Светодиодный секвенсор

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Счетчик декад / делитель 4017 (каталог Radio Shack № 276-2417)
• Микросхема таймера 555 (каталог Radio Shack № 276-1723)
• Десятисегментный светодиодный индикатор гистограммы (каталог Radio Shack № 276-081)
• Один переключатель SPST
• Одна батарея на 6 В
• резистор 10 кОм
• Резистор 1 МОм.
• Конденсатор 0,1 мкФ (каталог Radio Shack № 272-135 или аналог)
• Конденсатор связи, 0,047–0,001 мкФ.
• Десять резисторов по 470 Ом.
• Детектор звука с наушниками

Осторожно! Микросхема 4017 - это КМОП-матрица, поэтому она чувствительна к статическому электричеству!

Подойдет любой однополюсный однонаправленный переключатель. Замечательно подойдет бытовой выключатель света, который можно купить в любом хозяйственном магазине.

Звуковой детектор будет использоваться для оценки частоты сигнала. Если у вас есть доступ к осциллографу, детектор звука не нужен.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 4, глава 3:«Логические ворота»

Уроки электрических цепей , Том 4, глава 4:«Переключатели»

Уроки электрических цепей , Том 4, глава 11:«Счетчики»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Использование схемы таймера 555 для создания тактовых импульсов ( нестабильный мультивибратор)
• Использование схемы декадного счетчика / делителя 4017 для создания последовательности импульсов.
• Использование схемы декадного счетчика / делителя 4017 для деления частоты.
• Использование делителя частоты и хронометра (часов) для измерения частоты
• Назначение «понижающего» резистора.
• Изучите влияние "дребезга" контактов переключателя на цифровые схемы.
• Использование схемы таймера 555 для «дребезга» механического переключателя ( моностабильный мультивибратор)

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

Интегральная схема модели 4017 представляет собой КМОП-счетчик с десятью выходными клеммами. Один из этих десяти терминалов будет находиться в состоянии «высокий» в любой момент времени, а все остальные - в «низком» состоянии, давая выходную последовательность «один из десяти». Если на клемму «часы» (Clk) 4017 подаются импульсы низкого-высокого напряжения, счетчик увеличивается на единицу, переводя следующий выход в состояние «высокий».

С таймером 555, подключенным в качестве нестабильного мультивибратора (генератора) низкой частоты, 4017 будет циклически проходить свою последовательность с десятичными счетами, загорая каждый светодиод по одному и «возвращаясь» обратно к первому светодиоду. В результате получается визуально приятная последовательность мигающих огней. Не стесняйтесь экспериментировать со значениями резистора и конденсатора на таймере 555, чтобы получить различную частоту вспышки.

Попробуйте отсоединить перемычку, ведущую от клеммы «Clock» 4017 (контакт № 14) к клемме «Output» 555 (контакт № 3), где она подключается к микросхеме таймера 555, и держите ее конец в руке. Если вокруг вас имеется достаточный «шум» от линии электропередачи с частотой 60 Гц, 4017 обнаружит его как быстрый тактовый сигнал, в результате чего светодиоды будут очень быстро мигать.

Две клеммы на микросхеме 4017, «Reset» и «Clock Enable», поддерживаются в «низком» состоянии за счет подключения к отрицательной стороне батареи (заземлению). Это необходимо, чтобы фишка считала свободно. Если клемма «Reset» установлена ​​на «высокий», выход 4017 будет сброшен обратно на 0 (контакт № 3 «высокий», все остальные выходные контакты «низкий»). Если для параметра «Clock Enable» установлено значение «высокий», микросхема перестанет реагировать на тактовый сигнал и остановится в своей последовательности счета.

