第6节 LED 定序器 (修订中)
[TOC]
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 #276-1723）
- 十段条形图 LED（Radio Shack 目录号 276-081）
- 一个 SPST 开关
- 一节 6 伏电池
- 10 kΩ 电阻
- 1兆欧电阻
- 0.1 µF 电容器（Radio Shack 目录 # 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
__警告！__4017 IC是CMOS，因此对静电很敏感！
任何单刀单掷开关都足够了。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，第 4 卷，第 3 章：“逻辑门 (opens new window)”
电路课，第 4 卷，第 4 章：“开关 (opens new window)”
电路课，第 4 卷，第 11 章：“计数器 (opens new window)”
学习目标
- 使用 555 定时器电路产生“时钟”脉冲（_非稳态_多谐振荡器）
- 使用 4017 十进制计数器/除法器电路产生脉冲序列
- 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”电阻器的用途
- 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，示意图
插图
指示
4017型集成电路是一个具有十个输出端的CMOS计数器。这十个终端中的一个将在任何给定时间处于“高”状态，而所有其他终端都处于“低”状态，从而给出“十分之一”的输出序列。如果从低到高的电压脉冲施加到 4017 的“时钟”(Clk) 端，它将增加其计数，迫使下一个输出进入“高”状态。
将555 定时器 (opens new window)连接为低频非稳态多谐振荡器（振荡器），4017 将循环通过其十个计数序列，一次点亮每个 LED，然后“循环”回到第一个 LED。结果是一系列视觉上令人愉悦的闪光灯。随意尝试 555 计时器上的电阻器和电容器值，以创建不同的闪光速率。
尝试断开从 4017 的“时钟”端子（针脚 #14）到 555 的“输出”端子（针脚 #3）的跳线，它连接到 555 定时器芯片，并将其末端握在手中。如果您周围有足够的 60 Hz 电源线“噪音”，4017 会将其检测为快速时钟信号，从而导致 LED 非常快速地闪烁。
4017 芯片上的两个端子“Reset”和“Clock Enable”通过连接到电池的负极（地）保持在“低”状态。如果芯片要自由计数，这是必要的。如果“复位”端设置为“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“时钟使能”设置为“高”，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”端子连接到其十个输出端子之一，其计数序列将被缩短或_截断_。您可以通过将“Reset”端子与地线断开来进行试验，然后将一根长跨接线连接到“Reset”端子，以便轻松连接到十段 LED 条形图的输出。请注意连接到任一输出的“复位”有多少（或多少个）LED 亮起：
诸如 4017 之类的计数器 (opens new window)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，如果来自 555 定时器的时钟信号为 200 Hz，并且 4017 配置为全计数序列（“复位”端子接地，提供完整的十步计数），则信号4017 的任何输出端子上都将出现十倍长 (20 Hz) 的周期。换句话说，每个输出端子将每_十个时钟信号周期循环__一次_：频率慢十倍。
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）将音频检测器连接在 4017 的输出 0（引脚 #3）和地之间。该电容器仅用于“耦合”交流信号，这样您就可以在无需在计数器芯片输出上放置直流（电阻）负载的情况下检测到脉冲。
4017“Reset”端接地后，会有一个全计数序列，每次“0”LED亮起，耳机里会听到“咔哒”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，可以让我们以相当精确的程度测量时钟频率。使用秒表或其他计时器，在连接到 4017 的“0”输出时计算一整分钟内听到的咔嗒声。在 555 定时电路中使用 1 MΩ 电阻器和 0.1 µF电容器 (opens new window)，以及 13 伏特（而不是 6 伏）的电源电压，我在一分钟内从我的电路中计算了 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）。最后一个数字是以赫兹为单位的时钟频率。
现在，将音频检测器的一个测试探头接地，将另一个测试探头（耦合电容串联的那个）连接到 555 定时器的引脚 #3。您听到的嗡嗡声是未分频的时钟频率：
通过将 4017 的“复位”端子连接到其中一个输出端子，将产生截断序列。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数：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（引脚 #3）的输出“0”，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，您应该得到一个大约是配置为 1/10 比率的 4017 所计算的数量的两倍，因为 1/5 是 1/10 比率的两倍。
如果您没有获得恰好是您之前获得的两倍的计数，那是因为计数周期方法固有的错误：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 定时电阻器替换为一个更小的值，例如 10 kΩ。这将增加驱动 4017 芯片的时钟频率。使用音频检测器在 4017 的 3 号针脚上收听分频，注意当您将“重置”跳线移动到不同的输出时产生的不同音调，从而产生不同的分频比。
看看你是否可以通过将原始频率除以 2、然后除以 4、再除以 8 来产生八度音阶（每个下降的八度音阶代表前一个频率的二分之一）。通过与原始音调相似的音高，八度音阶很容易与其他分频区分开来。
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。将“复位”跳线重新接地以启用完整的十步计数序列，并将 555 的输出与 4017 的“时钟”输入端子断开。
将开关与 10 kΩ_下拉_电阻串联，并将该组件连接到 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”输入线会在开关触点打开时_浮动_，使其容易受到杂散静态电压或电气“噪声”的干扰，任何一种都能够使 4017 随机计数。
下拉电阻到位后，4017 的“时钟”输入将具有明确的（尽管是电阻性的）接地连接，提供稳定的“低”逻辑状态，排除来自附近交流电路布线的静电或“噪声”的任何干扰.
启动和关闭开关，注意 LED 的动作。每次开关转换时，4017 的计数都应增加一次。但是，您可能会注意到一些奇怪的行为：有时，LED 序列会在一个开关闭合时“跳过”一个甚至几个步骤。
为什么是这样？这是由于开关触点的非常快速的机械“弹跳”。当两个金属触点像大多数开关内部发生的那样快速结合在一起时，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“弹跳”对您来说非常迅速，您可以看到它的效果，但是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“弹跳”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在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”引起的错误脉冲的技术都称为去抖 (opens new window)。
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 向 4017 提供时钟信号，因此我们必须将 555 芯片的引脚 #3 重新连接到 4017 芯片的引脚 #14！此外，如果您更改了 555 定时器电路中的电阻器或电容器的值，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 定时器在每次_开关_驱动时输出一个单一的、清晰的脉冲（注意操作的反转在这里！）的开关。
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”周期（触点停止弹跳所需的时间），但不要太长以至于定时器会“错过”一系列快速的开关动作，如果它们发生的话。
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