九、简易模拟电流方向演示仪设计

九、简易模拟电流方向演示仪设计

摘要：本文利用NE555组成的多谐振荡电路和两块十进制计数/脉冲分配器CD4017，配以不同颜色的发光二极管组成一个简单、有趣的模拟电流方向演示器。不同颜色的发光二极管可以准确地模拟出输入电路的电流流动方向。

元器件：555定时器 发光二极管

设计原理：1、电路的工作原理

模拟电流方向演示电路原理框图如右图所示。接通电源后，多谐振荡器开始振荡并输出低频振荡脉冲，振荡脉冲从IC1的3脚输出，分别加至IC2和IC3的计数脉冲输入端CP脚。当输入端A端为正，B端为负时，VT1、VT3导通，VT3集电极输出的高电平加至IC2的复位端R，使IC2的输出端除了Q₀为高电平外，Q₁~Q₉均输出低电平。而这时，VT2因输入端为高电平而截止，它的输出端为低电平，这一低电平加至IC3       的复位端R，使IC3的输出端Q₀~Q₉依次输出驱动脉冲，红色发光二极管依次发光，形成一组红色流动的光带，假定这一组光带表示为电流的正方向流动。当输入端A为负B为正时，VT2导通，B端的高电平VT2加至IC3的复位端R，，使IC3的输出端除Q₀为高电平外，Q₁~Q₉依次输出驱动脉冲，绿色发光二极管依次发光，形成一组绿色流动的光带，表示电流在反方向“流动”。为了可以清楚地模拟出电流流动的方向，电路中采用频率在40Hz~~180Hz的范围工作。

2、NE555组成的多谐振荡电路的工作原理

      用NE555组成的多谐振荡器电路如下图所示。接通电源后，电容C被充电，当V_c.上升到2V_cc/3时，使V_o为低电平，此时电容C通过R₂放电，V_c下降。当V_c下降到V_cc/3时，Vo翻转为高电平。电容C放电所需的时间为 ：

T_PL=RCln2≈0.7RC ^[1]                      

当放电结束时，V_cc将通过R₁和R向电容C充电，V_c由V_cc/3上升到2V_cc/3所需要的时间为：

T_PH=(R+R₁)Cln2≈0.7（R₁+R）C ^[2]       

当V_c上升到2V_cc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就可以得到一个周期性的矩形波，其频率为

f=1/(T_pL+T_pH)≈1.43/（R₁+2R₂）C ^[3]        

                                                         图9.2 振荡电路图

由于555定时器内部的比较器较为灵敏，所以电路采用差分形式，这样通过R就可以使555组成

的多谐振荡电路的振荡频率受电源电压和温度变化的影响较小。通过调节R的时候，可以改变输出端输出的频率，使模拟电路部分采用不同的频率模拟电流流动的方向。电路中的频率可调节范围为f_min =53H_Z≤ f ≤f_max=3043HZ。

3、控制电路的工作原理

  控制电路原理图如右图所示。控制电路的作用是决定哪一块CD4017处于工作状态。当输入控制端A接正电源，输入控制端B接负电源的时候，VT1、VT3导通，VT3集电极输出的高电平加至IC2的复位端R，使IC2的输出端除Q₀为高电平外，其余的均输出低电平，此时IC2处于被清零的状态，而IC3则处于模拟电流状  态。当输入控制端A接负电源，             图9.3  控制电路图

输出控制端B接正电源时，VT2导通，B端的低电平经VT2加至IC3的复位端R，使IC3的输出端除Q₀为高电平外其余的都为低电平，此时IC3处于清零状态，IC2处于模拟电流工作状态。

4、CD4017组成的模拟电流方向演示电路的工作原理

当CD4017采用输入脉冲信号上升沿来触发集成电路内部触发计数器时，信号从CP端输入，而CE端则接低电平。这时，输入信号经过门M5和M7进行逻辑转换后，就可以加到D1——D5触发器CP1——CP5端的计数器为正脉冲。

当采用输入脉冲信号下降沿来触发集成电路内部计数器时，信号应从CD4017的CE端输入，而CD4017的CP端则应接高电平，然后经M5和M7两个门电路对输入/输出信号进行逻辑转换，也使得D1——D5触发器输入端CP1——CP5的计数器脉冲仍为正脉冲。

本电路采用CD4017的计数脉冲上升沿来触发集成电路内部5个触发器来工作。集成电路通电后CD4017的15脚为高电平复位后，它内部对5个触发器（计数器）均输出低电压，就形成了CD4017内部的5个触发器的初始计数器值为“00000”。此时，触发器D5的Y₅端输出高电压，也就使D1触发器的D1端的出入为高电压。

当CD4017的CP端输入第一个计数脉冲时，五个触发器中D1触发器的输出就变为高电压，D2——D5触发器仍输出低电压，此时的计数器为“11000”。但是Q₅端仍为高电压，D1端仍为高电压。^[4]        图9.4  原理图

按上述推导，当CD4017的CP端输入第五个脉冲时，D1——D5的五个触发器均输出高电压，这时五个触发器的计数就变成“11111”。这时Q₅端变为低电压，D1端也随着变为低电压。

根据CD4017内部触发器计数的原理，当CD4017的CP端输入第六个脉冲时，D1触发器的输出端变为低电压，D2——D5触发器仍保持输出高电压，5个触发器的计数就形成为“01111”。这时Y₅端仍为低电压，D1端仍为高电压……。

同理，当CD4017的CP端输入第七、八、九个脉冲时，5个触发器的计数就分别变化形成为“00111”、“00011”、“00001”。

当CD4017的CP端输入第十个脉冲时，5个触发器的计数又变成“00000”，即完成一个计数循环。如果继续从CD4017的CP端输入第时一、十二．．．．．．个脉冲，CD4017的就按上述的规律进行计数循环计数。

心德与体会：多谐振荡电路可以提供一个标准的方波；控制电路部分也可以更好地选择芯片工作。总电路可以实现预期的效果，但是由于在连接电路的时候存在一些问题，至使电路在实现功能的时候不是很稳定。

 [1]电子技术基础 数字部分（第五版） 421~422页 高等教育出版社  康华光著

[2]电子技术基础 数字部分（第五版） 422页     高等教育出版社  康华光著

[3]电子技术基础 数字部分（第五版） 422页     高等教育出版社  康华光著

 [4]实用电路创意自学通             127~129页                  龚华生著

实际所做的电路:

                     图9.5  实物图