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反应计时器

时间:2022-02-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于555定时器可以轻易地运行到每秒数千个周期的频率,因此可以用它来测试人类的反应。到目前为止,还没有在面包板上放置任何其他的元件。幸运的是,我们有一个4026芯片,它接收脉冲,计算其个数,并产生一个专用于七段数码管的输出,使七段数码管显示0~9的数字。在处理CMOS器件时,使自己接地是很重要的。图4-35的电路原理图给出4026芯片引脚的连接方法,图中的箭头指明了计算器上的引脚号与数码管上的引脚号之间的连接关系。

由于555定时器可以轻易地运行到每秒数千个周期的频率,因此可以用它来测试人类的反应。你可以与朋友比赛,看谁的反应最快。也可以用它来观测随情绪、不同日期、不同长度的睡眠时间的变化,你的反应是如何变化的。

在进一步介绍之前,我必须告诉你,这个电路同你前面遇到的任何电路相比,其连线都要多得多。从概念上来讲,搭建这个电路并没有困难,但却需要许多的连线,并且这个电路只能搭建在拥有63行孔的面包板上。我们仍然分几个阶段来搭建这个电路,这样可以帮助我们边往下搭建电路,边侦测出任何的连线错误。

以下是所需的东西。

□ 4026芯片,数量:4个(实际上只需要3个,多买一个以防损坏)。

□ 555定时器,数量:3个。

□ 触动开关(单刀单掷瞬态开关),数量:3个。

□ 3个LED数码管,或者一个3位的LED数码管(见本章开头的购物清单),数量:1个。

□ 面包板、电阻器、电容器、万用表等,要求同以往。

第一步 显示

在这个项目中,你可以使用3个独立的LED数码管,不过我建议你购买本章购物清单中列出的今台公司的BC56-11EWA,它在一个大封装中包含了三位数字。

你应该知道如何将数码管插在面包板上,它应该跨坐在中央沟槽的两边。如图4-31所示那样,靠面包板最底端插入数码管。到目前为止,还没有在面包板上放置任何其他的元件。

图4-31 在七段数码管的共阴极与电源负端之间接一个1 kΩ的电阻器,然后用电源正端来轮流点亮数码管的每一段

接下来将电源的电压设置为9 V,并将电源的负端接在从面包板的右手侧往上排列的一行孔中。在电源负端与今台数码管的引脚18、引脚19和引脚26之间,各插入一个1 kΩ 的电阻器,这些引脚称作“共阴极”引脚,这意味着数码管中每组的LED段共用这些负端的连接(芯片的引脚编号如图4-33所示。如果你使用的是其他型号的数码管,就必须参考相应的参数表以便找到连接电源负端的引脚)。

开通电源开关,让电源正端的自由导线依次接触数码管左侧和右侧引脚所在的每排空孔。你应该可以看到每个LED段都会点亮起来,如图4-31所示。

从0~9的每个数字都可以用这些LED段的组合来表示。这些LED总是用从a到g的小写字母来表示的,如图4-32所示。此外,往往还会有一个小数点,我用字母h来表示它,不过我们不会用到小数点。

图4-32 最基本、最常用的数码管包含七段LED(图中用字母标识每段),外加一个可选的小数点

查看图4-33所示今台牌的数码管,可以看到我已经在上面标出了每个引脚的功能。你可以用引自电源正端的导线一步步地往下接触数码管的每个引脚,确保每个引脚都能点亮相应的一段LED。

图4-33 这个今台牌的数码管单元在一个封装中包含有3个数码管,可以用3个链接的4026十进制计数器来驱动。紧靠芯片的数字是引脚号。数码1的a到g段标示为1a到1g。数码2的a到g段标示为2a到2g。数码3的a到g段标示为3a到3g

很凑巧的是,这个数码管的引脚3和引脚26都标明是第一个数码的共阴极。为什么是两个引脚而不是一个呢?我不知道其原因。你只需使用其中的一个就可以了,因为这是一个无源芯片,让未用的引脚悬空不会引起什么问题。不过要注意,千万不要给它施加正电压,那样会导致短路。

数码管本身没有什么能量和智能,它只是多个发光二极管而已。说实在的,除非我们能够想出一个办法来使这些LED按照适当的组合进行发光,否则数码管就没有多大用处。下一个步骤就是解决这个问题的。

