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[教學文] 快說!怎樣不用Arduino也能做出電子鐘!!(計數器篇)

在前一篇文章  [教學文] 快說! [教學文] 快說!怎樣不用Arduino也能做出電子鐘!!(555 IC篇)中,我們介紹了555IC的故事及應用, 本文要帶讀者們進入下一個部分:

 

計算時脈的計數器

 

生活中最常見的計數器應該是去遊樂園玩的時候,總會有人站在門口,手裡拿著一顆黑黑的東西一直按,那便是常見的機械式計數器,每按一下計數器上的數字就會加一。而另一個常見的計數器,就在汽機車的儀表板上。若仔細觀察,儀表板下方會有一排數字,車子每前進一公里,白色部分就會一直累加,直至全部變為9999或按下歸零按鈕為止。電子電路也有相同功能的IC,那就是7490系列。

作者/攝影

CAVEDU實習生 陳俊霖

文章分類教學技術文
時間

約1hr

成本

約50元

難度**(1-10)
材料表
  • 指撥開關(4位元) *1

  • IC:74LS90*1、555*1

  • 電阻:1kΩ*1、220Ω*5

  • LED*5

  • 杜邦線或單心線

  • 10uF電容*1

  • 0.1uF電容*1

(若想購買相關材料,請洽機器人王國商城)

7490是一顆10模計數器,與其相似的IC還有7492(12模計數器)、7493(16模計數器)、74390(雙十模計數器)⋯⋯等等,他們的功能就是每接收到一個時脈訊號(CLK)便把輸出加1,直至特定模數(Mod)為止。

 

舉例而言,一開始計數器的輸出是0000(二進制),在一個時脈訊號進來後,計數器會將輸出加一,此時輸出變成0001(二進制),再加入一個時脈訊號後輸出變成0010,以此類推一直至輸出變成1001(十進制的9)時,7490會自動將計數器歸零。

 

所以,整個計數器的輸出就是:0000>0001>0010>0011>0100>0101>0110>0111>1000>1001>0000⋯⋯如此循環。

 

讀者可能納悶:明明是10模為甚麼只數到9?別忘了,還有一開始的0也要算進去呀!

圖1 74LS90外觀

 

仔細瞧圖中IC上的文字,為甚麼是「74”LS”90」,而非標題的7490?他們是一樣的嗎?

 

廣義來說,是的,他們都是7490系列的IC,功能相同,接腳也相同。

 

但若就消耗功率及速度來看,他們是不一樣的,這部分就跟積體電路的製造技術和結構有關,在此不多贅述,有興趣的讀者可以上網找TTL邏輯,以獲得更多相關知識。

 

接下來讓我們看看7490的腳位:

圖2 7490腳位圖

 

74LS90 Datasheet (TI) : Decade, Divide-by-Twelve And Binary Counters (Rev. A)

 

其中:

第14腳(CKA)和第1腳(CKB)是時脈訊號輸入,輸入時脈訊號。第4腳和第13腳(NC)是指「No Connected 」的空腳位,是允許浮接的。Vcc 與GND分別接至電源的正和負。

 

第12腳、第9腳、第8腳及第11腳(QA~QD)是資料輸出,其中QDMSB(Most Significant Bit,最高有    效位元),是權序最大的。R0(1)、R0(2)與R9(1)、R9(2)皆為控制接腳,可以運用邏輯運算控制此接腳,讓計數器運用更廣泛。

圖3 7490構造圖

 

由圖3可看到,R0(1)、R0(2)和R9(1)、R9(2)皆各別接至一個「NAND」的符號,而NAND後又接至正反器(Flip-Flop)下面的小圓點,那個小圓點相當於機械式計數器的歸零鈕,只要這個腳位處於低電位,計數器便會歸零。

 

所以我們的R0(1)、R0(2)和R9(1)、R9(2)若同時為1時,NAND輸出0,計數器就會歸零,並且重新計數。

 

這裡提供一些關於數位邏輯的參考資料給讀者,想更深入研究可以參考教育部的教育大市集 :  基礎數位邏輯。雖然數位邏輯並不是那麼容易學習,但我們CAVEDU教育團隊也提供易於學習的Boson Inventor Kit  ,讓所有有興趣的大小朋友可以了解數位邏輯的有趣之處!

 

言歸正傳,就讓我們動手做出10模計數器吧!

 

Step1:7490如圖接於麵包板上,按鈕開關上拉電阻使用1kΩ,LED 限流電阻使用220Ω。將開關和電阻的連接端連接至7490的CKA(第14腳),QA輸出端接至CKB(第1腳),R1和R9腳全接地。QA~QD串聯220Ω電阻後連接LED,方便判讀數值。

圖4 接線圖

 

圖5 電路圖

 

小提示:麵包板模擬圖上的電阻值與我們要使用的不同,圖4只是給位置參考而已,實際電路元件數值如圖5所示。

 

完成接線後,確認正負極無誤就可以通電測試嘍!

圖6 完成圖

 

每按下一次按鈕開關,LED燈就會顯示二進制的數字,從0到9之後又歸零。

 

那麼我們把上次的555電路與這次的計數IC做結合,接成如下電路:

圖7 555+7490接線圖

 

小提示:麵包板模擬圖上的電阻值與我們要使用的不同,圖7只是給位置參考而已,實際電路元件數值如圖8所示。

圖8 555+7490電路圖

 

把555的第三隻腳(OUT)接至7490的CKA,我們用555取代我們手按開關的動作,就可讓它自動計數了!

 

看著LED燈號一顆顆往前堆疊,是不是挺有趣的呢!若我們再發揮一點想像力便會發現,若迴圈執行一次相當於產生一個時脈訊號,計數器的功能好比於程式語言i=i++,每當迴圈執行一次,就將變數+1,每收到一個時脈,輸出就+1。

 

延伸挑戰:

讀者可發揮創意將555產生的時脈訊號用其他元件取代,例如改成傾斜開關,就變成計步器了 ; 若改用旋轉編碼器,就可計算轉動的次數呢;裝在存錢筒上還可以幫自己算錢呢!

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