Séquenceur LED

PIÈCES ET MATÉRIAUX

• Compteur/diviseur à décades 4017 (catalogue Radio Shack n° 276-2417)
• IC de minuterie 555 (catalogue Radio Shack n° 276-1723)
• Bargraphe LED à dix segments (catalogue Radio Shack n° 276-081)
• Un commutateur SPST
• Une batterie 6 volts
• Résistance 10 kΩ
• Résistance 1 MΩ
• Condensateur 0,1 µF (catalogue Radio Shack n° 272-135 ou équivalent)
• Condensateur de couplage, 0,047 à 0,001 µF
• Dix résistances 470 Ω
• Détecteur audio avec casque

Attention ! Le 4017 IC est CMOS, et donc sensible à l'électricité statique !

Tout interrupteur unipolaire unidirectionnel est adéquat. Un interrupteur d'éclairage domestique fonctionnera très bien et est facilement disponible dans n'importe quelle quincaillerie.

Le détecteur audio sera utilisé pour évaluer la fréquence du signal. Si vous avez accès à un oscilloscope, le détecteur audio est inutile.

REFERENCES CROISEES

Leçons En Circuits Électriques , Volume 4, chapitre 3 :« Portes logiques »

Leçons En Circuits Électriques , Tome 4, chapitre 4 :« Commutateurs »

Leçons En Circuits Électriques , Tome 4, chapitre 11 :« Les compteurs »

OBJECTIFS D'APPRENTISSAGE

• Utilisation d'un circuit de minuterie 555 pour produire des impulsions « horloge » (astable multivibrateur)
• Utilisation d'un circuit compteur/diviseur à décades 4017 pour produire une séquence d'impulsions
• Utilisation d'un circuit compteur/diviseur à décades 4017 pour la division de fréquence
• Utiliser un diviseur de fréquence et une pièce d'horlogerie (montre) pour mesurer la fréquence
• Objectif d'une résistance « pulldown »
• Découvrez les effets du "rebond" du contact de commutation sur les circuits numériques
• Utilisation d'un circuit temporisé 555 pour « rebondir » un interrupteur mécanique (monostable multivibrateur)

SCHÉMA SCHÉMA

ILLUSTRATION

INSTRUCTIONS

Le circuit intégré modèle 4017 est un compteur CMOS à dix bornes de sortie. L'un de ces dix terminaux sera dans un état « haut » à un moment donné, tous les autres étant « bas », ce qui donne une séquence de sortie « un sur dix ». Si des impulsions de tension faible à élevée sont appliquées à la borne « horloge » (Clk) du 4017, il incrémentera son compte, forçant la sortie suivante à un état « élevé ».

Avec une minuterie 555 connectée en tant que multivibrateur astable (oscillateur) de basse fréquence, le 4017 parcourra sa séquence de dix points, allumant chaque LED, une à la fois, et "recyclant" jusqu'à la première LED. Le résultat est une séquence visuellement agréable de feux clignotants. N'hésitez pas à expérimenter avec les valeurs de résistance et de condensateur sur la minuterie 555 pour créer différentes vitesses de flash.

Essayez de déconnecter le fil de liaison reliant la borne « Clock » du 4017 (broche n° 14) à la borne « Sortie » du 555 (broche n°3) où il se connecte à la puce de la minuterie 555, et tenez son extrémité dans votre main. S'il y a suffisamment de « bruit » de ligne électrique 60 Hz autour de vous, le 4017 le détectera comme un signal d'horloge rapide, provoquant le clignotement très rapide des LED.

Deux bornes de la puce 4017, « Reset » et « Clock Enable », sont maintenues dans un état « bas » au moyen d'une connexion au côté négatif de la batterie (masse). Ceci est nécessaire si la puce doit compter librement. Si la borne « Reset » est rendue « élevée », la sortie du 4017 sera réinitialisée à 0 (broche n° 3 « élevée », toutes les autres broches de sortie « basées »). Si le "Clock Enable" est rendu "élevé", la puce cessera de répondre au signal d'horloge et fera une pause dans sa séquence de comptage.

