；依次按動(dòng)密碼鍵AN3和AN4，最后一位計(jì)數(shù)輸出端Q3變成高電位；這個(gè)高電位輸入到開關(guān)鍵電路，使模擬輸出開關(guān)改變一次狀態(tài)，發(fā)光二極管由亮變黑或者由黑變亮。3秒鐘過后，積分電路變成高電位，這時(shí)4017的重置端R的電壓變成高電位，強(qiáng)迫計(jì)數(shù)器清零，并使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。在輸入密碼的過程中，如果時(shí)間超過3秒鐘，則計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)清零，返回初始狀態(tài)。

圖24-161

制作要點(diǎn)

密碼的有效輸入時(shí)間是可以調(diào)整的。通過調(diào)整這個(gè)時(shí)間，可以改變輸入的難度。另一方面，如果采用更多位的數(shù)字密碼，則時(shí)間也應(yīng)該長(zhǎng)一些。電路用燈光顯示模擬開關(guān)狀態(tài)，可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的開關(guān)電路。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．增加密碼位數(shù)

在0～9個(gè)數(shù)字鍵中，選定的鍵位分布在不同的數(shù)字上，就組成了一組密碼，只有按順序按動(dòng)這組數(shù)字才能開鎖。根據(jù)電路原理，可以自行設(shè)計(jì)任意位數(shù)的密碼。

2．設(shè)置陷阱鍵

為了增加開鎖難度，防止盜用，除了可以增加密碼位數(shù)之外，還可以設(shè)置一些陷阱鍵。所謂陷阱鍵，就是這樣的鍵，按動(dòng)它后，計(jì)數(shù)器重新清零，并且停止計(jì)數(shù)。在這個(gè)電路中，只要將非密碼鍵接通4017的重置端和電源的高電位，就可以達(dá)到陷阱的目的了。

3．雙D觸發(fā)器集成電路4013

4013是一種雙D觸發(fā)器集成電路，屬上升沿觸發(fā)型，其內(nèi)部接線圖如圖22-162。D觸發(fā)器輸出狀態(tài)的改變依賴于時(shí)鐘脈沖的觸發(fā)作用，在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)時(shí)，輸入數(shù)據(jù)；其置位和復(fù)位有效電平為高電平“1”；它通常用于數(shù)據(jù)鎖存或控制電路中，是組成移位、計(jì)數(shù)和分頻電路的基本邏輯單元。它包含2個(gè)相同的觸發(fā)器，可以組成2個(gè)2分頻電路。本電路使用了其中的1個(gè)2分頻電路組成開關(guān)鍵；另一半沒有使用，多余的輸入端一律接地。2個(gè)4013串聯(lián)使用可組成4分頻電路。

圖22-162

4013真值表

十七、兩位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

本作品可以產(chǎn)生兩位隨機(jī)數(shù)。每按動(dòng)一次控制按鈕，就可以得到一個(gè)00~99范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。

電路簡(jiǎn)介

電路原理圖見圖24-171。電路由脈沖發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼/驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字顯示器和控制按鈕AN組成。用4069組成的脈沖發(fā)生器產(chǎn)生3000赫茲的脈沖信號(hào)，輸送到計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器用兩個(gè)4510級(jí)連組成，可在00到99之間計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)的結(jié)果輸出到由4511組成的譯碼/驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼顯示管把結(jié)果以兩位阿拉伯?dāng)?shù)字的形式顯示出來。按下控制按鈕AN，脈沖信號(hào)就被輸送到4510進(jìn)行計(jì)數(shù)。放開按鈕AN，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，數(shù)碼顯示管輸出最后計(jì)數(shù)的結(jié)果。由于計(jì)數(shù)器每秒鐘進(jìn)行3000次計(jì)數(shù)，放開按鈕AN的那一瞬間計(jì)數(shù)器的輸出結(jié)果可以認(rèn)為是不受人控制的，它可能產(chǎn)生在00至99這100個(gè)數(shù)字中的任何一個(gè)數(shù)字上，因而可以認(rèn)為得到的是一個(gè)隨機(jī)數(shù)。

圖24-171

制作要點(diǎn)

本電路的脈沖發(fā)生器的特點(diǎn)是頻率為3000赫茲。這是因?yàn)橛?jì)數(shù)器是兩位數(shù)字的，它實(shí)際上是一個(gè)1/100的分頻器。采用3000赫茲的信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖，可使計(jì)數(shù)器每秒鐘進(jìn)行30次循環(huán)計(jì)數(shù)，確保產(chǎn)生的結(jié)果的隨機(jī)性。和上期的骰子機(jī)一樣，電路利用了脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片發(fā)聲。電源電壓用3V；這樣，采用5011和5021型的數(shù)碼管，可以不用限流電阻，由4511直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光，從而大大簡(jiǎn)化了電路。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．4510級(jí)連計(jì)數(shù)器原理

