LED-sequencer

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• 4017 decenniumteller/verdeler (Radio Shack-catalogus # 276-2417)
• 555 timer-IC (Radio Shack-catalogus # 276-1723)
• Bargraph-LED met tien segmenten (Radio Shack-catalogus # 276-081)
• Eén SPST-schakelaar
• Eén 6 volt batterij
• 10 kΩ weerstand
• 1 MΩ weerstand
• 0,1 µF condensator (Radio Shack-catalogus # 272-135 of gelijkwaardig)
• Koppelingscondensator, 0,047 tot 0,001 µF
• Tien weerstanden van 470
• Audiodetector met koptelefoon

Let op! De 4017 IC is CMOS en dus gevoelig voor statische elektriciteit!

Elke enkelpolige schakelaar met één worp is voldoende. Een huishoudelijke lichtschakelaar werkt prima en is gemakkelijk verkrijgbaar bij elke bouwmarkt.

De audiodetector wordt gebruikt om de signaalfrequentie te beoordelen. Als je toegang hebt tot een oscilloscoop, is de audiodetector niet nodig.

KRUISVERWIJZINGEN

Lessen in elektrische circuits , Volume 4, hoofdstuk 3:“Logic Gates”

Lessen in elektrische circuits , Volume 4, hoofdstuk 4:“Schakelaars”

Lessen in elektrische circuits , Volume 4, hoofdstuk 11:“Tellers”

LEERDOELSTELLINGEN

• Gebruik van een 555 timercircuit om "klokpulsen" te produceren (stabiel multivibrator)
• Gebruik van een 4017 decade-teller/delercircuit om een ​​reeks pulsen te produceren
• Gebruik van een 4017 decade-teller/delercircuit voor frequentieverdeling
• Een frequentiedeler en uurwerk (horloge) gebruiken om de frequentie te meten
• Doel van een “pulldown” weerstand
• Leer de effecten van schakelcontact "bounce" op digitale circuits
• Gebruik van een 555 timercircuit om een ​​mechanische schakelaar (monostabiel te debouncen) multivibrator)

SCHEMATISCH DIAGRAM

ILLUSTRATIE

INSTRUCTIES

De geïntegreerde schakeling van model 4017 is een CMOS-teller met tien uitgangsklemmen. Een van deze tien terminals zal op elk moment in een "hoge" staat zijn, terwijl alle andere "laag" zijn, wat een "een-van-tien" uitvoerreeks oplevert. Als er pulsen van lage tot hoge spanning worden toegepast op de "klok" (Clk) -aansluiting van de 4017, wordt de telling verhoogd, waardoor de volgende uitgang in een "hoge" staat wordt gedwongen.

Met een 555-timer aangesloten als een stabiele multivibrator (oscillator) met een lage frequentie, zal de 4017 door de reeks van tien tellen gaan, waarbij elke LED één voor één oplicht en teruggaat naar de eerste LED. Het resultaat is een visueel aantrekkelijke opeenvolging van knipperende lichten. Voel je vrij om te experimenteren met weerstands- en condensatorwaarden op de 555-timer om verschillende flitssnelheden te creëren.

Probeer de jumperdraad los te koppelen van de "Clock"-aansluiting van de 4017 (pin #14) naar de "Output" -aansluiting van de 555 (pin #3) waar deze wordt aangesloten op de 555-timerchip, en houd het uiteinde in uw hand. Als er voldoende 60 Hz powerline "ruis" om je heen is, zal de 4017 dit detecteren als een snel kloksignaal, waardoor de LED's zeer snel knipperen.

Twee terminals op de 4017-chip, "Reset" en "Clock Enable", worden in een "lage" toestand gehouden door middel van een verbinding met de negatieve kant van de batterij (aarde). Dit is nodig als de chip vrij moet tellen. Als de "Reset"-aansluiting "hoog" wordt gemaakt, wordt de uitvoer van de 4017 teruggezet naar 0 (pin #3 "hoog", alle andere uitgangspinnen "laag"). Als de "Klok inschakelen" "hoog" wordt gemaakt, reageert de chip niet meer op het kloksignaal en pauzeert in de telvolgorde.

