圣誕燈序列器

圣誕節即將來(lái)臨，又到了一年一度的時(shí)刻，電子學(xué)學(xué)生或愛(ài)好者的思緒轉向為他們的家制作一個(gè)圣誕電路，尤其是那種能閃爍幾盞燈的電路。

市場(chǎng)上有許多電路和套件可以周期性地、隨機地或順序地閃爍任意數量的燈，但愛(ài)好者或學(xué)生可以使用一種非常通用的IC來(lái)制作一個(gè)簡(jiǎn)單的圣誕燈序列器，用于各種不同的季節性燈光展示，那就是CMOS 4017B約翰遜計數器。

4017B是一個(gè)快速切換的5級約翰遜十進(jìn)制計數器，具有十個(gè)完全解碼的輸出（總共10個(gè)獨立光源）。在每個(gè)新的時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，這十個(gè)輸出依次切換。在任何時(shí)刻，只有一個(gè)輸出處于邏輯“1”或“高電平”，而所有其他輸出都被清除為邏輯“0”或“低電平”，因此它可以產(chǎn)生移動(dòng)序列或追逐效果，使4017非常適合作為圣誕燈項目的順序LED或燈光顯示。

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約翰遜計數器還可以用于頻率分頻應用以及十進(jìn)制計數器或十進(jìn)制解碼顯示應用。

4017B被歸類(lèi)為計數器，因為它在應用時(shí)鐘信號或脈沖時(shí)表現出特定的狀態(tài)序列。由于4017B用作同步計數器，所有內部觸發(fā)器的切換動(dòng)作都來(lái)自共同的時(shí)鐘信號，如圖所示。

4017B約翰遜十進(jìn)制計數器

4017約翰遜計數器

 序列器定時(shí)信號

但在我們可以將4017B約翰遜計數器用作圣誕燈序列器電路的一部分之前，我們需要產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)信號。有許多不同的方法可以使用專(zhuān)用IC（如NE555）或使用晶體管或晶體振蕩器的離散無(wú)穩態(tài)多諧振蕩器電路來(lái)產(chǎn)生定時(shí)或時(shí)鐘信號。列表是無(wú)窮無(wú)盡的。但一種非常簡(jiǎn)單且有效的方法是用最少的組件產(chǎn)生方波定時(shí)信號，那就是使用施密特觸發(fā)器反相器。

施密特觸發(fā)器以其發(fā)明者命名，是一種電壓電平敏感的雙態(tài)器件，形式為反相器或非門(mén)。使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生可變方波定時(shí)信號的優(yōu)點(diǎn)是它使用一種特殊的閾值電路，產(chǎn)生滯后效應，通過(guò)在狀態(tài)之間切換時(shí)“整形”觸發(fā)電壓來(lái)防止不穩定的切換。這使得在“高電平”和“低電平”或邏輯“0”和邏輯“1”之間可靠切換，使其非常適合作為我們圣誕燈序列器項目的方波定時(shí)信號。

考慮如圖所示的施密特反相器。當電位器滑片位于圖底部時(shí)，施密特反相器的輸入電壓低，代表邏輯電平“0”，低于邏輯門(mén)的較低輸入閾值電平。由于施密特觸發(fā)器是反相器，因此輸出將為高電平，邏輯電平“1”。

施密特觸發(fā)器

當電位器滑片向+5V移動(dòng)時(shí)，會(huì )有一個(gè)點(diǎn)，Vi的電壓等于或高于較高閾值輸入或較高觸發(fā)點(diǎn)（VHTP），導致施密特反相器改變狀態(tài)?，F在的情況是輸入處于邏輯電平“1”，輸出處于邏輯電平“0”。然后施密特觸發(fā)器充當反相器或非門(mén)。

同樣，如果電位器滑片位于+5V并向0V降低，會(huì )有一個(gè)點(diǎn)，Vi的電壓等于或低于較低閾值輸入或較低觸發(fā)點(diǎn)（VLTP），導致施密特反相器再次改變狀態(tài)。

