=0，
=1，u0=u0H、TD截止。
555定时器的电源电压范围较大，双极型电路VCC=4.5～16V，输出高电平不低于电源电压的90％，TTL型的带拉电流和灌电流负载的能力可达200mA；CMOS电路VDD=3～18V,输出高电平不低于电源电压的95％，带拉电流负载的能力为1mA，灌电流负载的能力为3.2mA[2]。
2.1.3脉冲产生的整形电路
在数字电路中，基本工作信号是二进制的数字信号或两状态的逻辑信号，二进制数字信号只有0，1两种数字符号，逻辑信号0，1两种取值都具有二值特点。
而获取矩形脉冲波形的途径不外乎以下两种：
一种是利用各种形式的多谐振荡器电路直接产生所需要的矩形脉冲，另一种则是通过各种整形电路把已有的周期性变化波形变换为所要求的矩形脉冲。
当然，在采取整形的方案时，是以能够找到频率和幅度符合要求的一种已有电压信号为前提的。
在同步时序电路中，作为时钟信号的矩形脉冲控制并且协调着整个系统的工作。
因此，时钟脉冲的特性直接关系到系统能否正常地工作。
脉冲产生的整形电路种类很多,本设计中应用的电路属于产生矩形脉冲的多谐振荡器,用于产生环形移位寄存器的CP脉冲。
经常应用的脉冲整形电路有:
施密特触发器和单稳态触发器。
这几种电路的用途很广，利用它们不只是可以方便地获取矩形脉冲。
例如，多谐振荡器就经常用作产生标准频率信号和时间信号的脉冲发生器；施密特触发器除用作整形外，还可以用于电平比较和脉冲鉴幅等；从延迟和定时角度看，单稳态触发器本身就是很好的脉冲延迟环节和定时单元。
其输出端送出的脉冲，一路直接送入CD4017的计数脉冲输入端{14}脚。
用于产生CD4066模拟开关切换的控制信号[3]。
2.2环形译码寄存器CD4017
环形移位寄存器由集成芯片CD4017实现，十进制计数／分频器CD4017
是一种用途非常广泛的电路。
内部结构如图2.6所示，由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是00、01、02、…、09依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
图2-3CD4017内部结构功能框图
CD4017提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装方式。
其引脚图如图2.7所示。
同时CD4017的工作条件为：
电源电压控制在3V～15V范围内，输入电压范围控制在0V～VDD内，工作温度范围：
N类：
55℃～125℃、E类：
40℃～85℃。
图2-4CD4017引脚图
CD4017是5位Johnson计数器，具有10个译码输出端，CP、Cr、EN、输入端。
时钟输入端口的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
EN为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。
Cr为高电平时，计数器清零。
Johnson计数器，提供了快速操作、2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多计数链的下级脉动时钟。
CD4017引脚功能:
芯片有10个译码输出Q0～Q9;MR为清零端,CP0和CP1是2个时钟输入端,三个输出端的控制：
0Y1Y2Y。
每个译码输出一般处于低电平,且在时钟脉冲由低到高的上升沿输出高电平;每个高电平输出维持1个时钟周期;每输入10个时钟脉冲,输出一个进位脉冲,因而进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号。
在清零输入端（R）加高电平或正脉冲时,只有输出端Q0为高电平,其余各输出端都为低电平"0"。
CD4017有3个控制端（MR、CP0、CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时，其输出00未高电平，其余输出端（01-09）均为低电平，CP0和CP1是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号有CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号有CP1端输入。
