圣誕燈序列波形發(fā)生器和計(jì)數(shù)器電路

圣誕節(jié)即將來臨，當(dāng)電子學(xué)生或業(yè)余愛好者的想法轉(zhuǎn)向?yàn)樗麄兊募易鲆粋€(gè)圣誕節(jié)電路時(shí)，尤其是那個(gè)閃爍幾盞燈的圣誕節(jié)電路。

市場(chǎng)上的許多電路和套件可以定期，隨機(jī)或順序閃爍任意數(shù)量的燈，但是一個(gè)非常通用的IC，業(yè)余愛好者或?qū)W生可以使用它來制作一個(gè)簡(jiǎn)單的圣誕燈序列器用于各種不同的季節(jié)性照明顯示器是CMOS4017B Johnson Counter。

4017B是一個(gè)快速切換的5級(jí)Johnson十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，配有10個(gè)完全解碼的輸出（總計(jì)10個(gè)單獨(dú)的光源）。這十個(gè)輸出在時(shí)鐘脈沖的每個(gè)新的正向邊緣到達(dá)時(shí)一次一個(gè)地切換。在任何一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)輸出處于邏輯“1”或“高”，而所有其他輸出都以邏輯“0”或“低”清除，因此它可以產(chǎn)生移動(dòng)序列或追蹤效果，使4017理想為順序用于圣誕燈項(xiàng)目的LED或照明顯示器。

4017B基本上是一個(gè)循環(huán)移位寄存器，其串行輸出連接回其串行輸入，以產(chǎn)生特定的序列。 4017B Johnson計(jì)數(shù)器還可用于分頻應(yīng)用以及十進(jìn)制計(jì)數(shù)器或十進(jìn)制解碼顯示應(yīng)用。

4017B被歸類為計(jì)數(shù)器，因?yàn)樗趹?yīng)用時(shí)鐘時(shí)表現(xiàn)出特定的狀態(tài)序列信號(hào)或脈沖。由于4017B用作同步計(jì)數(shù)器，所有內(nèi)部觸發(fā)器的開關(guān)動(dòng)作來自公共時(shí)鐘信號(hào)，如圖所示。

4017B約翰遜十年計(jì)數(shù)器

音序器定時(shí)信號(hào)

但在我們使用4017B Johnson計(jì)數(shù)器作為圣誕燈音序器電路的一部分之前，我們需要產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)信號(hào)。使用專用IC（例如NE555或使用晶體管或晶體振蕩器的離散非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路）有許多不同的方式來產(chǎn)生時(shí)序或時(shí)鐘信號(hào)。名單是無止境的。但是，使用施密特觸發(fā)器反相器生成方波定時(shí)信號(hào)的一種非常簡(jiǎn)單有效的方法是使用施密特觸發(fā)器反相器。

施密特觸發(fā)器，以其發(fā)明人命名，是一種電壓敏感的雙態(tài)器件，采用反相器或非門的形式。使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生可變方波定時(shí)信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是它使用一個(gè)產(chǎn)生遲滯的特殊閾值電路，通過在它之間切換時(shí)“觸發(fā)”觸發(fā)電壓來防止不穩(wěn)定的切換。狀態(tài)。這允許在“HIGH”和“LOW”之間進(jìn)行可靠的切換，或者邏輯“0”和邏輯“1”之間的切換，使其成為我們圣誕燈序列器項(xiàng)目的方波定時(shí)信號(hào)的理想選擇。

考慮到施密特變頻器如圖所示。當(dāng)電位器抽頭的位置位于圖的底部時(shí)，輸入到施密特反相器的電壓為低，表示邏輯電平“0”，并低于邏輯門的下輸入閾值電平。由于施密特觸發(fā)器是一個(gè)反相器，因此產(chǎn)生的輸出將處于邏輯電平“1”的高電平。

因?yàn)殡娢黄鞴嗡魇窍? 5V移動(dòng)，當(dāng) Vi 的電壓等于或高于更高的閾值輸入或更高的跳變點(diǎn)（ V HTP 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)span>）使施密特逆變器改變狀態(tài)。現(xiàn)在存在輸入處于邏輯電平“1”并且輸出處于邏輯電平“0”的情況。然后，施密特觸發(fā)器用作反相器或 NOT Gate 。

