Pengurutan LED

BAGIAN DAN BAHAN

• Penghitung/pembagi dekade 4017 (Katalog Radio Shack #276-2417)
• IC timer 555 (Katalog Radio Shack #276-1723)
• LED batang sepuluh segmen (Katalog Radio Shack # 276-081)
• Satu tombol SPST
• Satu baterai 6 volt
• Resistor 10 kΩ
• resistor 1 MΩ
• 0,1 F kapasitor (Katalog Radio Shack # 272-135 atau setara)
• Kopling kapasitor, 0,047 hingga 0,001 F
• Sepuluh 470 resistor
• Detektor audio dengan headphone

Hati-hati! IC 4017 adalah CMOS, dan karenanya sensitif terhadap listrik statis!

Sakelar single-pole, single-throw apa pun sudah memadai. Sakelar lampu rumah tangga akan berfungsi dengan baik dan tersedia di toko perangkat keras mana pun.

Detektor audio akan digunakan untuk menilai frekuensi sinyal. Jika Anda memiliki akses ke osiloskop, detektor audio tidak diperlukan.

REFERENSI SILANG

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 4, bab 3:“Gerbang Logika”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 4, bab 4:“Switch”

Pelajaran Dalam Rangkaian Listrik , Volume 4, bab 11:“Penghitung”

TUJUAN PEMBELAJARAN

• Penggunaan rangkaian timer 555 untuk menghasilkan pulsa “jam” (stabil multivibrator)
• Penggunaan sirkuit counter/pembagi 4017 dekade untuk menghasilkan urutan pulsa
• Penggunaan sirkuit penghitung/pembagi 4017 dekade untuk pembagian frekuensi
• Menggunakan pembagi frekuensi dan penunjuk waktu (jam tangan) untuk mengukur frekuensi
• Tujuan resistor "pulldown"
• Pelajari efek "pantulan" kontak sakelar pada sirkuit digital
• Penggunaan sirkuit timer 555 untuk "melepaskan" sakelar mekanis (monostabil multivibrator)

DIAGRAM SKEMATIK

ILUSTRASI

INSTRUKSI

Sirkuit terpadu model 4017 adalah penghitung CMOS dengan sepuluh terminal keluaran. Salah satu dari sepuluh terminal ini akan berada dalam status "tinggi" pada waktu tertentu, dengan semua terminal lainnya "rendah", memberikan urutan keluaran "satu dari sepuluh". Jika pulsa tegangan rendah ke tinggi diterapkan ke terminal "jam" (Clk) dari 4017, itu akan menambah hitungannya, memaksa output berikutnya ke status "tinggi".

Dengan timer 555 yang terhubung sebagai multivibrator astabil (osilator) frekuensi rendah, 4017 akan menggilir urutan sepuluh hitungannya, menyalakan setiap LED, satu per satu, dan "mendaur ulang" kembali ke LED pertama. Hasilnya adalah rangkaian lampu berkedip yang menyenangkan secara visual. Jangan ragu untuk bereksperimen dengan nilai resistor dan kapasitor pada timer 555 untuk menciptakan kecepatan flash yang berbeda.

Coba lepaskan kabel jumper yang mengarah dari terminal "Jam" 4017 (pin #14) ke terminal "Output" 555 (pin #3) di mana ia terhubung ke chip timer 555, dan pegang ujungnya di tangan Anda. Jika ada "noise" saluran listrik 60 Hz yang cukup di sekitar Anda, 4017 akan mendeteksinya sebagai sinyal clock cepat, menyebabkan LED berkedip sangat cepat.

Dua terminal pada chip 4017, "Reset" dan "Clock Enable," dipertahankan dalam status "rendah" melalui koneksi ke sisi negatif baterai (arde). Ini diperlukan jika chip ingin menghitung dengan bebas. Jika terminal "Reset" dibuat "tinggi", output 4017 akan diatur ulang kembali ke 0 (pin #3 "tinggi", semua pin output lainnya "rendah"). Jika “Clock Enable” dibuat “high”, chip akan berhenti merespons sinyal clock dan berhenti sejenak dalam urutan penghitungannya.

