電子骰子總是一個(gè)令人愉快的項(xiàng)目，它很容易通過(guò)微控制器上的幾行程序代碼或一些數(shù)字組件來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，以模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子骰子更具挑戰(zhàn)性。此處顯示的電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)全模擬電子骰子，組件數(shù)量有限，可以在小型 PCB 上實(shí)現(xiàn)。使用了各種有趣的模擬技術(shù)，使其成為一個(gè)有趣的應(yīng)用程序。

    如圖 1 所示，電路的位于原理圖頂部的三個(gè)運(yùn)算放大器周?chē)?。這些運(yùn)算放大器形成一個(gè)周期性的模擬階梯電壓，具有六個(gè)模擬電平，對(duì)應(yīng)于電子骰子的狀態(tài)。從左到右，我們看到時(shí)鐘振蕩器、電荷泵和該電荷泵的復(fù)位電路。我們現(xiàn)在將按順序討論這些部分。

    圖 1模擬電子骰子電路，從左到右顯示了時(shí)鐘振蕩器、電荷泵和該電荷泵的復(fù)位電路。
    左邊，張弛振蕩器圍繞 IC1A 形成。這是一個(gè)經(jīng)典電路，針對(duì)單電源電壓進(jìn)行了修改，使用分壓器 R3 和 R8 將偏置設(shè)置為電源電壓的一半。振蕩頻率通過(guò) C1 和 R1 選擇。振蕩器的輸出是對(duì)稱(chēng)方波。Q2的作用將在后面討論；現(xiàn)在考慮第二季度不活躍。
    振蕩器驅(qū)動(dòng)圍繞 IC1B 形成的電荷泵。在方波的每個(gè)下降沿，C2 的大部分電荷通過(guò)二極管 D1 轉(zhuǎn)移到 C3，從而在出現(xiàn)在 IC1B 輸出端的階梯電壓中產(chǎn)生階躍。在上升沿期間，C2 通過(guò) D2 再次充電。由于反向偏置二極管 D1，對(duì) C2 充電不會(huì)影響電荷泵的輸出。
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    階梯電壓完成六步后，我們需要重置電荷泵并重新開(kāi)始循環(huán)。想象一下，在第 7 步，我們超過(guò)某個(gè)閾值水平，然后我們立即放電 C3，因此第 7 步持續(xù)的時(shí)間非常短。IC1C 周?chē)谋容^器執(zhí)行此任務(wù)。閾值電壓由分壓器R7、R6設(shè)定。

    然而，這里有一些細(xì)節(jié)很重要：D3、R4 和 C4 會(huì)導(dǎo)致上升沿的小延遲，但會(huì)導(dǎo)致下降沿的較大延遲。這允許復(fù)位電路在第 7 步到達(dá)時(shí)迅速做出反應(yīng)，但與此同時(shí)，此復(fù)位動(dòng)作將保持足夠的時(shí)間以使 C3 完全放電。實(shí)際的放電動(dòng)作是通過(guò)驅(qū)動(dòng)晶體管 Q1 進(jìn)入飽和狀態(tài)來(lái)執(zhí)行的。結(jié)果如圖 2 所示。

    圖 2階梯電壓和時(shí)鐘。
    上面是階梯電壓，下面是時(shí)鐘信號(hào)。請(qǐng)注意，更改僅發(fā)生在時(shí)鐘的下降沿。當(dāng)時(shí)鐘為高電平時(shí)，階梯電壓始終穩(wěn)定。重要的是，關(guān)閉開(kāi)關(guān) S1 將停止振蕩器，但由于 Q2，這只能在時(shí)鐘電平為高時(shí)發(fā)生。這意味著，如果您“擲骰子”，振蕩器會(huì)停在波形階梯上，而不會(huì)停在階梯之間。因此，當(dāng)按下 S1 時(shí)，電平始終是明確定義的模擬電壓，從一組六個(gè)可能的電壓中隨機(jī)選擇。
    重要的是，當(dāng)停止振蕩器時(shí)，每個(gè)模擬電壓電平的概率恰好是 1/6，因?yàn)橐磺卸甲裱鲿r(shí)鐘，并且該時(shí)鐘只能在其狀態(tài)為高時(shí)保持。換句話說(shuō)，在振蕩器停止時(shí)，所有的轉(zhuǎn)換都已經(jīng)結(jié)束。電荷泵更新動(dòng)作在時(shí)鐘的下降沿開(kāi)始；因此，當(dāng)您可以停止振蕩器時(shí)，的更新操作肯定已經(jīng)完成。