Если терминал «Reset» 4017 подключен к одному из его десяти выходных терминалов, его последовательность счета будет прервана или усечена . Вы можете поэкспериментировать с этим, отсоединив клемму «Reset» от земли, а затем подключив длинную перемычку к клемме «Reset» для легкого подключения к выходам на десятисегментной светодиодной гистограмме. Обратите внимание, сколько (или как мало) светодиодов загорается при «Сбросе», подключенном к любому из выходов:

Счетчики, такие как 4017, могут использоваться как цифровые делители частоты, чтобы принимать тактовый сигнал и генерировать импульс, возникающий при некотором целочисленном множителе тактовой частоты. Например, если тактовый сигнал от таймера 555 составляет 200 Гц, а 4017 настроен для последовательности полного счета (клемма «Сброс» подключена к земле, что дает полный десятишаговый счет), сигнал с период в десять раз дольше (20 Гц) будет присутствовать на любой из выходных клемм 4017. Другими словами, каждый выходной терминал выполнит цикл один раз . за каждые десять циклы тактового сигнала:частота в десять раз медленнее.

Чтобы поэкспериментировать с этим принципом, подключите аудиодетектор между выходом 0 (контакт № 3) 4017 и землей через очень маленький конденсатор (от 0,047 мкФ до 0,001 мкФ). Конденсатор используется только для «связывания» сигналов переменного тока, поэтому вы можете слышать импульсы, не помещая постоянную (резистивную) нагрузку на выход микросхемы счетчика.

Если клемма «Reset» 4017 заземлена, у вас будет последовательность полного счета, и вы будете слышать «щелчок» в наушниках каждый раз, когда загорается светодиод «0», что соответствует 1/10 фактической выходной частоты 555. :

Фактически, знание этой математической зависимости между щелчками, слышимыми в наушниках, и тактовой частотой позволяет нам измерить тактовую частоту с достаточной степенью точности. Используя секундомер или другие часы, подсчитайте количество щелчков, услышанных за одну полную минуту, когда они подключены к выходу «0» 4017. Используя резистор 1 МОм и конденсатор 0,1 мкФ в схеме синхронизации 555 и напряжение источника питания 13 вольт (вместо 6), я насчитал 79 щелчков в моей схеме за одну минуту.

Ваша схема может дать несколько другие результаты. Умножьте количество импульсов, подсчитанных на выходе «0», на 10, чтобы получить количество циклов, произведенных таймером 555 за это же время (моя схема:79 x 10 =790 циклов). Разделите это число на 60, чтобы получить количество циклов таймера, прошедших каждую секунду (моя схема:790/60 =13,17). Эта последняя цифра представляет собой тактовую частоту в Гц.

Теперь, оставив один измерительный щуп аудиодетектора подключенным к земле, возьмите другой измерительный щуп (тот, с соединительным конденсатором, подключенным последовательно) и подключите его к контакту № 3 таймера 555. Жужжание, которое вы слышите, - это неразделенная тактовая частота:

При подключении терминала «Reset» 4017 к одному из выходных терминалов будет получена усеченная последовательность. Если мы используем 4017 в качестве делителя частоты, это означает, что выходная частота будет отличаться от тактовой частоты:1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 или 1/2, в зависимости от того, к какой выходной клемме мы подключаем перемычку «Reset».

Снова подключите тестовый зонд аудиодетектора к выходу «0» 4017 (контакт № 3) и подключите перемычку клеммы «Reset» к шестому слева светодиоду на гистограмме. Это должно дать коэффициент деления частоты 1/5:

Снова подсчитав количество щелчков, услышанных за одну минуту, вы должны получить число примерно в два раза больше, чем то, что было подсчитано с 4017, настроенным на соотношение 1/10, потому что 1/5 в два раза больше отношения, чем 1/10.

Если вы не получили счет, который ровно вдвое больше того, что вы получали раньше, это происходит из-за ошибки, присущей методу счета циклов:согласование вашего слуха с отображением секундомера или другого устройства для измерения времени.

Попробуйте заменить синхронизирующий резистор 1 МОм в цепи 555 на резистор значительно меньшего значения, например 10 кОм. Это увеличит тактовую частоту управления микросхемой 4017. Используйте аудиодетектор, чтобы прослушать разделенную частоту на выводе № 3 4017, отмечая разные тоны, возникающие при перемещении перемычки «Reset» на разные выходы, создавая разные соотношения частотного деления.