然后通過(guò)在施密特反相器的輸入上改變電壓值在其上下閾值觸發(fā)點(diǎn)之間，我們可以使輸出改變狀態(tài)，這是施密特無(wú)穩態(tài)振蕩器電路的基本思想。通過(guò)用RC（電阻-電容）電路替換電位器，如圖所示，我們可以通過(guò)施密特反相器對電容器充電和放電。

施密特無(wú)穩態(tài)波形發(fā)生器

施密特無(wú)穩態(tài)發(fā)生器

假設定時(shí)電容器CT完全放電，施密特觸發(fā)器的輸入處于邏輯“0”，因此其輸出處于邏輯“1”，電容器將通過(guò)定時(shí)電阻RT從右到左指數充電。電容器充電的速度取決于它們的RC時(shí)間常數。

在某個(gè)點(diǎn)，電容器板上的電壓將達到施密特觸發(fā)器的較高閾值，導致輸出從邏輯“1”切換到邏輯“0”。由于施密特觸發(fā)器的輸出實(shí)際上處于0V電位，電容器開(kāi)始通過(guò)定時(shí)電阻RT從左到右放電，速度由它們的RC定時(shí)常數決定。

當放電電容器板上的電壓達到施密特觸發(fā)器的較低閾值時(shí)，它會(huì )導致其改變狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程重復。

通常，較高觸發(fā)點(diǎn)VHTP通常發(fā)生在電源電壓的65%（2/3）左右，而較低觸發(fā)點(diǎn)發(fā)生在電源電壓的35%（1/3）左右。任何施密特觸發(fā)器反相器，如4106、4584、74LS14、74LS19等，都可以用來(lái)產(chǎn)生定時(shí)信號，甚至施密特與非門(mén)，如4093、74LS132等。

然而，使用不同的邏輯系列，無(wú)論是CMOS還是TTL（74LSxx、74HLSxx、74HCTxx），將導致不同的上下觸發(fā)點(diǎn)，從而導致不同的工作頻率和輸出定時(shí)波形的占空比。通常，不同邏輯子系列的振蕩頻率誤差在高頻時(shí)不是問(wèn)題，但可以在1.2RC到1.5RC之間，施密特無(wú)穩態(tài)波形發(fā)生器的通用公式為：

施密特波形頻率

施密特無(wú)穩態(tài)定時(shí)

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

如果我們用電位器替換固定定時(shí)電阻RT，可以為我們的圣誕燈序列器電路產(chǎn)生可變頻率的方波定時(shí)信號。顯然，我們不希望當電位器完全轉向一個(gè)方向時(shí)定時(shí)電阻的值為零，因為這會(huì )短路施密特反相器。因此，為了防止這種情況發(fā)生，需要在電位器上串聯(lián)一個(gè)小值固定電阻，以提供至少一些定時(shí)電阻。

圣誕燈序列器中使用的定時(shí)RC網(wǎng)絡(luò )的組件可以是您手頭的任何值，以產(chǎn)生您選擇的振蕩頻率。以下施密特無(wú)穩態(tài)電路在電位器從最小調整到最大時(shí)，將給出從約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，以幫助清理定時(shí)波形并提高振蕩器的性能。由于每個(gè)40106B IC有六個(gè)反相器，有足夠的備用。

圣誕燈序列器波形發(fā)生器

燈序列器無(wú)穩態(tài)發(fā)生器

好的，現在我們有了一個(gè)十進(jìn)制計數器和一個(gè)無(wú)穩態(tài)波形振蕩器電路，我們需要一些燈來(lái)組成我們的新奇圣誕燈序列器電路。這些可以是您手頭的任何類(lèi)型的燈或燈，從LED到微型白熾燈。如果您愿意，計數器的輸出也可以用來(lái)驅動(dòng)光耦，進(jìn)而可以用來(lái)開(kāi)關(guān)三端雙向可控硅或晶閘管以開(kāi)關(guān)主電壓燈。在這個(gè)簡(jiǎn)單的圣誕燈序列器教程中，我們將使用LED。

