LED-Sequenzer

TEILE UND MATERIALIEN

• 4017 Dekadenzähler/Teiler (Radio Shack Katalog # 276-2417)
• 555 Timer IC (Radio Shack Katalog # 276-1723)
• Zehn-Segment-Bargraph-LED (Radio Shack Katalog # 276-081)
• Ein SPST-Schalter
• Eine 6-Volt-Batterie
• 10 kΩ Widerstand
• 1 MΩ Widerstand
• 0,1 µF Kondensator (Radio Shack Katalog # 272-135 oder gleichwertig)
• Koppelkondensator, 0,047 bis 0,001 µF
• Zehn 470--Widerstände
• Audiodetektor mit Kopfhörer

Achtung! Der 4017 IC ist CMOS und daher empfindlich gegenüber statischer Elektrizität!

Jeder einpolige Einwegschalter ist ausreichend. Ein Haushaltslichtschalter funktioniert gut und ist in jedem Baumarkt erhältlich.

Der Audiodetektor wird verwendet, um die Signalfrequenz zu beurteilen. Wenn Sie Zugang zu einem Oszilloskop haben, ist der Audiodetektor nicht erforderlich.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 4, Kapitel 3:„Logische Gatter“

Lektionen in Stromkreisen , Band 4, Kapitel 4:„Schalter“

Lektionen in Stromkreisen , Band 4, Kapitel 11:„Zähler“

LERNZIELE

• Verwendung einer 555-Timer-Schaltung zur Erzeugung von „Takt“-Impulsen (stabil Multivibrator)
• Verwendung einer 4017-Dekadenzähler-/Teilerschaltung zur Erzeugung einer Impulsfolge
• Verwendung einer 4017-Dekadenzähler-/Teilerschaltung zur Frequenzteilung
• Verwenden eines Frequenzteilers und einer Uhr (Uhr) zum Messen der Frequenz
• Zweck eines „Pulldown“-Widerstands
• Lernen Sie die Auswirkungen des „Abprallens“ von Schaltkontakten auf digitale Schaltkreise
• Verwendung einer 555-Timer-Schaltung zum „Entprellen“ eines mechanischen Schalters (monostabil Multivibrator)

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Der integrierte Schaltkreis des Modells 4017 ist ein CMOS-Zähler mit zehn Ausgangsanschlüssen. Einer dieser zehn Anschlüsse befindet sich zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem "High"-Zustand, während alle anderen "Low" sind, was eine "Eins-von-Zehn"-Ausgangssequenz ergibt. Wenn an den „Clock“-Anschluss (Clk) des 4017 Spannungsimpulse von niedrig nach hoch angelegt werden, erhöht er seinen Zählerstand und zwingt den nächsten Ausgang in einen „high“-Zustand.

Mit einem 555-Timer, der als astabiler Multivibrator (Oszillator) mit niedriger Frequenz angeschlossen ist, durchläuft der 4017 seine Zehn-Zähl-Sequenz, wobei jede LED einzeln aufleuchtet und zur ersten LED zurückkehrt. Das Ergebnis ist eine optisch ansprechende Abfolge von Blinklichtern. Fühlen Sie sich frei, mit den Widerstands- und Kondensatorwerten des 555-Timers zu experimentieren, um unterschiedliche Blitzfrequenzen zu erzielen.

Versuchen Sie, das Überbrückungskabel zu trennen, das von der „Clock“-Klemme des 4017 (Pin #14) zur „Output“-Klemme (Pin 3) des 555 führt, wo es mit dem 555-Timer-Chip verbunden ist, und halten Sie das Ende in der Hand. Wenn um Sie herum genügend 60-Hz-Netzrauschen vorhanden ist, erkennt der 4017 dies als schnelles Taktsignal, wodurch die LEDs sehr schnell blinken.

