CD4017：十進制計數器/分頻器

CD4017 是一款在數字電路中非常常見的集成電路，它屬于 CD4000 系列 CMOS（互補金屬氧化物半導體）邏輯器件。它主要用作十進制計數器或脈沖分配器/分頻器，具有 10 個解碼輸出。這意味著它能將輸入時鐘脈沖轉換為按順序激活的 10 個獨立輸出，非常適合驅動 LED 序列、控制步進電機、實現定時功能以及各種數字邏輯應用。

CD4017 的基本功能和原理

CD4017 內部包含一個五級約翰遜（Johnson）計數器和一個解碼器。約翰遜計數器是一種移位寄存器，其輸出通過反相器反饋到輸入端，形成一個循環序列。CD4017 的五級約翰遜計數器能夠產生 10 個不同的狀態，這些狀態通過內部的解碼器轉換成 10 個獨立的、高電平有效的輸出。當計數器接收到時鐘脈沖時，它會從一個狀態切換到下一個狀態，從而依次激活不同的輸出引腳。

核心特性：

• 十進制計數： CD4017 可以對輸入的時鐘脈沖進行計數，從 0 到 9。當計數到 9 之后，下一個時鐘脈沖會使其回到 0，并產生一個進位（Carry-Out）信號。

• 10 個解碼輸出： 它有 10 個獨立的輸出引腳（Q0 到 Q9），每個引腳在計數器處于相應的狀態時變為高電平，而其他引腳保持低電平。這意味著在任何給定時刻，只有一個輸出引腳是高電平。

• 低功耗： 作為 CMOS 器件，CD4017 具有非常低的靜態功耗，這使得它在電池供電的應用中非常有優勢。

• 寬工作電壓范圍： 通常可以在 3V 到 15V 甚至 20V 的電壓范圍內工作，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，適用于工業和嘈雜環境。

CD4017 的引腳功能

理解 CD4017 的功能需要掌握其各個引腳的作用。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說明：

• 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): 這是集成電路的負電源電壓輸入引腳，通常連接到地（GND）。

• CLK (時鐘輸入，引腳 14): 這是計數器接收時鐘脈沖的輸入引腳。計數器會在時鐘信號的上升沿（從低電平到高電平的跳變）進行計數。要使 CD4017 正常工作，時鐘信號必須是一個干凈的方波脈沖。

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

• 當 CLK INH 為低電平（0V）時，時鐘輸入 (CLK) 被使能，計數器正常工作，對時鐘脈沖進行計數。

• 當 CLK INH 為高電平（VDD）時，時鐘輸入被禁止，計數器停止計數，當前狀態保持不變。

• 這個引腳通常連接到地，以便計數器持續計數。

• RESET (復位，引腳 15): 這個引腳用于將計數器重置到初始狀態（計數為 0）。

• 當 RESET 引腳接收到高電平（VDD）脈沖時，計數器會立即復位，所有的 Q0-Q9 輸出中只有 Q0 變為高電平，其他輸出變為低電平。

• 當 RESET 引腳為低電平（0V）時，計數器正常計數。

• 這個引腳通常連接到地，以便計數器在沒有外部復位信號時持續計數。

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

• 當計數器處于相應的計數狀態時，對應的 Qn 引腳變為高電平（接近 VDD）。

• 在其他計數狀態下，該 Qn 引腳保持低電平（接近 VSS）。

• 例如，當計數為 0 時，Q0 變為高電平；當計數為 1 時，Q1 變為高電平，以此類推。

• COUT (進位輸出，引腳 12): 這個引腳在計數器完成一個完整的 0 到 9 的循環后，也就是當計數從 9 變為 0 時，會產生一個高電平脈沖。

• COUT 脈沖的周期是輸入時鐘脈沖周期的 10 倍。

• 這個引腳常用于級聯多個 CD4017，以實現更高位的計數功能，或者作為分頻輸出（例如，將時鐘頻率除以 10）。

CD4017 的工作原理詳解

CD4017 的核心是其內部的約翰遜計數器和解碼器。當一個正向時鐘脈沖（上升沿）到達 CLK 引腳時，如果 CLK INH 為低電平，計數器就會遞增。

計數過程：

1. 初始狀態/復位： 當 CD4017 上電或 RESET 引腳接收到高電平脈沖時，計數器會復位到狀態 0。此時，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. 第一個時鐘脈沖： 當第一個時鐘脈沖的上升沿到來時，計數器從 0 遞增到 1。此時 Q1 輸出變為高電平，Q0 變為低電平。

3. 后續時鐘脈沖： 隨著后續時鐘脈沖的到來，計數器依次遞增，Q2, Q3, ..., Q9 依次變為高電平。

4. 計數到 9： 當第九個時鐘脈沖的上升沿到來時，計數器達到狀態 9。此時 Q9 輸出為高電平。

5. 從 9 到 0： 當第十個時鐘脈沖的上升沿到來時，計數器從 9 回到 0。此時 Q9 變為低電平，Q0 再次變為高電平。同時，COUT 引腳會產生一個短暫的高電平脈沖，表示完成了一個完整的計數循環。這個 COUT 脈沖通常用于級聯或作為分頻輸出。

約翰遜計數器與解碼器：

約翰遜計數器之所以能產生 10 個獨特的循環序列，是因為其獨特的反饋機制。每當一個時鐘脈沖到來，寄存器中的位都會向右移一位，最右邊的位通過反相器反饋到最左邊的輸入。解碼器則負責將約翰遜計數器的內部狀態轉換為我們看到的 10 個獨立的、單一激活的輸出。

