4000系列CMOS数字集成电路制作（2）

七、光敏电阻调频声音报警器

多谐振荡器可以发出音频信号，驱动喇叭发声。但是这种频率固定的信号时间长了会使人厌倦。为此，各种调制音频信号被广泛使用。光敏电阻可以用来解决声音频率的变化问题。

电路原理

电路图见图24-071。电路由调制信号发生器、光控电阻器、音频振荡器和陶瓷发声片组成。光控电阻器由一个发光二极管、一个光敏电阻组合制作，见图—。发光二极管由调制信号发生器驱动，发出固定频率的闪亮灯光；光敏电阻的阻值跟随调制频率产生变化。由于光敏电阻是音频振荡器中反馈回路的一部分，所以音频振荡器的频率也随着调制频率而发声周期性变化。

图24-071

制作要点

在实验未完成之前，应在面包板上制作。此外还要注意发声器的选择也会影响到效果。如果使用压电陶瓷片，音量较小，可作为模拟实验之用。如果采用喇叭，则应加一级功率放大。喇叭和压电陶瓷片发声效果有很大区别，所以各个元件的参数应重新通过实验确定。

学习、实验与思考

1．光控电阻器

用一个发光二极管和光敏电阻可组成一个非常实用的光控电阻器。为了缩小体积，可采用3毫米以下的发光管和直径5毫米的光敏电阻，将它们头对头放置在一段黑色的绝缘管中即可，见图24-072。当它们的距离在10毫米以上时，信号输入端与信号输出端有良好的隔离性能，可以承受1000V以上的电压。

图24-072

2．声音效果分析

从理论上看，频率调制振荡器产生矩形方波信号，控制发光二极管在亮和灭之间周期变化，因而音频振荡器输出的声音应该是两种频率的声音交替变化。但是实际上声音是在两种频率之间变化。这是为什么呢？下面的解释也许是正确的：发光二极管的亮度与驱动电压之间有滞后效应；同样，光敏电阻的阻值变化与接受的光线照度之间也有滞后效应。从而导致声音频率的变化是从一个频率逐渐变化到另一个频率。

3．改进声音效果实验

为了获得各种声音效果，可改变两个振荡器的参数，在实验中选择所需的声音信号。实验中要注意每次只改变一个参数。

如果在灯光驱动电路中加入积分电路，使得发光二极管的亮度产生渐变，效果会更神奇。

八、伪随机变色灯

伪随机变色彩灯一旦开始运转，它的灯光颜色看起来一会儿是红色，一会儿是绿色，一会儿是黄色，有时灯光还熄灭一会儿，令人不可捉摸。表面看起来这三种颜色的灯光及不亮的状态是随机的，但实际上它的变化在总体上是有规律的，只不过变化较为复杂而已。

电路原理

电路原理图见图24-081。本作品由两个振荡器，频率调整器，灯光驱动电路和灯光显示电路组成。两个振荡器产生频率不同的振荡信号。振荡频率较低，振荡周期在1秒钟以上，由电阻R5和R8调整。工作时把两个振荡器的振荡频率调整为不相等的状态，例如一个为2秒，另一个为2.5秒，再由它们分别控制红色和绿色的灯光，则灯光就会发出红色，绿色，黄色和不亮几种状态，它们以不固定的顺序交替出现，而且每种颜色灯光点亮的时间也是互不相等的。表面看起来给人以随机变色发光的效果。

图24-081

制作要点

彩灯的灯光输出一般为用数十只或数百只双色发光二极管组成的图案，要根据图案的大小选择发光二极管的直径和数量，再计算出电源的电压和电流以及驱动电路的三极管的特性。例如制作“新年快乐”字样的彩灯牌，每个字大小为30×30平方厘米，可采用直径8毫米的双色发光二极管共130个，每个发光二极管最大消耗电流为50mA，电源要有6A直流的输出能力，电源电压可在4～5V之间选用。灯光驱动三极管可用硅大功率管3DD15。

焊接成功后要认真检查一遍电路，确保没有短路等故障，才可接通电源实验。调整可变电阻R5和R8可改变灯光变色快慢和变色规律；调整可变电阻R6和R9可改变灯光亮度和颜色。

学习、实验与思考

1．伪随机变色原理

把两个频率不同的振荡电路产生的信号混合在一起，可产生混频和差拍现象，这种现象作用在发光电路中，就产生了伪随机变色现象。如果一个振荡电路的振荡周期是2秒，另一个振荡电路的周期是2.5秒，则它们合成在一起，就产生了一个包含一系列的振荡频率的复杂的振荡。如图24-082。在本电路中，两个不同频率的振荡信号分别由两路显示驱动放大，然后分别输出到双色发光二极管中，在双色发光二极管中进行合成。在每一个双色发光二极管中包含一个红色灯和一个绿色灯。不妨认为红灯按照2秒的周期被点亮，每个周期亮1秒钟暗1秒钟，绿灯按照2.5秒的周期被点亮，每个周期亮1.25秒钟暗1.25秒钟。合成后的灯光有下面几种情况：红灯亮而绿灯不亮，发红光；绿灯亮而红灯不亮，发绿光；红灯和绿灯同时亮，则发黄光；红灯和绿灯同时熄灭，则不发光。从图中不难看出，上述的变化过程中，每种情况出现的时间是不相等的，它们出现的顺序表面看起来也没有规律，可给人以随机变化的感觉；但实际上灯光颜色的变化总体上是有规律的，是按照比每一个振荡器的周期更长的一个周期在进行着循环变化，所以叫做伪随机变色彩灯。在这个例子中，灯光颜色的变化周期是10秒。这一点也可通过一段长时间的观察看出来。

