4000系列CMOS数字集成电路制作（3）

十三、电子6点灯光骰子机

每按动一次电子骰子机上的按钮开关，随着喇叭的一声鸣叫，电子骰子会随机产生1至6点的灯光图案，模拟一次掷骰子的结果。

电路简介

电路原理图见图24-131。电路由时钟脉冲信号发生器，按钮开关，计数器，点数显示电路以及音响发生器组成。用4069组成时钟脉冲信号发生器，产生频率为1千赫兹的脉冲信号；按动按钮开关时，时钟脉冲信号通过按钮开关输入到4510计数器的计数端；4510接成减法计数器，一旦脉冲信号输入，计数器就进行减计数；由于4510的预置数已设置成6，每当减计数器输出为0的时候，预置数控制开关打开，强迫计数器输出预置数6。这样，计数器的输出从6开始依次变成5，4，3，2，1；如此循环不已。同时音响发声电路也开始工作，压电陶瓷片发出鸣叫声；直到松开按钮开关，计数器停止工作。在使用者松开按钮开关的一瞬间，计数器的输出值有可能停止在1，2，…，6这6个数字的任何一个上；由于输入的脉冲信号频率高达1千赫兹，所以使用者不可能控制计数器输出的结果，而且1~6这6个数字出现的可能性是完全相同的。4510的输出为2进制数，表示点数的发光二极管直接由4510的输出端驱动，每个输出端所驱动的发光二极管的个数正好等于其所代表的10进制数的数值，按照电路图所示的连接方法，就可以把输出结果转变成6点骰子的点数图案。

图24-131

制作要点

电路可以焊接完成，也可以在面包板上组装完成。电路组装正确，不需任何调试即可使用。电源电压可采用4.5V，发光二极管要采用3毫米直径高亮度的，7个发光二极管要按照电路图上的排列方式安装，这样显示的图案最接近六面体的骰子的图案（图24-132）。

图24-132

学习、实验与思考

1．4510计数器简介

4510的全称是“可预置数4位二进制加/减计数器”。它有清零、预置数、加计数和减计数等4种功能。它有3个控制端：加/减转换端U/D，预置数控制端PE，复位端R；有4个置数输入端DP1DP4；有4个输出端Q1Q4；还设有进位输入端CI和进位输出端CO。时钟脉冲由CP端输入；输出端Q1~Q4分别是二进制数的20，21，22，23，输出4位二进制数。4510输出数最大是9，也就是二进制数1001。在加计数状态时，4510的输出从0开始依次加到9，然后又从0开始循环计数；在减计数状态时，输出从9依次减到0，然后又从9开始循环计数；相应于2进制数，在加计数时，输出1001之后是0000，在减计数时，输出0000之后是1001。

4510的管脚排列如图24-133所示。

图24-133

4510真值表

2．4510在本电路中的设置

复位端R接地，以保证4510处于工作状态。4个预置数输入端设置为数6，也就是2进制数0110；其中DP1表示预置数的20，其余类推；接高电位表示预制1，接低电位表示预制0，所以DP1和DP4接地，DP2和DP3接高电位。加/减转换端U/D接地，使4510为减计数器。预置数控制端PE通过一个非门接在进位输出端CO上。CO端平时输出高电位，每当加计数输出9时或者减计数输出0时，CO端输出一个低电位脉冲信号，它通过非门变成一个高电位脉冲信号加到PE端，强迫4510的输出端输出预置数6；从而开始下一个循环的减计数。4个输出端中的3个Q1~Q3分别接有发光二极管，作为驱动电路将输出的2进制数的结果变成骰子的图形显示出来。进位输入端CI在电路中没有使用，必须接地以保证电路正常工作。

4510在本电路中的波形图见图24-134。

图24-134

3．4069脉冲振荡器

为了确保每次使用电子骰子机都能够得到随机的点数，计数器的工作必须足够快，本电路采用4069组成RC脉冲振荡器，振荡频率设计在1000赫兹。用这个频率作为4510的时钟脉冲信号，可以满足随机输出结果的要求，同时兼顾发声电路的需要。4069的6个非门在本电路中组成了3个电路，除了用3个非门组成振荡器提供计数器的时钟脉冲信号之外，还用了两个非门串联组成缓冲器，驱动陶瓷发声器发出音响。最后1个非门用来作为反相器，提供驱动预置数开关工作的正脉冲信号。

4．如何使4510循环输出其它区间的数字

为了模拟六点骰子的功能，要求4510必须循环输出1～6这6个数字，这就要求它不能输出0，7，8，9这4个数字。为了做到这一点，采用减计数工作状态，同时利用4510的预置数功能。电路从6减到0的时候，如何保证4510输出预置数6，然后进入下一次循环计数呢？这就要使用动态预置数开关PE了。每当PE输入一个高电位脉冲信号，4510就会被强制输出预置数6。这样就保证了本电路循环输出1～6这6个数。

用4510循环输出0～9这10个数字，既可以用加计数器，也可以用减计数器，电路也不需要使用预置数功能。而用4510循环输出1～n这n个数字（其中n<9），最好使用减计数状态，并利用预置数功能，这样电路比较简单。

