十三、電子6點燈光骰子機

每按動一次電子骰子機上的按鈕開關，隨著喇叭的一聲鳴叫，電子骰子會隨機產生1至6點的燈光圖案，模擬一次擲骰子的結果。

電路簡介

電路原理圖見圖24-131。電路由時鐘脈沖信號發生器，按鈕開關，計數器，點數顯示電路以及音響發生器組成。用4069組成時鐘脈沖信號發生器，產生頻率為1千赫茲的脈沖信號；按動按鈕開關時，時鐘脈沖信號通過按鈕開關輸入到4510計數器的計數端；4510接成減法計數器，一旦脈沖信號輸入，計數器就進行減計數；由于4510的預置數已設置成6，每當減計數器輸出為0的時候，預置數控制開關打開，強迫計數器輸出預置數6。這樣，計數器的輸出從6開始依次變成5，4，3，2，1；如此循環不已。同時音響發聲電路也開始工作，壓電陶瓷片發出鳴叫聲；直到松開按鈕開關，計數器停止工作。在使用者松開按鈕開關的一瞬間，計數器的輸出值有可能停止在1，2，…，6這6個數字的任何一個上；由于輸入的脈沖信號頻率高達1千赫茲，所以使用者不可能控制計數器輸出的結果，而且1~6這6個數字出現的可能性是完全相同的。4510的輸出為2進制數，表示點數的發光二極管直接由4510的輸出端驅動，每個輸出端所驅動的發光二極管的個數正好等于其所代表的10進制數的數值，按照電路圖所示的連接方法，就可以把輸出結果轉變成6點骰子的點數圖案。

圖24-131

制作要點

電路可以焊接完成，也可以在面包板上組裝完成。電路組裝正確，不需任何調試即可使用。電源電壓可采用4.5V，發光二極管要采用3毫米直徑高亮度的，7個發光二極管要按照電路圖上的排列方式安裝，這樣顯示的圖案最接近六面體的骰子的圖案（圖24-132）。

圖24-132

學習、實驗與思考

1．4510計數器簡介

4510的全稱是“可預置數4位二進制加/減計數器”。它有清零、預置數、加計數和減計數等4種功能。它有3個控制端：加/減轉換端U/D，預置數控制端PE，復位端R；有4個置數輸入端DP1DP4；有4個輸出端Q1Q4；還設有進位輸入端CI和進位輸出端CO。時鐘脈沖由CP端輸入；輸出端Q1~Q4分別是二進制數的20，21，22，23，輸出4位二進制數。4510輸出數最大是9，也就是二進制數1001。在加計數狀態時，4510的輸出從0開始依次加到9，然后又從0開始循環計數；在減計數狀態時，輸出從9依次減到0，然后又從9開始循環計數；相應于2進制數，在加計數時，輸出1001之后是0000，在減計數時，輸出0000之后是1001。

4510的管腳排列如圖24-133所示。

圖24-133

4510真值表

2．4510在本電路中的設置

復位端R接地，以保證4510處于工作狀態。4個預置數輸入端設置為數6，也就是2進制數0110；其中DP1表示預置數的20，其余類推；接高電位表示預制1，接低電位表示預制0，所以DP1和DP4接地，DP2和DP3接高電位。加/減轉換端U/D接地，使4510為減計數器。預置數控制端PE通過一個非門接在進位輸出端CO上。CO端平時輸出高電位，每當加計數輸出9時或者減計數輸出0時，CO端輸出一個低電位脈沖信號，它通過非門變成一個高電位脈沖信號加到PE端，強迫4510的輸出端輸出預置數6；從而開始下一個循環的減計數。4個輸出端中的3個Q1~Q3分別接有發光二極管，作為驅動電路將輸出的2進制數的結果變成骰子的圖形顯示出來。進位輸入端CI在電路中沒有使用，必須接地以保證電路正常工作。

4510在本電路中的波形圖見圖24-134。

圖24-134

3．4069脈沖振蕩器

為了確保每次使用電子骰子機都能夠得到隨機的點數，計數器的工作必須足夠快，本電路采用4069組成RC脈沖振蕩器，振蕩頻率設計在1000赫茲。用這個頻率作為4510的時鐘脈沖信號，可以滿足隨機輸出結果的要求，同時兼顧發聲電路的需要。4069的6個非門在本電路中組成了3個電路，除了用3個非門組成振蕩器提供計數器的時鐘脈沖信號之外，還用了兩個非門串聯組成緩沖器，驅動陶瓷發聲器發出音響。最后1個非門用來作為反相器，提供驅動預置數開關工作的正脈沖信號。

4．如何使4510循環輸出其它區間的數字

為了模擬六點骰子的功能，要求4510必須循環輸出1～6這6個數字，這就要求它不能輸出0，7，8，9這4個數字。為了做到這一點，采用減計數工作狀態，同時利用4510的預置數功能。電路從6減到0的時候，如何保證4510輸出預置數6，然后進入下一次循環計數呢？這就要使用動態預置數開關PE了。每當PE輸入一個高電位脈沖信號，4510就會被強制輸出預置數6。這樣就保證了本電路循環輸出1～6這6個數。

用4510循環輸出0～9這10個數字，既可以用加計數器，也可以用減計數器，電路也不需要使用預置數功能。而用4510循環輸出1～n這n個數字（其中n<9），最好使用減計數狀態，并利用預置數功能，這樣電路比較簡單。

