圣誕燈序列器

圣誕節(jié)即將來臨，又到了一年一度的時刻，電子學學生或愛好者的思緒轉向為他們的家制作一個圣誕電路，尤其是那種能閃爍幾盞燈的電路。

市場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(shù)量的燈，但愛好者或學生可以使用一種非常通用的IC來制作一個簡單的圣誕燈序列器，用于各種不同的季節(jié)性燈光展示，那就是CMOS 4017B約翰遜計數(shù)器。

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

4017B基本上是一個循環(huán)移位寄存器，其串行輸出連接回其串行輸入，以產生特定的序列。4017B約翰遜計數(shù)器還可以用于頻率分頻應用以及十進制計數(shù)器或十進制解碼顯示應用。

4017B被歸類為計數(shù)器，因為它在應用時鐘信號或脈沖時表現(xiàn)出特定的狀態(tài)序列。由于4017B用作同步計數(shù)器，所有內部觸發(fā)器的切換動作都來自共同的時鐘信號，如圖所示。

4017B約翰遜十進制計數(shù)器

4017約翰遜計數(shù)器

 序列器定時信號

但在我們可以將4017B約翰遜計數(shù)器用作圣誕燈序列器電路的一部分之前，我們需要產生一個定時信號。有許多不同的方法可以使用專用IC（如NE555）或使用晶體管或晶體振蕩器的離散無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路來產生定時或時鐘信號。列表是無窮無盡的。但一種非常簡單且有效的方法是用最少的組件產生方波定時信號，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。使用施密特觸發(fā)器產生可變方波定時信號的優(yōu)點是它使用一種特殊的閾值電路，產生滯后效應，通過在狀態(tài)之間切換時“整形”觸發(fā)電壓來防止不穩(wěn)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，施密特反相器的輸入電壓低，代表邏輯電平“0”，低于邏輯門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移動時，會有一個點，Vi的電壓等于或高于較高閾值輸入或較高觸發(fā)點（VHTP），導致施密特反相器改變狀態(tài)?，F(xiàn)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。

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

然后通過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)點之間，我們可以使輸出改變狀態(tài)，這是施密特無穩(wěn)態(tài)振蕩器電路的基本思想。通過用RC（電阻-電容）電路替換電位器，如圖所示，我們可以通過施密特反相器對電容器充電和放電。

施密特無穩(wěn)態(tài)波形發(fā)生器

施密特無穩(wěn)態(tài)發(fā)生器

假設定時電容器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”，電容器將通過定時電阻RT從右到左指數(shù)充電。電容器充電的速度取決于它們的RC時間常數(shù)。

在某個點，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)器的輸出實際上處于0V電位，電容器開始通過定時電阻RT從左到右放電，速度由它們的RC定時常數(shù)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，它會導致其改變狀態(tài)，整個過程重復。

通常，較高觸發(fā)點VHTP通常發(fā)生在電源電壓的65%（2/3）左右，而較低觸發(fā)點發(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，都可以用來產生定時信號，甚至施密特與非門，如4093、74LS132等。

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

施密特波形頻率

施密特無穩(wěn)態(tài)定時

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系列。

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

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

圣誕燈序列器波形發(fā)生器

燈序列器無穩(wěn)態(tài)發(fā)生器

好的，現(xiàn)在我們有了一個十進制計數(shù)器和一個無穩(wěn)態(tài)波形振蕩器電路，我們需要一些燈來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型的燈或燈，從LED到微型白熾燈。如果您愿意，計數(shù)器的輸出也可以用來驅動光耦，進而可以用來開關三端雙向可控硅或晶閘管以開關主電壓燈。在這個簡單的圣誕燈序列器教程中，我們將使用LED。

4017B十進制計數(shù)器有十個完全解碼的輸出，每個輸出能夠切換高達20mA。每個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)點是我們可以使用每個輸出來直接驅動單個LED，更好的是，由于任何時候只有一個LED點亮，所有10個LED只需要一個限流電阻，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LED需要約10mA的最小正向電流和2V的電壓才能完全點亮。

如果您有另一種圣誕燈序列器應用，需要驅動更多的LED或需要更多的輸出功率，那么解碼的輸出可以用來驅動開關晶體管的基極或功率MOSFET器件的柵極，如圖所示。

LED晶體管開關

除了開關燈和LED外，晶體管（無論是雙極型還是MOSFET）還可以用來開關電磁繼電器線圈或固態(tài)繼電器的輸入，以增加圣誕燈序列器電路的靈活性。

分頻計數(shù)器

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

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

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

例如，如果我們只想順序閃爍四個LED，我們會將復位引腳連接到第五個輸出（引腳10），每個LED將在每四個時鐘信號到來時閃爍。同樣，如果我們只想閃爍六個LED，我們會將復位引腳連接到第七個輸出（引腳5），依此類推。

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，包括施密特無穩(wěn)態(tài)振蕩器、十進制計數(shù)器和LED。使用施密特觸發(fā)器產生一個非常簡單且便宜的無穩(wěn)態(tài)振蕩器，但任何振蕩器或555定時器電路都可以?？梢允褂貌煌腞C值組合來提供您選擇的可變頻率方波定時信號。

燈序列器電路

這個簡短教程的目的是展示4017約翰遜十進制計數(shù)器可以用來制作一個新穎的圣誕燈序列器電路或任何其他類型的順序LED“移動點”顯示。根據您如何物理排列LED（或燈）以及使用的數(shù)量，還可以創(chuàng)建許多不同的閃爍燈效果，不僅限于圣誕節(jié)。

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