Jika terminal “Reset” 4017 terhubung ke salah satu dari sepuluh terminal keluarannya, urutan penghitungannya akan dipotong pendek atau dipotong . Anda dapat bereksperimen dengan ini dengan melepaskan terminal "Reset" dari ground, kemudian menghubungkan kabel jumper panjang ke terminal "Reset" untuk koneksi yang mudah ke output pada batang grafik LED sepuluh segmen. Perhatikan berapa banyak (atau sedikit) LED yang menyala dengan "Reset" yang terhubung ke salah satu output:

Penghitung seperti 4017 dapat digunakan sebagai pembagi frekuensi digital, untuk mengambil sinyal clock dan menghasilkan pulsa yang terjadi pada beberapa faktor bilangan bulat dari frekuensi clock. Misalnya, jika sinyal clock dari timer 555 adalah 200 Hz, dan 4017 dikonfigurasi untuk urutan hitungan penuh (terminal "Reset" terhubung ke ground, memberikan hitungan sepuluh langkah penuh), sinyal dengan periode sepuluh kali lebih lama (20 Hz) akan ada di salah satu terminal keluaran 4017. Dengan kata lain, setiap terminal keluaran akan berputar sekali untuk setiap sepuluh siklus sinyal clock:frekuensi sepuluh kali lebih lambat.

Untuk bereksperimen dengan prinsip ini, sambungkan detektor audio Anda antara output 0 (pin #3) dari 4017 dan ground, melalui kapasitor yang sangat kecil (0,047 F hingga 0,001 F). Kapasitor hanya digunakan untuk "menggabungkan" sinyal AC, sehingga Anda dapat mendeteksi pulsa tanpa menempatkan beban DC (resistif) pada output chip penghitung.

Dengan terminal 4017 "Reset" diarde, Anda akan memiliki urutan hitungan penuh, dan Anda akan mendengar "klik" di headphone setiap kali LED "0" menyala, sesuai dengan 1/10 dari frekuensi output aktual 555. :

Faktanya, mengetahui hubungan matematis antara klik yang terdengar di headphone dan frekuensi clock memungkinkan kita mengukur frekuensi clock hingga tingkat presisi yang wajar. Dengan menggunakan stopwatch atau penunjuk waktu lainnya, hitung jumlah klik yang terdengar dalam satu menit penuh saat terhubung ke output “0” 4017. Dengan menggunakan resistor 1 MΩ dan kapasitor 0,1 F dalam rangkaian timing 555, dan tegangan catu daya 13 volt (bukan 6), saya menghitung 79 klik dalam satu menit dari sirkuit saya.

Sirkuit Anda mungkin menghasilkan hasil yang sedikit berbeda. Kalikan jumlah pulsa yang dihitung pada keluaran “0” dengan 10 untuk mendapatkan jumlah siklus yang dihasilkan oleh timer 555 selama waktu yang sama (sirkuit saya:79 x 10 =790 siklus). Bagilah angka ini dengan 60 untuk mendapatkan jumlah siklus pengatur waktu yang berlalu dalam setiap detik (sirkuit saya:790/60 =13,17). Angka terakhir ini adalah frekuensi clock dalam Hz.

Sekarang, biarkan satu probe uji dari detektor audio terhubung ke ground, ambil probe uji lainnya (yang satu dengan kapasitor kopling terhubung secara seri) dan hubungkan ke pin #3 dari timer 555. Dengungan yang Anda dengar adalah frekuensi jam yang tidak terbagi:

Dengan menghubungkan terminal "Reset" 4017 ke salah satu terminal keluaran, urutan terpotong akan dihasilkan. Jika kita menggunakan 4017 sebagai pembagi frekuensi, ini berarti frekuensi keluaran akan menjadi faktor yang berbeda dari frekuensi clock:1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3, atau 1/2, tergantung pada terminal keluaran mana kita menghubungkan kabel jumper "Reset".

Hubungkan kembali probe uji detektor audio ke output “0” dari 4017 (pin #3), dan sambungkan jumper terminal “Reset” ke LED keenam dari kiri pada bargraph. Ini akan menghasilkan rasio pembagian frekuensi 1/5:

Menghitung jumlah klik yang terdengar dalam satu menit lagi, Anda akan memperoleh angka kira-kira dua kali lebih besar dari yang dihitung dengan 4017 yang dikonfigurasi untuk rasio 1/10, karena 1/5 adalah rasio dua kali lebih besar dari 1/10.

Jika Anda tidak memperoleh hitungan yang persis dua kali lipat dari yang Anda peroleh sebelumnya, itu karena kesalahan yang melekat pada metode siklus penghitungan:mengoordinasikan indera pendengaran Anda dengan tampilan stopwatch atau perangkat pencatat waktu lainnya.

Coba ganti resistor timing 1 MΩ di sirkuit 555 dengan salah satu yang nilainya jauh lebih rendah, seperti 10 kΩ. Ini akan meningkatkan frekuensi clock yang menggerakkan chip 4017. Gunakan detektor audio untuk mendengarkan frekuensi yang dibagi pada pin #3 dari 4017, dengan mencatat nada berbeda yang dihasilkan saat Anda memindahkan kabel jumper "Reset" ke keluaran yang berbeda, menciptakan rasio pembagian frekuensi yang berbeda.

