LED 定序器

零件和材料

• 4017 十进制计数器/分频器（Radio Shack 目录 # 276-2417）
• 555 定时器 IC（Radio Shack 目录号 #276-1723）
• 十段 LED 条形图（Radio Shack 目录 # 276-081）
• 一个 SPST 开关
• 一节 6 伏电池
• 10 kΩ 电阻
• 1 MΩ 电阻
• 0.1 µF 电容器（Radio Shack 目录编号 272-135 或同等产品）
• 耦合电容，0.047 至 0.001 µF
• 十个 470 Ω 电阻器
• 带耳机的音频检测器

注意！ 4017 IC是CMOS，对静电很敏感！

任何单刀单掷开关就足够了。家用电灯开关可以正常工作，并且在任何五金店都可以买到。

音频检测器将用于评估信号频率。如果您可以使用示波器，则不需要音频检测器。

交叉引用

电路课程 ，第 4 卷，第 3 章：“逻辑门”

电路课程 , 第 4 卷第 4 章：“开关”

电路课程 ，第 4 卷，第 11 章：“计数器”

学习目标

• 使用 555 定时器电路产生“时钟”脉冲（稳定 多谐振荡器）
• 使用 4017 十进制计数器/分频器电路来产生脉冲序列
• 使用 4017 十进制计数器/分频器电路进行分频
• 使用分频器和钟表（手表）测量频率
• “下拉”电阻的用途
• 了解开关触点“弹跳”对数字电路的影响
• 使用 555 定时器电路“去抖动”机械开关（单稳态 多谐振荡器）

原理图

插图

说明

4017 型集成电路是具有十个输出端子的 CMOS 计数器。在任何给定时间，这十个端子中的一个将处于“高”状态，所有其他端子都处于“低”状态，从而提供“十中之一”的输出序列。如果向 4017 的“时钟”（Clk）端子施加低到高的电压脉冲，它将增加其计数，迫使下一个输出进入“高”状态。

将 555 定时器连接为低频非稳态多谐振荡器（振荡器）后，4017 将循环执行其十个计数序列，一次点亮每个 LED，然后“循环”回到第一个 LED。结果是一个视觉上令人愉悦的闪光灯序列。随意尝试在 555 定时器上使用电阻和电容值来创建不同的闪光率。

尝试断开从 4017 的“时钟”端子（第 14 针）到连接到 555 定时器芯片的 555 的“输出”端子（第 3 针）的跳线，并将其末端握在手中。如果您周围有足够多的 60 Hz 电力线“噪音”，4017 会将其检测为快速时钟信号，从而导致 LED 快速闪烁。

4017 芯片上的两个端子“Reset”和“Clock Enable”通过与电池负极（接地）的连接保持在“低”状态。如果芯片要自由计数，这是必要的。如果“复位”端子变为“高”，则 4017 的输出将复位为 0（引脚 #3“高”，所有其他输出引脚“低”）。如果“Clock Enable”设为“high”，芯片将停止响应时钟信号并暂停其计数序列。

如果 4017 的“复位”端子连接到它的十个输出端子之一，它的计数序列将被缩短或截断 .您可以通过将“Reset”端子与地断开连接，然后将长跳线连接到“Reset”端子，以便轻松连接到十段 LED 条形图的输出来进行试验。请注意有多少（或多少）LED 在“复位”连接到任一输出端时亮起：

诸如 4017 之类的计数器可用作数字分频器，以获取时钟信号并产生以时钟频率的某个整数因子出现的脉冲。例如，如果 555 定时器的时钟信号为 200 Hz，而 4017 配置为全计数序列（“Reset”端子接地，提供完整的十步计数），则具有4017 的任何输出端子将出现十倍长 (20 Hz) 的周期。换句话说，每个输出端都会循环一次 每十 时钟信号周期：慢十倍的频率。

为了试验这个原理，通过一个非常小的电容器（0.047 µF 到 0.001 µF）将您的音频检测器连接在 4017 的输出 0（引脚 #3）和地之间。电容器仅用于“耦合”交流信号，以便您可以在不将直流（电阻）负载置于计数器芯片输出上的情况下检测脉冲。

4017的“Reset”端接地，就会有一个满计数的序列，每次“0”LED亮时，耳机里会听到“咔嚓”一声，对应555实际输出频率的1/10 :

事实上，了解耳机中听到的咔嗒声与时钟频率之间的这种数学关系使我们能够以相当的精度测量时钟频率。使用秒表或其他时计，计算连接到 4017 的“0”输出时一整分钟内听到的咔嗒声。在 555 计时电路中使用 1 MΩ 电阻和 0.1 µF 电容器，以及 13 伏（而不是 6 伏）的电源电压，我计算出电路在一分钟内发出 79 次咔嗒声。