    為了顯示結(jié)果，我們使用五個(gè)比較器來(lái)控制 LED。電阻器 R9 到 R14 形成一個(gè)抽頭分壓器，創(chuàng)建五個(gè)比較電平，它們位于階梯的中間。IC2C 引腳 9 的比較電平如圖 3 所示。

    圖 3 LED 解碼器比較電平示例。
    這樣，當(dāng)您想要長(zhǎng)時(shí)間保持該值時(shí)，元件容差和電壓漂移都有余量。然而，由于 IC1 是一個(gè) CMOS 運(yùn)算放大器，它具有非常低的漏電流，因此輸出電壓可以保持很長(zhǎng)時(shí)間而示波器上看不到任何變化。

    LED 狀態(tài)的解碼器使用剩余的 IC1D 運(yùn)算放大器和 LM324 中的四個(gè)運(yùn)算放大器。執(zhí)行了一些優(yōu)化以減小解碼電路的大小。這里重要的是要了解隨著電壓的上升，數(shù)字序列不一定是 1-2-3-4-5-6 重復(fù)；不同的順序也可以。為了解碼器簡(jiǎn)單起見(jiàn)，序列被選擇為 1-3-5-6-4-2-repeat。下表將使這個(gè)想法變得清晰。想象一下按照列出的順序?yàn)g覽狀態(tài)，從所有 LED 關(guān)閉開(kāi)始并讀取更改：

    至此，已經(jīng)解釋了全模擬電子骰子的主要工作原理，但更詳細(xì)的信息將在 R18、R21 中找到。如果沒(méi)有這個(gè)分壓器，由于運(yùn)算放大器 IC2B 上的負(fù)載，LED4 不會(huì)完全變暗。該運(yùn)算放大器確實(shí)也在 LED3 和 LED7 中提供電流，導(dǎo)致輸出電壓下降。
    要解釋的部分是LED消隱電路。如果 IC2 始終通電，則 LED 也會(huì)在振蕩器運(yùn)行時(shí)點(diǎn)亮。我們希望 LED 僅在按下 S1 時(shí)點(diǎn)亮，因此僅在這種情況下向 IC2 供電。這通過(guò) T1 和 R24 發(fā)生。然而，當(dāng) IC2 未供電時(shí)，我們應(yīng)該限制其輸入端的電流，這是電阻器 R25 的目的。IC2 也需要是雙極運(yùn)算放大器，以避免斷電狀態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題，這就是選擇經(jīng)典 LM324 的原因。
    在實(shí)現(xiàn)中，一些值是至關(guān)重要的。所有電阻器都應(yīng)具有 1% 的容差，但與 LED 串聯(lián)的電阻器除外，其精度可能較低。理想情況下，電容器 C2 和 C3 也應(yīng)該只有 1% 的容差，這很難或更昂貴。如果 C3/C2 之比太低，則運(yùn)算放大器 IC1B 輸出端階梯電壓的示波器測(cè)量將顯示少于六步，如果該比率太高，則顯示多于六步。通過(guò)將一個(gè)較小的電容器與 C2 或 C3 并聯(lián)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行性調(diào)整，以分別降低或增加比率。
    在該電路設(shè)計(jì)中，所有關(guān)鍵內(nèi)部電壓都與電源電壓成正比。因此，當(dāng)使用準(zhǔn)確的元件值時(shí)，電路可以在 9V 電池上可靠地工作，即使電池放電至 7 伏也是如此。