如何設計循環輸出0～n的電路呢？

如何設計循環輸出m～9的電路呢（其中m>1）？

最后，如何設計輸出任意兩個1位數之間的循環數呢？（例如讓4510循環輸出3，4，5，6，7這5個數字。）

5．六點骰子圖案顯示電路

4510是以2進制數輸出1～6這6個數，也就是在它的輸出端輸出0001，0010，0011，0100，0101，0110，其中1表示輸出高電位，0表示輸出低電位。如何把這種輸出變成相應的六點骰子的圖形呢？按照電路圖所示，在Q1，Q2和Q3三個輸出端分別接入1個，2個和4個發光二極管。這樣，每次輸出一個數，就有同樣數目的發光二極管被點亮。例如輸出的數字是5，它的2進制數為101，也就是Q1和Q3兩個輸出端為高電位，Q1的輸出端連接有一個發光二極管，Q3的輸出端連接有4個發光二極管，總共有5個發光二極管點亮。這些發光管的安裝位置是按照真正的六面體骰子的圖案設計的，Q1的輸出燈光位于正中，Q2的輸出位于正方形的對稱的兩邊，Q3的輸出位于正方形的四角，這樣電子骰子機輸出的燈光圖案就組成了六面體骰子的圖案。

6．制作雙六點骰子機

本電路在按動開關模擬擲骰子的時候，7個發光管都是亮的。然而根據電路分析，電路是不可能輸出7的，這是為什么呢？你會覺得這個問題太簡單了，根本不值得問。請解決一個難度較大的問題：在麻將比賽中，通常同時使用兩個骰子進行游戲，你能設計一種同時模擬擲兩個骰子結果的電子骰子機嗎？要求也很簡單，用一個開關控制，每次輸出兩個骰子的結果；兩個骰子的輸出結果必須是互相獨立的。要是你設計成功了，以后玩麻將時，使用自己設計的音樂電子骰子，會別有一番情趣。

十四、電子燈光抓鬮器

電子燈光抓鬮器可以在2至10之間選擇抓鬮總人數，使用時只需按動一下操作按鈕，就可以得到輸出結果。

電路簡介

電路原理圖見圖24-141。電路由脈沖發生器、總人數選擇開關K2、數據分配器、燈光顯示電路和操作按鈕AN組成。數據分配器用4017集成電路組成，用來確定抓鬮的結果。使用時根據參與抓鬮的總人數確定選擇開關K2的位置；工作時脈沖發生器向4017送出計數脈沖信號，由數據分配器進行計數運算，同時把計數結果分配給輸出端，驅動各個輸出端上的發光管輪流點亮；此時按動一次操作按鈕AN，4017就會停止計數運算，結果是輸出端上的10個發光二極管中有一個被點亮，根據這個被點亮的燈顯示的數字，就可以確定抓鬮的結果。由于計數運算的速度高達每秒鐘上千次，人按動操作按鈕時是無法控制最后結果的，顯示結果的10個發光二極管中究竟哪一個亮可以看成是隨機發生的，這樣就模擬了一次抓鬮過程。再按動一次操作按鈕，4017計數器又開始進行計數，為下一次輸出抓鬮結果做準備。依次按動操作按鈕，電路就會循環進行計數和輸出抓鬮結果。

圖24-141

制作要點

用4017的輸出端直接驅動發光二極管，輸出的亮度與電源電壓有關；采用直徑為3毫米的發光管，電源電壓用4.5V就可以保證足夠的亮度。每個發光二極管要通過一個2k的電阻接到4017的輸出端上，這個電阻是不能省略的。這是因為發光二極管的正向電壓降在1.6V左右（高亮度發光二極管），總人數選擇開關要從它上面取出3V以上的復位電壓，所以必須在每個發光管上串聯上一個電阻，以提高輸出端工作時的電壓。為了區別輸出的結果，應該給Q0～Q9這10個發光管編上號碼：Q0顯示“1”，Q1顯示“2”，Q2顯示“3”，……，Q9顯示“10”；可以在每個發光二極管上面分別粘貼上一個透光的數字板，上面分別刻有“1”，“2”，…，“10”這10個數字（見圖24-142）。總人數選擇開關用來事先設定抓鬮的人數；可以用1×9開關制作人數選擇開關，也可以用9個接線插座代替。操作按鈕AN用來決定電路的工作狀態；依次按動它，電路就會在計數和輸出抓鬮結果之間進行轉換。在計數狀態，輸出數字依次被點亮，由于頻率很高，看起來所有數字都是亮的。

圖24-142

學習、實驗與思考

1．十進制計數/分配器集成電路4017

4017是十進制加法計數器，它的特點是把十進制的計數結果按順序分配給10個輸出端，也就是隨著計數進程，它的10個輸出端輪流輸出高電平。它有一個復位端R，兩個時鐘輸入端CP和CPE--，一個進位輸出端CO。當復位端為高電平時，計數器處于復位狀態時，這時只有Q0端為高電平“1”，其他輸出端均為低電平“0”。在計數狀態時，隨著計數脈沖的輸入，Q0端變為低電平“0”，輸出端Q1~Q9依次變為高電平“1”。4017管腳排列圖見圖24-143。

圖24-143

4017真值表

從4017的真值表可以看出，當CP輸入端的脈沖信號上升時，觸發計數器開始作加1的計數；CP-------E端則正相反，輸入到CP-------E端的脈沖信號下降時，計數器開始加1。當使用脈沖信號的上沿觸發時，脈沖信號從CP端輸入，而且CP-------E端必須保持低電平；如果CP-------E端為高電平，則計數器停止計數，保持以前的輸出不變。無論用CP端輸入還使用CP-------E端輸入，4017都是作加1計數，也就是它的Q0~Q9輸出端按從小到大的順序輪流輸出高電平；當Q9輸出高電平之后，計數器自動從Q0開始進行循環計數。本電路采用從CP端輸入計數脈沖；使用操作按鈕AN組成的開關鍵電路，控制4017的CPE端的電平在高電平與低電平之間轉換，以達到控制計數器的計數與暫停計數（輸出抓鬮結果）的目的；復位端用來決定計數器的循環區間，其工作原理在下面給予說明。