同樣，如果電位器抽頭的位置為+ 5V并降低到0V，則會(huì)出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)。 Vi 處的電壓等于或低于下限閾值輸入或下限跳變點(diǎn)（ V LTP ），導(dǎo)致施密特逆變器再次改變狀態(tài)。

然后通過改變施密特變換器輸入端的電壓值在其上下閾值跳變點(diǎn)之間，我們可以使輸出改變狀態(tài)，這是施密特背后的基本思想。非穩(wěn)態(tài)振蕩電路。如圖所示，通過用 RC （電阻 - 電容）電路替換電位器，我們可以通過施密特反相器對(duì)電容器進(jìn)行充電和放電。

Schmitt Astable波形發(fā)生器

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假設(shè)定時(shí)電容 C T 完全放電，施密特觸發(fā)器的輸入為邏輯“0”，因此其輸出為邏輯“1”，電容器將開始通過定時(shí)電阻器指數(shù)充電， R T 從右到左。電容器充電的速度取決于它們的 RC 時(shí)間常數(shù)。

在某些時(shí)候，電容器極板上的電壓將達(dá)到施密特觸發(fā)器的較高閾值輸出從邏輯“1”切換到邏輯“0”。由于施密特觸發(fā)器的輸出有效地處于0v電位，因此電容器開始通過定時(shí)電阻器放電回來， R T 從左到右以由它們的 RC 時(shí)序常數(shù)。

當(dāng)放電電容板上的電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的下限閾值時(shí)，它會(huì)使其改變狀態(tài)并重復(fù)整個(gè)過程。

通常，較高的閾值點(diǎn) V HTP 通常出現(xiàn)在電源電壓的65％（2 / 3rds）附近，而閾值較低點(diǎn)出現(xiàn)在電源電壓的35％左右（1/3）。任何施密特觸發(fā)器反相器，如4106,4584,74LS14,74LS19等，都可用于產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)或甚至施密特NAND門，如4093,74LS132等。

然而，使用不同的邏輯無論是CMOS還是TTL（74LSxx，74HLSxx，74HCTxx）都會(huì)產(chǎn)生不同的上下跳變點(diǎn)，從而導(dǎo)致輸出時(shí)序波形的工作頻率和標(biāo)記 - 空間比不同。通常，不同邏輯子系列的振蕩頻率誤差不是問題，尤其是在較高頻率時(shí)，但可以是 1.2RC 到 1.5RC 的任意值，使用廣義公式對(duì)于施密特非穩(wěn)態(tài)波形發(fā)生器給出如下：

施密特波形頻率

其中：Beta（β）可以是1.2和1.5之間的任何固定值，具體取決于所使用的邏輯門系列。

如果我們更換固定定時(shí)電阻， R T 帶電位器，可為我們的圣誕燈定序器電路生成可變頻率方波定時(shí)信號(hào)。顯然，當(dāng)電位器在一個(gè)方向上完全轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們不希望定時(shí)電阻的值等于零，因?yàn)檫@會(huì)使施密特反相器短路。因此，為防止這種情況發(fā)生，需要將一個(gè)小值固定電阻與電位器串聯(lián)，以提供至少一些定時(shí)電阻。

使用時(shí)序 RC 網(wǎng)絡(luò)的組件在圣誕燈序列器中，您可以使用任何值來產(chǎn)生您選擇的振蕩頻率。當(dāng)電位計(jì)從最小值調(diào)整到最大值時(shí)，以下施密特非穩(wěn)態(tài)電路將提供從大約10Hz到6kHz的輸出頻率。額外的施密特觸發(fā)器反相器 IC1b 用作反相緩沖器，有助于清除時(shí)序波形并改善振蕩器的性能。由于每個(gè)40106B IC有六個(gè)逆變器，因此有足夠的備用。

圣誕燈序列發(fā)生器波形發(fā)生器

好的，現(xiàn)在我們有一個(gè)十年計(jì)數(shù)器和一個(gè)非常穩(wěn)定的波形振蕩器電路，我們現(xiàn)在需要一些燈來組成我們新奇的圣誕燈音序器電路。這些可以是從LED到微型白熾燈的任何類型的燈或燈。如果您希望計(jì)數(shù)器的輸出也可用于驅(qū)動(dòng)光耦合器，而光耦合器又可用于切換三端雙向可控硅開關(guān)元件或晶閘管以切換電源電壓燈。對(duì)于這個(gè)簡(jiǎn)單的圣誕燈序列器教程，我們將使用LED。