CD4017 的典型應用

CD4017 因其簡單易用和多功能性，在各種數字電路項目中都有廣泛應用。

1. LED 跑馬燈/序列燈

這是 CD4017 最常見也最直觀的應用之一。通過將 10 個 LED 分別連接到 Q0-Q9 輸出，并串聯限流電阻，當 CD4017 計數時，LED 會依次點亮，形成“跑馬燈”效果。時鐘源可以是一個 555 定時器產生的方波，或者微控制器產生的 PWM 信號。通過改變時鐘頻率，可以控制 LED 跑動的速度。

2. 步進電機控制器

步進電機需要按照特定的順序通電線圈才能轉動。CD4017 的 10 個順序輸出非常適合為步進電機的線圈供電。通常，需要額外的驅動電路（如 ULN2003 達林頓晶體管陣列）來提供步進電機所需的電流。通過控制 CD4017 的時鐘脈沖，可以精確控制步進電機的步進角度和方向。

3. 脈沖分頻器

CD4017 可以很方便地實現脈沖分頻。它的 COUT 引腳在每 10 個時鐘脈沖后輸出一個脈沖，因此可以實現“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，要實現“除以 5”，可以將 Q5 輸出連接到 RESET 引腳。當計數到 5 時，Q5 變為高電平，從而復位計數器到 0。這樣，COUT 將每 5 個輸入脈沖輸出一個脈沖。

4. 定時器和計數器

結合一個外部時鐘源（如晶體振蕩器或 555 定時器），CD4017 可以用于構建簡單的定時器。例如，通過計算特定數量的時鐘脈沖，可以實現延遲或周期性事件。在一些簡單的計數應用中，CD4017 也可以作為顯示驅動的前級，驅動七段數碼管或其他顯示器（通常需要額外的解碼器）。

5. 邏輯序列發生器

CD4017 可以生成復雜的邏輯序列。例如，它可以用于控制一系列繼電器、蜂鳴器或其他數字設備，按照預設的順序執行操作。這在自動化、游戲機和演示電路中非常有用。

6. 組合邏輯應用

雖然 CD4017 本身是一個計數器，但其順序輸出也可以與其他邏輯門結合，創建更復雜的組合邏輯功能。例如，可以利用其輸出來驅動多個電路塊，并確保它們按特定順序激活。

CD4017 的使用注意事項

在使用 CD4017 時，需要注意以下幾點以確保其穩定可靠地工作：

• 電源旁路電容： 建議在 VDD 和 VSS 引腳之間并聯一個 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，提高芯片的穩定性。

• 未使用的輸入引腳： 對于 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導致不確定的狀態和高功耗。在大多數應用中，CLK INH 和 RESET 引腳通常直接連接到 VSS。

• 輸入信號的上升/下降時間： 雖然 CD4017 對時鐘信號的上升/下降時間沒有嚴格要求，但在高頻應用中，過慢的上升/下降時間可能會導致計數不穩定。使用具有清晰上升沿的方波信號作為時鐘輸入。

• 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。當驅動 LED 或其他負載時，務必串聯適當的限流電阻，以防止過流損壞芯片或負載。查閱數據手冊以獲取最大輸出電流規格。

• ESD 防護： CMOS 器件對靜電放電（ESD）敏感。在操作 CD4017 時，應采取適當的 ESD 防護措施，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使用，以保證其性能和壽命。

• 級聯： 當需要計數超過 10 時，可以通過將一個 CD4017 的 COUT 引腳連接到下一個 CD4017 的 CLK 引腳來級聯多個 CD4017。這可以構建更高位的計數器，例如，兩個 CD4017 可以組成一個 100 進制計數器。

CD4017 與其他計數器的比較

在數字計數器領域，除了 CD4017 之外，還有許多其他類型的計數器，如 TTL 系列的 74LS90（十進制計數器）、74LS161/163（同步計數器）等。與這些計數器相比，CD4017 具有以下特點：

• CMOS 工藝： CD4017 采用 CMOS 工藝，這意味著它具有非常低的功耗，特別是在靜態狀態下。這對于電池供電的應用或需要長時間運行的系統非常有利。相比之下，TTL 器件功耗通常較高。

• 簡單性： CD4017 的內部結構和引腳功能相對簡單直觀，易于理解和使用，特別適合初學者或對復雜邏輯功能需求不高的應用。

• 異步計數： CD4017 是一個異步計數器，這意味著其內部觸發器并不是由同一個時鐘信號同時翻轉的。這可能在高頻應用中導致一些小的延遲和毛刺，但對于大多數中低速應用來說，這并不是問題。而同步計數器（如 74LS163）則能避免這些問題，但其內部邏輯更為復雜。

• 解碼輸出： CD4017 的一個顯著優點是其集成了解碼器，直接提供 10 個高電平有效的解碼輸出。這意味著無需額外的邏輯門即可驅動 10 個獨立的負載。而一些二進制計數器（如 74LS93）只提供二進制輸出，需要外部解碼器（如 74LS47/48）才能驅動七段數碼管或其他顯示器。

• 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。

結論

CD4017 是一款功能強大、用途廣泛的十進制計數器/脈沖分配器。憑借其 10 個順序解碼輸出、低功耗和寬工作電壓范圍，它成為各種數字電路項目中的理想選擇，從簡單的 LED 跑馬燈到更復雜的控制系統。理解其引腳功能、工作原理和應用注意事項，將有助于你充分利用這款經典的數字集成電路。