2．如何根據不同的人數選擇4017的循環區間

本電路實際上是一個2～10這9個整數的隨機數發生器。為了模擬不同的抓鬮人數，它應該有調整隨機數產生范圍的功能。圖24-144為4017的波形圖，從圖可以看出，每當它的復位端R為高電平時，除了Q0端輸出高電平之外，其余9個輸出端均輸出低電平。電路就是利用它的這個特性，來設定4017的循環計數區間。以要進行3人的抓鬮為例，這時把總人數選擇開關撥到“3”，電路中的復位端R與輸出端Q3相連；在計數器工作的過程中，每從輸入端得到一個時鐘脈沖，4017就進行一次加1運算，Q0、Q1、Q2就依次輸出高電平，輸出結果依次為“1”、“2”、“3”。每當計數器的輸出端Q3變為高電平的時候，復位端就獲得高電平信號，迫使計數器中止計數運算，計數器返回到Q0，同時Q3變回低電平；而此時復位端又變成低電平，計數器又重新開始進行下一個周期的計數。在這一過程中，Q3輸出高電平的時間是非常短暫的，與Q0、Q1、Q2相比可以忽略不計，接在Q3端上的發光二極管“4”不會被點亮。這樣就實現了抓鬮器在計數狀態時循環輸出“1”、“2”、“3”，直到停止計數，顯示其中的一個數字作為輸出結果為止。本電路采用1×9多路開關進行人數設定，總人數最少為2人，最多為10人。

圖24-144

3．開關鍵電路原理

為了操作簡便，控制開關采用開關鍵。普通按鈕開關的功能是按下后電路接通，松開后電路切斷。開關鍵則不然，它的功能是按下后電路接通，松開后電路仍保持這種狀態；只有再次按動一下按鍵，電路才會切斷，而且松開后仍可保持切斷狀態。開關鍵有機械式的，利用機械自鎖裝置實現這一功能。本電路中使用了一個用4069組成的開關鍵電路，它的主要功能是將一個普通按鈕開關AN變成開關鍵。它的典型電路如圖24-145所示，由2個4069的非門（門1和門2）串聯組成，還包括一個正反饋電阻R2、積分電路R3和C3；門3用來推動發光二極管，以顯示開關鍵的輸出結果。開關鍵工作原理如下面所述。①假設當前電路中門1輸出低電平，根據非門特性，門2輸出高電平；這個高電平通過反饋電阻R2，門1的輸入端也為高電平，從而使門1的輸出端為低電平。此時門1和門2處于穩定狀態，開關鍵的輸出為高電平（門3輸出低電平，發光二極管不亮）；電容C3上電壓為低電平。②這時按下AN后再松開，電路會發生什么變化呢？在按下AN的一瞬間，門1的輸入端與電容C3接通，電容C3上電壓為低電平；由于電容器的性質，電容C3上面的電壓不能躍變，致使門1輸入端變成低電平；這時門1輸出端變成高電平，導致門2輸出低電平，也就是改變了一次開關鍵輸出的狀態（門3輸出高電平，發光二極管點亮）。③下面分析一下門1輸入端電壓的情況：表面上看，由于反饋電阻R2和積分電路的電阻R3的存在，當按下按鈕開關時門1輸入端的電壓受到門1和門2的輸出端的雙重控制，但實際上由于R2的阻值遠遠小于R3的阻值，門1輸入端的電壓的高低狀態完全由門2的輸出電壓控制，所以門1輸入端的電位與門2輸出端的相同，為低電平。④松開按鈕開關后，門1的輸出端的高電平通過電阻R3向電容C3充電，導致C3電壓逐漸升高；最后C3上的電壓和門1的輸出端相同，為高電平，為下一次使用開關鍵做好了準備。此后如果再按動一下AN，上述的變化過程就會重復發生，所不同的是各個門的輸出電平正好相反；結果是門2的輸出端變成低電平，也就是又改變了一次輸出的狀態。設計這種開關鍵電路的要點在于積分電路的電阻R3的阻值一般為反饋電阻R2的3倍至10倍，積分電路的時間常數可由試驗決定，一般在十分之一秒左右。

圖24-145

4．4017彩燈控制電路

本電路4017在進行循環計數時，計數脈沖頻率為1000赫茲，因為計數的速度非常快，人的眼睛很難觀察出來。如果把脈沖發生器的頻率降低，例如用幾赫茲的頻率驅動4017計數，就會看到10個發光管在輪流循環發光。選用不同的頻率，可以改變各個輸出端循環發光的速度。這樣就組成了常見的循環彩燈控制電路。只要選擇合適的計數脈沖頻率，然后用每個輸出端分別控制一路燈光，就可以控制燈光的循環變化。在彩燈控制電路中，原來的人數選擇電路用來選擇彩燈燈光的路數。如果要帶動多支發光二極管，可以用三極管放大，參考電路見圖24-146。如果使用交流電源的電燈，用可控硅驅動的電路，參考電路見圖24-147。經過巧妙地設計和安裝各路燈光的位置，還可以制作出追逐跑燈串。