如何设计循环输出0～n的电路呢？

如何设计循环输出m～9的电路呢（其中m>1）？

最后，如何设计输出任意两个1位数之间的循环数呢？（例如让4510循环输出3，4，5，6，7这5个数字。）

5．六点骰子图案显示电路

4510是以2进制数输出1～6这6个数，也就是在它的输出端输出0001，0010，0011，0100，0101，0110，其中1表示输出高电位，0表示输出低电位。如何把这种输出变成相应的六点骰子的图形呢？按照电路图所示，在Q1，Q2和Q3三个输出端分别接入1个，2个和4个发光二极管。这样，每次输出一个数，就有同样数目的发光二极管被点亮。例如输出的数字是5，它的2进制数为101，也就是Q1和Q3两个输出端为高电位，Q1的输出端连接有一个发光二极管，Q3的输出端连接有4个发光二极管，总共有5个发光二极管点亮。这些发光管的安装位置是按照真正的六面体骰子的图案设计的，Q1的输出灯光位于正中，Q2的输出位于正方形的对称的两边，Q3的输出位于正方形的四角，这样电子骰子机输出的灯光图案就组成了六面体骰子的图案。

6．制作双六点骰子机

本电路在按动开关模拟掷骰子的时候，7个发光管都是亮的。然而根据电路分析，电路是不可能输出7的，这是为什么呢？你会觉得这个问题太简单了，根本不值得问。请解决一个难度较大的问题：在麻将比赛中，通常同时使用两个骰子进行游戏，你能设计一种同时模拟掷两个骰子结果的电子骰子机吗？要求也很简单，用一个开关控制，每次输出两个骰子的结果；两个骰子的输出结果必须是互相独立的。要是你设计成功了，以后玩麻将时，使用自己设计的音乐电子骰子，会别有一番情趣。

十四、电子灯光抓阄器

电子灯光抓阄器可以在2至10之间选择抓阄总人数，使用时只需按动一下操作按钮，就可以得到输出结果。

电路简介

电路原理图见图24-141。电路由脉冲发生器、总人数选择开关K2、数据分配器、灯光显示电路和操作按钮AN组成。数据分配器用4017集成电路组成，用来确定抓阄的结果。使用时根据参与抓阄的总人数确定选择开关K2的位置；工作时脉冲发生器向4017送出计数脉冲信号，由数据分配器进行计数运算，同时把计数结果分配给输出端，驱动各个输出端上的发光管轮流点亮；此时按动一次操作按钮AN，4017就会停止计数运算，结果是输出端上的10个发光二极管中有一个被点亮，根据这个被点亮的灯显示的数字，就可以确定抓阄的结果。由于计数运算的速度高达每秒钟上千次，人按动操作按钮时是无法控制最后结果的，显示结果的10个发光二极管中究竟哪一个亮可以看成是随机发生的，这样就模拟了一次抓阄过程。再按动一次操作按钮，4017计数器又开始进行计数，为下一次输出抓阄结果做准备。依次按动操作按钮，电路就会循环进行计数和输出抓阄结果。

图24-141

制作要点

用4017的输出端直接驱动发光二极管，输出的亮度与电源电压有关；采用直径为3毫米的发光管，电源电压用4.5V就可以保证足够的亮度。每个发光二极管要通过一个2k的电阻接到4017的输出端上，这个电阻是不能省略的。这是因为发光二极管的正向电压降在1.6V左右（高亮度发光二极管），总人数选择开关要从它上面取出3V以上的复位电压，所以必须在每个发光管上串联上一个电阻，以提高输出端工作时的电压。为了区别输出的结果，应该给Q0～Q9这10个发光管编上号码：Q0显示“1”，Q1显示“2”，Q2显示“3”，……，Q9显示“10”；可以在每个发光二极管上面分别粘贴上一个透光的数字板，上面分别刻有“1”，“2”，…，“10”这10个数字（见图24-142）。总人数选择开关用来事先设定抓阄的人数；可以用1×9开关制作人数选择开关，也可以用9个接线插座代替。操作按钮AN用来决定电路的工作状态；依次按动它，电路就会在计数和输出抓阄结果之间进行转换。在计数状态，输出数字依次被点亮，由于频率很高，看起来所有数字都是亮的。

图24-142

学习、实验与思考

1．十进制计数/分配器集成电路4017

4017是十进制加法计数器，它的特点是把十进制的计数结果按顺序分配给10个输出端，也就是随着计数进程，它的10个输出端轮流输出高电平。它有一个复位端R，两个时钟输入端CP和CPE­­，一个进位输出端CO。当复位端为高电平时，计数器处于复位状态时，这时只有Q0端为高电平“1”，其他输出端均为低电平“0”。在计数状态时，随着计数脉冲的输入，Q0端变为低电平“0”，输出端Q1~Q9依次变为高电平“1”。4017管脚排列图见图24-143。

图24-143

4017真值表

从4017的真值表可以看出，当CP输入端的脉冲信号上升时，触发计数器开始作加1的计数；CP­­­­­­­E端则正相反，输入到CP­­­­­­­E端的脉冲信号下降时，计数器开始加1。当使用脉冲信号的上沿触发时，脉冲信号从CP端输入，而且CP­­­­­­­E端必须保持低电平；如果CP­­­­­­­E端为高电平，则计数器停止计数，保持以前的输出不变。无论用CP端输入还使用CP­­­­­­­E端输入，4017都是作加1计数，也就是它的Q0~Q9输出端按从小到大的顺序轮流输出高电平；当Q9输出高电平之后，计数器自动从Q0开始进行循环计数。本电路采用从CP端输入计数脉冲；使用操作按钮AN组成的开关键电路，控制4017的CPE端的电平在高电平与低电平之间转换，以达到控制计数器的计数与暂停计数（输出抓阄结果）的目的；复位端用来决定计数器的循环区间，其工作原理在下面给予说明。