Als de "Reset"-aansluiting van de 4017 is aangesloten op een van de tien uitgangsaansluitingen, wordt de telvolgorde afgebroken of afgekapt . U kunt hiermee experimenteren door de "Reset"-aansluiting los te koppelen van de aarde en vervolgens een lange doorverbindingsdraad aan te sluiten op de "Reset"-aansluiting voor eenvoudige aansluiting op de uitgangen op de tien-segments LED-balkgrafiek. Merk op hoeveel (of hoe weinig) LED's oplichten met de "Reset" aangesloten op een van de uitgangen:

Tellers zoals de 4017 kunnen worden gebruikt als digitale frequentiedelers, om een ​​kloksignaal te nemen en een puls te produceren die optreedt bij een geheeltallige factor van de klokfrequentie. Als het kloksignaal van de 555-timer bijvoorbeeld 200 Hz is en de 4017 is geconfigureerd voor een volledige telling (de "Reset"-klem verbonden met aarde, geeft een volledige telling van tien stappen), een signaal met een periode die tien keer zo lang is (20 Hz) zal aanwezig zijn op een van de uitgangsaansluitingen van de 4017. Met andere woorden, elke uitgangsterminal zal eenmaal cyclen voor elke tien cycli van het kloksignaal:een frequentie die tien keer zo langzaam is.

Om met dit principe te experimenteren, sluit u uw audiodetector aan tussen uitgang 0 (pin #3) van de 4017 en aarde, via een zeer kleine condensator (0,047 µF tot 0,001 µF). De condensator wordt alleen gebruikt voor het "koppelen" van AC-signalen, zodat u pulsen hoorbaar kunt detecteren zonder een DC (resistieve) belasting op de teller-chipuitgang te plaatsen.

Met de 4017 "Reset" -aansluiting geaard, hebt u een volledige telling en hoort u een "klik" in de hoofdtelefoon elke keer dat de "0"-LED oplicht, wat overeenkomt met 1/10 van de werkelijke uitgangsfrequentie van de 555 :

Als we deze wiskundige relatie tussen klikken in de hoofdtelefoon en de klokfrequentie kennen, kunnen we de klokfrequentie zelfs met een redelijke mate van precisie meten. Tel met behulp van een stopwatch of ander uurwerk het aantal klikken dat u in één volle minuut hoort terwijl u verbonden bent met de "0"-uitgang van de 4017. Met behulp van een weerstand van 1 MΩ en een condensator van 0,1 F in het 555-timingcircuit en een voedingsspanning van 13 volt (in plaats van 6), telde ik 79 klikken in één minuut vanaf mijn circuit.

Uw circuit kan enigszins andere resultaten opleveren. Vermenigvuldig het aantal pulsen geteld bij de "0" -uitgang met 10 om het aantal cycli te verkrijgen dat in diezelfde tijd door de 555-timer is geproduceerd (mijn circuit:79 x 10 =790 cycli). Deel dit aantal door 60 om het aantal timercycli te krijgen dat in elke seconde is verstreken (mijn circuit:790/60 =13,17). Dit laatste cijfer is de klokfrequentie in Hz.

Laat nu één testsonde van de audiodetector aangesloten op aarde, neem de andere testsonde (die met de koppelcondensator in serie aangesloten) en sluit deze aan op pin #3 van de 555-timer. Het gezoem dat je hoort is de onverdeelde klokfrequentie:

Door de "Reset"-aansluiting van de 4017 aan te sluiten op een van de uitgangsaansluitingen, ontstaat er een afgekapte volgorde. Als we de 4017 als frequentiedeler gebruiken, betekent dit dat de uitgangsfrequentie een andere factor is dan de klokfrequentie:1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 of 1/2, afhankelijk van op welke uitgangsaansluiting we de "Reset"-jumperdraad aansluiten.

Sluit de audiodetector-testsonde opnieuw aan op uitgang "0" van de 4017 (pin #3), en sluit de "Reset"-aansluitingsjumper aan op de zesde LED van links op de staafgrafiek. Dit zou een frequentieverdelingsverhouding van 1/5 moeten opleveren:

Als u het aantal klikken dat u in één minuut hoort opnieuw telt, krijgt u een getal dat ongeveer twee keer zo groot is als wat werd geteld met de 4017 die was geconfigureerd voor een 1/10-verhouding, omdat 1/5 een twee keer zo grote verhouding is als 1/10.

Als u geen telling krijgt die precies het dubbele is van wat u eerder behaalde, komt dat door een fout die inherent is aan de methode van het tellen van cycli:uw gehoor afstemmen op de weergave van een stopwatch of ander tijdregistratieapparaat.

Probeer de timingweerstand van 1 MΩ in het 555-circuit te vervangen door een weerstand met een veel lagere waarde, zoals 10 kΩ. Dit verhoogt de klokfrequentie die de 4017-chip aandrijft. Gebruik de audiodetector om naar de gedeelde frequentie op pin 3 van de 4017 te luisteren en let op de verschillende tonen die worden geproduceerd als u de "Reset"-jumperdraad naar verschillende uitgangen verplaatst, waardoor verschillende frequentieverdelingsverhoudingen ontstaan.