圖24-146

圖24-147

5．能夠設計結果機會不均等的抓鬮器嗎？

前面所說的抓鬮器，它的輸出結果機會是相同的。在某些特殊場合下，我們需要輸出機會不均等的抓鬮結果。例如要模擬兩支實力不相等的球隊的勝負結果，甲隊的勝率是乙隊的2倍。在多路循環彩燈的設計中，對各路燈光維持的時間長短也可能有特殊要求；例如要模擬紅綠黃交通燈循環變化電路，要求按照“紅—黃—綠—黃、紅—黃……”的循環變化，并且這3種顏色的燈光持續時間分別為紅燈30秒，黃燈10秒，綠燈40秒，黃燈10秒；這時應如何設計電路呢？

十五、變速循環彩燈器

一般的循環彩燈器可以按順序輪流點亮多路燈光，由于它以一種固定的速度進行循環變化，看久了會給人以單調的感覺。變速循環彩燈顧名思義，其燈光變換速率忽快忽慢，一改普通循環彩燈變化單調的感覺。本文介紹了兩種變速循環彩燈電路；通過制作本文的作品，還可以掌握創新構思的一種基本方法：組合發明法。

電路簡介

1．不規則變速循環彩燈電路（圖24-151）

它由不規則周期脈沖發生器和4017彩燈電路組成。不規則周期脈沖信號發生器采用兩個脈沖信號發生器分別輸出頻率不同的兩路脈沖信號，再由一個或門門電路把它們合成為一個不規則周期脈沖信號；用這個不規則脈沖信號作為4017彩燈電路的計數脈沖，就可以使彩燈循環變化的速度忽快忽慢，多路彩燈的每一路燈光的發光時間也變得各不相同，從而實現了變速循環的效果。通過分別調整兩個脈沖信號發生器的頻率，可以改變不規則周期脈沖信號的變化規律。

圖24-151

2．紅綠黃三色交通燈模擬電路（圖24-152）

用它可以模擬十字路口上的交通燈。通常紅綠黃燈的變化是在紅燈和綠燈變化中間加上一段黃燈，一般這個黃燈持續的時間比較短；本電路采用紅、綠、黃3種發光二極管，工作時可模擬十字路口交通燈“紅、黃、綠、黃—紅、黃、綠、黃—……”的規律循環變化；其中紅燈持續30秒，黃燈持續10秒，綠燈持續50秒。為了達到這個結果，4017的計數脈沖的周期為10秒，在4017分配器的輸出端經過或門電路的組合，紅燈由3個連續的輸出端通過或門驅動，黃燈由2個不連續的輸出端通過或門驅動，綠燈由5個連續的輸出端通過或門驅動，從而得到3種顏色的燈光既能按照指定的順序發光，又能滿足每一種顏色燈光要求的發光時間。

圖24-152

制作要點

1．不規則變速循環彩燈電路

電路組裝完畢后，可用調速電阻R2和R4改變循環變化的速度和規律；從電路分析不難看出，它們可以分別調整一個多諧振蕩器的頻率。如果同時加快或減慢兩個振蕩器的頻率，則彩燈循環的速度也會加快或減慢，同時也會改變循環變化的不規則的狀態。調整每一個振蕩器的頻率，都會改變循環的不規則狀態。電路可以輸出2路至10路燈光，可用選擇開關K2進行燈光路數的調節。本電路只是一種變速循環彩燈的基本電路，它的驅動電路僅用一組發光二極管代替；讀者可以根據自己的特殊需要，在這個電路的基礎上進一步進行設計開發，設計出各種各樣的彩燈電路。

2．紅綠黃三色交通燈模擬電路

調節脈沖發生電路的頻率，可以改變每一種燈光持續的時間。對于紅燈和綠燈，它們持續的時間是黃燈的整數倍；本電路中，紅燈由4017的3個輸出端驅動，綠燈由4017的5個輸出端驅動，它們持續的時間分別是黃燈的3倍和5倍；改變4017的輸出端與紅燈或綠燈連接的個數，可以調整這個倍數。

學習、實驗與思考

1．電路設計中的一種創新方法：組合發明法

很多電子發燒友在掌握了一定的實踐經驗之后，都不會滿足于僅僅模仿別人的電路進行設計與制作，都會產生自己設計新電路的想法。如何設計新的電路呢？這里向大家介紹一種簡單而有效的創新方法：組合發明法。把兩種以上的電路組合在一起，有可能產生新的功能和好的效果，就是一種創新，這種方法叫組合發明。

分析圖24-151的電路后不難看出，它是把偽隨機變色彩燈電路與多路循環彩燈電路組合在一起而完成的。偽隨機變色彩燈可以發出令人捉摸不定的各種顏色的燈光，其原理是利用了兩個頻率不同的脈沖進行差拍，合成出一種含有多種頻率成分的脈沖信號。多路循環彩燈可以在脈沖信號的驅動下，使多路彩燈輪流發光。將它們二者組合在一起，用一種含有多種頻率成分的脈沖信號作為循環彩燈的計數脈沖，就可以實現各路彩燈既可以循環發光，又可以變換發光速度的目的。

設計變速循環彩燈的思路解決了，如何實現呢？我們把兩種頻率不同的脈沖信號分別接到一個與門電路的兩個輸入端，在它的輸出端就會變成一種不規則的脈沖信號。用這種脈沖信號作為循環彩燈電路計數器的輸入信號，就會得到變速循環的效果。電路采用了二極管組成的或門電路，也可將兩個脈沖振蕩器的信號合成為一種不規則的脈沖信號。