Посмотрите, можете ли вы получить октавы, разделив исходную частоту на 2, затем на 4 и затем на 8 (каждая нисходящая октава представляет половину предыдущей частоты). Октавы легко отличить от других разделенных частот по высоте тона, аналогичной исходному тону.

Последний урок, который можно извлечь из этой схемы, - это дребезг контактов переключателя. Для этого вам понадобится переключатель для подачи тактовых сигналов на микросхему 4017 вместо таймера 555. Повторно подключите перемычку «Reset» к земле, чтобы обеспечить полную последовательность десяти шагов счета, и отсоедините выход 555 от входной клеммы «Clock» 4017.

Подключите переключатель последовательно с понижением 10 кОм. резистор и подключите эту сборку к входу 4017 «Clock», как показано:

Назначение «понижающего» резистора - обеспечить определенное «низкое» логическое состояние при размыкании контакта переключателя. Без этого резистора входной провод «Clock» 4017 был бы плавающим . всякий раз, когда контакт переключателя размыкается, что делает его восприимчивым к помехам от паразитных статических напряжений или электрического «шума», любой из которых способен вызвать случайный подсчет 4017.

При установленном понижающем резисторе вход «Clock» 4017 будет иметь определенное, хотя и резистивное, соединение с землей, обеспечивая стабильное «низкое» логическое состояние, исключающее любые помехи от статического электричества или «шума», возникающие от ближайшей проводки цепи переменного тока. .

Включите и выключите переключатель, отмечая действие светодиодов. При каждом переходе из выключенного состояния во включенное состояние счетчик 4017 должен увеличиваться на один раз. Однако вы можете заметить странное поведение:иногда последовательность светодиодов «пропускает» один или даже несколько шагов при одном замыкании переключателя.

Почему это? Это происходит из-за очень быстрого механического «дребезга» контактов переключателя. Когда два металлических контакта соединяются быстро, как это происходит внутри большинства переключателей, происходит упругое столкновение. Это столкновение приводит к тому, что контакты устанавливаются и разрываются очень быстро, поскольку они «отскакивают» друг от друга.

Обычно этот «скачок» происходит слишком быстро, чтобы вы могли увидеть его эффекты, но в такой цифровой схеме, как эта, где микросхема счетчика может реагировать на очень быстрые тактовые импульсы, эти «скачки» интерпретируются как отдельные тактовые сигналы, и счетчик соответственно увеличился.

Одним из способов решения этой проблемы является использование схемы синхронизации для создания одного импульса для любого количества входных импульсных сигналов, полученных за короткий промежуток времени. Схема называется моностабильный мультивибратор . , и любой метод устранения ложных импульсов, вызванных «дребезгом» переключающего контакта, называется дребезгом .

Схема таймера 555 может функционировать как противодействующий дребезг, если вход «Триггер» подключен к коммутатору как таковому:

Обратите внимание:поскольку мы снова используем 555 для подачи тактового сигнала на 4017, мы должны повторно подключить контакт № 3 микросхемы 555 к контакту № 14 микросхемы 4017! Кроме того, если вы изменили номиналы резистора или конденсатора в схеме таймера 555, вам следует вернуться к исходным компонентам 1 МОм и 0,1 мкФ.

Снова нажмите переключатель и обратите внимание на поведение счетчика 4017. Больше не должно быть «пропущенных» счетчиков, как было раньше, потому что таймер 555 выдает один четкий импульс для каждого включения / выключения срабатывание (обратите внимание на инверсию работы!) переключателя.

Важно, чтобы синхронизация схемы 555 была подходящей:время зарядки конденсатора должно быть больше, чем период «установления» переключателя (время, необходимое для того, чтобы контакты перестали дребезжать), но не настолько долго, чтобы таймер «пропустит» быструю последовательность срабатывания переключателя, если бы они произошли.