由CD40192+CD4511+555組成的脈衝計數器

2020-12-15 葛老師講電子

一、電路結構

本電路可分為幾大部分,它們分別為脈衝產生電路、BCD碼計數電路、解碼驅動電路和七段數碼顯示電路,如圖1所示。

圖1 CD40192與CD45115組成的脈衝計數器

1.脈衝產生電路:由555定時器和外圍阻容元件組成;

2.BCD碼計數電路:由4片CD40192組成;

3.解碼驅動電路:由2片CD4511組成;

4.七段數碼顯示電路:由4個七段數碼管組成。

二、認識特殊器件

1.七段數碼管

如圖2是七段數碼管原理圖符號,圖3是七段數碼管在印刷電路板上的符號。

圖2
圖3 數碼管在電路板上的符號

它由七段a~g和逗點dp共8隻發光二極體組成,而這8隻發光二極體又可接成共陽極(如圖4)和共陰極(如圖5)。對於共陽極數碼管來說,若在任意陰極接低電平,相應段劃點亮。

圖4 共陽極數碼管

對於共陰極數碼管來說施加電壓正好相反,在任意陽極接高電平,相應段劃點亮。

圖5 共陰極數碼管

2.CD40192

CD40192是COMS可預置遞增/遞減BCD碼計數器(COMS Presettable Up/Down Counters)。它的管腳可以根據功能分成幾部分,圖6左邊是引腳圖,右邊為邏輯圖。

圖6 CD4019的引腳圖和功能邏輯圖

①.預置部分

當CD40192處於遞減計數狀態,首先需要預置數據,即遞減開始的起始數。

J1~J4為預置數據端,11腳為預置使能端,上劃線代表低電平有效。

該腳接高電平,則禁止預置功能。

本項目製作就採用禁止預置模式。

②.遞增/遞減時鐘輸入:CP/U(CP/Up)遞增時鐘輸入,CP/D(CP/Down)遞減時鐘輸入;也就是說CD40192需要在遞增時鐘CP/U或遞減時鐘CP/D的控制下實現計數。

③.進位/借位輸出:12腳——進位輸出,13腳——借位輸出。這兩個腳的名稱都有上劃線,表示低電平有效。

④.BCD碼輸出:Q1、Q2、Q3、Q4(對應CD4511的A、B、C、D輸入)。

CD40192輸出的BCD碼在0000-1001之間。

⑤.復位:RST是復位端、高電平有效。

CD40192復位腳接低電平,則強制內部計數器全部歸零,輸出BCD碼變為0000。

正常工作時RST接低電平或通過電阻接低電平。

本電路設計按鍵S1,一端接CD40192復位腳,一端接VCC,隨時按下清零。

3.CD4511

CD4511是BCD碼鎖存、7段解碼驅動器,其管腳排序如圖7,各管腳功能如下。

圖7 CD4511引腳功能

①.A~D為BCD碼輸入端; a、b、c、d、e、f、g為解碼輸出端(高電平有效)。

②.LE:鎖定控制端,當LE=0時允許解碼輸出——本項目採用的工作模式。

LE=1時解碼器是鎖定保持狀態,CD4511輸出被保持在LE=0時的數值。

③.BI:消隱輸入控制端,當BI=0時,無論輸入狀態如何輸出全為0——七段數碼管均熄滅(消隱)狀態、不顯示數字。

本項目採用BI=1的工作模式。

④.LT:測試輸入端,當BI=1、LT=0時,無論輸入狀態如何輸出全為1——七段數碼管每段都會發光,顯示「8」——它主要用來檢測數碼管是否正常。

本項目採用LT=1的工作模式。

三、工作原理

1.時鐘電路

555定時器2、6、7腳接在一起。

當C10電壓剛好低於Vcc/3時,Vcc經R5、RP1給C10充電。

當C10電壓剛好高於Vcc2/3時,C10存儲的電荷經555的7腳內部電晶體放電。由於電容C10沒有放電電阻,因此,555內部放電管導通的等效電阻就是C10的放電電阻,所以放電速度非常快,鋸齒波電壓下降很陡,如圖8。

輸出電壓是周期性窄脈衝信號,這也是本電路稱為脈衝計數器的原因。調節微調電位器RP1,改變電容充電時間,也就改變脈衝信號的頻率。

2.BCD碼計數電路

①.認識BCD編碼

用四位二進位代碼來表示一位十進位數,稱為二—十進位編碼,簡稱BCD(Binary Coded Decimal)碼。

根據代碼的每一位是否有「權值」, BCD碼又分為「有權碼」和「無權碼」兩類。

應用最多的是8421BCD碼。

「無權碼」用得較多的是「餘三碼」和「格雷碼」。

我們通常所說的BCD碼指的是8421BCD碼。

這些編碼跟十進位數對應的關係如表1。

8421BCD碼中的「8421」表示,從高位到低各位二進位位對應的「權值」分別為8、4、2、1,將各二進位位與「權值」相乘,並將乘積相加就得相應的十進位數。

例如,8421BCD碼「0111」,0×8+1×4+1×2+1×1=7D,其中D表示十進位(Decimal)數。

特別注意:8421BCD碼只有0000~1001共十個,而1010、1011...等等不是8421BCD碼!!