4510計(jì)數(shù)器是10進(jìn)制計(jì)數(shù)器，最大輸出數(shù)值是9。要輸出兩位數(shù)，就要采用兩個(gè)4510級(jí)連計(jì)數(shù)，一個(gè)進(jìn)行個(gè)位計(jì)數(shù)，一個(gè)進(jìn)行十位計(jì)數(shù)。本電路的計(jì)數(shù)器既可以采用加計(jì)數(shù)也可以采用減計(jì)數(shù)，為了簡(jiǎn)化電路采用了減計(jì)數(shù)。在本電路中，4510的初始狀態(tài)設(shè)置成00。計(jì)數(shù)一旦開始，就依次輸出99，98，97，…，01，00。如此循環(huán)不已。每一個(gè)4510都有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO和一個(gè)進(jìn)位輸入控制端CI。當(dāng)個(gè)位數(shù)字變成0時(shí)，個(gè)位數(shù)計(jì)數(shù)的4510的進(jìn)位輸出端CO就輸出一個(gè)進(jìn)位負(fù)脈沖；這個(gè)進(jìn)位負(fù)脈沖輸出到十位計(jì)數(shù)器的4510的進(jìn)位輸入端CI上。當(dāng)十位計(jì)數(shù)器的4510沒有接到個(gè)位的進(jìn)位負(fù)脈沖時(shí)，CI為高電位，使得十位計(jì)數(shù)器被控制在停止計(jì)數(shù)的狀態(tài)；此時(shí)盡管十位計(jì)數(shù)器上的4510的計(jì)數(shù)輸入端有計(jì)數(shù)脈沖輸入，它也不進(jìn)行計(jì)數(shù)，仍保持原數(shù)字。例如當(dāng)前計(jì)數(shù)到52，此時(shí)沒有進(jìn)位負(fù)脈沖，十位數(shù)的4510的CI為高電位，十位數(shù)不計(jì)數(shù)，仍保持?jǐn)?shù)字5；個(gè)位數(shù)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，由2變成1。下一個(gè)數(shù)字就是51。當(dāng)計(jì)數(shù)到50的時(shí)候，個(gè)位是0，開始向十位輸出進(jìn)位負(fù)脈沖；此時(shí)十位數(shù)的4510的CI端變成低電位，十位計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，由5變成4；同時(shí)個(gè)位由0變成9，從而得到下一個(gè)數(shù)字49。

十位數(shù)的4510的進(jìn)位輸出端CO沒有使用，可以懸空；個(gè)位數(shù)的4510的進(jìn)位輸入端CI雖然沒有使用，但不能懸空，必須接地才能保證計(jì)數(shù)器的正常工作。一般CMOS數(shù)字集成電路的輸入端空置時(shí)不能懸空，必須接地或接高電位；而輸出端空置時(shí)可以懸空。

2．BCD-鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器數(shù)字集成電路4511

本電路采用4511數(shù)字集成電路。圖24-172是它的管腳接線圖。4511的功能是用來把4510輸出的2進(jìn)制數(shù)變成驅(qū)動(dòng)7段筆劃的數(shù)碼顯示管（包含有7個(gè)發(fā)光二極管）的信號(hào)。4511通常與4510和一個(gè)7段數(shù)碼管配套使用，它的輸入端分別與4510的輸出端相連；它的每一個(gè)筆劃輸出端的輸出電流可達(dá)25毫安，可直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，顯示0~9的阿拉伯?dāng)?shù)字。

圖24-172

4511真值表

輸出鎖存端高電位之前的狀態(tài)

表1中的“0”表示該端為低電位，“1”表示該端為高電位，φ表示該端可以是高電位，也可是低電位。4511有7個(gè)輸入端和7個(gè)輸出端。鎖存端處于高電位，則無論其它輸入端狀態(tài)如何，均輸出并保持4511最后得到的數(shù)字；鎖存端為低電位，可正常顯示當(dāng)前輸出結(jié)果。熄滅端為低電位，7段數(shù)碼管全滅；熄滅端為高電位可正常顯示輸出結(jié)果。測(cè)試端為低電位，輸出測(cè)試結(jié)果，也就是輸出7段數(shù)碼管的全部筆劃，顯示數(shù)字“8”；測(cè)試端為高電位，正常顯示。A、B、C、D為2進(jìn)制數(shù)輸入端，其中A為20、B為21、C為22、D為23。當(dāng)輸入端為小于10的2進(jìn)制數(shù)時(shí)，4511可正常顯示輸出；當(dāng)輸入端為大于10的2進(jìn)制數(shù)時(shí)，4511熄滅。