2．如何根据不同的人数选择4017的循环区间

本电路实际上是一个2～10这9个整数的随机数发生器。为了模拟不同的抓阄人数，它应该有调整随机数产生范围的功能。图24-144为4017的波形图，从图可以看出，每当它的复位端R为高电平时，除了Q0端输出高电平之外，其余9个输出端均输出低电平。电路就是利用它的这个特性，来设定4017的循环计数区间。以要进行3人的抓阄为例，这时把总人数选择开关拨到“3”，电路中的复位端R与输出端Q3相连；在计数器工作的过程中，每从输入端得到一个时钟脉冲，4017就进行一次加1运算，Q0、Q1、Q2就依次输出高电平，输出结果依次为“1”、“2”、“3”。每当计数器的输出端Q3变为高电平的时候，复位端就获得高电平信号，迫使计数器中止计数运算，计数器返回到Q0，同时Q3变回低电平；而此时复位端又变成低电平，计数器又重新开始进行下一个周期的计数。在这一过程中，Q3输出高电平的时间是非常短暂的，与Q0、Q1、Q2相比可以忽略不计，接在Q3端上的发光二极管“4”不会被点亮。这样就实现了抓阄器在计数状态时循环输出“1”、“2”、“3”，直到停止计数，显示其中的一个数字作为输出结果为止。本电路采用1×9多路开关进行人数设定，总人数最少为2人，最多为10人。

图24-144

3．开关键电路原理

为了操作简便，控制开关采用开关键。普通按钮开关的功能是按下后电路接通，松开后电路切断。开关键则不然，它的功能是按下后电路接通，松开后电路仍保持这种状态；只有再次按动一下按键，电路才会切断，而且松开后仍可保持切断状态。开关键有机械式的，利用机械自锁装置实现这一功能。本电路中使用了一个用4069组成的开关键电路，它的主要功能是将一个普通按钮开关AN变成开关键。它的典型电路如图24-145所示，由2个4069的非门（门1和门2）串联组成，还包括一个正反馈电阻R2、积分电路R3和C3；门3用来推动发光二极管，以显示开关键的输出结果。开关键工作原理如下面所述。①假设当前电路中门1输出低电平，根据非门特性，门2输出高电平；这个高电平通过反馈电阻R2，门1的输入端也为高电平，从而使门1的输出端为低电平。此时门1和门2处于稳定状态，开关键的输出为高电平（门3输出低电平，发光二极管不亮）；电容C3上电压为低电平。②这时按下AN后再松开，电路会发生什么变化呢？在按下AN的一瞬间，门1的输入端与电容C3接通，电容C3上电压为低电平；由于电容器的性质，电容C3上面的电压不能跃变，致使门1输入端变成低电平；这时门1输出端变成高电平，导致门2输出低电平，也就是改变了一次开关键输出的状态（门3输出高电平，发光二极管点亮）。③下面分析一下门1输入端电压的情况：表面上看，由于反馈电阻R2和积分电路的电阻R3的存在，当按下按钮开关时门1输入端的电压受到门1和门2的输出端的双重控制，但实际上由于R2的阻值远远小于R3的阻值，门1输入端的电压的高低状态完全由门2的输出电压控制，所以门1输入端的电位与门2输出端的相同，为低电平。④松开按钮开关后，门1的输出端的高电平通过电阻R3向电容C3充电，导致C3电压逐渐升高；最后C3上的电压和门1的输出端相同，为高电平，为下一次使用开关键做好了准备。此后如果再按动一下AN，上述的变化过程就会重复发生，所不同的是各个门的输出电平正好相反；结果是门2的输出端变成低电平，也就是又改变了一次输出的状态。设计这种开关键电路的要点在于积分电路的电阻R3的阻值一般为反馈电阻R2的3倍至10倍，积分电路的时间常数可由试验决定，一般在十分之一秒左右。

图24-145

4．4017彩灯控制电路

本电路4017在进行循环计数时，计数脉冲频率为1000赫兹，因为计数的速度非常快，人的眼睛很难观察出来。如果把脉冲发生器的频率降低，例如用几赫兹的频率驱动4017计数，就会看到10个发光管在轮流循环发光。选用不同的频率，可以改变各个输出端循环发光的速度。这样就组成了常见的循环彩灯控制电路。只要选择合适的计数脉冲频率，然后用每个输出端分别控制一路灯光，就可以控制灯光的循环变化。在彩灯控制电路中，原来的人数选择电路用来选择彩灯灯光的路数。如果要带动多支发光二极管，可以用三极管放大，参考电路见图24-146。如果使用交流电源的电灯，用可控硅驱动的电路，参考电路见图24-147。经过巧妙地设计和安装各路灯光的位置，还可以制作出追逐跑灯串。

