LEDシーケンサー

部品と材料

• 4017ディケードカウンター/ディバイダー（ラジオシャックカタログ＃276-2417）
• 555タイマーIC（Radio Shackカタログ番号276-1723）
• 10セグメント棒グラフLED（Radio Shackカタログ番号276-081）
• 1つのSPSTスイッチ
• 6ボルトのバッテリー1個
• 10kΩ抵抗
• 1MΩ抵抗
• 0.1 µFコンデンサ（Radio Shackカタログ番号272-135または同等品）
• カップリングコンデンサ、0.047〜0.001 µF
• 10個の470Ω抵抗器
• ヘッドホン付きオーディオ検出器

注意！ 4017 ICはCMOSであるため、静電気に敏感です！

任意の単極単投スイッチで十分です。家庭用の電灯のスイッチは正常に機能し、どの金物店でもすぐに入手できます。

オーディオ検出器は、信号周波数を評価するために使用されます。オシロスコープにアクセスできる場合は、オーディオ検出器は不要です。

相互参照

電気回路の教訓 、第4巻、第3章：「論理ゲート」

電気回路の教訓 、第4巻、第4章：「スイッチ」

電気回路の教訓 、第4巻、第11章：「カウンター」

学習目標

• 555タイマー回路を使用して「クロック」パルスを生成する（保存可能 マルチバイブレータ）
• 一連のパルスを生成するための4017ディケードカウンター/ディバイダー回路の使用
• 周波数分割のための4017ディケードカウンター/分周器回路の使用
• 分周器と時計（時計）を使用して周波数を測定する
• 「プルダウン」抵抗の目的
• スイッチ接点の「バウンス」がデジタル回路に与える影響を学ぶ
• 555タイマー回路を使用して、機械式スイッチを「デバウンス」します（単安定 マルチバイブレータ）

回路図

イラスト

手順

モデル4017集積回路は、10個の出力端子を備えたCMOSカウンターです。これらの10個の端子の1つは常に「ハイ」状態になり、他のすべての端子は「ロー」になり、「10分の1」の出力シーケンスになります。低電圧パルスから高電圧パルスが4017の「クロック」（Clk）端子に印加されると、カウントが増加し、次の出力が「高」状態になります。

低周波数の非安定マルチバイブレータ（発振器）として接続された555タイマーを使用すると、4017は10カウントシーケンスを循環し、各LEDを一度に1つずつ点灯し、最初のLEDに「リサイクル」します。その結果、視覚的に心地よい一連の点滅ライトが得られます。 555タイマーの抵抗とコンデンサの値を自由に試して、さまざまなフラッシュレートを作成してください。

4017の「クロック」端子（ピン＃14）から555の「出力」端子（ピン＃3）につながるジャンパー線を外して、555タイマーチップに接続し、その端を手に持ってみてください。周囲に十分な60Hzの電力線「ノイズ」がある場合、4017はそれを高速クロック信号として検出し、LEDを非常に速く点滅させます。

4017チップの2つの端子、「リセット」と「クロックイネーブル」は、バッテリーのマイナス側（アース）への接続によって「ロー」状態に維持されます。これは、チップを自由にカウントする場合に必要です。 「リセット」端子を「ハイ」にすると、4017の出力は0にリセットされます（ピン＃3は「ハイ」、他のすべての出力ピンは「ロー」）。 「クロックイネーブル」を「ハイ」にすると、チップはクロック信号への応答を停止し、カウントシーケンスを一時停止します。

4017の「リセット」端子が10個の出力端子の1つに接続されている場合、そのカウントシーケンスは短くなるか、切り捨てられます 。これを試すには、「リセット」端子をアースから外し、長いジャンパー線を「リセット」端子に接続して、10セグメントのLED棒グラフの出力に簡単に接続します。いずれかの出力に「リセット」が接続されている状態で点灯するLEDの数（または数）に注目してください。

4017などのカウンタは、デジタル分周器として使用して、クロック信号を取得し、クロック周波数の整数因数で発生するパルスを生成することができます。たとえば、555タイマーからのクロック信号が200 Hzで、4017がフルカウントシーケンス（グランドに接続された「リセット」端子、フル10ステップカウント）用に構成されている場合、 4017の出力端子のいずれかに10倍の長さ（20 Hz）の周期が存在します。つまり、各出力端子は 1回循環します。 10 ごと クロック信号のサイクル：10倍遅い周波数。

この原理を試すには、4017の出力0（ピン＃3）とアースの間に、非常に小さなコンデンサ（0.047 µF〜0.001 µF）を介してオーディオ検出器を接続します。コンデンサはAC信号を「結合」するためにのみ使用され、カウンタチップ出力にDC（抵抗）負荷をかけることなくパルスを聴覚的に検出できます。

4017の「リセット」端子を接地すると、フルカウントシーケンスが発生し、「0」LEDが点灯するたびに、555の実際の出力周波数の1/10に対応する「カチッ」という音がヘッドホンで聞こえます。 ：

実際、ヘッドホンで聞こえるクリック音とクロック周波数の間のこの数学的関係を知ることで、クロック周波数をかなりの精度で測定することができます。ストップウォッチまたはその他の時計を使用して、4017の「0」出力に接続しているときに1分間に聞こえたクリック数をカウントします。 555タイミング回路で1MΩの抵抗と0.1µFのコンデンサを使用し、電源電圧を6ボルトではなく13ボルトにして、回路から1分間に79回のクリックをカウントしました。