图24-082

2．三极管的直流放大作用

本电路中用4069作振荡器，每个4069的非门输出能力约为2mA，而灯光显示电路工作时需输出高达数安培的电流，所以要把非门的输出电流进行放大，以保证灯光显示电路的正常工作。这里采用晶体三极管进行直流电流放大。

晶体三极管简称三极管，按元素类型分有锗管和硅管。由于硅管性能稳定，造价低廉，因而被广泛使用。三极管的主要性能是可以进行电流放大。从基极到发射极之间输入较小的电流Iin，在集电极和发射极之间就可以得到较大的输出电流Iout。输出电流Iout与输入电流Iin的比值称为三极管的直流放大倍数，直流放大倍数用hfe表示。一般地单个三极管的直流放大倍数在40～200之间；有的小功率三极管具有很高的放大倍数，如9014，放大倍数可达1000倍。

如何设计三极管直流放大电路呢？首先计算电路所需的总放大倍数。放大倍数K＝输出电流/输入电流。在本电路中，输出电流＝3000mA，输入电流＝2mA，K=3000/2=1500。显然，用一个三极管是不能满足设计的，所以决定用两个三极管组成串联放大。首先用9013小功率三极管进行第一级放大，然后再用3DD15进行第二级功率放大。9013的放大倍数可达100，3DD15的放大倍数约为50，两级放大的总倍数可满足设计要求。第二级功率放大电路要推动灯光显示电路，如果用5V工作电压，每一路灯光显示电路的消耗功率为5V×3A=15W；每一路的功率放大管在导通时集电极和发射极之间的直流压降约为3V，输出电流为3A，消耗功率约为10W。采用大功率的三极管3DD15，可满足本电路的需要。为了保证长时间工作，功率管应加装铝质散热片。有关三极管的最大输出功率，可查电子手册得到。

常用的双色发光二极管是共阴极的，也就是外部接线有三条，中间的一条是公共负极，两边的接线分别是红灯和绿灯的正极。如果使用上百个发光管，要将同颜色的发光二极管并联在一起，这就要求必须使用同一种型号的发光二极管，以保证在并联状态下工作电压一致。为了驱动共阴极的发光管，选用NPN硅晶体管驱动应采用共集电极电路。由于实际上双色发光二极管中红色管和绿色管的工作电压不同，所以在两个驱动电路中各自安装了电流调整器，即可变电阻R6和R9，通过调整电阻R6和R9的大小来调整每一路驱动电路的输出电流。电流调整器有两个功能，调整和控制显示驱动电路的电流，以避免电流过大烧毁器件；此外还能调整红色和绿色灯光的平衡，从而调整灯光的颜色。

3．电源的设计。首先确定电源输出电流：当红色和绿色灯光同时点亮时，电流消耗最大，本机中电源的最大消耗电流为6A；当只有红色或绿色灯光点亮时电流约为3A；所以确定电源的直流输出能力为6A。其次确定电源电压：发光二极管采用并联，工作电压约为2.2V；共集电极放大实际上是电压跟随器，也就是电压放大倍数为1，考虑到每个三极管工作时的压降，电源电压至少要在4V以上，但不应超过5V，以免加大不必要的电源消耗。如用成品的稳压电源，可用输出直流5V，输出电流5A以上的交流直流变换器。也可以自己设计一个直流供电器。有关此种电路的设计很多书刊都有介绍，这里就不提及了。

九、声音指示灯和红外遥控信号显示器

4069除了可以作为门电路，用来处理数字信号之外，还可以用作线性放大，处理模拟信号。本文介绍两个作品，声音指示灯和红外遥控信号显示器。声音指示灯可以使我们“看见”声音，每当周围出现声音，哪怕是微小的声音，都会使本作品的指示灯闪闪发光

电路原理

电路原理图见图24-091。声音由MIC变成音频信号，传送到由4069组成的音频放大器进行放大，放大后的信号经过检波电路变成脉动信号，推动发光二极管跟随声音信号发光。

图24-091

制作要点

MIC采用驻极体话筒。发光二极管采用直径3毫米的高亮度管。电源电压可采用3V或4.5V，视所需发光亮度而定，电压高则发光强。

整机按电路接好后即可工作。此时周围如果有声音，发光二极管D2就会闪亮。电路灵敏度很高，可响应周围环境微小的声音。本机的灵敏度由R4与R5的值决定。比值R4/R5要求小于1，这个比值越接近1，灵敏度越高。如选用R4＝330k，R5＝470k，则灵敏度会下降。

如果使用的电池用旧了，其内阻增加，电路可能产生自激振荡，这时周围既使很安静，声音指示灯也会闪亮。消除的方法是在电源上并联一个100微法的电解电容。

学习、实验与思考

1．4069用作线性放大的原理

4069包括6个非门，每个非门都可以进行逻辑的非运算，还可以用来做线性放大。典型的非门线性放大电路见图24-092。这样的电路为什么具有线性放大的功能呢？我们先从非门的输入输出性质说起。

图24-092

一般说来，非门输入高电位则输出低电位，输入低电位则输出高电位。如果输入电压正好为电源电压的二分之一，也就是不高也不低，那末输出电压该如何呢？实际上非门的输入电压在电源电压的二分之一附近有一个区间，称为状态转换区，在这个区间内，只要输入电压由很小的变化，就可以引起输出电压产生较大的变化，即输出电压与输入电压之间成线性放大的关系。图24-93形象地表示出非门的线性放大性质，水平轴上的线段AB就是输入电压的状态转换区。非门电路在状态转换区内具有电压放大功能，故状态转换区又叫线性放大区。