Zwei Anschlüsse auf dem 4017-Chip, „Reset“ und „Clock Enable“, werden durch eine Verbindung mit der negativen Seite der Batterie (Masse) in einem „low“-Zustand gehalten. Dies ist notwendig, wenn der Chip frei zählen soll. Wenn der „Reset“-Anschluss auf „high“ gesetzt wird, wird der Ausgang des 4017 auf 0 zurückgesetzt (Pin #3 „high“, alle anderen Ausgangspins „low“). Wenn „Clock Enable“ auf „high“ gesetzt wird, reagiert der Chip nicht mehr auf das Taktsignal und pausiert in seiner Zählsequenz.

Wenn der „Reset“-Anschluss des 4017 mit einem seiner zehn Ausgangsanschlüsse verbunden ist, wird seine Zählsequenz verkürzt oder abgeschnitten . Sie können damit experimentieren, indem Sie die „Reset“-Klemme von Masse trennen und dann ein langes Überbrückungskabel an die „Reset“-Klemme anschließen, um eine einfache Verbindung zu den Ausgängen des Zehn-Segment-LED-Balkens herzustellen. Beachten Sie, wie viele (oder wie wenige) LEDs aufleuchten, wenn der „Reset“ an einen der Ausgänge angeschlossen ist:

Zähler wie der 4017 können als digitaler Frequenzteiler verwendet werden, um ein Taktsignal zu nehmen und einen Impuls zu erzeugen, der mit einem ganzzahligen Faktor der Taktfrequenz auftritt. Wenn beispielsweise das Taktsignal des 555-Timers 200 Hz beträgt und der 4017 für eine vollständige Zählsequenz konfiguriert ist (die „Reset“-Klemme ist mit Masse verbunden, was eine vollständige zehnstufige Zählung ergibt), ein Signal mit a zehnmal so lange (20 Hz) an jedem der Ausgangsanschlüsse des 4017 anliegen. Mit anderen Worten, jedes Ausgangsterminal wird einmal durchlaufen für alle zehn Zyklen des Taktsignals:eine Frequenz, die zehnmal so langsam ist.

Um mit diesem Prinzip zu experimentieren, verbinden Sie Ihren Audiodetektor zwischen Ausgang 0 (Pin #3) des 4017 und Masse über einen sehr kleinen Kondensator (0,047 µF bis 0,001 µF). Der Kondensator wird nur zum „Ankoppeln“ von AC-Signalen verwendet, damit Sie Pulse hörbar erkennen können, ohne eine DC (ohmsche) Last auf den Zählerchipausgang zu legen.

Wenn der 4017 „Reset“-Anschluss geerdet ist, haben Sie eine vollständige Zählsequenz und Sie hören jedes Mal ein „Klick“ im Kopfhörer, wenn die „0“-LED aufleuchtet, was 1/10 der tatsächlichen Ausgangsfrequenz des 555 entspricht :

Die Kenntnis dieser mathematischen Beziehung zwischen den im Kopfhörer zu hörenden Klicks und der Taktfrequenz ermöglicht es uns, die Taktfrequenz mit ziemlicher Genauigkeit zu messen. Zählen Sie mit einer Stoppuhr oder einem anderen Zeitmesser die Anzahl der Klicks, die Sie in einer vollen Minute hören, während Sie mit dem „0“-Ausgang des 4017 verbunden sind. Mit einem 1-MΩ-Widerstand und einem 0,1-µF-Kondensator im 555-Zeitschaltkreis und einer Versorgungsspannung von 13 Volt (statt 6) habe ich in einer Minute 79 Klicks von meinem Schaltkreis aus gezählt.

Ihre Schaltung kann zu leicht abweichenden Ergebnissen führen. Multiplizieren Sie die Anzahl der am Ausgang „0“ gezählten Impulse mit 10, um die Anzahl der Zyklen zu erhalten, die der 555-Timer während derselben Zeit erzeugt (meine Schaltung:79 x 10 =790 Zyklen). Teilen Sie diese Zahl durch 60, um die Anzahl der in jeder Sekunde verstrichenen Timer-Zyklen zu erhalten (meine Schaltung:790/60 =13,17). Diese letzte Zahl ist die Taktfrequenz in Hz.