第二步 计数

幸运的是,我们有一个4026芯片,它接收脉冲,计算其个数,并产生一个专用于七段数码管的输出,使七段数码管显示0~9的数字。但是唯一的问题就是4026是相当老式的CMOS(即互补金属氧化物)芯片,它对静电十分敏感。在继续工作之前,请阅读接下来的警告。

使自己接地

在使用老式的CMOS芯片时(它们通常从4000开始往上编号,例如4002、4020等),要确保采用以下预防性的措施,以免在你给电路上电时看不到任何事情发生而受挫。

在运输时,芯片的引脚往往是插在黑色塑料泡沫中的。这是一种导电的塑料泡沫,在使用芯片之前,应该一直让芯片嵌在里面。

如果芯片是装在塑料管中提供给你的,那么你可以取出芯片,将它们的引脚插在导电塑料泡沫片中,若找不到导电塑料泡沫,那么可以将它们装在铝箔袋中。这其中的原理在于,要防止芯片的某个引脚获得比其他引脚高得多的电位。

在处理CMOS器件时,使自己接地是很重要的。我发现每当天气干燥时,只要我穿着化纤质地的袜子在地板的塑料保护垫上走一走,就会聚集起静电。你可以购买一根防静电手腕带以使自己接地,或者在你接触电路板之前,先简单地接触一个大的金属物体(譬如一个文件柜)。我的工作习惯是,用穿袜子的脚接触一下文件柜,这就是用来防止静电的。

永远不要在芯片上电的情况下焊接CMOS芯片。

将烙铁头接地是一个好主意。

更好的办法是,根本就不焊接CMOS芯片。当你需要将面包板上的项目移到模型电路板上永久固化的时候,可以在模型电路板上焊接一个插座,然后将芯片插入插座。如果在未来出现了问题,这样也方便你拔下芯片更换新的。

工作台上铺设一个接地的导电表面。这么做,最便宜的方法就是展开一些铝箔,并通过暖气管、水管或其他的大型钢铁物体将其接地。我喜欢用一块导电性的塑料泡沫(就是包装芯片的那种)来覆盖工作台。不过这种泡沫相当昂贵。

断开电源,将其引出导线连接到面包板的顶部,需要注意的是,在这个实验中,我们在面包板的两侧都需要用到电源的正端和负端。具体请参考图4-34。如果面包板上左右两侧用作电源的几列孔没有正负极性颜色标识的话,我建议你使用记号笔对它们做上记号加以区分,免得产生极性错误而烧坏元件。

图4-34 当在面包板上围绕着芯片搭建电路时,比较方便的做法是在面包板的两侧都接上电源的正端和负端。对于无源的定时器电路,9 V 的电源以及100 µF 的平滑电容器可以像本图这样布置。如果面包板上左右两侧用作电源的几列孔没有正负极性颜色标识的话,我建议你自己动手用永久性的记号笔做上颜色标记

当采用9 V 电源供电时,4026 计数芯片刚好勉强能够驱动我们的数码管中的LED。在确保芯片朝向正确(即让引脚1位于左上角)的前提下,将其插在面包板上紧靠三位数码管上方的位置,在二者之间仅空出一行孔。

图4-35的电路原理图给出4026芯片引脚的连接方法,图中的箭头指明了计算器上的引脚号与数码管上的引脚号之间的连接关系。

图4-36标出了4026计数器芯片的引脚功能。你应该参照这个图去理解图4-35的电路原理图。

我们在4026计数器的引脚1与电源正端之间连接一个触动开关,在引脚1 与电源负端之间接一个10 kΩ 的电阻器,以保证在按下开关之前4026计数器的输入为负。在确保电源正、负端连接正确的前提下,合上电源。你应该可以发现,当你轻按触动开关时,计数器将使数码管上显示的数字从0开始往上变化,当变化到9后又会从0开始重来。你也许还会发现,这个芯片有时会误解你按下按钮的动作,把按下一次当成两次甚至三次。我将在稍后来处理这个问题。

数码管中LED 发出的光线不会太亮,因为所串联的1 kΩ 电阻器限制了它们能够接收到的功率。这些电阻器对于防止计数器的输出过载是必不可少的。

图4-35 IC3为4026 计数器,IC4为三数字的七段数码管芯片。图中的箭头告诉你LED数码管上的哪一个引脚应该连接到计数器的该引脚上

图4-36 4026 十进制计数器是一个CMOS芯片,它通过引脚1接收时钟脉冲,对脉冲数目做从0~9的累加,并通过专门与七段LED数码管进行,接口的引脚将累加结果输出

