簡易計數(shù)器的原理及制作

該計數(shù)器可實現(xiàn)按鍵計數(shù)、增減控制、手/自動清零等功能。需要準(zhǔn)備下列元件：共陰極7段數(shù)碼管、按鍵開關(guān)、CD4511（BCD鎖存/7段譯碼/驅(qū)動器）、CD4516（可預(yù)置4位二進(jìn)制加/減計數(shù)器）、CD40106（或7414，六反相施密特觸發(fā)器）、CD4001（或7400，四2輸入與非門）、CD4093（或74132，四與非施密特觸發(fā)器）以及面包板、電阻、電容若干。另外還需要準(zhǔn)備+5V穩(wěn)壓電源一臺，或自制電源模塊。

本電路以計數(shù)器集成塊為核心，其輸人為：計數(shù)、清零、增減切換三個按鍵，其輸出經(jīng)譯碼驅(qū)動器處理后，由數(shù)碼管顯示。原理框圖如下圖所示。

一、計數(shù)器

根據(jù)設(shè)計要求能增減計數(shù)，應(yīng)選用可逆計數(shù)器，本設(shè)計選用可預(yù)置4位二進(jìn)制加/減計數(shù)器4516，如下圖。計數(shù)脈沖從CP輸入，每到來1個脈沖上升沿，二進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)改變1。如果U/D端為高電平，就增加1；反之減少l。RD為異步清零端，RD為高電平時、計數(shù)器清零。本設(shè)計就是要對這三個輸入端進(jìn)行控制。

此外，其他控制端也應(yīng)合理設(shè)定：LD為異步數(shù)據(jù)預(yù)置控制端，當(dāng)LD高電平時，DO～D3上的數(shù)據(jù)置入計數(shù)器中，為計數(shù)控制端，控制計數(shù)器的計數(shù)操作，CI=O時、允許計數(shù)，CI=1時、保持。至于究竟設(shè)置為高電平還是為低電平，請自行考慮。

二、按鍵控制

按鍵開關(guān)一般有兩種接法，一種是平時為低電平，按下變成高電平，如下圖（a）所示，圖中A點為控制信號輸入端子；另一種相反，平時高，按下后變低，如下圖（b）所示。讀者可自行選擇脈沖按鍵的接法，但清零鍵必須按（a）圖接，讀者可自行分析其原因。

三、譯碼驅(qū)動

計數(shù)器輸出的4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)不能直接送至數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并且4516也無法驅(qū)動點亮發(fā)光二極管。

本設(shè)計選用7段譯碼/驅(qū)動器4511，引腳排列下如圖所示。其中Al、A2、A3、A4為BCD碼輸入，A1為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時BI端應(yīng)加高電平。另外4511有拒絕偽碼的特點，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9（1001）時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù)。a～g是7段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管。

另外，如下圖所示，4511顯示數(shù)“6”時，a、b段消隱；顯示數(shù)“9”時，e、d段消隱，所以6、9這兩個字形不太美觀。若需要設(shè)計普通的數(shù)字顯示，可選擇4026、4033作為譯碼驅(qū)動；若需要驅(qū)動共陽極數(shù)碼管可選用7447、7449、7446、74247等。

四、七段數(shù)碼管

要進(jìn)行數(shù)字顯示最常用的器件就是七段數(shù)碼管，它是由a、b、c、d、e、f、g七個LED組成。通過使不同的LED組合發(fā)光，達(dá)到數(shù)字和字母的顯示效果，如圖5所示。一般的LED額定電壓為直流2.7V左右，因此我們在使用時要串聯(lián)一個分壓電阻。阻值一般選400Ω左右，如果需要高亮顯示或者掃描顯示，阻值可適當(dāng)減小。

七段數(shù)碼管有CC和CA兩種類型。CC型是共陰極數(shù)碼管．每段LED的陰極連接在一起、通過陽極控制某段的亮滅，如下圖（a）所示；CA型是共陽極，與CC型相反，如下圖（b）所示。可以觀察到，兩者引腳排列基本相同，只不過公共端接的分別為電源和地線。如果不清楚準(zhǔn)備的數(shù)碼管是何種類型，可以進(jìn)行簡單測試：將3腳或8腳接地，另取lk電阻，一端接+5V電源，一端觸碰其它管腳，若亮則為共陰，不亮則為共陽。該方法還可逐個確定各LED所對應(yīng)的引腳。