Si la borne « Reset » du 4017 est connectée à l'une de ses dix bornes de sortie, sa séquence de comptage sera écourtée ou tronquée . Vous pouvez expérimenter cela en déconnectant la borne « Reset » de la terre, puis en connectant un long câble de raccordement à la borne « Reset » pour une connexion facile aux sorties du bargraphe LED à dix segments. Remarquez combien (ou combien peu) de LED s'allument avec le « Reset » connecté à l'une des sorties :

Des compteurs tels que le 4017 peuvent être utilisés comme diviseurs de fréquence numérique, pour prendre un signal d'horloge et produire une impulsion se produisant à un certain facteur entier de la fréquence d'horloge. Par exemple, si le signal d'horloge du temporisateur 555 est de 200 Hz et que le 4017 est configuré pour une séquence de comptage complet (la borne « Reset » connectée à la terre, donnant un comptage complet de dix étapes), un signal avec un une période dix fois plus longue (20 Hz) sera présente à n'importe laquelle des bornes de sortie du 4017. En d'autres termes, chaque terminal de sortie effectuera un cycle une fois pour chaque dix cycles du signal d'horloge :une fréquence dix fois plus lente.

Pour expérimenter ce principe, connectez votre détecteur audio entre la sortie 0 (broche #3) du 4017 et la masse, via un très petit condensateur (0,047 µF à 0,001 µF). Le condensateur est utilisé uniquement pour « coupler » les signaux CA, ce qui vous permet de détecter de manière audible les impulsions sans placer de charge CC (résistive) sur la sortie de la puce du compteur.

Avec la borne 4017 « Reset » mise à la terre, vous aurez une séquence de comptage complet et vous entendrez un « clic » dans le casque à chaque fois que la LED « 0 » s'allume, correspondant à 1/10 de la fréquence de sortie réelle du 555. :

En fait, connaître cette relation mathématique entre les clics entendus dans le casque et la fréquence d'horloge nous permet de mesurer la fréquence d'horloge avec une bonne précision. À l'aide d'un chronomètre ou d'une autre pièce d'horlogerie, comptez le nombre de clics entendus en une minute complète lorsque vous êtes connecté à la sortie « 0 » du 4017. En utilisant une résistance de 1 MΩ et un condensateur de 0,1 µF dans le circuit de synchronisation 555, et une tension d'alimentation de 13 volts (au lieu de 6), j'ai compté 79 clics en une minute à partir de mon circuit.

Votre circuit peut produire des résultats légèrement différents. Multipliez le nombre d'impulsions comptées à la sortie « 0 » par 10 pour obtenir le nombre de cycles produits par la minuterie 555 pendant ce même temps (mon circuit :79 x 10 =790 cycles). Divisez ce nombre par 60 pour obtenir le nombre de cycles de minuterie écoulés dans chaque seconde (mon circuit :790/60 =13,17). Ce chiffre final est la fréquence d'horloge en Hz.

Maintenant, en laissant une sonde de test du détecteur audio connectée à la terre, prenez l'autre sonde de test (celle avec le condensateur de couplage connecté en série) et connectez-la à la broche n°3 de la minuterie 555. Le bourdonnement que vous entendez correspond à la fréquence d'horloge non divisée :

En connectant la borne « Reset » du 4017 à l'une des bornes de sortie, une séquence tronquée en résultera. Si nous utilisons le 4017 comme diviseur de fréquence, cela signifie que la fréquence de sortie sera un facteur différent de la fréquence d'horloge :1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 ou 1/2, en fonction de la borne de sortie à laquelle nous connectons le cavalier « Reset ».

Reconnectez la sonde de test du détecteur audio à la sortie « 0 » du 4017 (broche #3), et connectez le cavalier de la borne « Reset » à la sixième LED en partant de la gauche sur le bargraph. Cela devrait produire un rapport de division de fréquence de 1/5 :

En comptant à nouveau le nombre de clics entendus en une minute, vous devriez obtenir un nombre environ deux fois plus grand que ce qui était compté avec le 4017 configuré pour un rapport 1/10, car 1/5 est un rapport deux fois plus grand que 1/10.

Si vous n'obtenez pas un décompte exactement le double de ce que vous obteniez auparavant, c'est à cause d'une erreur inhérente à la méthode de comptage des cycles :coordonner votre sens de l'ouïe avec l'affichage d'un chronomètre ou autre appareil de chronométrage.

Essayez de remplacer la résistance de synchronisation de 1 MΩ dans le circuit 555 par une de valeur nettement inférieure, telle que 10 kΩ. Cela augmentera la fréquence d'horloge entraînant la puce 4017. Utilisez le détecteur audio pour écouter la fréquence divisée à la broche n° 3 du 4017, en notant les différentes tonalités produites lorsque vous déplacez le cavalier « Réinitialiser » vers différentes sorties, créant ainsi différents rapports de division de fréquence.