2．如何改變紅綠黃交通燈中3種顏色燈光持續的時間比

在紅綠黃交通燈模擬電路中，如果僅使用1個4017集成電路，并且采用二極管組成的或門電路來實現不同的時間組合，那么它只能模擬出比較簡單的變化。例如各種顏色的時間比為“紅:黃:綠:黃＝3:1:5:1”。這是因為以4017的1個輸出端點亮的時間為最短持續時間，剩下只有9個輸出端；一個循環周期總長為最短持續時間的10倍。用少于10個的輸出端只能組成1位數的整數比，而且可能組合的個數也很有限。如何設計出任意的時間比呢？比如要設計5路燈光，各路燈光持續時間比為2:3:4:3:2，或者要設計2路燈光，其時間比為13:5，又該如何設計電路呢？解決方法是增加4017的個數，用多個4017接成級聯電路，如用2個4017可以接成20進位的加法計數器。使用多個4017接成級聯電路，可供選擇的時間比就增多了。有關4017級聯電路，在許多資料上都有介紹，這里就不再贅述了。

本電路中，在1個循環過程中，紅燈亮1次，綠燈亮1次，黃燈亮2次；為了實現在紅綠燈轉換中間插入1次黃燈，黃燈必須如電路中的設計，使用4017的2個互不相連的輸出端驅動。

3．二極管門電路原理

用二極管可以組成或門電路和與門電路，下面我們分析一下二極管門電路的原理。

①或門電路 什么是或門電路呢？它有多個輸入端，一個輸出端。用數字“1”代表高電平，用數字“0”代表低電平。或門的特點是只要有1個輸入端為“1”，輸出端就輸出“1”。換句話說就是多個輸入端中有1個是高電平，輸出端就是高電平，只有當所有的輸入端都是低電平，輸出端才是低電平。

在圖24-151的電路中，為了保證兩個振蕩器都能穩定地工作，必須加上一級緩沖級，也就是電路中的門3和門6。即使這樣，從門3和門6輸出的脈沖信號也不能直接與一個輸入端相連，必須通過或門電路或通過與門電路，再與下一級電路相連。或門電路的原理是這樣的：兩路振蕩信號分別通過一個正向導電的二極管，接入4017的計數輸入端，在計數輸入端上接有1個下拉電阻R5；由于電阻R5的作用，在沒有外來信號的情況下，或門的輸出端保持低電平；由于2路脈沖信號分別通過1個正向導電的二極管接到電阻R5上，只要其中有1路脈沖信號為高電平，或門的輸出端（電阻R5上、4017輸入端）既為高電平；只有當兩路脈沖信號均為低電平時，或門的輸出端（電阻R5上、4017輸入端）才為低電平。圖24-153是典型的二極管或門電路，圖24-154是它的波形圖。圖24-152的電路在4017的輸出端使用了二極管的或門電路驅動各路燈光。由于紅燈通過3個二極管組成的或門電路與4017的3個連續的輸出端相連，所以只要有1個輸出端為高電平，電燈就會亮，這樣它點亮的時間就是1個輸出端的3倍。綠燈與黃燈的原理與紅燈的相同，從而實現了模擬紅綠黃交通燈的目的。

圖24-153

圖24-154

②與門電路 所謂與門電路，就是在多個輸入端中只有當全部為高電平的時候，輸出端才為高電平；輸入端中只要有1個為低電平，輸出端就是低電平。把兩種不同頻率進行合成，既可以采用或門電路，也可以采用與門電路。通常用二極管組成的與門電路如圖24-155所示。它的輸出端有1個上拉電阻，將與門輸出端與電源的高電平相連。每個輸入端通過一個反向導電的二極管與輸出端相連。這樣，只要有1個輸入端為低電平，它上面的二極管就會導通，從而導致輸出端為低電平；只有當所有的輸入端都為高電平，所有的二極管均不導通，這樣由于上拉電阻的作用，輸出端才為高電平。兩種不同頻率的脈沖信號經過與門合成后，其波形圖如圖24-156所示。

圖24-155

圖24-156

4．如何設計輸出結果機會不均等的抓鬮器電路

可以紅綠黃三色交通燈模擬電路設計出結果機會不均等的抓鬮器。這種輸出結果的機會不均等，并且具有固定比的抓鬮器電路有什么實用價值呢？舉例來說，要用它來模擬未來1個月的天氣是晴還是陰，如果已知當地的氣候變化規律是晴天占50%，陰天占30%，雨天占20%，那么就不能用普通的3路機會均等的抓鬮器來模擬這種結果。而如果用3路燈光持續時間的比為5:3:2的電路，再用頻率高達1000赫茲的計數脈沖，就可以模擬未來的天氣變化狀況。又如用它來模擬輸出甲乙兩支球隊的比賽勝負結果，已知甲隊與乙隊的獲勝的比率是2:1，我們用兩種顏色的燈光分別代表兩支球隊獲勝的結果，使其中一種顏色的燈光持續的時間是另一種的2倍就可以了。

