|
沙漏是一种古老的计时工具，也是一种玩具。电子沙漏用电子电路控制的发光二极管表示沙粒，模拟沙漏的运动过程。电子沙漏会像真正的沙漏一样，上部的沙粒(点亮的发光二极管)一粒一粒往下掉，下部的沙粒一粒一粒堆起来。漏完以后，将电子沙漏倒过来，又会重新开始一粒一粒往下漏。
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；
(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。
|