图24-146

图24-147

5．能够设计结果机会不均等的抓阄器吗？

前面所说的抓阄器，它的输出结果机会是相同的。在某些特殊场合下，我们需要输出机会不均等的抓阄结果。例如要模拟两支实力不相等的球队的胜负结果，甲队的胜率是乙队的2倍。在多路循环彩灯的设计中，对各路灯光维持的时间长短也可能有特殊要求；例如要模拟红绿黄交通灯循环变化电路，要求按照“红—黄—绿—黄、红—黄……”的循环变化，并且这3种颜色的灯光持续时间分别为红灯30秒，黄灯10秒，绿灯40秒，黄灯10秒；这时应如何设计电路呢？

十五、变速循环彩灯器

一般的循环彩灯器可以按顺序轮流点亮多路灯光，由于它以一种固定的速度进行循环变化，看久了会给人以单调的感觉。变速循环彩灯顾名思义，其灯光变换速率忽快忽慢，一改普通循环彩灯变化单调的感觉。本文介绍了两种变速循环彩灯电路；通过制作本文的作品，还可以掌握创新构思的一种基本方法：组合发明法。

电路简介

1．不规则变速循环彩灯电路（图24-151）

它由不规则周期脉冲发生器和4017彩灯电路组成。不规则周期脉冲信号发生器采用两个脉冲信号发生器分别输出频率不同的两路脉冲信号，再由一个或门门电路把它们合成为一个不规则周期脉冲信号；用这个不规则脉冲信号作为4017彩灯电路的计数脉冲，就可以使彩灯循环变化的速度忽快忽慢，多路彩灯的每一路灯光的发光时间也变得各不相同，从而实现了变速循环的效果。通过分别调整两个脉冲信号发生器的频率，可以改变不规则周期脉冲信号的变化规律。

图24-151

2．红绿黄三色交通灯模拟电路（图24-152）

用它可以模拟十字路口上的交通灯。通常红绿黄灯的变化是在红灯和绿灯变化中间加上一段黄灯，一般这个黄灯持续的时间比较短；本电路采用红、绿、黄3种发光二极管，工作时可模拟十字路口交通灯“红、黄、绿、黄—红、黄、绿、黄—……”的规律循环变化；其中红灯持续30秒，黄灯持续10秒，绿灯持续50秒。为了达到这个结果，4017的计数脉冲的周期为10秒，在4017分配器的输出端经过或门电路的组合，红灯由3个连续的输出端通过或门驱动，黄灯由2个不连续的输出端通过或门驱动，绿灯由5个连续的输出端通过或门驱动，从而得到3种颜色的灯光既能按照指定的顺序发光，又能满足每一种颜色灯光要求的发光时间。

图24-152

制作要点

1．不规则变速循环彩灯电路

电路组装完毕后，可用调速电阻R2和R4改变循环变化的速度和规律；从电路分析不难看出，它们可以分别调整一个多谐振荡器的频率。如果同时加快或减慢两个振荡器的频率，则彩灯循环的速度也会加快或减慢，同时也会改变循环变化的不规则的状态。调整每一个振荡器的频率，都会改变循环的不规则状态。电路可以输出2路至10路灯光，可用选择开关K2进行灯光路数的调节。本电路只是一种变速循环彩灯的基本电路，它的驱动电路仅用一组发光二极管代替；读者可以根据自己的特殊需要，在这个电路的基础上进一步进行设计开发，设计出各种各样的彩灯电路。

2．红绿黄三色交通灯模拟电路

调节脉冲发生电路的频率，可以改变每一种灯光持续的时间。对于红灯和绿灯，它们持续的时间是黄灯的整数倍；本电路中，红灯由4017的3个输出端驱动，绿灯由4017的5个输出端驱动，它们持续的时间分别是黄灯的3倍和5倍；改变4017的输出端与红灯或绿灯连接的个数，可以调整这个倍数。

学习、实验与思考

1．电路设计中的一种创新方法：组合发明法

很多电子发烧友在掌握了一定的实践经验之后，都不会满足于仅仅模仿别人的电路进行设计与制作，都会产生自己设计新电路的想法。如何设计新的电路呢？这里向大家介绍一种简单而有效的创新方法：组合发明法。把两种以上的电路组合在一起，有可能产生新的功能和好的效果，就是一种创新，这种方法叫组合发明。

分析图24-151的电路后不难看出，它是把伪随机变色彩灯电路与多路循环彩灯电路组合在一起而完成的。伪随机变色彩灯可以发出令人捉摸不定的各种颜色的灯光，其原理是利用了两个频率不同的脉冲进行差拍，合成出一种含有多种频率成分的脉冲信号。多路循环彩灯可以在脉冲信号的驱动下，使多路彩灯轮流发光。将它们二者组合在一起，用一种含有多种频率成分的脉冲信号作为循环彩灯的计数脉冲，就可以实现各路彩灯既可以循环发光，又可以变换发光速度的目的。

设计变速循环彩灯的思路解决了，如何实现呢？我们把两种频率不同的脉冲信号分别接到一个与门电路的两个输入端，在它的输出端就会变成一种不规则的脉冲信号。用这种脉冲信号作为循环彩灯电路计数器的输入信号，就会得到变速循环的效果。电路采用了二极管组成的或门电路，也可将两个脉冲振荡器的信号合成为一种不规则的脉冲信号。