Lassen Sie nun eine Testsonde des Audiodetektors mit Masse verbunden, nehmen Sie die andere Testsonde (die mit dem in Reihe geschalteten Koppelkondensator) und verbinden Sie sie mit Pin # 3 des 555-Timers. Das Summen, das Sie hören, ist die ungeteilte Taktfrequenz:

Wenn Sie die „Reset“-Klemme des 4017 mit einer der Ausgangsklemmen verbinden, entsteht eine abgeschnittene Sequenz. Wenn wir den 4017 als Frequenzteiler verwenden, bedeutet dies, dass die Ausgangsfrequenz einen anderen Faktor als die Taktfrequenz hat:1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 oder 1/2, je nachdem, an welcher Ausgangsklemme wir das „Reset“-Überbrückungskabel anschließen.

Schließen Sie die Audiodetektor-Testsonde wieder an den Ausgang „0“ des 4017 (Pin #3) an und verbinden Sie die „Reset“-Klemmenbrücke mit der sechsten LED von links auf dem Balkendiagramm. Dies sollte ein Frequenzteilungsverhältnis von 1/5 ergeben:

Zählt man die Anzahl der in einer Minute zu hörenden Klicks erneut, sollten Sie eine Zahl erhalten, die ungefähr doppelt so groß ist wie die Zahl, die mit dem für ein 1/10-Verhältnis konfigurierten 4017 gezählt wurde, da 1/5 ein doppelt so großes Verhältnis wie 1/10 ist.

Wenn Sie nicht genau das Doppelte Ihrer vorherigen Zählung erhalten, liegt dies an einem Fehler bei der Methode der Zählzyklen:Ihr Gehör wird mit der Anzeige einer Stoppuhr oder eines anderen Zeitmessers koordiniert.

Versuchen Sie, den 1-MΩ-Timing-Widerstand in der 555-Schaltung durch einen wesentlich geringeren Wert zu ersetzen, z. B. 10 kΩ. Dadurch wird die Taktfrequenz des 4017-Chips erhöht. Verwenden Sie den Audiodetektor, um die geteilte Frequenz an Pin Nr. 3 des 4017 abzuhören, und notieren Sie die unterschiedlichen Töne, die erzeugt werden, wenn Sie den Jumper „Reset“ zu verschiedenen Ausgängen bewegen, wodurch unterschiedliche Frequenzteilungsverhältnisse erzeugt werden.

Sehen Sie, ob Sie Oktaven erzeugen können, indem Sie die ursprüngliche Frequenz durch 2, dann durch 4 und dann durch 8 teilen (jede absteigende Oktave entspricht der Hälfte der vorherigen Frequenz). Oktaven sind leicht von anderen geteilten Frequenzen durch ihre ähnlichen Tonhöhen wie der Originalton zu unterscheiden.

Eine letzte Lektion, die man aus dieser Schaltung lernen kann, ist das „Prellen“ von Schaltkontakten. Dazu benötigen Sie anstelle des 555-Timers einen Schalter, um dem 4017-Chip Taktsignale bereitzustellen. Verbinden Sie das „Reset“-Überbrückungskabel wieder mit Masse, um eine vollständige zehnstufige Zählsequenz zu ermöglichen, und trennen Sie den Ausgang des 555 von der „Clock“-Eingangsklemme des 4017.