图24-093

如果电源电压是3V，则输入电压在1.5 V附近，从1.4V到1.6V之间变化，则可引起输出电压的线性变化。输出电压的变化范围在0 V到3 V之间，其变化幅度大于输入电压的变化。一般地，一个非门的电压放大倍数在20到30倍之间。

如何实现非门的线性放大功能呢？在电路中，电阻R8起着关键的作用。从上面的分析可知，只有输入电压在电源电压的一半附近的线性放大区内，非门才能正常地进行线性放大。电阻R8的作用就是将非门的输入电压偏置在线性放大区的中点，也就是在没有信号输入时，使非门的输入电压正好在线性放大区的中点。这是由R8的直流负反馈功能实现的。在这个电路中，非门的输入端与输出端通过反馈电阻相连，如果输出端为高电位，则输入端也为高电位，即输出电压Uo＝输入电压Ui，而输入电压高则会使输出端电位变低。只要输出电压不在电源电压Udd的二分之一处，通过R8反馈到输入端，均会引起输出电压向Udd的二分之一处变化，直到最后输出电压和输入电压在该处达到动态平衡为止。也就是说只有输出端保持电源电压的一半这一点上，非门的状态才能保持稳定。

如图的放大电路中，因为R8除了提供直流负反馈之外，还有交流负反馈的功能，所以其阻值不能太小，一般在1M左右。R7的作用是什么呢？R7与R8一起决定交流信号的反馈系数，从而决定电路的放大倍数。当R8/R7的值小于非门线性放大器的开环放大倍数时，我们可近似地认为这个电路的放大倍数是R8/R7。例如R8为1M，R7为100k，放大倍数为1000/100=10。R7还有一个作用是改善输入电阻和输入电路的频率特性。电容C4的主要作用是隔离直流，传输交流信号。

2．检波电路原理

经过音频电路放大后的信号是频率范围在几十赫兹到几千赫兹的交流信号，在本电路中则最后变成音频的脉冲信号。为了更有效地驱动发光二极管，采用了由门F4、二极管D1、电阻R6、电容C3组成的检波电路。它可以把音频的脉动信号转变成按音量大小变化的脉动信号。D1具有单向导电的性质，它的作用与通常的检波电路的原理相同，但工作状态有区别。从理论上说，检波电路输入的交流信号，输出直流信号。而在本电路中，D1输入和输出的都是直流信号，然而这只是表面现象，D1在电路中的作用在本质上和典型的检波电路完全相同。R6与C3组成积分电路，它的作用是把脉冲信号变成脉冲信号的包络信号，它的时间常数决定发光的余辉的时间，这里选用0.1秒。

3．4069音频放大器的设计

本机4069的线性应用实际上是一个音频放大电路，它除了可以指示声音之外还有许多用途。比如用于话筒的前级放大，这时就需要对电路的性质有较高的要求。下面就来讨论有关问题。

稳定性。由于一个非门的放大倍数较小，通常采用多级非门串联使用。为了使电路稳定工作，在设计这样的电路时要注意串联的门的个数应为3个或5个，避免用偶数个。原因是一个非门在做线性放大时，其输出端与输入端的信号的相位是相反的。这样，采用奇数个非门，其最后输出信号与输入信号的相位也是相反的。在这种情况下，即使整个放大电路的放大倍数很大，电路也不易产生自激振荡。

负反馈问题。单个非门用作线性放大，需用一个直流负反馈电阻，它同时具有交流负反馈功能。交流负反馈降低了放大倍数，但也减少了失真，可谓是有失有得。我们在设计电路时，应多加注意，利用负反馈，扬长避短。例如要设计一个电压放大倍数为10左右的音频放大电路，则可采用1个非门或3个非门串联起来，采用如图24-094的电路。如果要设计一个放大倍数在30倍以上的电路，则可采用3个非门或5个非门串联。放大倍数决定后可按公式“放大倍数＝Rf /Ri”计算Rf和Ri的阻值。

图24-094

当电阻Ri给定之后，就可以根据最低工作频率决定输入电容的大小了；可用公式C=1/2πf R来计算。公式中f的单位是赫兹，取工作频率范围的最低值，R的单位是欧姆，C的单位是法拉。例如工作频率范围在200～4000Hz，则取f=200，电阻R2用100k，则C=1/2×3.14×200×100k=0.008微法，实际可用0.01～0.047微法。

4．非门工作点偏移实验

从理论上说，采用3级门电路可以获得10000倍的放大能力。但实际上存在着工作点偏移的问题，电路不能保证后面的非门工作在线性放大区，因而不能有效地放大模拟信号。根据实际测量，门1的输出为电源电压的二分之一，门2的输出则有微小的偏移，门3的输出电压已明显偏移电源电压的二分之一。如果是5级串联放大，后面两级非门的工作点已偏移到线性工作范围之外了。作为模拟信号来说，这样的放大电路会产生很大的失真，应尽量避免采用。但在声音显示电路中，可以利用这个特点简化电路。各种型号的4069的偏移情况是不同的，也就是在串联级数固定的情况下，后面非门偏移的状态是“上偏”还是“下偏”，还有偏移程度，可由实验确定。经实验，采用HDI4069，第5级非门输出为“常高”，即在无信号输入的情况下，输出端为高电位。