3．如何設(shè)計(jì)多位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

上期的6點(diǎn)燈光骰子機(jī)實(shí)際上是一個(gè)一位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。如何制作三位數(shù)以上的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器呢？比如要制作4位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，除了要用4個(gè)4510級(jí)連計(jì)數(shù)之外，還要注意哪些問題呢？這里提醒一下，4位數(shù)的計(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)萬分之一的分頻器，也就是它可以輸出頻率為輸入脈沖信號(hào)頻率的1萬分之一的脈沖信號(hào)。這就對(duì)計(jì)數(shù)器輸入脈沖信號(hào)的頻率提出了要求。只要這個(gè)問題解決了，多位隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是不難設(shè)計(jì)的。

CMOS電路的工作頻率一般在10M赫茲以下，那么采用這種電路，可以制作出最多幾位數(shù)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器呢？請(qǐng)你估算一下。

4．如何得到事先指定范圍的隨機(jī)數(shù)

先從簡(jiǎn)單的說起。比如要產(chǎn)生從00到58的隨機(jī)數(shù)，該如何設(shè)計(jì)電路呢？這可以用4510的置數(shù)功能來解決。有關(guān)4510的置數(shù)功能在6點(diǎn)骰子機(jī)電路中已有介紹。可采用減計(jì)數(shù)電路，把4510的個(gè)位置數(shù)端設(shè)置成“8”，十位置數(shù)端設(shè)置成“5”；然后設(shè)計(jì)一種電路，使得每當(dāng)計(jì)數(shù)器輸出00的時(shí)候，就向置數(shù)開關(guān)發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，使計(jì)數(shù)器輸出“58”就可以了。請(qǐng)讀者自己設(shè)計(jì)這樣的電路。

產(chǎn)生任意區(qū)間的隨機(jī)數(shù)的電路比較復(fù)雜。例如要產(chǎn)生在20到88之間的隨機(jī)數(shù)，該如何設(shè)計(jì)呢？這里筆者介紹一種思路，供讀者參考?？刹捎脺p計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)器置數(shù)為88，也就是每重置一次置數(shù)端，計(jì)數(shù)器就輸出88；然后設(shè)法讓計(jì)數(shù)器輸出20的時(shí)候，輸出置數(shù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，重置一次置數(shù)端，時(shí)計(jì)數(shù)器回到88。這樣就可以輸出從20到88的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)然，具體電路是比較復(fù)雜的，電路設(shè)計(jì)的難度也較大，有一定基礎(chǔ)的電子發(fā)燒友不妨一試。

5．7段LED數(shù)碼顯示管

這是一種專門用來顯示阿拉伯?dāng)?shù)字的集成電路，分共陰和共陽(yáng)兩種。所謂共陰是指里面的所有發(fā)光二極管的負(fù)極相連，作為公共陰極接電源負(fù)極。共陽(yáng)則恰恰相反。用4511直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管必須采用共陰極的。本電路建議采用LC5011或LC5021，它們分別顯示紅光和綠光；它的內(nèi)部一共有8個(gè)發(fā)光二極管，其中7個(gè)用來顯示阿拉伯?dāng)?shù)字的筆劃，1個(gè)用來顯示小數(shù)點(diǎn)（見圖24-173）。7段數(shù)碼顯示管一般有10個(gè)管腳，除了以上8個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極之外，還有兩個(gè)陰極；這兩個(gè)陰極是相連的，使用哪一個(gè)都可以。

圖24-173

十八、百分之一秒數(shù)字秒表

此款秒表采用發(fā)光數(shù)碼管顯示，用手控制計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)精度為百分之一秒，最大計(jì)時(shí)時(shí)間為99.99秒。

電路簡(jiǎn)介

電路原理圖見圖24-181。電路由時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、級(jí)連計(jì)數(shù)器、譯碼/顯示驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字顯示器、手動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕、清零恢復(fù)按鈕組成。時(shí)鐘脈沖發(fā)生器用4060組成晶體振蕩器產(chǎn)生38000赫茲的脈沖信號(hào)，再由4040計(jì)數(shù)/分頻器生成周期為百分之一秒的脈沖信號(hào)。時(shí)鐘脈沖信號(hào)輸出到由4個(gè)4510級(jí)連組成的加計(jì)數(shù)器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果由4511組成的譯碼/顯示器變成7段數(shù)碼顯示信號(hào)，點(diǎn)亮4位數(shù)的阿拉伯?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)碼顯示管，顯示計(jì)時(shí)結(jié)果。按一下手動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕，秒表開始計(jì)時(shí)；再按一下手動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕，秒表停止計(jì)時(shí)，同時(shí)顯示計(jì)時(shí)結(jié)果。按動(dòng)清零恢復(fù)按鈕，顯示結(jié)果消失，秒表返回0值。