4017B十進(jìn)制計(jì)數(shù)器有10個(gè)完全解碼的輸出，每個(gè)輸出能夠切換到20mA。每個(gè)解碼輸出通常為低（邏輯“0”）并且順序地一次一個(gè)地切換為高（邏輯“1”）。這里的優(yōu)點(diǎn)是我們可以使用每個(gè)輸出直接驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED，并且更好，因?yàn)槿魏螘r(shí)候只有一個(gè)LED點(diǎn)亮，所有10個(gè)LED只需要一個(gè)限流電阻，如圖所示。

完成燈光序列發(fā)生器波形發(fā)生器

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可以修改1kΩ串聯(lián)電阻的值，以滿足所選電源電壓的電壓/電流要求。也可以在輸出端增加更多LED串聯(lián)，但請(qǐng)記住，通常每個(gè)LED在2V時(shí)需要最小約10mA的正向電流才能完全發(fā)光。

如果您有其他類型的圣誕燈序列器應(yīng)用程序需要驅(qū)動(dòng)更多LED或更多輸出功率的地方，然后解碼輸出可用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)晶體管的基極或功率MOSFET器件的柵極，如圖所示。

以及切換只需燈和LED，晶體管，無論是雙極MOSFET還是可以用來切換電磁繼電器線圈或固態(tài)繼電器的輸入，以增加圣誕燈序列發(fā)生器電路的靈活性。

除以N計(jì)數(shù)器

如圖所示連接，復(fù)位引腳（引腳15）連接到0伏時(shí)，4017B約翰遜計(jì)數(shù)器作為十分頻計(jì)數(shù)器，每個(gè)輸出在每十個(gè)時(shí)鐘信號(hào)上變?yōu)楦唠娖健?/ p>

但是除了驅(qū)動(dòng)所有十個(gè)LED之外，4017B Johnson計(jì)數(shù)器也可以是c配置為具有“N”個(gè)解碼輸出的計(jì)數(shù)器，其中“N”可以是2到9之間的任何數(shù)字。

通過將復(fù)位引腳（引腳15）連接回其中一個(gè)輸出而不是直接對(duì)于接地，計(jì)數(shù)器可以配置為2分頻，4分頻計(jì)數(shù)器等，以便在2到10之間順序驅(qū)動(dòng)2,4,8或任意數(shù)量的LED。

所以例如，我們只想按順序閃爍四個(gè)LED，我們將復(fù)位引腳連接到第五個(gè)輸出（引腳10），每個(gè)LED將在每四個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)時(shí)閃爍。同樣，如果我們只想閃爍六個(gè)LED，我們會(huì)將復(fù)位引腳連接到第七個(gè)輸出（引腳5），依此類推。

圣誕燈序列發(fā)生器電路

全部放入一起。完整的圣誕燈序列發(fā)生器電路如下所示，帶有施密特非穩(wěn)態(tài)振蕩器，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和LED。使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)非常簡(jiǎn)單和便宜的非穩(wěn)態(tài)振蕩器，但任何振蕩器或555定時(shí)器電路都可以。 RC值的不同組合可用于提供您選擇的可變頻率方波定時(shí)信號(hào)。

這個(gè)簡(jiǎn)短教程的目的是顯示4017約翰遜十年計(jì)數(shù)器可以用來制作新奇的圣誕燈序列發(fā)生器電路或任何其他類型的測(cè)序LED“移動(dòng)點(diǎn)“顯示那件事。也可以創(chuàng)建許多不同的閃光燈相關(guān)效果，而不僅僅是圣誕節(jié)，具體取決于您物理排列LED（或燈）的方式和使用的數(shù)量。

電路負(fù)載切換功能可以是通過使用雙極晶體管，達(dá)林頓或MOSFET進(jìn)一步擴(kuò)展，通過繼電器，光耦合器和固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)更大的LED顯示器或電源照明，完全取決于您。但是要考慮的最后一個(gè)重要的安全點(diǎn)是，如果切換和使用電源電壓必須非常小心，不要忘記電源電壓是否正常，所以請(qǐng)注意。