5．CMOS电路输出驱动电流实验

本机电路采用两个非门并联驱动发光二极管。并联可以提高输出能力。单个非门的输出能力如何呢？读者可通过实验得到答案。把电流表按图24-095接入，即可测出非门的输出电流。一般电源电压为3V，单个非门最大输出电流约为0.7mA；电压增至4.5V，这个电流增至3mA左右。初学者要注意，CMOS是半导体器件，不能用欧姆定律来解释和计算电压和电流的关系。使用两个非门并联，在3V电源电压的情况下，可以输出1mA的电流点亮发光二极管，对于直径3mm的高亮度发光管来说，还是可以的。

图24-095

6.压电陶瓷片当作话筒

图24-096的电路采用了驻极体话筒，其特点是灵敏度较高，频率范围较宽。但在本电路中不免有些大材小用，况且它需用一个偏置电阻，在静态时消耗电流。可以用压电陶瓷片作为本机的MIC，电路如图—，这样不但简化了路，而且在静态时整机消耗电流仅为几微安。

图24-096

7.思考

本电路给出了一级声音灯光指示，你能设计出多级音量的指示灯吗？比如设计一种环境噪声模拟显示器，分别用绿、黄、红三色灯光显示周围环境为安静、正常、吵闹三种情况。

8.红外遥控信号接收实验

①制作

红外遥控信号显示器可以接收各种家用电器的红外遥控发射器的信号，并用灯光的形式显示出来。在此基础上，读者可以利用家电的红外遥控发射器制作红外遥控装置。电路原理图如图24-097。它主要由红外信号接收器、放大器和灯光驱动和显示电路组成。红外发射器发出的红外信号由红外接收二极管D1接收并变成电信号，输送到由4069组成的放大电路，再由放大电路放大。经过放大的信号由二极管组成的检波电路将高频调制信号变成低频脉冲信号，最后推动发光二极管发光。这个电路与声音指示灯电路几乎完全相同。不同之处在于传感器电路，原电路的R1改成了Rt，在原来接MIC的地方接入了一个红外接收二极管。还有将原电路的电容C1换成了Ct。其余部分则完全相同。

图24-097

按电路图装好后，即可用一种家电的红外遥控器对准接收器的红外接收管，按动其中任何一键。此时如电路正常，接收器应发出脉动的亮光，表示制作成功。

如果电路不能正常工作，则应首先检查4069各非门的输出输入端的电压。检查时要使用数字式电压表。4069的线性放大部分的输入输出端电压应为电源电压的一半。此后，可检查红外接收二极管D3的极性是否接线正确。D3的正确接法是正极接地（电源负极），负极接电源正极。对于不知道极性的红外接收二极管可用指针式万用电表测量它的极性。使用欧姆表R×1k挡测量电阻值，和普通的二极管一样，当电阻较大时，电表的红色表笔接触的那一端为二极管的正极。与普通二极管不同的是，此时用白炽电灯照射红外接收二极管，其电阻值应明显变小，表示红外二极管具有接收红外信号的功能。如果有几个红外接收管，可用这种方法区分出它们的灵敏度，一般在白炽灯照射下，阻值变化较大的灵敏度较高。

②陶瓷滤波器性能实验

红外遥控信号的频率与声音频率范围不同，放大器的电路也要随之改变。声音放大电路的工作频率范围一般在20～20000Hz之间，而红外遥控信号的频率是455kHz。为了提高接收器的抗干扰性，电路使用了一个频率为455kc的陶瓷滤波器。如果没有这种陶瓷滤波器，可以用一个100pF的电容器代替。

③抗干扰能力实验

这个电路能用来制作遥控装置的红外接收器吗？回答这个问题之前，我们先来做一个实验。将接收器放在台灯旁边，然后打开和关闭台灯，就会发现红外信号接收器的显示灯随着开关的动作闪亮。这是怎么回事呢？这是220V交流电源的电线发出的干扰信号引起的。每次在开灯和关灯时的一瞬间，电灯线路内都会产生电流的跃变，从而在电灯及电线周围产生电磁波干扰。放在附近的红外遥控信号显示器受到干扰，就产生了灯光闪亮的现象。这说明用它来作为红外遥控信号接收器是不可靠的，极易受到外界的干扰而导致误动作。看来这个简单的电路只能用来显示红外信号的存在，不能用在正式的接收设备中。如果要利用家电的红外遥控发射器制作红外遥控装置，其接收器必须具有抗干扰的性能。另外，雷电也能被它接收到，导致显示器的灯光闪亮。不过我们换一个角度来思考问题，这个电路易受外接干扰的缺点也可以变成优点。比如用它来制作一种红外遥控电子玩具的接收装置，它就不但是一个遥控玩具，而且还有雷电信号指示的功能。

十、二进制数演示器

数字时代的一个带有革命性的发明就是采用二进制数进行计算。然而二进制数不象十进制数那样直观，很多人对它感到陌生甚至困惑。二进制数演示器可以让我们演示二进制数的产生、累加和进位法则，通过亲身体验掌握二进制数的性质。此外还可以用它设计出一些有趣的游戏。

电路简介

电路用4040集成电路制作，电路原理图见图24-101。电路由加1按钮AN1，加法计数器，数码显示器和清零按钮AN2等组成。数码显示器有12个发光二极管，用来显示12位二进制数字。接通电源后，12个发光二极管均不亮，表示当前的数字为0。每按动并松开一次加1按钮开关AN1，就向计数器输入数字“1”，计数器就会把输入的数累加起来，再由数码显示器显示出来。例如我们总共按动了10次加1按钮，数码显示器就会显示“000000001010”，其中发光二极管点亮表示数字“1”，熄灭表示数字“0”。无论何时按动清零按钮AN2，12个发光二极管均变成熄灭状态，输出的数字变成0。