圖24-181

制作要點(diǎn)

由于電路比較復(fù)雜，建議采用印刷電路板焊接制作。為了縮小體積，方便使用，本機(jī)采用2節(jié)普通5號(hào)電池供電。本機(jī)電源電壓工作在CMOS集成電路的下限，所以不能采用2節(jié)5號(hào)充電電池工作。數(shù)碼管可采用半英寸以下的，應(yīng)采用高亮度的型號(hào)。時(shí)鐘/顯示電路使用4組4510-4511級(jí)連使用，最小計(jì)時(shí)單位為0.01秒，最大計(jì)時(shí)為99.99秒；也可以根據(jù)不同的需要，增加或減少計(jì)時(shí)區(qū)間。

學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)與思考

1．如何獲得時(shí)鐘脈沖信號(hào)

秒表的關(guān)鍵是獲得準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)。本電路采用4060振蕩分頻器組成石英晶體振蕩器電路，產(chǎn)生38000赫茲的脈沖信號(hào)。由4060的9腳輸出38000赫茲的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過4040進(jìn)行分頻系數(shù)為380的分頻，輸出周期為0.01秒的脈沖信號(hào)。用這個(gè)0.01秒的脈沖信號(hào)作為加法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)單位，就可以得到精度為百分之一秒的時(shí)鐘電路。

2．任意整數(shù)分頻系數(shù)的分頻器的設(shè)計(jì)

本電路用4040分頻集成電路把38000赫茲的脈沖信號(hào)變成100赫茲的脈沖信號(hào)。要求分頻器的分頻系數(shù)是38000/100=380。而4040各個(gè)分頻輸出端的分頻系數(shù)都是2的整數(shù)次冪，為了得到分頻系數(shù)為380的分頻，采用了一組二極管D1~D5組成特殊的與門電路，經(jīng)過邏輯運(yùn)算，得到分頻系數(shù)為380的分頻器。下面學(xué)習(xí)用4040組成任意整數(shù)分頻系數(shù)的分頻器電路的方法。

①首先將分頻系數(shù)380化成2進(jìn)制數(shù)（有關(guān)把10進(jìn)制數(shù)化成2進(jìn)制數(shù)的方法很多書刊都有介紹，在此就略去了。）：380=101111100-2-=2--8+26+25+24+23+22。這樣做的目的是把380分解成若干個(gè)2的整數(shù)次冪的和。

②由上步，380為6個(gè)2的整數(shù)冪的和，所以要用到4040的6個(gè)輸出端。用哪6個(gè)輸出端呢？把這6個(gè)冪的乘方的次數(shù)分別加1，也就是要把8、6、5、4、3、2分別加1，得到9、7、6、5、4、3；從而確定使用4040的Q9、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3這6個(gè)輸出端。

③任意選擇其中的一個(gè)輸出端連接1個(gè)電阻，其余的輸出端分別接1個(gè)二極管的負(fù)極。按照?qǐng)D24-191的電路圖接好。

再舉一個(gè)例子：用4040設(shè)計(jì)一個(gè)分頻系數(shù)為24的分頻器。設(shè)計(jì)步驟如下：由24=24------+23，確定用4040的Q5和Q4輸出端；如圖24-182的電路，就可以得到輸入脈沖頻率的1/24的脈沖信號(hào)。

圖24-182

這個(gè)分頻器的工作原理是這樣的：Q5端的輸出信號(hào)的頻率為輸入端的1/32，Q4端為1/16。由于這兩個(gè)輸出端用電阻和二極管接成與門電路，所以只有當(dāng)它們同時(shí)為高電位的時(shí)候，才能輸出高電位。Q5端在輸入了16個(gè)脈沖之后開始變成高電位；Q4端在輸入了8個(gè)脈沖之后開始輸出高電位；這樣，只有輸入了16+8=24個(gè)脈沖之后，Q5和Q4才同時(shí)開始輸出高電位；通過電路的與門運(yùn)算，只有在這個(gè)時(shí)刻才能向外輸出高電位。這個(gè)高電位既輸出到后面的計(jì)數(shù)器作為時(shí)鐘信號(hào)，又輸出到它本身的復(fù)位端，強(qiáng)迫它自己清零復(fù)位，重新開始下一個(gè)周期的分頻計(jì)數(shù)。這樣就得到了一個(gè)頻率為輸入端脈沖頻率的1/24的脈沖。上述過程的波形圖見圖24-183。