2．如何改变红绿黄交通灯中3种颜色灯光持续的时间比

在红绿黄交通灯模拟电路中，如果仅使用1个4017集成电路，并且采用二极管组成的或门电路来实现不同的时间组合，那么它只能模拟出比较简单的变化。例如各种颜色的时间比为“红:黄:绿:黄＝3:1:5:1”。这是因为以4017的1个输出端点亮的时间为最短持续时间，剩下只有9个输出端；一个循环周期总长为最短持续时间的10倍。用少于10个的输出端只能组成1位数的整数比，而且可能组合的个数也很有限。如何设计出任意的时间比呢？比如要设计5路灯光，各路灯光持续时间比为2:3:4:3:2，或者要设计2路灯光，其时间比为13:5，又该如何设计电路呢？解决方法是增加4017的个数，用多个4017接成级联电路，如用2个4017可以接成20进位的加法计数器。使用多个4017接成级联电路，可供选择的时间比就增多了。有关4017级联电路，在许多资料上都有介绍，这里就不再赘述了。

本电路中，在1个循环过程中，红灯亮1次，绿灯亮1次，黄灯亮2次；为了实现在红绿灯转换中间插入1次黄灯，黄灯必须如电路中的设计，使用4017的2个互不相连的输出端驱动。

3．二极管门电路原理

用二极管可以组成或门电路和与门电路，下面我们分析一下二极管门电路的原理。

①或门电路 什么是或门电路呢？它有多个输入端，一个输出端。用数字“1”代表高电平，用数字“0”代表低电平。或门的特点是只要有1个输入端为“1”，输出端就输出“1”。换句话说就是多个输入端中有1个是高电平，输出端就是高电平，只有当所有的输入端都是低电平，输出端才是低电平。

在图24-151的电路中，为了保证两个振荡器都能稳定地工作，必须加上一级缓冲级，也就是电路中的门3和门6。即使这样，从门3和门6输出的脉冲信号也不能直接与一个输入端相连，必须通过或门电路或通过与门电路，再与下一级电路相连。或门电路的原理是这样的：两路振荡信号分别通过一个正向导电的二极管，接入4017的计数输入端，在计数输入端上接有1个下拉电阻R5；由于电阻R5的作用，在没有外来信号的情况下，或门的输出端保持低电平；由于2路脉冲信号分别通过1个正向导电的二极管接到电阻R5上，只要其中有1路脉冲信号为高电平，或门的输出端（电阻R5上、4017输入端）既为高电平；只有当两路脉冲信号均为低电平时，或门的输出端（电阻R5上、4017输入端）才为低电平。图24-153是典型的二极管或门电路，图24-154是它的波形图。图24-152的电路在4017的输出端使用了二极管的或门电路驱动各路灯光。由于红灯通过3个二极管组成的或门电路与4017的3个连续的输出端相连，所以只要有1个输出端为高电平，电灯就会亮，这样它点亮的时间就是1个输出端的3倍。绿灯与黄灯的原理与红灯的相同，从而实现了模拟红绿黄交通灯的目的。

图24-153

图24-154

②与门电路 所谓与门电路，就是在多个输入端中只有当全部为高电平的时候，输出端才为高电平；输入端中只要有1个为低电平，输出端就是低电平。把两种不同频率进行合成，既可以采用或门电路，也可以采用与门电路。通常用二极管组成的与门电路如图24-155所示。它的输出端有1个上拉电阻，将与门输出端与电源的高电平相连。每个输入端通过一个反向导电的二极管与输出端相连。这样，只要有1个输入端为低电平，它上面的二极管就会导通，从而导致输出端为低电平；只有当所有的输入端都为高电平，所有的二极管均不导通，这样由于上拉电阻的作用，输出端才为高电平。两种不同频率的脉冲信号经过与门合成后，其波形图如图24-156所示。

图24-155

图24-156

4．如何设计输出结果机会不均等的抓阄器电路

可以红绿黄三色交通灯模拟电路设计出结果机会不均等的抓阄器。这种输出结果的机会不均等，并且具有固定比的抓阄器电路有什么实用价值呢？举例来说，要用它来模拟未来1个月的天气是晴还是阴，如果已知当地的气候变化规律是晴天占50%，阴天占30%，雨天占20%，那么就不能用普通的3路机会均等的抓阄器来模拟这种结果。而如果用3路灯光持续时间的比为5:3:2的电路，再用频率高达1000赫兹的计数脉冲，就可以模拟未来的天气变化状况。又如用它来模拟输出甲乙两支球队的比赛胜负结果，已知甲队与乙队的获胜的比率是2:1，我们用两种颜色的灯光分别代表两支球队获胜的结果，使其中一种颜色的灯光持续的时间是另一种的2倍就可以了。