图24-101

制作要点

本电路电源可采用3V或4.5 V，不使用时其耗电甚微，所以不设电源开关。发光二极管要采用3毫米高亮度的，建议用红色发光管。本机可在面包板上完成。12个发光二极管可排成一条直线，用来演示二进制数；也可排成其它形状的，用来做游戏以增加趣味。但无论排成什么形状，都必须注意二进制数的规律。为了正确演示二进制数，12个发光二极管从右到左必须分别表示20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211。它们在电路中分别用Q1、Q2、…、Q12来表示。电容C1的作用是防止按动按钮开关时产生的抖动脉冲对输入信号的干扰，它和电阻R1组成积分电路，电容C1的数值可酌情调整，以做到既不产生误动，又能保证快速输入数字；除此之外电路不需进行任何调整即可正常工作。

学习、实验与思考

1．4040集成电路工作原理

4040叫做12位二进制串行计数器，主要用于计数和分频。它有16个管脚，按双排封装的4040管脚排列接线图见图24-102。它的管脚包括两个电源极Vdd和Vss，一个计数输入极CP，一个清零（复位）极R和12个计数输出极Q1～Q12。计数输入极用来接受数字脉冲信号，每当输入到这个电极的脉冲输入信号为下降沿时，计数器就开始计数。其内部的计数器为加法计数。表1为4040的逻辑真值表。

图24-102

表1，4040逻辑真值表

4040的计数原理为二进制计数，它共有12级二进制计数器，它们互相串联。每当从输入端输入两个脉冲，其最低位的输出端Q1（20）输出一个脉冲。在4040内部，输出端Q1 是下一级计数器的输入端。也就是每当Q1输出两个脉冲，输出端Q2输出一个脉冲。以下依此类推，所以4040也叫12级2分频计数器。

2．二进制数累加器演示实验。

接通电源，此时所有的发光二极管都不亮。按动一下按钮开关AN1，最右边的发光二极管则被点亮。再按动一下AN1，最右边的发光二极管熄灭，而右边第二个被点亮。依次按下去，就会发现点亮的顺序如下：

…0001

…0010

…0011

…0100

……

其中“1”表示被点亮，“0”表示熄灭。此时按下清零键AN2，所有的发光二极管均熄灭。

重新开始。与上次不同的是，这次按下AN1并保持不动，观察发光二极管，你看到了什么？所有的发光管均不亮。然后释放按钮开关AN1，你又看到了什么？在释放AN1的一瞬间，最右边的发光二极管被点亮了。这个实验表明，4040的计数是在输入脉冲信号的下降沿开始的。它还表明，输入端和Q1端的计数关系确实是二进制的关系，也就是二分频的关系。即每当输入端输入一个脉冲，Q1输出半个脉冲（Q1端的发光二极管被点亮）；当输入端输入两个脉冲，Q1输出一个完整的脉冲（发光二极管熄灭）；而此时Q2被点亮，表示Q 1 和Q 2也是2分频的关系。通过4040的时序脉冲波形图（图24-103）可以很清楚地看出4040的计数原理。

图24-103

3．如何观察时序脉冲波形图

图24-104为4040的时序脉冲波形图，简称波形图。一般每种数字集成电路的性能手册里都有波形图。波形图是了解数字集成电路的性能，正确进行电路设计的重要依据，应逐步熟悉它，了解它，最终掌握利用波形图进行电路设计的方法。在4040的波形图里，最上面一行是输入端（CP）的电压波形，第二行是复位端（R）的电压波形，从第三行开始是输出端Q1～Q12的电压波形，为简便计输出端只画出了输出端Q1～Q3的波形图，余下Q4～Q12的波形图请读者根据二进制数的性质，自己画出。如何使用波形图呢？从中我们可以得到哪些信息呢？波形图的横坐标表示时间，纵坐标表示电压。首先我们用一条垂直于坐标横轴，也就是垂直于时间坐标轴的直线（图中的垂直虚线），从左到右逐渐移动，然后查看这条虚线与各端电压波形图的交点的状态是高电位还是低电位，就可以了解4040的工作状态和工作过程。在数字电路中，各端的电压只有两种状态，高和低，相对应的数字为1和0。以图中的最左边的一条垂线为例，这是在输入端输入的脉冲信号完成了一个周期，电压开始从高变低的时刻，也就是第一个脉冲信号的下降沿之处，4040的工作状态。从波形图上可以看出，输出端Q2～Q12均为低电位，表示输出0，而Q1则变成高电位，表示输出1。读者不难自己判断出图中第二条虚线之处，也就是输入端输入了两个脉冲后，各个输出端的状态。时间再往后推，情况又如何呢？读者可自己用一把尺子垂直放置，逐渐从左向右移动，加以验证。用这个方法可以比较直观地弄清楚输入了3个、4个、5个、6个……脉冲之后，各个输出端的状态。如图中第三条虚线表示输入了6个脉冲信号后的结果；图中的最右边的一条虚线表示复位端变为高电位之后，计数被强行终止，各个输出端均变成0的情况。