回路によってわずかに異なる結果が生成される場合があります。 「0」出力でカウントされたパルス数に10を掛けて、同じ時間中に555タイマーによって生成されたサイクル数を取得します（私の回路：79 x 10 =790サイクル）。この数値を60で割って、1秒あたりに経過したタイマーサイクルの数を取得します（私の回路：790/60 =13.17）。この最終的な数値は、Hz単位のクロック周波数です。

ここで、オーディオ検出器の1つのテストプローブをグランドに接続したまま、もう1つのテストプローブ（カップリングコンデンサが直列に接続されているもの）を取り、555タイマーのピン＃3に接続します。聞こえるブーンという音は、分割されていないクロック周波数です：

4017の「リセット」端子を出力端子の1つに接続すると、シーケンスが切り捨てられます。 4017を分周器として使用している場合、これは出力周波数がクロック周波数の異なる要素になることを意味します：1 / 9、1 / 8、1 / 7、1 / 6、1 / 5、1 / 4、 「リセット」ジャンパー線を接続する出力端子に応じて、1/3または1/2。

オーディオ検出器のテストプローブを4017の出力「0」（ピン＃3）に再接続し、「リセット」端子ジャンパーを棒グラフの左から6番目のLEDに接続します。これにより、1/5の周波数分割比が生成されます：

1分間に聞こえたクリック数をもう一度数えると、1/5は1/10の2倍の比率であるため、1/10の比率に構成された4017でカウントされた数の約2倍の数が得られるはずです。

以前に取得した数の正確に2倍のカウントが得られない場合は、サイクルのカウント方法に固有のエラーが原因です。つまり、ストップウォッチやその他の計時装置のディスプレイと聴覚を調整します。

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555回路の1MΩタイミング抵抗を、10kΩなどの非常に小さい値の1つに置き換えてみてください。これにより、4017チップを駆動するクロック周波数が高くなります。オーディオ検出器を使用して、4017のピン＃3で分割された周波数を聞きます。「リセット」ジャンパー線をさまざまな出力に移動すると、さまざまなトーンが生成され、さまざまな周波数分割比が作成されます。

元の周波数を2で割り、次に4で割り、次に8で割り、オクターブを生成できるかどうかを確認します（降順のオクターブはそれぞれ前の周波数の半分を表します）。オクターブは、元の音に似たピッチで他の分割された周波数と簡単に区別されます。

この回路から学ぶことができる最後の教訓は、スイッチ接点の「バウンス」の教訓です。このためには、555タイマーの代わりに、4017チップにクロック信号を提供するためのスイッチが必要になります。 「リセット」ジャンパー線をアースに再接続して、完全な10ステップのカウントシーケンスを有効にし、555の出力を4017の「クロック」入力端子から切断します。

10kΩのプルダウンと直列にスイッチを接続します 抵抗器を取り付け、このアセンブリを図のように4017「クロック」入力に接続します。

「プルダウン」抵抗の目的は、スイッチの接点が開いたときに明確な「ロー」ロジック状態を提供することです。この抵抗がない場合、4017の「クロック」入力ワイヤはフローティングになります。 スイッチの接点が開かれると、漂遊静電圧や電気的な「ノイズ」による干渉を受けやすくなり、4017をランダムにカウントすることができます。

プルダウン抵抗を配置すると、4017の「クロック」入力は、抵抗性ではありますが、確実にグランドに接続され、近くのAC回路配線から結合された静電気や「ノイズ」による干渉を防ぐ安定した「ロー」ロジック状態を提供します。 。

LEDの動作に注意しながら、スイッチのオンとオフを切り替えます。オフからオンへのスイッチの移行ごとに、4017はそのカウントで1回インクリメントする必要があります。ただし、奇妙な動作に気付く場合があります。LEDシーケンスは、1つのスイッチを閉じるだけで1つまたは複数のステップを「スキップ」する場合があります。

どうしてこれなの？これは、スイッチ接点の非常に迅速で機械的な「バウンス」によるものです。ほとんどのスイッチの内部で発生するように、2つの金属接点が急速に結合すると、弾性衝突が発生します。この衝突により、接点が互いに「跳ね返る」ため、接点が非常に急速に作成および切断されます。

通常、この「バウンス」はその効果を確認するのに非常に高速ですが、カウンターチップが非常に速いクロックパルスに応答できるこのようなデジタル回路では、これらの「バウンス」は別個のクロック信号として解釈されます。それに応じてカウントが増加しました。

この問題に対処する1つの方法は、タイミング回路を使用して、短時間で受信した任意の数の入力パルス信号に対して単一のパルスを生成することです。この回路は単安定マルチバイブレータと呼ばれます 、およびスイッチ接点の「バウンス」によって引き起こされる誤ったパルスを排除する技術は、デバウンスと呼ばれます。 。

「トリガー」入力がスイッチにそのように接続されている場合、555タイマー回路はデバウンサーとして機能することができます。

もう一度555を使用して4017にクロック信号を提供しているため、555チップのピン＃3を4017チップのピン＃14に再接続する必要があることに注意してください。また、555タイマー回路の抵抗またはコンデンサの値を変更した場合は、元の1MΩおよび0.1 µFのコンポーネントに戻す必要があります。

スイッチを再度作動させ、4017のカウント動作に注意してください。555タイマーはオンからオフごとに単一の鮮明なパルスを出力するため、以前のように「スキップされた」カウントはなくなります。 スイッチの作動（ここで操作の反転に注意してください！）。

555回路のタイミングが適切であることが重要です。コンデンサを充電する時間は、スイッチの「整定」期間（接点のバウンスが停止するのに必要な時間）より長くする必要がありますが、タイマーほど長くはありません。それらが発生した場合、スイッチ作動の迅速なシーケンスを「見逃す」でしょう。