Lihat apakah Anda dapat menghasilkan oktaf dengan membagi frekuensi asli dengan 2, lalu dengan 4, dan kemudian dengan 8 (setiap oktaf yang turun mewakili setengah dari frekuensi sebelumnya). Oktaf mudah dibedakan dari frekuensi lain yang dibagi dengan nada yang mirip dengan nada aslinya.

Pelajaran terakhir yang dapat dipetik dari rangkaian ini adalah kontak sakelar “memantul”. Untuk ini, Anda memerlukan sakelar untuk memberikan sinyal clock ke chip 4017, bukan timer 555. Hubungkan kembali kabel jumper “Reset” ke ground untuk mengaktifkan urutan hitungan sepuluh langkah penuh, dan lepaskan output 555 dari terminal input “Clock” 4017.

Hubungkan sakelar secara seri dengan 10 kΩ pulldown resistor, dan sambungkan rakitan ini ke input 4017 “Jam” seperti yang ditunjukkan:

Tujuan dari resistor "pulldown" adalah untuk memberikan keadaan logika "rendah" yang pasti ketika kontak sakelar terbuka. Tanpa resistor ini, kabel input “Jam” 4017 akan mengambang setiap kali kontak sakelar dibuka, membuatnya rentan terhadap gangguan dari tegangan statis yang menyimpang atau “gangguan” listrik, salah satunya yang mampu menghitung 4017 secara acak.

Dengan resistor pull-down di tempat, input "Jam" 4017 akan memiliki koneksi yang pasti, meskipun resistif, ke ground, memberikan status logika "rendah" yang stabil yang mencegah gangguan apa pun dari listrik statis atau "noise" yang digabungkan dari kabel sirkuit AC terdekat .

Hidupkan dan matikan sakelar, perhatikan aksi LED. Dengan setiap transisi sakelar mati-ke-hidup, 4017 harus bertambah satu kali dalam hitungannya. Namun, Anda mungkin melihat beberapa perilaku aneh:terkadang, urutan LED akan “melewati” satu atau bahkan beberapa langkah dengan satu penutupan sakelar.

Kenapa ini? Ini karena "pantulan" mekanis kontak sakelar yang sangat cepat. Ketika dua kontak logam disatukan dengan cepat seperti yang terjadi di sebagian besar sakelar, akan ada tumbukan elastis. Tabrakan ini menghasilkan kontak yang membuat dan memutuskan dengan sangat cepat saat mereka "memantul" satu sama lain.

Biasanya, "pantulan" ini terlalu cepat bagi Anda untuk melihat efeknya, tetapi dalam rangkaian digital seperti ini di mana chip penghitung mampu merespons pulsa clock yang sangat cepat, "pantulan" ini ditafsirkan sebagai sinyal clock yang berbeda, dan hitungannya bertambah sesuai.

Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan rangkaian waktu untuk menghasilkan pulsa tunggal untuk sejumlah sinyal pulsa input yang diterima dalam waktu singkat. Sirkuit ini disebut multivibrator monostabil , dan teknik apa pun yang menghilangkan pulsa palsu yang disebabkan oleh kontak sakelar "bounce" disebut debouncing .

Rangkaian timer 555 mampu berfungsi sebagai debouncer, jika input “Pemicu” terhubung ke sakelar seperti:

Harap dicatat bahwa karena kita menggunakan 555 sekali lagi untuk memberikan sinyal clock ke 4017, kita harus menghubungkan kembali pin #3 dari chip 555 ke pin #14 dari chip 4017! Juga, jika Anda telah mengubah nilai resistor atau kapasitor di rangkaian timer 555, Anda harus kembali ke komponen awal 1 MΩ dan 0,1 F.

Hidupkan sakelar lagi dan perhatikan perilaku penghitungan 4017. Seharusnya tidak ada lagi penghitungan yang “dilewati” seperti sebelumnya karena timer 555 mengeluarkan satu pulsa yang tajam untuk setiap hidup-mati aktuasi (perhatikan inversi operasi di sini!) dari sakelar.

Penting bahwa pengaturan waktu sirkuit 555 tepat:waktu untuk mengisi kapasitor harus lebih lama dari periode "pengendapan" sakelar (waktu yang diperlukan kontak untuk berhenti memantul), tetapi tidak terlalu lama sehingga pengatur waktu akan "kehilangan" urutan cepat dari aktuasi sakelar, jika itu terjadi.