十六、多位数字密码锁

这是一款0～9数字密码锁，它的特点是最多可以组成10位不重复数字的密码，可以在设计中根据需要增加或减少密码位数，兼顾密码锁的可靠性和方便性。

电路原理

电路图见图24-161。电路由数字密码电路、开关键电路和模拟输出开关组成。数字密码电路由4017计数器构成。在如图的电路中，设定的密码是4位，这4个开关分别是AN1、AN2、AN3、AN4。在未按动任何密码键时，积分电路充电，使4017计数器的重置端R保持高电位，计数器处于计数初始状态，即只有Q0输出端为高电位，其余均为低电位。按动第一个数字键AN1后，计数器重置端控制电压为低电位，4017计数器进入工作状态，此时积分电路开始充电，重置端电压逐渐升高，这个低电位维持大约3秒钟，只有在这段时间按动密码键才有效；此时继续正确按动数字键AN2，则4017在常态时的输出端Q0的高电位被输出到计数器的输入端CP，计数器开始计数，做加1的计算，结果是Q0端变0，Q1端变1；依次按动密码键AN3和AN4，最后一位计数输出端Q3变成高电位；这个高电位输入到开关键电路，使模拟输出开关改变一次状态，发光二极管由亮变黑或者由黑变亮。3秒钟过后，积分电路变成高电位，这时4017的重置端R的电压变成高电位，强迫计数器清零，并使计数器停止计数。在输入密码的过程中，如果时间超过3秒钟，则计数器会自动清零，返回初始状态。

图24-161

制作要点

密码的有效输入时间是可以调整的。通过调整这个时间，可以改变输入的难度。另一方面，如果采用更多位的数字密码，则时间也应该长一些。电路用灯光显示模拟开关状态，可以根据实际情况采用不同的开关电路。

学习、实验与思考

1．增加密码位数

在0～9个数字键中，选定的键位分布在不同的数字上，就组成了一组密码，只有按顺序按动这组数字才能开锁。根据电路原理，可以自行设计任意位数的密码。

2．设置陷阱键

为了增加开锁难度，防止盗用，除了可以增加密码位数之外，还可以设置一些陷阱键。所谓陷阱键，就是这样的键，按动它后，计数器重新清零，并且停止计数。在这个电路中，只要将非密码键接通4017的重置端和电源的高电位，就可以达到陷阱的目的了。

3．双D触发器集成电路4013

4013是一种双D触发器集成电路，属上升沿触发型，其内部接线图如图22-162。D触发器输出状态的改变依赖于时钟脉冲的触发作用，在时钟脉冲触发时，输入数据；其置位和复位有效电平为高电平“1”；它通常用于数据锁存或控制电路中，是组成移位、计数和分频电路的基本逻辑单元。它包含2个相同的触发器，可以组成2个2分频电路。本电路使用了其中的1个2分频电路组成开关键；另一半没有使用，多余的输入端一律接地。2个4013串联使用可组成4分频电路。

图22-162

4013真值表

十七、两位随机数发生器

本作品可以产生两位随机数。每按动一次控制按钮，就可以得到一个00~99范围内的随机数。

电路简介

电路原理图见图24-171。电路由脉冲发生器、计数器、译码/驱动电路、数字显示器和控制按钮AN组成。用4069组成的脉冲发生器产生3000赫兹的脉冲信号，输送到计数器进行计数。计数器用两个4510级连组成，可在00到99之间计数。计数的结果输出到由4511组成的译码/驱动电路，驱动7段数码显示管把结果以两位阿拉伯数字的形式显示出来。按下控制按钮AN，脉冲信号就被输送到4510进行计数。放开按钮AN，计数器停止计数，数码显示管输出最后计数的结果。由于计数器每秒钟进行3000次计数，放开按钮AN的那一瞬间计数器的输出结果可以认为是不受人控制的，它可能产生在00至99这100个数字中的任何一个数字上，因而可以认为得到的是一个随机数。

图24-171

制作要点

本电路的脉冲发生器的特点是频率为3000赫兹。这是因为计数器是两位数字的，它实际上是一个1/100的分频器。采用3000赫兹的信号作为计数脉冲，可使计数器每秒钟进行30次循环计数，确保产生的结果的随机性。和上期的骰子机一样，电路利用了脉冲信号驱动压电陶瓷片发声。电源电压用3V；这样，采用5011和5021型的数码管，可以不用限流电阻，由4511直接驱动发光，从而大大简化了电路。

学习、实验与思考

1．4510级连计数器原理

4510计数器是10进制计数器，最大输出数值是9。要输出两位数，就要采用两个4510级连计数，一个进行个位计数，一个进行十位计数。本电路的计数器既可以采用加计数也可以采用减计数，为了简化电路采用了减计数。在本电路中，4510的初始状态设置成00。计数一旦开始，就依次输出99，98，97，…，01，00。如此循环不已。每一个4510都有一个进位输出端CO和一个进位输入控制端CI。当个位数字变成0时，个位数计数的4510的进位输出端CO就输出一个进位负脉冲；这个进位负脉冲输出到十位计数器的4510的进位输入端CI上。当十位计数器的4510没有接到个位的进位负脉冲时，CI为高电位，使得十位计数器被控制在停止计数的状态；此时尽管十位计数器上的4510的计数输入端有计数脉冲输入，它也不进行计数，仍保持原数字。例如当前计数到52，此时没有进位负脉冲，十位数的4510的CI为高电位，十位数不计数，仍保持数字5；个位数进行减计数，由2变成1。下一个数字就是51。当计数到50的时候，个位是0，开始向十位输出进位负脉冲；此时十位数的4510的CI端变成低电位，十位计数器开始计数，由5变成4；同时个位由0变成9，从而得到下一个数字49。