基础知识

计数器和七段数码管

大多数的计数器接受脉冲流,并将它们依次分配给一系列的引脚。4026十进制计数器比较特别,它以一种特别的模式往输出引脚输出功率,正好可以点亮七段数码管的LED段。

有些计数器产生正的输出(它们是放出电流的“源”),另外一些则产生负的输出(它们是吸收电流的“宿”)。有些数码管要求正的输入来点亮数字,这就是所谓的“共阴极”数码管。其他的要求负的输入,即所谓的“共阳极”数码管。4026供应正的输出,因此要求共阴极的数码管。

不管是何种计数器,都请查阅其参数说明书,看它需要多大的功率,能够发出多大的功率。CMOS芯片一天天地过时了,但对于业余爱好者来说,它们却十分有用,因为它们能够经受大范围的电压——对于4026 来讲,电压的范围是从5 V 到15 V。其他类型的芯片的工作电压范围则要窄得多。

大多数的计数器只能发出或吸收几毫安的输出电流。当4026由9 V的电源供电时,它的每个引脚大约可以发出4 mA的电流。这勉强可以驱动七段数码管的一个LED段。

可以在计数器的每个输出引脚与相应的数码管输入引脚之间串联一个电阻器,但更为简单、快捷的方法是每个数码管只用一个电阻器,将其串联在数码管的电源负端引脚和地之间即可。下面我要介绍的实验使用的就是后面这种简单方法。它的一个缺点是,像1这样只用到少数几个段的数字将比像8这样用到许多个段的数字明亮。

如果你希望自己的数码管看起来明亮而专业,那么你就需要给每个数码管的每个段添加一个晶体管来驱动。另一个选择是使用包含有多个运放的芯片来放大电流。

当一个十进制计数器计数到9再回到0时,它会往其“进位”引脚输出一个脉冲。这个脉冲可以用来驱动另一个计数器,以记录10的数目。而第二个计数器上的进位引脚又可以连接到第三个计数器,以记录100的数目,以此类推。除了十进制计数器外,还有十六进制计数器(它按16的倍数来计数)、八进制计数器(按8的倍数来计数),等等。

为什么需要十进制以外的其他计数方法呢?考虑一下数字钟上面的四个数字各有不同的计数方法就明白了。最右边的数字在达到10时就恢复到0,其左边的下一位数字则按6的倍数来计数。当小时的第一位数字计数到10时,就会发出进位信号,当它再次计数到2时,又会发出另一个进位信号。当时间按12小时格式计时,小时的最左边一位要么是空,要么是1。很自然地,有一些专门设计的计数器来完成这种工作。

计数器有一些控制引脚,例如“时钟屏蔽”,它就是用来告诉计数器,让其忽略输入脉冲并使数码管的显示固定起来,“显示使能”则用来使芯片可以输出,“复位”则用来使计数器恢复到0。

4026芯片要求正的输入来激活其各个控制引脚的功能。当引脚接地时,它们的功能就不起作用。

为了使4026计数并显示其计数结果,必须将“时钟屏蔽”和“复位”引脚接地(以使这些功能不起作用),并给“显示使能”引脚加上正电压(以激活输出)。具体请参考图4-36中对各个引脚功能的标注。

假定你完成了用一个计数器来驱动一位数字的任务,接下来你准备增加两个计数器,用来控制剩下的两位数字。第一个计数器对1的倍数进行计数,第二个对10的倍数进行计数,第三个则对100的倍数进行计数。

在图4-37中,我继续使用箭头和数字来告诉你计数器的引脚应该连接到数码管的哪一个引脚。否则的话,电路原理图将因为连接导线彼此交叉而变得混乱不堪。

此时此刻,你完全有可能因为需要进行大量的连线而沮丧地放弃目前的实验项目——事实上,在面包板上搭建电路的话,用不了半个小时你就能够完成目前阶段的项目。我建议你一定要试一下,因为看到数码管“全自动地”从000往999显示计数,是一件很神奇的事情,而我之所以选择这个项目,还因为它具有很大的指导价值。