4．计数小游戏

两个人分别制作一个电路，可以在两个人之间进行计数游戏比赛。在此推荐4个游戏：①称12个发光二极管都被点亮为“大满贯”，比一比看谁最先做成大满贯的图形。②算一算，为了得到大满贯，需要按动多少次开关？也就是二进制数1111111111112换算成十进制数是多少？③由一个裁判指定一种特定的图形，双方进行比赛，看谁用的时间最少。④限时游戏，规定一个时间，例如5秒钟，看谁点亮的发光二极管个数最多（注意不是数字最大）。

一个简单的二进制数演示器竟然有如此多的乐趣，相信你也能设计出更有意思的游戏。

5．如何更快地得到大满贯？

如果我计算没有错误，用上面的方法得到大满贯需要按动212-1（=4095）次开关。看来这个游戏没有几十分钟是不行的。怎样才能在一分钟内就得到大满贯呢？

有的读者可能会想，制作一个音频脉冲振荡器，向计数器输入音频脉冲，结合使用按钮开关，就可以在一瞬间得到大满贯。这的确是一个好方法，而且也可行（希望读者自行进行实验解决这个问题）。但如果规定双方不得在原电路的基础上增加电路，又该如何解决呢？当然，允许每人用两根导线解决问题。解决的途径之一是将电路设计的更简单一些。想想电路中电容C1的作用，它可以保证用按钮开关输入脉冲信号时避免抖动信号的干扰。如果取消电容C1，又当如何呢？通过实验你会发现，有时按动一下开关，数字不是加1，而是加2甚至更多。如果这时把AN1的两端分别接上两根导线，然后用这两根导线代替AN1，情况会如何呢？动手一试你会发现，有时把两根导线一接触，发光二极管会一下子亮好几个，运气好一些，只需几秒钟就可以点亮近10个发光二极管。不过要注意，如果你不小心，使输入的数字超过212后，计数器会从0开始重新计数。也就是用导线接触的方法可以很快地把数字加大，但是不能得到指定的数字。所以对比赛来说，用导线接触要和用开关结合起来进行，才能保证你能获胜。实践表明，允许使用两根导线进行大满贯游戏比起前几个游戏要精彩的多。通过以上设计游戏和计数游戏比赛，可以使读者更好地掌握4040的特性和设计电路的本领，开拓和提高读者创新求变的能力。

十一、模拟声音频率计

在接收到声音信号时，模拟声音频率计的发光二极管就会闪亮。根据灯光信号闪动的快慢，就可以换算出所接收到的声音信号的频率。

电路原理

电路原理图见图24-111。电路用14位2进制串行计数器和振荡器4060集成电路制作。用驻极体话筒接收声音信号，用4060的两个非门组成线性放大电路，把由话筒接收到的声音信号进行放大。放大后的音频信号通过计数分频器进行分频。复位端R接地，以保证放大器和计数器正常工作。在4060的各级分频输出端，接有发光二极管，每个发光二极管都会根据该分频端输出的频率显示相应的灯光信号，以供人工计数，再换算出声音的频率。比如一个发光二极管接在Q9输出端，其分频系数是29（=512），观察它闪动的次数，同时用手表计数，如测得灯光在10秒钟内闪动8次，则可换算出所测量声音的频率为512×8÷10≈410Hz。

图24-111

制作要点

电路电压范围3V4.5V。话筒采用驻极体微型话筒，电阻R1是话筒的直流偏置电阻，阻值范围一般在3k10k之间。可调整电阻R1的阻值，使A点的电压为电源电压的一半，这样从话筒输出的音频信号最强。此外电路不需调整，组装无误即可正常工作。调试时对着话筒说话，就可以看到接在输出端的二极管闪亮。为了清楚地观察到二极管的闪亮频率是根据所接收到的声音的频率变化而变化的，要注意以下两点：⑴应将话筒靠近声音源；⑵所测量的声音频率应保持相对稳定，比如电话摘机后的提示音，人唱歌时发出的声音等。可以根据所测量的声音的频率范围，决定使用4060的哪一个输出端的灯光信号进行测量。比如测量低于1000赫兹的声音，可以使用接在Q8或Q9上的发光二极管；测量高于1000赫兹的声音，可以使用接在Q10或Q12上的发光二极管。4060有一个复位端R，为使4060正常工作，必须使复位端保持低电位；一旦复位端为高电位，所有的输出端均被强制在低电位，振荡器也停振。4060共有10个分频输出端，可根据需要选用，不用的输出端可空置。为了使用方便，可以同时接入几个发光二极管进行显示，并注意给每一个显示灯光标记上分频系数。

学习、实验与思考

1．4060集成电路的工作原理

14位2进制串行计数器和振荡器4060集成电路的管脚排列图见图24-112。4060由两部分电路构成，一部分电路是14级分频计数器，另一部分电路是振荡器。分频器部分与4040相似，分频系数为1616384，由Q4Q14输出；振荡器部分可由其内部的两个非门和外接电阻和电容构成RC振荡器，振荡频率为f =1/2.2RC；也可以用外接晶体构成高精度的晶体振荡器；连接方法分别由图24-113和图24-114所示。

4060真值表

图24-112

图24-113

2．测量声音频率实验

测量声音可用频率计。在没有频率计的情况下，可用本电路间接测量声音的频率。声音频率一般高达几百赫兹至几千赫兹，用这样高的频率驱动声音信号或灯光信号，人眼睛和耳朵是无法计数的。本电路采用分频的方法，把声音频率降低到几赫兹甚至几分之一赫兹，通过灯光信号显示出来，然后再用眼睛测量出它的频率。最后把结果换算成原来的声音的频率。下面用测量电话机摘机后的提示声音的频率的例子，说明具体的方法。