「餘三碼」是在8421BCD碼的基礎上,把每個數字的代碼加上0011(對應十進位數3)後得到的。

「格雷碼」的編碼規則是相鄰的兩碼之間只有一位二進位位不同

不管是8421BCD碼、「餘三碼」還是「格雷碼」,總是4個二進位位對應一個十進位數,如十進位數18對應的8421BCD碼就是0001 1000,27對應的8421BCD碼就是0010 0111。

②.脈衝計數電路

脈衝計數電路由四片CD40192組成,U5是最低位、U8是最高位,它們設定為遞增計數工作模式。

555定時器輸出的脈衝由U5進行8421BCD碼計數,對應0~9個脈衝的8421BCD碼分別為0000~1001。

第十個脈衝下降沿,U5恢復為0000,同時進位端(12腳)輸出一個脈衝,這個信號作為U6的時鐘輸入(CP/U),即U5計10個脈衝就向U6進位一個脈衝,正如我們所常見「逢十進一」!

同理,U6進位端(12腳)接U7時鐘輸入,U7進位端(12腳)接U8時鐘輸入。

具體脈衝計數特殊數據進位如表2。

表2 U5~U8脈衝計數特殊數據進位表

3.解碼驅動電路和七段數碼顯示電路

由於解碼驅動電路和七段數碼顯示電路聯繫緊密,現在把它們合併在一起講述。

解碼驅動電路由四片CD4511組成,U1是最低位、U4是最高位,它們設定為非鎖定控制狀態、自由輸出工作模式。

CD4511把四位8421BCD碼解碼成a、b、c、d、e、f、g,對應十進位數0~9共十種8421BCD碼,有十種a、b、c、d、e、f、g解碼組合,如表3。

表3 CD4511 解碼對應表

CD4511解碼後的信號電流驅動能力很小較弱,必須增加驅動電路才能夠驅動七段數碼顯示。CD4511內部增設有驅動電路,因此CD4511稱解碼驅動電路。

從原理圖可知,本電路中用到的8段數碼管,屬於共陰極:陽極分別是a~g和dp。

圖9 脈衝計數器

可能網友會問:您怎麼想到做這個電路呢?

說起這個電路,我還真有一段情結。

1995年8月,我青少年時代的同學(河南農大畢業)到鄭州辦事,去我公司找到我說:XXX和YYY(兩個初中、高中同學,他們在中山市當教師)快開學了,你不是老早就惦記著想到廣東發展嗎?那就跟我一起回關店(我的故鄉,信陽市息縣下的一個鄉,初中在這裡讀數)去,玩幾天,然後一起走……

我略做思考,立馬決定南下廣東。

1994年月,我剛來鄭州上班兩周,就看出大型企業的弊病,非我能施展才幹之地——雖然我剛畢業,還沒什麼才幹。

但我覺得,在那個環境、那種眾所周知的體制機制,我壓根無法適應。

再說了,我學的是工業電氣自動化,跟這生產的砂輪、砂帶,無論是生產環節,還是生產設備都挨也不上啊!何況當時廠裡的設備大都是五、六十年代東德製造的,憑我的能力,根本不可能進行所謂的技術升級改造……我希望去有靈活機制的企業,在那裡能邊學邊幹、邊幹邊學,與我所學的專業至少能挨得上的電氣行業。

當晚,我寫下請假條交給室友,讓他次日上班交給人事處。內容大致是說家有急事,需要連夜趕回去了云云……

我本意若能在廣東找到工作,就不打算回來;若是實在找不到工作或那邊的環境,並非我想像的那麼容易適應,就給自己留條後路,請假只不過是個幌子。歷經一年的煎熬、苦悶、彷徨和無奈,使我朦朦朧朧地感覺,這一去廣東,回來的可能性微乎其微,這情狀似有破釜沉舟之意……

已經移居安徽六安4年的父親,對我之前多次表示想到廣東發展的想法頗感憂慮,大學畢業,畢竟還算是幹部身份,十年寒窗,背負著家族的期待與希望,若離職南下,立馬變得一無所有……而弟弟在聽到我月工資只有200元(未定級時)時,幫我計算:一個月200,不吃不喝一年2400……那,你這大學上的……還不如我小學沒讀完的……」

聽到弟弟的一番說詞,我無言以對。

我不怨他,只是內心不甘……與其說是嘲笑,倒不如說是刺激我、激勵我去抗爭,不服命運的安排。

我們不能要改變別人對自己的看法,但能改變自己,讓自己強大起來或相反。

他一個人獨處這天老地荒的山野,一種強烈的願望就不斷從內心升起:他不能甘心在雙水村靜悄悄地生活一輩子!他老感覺遠方有一種東西在向他召喚,他在不間斷地做著遠行的夢……」

我也在做著類似的夢!

