如何制作发光二极电子沙漏
如何制作发光二极电子沙漏
一、电路整体分析
1 电路结构。
电子沙漏是一个级联运用移位寄存器的典型实例，电路图如图1所示，它包括五个组成部分：
(1)集成电路ic1、ic2组成的15位移a位寄存器；
(2)开关s1、s2，二极管vd16、vd17、vd18，电阻r16等组成的输入数据控制电路；
(3)晶体管vt1～vt15和vt1'～vt15 组成的输出状态控制电路；a
(4)发光二极管vd1～vd15和vd1～vd15 组成的显示电路；
(5)反相器d1、d2等组成的时钟振荡器。
图2为其原理方框图。
在结构上，两组各15个发光二极管分别排列成为两个三角形，如图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。两个三角形的顶尖相对，组成沙漏形状。当上部有一个发光二极管熄灭时，相应地下部就有一个发光二极管点亮，模拟了沙漏的运动。
2 简要工作原理。
集成移位寄存器ic1、ic2级联组成15位移位寄存器，构成了电子沙漏的主体控制电路。每一位寄存单元都分别通过npn晶体管vt和pnp晶体管vt'形成q和/q两个互为反相的输出状态，分别控制vd和vd'两组发光二极管。15位移位寄存器的串行数据输入端d的状态受位置控制电路的控制。当电子沙漏正向放置时（发光二极管vd1～vd15在上部且全亮），串行数据输入端d=0，并在时钟脉冲cp的作用下逐步右移，使vd1～vd15一个接一个地熄灭，同时vd1'～vd15'一个接一个地点亮，直至vd1～vd15全灭，vd1'～vd15'全亮。
当把电子沙漏上下颠倒过来后，串行数据输入端d=1，并在cp作用下逐步右移，又使vd1'～vd15'（此时在上部）一个接一个地熄灭，同时vd1～vd15（此时在下部）一个接一个地点亮，直至vd1'～vd15'全灭，vd1～vd15全亮。
二、主要单元电路分析
1 15位静态移位寄存器
15位移位寄存器由四个4位静态串入-并出移位寄存器串接而成(最后1位不用)，如图4所示。实际电路中，移位寄存器采用了两块cmos双4位静态移位寄存器集成电路cd4015。每一块cd4015内部含有两组独立的4位串入-并出移位寄存器，其串行数据输入端d上的数据，在时钟脉冲cp上升沿的作用下向右移位。设15位移位寄存器初始状态为全“1”，串行数据输入端d=0。当第1个cp脉冲到来时，移位寄存器的第1位变为0；第2个cp脉冲到来时，移位寄存器的第2位变为0；……；第15个cp脉冲到来时，移位寄存器的第15位变为0，即15位移位寄存器的状态变为全“0”。
由于cd4015的每一位寄存单元只有q输出端，因此在每一位寄存单元的q端同时接有npn型(vt)和pnp型(vt')两个射极跟随器，其输出状态：vt形成q，vt'形成/q。
2 输入数据控制电路。
电子沙漏的工作模式要求。当q1～q15为“1”时，输入数据d应为“0”；当q1～q15为“0”时，输入数据d应为“1”。d端状态的转换由输入数据控制电路完成。当q1～q15为“1”时，由s1接通电源，r16将d端箝位到地，d=0；当q1～q15为“0”时，由s2接通电源，电源电压经vd16加至d端，d=1。
3 输出状态控制电路
晶体管vt1～vt15构成15个npn型射极跟随器，分别控制发光二极管vd1～vd15。晶体管vt1'～vt15'构成15个pnp型射极跟随器，分别控制发光二极管vd1'～vd15'。15位移位寄存器的每一位寄存单元的q输出端，同时接有npn型（vt）和pnp型（vt'）两个射极跟随器。以第一寄存单元为例：当q=1时，npn晶体管vt1导通，发光二极管vd1亮；同时pnp晶体管vt'截止，发光二极管vd1'熄灭。当q=0时，npn晶体管vt1截止，vd1灭；pnp晶体管vt1'导通，vd1'亮。
4 位置控制电路
由于电源开关s1、s2同时要控制移位寄存器输入数据d的状态，而d的状态又应与电子沙漏的摆放位置相关，因此s1、s2设计成重力开关，结构如图5所示。
当电子沙漏的vd发光二极管在上部时，重力开关的位置是s2在上、s1在下，如图6(a)所示。这时，落下的金属球使s1接通，+4.5v电源经vd18提供给电路工作。由于vd17的阻隔作用，+4.5v电源不能到达d端，d=0。当将电子沙漏颠倒过来后(vd'发光二极管在上部)，变为s1在上、s2在下，如图6(b)所示。这时，落下的金属球使s2接通，+4.5v电源经vd17提供给电路工作，同时经vd16加至d端，使d=1。
5 速度控制电路
反相器d1、d2组成多谐振荡器，产生周期约为1s的连续方波，作为移位寄存器的时钟脉冲cp。调节多谐振荡器的振荡周期，即可调节电子沙漏的流动速度。振荡周期越短，沙漏速度越快。
三、制作要点
1 制作
重力开关可按图5所示自制。安装时重力开关的平面a应与面板平行，s2的一端在上、s1的一端在下。电路无须调试即可使用。
2 使用
将电子沙漏竖立起来，代表沙粒的发光二极管亮点便开始往下漏。漏完以后，将电子沙漏上下颠倒过来，又会重新开始往下漏。不用时，将电子沙漏横着放置，电源便会关断，所有发光二极管均熄灭