准备好一块手表，然后摘下电话机，把电话机的耳机或喇叭对准本电路的话筒；这时接在Q9处的发光二极管会发出闪亮，观察手表的秒针，记录下10秒钟内Q9处的发光二极管闪亮的次数是9次，再除以10就可以得到这个发光二极管闪亮的频率为0.9赫兹。因为Q9的分频系数是29（=512），所以用0.9赫兹再乘以512，得460赫兹，也就是电话听筒里提示声音的频率为460赫兹。这样测量的误差较大，尤其是取时区间越短，误差越大。为了提高测量精度，可以延长采样的时间，比如测出100秒钟内发光二极管闪亮的次数，就可以提高测量精度。

本电路的特点是只能测量在一段时间内保持频率稳定的声音，对那些频率变化较快的声音是无济于事的。如果要测量自己唱歌的频率，可用嘴对准话筒发音，并保持数秒钟，然后记录下某一个发光二极管的闪亮次数，就可以按照上述的方法测出你唱歌的发声频率。

3．4060秒脉冲信号发生器电路实验

按照图24-114的电路可以组装一个秒脉冲信号发生器。用4060组成32768赫兹晶体振荡器，再由Q14端输出16384分频后的2赫兹脉冲信号，再由4040进行2分频，就得到1赫兹的秒脉冲信号。这个秒信号在4040的Q1端输出，用发光二极管以灯光的形式显示出来。灯光每秒钟闪亮一次，灭0.5秒，亮0.5秒。在本电路中，电压最低可用到3V。振荡电路能否正常工作的关键在于非门的反馈电阻Rs，它的阻值应大于10MΩ。

图24-114

4．定时器电路实验

4060广泛用于定时器电路中。采用如图24-113的RC振荡器，可以获得周期为T秒的脉冲信号，再经过分频，就可以在各个输出端获得周期为2­C *T秒的脉冲信号，其中c=4~14，从而得到几分钟到几小时的定时电路。这样的电路读者应该能够自行设计。

5．听无线电波

以前我们只能用耳朵听出声音频率的高低，用本电路的分频器原理，用眼睛也可以判断出声音频率的高低。此外，我们还能应用分频器的原理做什么实验呢？电子爱好者对无线电波并不陌生，人们天天都在和各种无线电波打交道。无线电波看不见也摸不着，我们实际上根本没有直接接触过它。用收音机，我们可以听到它的载波信号；用电视机，我们可以看到它携带的视频图像。用频率计，我们可以测量出它的频率。而用4060分频器，我们可以直接感受到无线电波的存在。

把一个陶瓷发声片接在4060的10分频输出端，在11脚输入中波无线电信号，就可以听见陶瓷发声片的鸣叫。中波无线电信号可以从中波收音机的本机振荡器引出，通过一个10pF的电容器把中波信号连接到4060的11脚。具体电路请读者自行设计，电路组装成功后，就可以进行听中波无线电波的实验了。调整电波信号频率的高低，鸣叫的声音频率也发出相应的变化。也可以用4060的振荡器产生频率为100k～2M赫兹的信号，同样可以听见中波振荡信号的“声音”。以上实验有什么使用价值呢？我们在调试有中波振荡信号的电子电路时，需要随时判断中波振荡信号是否工作正常，如果手头没有频率计，可以用本实验来判断中波信号的存在；如果有几种不同频率的信号，还可以用它来比较出频率的高低。

如何把中波无线电信号变成发光二极管的灯光信号呢？在听无线电波信号的实验电路基础上，再加一个4040分频器就可以解决这个问题。请读者自己设计这个电路，然后进行看中波无线电波的实验。

十二、玩具BP机

BP机是一种常用的通讯工具，每当有人呼叫的时候，它会发出特定的声音，提醒用户查看信息。玩具BP机可以模仿BP机的呼叫提醒功能，每按动一次按钮，就会听到一段BP机的提示叫声。

电路简介

电路见图24-121，用4011与非门集成电路制作，由触发定时按钮、开关脉冲振荡器和声光显示器组成。每按动一下触发定时按钮AN，电容C1被充电， 4011与非门的一个输入端由原来的低电位变成高电位，第一级开关振荡器开始工作，产生周期约为1.5秒的振荡信号；该信号输入到第二级开关振荡器的控制端，产生周期约为0.3秒的间歇振荡信号；第二级开关振荡器在每1.5秒钟内工作0.75秒，产生三个方波脉冲，然后停止振荡0.75秒；这个间歇振荡信号控制声光显示电路，并通过三极管驱动有源IC喇叭发出模仿BP机的三次短促的提示声。这个过程大约持续30秒钟，从按下AN开始，电容C1通过R1放电，4011与非门的控制输入端的电压由高电位逐渐降至低电位，第一级开关振荡器工作30秒后停止工作，同时输出低电位；这样，第二级开关振荡器停止工作并输出低电位，控制声光显示电路停止工作。在电路发出声音呼叫信号的同时，发光二极管发出同步的闪光。

图24-121

制作要点

整机电源用3V电压。有源IC喇叭必须采用工作电压为3V的。调整积分电路R1C1的数值可以控制声光提示持续的时间，读者可根据自己的爱好自行调整，一般要求声光提示时间保持30～60秒。调整开关振荡器的电阻和电容的数值可以改变间歇振荡器的工作频率，从而改变呼叫声的快慢节奏。电路用触发定时按钮控制，不另设电源开关。作品可以在面包板上完成，也可组装在一个外形与BP机相同的盒子内，制成一个玩具BP机。