圖24-183

思考：為什么上述設(shè)計(jì)步驟中，要把組成分頻系數(shù)的2的乘方的次數(shù)加1，作為確定4040輸出端的依據(jù)呢？

如果要設(shè)計(jì)精度為0.1秒的秒表，該如何設(shè)計(jì)分頻器呢？

3．手動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕電路

手動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕電路的功能是操作秒表，按動(dòng)一下秒表開始計(jì)時(shí)，再按動(dòng)一下秒表停止計(jì)時(shí)并顯示兩次按動(dòng)所經(jīng)過的時(shí)間。本電路采用4069組成雙穩(wěn)態(tài)記憶電路，結(jié)合使用一個(gè)普通按鈕開關(guān)構(gòu)成開關(guān)鍵。每按動(dòng)一下這個(gè)按鈕，電路的輸出電位就在高電位和低電位之間改變一次狀態(tài)；這個(gè)輸出電信號(hào)連接在4040計(jì)數(shù)分頻器的復(fù)位端。當(dāng)4040的復(fù)位端為低電位信號(hào)控制時(shí)，它可正常計(jì)數(shù)并輸出0.01秒的時(shí)鐘脈沖信號(hào)；當(dāng)4040的復(fù)位端為高電位信號(hào)控制時(shí)，它停止計(jì)數(shù)，并強(qiáng)迫各個(gè)輸出端輸出0。這樣就實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)普通的按鈕開關(guān)控制秒表的計(jì)時(shí)和停止計(jì)時(shí)的目的。

4．清零恢復(fù)按鈕電路

它的功能是在一次計(jì)時(shí)完成之后，將計(jì)數(shù)器清零，然后準(zhǔn)備進(jìn)行下一次的計(jì)時(shí)工作。它由下拉電阻R6和一個(gè)普通的按鈕開關(guān)組成；平時(shí)由于下拉電阻的作用，4510的復(fù)位端被控制在低電位，此時(shí)如果有時(shí)鐘信號(hào)從輸入端輸入，則4510正常計(jì)數(shù)；而一旦按動(dòng)一下這個(gè)按鈕，4個(gè)4510的復(fù)位端就得到一個(gè)高電位脈沖，從而使4510計(jì)數(shù)器的各個(gè)數(shù)位的輸出端都強(qiáng)迫變成0。需要提醒使用者注意的是，清零恢復(fù)按鈕的作用是在一次計(jì)時(shí)完成之后，也就是在用手動(dòng)計(jì)時(shí)按鈕得到了一次計(jì)時(shí)結(jié)果之后，打算進(jìn)行下一次計(jì)時(shí)的時(shí)候才需要使用它；當(dāng)秒表處于計(jì)時(shí)過程中，是絕對(duì)不能按動(dòng)它的。否則會(huì)導(dǎo)致計(jì)時(shí)產(chǎn)生很大的誤差。

5．如何用一個(gè)秒表進(jìn)行多次計(jì)時(shí)

本電路在一次計(jì)時(shí)工作只能輸出一個(gè)計(jì)時(shí)結(jié)果。如何使用它進(jìn)行2次或多次計(jì)時(shí)呢？例如我們?yōu)榧子?jì)時(shí)為11秒，然后再為乙計(jì)時(shí)為18秒。這個(gè)問題也是可以解決的。想一想譯碼顯示集成電路4511鎖存功能；當(dāng)鎖存端（5腳）處于低電位時(shí)，它可正常顯示當(dāng)前收到的數(shù)字；每當(dāng)它的鎖存端處于高電位時(shí)，它就顯示在此之前最后收到的數(shù)字，并保持顯示這個(gè)數(shù)字。要注意到，當(dāng)使用4511的鎖存功能的時(shí)候，并不影響4510計(jì)時(shí)器的功能和輸出結(jié)果。我們可以利用一個(gè)開關(guān)鍵控制4511鎖存端的電位，從而使數(shù)字秒表具有顯示多個(gè)計(jì)時(shí)結(jié)果的功能。正好本電路的IC3-4069只用了一半，還有3個(gè)非門沒有使用；有興趣的讀者不妨試一試，利用這3個(gè)非門和一個(gè)按鈕開關(guān)，模仿計(jì)時(shí)開始/停止按鈕的電路，設(shè)計(jì)一個(gè)控制鎖存端電位的開關(guān)鍵，使這款秒表增加可以顯示多個(gè)計(jì)時(shí)結(jié)果的功能。