S1接在IC1的“时钟屏蔽”引脚上,以便在你按下这个按钮开关时,使计数器停止计数。由于IC1控制IC2,IC2控制IC3,如果你让IC1停止计数,其他两个芯片就必须等待IC1恢复计数。因此你就没有必要再使用其他两个芯片的“时钟屏蔽”功能。

S2连接到所有3个计数器的“复位”引脚上,以便在你按下这个按钮时,将所有3个计数器置零。

S3往第一个计数器的“时钟输入”引脚手动地发送正脉冲。

在S1、S2、S3所连的引脚上,都有一个1 kΩ 的电阻器连接到电源的负端。这样做的目的在于,当按钮没有按下时,“下拉”电阻器将保持引脚接近于地的电压(零电压)。而当你按压其中的某个按钮时,这将直接把芯片的引脚连接到正电压,轻而易举地使负电压失去作用。通过这种方式,引脚要么处于确定的正电平状态,要么处于确定的负电平状态。如果你断开其中的某个下拉电阻器,就可能会看到数码管的显示发生不规律的“乱跳”(数码管芯片的有些引脚没有连接,这不会引起任何问题,因为它不过是由一组LED段构成的无源芯片而已)。

图4-37 这个测试电路的布局跟在面包板上搭建电路的布局相似,它让你可以手动地触发计数器,来验证数码管的显示从000开始往上增加到999。具体的元件参数如下。所有电阻器的阻值为1 kΩ。

S1、S2、S3:单刀单掷触动开关,常开型

IC1、IC2、IC3:4026十进制计数器芯片

IC4:今台牌的3位共阴极数码管

C1:100 µF(至少)的平滑电容器

请根据箭头前方的数字,将IC1、IC2、IC3上的引脚连接到IC4上的引脚。为了清楚起见,图中忽略了实际的连线。请参考IC4的引脚功能

CMOS芯片的输入引脚永远需要连接,以使其要么为正电位,要么为负电位。请参考“引脚不要浮位”的警告。

我建议你先连好在电路原理图中显示的所有连线。然后再剪一些22号线规的导线,来完成其余的(没有画出来的那些)由IC1、IC2和IC3的引脚插孔到IC4的引脚插孔之间的连接。

合上电源开关并按下S2,你将看到数码管上显示3个0。

你每按下一次S3,计数就将增加1。如果你按下S2,计数将复位到0。如果你保持S1为按下的状态,同时反复地按S3,那么计数器将固定不动,它将忽略来自S3的脉冲。

基础知识

开关弹跳

当你按压S3时,我想你有时可能会遇到计数增加不止1的情况。这并不意味着你的电路或元件有什么问题,而是你观测到了一种称作“开关弹跳”的现象。

从微观的层面来看,按钮开关内部触点的闭合过程是不平滑、不稳固、不果断的。在达到稳定之前,它们会振动若干微秒,计数器芯片检测到这些振动,并将其当成一系列的脉冲而不是一个脉冲。

有各种各样的电路用于开关的“防弹跳”。最简单的方法是在开关上并联一个小电容,以吸收脉冲的起伏,但这种方法不是很理想。稍后,我将回过头来讨论防弹跳的问题。在目前的电路中,开关弹跳不是我们需要关心的问题,因为我们将去掉S3,而用一个555定时器来代替它,以产生出相当分明、无弹跳的脉冲。

脉冲产生

555定时器是驱动计数器芯片的理想选择。你已经知道如何连接555,以使其产生一串脉冲,通过扬声器来发出噪音。我使用当前实验项目中的正负供电电源配置,重建了跟以前同样的555电路的简化形式,如图4-38所示。此外,我也以你最可能采用的方式,即通过芯片的上方空间走线,在引脚2和引脚6之间绘出了一个连接。

图4-38 一个基本的不稳电路,用于驱动前一个电路原理图中的十进制计数器。其输出大约是每秒4个脉冲。有关元件参数如下。

R7:1 kΩ

R8:2 k 2

C2:68 µF

C3:0.1 µF

IC5:555定时器

对于目前的实验来讲,我建议的初始元件参数值每秒仅产生4个脉冲。再快一点的话,你就无法验证你的计数器是否能够恰当地计数。

在紧邻IC1的上部,安装IC5以及相关的元件。不要在芯片之间留任何的空位。断开S3和R3的连接,在IC5的引脚3(输出)与最上部的计数器IC1的引脚1(时钟)之间直接连一条导线。再次上电,你应该可以看到数码管上的数字以平滑、正常的方式快速地增加。按下S1并保持按下的状态,计数将保持不动。释放S1,又将恢复计数。按下S2,计数器应该复位,即使你同时按下S1也将复位。