十位数的4510的进位输出端CO没有使用，可以悬空；个位数的4510的进位输入端CI虽然没有使用，但不能悬空，必须接地才能保证计数器的正常工作。一般CMOS数字集成电路的输入端空置时不能悬空，必须接地或接高电位；而输出端空置时可以悬空。

2．BCD-锁存/7段译码/驱动器数字集成电路4511

本电路采用4511数字集成电路。图24-172是它的管脚接线图。4511的功能是用来把4510输出的2进制数变成驱动7段笔划的数码显示管（包含有7个发光二极管）的信号。4511通常与4510和一个7段数码管配套使用，它的输入端分别与4510的输出端相连；它的每一个笔划输出端的输出电流可达25毫安，可直接驱动发光二极管，显示0~9的阿拉伯数字。

图24-172

4511真值表

输出锁存端高电位之前的状态

表1中的“0”表示该端为低电位，“1”表示该端为高电位，φ表示该端可以是高电位，也可是低电位。4511有7个输入端和7个输出端。锁存端处于高电位，则无论其它输入端状态如何，均输出并保持4511最后得到的数字；锁存端为低电位，可正常显示当前输出结果。熄灭端为低电位，7段数码管全灭；熄灭端为高电位可正常显示输出结果。测试端为低电位，输出测试结果，也就是输出7段数码管的全部笔划，显示数字“8”；测试端为高电位，正常显示。A、B、C、D为2进制数输入端，其中A为20、B为21、C为22、D为23。当输入端为小于10的2进制数时，4511可正常显示输出；当输入端为大于10的2进制数时，4511熄灭。

3．如何设计多位随机数发生器

上期的6点灯光骰子机实际上是一个一位随机数发生器。如何制作三位数以上的随机数发生器呢？比如要制作4位随机数发生器，除了要用4个4510级连计数之外，还要注意哪些问题呢？这里提醒一下，4位数的计数器实际上是一个万分之一的分频器，也就是它可以输出频率为输入脉冲信号频率的1万分之一的脉冲信号。这就对计数器输入脉冲信号的频率提出了要求。只要这个问题解决了，多位随机数发生器是不难设计的。

CMOS电路的工作频率一般在10M赫兹以下，那么采用这种电路，可以制作出最多几位数的随机数发生器呢？请你估算一下。

4．如何得到事先指定范围的随机数

先从简单的说起。比如要产生从00到58的随机数，该如何设计电路呢？这可以用4510的置数功能来解决。有关4510的置数功能在6点骰子机电路中已有介绍。可采用减计数电路，把4510的个位置数端设置成“8”，十位置数端设置成“5”；然后设计一种电路，使得每当计数器输出00的时候，就向置数开关发出驱动脉冲信号，使计数器输出“58”就可以了。请读者自己设计这样的电路。

产生任意区间的随机数的电路比较复杂。例如要产生在20到88之间的随机数，该如何设计呢？这里笔者介绍一种思路，供读者参考。可采用减计数，将计数器置数为88，也就是每重置一次置数端，计数器就输出88；然后设法让计数器输出20的时候，输出置数驱动信号，重置一次置数端，时计数器回到88。这样就可以输出从20到88的随机数。当然，具体电路是比较复杂的，电路设计的难度也较大，有一定基础的电子发烧友不妨一试。

5．7段LED数码显示管

这是一种专门用来显示阿拉伯数字的集成电路，分共阴和共阳两种。所谓共阴是指里面的所有发光二极管的负极相连，作为公共阴极接电源负极。共阳则恰恰相反。用4511直接驱动数码管必须采用共阴极的。本电路建议采用LC5011或LC5021，它们分别显示红光和绿光；它的内部一共有8个发光二极管，其中7个用来显示阿拉伯数字的笔划，1个用来显示小数点（见图24-173）。7段数码显示管一般有10个管脚，除了以上8个发光二极管的阳极之外，还有两个阴极；这两个阴极是相连的，使用哪一个都可以。

图24-173

十八、百分之一秒数字秒表

此款秒表采用发光数码管显示，用手控制计时，计时精度为百分之一秒，最大计时时间为99.99秒。

电路简介

电路原理图见图24-181。电路由时钟脉冲发生器、级连计数器、译码/显示驱动器、数字显示器、手动计时按钮、清零恢复按钮组成。时钟脉冲发生器用4060组成晶体振荡器产生38000赫兹的脉冲信号，再由4040计数/分频器生成周期为百分之一秒的脉冲信号。时钟脉冲信号输出到由4个4510级连组成的加计数器进行运算，运算的结果由4511组成的译码/显示器变成7段数码显示信号，点亮4位数的阿拉伯数字数码显示管，显示计时结果。按一下手动计时按钮，秒表开始计时；再按一下手动计时按钮，秒表停止计时，同时显示计时结果。按动清零恢复按钮，显示结果消失，秒表返回0值。

图24-181

制作要点

由于电路比较复杂，建议采用印刷电路板焊接制作。为了缩小体积，方便使用，本机采用2节普通5号电池供电。本机电源电压工作在CMOS集成电路的下限，所以不能采用2节5号充电电池工作。数码管可采用半英寸以下的，应采用高亮度的型号。时钟/显示电路使用4组4510-4511级连使用，最小计时单位为0.01秒，最大计时为99.99秒；也可以根据不同的需要，增加或减少计时区间。

