CD4017：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/分頻器

CD4017 是一款在數(shù)字電路中非常常見(jiàn)的集成電路，它屬于 CD4000 系列 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）邏輯器件。它主要用作十進(jìn)制計(jì)數(shù)器或脈沖分配器/分頻器，具有 10 個(gè)解碼輸出。這意味著它能將輸入時(shí)鐘脈沖轉(zhuǎn)換為按順序激活的 10 個(gè)獨(dú)立輸出，非常適合驅(qū)動(dòng) LED 序列、控制步進(jìn)電機(jī)、實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能以及各種數(shù)字邏輯應(yīng)用。

CD4017 的基本功能和原理

CD4017 內(nèi)部包含一個(gè)五級(jí)約翰遜（Johnson）計(jì)數(shù)器和一個(gè)解碼器。約翰遜計(jì)數(shù)器是一種移位寄存器，其輸出通過(guò)反相器反饋到輸入端，形成一個(gè)循環(huán)序列。CD4017 的五級(jí)約翰遜計(jì)數(shù)器能夠產(chǎn)生 10 個(gè)不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)通過(guò)內(nèi)部的解碼器轉(zhuǎn)換成 10 個(gè)獨(dú)立的、高電平有效的輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)器接收到時(shí)鐘脈沖時(shí)，它會(huì)從一個(gè)狀態(tài)切換到下一個(gè)狀態(tài)，從而依次激活不同的輸出引腳。

核心特性：

• 十進(jìn)制計(jì)數(shù)： CD4017 可以對(duì)輸入的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從 0 到 9。當(dāng)計(jì)數(shù)到 9 之后，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖會(huì)使其回到 0，并產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位（Carry-Out）信號(hào)。

• 10 個(gè)解碼輸出： 它有 10 個(gè)獨(dú)立的輸出引腳（Q0 到 Q9），每個(gè)引腳在計(jì)數(shù)器處于相應(yīng)的狀態(tài)時(shí)變?yōu)楦唠娖?，而其他引腳保持低電平。這意味著在任何給定時(shí)刻，只有一個(gè)輸出引腳是高電平。

• 低功耗： 作為 CMOS 器件，CD4017 具有非常低的靜態(tài)功耗，這使得它在電池供電的應(yīng)用中非常有優(yōu)勢(shì)。

• 寬工作電壓范圍： 通?？梢栽?3V 到 15V 甚至 20V 的電壓范圍內(nèi)工作，這使得它與各種電源兼容。

• 高噪聲抗擾度： CMOS 器件通常具有良好的噪聲抗擾度，適用于工業(yè)和嘈雜環(huán)境。

CD4017 的引腳功能

理解 CD4017 的功能需要掌握其各個(gè)引腳的作用。CD4017 通常采用 16 引腳雙列直插封裝（DIP）。以下是主要引腳的詳細(xì)說(shuō)明：

• VDD (引腳 16): 這是集成電路的正電源電壓輸入引腳。通常連接到 3V 到 15V 的正電源軌。

• VSS (引腳 8): 這是集成電路的負(fù)電源電壓輸入引腳，通常連接到地（GND）。

• CLK (時(shí)鐘輸入，引腳 14): 這是計(jì)數(shù)器接收時(shí)鐘脈沖的輸入引腳。計(jì)數(shù)器會(huì)在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿（從低電平到高電平的跳變）進(jìn)行計(jì)數(shù)。要使 CD4017 正常工作，時(shí)鐘信號(hào)必須是一個(gè)干凈的方波脈沖。

• CLK INH (時(shí)鐘禁止/使能，引腳 13): 這個(gè)引腳用于控制時(shí)鐘輸入。

• 當(dāng) CLK INH 為低電平（0V）時(shí)，時(shí)鐘輸入 (CLK) 被使能，計(jì)數(shù)器正常工作，對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

• 當(dāng) CLK INH 為高電平（VDD）時(shí)，時(shí)鐘輸入被禁止，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，當(dāng)前狀態(tài)保持不變。