旋即,上街買一個十幾元錢的包包,裝好幾件衣服,帶上畢業證和學位證職,懷揣七、八月定級後的合計800元,與他一起坐晚上的火車回到信陽,天亮後,從信陽轉車回息縣、再次轉車到關店……

幾天後的傍晚,我們坐上瀋陽到廣州(途徑信陽)的列車,差不多22小時到廣州。

記得在鄭州的一年裡,雖工作環境不隨己便,但似有臥薪嘗膽,潛隱待變,不甘沉淪之志,一直在購買《無線電》和單片機方面的書閱讀,以待時日……

我清楚地記得寫在單片機扉頁上的一段話:通向未來的路不是找到的,而是走出來的,走出道路的過程,既改變著走出道路的人,又改變著目的地!

正是這段看似不經意的話語,一直激勵我,做著遠行的計劃

一出火車站,好傢夥!比鄭州繁華多了去了……晚上8點,我們坐上去中山的汽車,記得好像15元/人,好貴!

我靠著窗戶坐下,連眼睛都不敢眨一下,直瞪瞪地看著外面目光所及之處。

最直接的感覺是立交橋非常多,潛意思裡,我覺得這是交通發達的表現……

出了廣州,沿途105國道南行,每行一段時間,就能見到江河,河兩岸燈火通明,即便是晚上,橋上各式車輛也蠻多。特別是摩託車,它們風馳電掣遠去發出的低吼聲攝人心魄。

想到這地兒就是南海之濱,我呼吸的可是海風啊,一股股豪情油然而生……讓人特別激動和興奮。我將要在這遍熱土上找尋自己的夢想……

一路上,令人驚奇地事情比較多,現舉兩個吧。

一、 是江河上的橋梁都是有一定曲率的,中間高、兩頭到岸低。在北方這種景象,我未曾見過的,尤其在東北上大學幾年,所經所見的公路橋梁都是平的,鐵路橋更不用說了。

二、 是每經過一個市鎮,都能見到許多被彩燈裝飾的花花綠綠的酒店,車子一旦在酒店停下,總會有幾輛摩託車呼嘯而至,好像天兵天將下到凡間,將要捉拿妖怪一般,嚇得我這個剛踏入社會、涉世未深的毛頭小子心驚膽戰……

閒話少敘,切入正題。

來中山後,住沙朗鎮中學,我同學在那上班。

安頓下來之後,天天坐車去找工作。

先去市區看看威力洗衣機廠(好像那時正走下坡路,不招人)。後來,去張家邊、沙溪鎮、東升鎮、小欖鎮和東鳳鎮……看到名字與電子、電器沾邊的,走到門口,拿出畢業證表明來意,結果是一次次碰壁,但心裡憋著一股勁:絕不氣餒,直到找到工作為止,要做打不死的「小強」!

皇天不負有心人!一周以後,在中山市北區找到一個廠,生產電風扇的,叫張溪家用電器廠。

當時老闆不在,跟我交談的人姓景、河南洛陽人,是老闆妻弟的愛人,西安公路機械學院畢業,40-50歲之間,早年的大學生,真材實料。

令人驚嘆的是,2004年,我轉行當老師,竟然在開學的第一次會議上認出了她!

人生何處不相逢!

她也甚是驚訝,問我怎麼回事……還問我教什麼專業等等。

她說廠裡需要招一位維修工,維修程控繞線機。

我對這個高大上的名字頗感興趣,但它究竟長什麼樣子,卻一點也不知道,更奢談維修了。

實際上,廠裡有一位維修工,但只會維修電阻、電容、二極體和三極體之類的簡單故障,對於IC問題,他一點思路都沒有……

她問我會不會,我實事求是地說,不會!但我肯學習、很快就會的!

好吧!但她做不了主,等老闆從南美回來,你再來一趟。

到時,老闆問你會不會,你就說會!

我遲疑片刻,好吧!