4017B十進(jìn)制計數器有十個(gè)完全解碼的輸出，每個(gè)輸出能夠切換高達20mA。每個(gè)解碼的輸出通常為低電平（邏輯“0”），并依次切換為高電平（邏輯“1”）。這里的優(yōu)點(diǎn)是我們可以使用每個(gè)輸出來(lái)直接驅動(dòng)單個(gè)LED，更好的是，由于任何時(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。

完整的燈序列器波形發(fā)生器

圣誕燈序列器

1kΩ串聯(lián)電阻的值可以修改以適應您選擇的電源電壓的電壓/電流要求。也可以在輸出端串聯(lián)更多的LED，但請記住，通常每個(gè)LED需要約10mA的最小正向電流和2V的電壓才能完全點(diǎn)亮。

如果您有另一種圣誕燈序列器應用，需要驅動(dòng)更多的LED或需要更多的輸出功率，那么解碼的輸出可以用來(lái)驅動(dòng)開(kāi)關(guān)晶體管的基極或功率MOSFET器件的柵極，如圖所示。

LED晶體管開(kāi)關(guān)

除了開(kāi)關(guān)燈和LED外，晶體管（無(wú)論是雙極型還是MOSFET）還可以用來(lái)開(kāi)關(guān)電磁繼電器線(xiàn)圈或固態(tài)繼電器的輸入，以增加圣誕燈序列器電路的靈活性。

分頻計數器

當如圖所示連接時(shí)，復位引腳（引腳15）連接到0伏，4017B約翰遜計數器充當十分頻計數器，每個(gè)輸出在每十個(gè)時(shí)鐘信號時(shí)變?yōu)楦唠娖健?/p>

但除了驅動(dòng)所有十個(gè)LED外，4017B約翰遜計數器還可以配置為具有“N”個(gè)解碼輸出的計數器，其中“N”可以是2到9之間的任何數字。

通過(guò)將復位引腳（引腳15）連接回其中一個(gè)輸出而不是直接接地，計數器可以配置為二分頻、四分頻計數器等，以順序驅動(dòng)2、4、8或2到10之間的任何數量的LED。

例如，如果我們只想順序閃爍四個(gè)LED，我們會(huì )將復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)鐘信號到來(lái)時(shí)閃爍。同樣，如果我們只想閃爍六個(gè)LED，我們會(huì )將復位引腳連接到第七個(gè)輸出（引腳5），依此類(lèi)推。

圣誕燈序列器電路

將所有部分組合在一起。完整的圣誕燈序列器電路如下所示，包括施密特無(wú)穩態(tài)振蕩器、十進(jìn)制計數器和LED。使用施密特觸發(fā)器產(chǎn)生一個(gè)非常簡(jiǎn)單且便宜的無(wú)穩態(tài)振蕩器，但任何振蕩器或555定時(shí)器電路都可以?？梢允褂貌煌腞C值組合來(lái)提供您選擇的可變頻率方波定時(shí)信號。

燈序列器電路

這個(gè)簡(jiǎn)短教程的目的是展示4017約翰遜十進(jìn)制計數器可以用來(lái)制作一個(gè)新穎的圣誕燈序列器電路或任何其他類(lèi)型的順序LED“移動(dòng)點(diǎn)”顯示。根據您如何物理排列LED（或燈）以及使用的數量，還可以創(chuàng )建許多不同的閃爍燈效果，不僅限于圣誕節。

電路的負載切換能力可以通過(guò)使用雙極晶體管、達林頓管或MOSFET來(lái)驅動(dòng)更大的LED顯示或通過(guò)繼電器、光耦和固態(tài)繼電器驅動(dòng)主照明，選擇完全取決于您。但最后要考慮的一個(gè)重要安全點(diǎn)是，如果開(kāi)關(guān)和處理主電壓，必須非常小心，別忘了，主電壓會(huì )咬人??！所以請小心。