圣诞灯序列波形发生器和计数器电路

圣诞节即将来临，当电子学生或业余爱好者的想法转向为他们的家做一个圣诞节电路时，尤其是那个闪烁几盏灯的圣诞节电路。

市场上的许多电路和套件可以定期，随机或顺序闪烁任意数量的灯，但是一个非常通用的IC，业余爱好者或学生可以使用它来制作一个简单的圣诞灯序列器用于各种不同的季节性照明显示器是CMOS4017B Johnson Counter。

4017B是一个快速切换的5级Johnson十进制计数器，配有10个完全解码的输出（总计10个单独的光源）。这十个输出在时钟脉冲的每个新的正向边缘到达时一次一个地切换。在任何一个时刻只有一个输出处于逻辑“1”或“高”，而所有其他输出都以逻辑“0”或“低”清除，因此它可以产生移动序列或追踪效果，使4017理想为顺序用于圣诞灯项目的LED或照明显示器。

4017B基本上是一个循环移位寄存器，其串行输出连接回其串行输入，以产生特定的序列。 4017B Johnson计数器还可用于分频应用以及十进制计数器或十进制解码显示应用。

4017B被归类为计数器，因为它在应用时钟时表现出特定的状态序列信号或脉冲。由于4017B用作同步计数器，所有内部触发器的开关动作来自公共时钟信号，如图所示。

4017B约翰逊十年计数器

音序器定时信号

但在我们使用4017B Johnson计数器作为圣诞灯音序器电路的一部分之前，我们需要产生一个定时信号。使用专用IC（例如NE555或使用晶体管或晶体振荡器的离散非稳态多谐振荡器电路）有许多不同的方式来产生时序或时钟信号。名单是无止境的。但是，使用施密特触发器反相器生成方波定时信号的一种非常简单有效的方法是使用施密特触发器反相器。

施密特触发器，以其发明人命名，是一种电压敏感的双态器件，采用反相器或非门的形式。使用施密特触发器产生可变方波定时信号的优点是它使用一个产生迟滞的特殊阈值电路，通过在它之间切换时“触发”触发电压来防止不稳定的切换。状态。这允许在“HIGH”和“LOW”之间进行可靠的切换，或者逻辑“0”和逻辑“1”之间的切换，使其成为我们圣诞灯序列器项目的方波定时信号的理想选择。

考虑到施密特变频器如图所示。当电位器抽头的位置位于图的底部时，输入到施密特反相器的电压为低，表示逻辑电平“0”，并低于逻辑门的下输入阈值电平。由于施密特触发器是一个反相器，因此产生的输出将处于逻辑电平“1”的高电平。

因为电位器刮水器是向+ 5V移动，当 Vi 的电压等于或高于更高的阈值输入或更高的跳变点（ V HTP 时，会出现一个点span>）使施密特逆变器改变状态。现在存在输入处于逻辑电平“1”并且输出处于逻辑电平“0”的情况。然后，施密特触发器用作反相器或 NOT Gate 。

同样，如果电位器抽头的位置为+ 5V并降低到0V，则会出现一个点。 Vi 处的电压等于或低于下限阈值输入或下限跳变点（ V LTP ），导致施密特逆变器再次改变状态。

然后通过改变施密特变换器输入端的电压值在其上下阈值跳变点之间，我们可以使输出改变状态，这是施密特背后的基本思想。非稳态振荡电路。如图所示，通过用 RC （电阻 - 电容）电路替换电位器，我们可以通过施密特反相器对电容器进行充电和放电。

Schmitt Astable波形发生器

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假设定时电容 C T 完全放电，施密特触发器的输入为逻辑“0”，因此其输出为逻辑“1”，电容器将开始通过定时电阻器指数充电， R T 从右到左。电容器充电的速度取决于它们的 RC 时间常数。

在某些时候，电容器极板上的电压将达到施密特触发器的较高阈值输出从逻辑“1”切换到逻辑“0”。由于施密特触发器的输出有效地处于0v电位，因此电容器开始通过定时电阻器放电回来， R T 从左到右以由它们的 RC 时序常数。

当放电电容板上的电压达到施密特触发器的下限阈值时，它会使其改变状态并重复整个过程。

通常，较高的阈值点 V HTP 通常出现在电源电压的65％（2 / 3rds）附近，而阈值较低点出现在电源电压的35％左右（1/3）。任何施密特触发器反相器，如4106,4584,74LS14,74LS19等，都可用于产生定时信号或甚至施密特NAND门，如4093,74LS132等。

