如何制作發(fā)光二極電子沙漏

一、電路整體分析
1 電路結(jié)構(gòu)。
    電子沙漏是一個(gè)級聯(lián)運(yùn)用移位寄存器的典型實(shí)例，電路圖如圖1所示，它包括五個(gè)組成部分：
(1)集成電路IC1、IC2組成的15位移a位寄存器；
(2)開關(guān)S1、S2，二極管VD16、VD17、VD18，電阻R16等組成的輸入數(shù)據(jù)控制電路；
(3)晶體管VT1～VT15和VT1'～VT15 組成的輸出狀態(tài)控制電路；a
(4)發(fā)光二極管VD1～VD15和VD1～VD15 組成的顯示電路；
(5)反相器D1、D2等組成的時(shí)鐘振蕩器。
 
    圖2為其原理方框圖。
 
    在結(jié)構(gòu)上，兩組各15個(gè)發(fā)光二極管分別排列成為兩個(gè)三角形，如圖3所示。其中：VD1～VD15位于上部，排列成倒三角形；VD1'～VD15'位于下部，排列成正三角形。兩個(gè)三角形的頂尖相對，組成沙漏形狀。當(dāng)上部有一個(gè)發(fā)光二極管熄滅時(shí)，相應(yīng)地下部就有一個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，模擬了沙漏的運(yùn)動(dòng)。
 

2 簡要工作原理。
    集成移位寄存器IC1、IC2級聯(lián)組成15位移位寄存器，構(gòu)成了電子沙漏的主體控制電路。每一位寄存單元都分別通過NPN晶體管VT和PNP晶體管VT'形成Q和/Q兩個(gè)互為反相的輸出狀態(tài)，分別控制VD和VD'兩組發(fā)光二極管。15位移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸入端D的狀態(tài)受位置控制電路的控制。當(dāng)電子沙漏正向放置時(shí)（發(fā)光二極管VD1～VD15在上部且全亮），串行數(shù)據(jù)輸入端D=0，并在時(shí)鐘脈沖CP的作用下逐步右移，使VD1～VD15一個(gè)接一個(gè)地熄滅，同時(shí)VD1'～VD15'一個(gè)接一個(gè)地點(diǎn)亮，直至VD1～VD15全滅，VD1'～VD15'全亮。
    當(dāng)把電子沙漏上下顛倒過來后，串行數(shù)據(jù)輸入端D=1，并在CP作用下逐步右移，又使VD1'～VD15'（此時(shí)在上部）一個(gè)接一個(gè)地熄滅，同時(shí)VD1～VD15（此時(shí)在下部）一個(gè)接一個(gè)地點(diǎn)亮，直至VD1'～VD15'全滅，VD1～VD15全亮。

二、主要單元電路分析
1  15位靜態(tài)移位寄存器
    15位移位寄存器由四個(gè)4位靜態(tài)串入-并出移位寄存器串接而成(最后1位不用)，如圖4所示。實(shí)際電路中，移位寄存器采用了兩塊CMOS雙4位靜態(tài)移位寄存器集成電路CD4015。每一塊CD4015內(nèi)部含有兩組獨(dú)立的4位串入-并出移位寄存器，其串行數(shù)據(jù)輸入端D上的數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘脈沖CP上升沿的作用下向右移位。設(shè)15位移位寄存器初始狀態(tài)為全“1”，串行數(shù)據(jù)輸入端D=0。當(dāng)?shù)?個(gè)CP脈沖到來時(shí)，移位寄存器的第1位變?yōu)?；第2個(gè)CP脈沖到來時(shí)，移位寄存器的第2位變?yōu)?；……；第15個(gè)CP脈沖到來時(shí)，移位寄存器的第15位變?yōu)?，即15位移位寄存器的狀態(tài)變?yōu)槿?”。
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    由于CD4015的每一位寄存單元只有Q輸出端，因此在每一位寄存單元的Q端同時(shí)接有NPN型(VT)和PNP型(VT')兩個(gè)射極跟隨器，其輸出狀態(tài)：VT形成Q，VT'形成/Q。

2  輸入數(shù)據(jù)控制電路。
    電子沙漏的工作模式要求。當(dāng)Q1～Q15為“1”時(shí)，輸入數(shù)據(jù)D應(yīng)為“0”；當(dāng)Q1～Q15為“0”時(shí)，輸入數(shù)據(jù)D應(yīng)為“1”。D端狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由輸入數(shù)據(jù)控制電路完成。當(dāng)Q1～Q15為“1”時(shí)，由S1接通電源，R16將D端箝位到地，D=0；當(dāng)Q1～Q15為“0”時(shí)，由S2接通電源，電源電壓經(jīng)VD16加至D端，D=1。

3  輸出狀態(tài)控制電路
    晶體管VT1～VT15構(gòu)成15個(gè)NPN型射極跟隨器，分別控制發(fā)光二極管VD1～VD15。晶體管VT1'～VT15'構(gòu)成15個(gè)PNP型射極跟隨器，分別控制發(fā)光二極管VD1'～VD15'。15位移位寄存器的每一位寄存單元的Q輸出端，同時(shí)接有NPN型（VT）和PNP型（VT'）兩個(gè)射極跟隨器。以第一寄存單元為例：當(dāng)Q=1時(shí)，NPN晶體管VT1導(dǎo)通，發(fā)光二極管VD1亮；同時(shí)PNP晶體管VT'截止，發(fā)光二極管VD1'熄滅。當(dāng)Q=0時(shí)，NPN晶體管VT1截止，VD1滅；PNP晶體管VT1'導(dǎo)通，VD1'亮。

4  位置控制電路
    由于電源開關(guān)S1、S2同時(shí)要控制移位寄存器輸入數(shù)據(jù)D的狀態(tài)，而D的狀態(tài)又應(yīng)與電子沙漏的擺放位置相關(guān)，因此S1、S2設(shè)計(jì)成重力開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。
 
    當(dāng)電子沙漏的VD發(fā)光二極管在上部時(shí)，重力開關(guān)的位置是S2在上、S1在下，如圖6(a)所示。這時(shí)，落下的金屬球使S1接通，+4.5V電源經(jīng)VD18提供給電路工作。由于VD17的阻隔作用，+4.5V電源不能到達(dá)D端，D=0。當(dāng)將電子沙漏顛倒過來后(VD'發(fā)光二極管在上部)，變?yōu)镾1在上、S2在下，如圖6(b)所示。這時(shí)，落下的金屬球使S2接通，+4.5V電源經(jīng)VD17提供給電路工作，同時(shí)經(jīng)VD16加至D端，使D=1。
 
5 速度控制電路
    反相器D1、D2組成多諧振蕩器，產(chǎn)生周期約為1s的連續(xù)方波，作為移位寄存器的時(shí)鐘脈沖CP。調(diào)節(jié)多諧振蕩器的振蕩周期，即可調(diào)節(jié)電子沙漏的流動(dòng)速度。振蕩周期越短，沙漏速度越快。

三、制作要點(diǎn)
1 制作
    重力開關(guān)可按圖5所示自制。安裝時(shí)重力開關(guān)的平面a應(yīng)與面板平行，S2的一端在上、S1的一端在下。電路無須調(diào)試即可使用。

2 使用
    將電子沙漏豎立起來，代表沙粒的發(fā)光二極管亮點(diǎn)便開始往下漏。漏完以后，將電子沙漏上下顛倒過來，又會(huì)重新開始往下漏。不用時(shí)，將電子沙漏橫著放置，電源便會(huì)關(guān)斷，所有發(fā)光二極管均熄滅