CD4017BE IC, CMOS decimális számláló, 10 dekódolt kimenet, 3-18V, DIP-16

Ez az útmutató egy Arduino Uno lapot használ, amely órajelet ad a CD4017BE integrált áramkörnek, és beolvassa a kimenetei állapotát. Az Arduino Uno azért megfelelő választás, mert 5 V-on dolgozik, ezen a feszültségen a CD4017BE közvetlenül működik, a 10 kimenet és a keresztátviteli kimenet pedig a lap digitális tűivel olvasható.

A CD4017BE egy CMOS decimális számláló 10 dekódolt kimenettel, DIP-16 tokban. Minden órajel-impulzusnál a magas szint átlép az egyik kimenetről a következőre, Q0-tól Q9-ig, majd az áramkör elölről kezdi. Sorozatos fényjelzésekhez, szekvenszerekhez, lépcsős időzítésekhez, csatornaválasztókhoz és 10-es osztású frekvenciaosztókhoz használják.

Hogyan működik:

A CD4017BE egy 5 fokozatú Johnson-számlálót tartalmaz, amelyet dekódoló követ. A dekódolónak köszönhetően bármely pillanatban a Q0 és Q9 közül csak egy kimenet van magas szinten, a másik kilenc alacsony. Minden kimenet pontosan az órajel egy teljes periódusáig marad magas szinten.

A számláló a CLOCK láb felfutó élére lép előre, feltéve, hogy a CLOCK INHIBIT láb alacsony szinten van. Ha a CLOCK INHIBIT magas szinten van, az órajel-impulzusokat figyelmen kívül hagyja, és a számláló helyben marad. A RESET lábon lévő magas szint a számlálót nulla pozícióba állítja, vagyis a Q0 magas lesz, a többi kimenet alacsony. A RESET és a CLOCK INHIBIT lábakat soha nem szabad lebegve hagyni, mindkettőt vagy VDD-re, vagy földre kell kötni.

A CARRY OUT kimenet magas szinten van, amíg a számláló a Q0 - Q4 pozíciókban tartózkodik, és alacsony szinten a Q5 - Q9 pozíciókban. 10 órajel-impulzusonként tesz meg egy teljes ciklust, ezért a CARRY OUT frekvenciája az órajel frekvenciájának tizede. Például 1000 Hz-es órajelből 100 Hz lesz a CARRY OUT jelen. Minden Qn kimenet szintén az órajel frekvenciájának tizedét kapja, de csak a periódusának egytizedéig marad magas szinten. A CARRY OUT kimenetet egy második CD4017BE CLOCK bemenetére kell kötni, ha 100-ig szeretne számolni.

Az áramkör 3 V és 18 V közötti tápfeszültséggel működik. Ebben az útmutatóban az Arduino lapról, 5 V-ról tápláljuk, hogy a kimenetek szintjei kompatibilisek legyenek az Arduino Uno tűivel.

Csatlakoztatás:

Helyezze az áramkört a próbapanelre úgy, hogy a tok bevágása balra nézzen, így az 1-es láb legyen a bal alsó sarokban. Kösse az áramkört 5 V-ra, és egy 100 nF-os kerámia kondenzátort kössön a 16-os és a 8-as láb közé, minél közelebb az áramkörhöz, hogy a kapcsolási impulzusok ne okozzanak hamis számlálást. A CD4017BE kimenetei 5 V-on csak nagyon kis áramot tudnak adni, ezért ebben a kapcsolásban ne kössön rájuk közvetlenül LED-eket. Csak az Arduino digitális bemeneteivel olvassuk őket. Ne használja a D13 lábat kimenetnek, mert a lapon lévő LED van rá kötve, és terhelné a kimenetet. A logikai szintek 5 V-osak, ezért nincs szükség szintillesztőre, a RESET és a CLOCK INHIBIT jeleket pedig a lap vezérli, így pull-up ellenállásokra sincs szükség.

Kártya és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben válassza ki az Arduino Uno lapot a Tools > Board menüből, az Arduino AVR Boards csomagból, amely az Arduino IDE-vel együtt van telepítve. A program csak az Arduino alapfunkcióit használja, ezért nem kell könyvtárat telepíteni.

A kód:

A program nullázza a számlálót, 10 órajel-impulzust küld, minden impulzus után beolvassa az aktív kimenetet és a CARRY OUT jelet, majd ellenőrzi a RESET és a CLOCK INHIBIT lábakat.