然而，使用不同的逻辑无论是CMOS还是TTL（74LSxx，74HLSxx，74HCTxx）都会产生不同的上下跳变点，从而导致输出时序波形的工作频率和标记 - 空间比不同。通常，不同逻辑子系列的振荡频率误差不是问题，尤其是在较高频率时，但可以是 1.2RC 到 1.5RC 的任意值，使用广义公式对于施密特非稳态波形发生器给出如下：

施密特波形频率

其中：Beta（β）可以是1.2和1.5之间的任何固定值，具体取决于所使用的逻辑门系列。

如果我们更换固定定时电阻， R T 带电位器，可为我们的圣诞灯定序器电路生成可变频率方波定时信号。显然，当电位器在一个方向上完全转动时，我们不希望定时电阻的值等于零，因为这会使施密特反相器短路。因此，为防止这种情况发生，需要将一个小值固定电阻与电位器串联，以提供至少一些定时电阻。

使用时序 RC 网络的组件在圣诞灯序列器中，您可以使用任何值来产生您选择的振荡频率。当电位计从最小值调整到最大值时，以下施密特非稳态电路将提供从大约10Hz到6kHz的输出频率。额外的施密特触发器反相器 IC1b 用作反相缓冲器，有助于清除时序波形并改善振荡器的性能。由于每个40106B IC有六个逆变器，因此有足够的备用。

圣诞灯序列发生器波形发生器

好的，现在我们有一个十年计数器和一个非常稳定的波形振荡器电路，我们现在需要一些灯来组成我们新奇的圣诞灯音序器电路。这些可以是从LED到微型白炽灯的任何类型的灯或灯。如果您希望计数器的输出也可用于驱动光耦合器，而光耦合器又可用于切换三端双向可控硅开关元件或晶闸管以切换电源电压灯。对于这个简单的圣诞灯序列器教程，我们将使用LED。

4017B十进制计数器有10个完全解码的输出，每个输出能够切换到20mA。每个解码输出通常为低（逻辑“0”）并且顺序地一次一个地切换为高（逻辑“1”）。这里的优点是我们可以使用每个输出直接驱动单个LED，并且更好，因为任何时候只有一个LED点亮，所有10个LED只需要一个限流电阻，如图所示。

完成灯光序列发生器波形发生器

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可以修改1kΩ串联电阻的值，以满足所选电源电压的电压/电流要求。也可以在输出端增加更多LED串联，但请记住，通常每个LED在2V时需要最小约10mA的正向电流才能完全发光。

如果您有其他类型的圣诞灯序列器应用程序需要驱动更多LED或更多输出功率的地方，然后解码输出可用于驱动开关晶体管的基极或功率MOSFET器件的栅极，如图所示。

以及切换只需灯和LED，晶体管，无论是双极MOSFET还是可以用来切换电磁继电器线圈或固态继电器的输入，以增加圣诞灯序列发生器电路的灵活性。

除以N计数器

如图所示连接，复位引脚（引脚15）连接到0伏时，4017B约翰逊计数器作为十分频计数器，每个输出在每十个时钟信号上变为高电平。 / p>

但是除了驱动所有十个LED之外，4017B Johnson计数器也可以是c配置为具有“N”个解码输出的计数器，其中“N”可以是2到9之间的任何数字。

通过将复位引脚（引脚15）连接回其中一个输出而不是直接对于接地，计数器可以配置为2分频，4分频计数器等，以便在2到10之间顺序驱动2,4,8或任意数量的LED。

所以例如，我们只想按顺序闪烁四个LED，我们将复位引脚连接到第五个输出（引脚10），每个LED将在每四个时钟信号到达时闪烁。同样，如果我们只想闪烁六个LED，我们会将复位引脚连接到第七个输出（引脚5），依此类推。

圣诞灯序列发生器电路

全部放入一起。完整的圣诞灯序列发生器电路如下所示，带有施密特非稳态振荡器，十进制计数器和LED。使用施密特触发器产生一个非常简单和便宜的非稳态振荡器，但任何振荡器或555定时器电路都可以。 RC值的不同组合可用于提供您选择的可变频率方波定时信号。

这个简短教程的目的是显示4017约翰逊十年计数器可以用来制作新奇的圣诞灯序列发生器电路或任何其他类型的测序LED“移动点“显示那件事。也可以创建许多不同的闪光灯相关效果，而不仅仅是圣诞节，具体取决于您物理排列LED（或灯）的方式和使用的数量。

电路负载切换功能可以是通过使用双极晶体管，达林顿或MOSFET进一步扩展，通过继电器，光耦合器和固态继电器驱动更大的LED显示器或电源照明，完全取决于您。但是要考虑的最后一个重要的安全点是，如果切换和使用电源电压必须非常小心，不要忘记电源电压是否正常，所以请注意。