Kijk of je octaven kunt produceren door de oorspronkelijke frequentie te delen door 2, dan door 4 en dan door 8 (elk dalend octaaf vertegenwoordigt de helft van de vorige frequentie). Octaven zijn gemakkelijk te onderscheiden van andere gedeelde frequenties door hun vergelijkbare toonhoogte als de originele toon.

Een laatste les die uit dit circuit kan worden geleerd, is dat van schakelcontact "bounce". Hiervoor heb je een schakelaar nodig om kloksignalen te leveren aan de 4017-chip, in plaats van de 555-timer. Sluit de "Reset"-jumperdraad opnieuw aan op aarde om een ​​volledige telreeks van tien stappen mogelijk te maken, en koppel de uitgang van de 555 los van de "Clock"-ingangsaansluiting van de 4017.

Sluit een schakelaar in serie aan met een pulldown . van 10 kΩ weerstand, en sluit deze assemblage aan op de 4017 "Clock"-ingang zoals weergegeven:

Het doel van een "pulldown" -weerstand is om een ​​duidelijke "lage" logische toestand te bieden wanneer het schakelcontact wordt geopend. Zonder deze weerstand zou de "Clock"-ingangsdraad van de 4017 zwevend zijn telkens wanneer het schakelcontact werd geopend, waardoor het gevoelig bleef voor interferentie van verdwaalde statische spanningen of elektrische "ruis", die beide in staat zijn om de 4017 willekeurig te laten tellen.

Met de pulldown-weerstand op zijn plaats, zal de "Clock" -ingang van de 4017 een duidelijke, zij het resistieve, verbinding met aarde hebben, wat een stabiele "lage" logische toestand oplevert die interferentie door statische elektriciteit of "ruis" gekoppeld aan nabijgelegen AC-circuitbedrading uitsluit .

Bedien de schakelaar aan en uit, let op de werking van de LED's. Bij elke overgang van van naar naar aan, moet de 4017 één keer worden verhoogd. U kunt echter vreemd gedrag opmerken:soms zal de LED-reeks een of zelfs meerdere stappen "overslaan" met een enkele schakelaarsluiting.

Waarom is dit? Het is te wijten aan het zeer snelle, mechanische "stuiteren" van de schakelcontacten. Wanneer twee metalen contacten snel bij elkaar worden gebracht, zoals bij de meeste schakelaars gebeurt, ontstaat er een elastische botsing. Deze botsing resulteert in het maken en breken van de contacten zeer snel als ze van elkaar "stuiteren".

Normaal gesproken is dit "stuiteren" veel te snel om de effecten ervan te zien, maar in een digitaal circuit zoals dit, waar de tellerchip in staat is om te reageren op zeer snelle klokpulsen, worden deze "bounces" geïnterpreteerd als afzonderlijke kloksignalen, en de telling werd overeenkomstig verhoogd.

Een manier om dit probleem te bestrijden is om een ​​tijdschakeling te gebruiken om een ​​enkele puls te produceren voor een willekeurig aantal ingangspulssignalen die binnen een korte tijd worden ontvangen. De schakeling heet een monostabiele multivibrator , en elke techniek die de valse pulsen elimineert die worden veroorzaakt door het "stuiteren" van het schakelcontact, wordt debouncing genoemd. .

Het 555 timercircuit kan functioneren als een debouncer, als de "Trigger" -ingang als zodanig op de schakelaar is aangesloten:

Houd er rekening mee dat, aangezien we de 555 opnieuw gebruiken om een ​​kloksignaal naar de 4017 te sturen, we pin #3 van de 555-chip opnieuw moeten verbinden met pin #14 van de 4017-chip! Als u de waarden van de weerstand of condensator in het 555-timercircuit hebt gewijzigd, moet u ook terugkeren naar de oorspronkelijke componenten van 1 MΩ en 0,1 µF.

Bedien de schakelaar opnieuw en noteer het telgedrag van de 4017. Er mogen geen "overgeslagen" tellingen meer zijn zoals voorheen, omdat de 555-timer een enkele, scherpe puls afgeeft voor elke aan-uit bediening (let op de omkering van de werking hier!) van de schakelaar.

Het is belangrijk dat de timing van het 555-circuit geschikt is:de tijd om de condensator op te laden moet langer zijn dan de "instelperiode" van de schakelaar (de tijd die de contacten nodig hebben om te stoppen met stuiteren), maar niet zo lang dat de timer een snelle opeenvolging van schakelaaractivering zouden "missen", als ze zouden plaatsvinden.