您的电路可能会产生略有不同的结果。将在“0”输出处计数的脉冲数乘以 10，以获得 555 定时器在同一时间内产生的周期数（我的电路：79 x 10 =790 个周期）。将此数字除以 60 以获得每秒经过的定时器周期数（我的电路：790/60 =13.17）。最后的数字是以Hz为单位的时钟频率。

现在，将音频检测器的一个测试探针接地，将另一个测试探针（带有串联耦合电容器的那个）连接到 555 定时器的第 3 引脚。您听到的嗡嗡声是未分频的时钟频率：

通过将 4017 的“复位”端子连接到输出端子之一，将产生截断的序列。如果我们使用 4017 作为分频器，这意味着输出频率将是时钟频率的不同因子：1/9、1/8、1/7、1/6、1/5、1/4、 1/3 或 1/2，取决于我们将“复位”跳线连接到哪个输出端子。

将音频检测器测试探头重新连接到 4017 的输出“0”（第 3 针），并将“重置”端子跳线连接到条形图左侧的第六个 LED。这应该产生 1/5 的分频比：

再次计算一分钟内听到的点击次数，您应该得到一个数字，大约是 4017 配置为 1/10 时计算的数字的两倍，因为 1/5 是 1/10 的两倍。

如果您没有获得与之前获得的精确两倍的计数，那是因为计算周期的方法固有的错误：将您的听觉与秒表或其他计时设备的显示相协调。

尝试将 555 电路中的 1 MΩ 计时电阻器替换为一个非常小的值，例如 10 kΩ。这将增加驱动 4017 芯片的时钟频率。使用音频检测器聆听 4017 引脚 #3 的分频，注意将“Reset”跳线移动到不同输出时产生的不同音调，从而产生不同的分频比。

看看是否可以通过将原始频率除以 2，然后除以 4，然后除以 8 来产生八度音程（每个下降的八度音程代表前一个频率的一半）。八度音程很容易与其他分割频率区分开来，因为它们与原始音调的音高相似。

可以从该电路中学到的最后一课是开关触点“弹跳”。为此，您需要一个开关来为 4017 芯片提供时钟信号，而不是 555 定时器。重新将“Reset”跳线接地以启用完整的十步计数序列，并断开 555 的输出与 4017 的“时钟”输入端子的连接。

将开关与 10 kΩ 下拉串联 电阻，并将此组件连接到 4017“时钟”输入，如图所示：

“下拉”电阻的目的是在开关触点打开时提供明确的“低”逻辑状态。如果没有这个电阻，4017 的“时钟”输入线将浮动 每当开关触点打开时，它很容易受到杂散静态电压或电气“噪声”的干扰，其中任何一种都能使 4017 随机计数。

下拉电阻就位后，4017 的“时钟”输入将有一个明确的（虽然是电阻）接地连接，提供稳定的“低”逻辑状态，排除静电干扰或附近交流电路接线耦合的“噪声” .

打开和关闭开关，注意 LED 的动作。每次关闭到开启的开关转换时，4017 的计数应增加一次。然而，您可能会注意到一些奇怪的行为：有时，LED 序列会“跳过”一个甚至几个步骤，只需关闭一次开关即可。

为什么是这样？这是由于开关触点非常快速的机械“弹跳”。当两个金属触点像大多数开关一样快速地靠在一起时，就会发生弹性碰撞。这种碰撞导致触点在彼此“反弹”时非常迅速地接通和断开。

通常，这种“反弹”速度很快，您可以看到其影响，但在这样的数字电路中，计数器芯片能够响应非常快的时钟脉冲，这些“反弹”被解释为不同的时钟信号，并且计数相应增加。

解决这个问题的一种方法是使用定时电路为短时间内接收到的任意数量的输入脉冲信号产生单个脉冲。该电路称为单稳态多谐振荡器 , 任何消除由开关触点“弹跳”引起的虚假脉冲的技术都称为去抖动 .

如果“触发器”输入连接到开关，则 555 定时器电路能够用作去抖动器：

请注意，由于我们再次使用 555 为 4017 提供时钟信号，因此我们必须将 555 芯片的 #3 引脚重新连接到 4017 芯片的 #14 引脚！此外，如果您更改了 555 定时器电路中电阻或电容的值，您应该返回到原来的 1 MΩ 和 0.1 µF 组件。

再次启动开关并注意 4017 的计数行为。不应再像以前那样“跳过”计数，因为 555 计时器为每个开到关输出一个清晰的脉冲 开关的驱动（注意这里的操作反转！）。

重要的是 555 电路的时序要合适：给电容器充电的时间应该长于开关的“稳定”时间（触点停止弹跳所需的时间），但不能太长以至于定时器如果它们发生，将“错过”开关驱动的快速序列。