隨後幾天,我仍不間斷地找工作……一天,我用街邊電話打過去,想問一下老闆回來沒。

她說回來了,讓我立即過去。

在辦公室,我終於得見老闆的尊容。50多歲,中等身材、微胖,一口廣味十足的普通話,旁邊坐著她,還有一位未曾謀面的男子,也大概50多歲。

我惴惴不安,謹小慎微地回答著老闆的提問。

約摸十來分鐘,老闆單刀直入地問到:你要多少工資?

我遲疑了一下,心提到嗓子眼上,把「皮球」踢回給老闆:我剛來這裡,老闆您說了算!

那就……1000吧!

好!

下個星期一來上班!

辭別老闆3人,飛奔到樓下,心跳動得厲害,我甚至有點輕微地顫抖了。

這份工資是我在鄭州的2.5倍!雖然,我知道廣東地區的工資普遍比較高,但當你真正見到,仍然會抑制不住地讓人激動和興奮。

記得在鄭州時,同班組裡有一位老師傅的工資大概是 600多。當他聽說我定級後立馬有400元,頗感是驚訝。

我說你比我多200多啊!

他說我都幹工作17年了!

……

上班以後,面對的人以廣西梧州地區的為主,少量江西人和湖南人,因此,車間裡交流之聲多是廣州話,根本聽不懂,因此頻頻遭到白眼和嘲笑……

面對的設備是程控繞線機,正好有一位前文提到的維修工,不懂之處,虛心向他求教。

風扇電機的繞組就是用程控繞線機來繞的。

繞線機金屬殼體是半封閉環境,電動機體積較大,在繞線機外面,通過皮帶傳動,帶動殼體內的轉軸旋轉。轉軸上有繞線用的線槽和金屬薄片,殼體上有一光電開關,每當轉軸轉動一周,金屬薄片都阻擋一次光電開關,會形成一個脈衝,送到機器頂部的密封電路中,前面板顯示計數增加「1」。

面板上有4個撥碼盤、4個8段數碼管和一個復位按鈕。

撥碼盤用以設置需要繞線的圈數,數碼管指示已經繞了多少圈。風扇電機繞組分4組,開始按鈕復位繞第一組,繞到與設定的圈數時,電機立馬剎車,這時需要人工把銅線挪到另一個線槽,再按一次復位按鈕,電機再次轉動、開始第二個線槽的繞線進程……直到4組線全都繞完,需人工捆線,再把繞線從線槽取出來。

說到這裡,估計您已經猜出來我想表達的意思了!

是的,這個程控繞線機的面板及其後面的電路,與我這個脈衝計數器基本一樣。

但那是1995年秋天,咱第一次見這東西,咱不懂啊!但我很好學,天天看它,天天清理光電開關周圍的灰塵,如若不清理乾淨,計數跳變,一會兒從幾十跳到幾百,但實際上並沒有繞那麼多圈,整個繞組作廢了。

後來,我了解到這種設備是中山沙溪一個私營企業做的,他們為了避免別人仿造,把所以IC上的絲印字符全部擦掉。

是年冬,我利用閒空時間,把一臺壞得修不好機器拆開,對著電路板,反繪其電路,因為不知道IC是什麼,都畫條塊狀標記。約兩周左右把整個電路畫出來——雖然不是百分百準確。

當我把這張大圖拿到辦公室給幾位管事的人,包括景姓老鄉,他們都非常驚訝!簡直不敢相信……雖然,這張標註非常不全的圖紙並沒什麼卵用。我事後想起,年輕時做事的那份執著、認真的態度和持之以恆,不達目的絕不罷休的勁頭,卻是難能可貴!

轉行當老師以後,我會對每一屆的學生講這一段的經歷,說這個板的由來……

學習貴在堅持,集腋成裘,聚沙成塔,由量變到質變。要勤於思考,都動手、多實踐;比較重要或有趣的東西記錄下來,可能會對以後的學習實踐有啟發或是鋪墊作用——我在企業工作10年,記了8本筆記本。

延續執著的意志品質,近些年裡,我寫了幾十篇文章發表在《無線電》,《電子產品世界》和《家電維修》等雜誌上,寫了 3本校本教材,出版5本書如下:

電工基礎

模擬電子技術

Protel DXP 2004 簡明教程與考證指南

開關電源實例電路測試分析與設計

音頻功率放大器

我想利用這段文字,給大家一些啟示。至於有什麼樣的啟示,因人而異吧!

2020-4-23

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    數位訊號相對於內部時基(單計數器獲取低頻) 當數位訊號的頻率很高或是變化的,最好採用以下介紹的兩種雙計數器法。需要注意的是,兩種方法種具有相同的硬體局限性,即所要測量的頻率不能超過計數器支持的最大輸入頻率,但可以超過內置的時基頻率。 高頻雙計數器測量方法 高頻信號測量需要兩個計數器。