十六、多位數字密碼鎖

這是一款0～9數字密碼鎖，它的特點是最多可以組成10位不重復數字的密碼，可以在設計中根據需要增加或減少密碼位數，兼顧密碼鎖的可靠性和方便性。

電路原理

電路圖見圖24-161。電路由數字密碼電路、開關鍵電路和模擬輸出開關組成。數字密碼電路由4017計數器構成。在如圖的電路中，設定的密碼是4位，這4個開關分別是AN1、AN2、AN3、AN4。在未按動任何密碼鍵時，積分電路充電，使4017計數器的重置端R保持高電位，計數器處于計數初始狀態，即只有Q0輸出端為高電位，其余均為低電位。按動第一個數字鍵AN1后，計數器重置端控制電壓為低電位，4017計數器進入工作狀態，此時積分電路開始充電，重置端電壓逐漸升高，這個低電位維持大約3秒鐘，只有在這段時間按動密碼鍵才有效；此時繼續正確按動數字鍵AN2，則4017在常態時的輸出端Q0的高電位被輸出到計數器的輸入端CP，計數器開始計數，做加1的計算，結果是Q0端變0，Q1端變1；依次按動密碼鍵AN3和AN4，最后一位計數輸出端Q3變成高電位；這個高電位輸入到開關鍵電路，使模擬輸出開關改變一次狀態，發光二極管由亮變黑或者由黑變亮。3秒鐘過后，積分電路變成高電位，這時4017的重置端R的電壓變成高電位，強迫計數器清零，并使計數器停止計數。在輸入密碼的過程中，如果時間超過3秒鐘，則計數器會自動清零，返回初始狀態。

圖24-161

制作要點

密碼的有效輸入時間是可以調整的。通過調整這個時間，可以改變輸入的難度。另一方面，如果采用更多位的數字密碼，則時間也應該長一些。電路用燈光顯示模擬開關狀態，可以根據實際情況采用不同的開關電路。

學習、實驗與思考

1．增加密碼位數

在0～9個數字鍵中，選定的鍵位分布在不同的數字上，就組成了一組密碼，只有按順序按動這組數字才能開鎖。根據電路原理，可以自行設計任意位數的密碼。

2．設置陷阱鍵

為了增加開鎖難度，防止盜用，除了可以增加密碼位數之外，還可以設置一些陷阱鍵。所謂陷阱鍵，就是這樣的鍵，按動它后，計數器重新清零，并且停止計數。在這個電路中，只要將非密碼鍵接通4017的重置端和電源的高電位，就可以達到陷阱的目的了。

3．雙D觸發器集成電路4013

4013是一種雙D觸發器集成電路，屬上升沿觸發型，其內部接線圖如圖22-162。D觸發器輸出狀態的改變依賴于時鐘脈沖的觸發作用，在時鐘脈沖觸發時，輸入數據；其置位和復位有效電平為高電平“1”；它通常用于數據鎖存或控制電路中，是組成移位、計數和分頻電路的基本邏輯單元。它包含2個相同的觸發器，可以組成2個2分頻電路。本電路使用了其中的1個2分頻電路組成開關鍵；另一半沒有使用，多余的輸入端一律接地。2個4013串聯使用可組成4分頻電路。

圖22-162

4013真值表

十七、兩位隨機數發生器

本作品可以產生兩位隨機數。每按動一次控制按鈕，就可以得到一個00~99范圍內的隨機數。

電路簡介

電路原理圖見圖24-171。電路由脈沖發生器、計數器、譯碼/驅動電路、數字顯示器和控制按鈕AN組成。用4069組成的脈沖發生器產生3000赫茲的脈沖信號，輸送到計數器進行計數。計數器用兩個4510級連組成，可在00到99之間計數。計數的結果輸出到由4511組成的譯碼/驅動電路，驅動7段數碼顯示管把結果以兩位阿拉伯數字的形式顯示出來。按下控制按鈕AN，脈沖信號就被輸送到4510進行計數。放開按鈕AN，計數器停止計數，數碼顯示管輸出最后計數的結果。由于計數器每秒鐘進行3000次計數，放開按鈕AN的那一瞬間計數器的輸出結果可以認為是不受人控制的，它可能產生在00至99這100個數字中的任何一個數字上，因而可以認為得到的是一個隨機數。

圖24-171

制作要點

本電路的脈沖發生器的特點是頻率為3000赫茲。這是因為計數器是兩位數字的，它實際上是一個1/100的分頻器。采用3000赫茲的信號作為計數脈沖，可使計數器每秒鐘進行30次循環計數，確保產生的結果的隨機性。和上期的骰子機一樣，電路利用了脈沖信號驅動壓電陶瓷片發聲。電源電壓用3V；這樣，采用5011和5021型的數碼管，可以不用限流電阻，由4511直接驅動發光，從而大大簡化了電路。

學習、實驗與思考

1．4510級連計數器原理

4510計數器是10進制計數器，最大輸出數值是9。要輸出兩位數，就要采用兩個4510級連計數，一個進行個位計數，一個進行十位計數。本電路的計數器既可以采用加計數也可以采用減計數，為了簡化電路采用了減計數。在本電路中，4510的初始狀態設置成00。計數一旦開始，就依次輸出99，98，97，…，01，00。如此循環不已。每一個4510都有一個進位輸出端CO和一個進位輸入控制端CI。當個位數字變成0時，個位數計數的4510的進位輸出端CO就輸出一個進位負脈沖；這個進位負脈沖輸出到十位計數器的4510的進位輸入端CI上。當十位計數器的4510沒有接到個位的進位負脈沖時，CI為高電位，使得十位計數器被控制在停止計數的狀態；此時盡管十位計數器上的4510的計數輸入端有計數脈沖輸入，它也不進行計數，仍保持原數字。例如當前計數到52，此時沒有進位負脈沖，十位數的4510的CI為高電位，十位數不計數，仍保持數字5；個位數進行減計數，由2變成1。下一個數字就是51。當計數到50的時候，個位是0，開始向十位輸出進位負脈沖；此時十位數的4510的CI端變成低電位，十位計數器開始計數，由5變成4；同時個位由0變成9，從而得到下一個數字49。