学习、实验与思考

1．如何获得时钟脉冲信号

秒表的关键是获得准确的时钟信号。本电路采用4060振荡分频器组成石英晶体振荡器电路，产生38000赫兹的脉冲信号。由4060的9脚输出38000赫兹的脉冲信号，再经过4040进行分频系数为380的分频，输出周期为0.01秒的脉冲信号。用这个0.01秒的脉冲信号作为加法计数器的计数单位，就可以得到精度为百分之一秒的时钟电路。

2．任意整数分频系数的分频器的设计

本电路用4040分频集成电路把38000赫兹的脉冲信号变成100赫兹的脉冲信号。要求分频器的分频系数是38000/100=380。而4040各个分频输出端的分频系数都是2的整数次幂，为了得到分频系数为380的分频，采用了一组二极管D1~D5组成特殊的与门电路，经过逻辑运算，得到分频系数为380的分频器。下面学习用4040组成任意整数分频系数的分频器电路的方法。

①首先将分频系数380化成2进制数（有关把10进制数化成2进制数的方法很多书刊都有介绍，在此就略去了。）：380=101111100­2­=2­­8+26+25+24+23+22。这样做的目的是把380分解成若干个2的整数次幂的和。

②由上步，380为6个2的整数幂的和，所以要用到4040的6个输出端。用哪6个输出端呢？把这6个幂的乘方的次数分别加1，也就是要把8、6、5、4、3、2分别加1，得到9、7、6、5、4、3；从而确定使用4040的Q9、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3这6个输出端。

③任意选择其中的一个输出端连接1个电阻，其余的输出端分别接1个二极管的负极。按照图24-191的电路图接好。

再举一个例子：用4040设计一个分频系数为24的分频器。设计步骤如下：由24=24­­­­­­+23，确定用4040的Q5和Q4输出端；如图24-182的电路，就可以得到输入脉冲频率的1/24的脉冲信号。

图24-182

这个分频器的工作原理是这样的：Q5端的输出信号的频率为输入端的1/32，Q4端为1/16。由于这两个输出端用电阻和二极管接成与门电路，所以只有当它们同时为高电位的时候，才能输出高电位。Q5端在输入了16个脉冲之后开始变成高电位；Q4端在输入了8个脉冲之后开始输出高电位；这样，只有输入了16+8=24个脉冲之后，Q5和Q4才同时开始输出高电位；通过电路的与门运算，只有在这个时刻才能向外输出高电位。这个高电位既输出到后面的计数器作为时钟信号，又输出到它本身的复位端，强迫它自己清零复位，重新开始下一个周期的分频计数。这样就得到了一个频率为输入端脉冲频率的1/24的脉冲。上述过程的波形图见图24-183。

图24-183

思考：为什么上述设计步骤中，要把组成分频系数的2的乘方的次数加1，作为确定4040输出端的依据呢？

如果要设计精度为0.1秒的秒表，该如何设计分频器呢？

3．手动计时按钮电路

手动计时按钮电路的功能是操作秒表，按动一下秒表开始计时，再按动一下秒表停止计时并显示两次按动所经过的时间。本电路采用4069组成双稳态记忆电路，结合使用一个普通按钮开关构成开关键。每按动一下这个按钮，电路的输出电位就在高电位和低电位之间改变一次状态；这个输出电信号连接在4040计数分频器的复位端。当4040的复位端为低电位信号控制时，它可正常计数并输出0.01秒的时钟脉冲信号；当4040的复位端为高电位信号控制时，它停止计数，并强迫各个输出端输出0。这样就实现了用一个普通的按钮开关控制秒表的计时和停止计时的目的。

4．清零恢复按钮电路

它的功能是在一次计时完成之后，将计数器清零，然后准备进行下一次的计时工作。它由下拉电阻R6和一个普通的按钮开关组成；平时由于下拉电阻的作用，4510的复位端被控制在低电位，此时如果有时钟信号从输入端输入，则4510正常计数；而一旦按动一下这个按钮，4个4510的复位端就得到一个高电位脉冲，从而使4510计数器的各个数位的输出端都强迫变成0。需要提醒使用者注意的是，清零恢复按钮的作用是在一次计时完成之后，也就是在用手动计时按钮得到了一次计时结果之后，打算进行下一次计时的时候才需要使用它；当秒表处于计时过程中，是绝对不能按动它的。否则会导致计时产生很大的误差。

5．如何用一个秒表进行多次计时

本电路在一次计时工作只能输出一个计时结果。如何使用它进行2次或多次计时呢？例如我们为甲计时为11秒，然后再为乙计时为18秒。这个问题也是可以解决的。想一想译码显示集成电路4511锁存功能；当锁存端（5脚）处于低电位时，它可正常显示当前收到的数字；每当它的锁存端处于高电位时，它就显示在此之前最后收到的数字，并保持显示这个数字。要注意到，当使用4511的锁存功能的时候，并不影响4510计时器的功能和输出结果。我们可以利用一个开关键控制4511锁存端的电位，从而使数字秒表具有显示多个计时结果的功能。正好本电路的IC3-4069只用了一半，还有3个非门没有使用；有兴趣的读者不妨试一试，利用这3个非门和一个按钮开关，模仿计时开始/停止按钮的电路，设计一个控制锁存端电位的开关键，使这款秒表增加可以显示多个计时结果的功能。