/*
  CD4017BE decade counter test
  Board: Arduino Uno (Arduino AVR Boards, installed with Arduino IDE)
  Libraries: none, only the core Arduino functions are used
  Wiring (CD4017BE pin -> Arduino Uno pin):
    VDD (16)           -> 5V
    VSS (8)            -> GND
    CLOCK (14)         -> D2
    RESET (15)         -> D3
    CLOCK INHIBIT (13) -> D4
    Q0 (3)  -> D5
    Q1 (2)  -> D6
    Q2 (4)  -> D7
    Q3 (7)  -> D8
    Q4 (10) -> D9
    Q5 (1)  -> D10
    Q6 (5)  -> D11
    Q7 (6)  -> D12
    Q8 (9)  -> A0
    Q9 (11) -> A1
    CARRY OUT (12) -> A2
  A 100 nF ceramic capacitor goes between pins 16 and 8.
*/
const uint8_t PIN_CLOCK   = 2;   // Clock input of the counter
const uint8_t PIN_RESET   = 3;   // Reset input, HIGH sets the counter to Q0
const uint8_t PIN_INHIBIT = 4;   // Clock inhibit, HIGH blocks counting
const uint8_t PIN_CARRY   = A2;  // Carry out output
// Arduino pins connected to outputs Q0 - Q9, in order
const uint8_t OUT_PINS[10] = {5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, A0, A1};
int seq[10];    // Active output after each clock pulse
int carry[10];  // Carry out level after each clock pulse
// Send one clock pulse, the counter advances on the rising edge
void pulseClock() {
  digitalWrite(PIN_CLOCK, HIGH);
  delayMicroseconds(20);
  digitalWrite(PIN_CLOCK, LOW);
  delayMicroseconds(20);
}
// Send a short reset pulse, the counter returns to Q0
void resetCounter() {
  digitalWrite(PIN_RESET, HIGH);
  delayMicroseconds(20);
  digitalWrite(PIN_RESET, LOW);
  delayMicroseconds(20);
}
// Return the number of the single HIGH output, or -1 if not exactly one is HIGH
int readActiveOutput() {
  int active = -1;
  int count = 0;
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    if (digitalRead(OUT_PINS[i]) == HIGH) {
      active = i;
      count++;
    }
  }
  if (count != 1) {
    return -1;
  }
  return active;
}
// Print the output name, for example Q3
void printOutput(int index) {
  if (index < 0) {
    Serial.print("Q?");
  } else {
    Serial.print("Q");
    Serial.print(index);
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PIN_CLOCK, OUTPUT);
  pinMode(PIN_RESET, OUTPUT);
  pinMode(PIN_INHIBIT, OUTPUT);
  pinMode(PIN_CARRY, INPUT);
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    pinMode(OUT_PINS[i], INPUT);
  }
  digitalWrite(PIN_CLOCK, LOW);
  digitalWrite(PIN_RESET, LOW);
  digitalWrite(PIN_INHIBIT, LOW);   // LOW allows counting
  Serial.println("CD4017 test started");
}
void loop() {
  // Step 1: reset the counter and show the start position
  resetCounter();
  Serial.print("Reset: active output ");
  printOutput(readActiveOutput());
  Serial.println();
  // Step 2: ten clock pulses, record the outputs after each one
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    pulseClock();
    seq[i] = readActiveOutput();
    carry[i] = digitalRead(PIN_CARRY);
  }
  Serial.print("Sequence after each clock pulse: ");
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    printOutput(seq[i]);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
  Serial.print("Carry out after each pulse:      ");
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    Serial.print(" ");
    Serial.print(carry[i]);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
  if (seq[9] == 0) {
    Serial.println("Result: counter wrapped back to Q0 after 10 pulses");
  } else {
    Serial.println("Error: counter did not return to Q0, check wiring");
  }
  // Step 3: clock inhibit HIGH, pulses must be ignored
  digitalWrite(PIN_INHIBIT, HIGH);
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    pulseClock();
  }
  Serial.print("Clock inhibit HIGH, 3 pulses: output stays ");
  printOutput(readActiveOutput());
  Serial.println();
  // Step 4: clock inhibit LOW, one pulse moves the counter
  digitalWrite(PIN_INHIBIT, LOW);
  pulseClock();
  Serial.print("Clock inhibit LOW, 1 pulse: output moves to ");
  printOutput(readActiveOutput());
  Serial.println();
  // Step 5: reset returns the counter to Q0
  resetCounter();
  Serial.print("Reset HIGH: output returns to ");
  printOutput(readActiveOutput());
  Serial.println();
  delay(3000);   // Wait before repeating the test
}

A kód működése:

Elöl definiáljuk a lábakat: PIN_CLOCK (D2), PIN_RESET (D3), PIN_INHIBIT (D4) és PIN_CARRY (A2). Az OUT_PINS tömb sorrendben tartalmazza a Q0 - Q9 kimenetekhez kötött Arduino lábakat. A seq és a carry tömb az aktív kimenetet, illetve a CARRY OUT szintjét tárolja minden órajel-impulzus után.

A pulseClock() függvény 20 mikroszekundumig magas szintre húzza az órajel lábat, majd alacsonyra, így felfutó élt hoz létre, amely a számlálót egy pozícióval előrelépteti. A resetCounter() függvény rövid impulzust küld a RESET lábra, és visszaállítja a számlálót Q0-ra.