不能有浮位的引脚

CMOS芯片是高敏感性的器件。任何引脚如果没有连接到供电电源或者地,就被称作是“浮位”的,它可能会起到天线一样的作用,对它周围世界中的微小波动很敏感。

4026计数器芯片有一个引脚称作“时钟屏蔽”。制造商的参数说明书给你提供的一个很有用的信息是,如果给这个引脚加上正电压,芯片就会停止计数,显示也会固定下来。由于你并不希望这样,因此很可能会忽略这个引脚而让其保持未连接的状态(至少在测试这个芯片的时候你可能会这样做)。这很不好!

参数说明书中没有告诉你的是(也许是考虑到“人人都知道”的缘故吧),如果你想要4026芯片的时钟运转正常,时钟屏蔽引脚本身必须被屏蔽,即必须将其连接到负电压(地)。如果你听任其浮位(并且从我本人的经验来看),这个芯片将变得行为异常而没什么用处。

所有的输入引脚必须要么接正要么接负,除非有其他的特别说明。

更上一层楼

现在是时候回想一下这个电路的目的了,它是用来测试人的反应能力的!当使用者启动它之后,我们需要一个起始的延迟,后面紧跟一个信号——可以是一个LED被点亮。使用者通过尽可能快地按下一个开关来对信号做出响应。在使用者做出响应期间,计数器将对所经过的时间以毫秒数进行计数。当使用者按下按钮时,计数器停止计数,数码管的显示将无限期地保持不变,显示出使用者做出反应之前已经计数的脉冲个数。

如何处理它呢?我认为我们需要一个触发器。当触发器得到一个信号时,它就启动计数器计数,并让其一直计数下去。当触发器得到另一个信号时(来自使用者按下按钮的信号),它阻止计数器计数,并让其保持停止状态。

我们怎样才能搭建出这个触发器呢?不管你信不信,我们可以用另一个555定时器来做到这一点,只不过我们需要让它工作于一个新的模式——双稳态。

基础知识

双稳态的555定时器

图4-39给出了555定时器的内部布局,这跟以前介绍过的情况一样,只不过把以前那些右手侧的外部元件去掉了而已。取而代之的是,我在引脚6上施加了一个恒定的负电压。你能够想到其结果吗?假设你在触发引脚2上施加一个负脉冲。在正常情况下,这样做,555定时器将开始运行,它会产生一个正的输出并同时给引脚6上所接的电容充电。当该电容电压达到供电总电压的2/3时,就会告诉555定时器停止其正电压输出,翻转到原来的负电压。

图4-39 在双稳态配置中,555 定时器的引脚6永远为负电位,以使定时器的周期永不结束,除非你在引脚4(复位引脚)上施加一个负脉冲来强迫其结束

然而,没有电容时,就不会有什么东西来使定时器停止。它的正输出将无限地输出下去。不过,引脚4(复位引脚)仍然可以屏蔽一切,因此如果你给引脚4施加负电压,它就会让输出翻转为负。在这之后,输出又将一直保持为负,就跟正常一样,除非你让引脚2上的电压下降而再次触发定时器(这将使定时器翻转回到输出为正的状态)。

以下是双稳态配置的一个快速总结。

□ 在引脚2上施加一个负脉冲将使输出翻转为正。

□ 在引脚4上施加一个负脉冲将使输出翻转为负。

□ 定时器在这两种状态下都是稳定的。它的每个状态的运行时间都是无限长的。

让定时器的引脚5和引脚7保持未连接状态是不会引起问题的,因为我们将定时器推到了极限的状态,在这种极限状态下,来自这两个引脚的任何随机信号都将被忽略。

在双稳态中,555定时器转变成了一个很大的触发器。为了避免任何的不确定性,我们使用上拉电阻器将引脚2和引脚4保持在正常的正电位,而当我们希望使555翻转到其相反的状态时,在这些引脚上施加负脉冲可以覆盖这些上拉电阻的作用。用两个按钮来控制555定时器、使其运行于双稳态模式的电路原理图如图4-40所示。你可以将这个电路添加在你的现有电路的上方。由于现在要将IC6的输出连接到最上面那个计数器IC1的引脚2上,因此可以将引脚2上的S1和R1断开。具体见图4-41。