• 這個(gè)引腳通常連接到地，以便計(jì)數(shù)器持續(xù)計(jì)數(shù)。

• RESET (復(fù)位，引腳 15): 這個(gè)引腳用于將計(jì)數(shù)器重置到初始狀態(tài)（計(jì)數(shù)為 0）。

• 當(dāng) RESET 引腳接收到高電平（VDD）脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)立即復(fù)位，所有的 Q0-Q9 輸出中只有 Q0 變?yōu)楦唠娖?，其他輸出變?yōu)榈碗娖健?/span>

• 當(dāng) RESET 引腳為低電平（0V）時(shí)，計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)。

• 這個(gè)引腳通常連接到地，以便計(jì)數(shù)器在沒(méi)有外部復(fù)位信號(hào)時(shí)持續(xù)計(jì)數(shù)。

• Q0 - Q9 (解碼輸出，引腳 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11): 這是 10 個(gè)獨(dú)立的解碼輸出引腳。

• 當(dāng)計(jì)數(shù)器處于相應(yīng)的計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的 Qn 引腳變?yōu)楦唠娖剑ń咏?VDD）。

• 在其他計(jì)數(shù)狀態(tài)下，該 Qn 引腳保持低電平（接近 VSS）。

• 例如，當(dāng)計(jì)數(shù)為 0 時(shí)，Q0 變?yōu)楦唠娖?；?dāng)計(jì)數(shù)為 1 時(shí)，Q1 變?yōu)楦唠娖?，以此類推?/span>

• COUT (進(jìn)位輸出，引腳 12): 這個(gè)引腳在計(jì)數(shù)器完成一個(gè)完整的 0 到 9 的循環(huán)后，也就是當(dāng)計(jì)數(shù)從 9 變?yōu)?0 時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖。

• COUT 脈沖的周期是輸入時(shí)鐘脈沖周期的 10 倍。

• 這個(gè)引腳常用于級(jí)聯(lián)多個(gè) CD4017，以實(shí)現(xiàn)更高位的計(jì)數(shù)功能，或者作為分頻輸出（例如，將時(shí)鐘頻率除以 10）。

CD4017 的工作原理詳解

CD4017 的核心是其內(nèi)部的約翰遜計(jì)數(shù)器和解碼器。當(dāng)一個(gè)正向時(shí)鐘脈沖（上升沿）到達(dá) CLK 引腳時(shí)，如果 CLK INH 為低電平，計(jì)數(shù)器就會(huì)遞增。

計(jì)數(shù)過(guò)程：

1. 初始狀態(tài)/復(fù)位： 當(dāng) CD4017 上電或 RESET 引腳接收到高電平脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)復(fù)位到狀態(tài) 0。此時(shí)，Q0 輸出為高電平，其他 Q1-Q9 輸出為低電平。COUT 也處于低電平。

2. 第一個(gè)時(shí)鐘脈沖： 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器從 0 遞增到 1。此時(shí) Q1 輸出變?yōu)楦唠娖?，Q0 變?yōu)榈碗娖健?/span>

3. 后續(xù)時(shí)鐘脈沖： 隨著后續(xù)時(shí)鐘脈沖的到來(lái)，計(jì)數(shù)器依次遞增，Q2, Q3, ..., Q9 依次變?yōu)楦唠娖健?/span>

4. 計(jì)數(shù)到 9： 當(dāng)?shù)诰艂€(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器達(dá)到狀態(tài) 9。此時(shí) Q9 輸出為高電平。

5. 從 9 到 0： 當(dāng)?shù)谑畟€(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器從 9 回到 0。此時(shí) Q9 變?yōu)榈碗娖?，Q0 再次變?yōu)楦唠娖?。同時(shí)，COUT 引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短暫的高電平脈沖，表示完成了一個(gè)完整的計(jì)數(shù)循環(huán)。這個(gè) COUT 脈沖通常用于級(jí)聯(lián)或作為分頻輸出。

約翰遜計(jì)數(shù)器與解碼器：

約翰遜計(jì)數(shù)器之所以能產(chǎn)生 10 個(gè)獨(dú)特的循環(huán)序列，是因?yàn)槠洫?dú)特的反饋機(jī)制。每當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)，寄存器中的位都會(huì)向右移一位，最右邊的位通過(guò)反相器反饋到最左邊的輸入。解碼器則負(fù)責(zé)將約翰遜計(jì)數(shù)器的內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換為我們看到的 10 個(gè)獨(dú)立的、單一激活的輸出。