五、按鍵防抖

如果讀者按照上述步驟完成了設(shè)計，那么基本計數(shù)功能已經(jīng)實現(xiàn)了。但是，實際測試中會發(fā)現(xiàn)一個嚴(yán)重的問題，每按一次按鍵，數(shù)字會跳過好幾個，按鍵的時候動作再溫柔也無法避免，這是為什么呢？

這是因為，按鍵按下與松開的瞬間都會產(chǎn)生時通時斷的抖動，如上圖（a）所示，有條件的讀者可以使用示波器進(jìn)行觀察。抖動會造成計數(shù)干擾，按一次鍵可能計多個數(shù)。為了消除抖動的影響，可以采用積分電路與施密特觸發(fā)電路消除抖動，如下圖所示。積分電路中電容器在達(dá)到飽和之前的進(jìn)行充電，從而將抖動部分變成了平滑的曲線，如上圖（b）所示。抖動時間一般為10～lOOms，因此，本設(shè)計選取R=330Ω，C=10μF（若使用電解電容請注意正負(fù)極不要接反），施密特觸發(fā)器選擇40106（也可選用7414）。

六、自動清零

在測試中，細(xì)心的讀者會發(fā)現(xiàn)，增計數(shù)達(dá)到9之后，再按鍵數(shù)字不會變化，這是為什么呢？

原因很簡單，4516為4位二進(jìn)制計數(shù)器，輸出數(shù)據(jù)可能超過9，而驅(qū)動電路不能對9以上的數(shù)字進(jìn)行驅(qū)動。解決這個問題需要增加自動清零電路，使電路達(dá)到10時自動歸零。顯然在輸出10時的真正二進(jìn)制輸出為“1010”，因此，可以取Q3和Ql作為觸發(fā)信號，當(dāng)兩者同時為1時、向4516的RD端提供高電平清零。請讀者自行設(shè)計，建議設(shè)計時不要采用或門實現(xiàn)，而應(yīng)采用常用的與非門。與按鍵防抖中的施密特非門統(tǒng)籌考慮，想一想能否僅用一塊集成電路完成防抖和清零？四與非施密特觸發(fā)器（74132、4093）能不能做到？另外，減計數(shù)時、到0自動置9的功能較難實現(xiàn)，能力較強的不妨挑戰(zhàn)一下。

七、多位顯示

在實際應(yīng)用或競賽中，經(jīng)常需要進(jìn)行多位顯示，這就需要多個數(shù)碼管，也就必須多個4511BCD進(jìn)行譯碼驅(qū)動。每個4511BCD需要4條輸人數(shù)據(jù)線，N位的數(shù)碼管顯示則需要4N條二進(jìn)制數(shù)據(jù)線。為了簡化硬件，可以對4511BCD的鎖存控制端LE（5腳）進(jìn)行控制、完成數(shù)據(jù)線的并聯(lián)復(fù)用。掃描信號的控制借助十進(jìn)制計數(shù)器CD4017完成，如下圖所示。讀者可按此框圖擴展顯示電路，需要提醒的是，掃描多位顯示雖然節(jié)省線路和器件資源，但增加了數(shù)據(jù)傳輸與控制的復(fù)雜度，同時數(shù)碼管亮度也有明顯減弱。

本文由易到難、循序漸進(jìn)的完成了具有按鍵輸入和數(shù)碼管數(shù)據(jù)輸出功能的簡易計數(shù)器，并針對其實用性做出必要的改進(jìn)，如按鍵防抖、自動清零、多位顯示等。該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、易學(xué)易懂、移植性好、擴展性強。

不但適合電子設(shè)計的入門練習(xí)；亦可靈活拆分，作為電子設(shè)計的輸入模塊和輸出模塊直接使用。該簡易計數(shù)器電路原理圖下圖。