图4-40 在反应测试器上添加一个双稳态的555定时器,就可以通过触动一个按钮来停止计数器的计数,并保持其在停止状态。相应的元件参数如下。

R9,R10:1 kΩ

IC6:555定时器

现在再次给电路加电。你应该可以看到电路跟以前一样地计数,不过当你按下S4时,电路就会停顿下来。这是因为双稳态的555定时器将其正输出发送给了计数器的“时钟屏蔽”引脚。计数器仍然在不断地从非稳态的555定时器那里收到脉冲流,但是只要计数器的引脚2上的电位为正,计数器就会简单地忽略这些脉冲。

现在按下S5,这将使双稳态的555定时器翻转回输出负电位的状态,从此开始又恢复计数。

我们已经越来越接近最终能够工作的电路。我们可以使计数复位到零(用S3),可以启动计数(用S5),也可以等待使用者停止计数(用S4)。唯一缺少的就是一个出其不意启动计数的方法。

延迟

假设我们再添加一个555定时器,并让其工作于单稳态。用一个负脉冲来触发其引脚2,使其发出持续时间为4 s 的正输出。当持续时间结束以后,输出又返回到负。也许我们可以把这个从正到负的转换引到IC6的引脚4上。这可以用来代替开关S5,以前我们是通过按压S5来启动计数的。

请看图4-41中新的电路原理图,其中增加了另一个555定时器,即IC6上方的IC7。当IC7的输出从正变到负时,它将触发IC6导致其复位,使其输出变负,从而启动计数。所以IC7取代了启动开关S4的地位。你可以去掉S4,但要保留上拉电阻R9,以使IC6的复位信号在剩余的时间里仍保持为正电平。

图4-41 电路中与定时器相关的整个控制部分。其中各元件的参数如下。

R7,R9,R10,R12:1 kΩ

R8:2k2

R11:330 kΩ

C1:100 µF

C2:68 µF

C3,C4,C6:0.1 µF

C5:10 µF

S1,S2,S3:触动开关

IC5,IC6,IC7:555定时器

这个配置之所以能够工作,是因为我用电容器C4连接IC7的输出引脚与IC6的复位引脚。这个电容器对从正到负的电压突变起着沟通的作用,而在突变以外的其余时间里,它则会阻挡来自IC7的稳态电压,因此不会干扰IC6

在图4-41所示的最终的电路原理图中,3个555定时器是连接在一起的,你应该将它们插在最上一个计数器IC1的上方。我还增加了一个LED用以提醒使用者。图4-42是我按照这个电路原理图搭建出来的电路的照片。

图4-42 完整的反应计时器电路刚好可以安装在一个63 行的面包板上

由于这个电路比较复杂,我将总结一下其工作时各事件发生的顺序。当你顺着这些步骤阅读的时候,请同时参考图4-41。

(1)使用者按下启动延迟按钮S4,这将触发IC7

(2)IC7的输出变高若干秒,同时C5充电。

(3)IC7的输出降回到低电平。

(4)IC7通过C4将一个低电压脉冲传递给IC6的引脚4。

(5)IC6的输出翻转到低电平,并停留在低电平。

(6)IC6的低电平输出通过LED 吸收电流,并点亮LED。

(7)IC6的低电平输出也传递到IC1的引脚2。

(8)IC1的引脚2 上的低电平使得IC1开始计数。

(9)使用者按下“停止”按钮S3

(10)S3将IC6的引脚2 接地。

(11)IC6的输出翻转为高电平,并保持在高电平状态。

(12)IC6的高电平输出关闭LED。

(13)IC6的高电平输出同时也传递到IC1的引脚2。

(14)IC1的引脚2 上的高电平使其停止计数。

(15)在核实结果之后,使用者按下S2

(16)S2将正电压施加在IC1、IC2和IC3的引脚15 上。

(17)正电压使计数器置零。

(18)使用者现在可以再试一次。

(19)同时,在整个过程中,IC5是不停地运行的。

为了让你更容易地理解以上的整个过程,我给出了一个原理方框图,如图4-43所示。

图4-43 反应测试器的功能方框图

反射测试器的使用

现在你应该可以测试整个电路了。在你第一次给它加电的时候,它将立刻开始计数,这确实有点儿令人讨厌,不过这个问题很容易解决。可以按下S3停止计数,然后按下S2使计数置零即可。