学习、实验与思考

1．4011与非门的输入输出特性

每个4011有4个与非门，每个与非门有两个输入端，一个输出端，其内部管脚接线图见图24-122。其中每个与非门的特性是只有当两个输入端同时输入高电位，输出端才能输出低电位；只要有一个输入端输入低电位，则输出端输出高电位。根据它的这个特点，所以称“与非门”。

图24-122

4011真值表

2．开关振荡器电路实验

从表1可以看出：①如果输入端A、B并联，它的功能相当于一个非门；②如果其中的一个输入端固定接高电位，例如A端接高电位，则B输入端和输出端也相当于一个非门的功能；③如果其中的一个固定接低电位，则无论另一个输入端的电位如何变化，输出端恒输出高电位。也就是说，利用特性①可以把4011当作非门使用；根据特性②和③，可以用与非门其中的一个输入端作为控制开关，控制这个与非门的工作状态：当一个输入端为高电位时，这个与非门可以作为普通的非门使用，而当它为低电位时，这个与非门被锁定，其输出端保持在高电位状态。开关振荡器（见图24-123）就是一种典型的应用。通过这个电路实验，可以帮助我们理解与非门的特性。这个开关振荡器由按钮开关AN控制。当未按下按钮开关时，与非门的一个输入端的电位由下拉电阻控制，保持在低电位，这时无论这个门的另一个输入端的电位如何，其输出均为高电位，于是多谐振荡器不能工作，陶瓷蜂鸣器不发声。当按下按钮开关，与非门的控制输入端变成高电位，这个与非门与下一级已经接成普通非门的与非门电路组成的多谐振荡器开始工作，输出音频信号，驱动陶瓷蜂鸣器发出声音。很显然,这个试验电路就是一个带开关的门铃电路。图24-124是开关振荡器的振荡波形的示意图。

图24-123

图24-124

3．模仿BP机叫声的电路设计

我们先分析一种BP机呼叫声音信号的特点。如果呼叫信号为“嘀嘀嘀-嘀嘀嘀-……”，则需要两种频率的脉冲信号。只有当这两种不同频率的脉冲信号同时处于高电位时，才能控制喇叭发出叫声。为了更简明地说明这一点，我们把这两种频率的脉冲信号和它们的合成结果的波形图画在一起，见图24-125。为了得到这种信号，可把4011的4个与非门分成两组，组成两个不同频率的开关振荡器。第一级开关受控振荡器由RC积分电路控制，每按动一次触发按钮开关，积分电路的电容上的电压变成高电位，松开按钮开关后其电压按指数规律降低，可使与非门的控制输入端得到大约30秒钟的高电位。在4011的这个与非门的控制输入端电位保持在高电位的时间内，可使这一级振荡器工作30秒钟,产生周期为1.5秒的方波信号。第二级开关振荡器则由第一级开关振荡器输出的周期为1.5秒的方波信号控制，在每个周期内，控制电位有0.75秒的高电位，0.75秒的低电位；每当控制电位处于高电位时，第二级振荡器产生周期为0.25秒的振荡信号，每当控制电位处于低电位时，它停止振荡，输出低电位。第二级受控振荡器输出的信号如图5最下面一行所示的波形，它每隔0.75秒产生三次脉冲信号，用这个脉冲信号控制喇叭发出模仿BP机的叫声。

4．有源IC微型喇叭的驱动。本机使用一种自带音乐集成电路的微型喇叭，它由两个接线管脚，分正负极，见图6。其内部的集成电路有很多种，可产生各种声音，如歌曲，报警声等；其外部电源电压分3V、6V、9V等不同的品种，使用时要根据电源电压合理选用；在额定的工作电压下，其工作电流约为数十毫安。本机采用一种长鸣的喇叭，电压采用3V的，只要正确接通电源，就会发出鸣叫，永不停止。为了模仿BP机的声音，采用两级开关受控振荡器控制发声的时间。但是4011的控制信号输出只有不到1毫安，不能直接驱动有源IC微型喇叭，本电路采用了三极管9013驱动喇叭工作。将控制信号输入到9013的基极，喇叭接在集电极。为了在发出声音提示的同时得到灯光提示信号，控制信号通过一个发光二极管从4011传送到9013的基极。在这里要提醒一下，由于控制信号直接从振荡电路输出，这个发光二极管还有缓冲的作用，以保证振荡电路的正常工作，因此是不能省略的。如果不用这个发光二极管而直接将控制信号接入9013的基极，振荡电路就不能工作。关于这一点有兴趣的读者不妨试验一下，根据试验的结果分析一下脉冲振荡器的工作原理。

没有有源IC微型喇叭怎么办？这就需要自制一个音频发声器了。为了做到这一点，需要增加一个集成电路，4011或4069都可以；喇叭可以用压电陶瓷片。具体电路的设计相信读者自己能够独立完成。

5．最后请大家想一想，这个玩具BP机有什么实用价值呢？在有些场合，我们需要有礼貌地辞别客人。这时如果BP机响了，就是一个很好的借口。也就是我们需要一个“礼貌辞客机”。要是这个玩具BP机可以在预定的时间发出BP机的呼叫声就行了。大家可能会想起在本刊今年的第一期上刊登的“定时声光提醒器”，如果把这两个作品结合起来，就能实现在预定的时间发出BP机的呼叫声，这样人们就可以体面地告别客人离去。有兴趣的读者不妨自己动脑筋设计这样的电路。