十位數的4510的進位輸出端CO沒有使用，可以懸空；個位數的4510的進位輸入端CI雖然沒有使用，但不能懸空，必須接地才能保證計數器的正常工作。一般CMOS數字集成電路的輸入端空置時不能懸空，必須接地或接高電位；而輸出端空置時可以懸空。

2．BCD-鎖存/7段譯碼/驅動器數字集成電路4511

本電路采用4511數字集成電路。圖24-172是它的管腳接線圖。4511的功能是用來把4510輸出的2進制數變成驅動7段筆劃的數碼顯示管（包含有7個發光二極管）的信號。4511通常與4510和一個7段數碼管配套使用，它的輸入端分別與4510的輸出端相連；它的每一個筆劃輸出端的輸出電流可達25毫安，可直接驅動發光二極管，顯示0~9的阿拉伯數字。

圖24-172

4511真值表

輸出鎖存端高電位之前的狀態

表1中的“0”表示該端為低電位，“1”表示該端為高電位，φ表示該端可以是高電位，也可是低電位。4511有7個輸入端和7個輸出端。鎖存端處于高電位，則無論其它輸入端狀態如何，均輸出并保持4511最后得到的數字；鎖存端為低電位，可正常顯示當前輸出結果。熄滅端為低電位，7段數碼管全滅；熄滅端為高電位可正常顯示輸出結果。測試端為低電位，輸出測試結果，也就是輸出7段數碼管的全部筆劃，顯示數字“8”；測試端為高電位，正常顯示。A、B、C、D為2進制數輸入端，其中A為20、B為21、C為22、D為23。當輸入端為小于10的2進制數時，4511可正常顯示輸出；當輸入端為大于10的2進制數時，4511熄滅。

3．如何設計多位隨機數發生器

上期的6點燈光骰子機實際上是一個一位隨機數發生器。如何制作三位數以上的隨機數發生器呢？比如要制作4位隨機數發生器，除了要用4個4510級連計數之外，還要注意哪些問題呢？這里提醒一下，4位數的計數器實際上是一個萬分之一的分頻器，也就是它可以輸出頻率為輸入脈沖信號頻率的1萬分之一的脈沖信號。這就對計數器輸入脈沖信號的頻率提出了要求。只要這個問題解決了，多位隨機數發生器是不難設計的。

CMOS電路的工作頻率一般在10M赫茲以下，那么采用這種電路，可以制作出最多幾位數的隨機數發生器呢？請你估算一下。

4．如何得到事先指定范圍的隨機數

先從簡單的說起。比如要產生從00到58的隨機數，該如何設計電路呢？這可以用4510的置數功能來解決。有關4510的置數功能在6點骰子機電路中已有介紹。可采用減計數電路，把4510的個位置數端設置成“8”，十位置數端設置成“5”；然后設計一種電路，使得每當計數器輸出00的時候，就向置數開關發出驅動脈沖信號，使計數器輸出“58”就可以了。請讀者自己設計這樣的電路。

產生任意區間的隨機數的電路比較復雜。例如要產生在20到88之間的隨機數，該如何設計呢？這里筆者介紹一種思路，供讀者參考。可采用減計數，將計數器置數為88，也就是每重置一次置數端，計數器就輸出88；然后設法讓計數器輸出20的時候，輸出置數驅動信號，重置一次置數端，時計數器回到88。這樣就可以輸出從20到88的隨機數。當然，具體電路是比較復雜的，電路設計的難度也較大，有一定基礎的電子發燒友不妨一試。

5．7段LED數碼顯示管

這是一種專門用來顯示阿拉伯數字的集成電路，分共陰和共陽兩種。所謂共陰是指里面的所有發光二極管的負極相連，作為公共陰極接電源負極。共陽則恰恰相反。用4511直接驅動數碼管必須采用共陰極的。本電路建議采用LC5011或LC5021，它們分別顯示紅光和綠光；它的內部一共有8個發光二極管，其中7個用來顯示阿拉伯數字的筆劃，1個用來顯示小數點（見圖24-173）。7段數碼顯示管一般有10個管腳，除了以上8個發光二極管的陽極之外，還有兩個陰極；這兩個陰極是相連的，使用哪一個都可以。

圖24-173

十八、百分之一秒數字秒表

此款秒表采用發光數碼管顯示，用手控制計時，計時精度為百分之一秒，最大計時時間為99.99秒。

電路簡介

電路原理圖見圖24-181。電路由時鐘脈沖發生器、級連計數器、譯碼/顯示驅動器、數字顯示器、手動計時按鈕、清零恢復按鈕組成。時鐘脈沖發生器用4060組成晶體振蕩器產生38000赫茲的脈沖信號，再由4040計數/分頻器生成周期為百分之一秒的脈沖信號。時鐘脈沖信號輸出到由4個4510級連組成的加計數器進行運算，運算的結果由4511組成的譯碼/顯示器變成7段數碼顯示信號，點亮4位數的阿拉伯數字數碼顯示管，顯示計時結果。按一下手動計時按鈕，秒表開始計時；再按一下手動計時按鈕，秒表停止計時，同時顯示計時結果。按動清零恢復按鈕，顯示結果消失，秒表返回0值。

圖24-181

制作要點

由于電路比較復雜，建議采用印刷電路板焊接制作。為了縮小體積，方便使用，本機采用2節普通5號電池供電。本機電源電壓工作在CMOS集成電路的下限，所以不能采用2節5號充電電池工作。數碼管可采用半英寸以下的，應采用高亮度的型號。時鐘/顯示電路使用4組4510-4511級連使用，最小計時單位為0.01秒，最大計時為99.99秒；也可以根據不同的需要，增加或減少計時區間。