A readActiveOutput() függvény beolvassa a 10 kimenetet, és visszaadja az egyetlen magas szintű kimenet számát. Ha nincs pontosan egy magas kimenet, -1-et ad vissza, ami kapcsolási problémára utal. A printOutput() függvény kiírja a kimenet nevét, például Q3, vagy Q?-t, ha az érték nem érvényes.

A setup() függvényben 9600 baudon elindítjuk a soros portot, a CLOCK, a RESET és a CLOCK INHIBIT lábakat kimenetként, az olvasólábakat pedig bemenetként állítjuk be. A három vezérlőlábat alacsony szintre húzzuk, így a számlálás engedélyezett.

A loop() függvényben öt lépés fut le. Először nullázzuk a számlálót, és kiírjuk a kiindulási pozíciót. Ezután 10 órajel-impulzust küldünk, és megjegyezzük az aktív kimenetet és a CARRY OUT szintjét. Ha a tizedik impulzus után az aktív kimenet ismét Q0, a számláló teljes ciklust tett meg. A 3. lépésben a CLOCK INHIBIT lábat magas szintre húzzuk, és 3 impulzust küldünk, amelyeket figyelmen kívül kell hagyni. A 4. lépésben a láb visszakerül alacsony szintre, és egyetlen impulzus a számlálót Q1-re lépteti. Az 5. lépésben egy újabb reset visszaállítja a számlálót Q0-ra, majd a program 3 másodpercet vár, és újraindítja a tesztet.

Eredmény:

Nyissa meg az Arduino IDE Soros monitorát 9600 baud sebességgel. Minden tesztciklusban látni fogja a reset utáni pozíciót, a kimenetek sorrendjét minden órajel-impulzus után, a CARRY OUT szintjét (1 a Q0 - Q4 pozíciókban és 0 a Q5 - Q9 pozíciókban), valamint a CLOCK INHIBIT és a RESET ellenőrzések eredményét.

CD4017 test started
Reset: active output Q0
Sequence after each clock pulse: Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q0 
Carry out after each pulse:       1  1  1  1  0  0  0  0  0  1 
Result: counter wrapped back to Q0 after 10 pulses
Clock inhibit HIGH, 3 pulses: output stays Q0
Clock inhibit LOW, 1 pulse: output moves to Q1
Reset HIGH: output returns to Q0

Gyakori problémák:

A soros monitoron Q? jelenik meg egy kimenet helyett. Az ok általában hibás csatlakoztatás vagy az áramkör tápellátásának hiánya, így nincs pontosan egy magas szintű kimenet. Ellenőrizze a 16-os és a 8-as lábat, valamint a Q0 - Q9 kimenetek és a D5 - D12, A0 és A1 lábak megfeleltetését.

A számláló átugrik pozíciókat, vagy egy impulzusra többet számol. Az ok általában a 100 nF-os kondenzátor hiánya a 16-os és a 8-as láb között, vagy a hosszú vezetékek a CLOCK lábon. Helyezze a kondenzátort az áramkör közelébe, és rövidítse meg a vezetékeket.

A számláló mindig ugyanazon a kimeneten marad. Ellenőrizze, hogy a CLOCK INHIBIT (13) láb alacsony szinten van-e, és hogy a CLOCK (14) láb a D2-re van-e kötve. A magas szinten maradt RESET láb a számlálót Q0-n tartja.

Az eredmények instabilak, vagy minden futtatásnál eltérnek. A RESET és a CLOCK INHIBIT lábak valószínűleg lebegnek. Kösse őket a D3-ra és a D4-re, a táblázatnak megfelelően.

A kimenetek gyengének tűnnek, vagy a magas szint leesik, amikor terhelést kapcsolunk rájuk. A kimenetek csak kis áramot tudnak adni, ezért ne kössön rájuk közvetlenül LED-eket vagy más terhelést. Használjon tranzisztort vagy puffer áramkört.

Korlátok és tanácsok:

Az áramkör 3 V és 18 V közötti tápfeszültséggel működik, de ebben a kapcsolásban csak 5 V-ról tápláljuk. Magasabb feszültségnél a kimenetek meghaladnák az Arduino Uno lábai által elfogadott szintet. A maximális órajel-frekvencia a tápfeszültséggel együtt nő, és 5 V-on jóval meghaladja az ebben a tesztben használt sebességet.

A kimenetek árama csekély, ezért LED-ekhez, relékhez vagy más terhelésekhez használjon tranzisztoros erősítő fokozatot vagy meghajtó áramkört.

Később építhet 10 lépéses szekvenszert, fényszekvenciát, 10-es osztású frekvenciaosztót vagy 100-ig számláló áramkört, ha a CARRY OUT kimenetet egy második CD4017BE CLOCK bemenetére köti. Rövidebb ciklushoz kösse a kívánt Qn kimenetet a RESET lábra.