Voyez si vous pouvez produire des octaves en divisant la fréquence d'origine par 2, puis par 4, puis par 8 (chaque octave descendante représente la moitié de la fréquence précédente). Les octaves se distinguent facilement des autres fréquences divisées par leurs hauteurs similaires à la tonalité d'origine.

Une dernière leçon qui peut être tirée de ce circuit est celle du « rebond » du contact de commutation. Pour cela, vous aurez besoin d'un commutateur pour fournir des signaux d'horloge à la puce 4017, au lieu du temporisateur 555. Reconnectez le cavalier « Reset » à la terre pour activer une séquence de comptage complète en dix étapes et déconnectez la sortie du 555 de la borne d'entrée « Clock » du 4017.

Connectez un interrupteur en série avec un pulldown de 10 kΩ résistance, et connectez cet ensemble à l'entrée 4017 « Horloge » comme indiqué :

Le but d'une résistance « pulldown » est de fournir un état logique « bas » défini lorsque le contact de l'interrupteur s'ouvre. Sans cette résistance en place, le fil d'entrée « Horloge » du 4017 serait flottant chaque fois que le contact de l'interrupteur était ouvert, le laissant vulnérable aux interférences causées par des tensions statiques parasites ou des « bruits » électriques, l'un ou l'autre étant capable de faire le compte 4017 de manière aléatoire.

Avec la résistance pulldown en place, l'entrée « Horloge » du 4017 aura une connexion définie, bien que résistive, à la terre, fournissant un état logique « bas » stable qui exclut toute interférence due à l'électricité statique ou au « bruit » couplé à partir du câblage du circuit CA à proximité. .

Actionnez l'interrupteur marche et arrêt en notant l'action des LED. À chaque transition d'interrupteur marche-arrêt, le 4017 devrait s'incrémenter une fois dans son compte. Cependant, vous remarquerez peut-être un comportement étrange :parfois, la séquence de LED « sautera » une ou même plusieurs étapes avec une seule fermeture de commutateur.

Pourquoi est-ce? Cela est dû à un « rebondissement » mécanique très rapide des contacts de l'interrupteur. Lorsque deux contacts métalliques sont rapprochés rapidement, comme cela se produit à l'intérieur de la plupart des commutateurs, il y aura une collision élastique. Cette collision entraîne l'établissement et la rupture des contacts très rapidement lorsqu'ils « rebondissent » les uns sur les autres.

Normalement, ce "rebond" est beaucoup trop rapide pour que vous puissiez voir ses effets, mais dans un circuit numérique comme celui-ci où la puce du compteur est capable de répondre à des impulsions d'horloge très rapides, ces "rebonds" sont interprétés comme des signaux d'horloge distincts, et le compte incrémenté en conséquence.

Une façon de lutter contre ce problème consiste à utiliser un circuit de synchronisation pour produire une seule impulsion pour un nombre quelconque de signaux d'impulsion d'entrée reçus dans un court laps de temps. Le circuit s'appelle un multivibrateur monostable , et toute technique éliminant les fausses impulsions causées par le « rebond » du contact du commutateur est appelée anti-rebond .

Le circuit de la minuterie 555 est capable de fonctionner comme un anti-rebond, si l'entrée « Trigger » est connectée au commutateur en tant que telle :

Veuillez noter que puisque nous utilisons à nouveau le 555 pour fournir un signal d'horloge au 4017, nous devons reconnecter la broche #3 de la puce 555 à la broche #14 de la puce 4017 ! De plus, si vous avez modifié les valeurs de la résistance ou du condensateur dans le circuit de la minuterie 555, vous devez revenir aux composants d'origine de 1 MΩ et 0,1 µF.

Actionnez à nouveau l'interrupteur et notez le comportement de comptage du 4017. Il ne devrait plus y avoir de comptes "sautés" comme c'était le cas auparavant, car la minuterie 555 émet une seule impulsion nette pour chaque on-to-off actionnement (notez l'inversion de fonctionnement ici !) de l'interrupteur.

Il est important que la synchronisation du circuit 555 soit appropriée :le temps de charge du condensateur doit être plus long que la période de « stabilisation » de l'interrupteur (le temps nécessaire pour que les contacts arrêtent de rebondir), mais pas aussi longtemps que la minuterie « manquerait » une séquence rapide d'actionnement du commutateur, si elles devaient se produire.