Schalten Sie einen Schalter in Reihe mit einem 10 kΩ Pulldown Widerstand, und verbinden Sie diese Baugruppe wie abgebildet mit dem 4017 „Clock“-Eingang:

Der Zweck eines „Pulldown“-Widerstands besteht darin, beim Öffnen des Schaltkontakts einen eindeutigen „low“-Logikzustand bereitzustellen. Ohne diesen Widerstand wäre der „Clock“-Eingangsdraht des 4017 floating jedes Mal, wenn der Schaltkontakt geöffnet wurde, wodurch er anfällig für Störungen durch statische Streuspannungen oder elektrisches „Rauschen“ wurde, die beide dazu in der Lage sind, den 4017 zufällig zählen zu lassen.

Wenn der Pulldown-Widerstand vorhanden ist, hat der „Clock“-Eingang des 4017 eine eindeutige, wenn auch ohmsche Verbindung zur Masse, wodurch ein stabiler „niedriger“ Logikzustand bereitgestellt wird, der jegliche Störungen durch statische Elektrizität oder „Rauschen“ durch nahegelegene AC-Stromkreisverkabelung ausschließt .

Betätigen Sie den Ein- und Ausschalter und beachten Sie die Aktion der LEDs. Bei jedem Aus-zu-Ein-Schalterübergang sollte der 4017 in seiner Zählung einmal inkrementieren. Es kann jedoch sein, dass Sie ein seltsames Verhalten bemerken:Manchmal „überspringt“ die LED-Sequenz einen oder sogar mehrere Schritte mit einem einzigen Schalterschließen.

Warum ist das? Grund dafür ist das sehr schnelle, mechanische „Prellen“ der Schaltkontakte. Wenn zwei metallische Kontakte schnell zusammengebracht werden, wie dies in den meisten Schaltern der Fall ist, kommt es zu einer elastischen Kollision. Diese Kollision führt dazu, dass die Kontakte sehr schnell schließen und brechen, wenn sie aneinander „abprallen“.

Normalerweise ist dieses „Bouncen“ viel zu schnell, um seine Auswirkungen zu sehen, aber in einer digitalen Schaltung wie dieser, bei der der Zählerchip auf sehr schnelle Taktimpulse reagieren kann, werden diese „Bounces“ als unterschiedliche Taktsignale interpretiert. und die Zählung wird entsprechend erhöht.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu bekämpfen, besteht darin, eine Zeitgeberschaltung zu verwenden, um einen einzelnen Impuls für eine beliebige Anzahl von Eingangsimpulssignalen zu erzeugen, die innerhalb einer kurzen Zeitspanne empfangen werden. Die Schaltung heißt monostabiler Multivibrator , und jede Technik, die die falschen Impulse eliminiert, die durch das „Aufprallen“ von Schaltkontakten verursacht werden, wird als Entprellen bezeichnet .

Die 555-Timer-Schaltung kann als Entpreller fungieren, wenn der „Trigger“-Eingang als solcher mit dem Schalter verbunden ist:

Bitte beachten Sie, dass wir Pin Nr. 3 des 555-Chips erneut mit Pin Nr. 14 des 4017-Chips verbinden müssen, da wir den 555 erneut verwenden, um ein Taktsignal an den 4017 zu liefern! Wenn Sie die Werte des Widerstands oder Kondensators in der 555-Zeitgeberschaltung geändert haben, sollten Sie außerdem zu den ursprünglichen 1 MΩ- und 0,1 µF-Komponenten zurückkehren.

Betätigen Sie den Schalter erneut und achten Sie auf das Zählverhalten des 4017. Es sollten keine „übersprungenen“ Zählungen mehr wie bisher vorkommen, da der 555-Timer bei jedem Ein-Aus einen einzigen, knackigen Impuls ausgibt Betätigung (Bedienungsumkehr hier beachten!) des Schalters.

Es ist wichtig, dass das Timing der 555-Schaltung angemessen ist:Die Ladezeit des Kondensators sollte länger sein als die „Einschwingzeit“ des Schalters (die Zeit, die die Kontakte benötigen, um zu prellen), aber nicht so lang, dass der Timer würde eine schnelle Abfolge von Schalterbetätigungen „verpassen“, wenn sie auftreten würden.