CD4017 的典型應(yīng)用

CD4017 因其簡(jiǎn)單易用和多功能性，在各種數(shù)字電路項(xiàng)目中都有廣泛應(yīng)用。

1. LED 跑馬燈/序列燈

這是 CD4017 最常見(jiàn)也最直觀的應(yīng)用之一。通過(guò)將 10 個(gè) LED 分別連接到 Q0-Q9 輸出，并串聯(lián)限流電阻，當(dāng) CD4017 計(jì)數(shù)時(shí)，LED 會(huì)依次點(diǎn)亮，形成“跑馬燈”效果。時(shí)鐘源可以是一個(gè) 555 定時(shí)器產(chǎn)生的方波，或者微控制器產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)。通過(guò)改變時(shí)鐘頻率，可以控制 LED 跑動(dòng)的速度。

2. 步進(jìn)電機(jī)控制器

步進(jìn)電機(jī)需要按照特定的順序通電線圈才能轉(zhuǎn)動(dòng)。CD4017 的 10 個(gè)順序輸出非常適合為步進(jìn)電機(jī)的線圈供電。通常，需要額外的驅(qū)動(dòng)電路（如 ULN2003 達(dá)林頓晶體管陣列）來(lái)提供步進(jìn)電機(jī)所需的電流。通過(guò)控制 CD4017 的時(shí)鐘脈沖，可以精確控制步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度和方向。

3. 脈沖分頻器

CD4017 可以很方便地實(shí)現(xiàn)脈沖分頻。它的 COUT 引腳在每 10 個(gè)時(shí)鐘脈沖后輸出一個(gè)脈沖，因此可以實(shí)現(xiàn)“除以 10”的分頻功能。如果需要其他分頻比（如除以 5），可以利用 RESET 引腳。例如，要實(shí)現(xiàn)“除以 5”，可以將 Q5 輸出連接到 RESET 引腳。當(dāng)計(jì)數(shù)到 5 時(shí)，Q5 變?yōu)楦唠娖剑瑥亩鴱?fù)位計(jì)數(shù)器到 0。這樣，COUT 將每 5 個(gè)輸入脈沖輸出一個(gè)脈沖。

4. 定時(shí)器和計(jì)數(shù)器

結(jié)合一個(gè)外部時(shí)鐘源（如晶體振蕩器或 555 定時(shí)器），CD4017 可以用于構(gòu)建簡(jiǎn)單的定時(shí)器。例如，通過(guò)計(jì)算特定數(shù)量的時(shí)鐘脈沖，可以實(shí)現(xiàn)延遲或周期性事件。在一些簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)應(yīng)用中，CD4017 也可以作為顯示驅(qū)動(dòng)的前級(jí)，驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管或其他顯示器（通常需要額外的解碼器）。

5. 邏輯序列發(fā)生器

CD4017 可以生成復(fù)雜的邏輯序列。例如，它可以用于控制一系列繼電器、蜂鳴器或其他數(shù)字設(shè)備，按照預(yù)設(shè)的順序執(zhí)行操作。這在自動(dòng)化、游戲機(jī)和演示電路中非常有用。

6. 組合邏輯應(yīng)用

雖然 CD4017 本身是一個(gè)計(jì)數(shù)器，但其順序輸出也可以與其他邏輯門(mén)結(jié)合，創(chuàng)建更復(fù)雜的組合邏輯功能。例如，可以利用其輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)電路塊，并確保它們按特定順序激活。

CD4017 的使用注意事項(xiàng)

在使用 CD4017 時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)以確保其穩(wěn)定可靠地工作：

• 電源旁路電容： 建議在 VDD 和 VSS 引腳之間并聯(lián)一個(gè) 0.1μF 的陶瓷旁路電容，盡可能靠近芯片引腳放置。這有助于濾除電源噪聲，提高芯片的穩(wěn)定性。