现在按下S4。似乎什么也没有发生——但是这恰恰是该装置的用意所在。延迟环节在不动声色的状态下开始了。经过若干秒之后,延迟环节结束,LED灯亮起。与此同时,计数开始了。使用者以尽可能快的速度按下S3来停止计数。数码管上的数字停顿下来,显示出所经过的时间。

现在只剩下一个问题——系统还没有经过标定。它仍然运行在慢速模态。你需要改换连接在IC5上的电阻器和电容器,以使其每秒产生脉冲的个数为1 000个而不是3~4个。

用一个10 kΩ 的微调电位器来代替R8,用一个1 µF 的电容器来代替C2。当微调电位器处于最大电阻值时,这个组合每秒大约产生690个脉冲。当你往下调小微调电位器的电阻值时,大约在其刻度的中途某个位置上,定时器每秒将产生出1 000 个脉冲。

你如何才能知道这个点精确的位置呢?在最理想的情况下,你应该用示波器来测量IC5的输出。但最有可能的情况是,你没有示波器,因此这里给出其他几点建议。

首先去掉C2位置处的1 µF 的电容器,代之以一个10 µF 的电容器。由于你将电容值乘了10,因此速度将降低10倍。现在数码管的最左位应该按秒来计数,每过10 s 就将达到9 并回落到0。你可以用跑表来测量显示的时间,并同时调节微调电位器的阻值。在调好之后,就可以移去C2处的10 µF 的电容器,而使用原来1 µF 的电容器。

这个办法的唯一问题是,电容器的容值误差可高达10%。如果你想精确地调整你的反应定时器,那么可以照以下办法行事。

断开IC3引脚5 上的连线,代之以一个串联有1 kΩ 电阻器的LED,接在引脚5和地之间。引脚5为“进位”引脚,在IC3往上计数到9并回落到0重新开始计数时,它将发出一个正脉冲。由于IC3按几十分之一秒进行计数,因此它的进位引脚应该每秒输出一个进位脉冲。

现在让电路运行整整一分钟,用跑表来判断LED的闪烁是逐渐快于还是慢于每秒一次。如果你的便携式摄像机的取景框带时间显示,就可以用其来观测LED。

如果LED的闪烁太短暂不容易看到的话,那么你可以从引脚5引出一根导线,连接到另外一个设定于单稳模态的555定时器上,以产生一个持续时间大约为0.1 s的输出,然后用这个定时器的输出来驱动一个LED。

功能增强

毫无疑问,任何时候当你完成一个电路项目时,你都可以找出一些可以改进的地方。以下是一些改进建议。

(1)加电时不要计数。如果电路能够从“准备”状态开始,而不是从计数状态开始,那将是一件很好的事情。为了达到这个目标,你需要往IC6的引脚2发送一个负脉冲,可能还得往IC1的引脚15发送一个正脉冲。也许多加一个555定时器就可以做到这一点。我把这个实验留给你去完成。

(2)当按下开始按钮时,有声音反馈。在目前的电路中,在开始按钮上发生的任何事情都没有一个可供确认的信号。为此,你只需购买一个压电蜂鸣器,将它连接在开始按钮的右手侧与电源的正端之间即可。

(3)在计数开始之前,加入一段随机的延时。使电子器件表现出随机行为是十分困难的,不过有一个办法可以完成这个任务,就是让使用者把手指放在一对金属触点上,即用手指的皮肤电阻来代替R11。因为手指的压力不会每次都完全一样,延迟也就将不同。采用这个方法的话,你就不得不调整C5的数值。

总结

这个实验项目展示了如何控制计数器芯片、如何将计数器芯片连接在一起,以及555定时器的3种不同功能。它也向你展示了芯片如何彼此通信,还给你介绍了在搭建好电路之后,如何对电路进行定标。

很自然的是,如果你想对这个电路加以实际应用的话,你就应该将其封装在一个项目盒里,并且要使用更加耐用的按钮——尤其是那个停止计数的按钮。你会发现,当一个人进行反应能力测试时,他们会用很大的力气去按停止按钮。

由于这个实验项目比较大,花去了你不少的时间和精力,因此在接下来我们往另一种类型的集成电路——逻辑芯片的迷人世界里前进的时候,我先安排了一些比较容易、能够较快完成的项目,来减轻一下压力。

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