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1 电路结构。
电子沙漏是一个级联运用移位寄存器的典型实例，电路图如图1所示，它包括五个组成部分：
(1)集成电路ic1、ic2组成的15位移a位寄存器；
(2)开关s1、s2，二极管vd16、vd17、vd18，电阻r16等组成的输入数据控制电路；
(3)晶体管vt1～vt15和vt1'～vt15 组成的输出状态控制电路；a
(4)发光二极管vd1～vd15和vd1～vd15 组成的显示电路；
(5)反相器d1、d2等组成的时钟振荡器。
图2为其原理方框图。
在结构上，两组各15个发光二极管分别排列成为两个三角形，如图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。两个三角形的顶尖相对，组成沙漏形状。当上部有一个发光二极管熄灭时，相应地下部就有一个发光二极管点亮，模拟了沙漏的运动。
2 简要工作原理。
集成移位寄存器ic1、ic2级联组成15位移位寄存器，构成了电子沙漏的主体控制电路。每一位寄存单元都分别通过npn晶体管vt和pnp晶体管vt'形成q和/q两个互为反相的输出状态，分别控制vd和vd'两组发光二极管。15位移位寄存器的串行数据输入端d的状态受位置控制电路的控制。当电子沙漏正向放置时（发光二极管vd1～vd15在上部且全亮），串行数据输入端d=0，并在时钟脉冲cp的作用下逐步右移，使vd1～vd15一个接一个地熄灭，同时vd1'～vd15'一个接一个地点亮，直至vd1～vd15全灭，vd1'～vd15'全亮。
当把电子沙漏上下颠倒过来后，串行数据输入端d=1，并在cp作用下逐步右移，又使vd1'～vd15'（此时在上部）一个接一个地熄灭，同时vd1～vd15（此时在下部）一个接一个地点亮，直至vd1'～vd15'全灭，vd1～vd15全亮。
二、主要单元电路分析
1 15位静态移位寄存器
15位移位寄存器由四个4位静态串入-并出移位寄存器串接而成(最后1位不用)，如图4所示。实际电路中，移位寄存器采用了两块cmos双4位静态移位寄存器集成电路cd4015。每一块cd4015内部含有两组独立的4位串入-并出移位寄存器，其串行数据输入端d上的数据，在时钟脉冲cp上升沿的作用下向右移位。设15位移位寄存器初始状态为全“1”，串行数据输入端d=0。当第1个cp脉冲到来时，移位寄存器的第1位变为0；第2个cp脉冲到来时，移位寄存器的第2位变为0；……；第15个cp脉冲到来时，移位寄存器的第15位变为0，即15位移位寄存器的状态变为全“0”。
由于cd4015的每一位寄存单元只有q输出端，因此在每一位寄存单元的q端同时接有npn型(vt)和pnp型(vt')两个射极跟随器，其输出状态：vt形成q，vt'形成/q。
2 输入数据控制电路。
电子沙漏的工作模式要求。当q1～q15为“1”时，输入数据d应为“0”；当q1～q15为“0”时，输入数据d应为“1”。d端状态的转换由输入数据控制电路完成。当q1～q15为“1”时，由s1接通电源，r16将d端箝位到地，d=0；当q1～q15为“0”时，由s2接通电源，电源电压经vd16加至d端，d=1。
3 输出状态控制电路
晶体管vt1～vt15构成15个npn型射极跟随器，分别控制发光二极管vd1～vd15。晶体管vt1'～vt15'构成15个pnp型射极跟随器，分别控制发光二极管vd1'～vd15'。15位移位寄存器的每一位寄存单元的q输出端，同时接有npn型（vt）和pnp型（vt'）两个射极跟随器。以第一寄存单元为例：当q=1时，npn晶体管vt1导通，发光二极管vd1亮；同时pnp晶体管vt'截止，发光二极管vd1'熄灭。当q=0时，npn晶体管vt1截止，vd1灭；pnp晶体管vt1'导通，vd1'亮。
4 位置控制电路
由于电源开关s1、s2同时要控制移位寄存器输入数据d的状态，而d的状态又应与电子沙漏的摆放位置相关，因此s1、s2设计成重力开关，结构如图5所示。
当电子沙漏的vd发光二极管在上部时，重力开关的位置是s2在上、s1在下，如图6(a)所示。这时，落下的金属球使s1接通，+4.5v电源经vd18提供给电路工作。由于vd17的阻隔作用，+4.5v电源不能到达d端，d=0。当将电子沙漏颠倒过来后(vd'发光二极管在上部)，变为s1在上、s2在下，如图6(b)所示。这时，落下的金属球使s2接通，+4.5v电源经vd17提供给电路工作，同时经vd16加至d端，使d=1。
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三、制作要点
1 制作
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2 使用
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