學習、實驗與思考

1．如何獲得時鐘脈沖信號

秒表的關鍵是獲得準確的時鐘信號。本電路采用4060振蕩分頻器組成石英晶體振蕩器電路，產生38000赫茲的脈沖信號。由4060的9腳輸出38000赫茲的脈沖信號，再經過4040進行分頻系數為380的分頻，輸出周期為0.01秒的脈沖信號。用這個0.01秒的脈沖信號作為加法計數器的計數單位，就可以得到精度為百分之一秒的時鐘電路。

2．任意整數分頻系數的分頻器的設計

本電路用4040分頻集成電路把38000赫茲的脈沖信號變成100赫茲的脈沖信號。要求分頻器的分頻系數是38000/100=380。而4040各個分頻輸出端的分頻系數都是2的整數次冪，為了得到分頻系數為380的分頻，采用了一組二極管D1~D5組成特殊的與門電路，經過邏輯運算，得到分頻系數為380的分頻器。下面學習用4040組成任意整數分頻系數的分頻器電路的方法。

①首先將分頻系數380化成2進制數（有關把10進制數化成2進制數的方法很多書刊都有介紹，在此就略去了。）：380=101111100-2-=2--8+26+25+24+23+22。這樣做的目的是把380分解成若干個2的整數次冪的和。

②由上步，380為6個2的整數冪的和，所以要用到4040的6個輸出端。用哪6個輸出端呢？把這6個冪的乘方的次數分別加1，也就是要把8、6、5、4、3、2分別加1，得到9、7、6、5、4、3；從而確定使用4040的Q9、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3這6個輸出端。

③任意選擇其中的一個輸出端連接1個電阻，其余的輸出端分別接1個二極管的負極。按照圖24-191的電路圖接好。

再舉一個例子：用4040設計一個分頻系數為24的分頻器。設計步驟如下：由24=24------+23，確定用4040的Q5和Q4輸出端；如圖24-182的電路，就可以得到輸入脈沖頻率的1/24的脈沖信號。

圖24-182

這個分頻器的工作原理是這樣的：Q5端的輸出信號的頻率為輸入端的1/32，Q4端為1/16。由于這兩個輸出端用電阻和二極管接成與門電路，所以只有當它們同時為高電位的時候，才能輸出高電位。Q5端在輸入了16個脈沖之后開始變成高電位；Q4端在輸入了8個脈沖之后開始輸出高電位；這樣，只有輸入了16+8=24個脈沖之后，Q5和Q4才同時開始輸出高電位；通過電路的與門運算，只有在這個時刻才能向外輸出高電位。這個高電位既輸出到后面的計數器作為時鐘信號，又輸出到它本身的復位端，強迫它自己清零復位，重新開始下一個周期的分頻計數。這樣就得到了一個頻率為輸入端脈沖頻率的1/24的脈沖。上述過程的波形圖見圖24-183。

圖24-183

思考：為什么上述設計步驟中，要把組成分頻系數的2的乘方的次數加1，作為確定4040輸出端的依據呢？

如果要設計精度為0.1秒的秒表，該如何設計分頻器呢？

3．手動計時按鈕電路

手動計時按鈕電路的功能是操作秒表，按動一下秒表開始計時，再按動一下秒表停止計時并顯示兩次按動所經過的時間。本電路采用4069組成雙穩態記憶電路，結合使用一個普通按鈕開關構成開關鍵。每按動一下這個按鈕，電路的輸出電位就在高電位和低電位之間改變一次狀態；這個輸出電信號連接在4040計數分頻器的復位端。當4040的復位端為低電位信號控制時，它可正常計數并輸出0.01秒的時鐘脈沖信號；當4040的復位端為高電位信號控制時，它停止計數，并強迫各個輸出端輸出0。這樣就實現了用一個普通的按鈕開關控制秒表的計時和停止計時的目的。

4．清零恢復按鈕電路

它的功能是在一次計時完成之后，將計數器清零，然后準備進行下一次的計時工作。它由下拉電阻R6和一個普通的按鈕開關組成；平時由于下拉電阻的作用，4510的復位端被控制在低電位，此時如果有時鐘信號從輸入端輸入，則4510正常計數；而一旦按動一下這個按鈕，4個4510的復位端就得到一個高電位脈沖，從而使4510計數器的各個數位的輸出端都強迫變成0。需要提醒使用者注意的是，清零恢復按鈕的作用是在一次計時完成之后，也就是在用手動計時按鈕得到了一次計時結果之后，打算進行下一次計時的時候才需要使用它；當秒表處于計時過程中，是絕對不能按動它的。否則會導致計時產生很大的誤差。

5．如何用一個秒表進行多次計時

本電路在一次計時工作只能輸出一個計時結果。如何使用它進行2次或多次計時呢？例如我們為甲計時為11秒，然后再為乙計時為18秒。這個問題也是可以解決的。想一想譯碼顯示集成電路4511鎖存功能；當鎖存端（5腳）處于低電位時，它可正常顯示當前收到的數字；每當它的鎖存端處于高電位時，它就顯示在此之前最后收到的數字，并保持顯示這個數字。要注意到，當使用4511的鎖存功能的時候，并不影響4510計時器的功能和輸出結果。我們可以利用一個開關鍵控制4511鎖存端的電位，從而使數字秒表具有顯示多個計時結果的功能。正好本電路的IC3-4069只用了一半，還有3個非門沒有使用；有興趣的讀者不妨試一試，利用這3個非門和一個按鈕開關，模仿計時開始/停止按鈕的電路，設計一個控制鎖存端電位的開關鍵，使這款秒表增加可以顯示多個計時結果的功能。