• 未使用的輸入引腳： 對(duì)于 CD4000 系列的 CMOS 芯片，所有未使用的輸入引腳（如未使用的 CLK INH 或 RESET）必須連接到 VDD 或 VSS，絕不能浮空。浮空輸入引腳可能會(huì)導(dǎo)致不確定的狀態(tài)和高功耗。在大多數(shù)應(yīng)用中，CLK INH 和 RESET 引腳通常直接連接到 VSS。

• 輸入信號(hào)的上升/下降時(shí)間： 雖然 CD4017 對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的上升/下降時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格要求，但在高頻應(yīng)用中，過(guò)慢的上升/下降時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)不穩(wěn)定。使用具有清晰上升沿的方波信號(hào)作為時(shí)鐘輸入。

• 輸出電流限制： CD4017 的輸出引腳能夠提供或吸收的電流是有限的。當(dāng)驅(qū)動(dòng) LED 或其他負(fù)載時(shí)，務(wù)必串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?，以防止過(guò)流損壞芯片或負(fù)載。查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)以獲取最大輸出電流規(guī)格。

• ESD 防護(hù)： CMOS 器件對(duì)靜電放電（ESD）敏感。在操作 CD4017 時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)?ESD 防護(hù)措施，例如佩戴防靜電腕帶，在防靜電墊上操作。

• 工作溫度范圍： 確保在芯片指定的工作溫度范圍內(nèi)使用，以保證其性能和壽命。

• 級(jí)聯(lián)： 當(dāng)需要計(jì)數(shù)超過(guò) 10 時(shí)，可以通過(guò)將一個(gè) CD4017 的 COUT 引腳連接到下一個(gè) CD4017 的 CLK 引腳來(lái)級(jí)聯(lián)多個(gè) CD4017。這可以構(gòu)建更高位的計(jì)數(shù)器，例如，兩個(gè) CD4017 可以組成一個(gè) 100 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

CD4017 與其他計(jì)數(shù)器的比較

在數(shù)字計(jì)數(shù)器領(lǐng)域，除了 CD4017 之外，還有許多其他類型的計(jì)數(shù)器，如 TTL 系列的 74LS90（十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）、74LS161/163（同步計(jì)數(shù)器）等。與這些計(jì)數(shù)器相比，CD4017 具有以下特點(diǎn)：

• CMOS 工藝： CD4017 采用 CMOS 工藝，這意味著它具有非常低的功耗，特別是在靜態(tài)狀態(tài)下。這對(duì)于電池供電的應(yīng)用或需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的系統(tǒng)非常有利。相比之下，TTL 器件功耗通常較高。

• 簡(jiǎn)單性： CD4017 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能相對(duì)簡(jiǎn)單直觀，易于理解和使用，特別適合初學(xué)者或?qū)?fù)雜邏輯功能需求不高的應(yīng)用。

• 異步計(jì)數(shù)： CD4017 是一個(gè)異步計(jì)數(shù)器，這意味著其內(nèi)部觸發(fā)器并不是由同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)翻轉(zhuǎn)的。這可能在高頻應(yīng)用中導(dǎo)致一些小的延遲和毛刺，但對(duì)于大多數(shù)中低速應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這并不是問(wèn)題。而同步計(jì)數(shù)器（如 74LS163）則能避免這些問(wèn)題，但其內(nèi)部邏輯更為復(fù)雜。

• 解碼輸出： CD4017 的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其集成了解碼器，直接提供 10 個(gè)高電平有效的解碼輸出。這意味著無(wú)需額外的邏輯門(mén)即可驅(qū)動(dòng) 10 個(gè)獨(dú)立的負(fù)載。而一些二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（如 74LS93）只提供二進(jìn)制輸出，需要外部解碼器（如 74LS47/48）才能驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管或其他顯示器。

• 寬電壓范圍： CD4017 具有寬泛的工作電壓范圍，使其在電源選擇上更加靈活。

結(jié)論

CD4017 是一款功能強(qiáng)大、用途廣泛的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/脈沖分配器。憑借其 10 個(gè)順序解碼輸出、低功耗和寬工作電壓范圍，它成為各種數(shù)字電路項(xiàng)目中的理想選擇，從簡(jiǎn)單的 LED 跑馬燈到更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。理解其引腳功能、工作原理和應(yīng)用注意事項(xiàng)，將有助于你充分利用這款經(jīng)典的數(shù)字集成電路。