设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。
由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
其真值表如表2.3所示。
表2.3CD4017真值表
输入
输出
CP
EN
Cr
Q0～Q9
CO
×
×
H
Q0
计数脉冲
为Q0～Q4
时：
CO=H
↑
L
L
计数
H
↓
L
L
×
L
保持
计数脉冲
为Q5～Q9
时：
CO=L
×
H
L
↓
×
L
×
↑
L
2.3模拟开关CD4066
近年来，便携式产品越来越多地采用多源设计，因此开关功能是视频、音频传输及处理过程中的一个重要组成部分。
早期采用的机械开关具有可靠性低、体积大、功耗大等缺点，所以模拟开关已经引起了越来越多人的重视，并已被广泛应用于各种电子产品中。
尽管模拟开关具有机械开关不可取代的优势，然而它的应用较机械开关稍微复杂些，初次使用模拟开关的工程人员往往会由于模拟开关使用不当，引起整个系统的故障，本文重点将模拟开关结合实际设计应用到流水灯的控制系统的设计中[4]。
许多工程师第一次使用模拟开关，往往会把模拟开关完全等同于机械开关。
其实模拟开关虽然具备开关性，但和机械开关有所不同，它本身还具有半导体特性：
（1）导通电阻（Ron）随输入信号（VIN）变化而变化
图2.8中（a）图是模拟开关的简单示意图，由图中可以看出模拟开关的常开常闭通道实际上是由两个对偶的N沟道MOSFET与P沟道MOSFET构成，可使信号双向传输，如果将不同VIN值所对应的P沟道MOSFET与N沟道MOSFET的导通电阻并联，可得到图2.8（b）并联结构下Ron随输入电压（VIN）的变化关系，如果不考虑温度、电源电压的影响，Ron随Vin呈线性关系，将导致插入损耗的变化，使模拟开关将产生总谐波失真（THD）。
此外，Ron也受电源电压的影响，通常随着电源电压的上升而减小。
（a）（b）
图2.5（a）模拟开关原理图（b）模拟开关导通电阻与输入电压关系
（2）模拟开关输入有严格的输入信号范围
由于模拟开关是半导体器件，当输入信号过低（低于零电势）或者过高（高于电源电压）时，MOSFET处于反向偏置，当电压达到某一值时（超出限值0.3V），此时开关无法正常工作，严重者甚至损坏。
因此模拟开关在应用中，一定要注意输入信号不要超出规定电压的范围。
（3）注入电荷
应用机械开关,我们当然希望Ron越低越好，因为低阻值可以降低信号的损耗。
然而对于模拟开关而言，低Ron并非适用于所有的应用，较低的Ron需要占据较大的芯片面积，从而产生较大的输入电容，在每个开关周期其充电和放电过程会消耗更多的电流。
时间常数t=RC，充电时间取决于负载电阻（R）和电容（C），一般持续几十纳秒。
这说明低Ron具有更长的导通和关断时间。
为此，选择模拟开关应该综合权衡Ron和注入电荷。
（4）开关断开时仍会有感应信号漏出
这一特性指的是当模拟开关传输交流信号时，在断开情况下，仍然会有一部分信号通过感应由输入端传到输出端，或者由一个通道传到另一个通道。
通常信号的频率越高，信号泄漏的程度越严重[5]。
（5）传输电流比较小
模拟开关不同于机械开关，它通常只能传输小电流，目前CMOS工艺的模拟开关允许连续传输的电流大多数小于500mA。
（6）逻辑控制端驱动电流极小
机械开关逻辑控制端的驱动电流往往都是毫安级，有时单纯靠数字I/O很难驱动。
而模拟开关的逻辑控制端驱动电流极小，一般低于纳安级。
因此，它完全可以由数字I/O直接驱动，从而达到降低功耗、简化电路的目的。
此次流水灯控制系统的设计用到的是CD4066，其框图如图所示：
图2-6CD4066内部结构图
R为复位端，当R端输入高电平时、计数器置零态。
CD4017具有自动启动功能，即在电路进入无效状态时，在计数脉冲作用下，最多经过两个时钟周期就能回到正常循环圈中，因此本控制器的CD4017未设置加电复位电路。
为进位输出端，当计数满10个时钟脉冲时输出一个正脉冲。
CD4017有CL和EN两个计数输入端，CL端为脉冲上升沿触发端，若计数脉冲从CL端输入，则EN端应接低电平；EN端为脉冲下降沿触发端，若计数脉冲从EN端输入，则CL端应接高电平，否则禁止输入计数脉冲。
取自CD4069的计数脉冲从其CL端{14}脚输入，故EN端{13}脚接地。
～
为计数器的十个输出端，输出端送出的脉冲方波加到模拟开关CD4066[5]。
3流水灯控制电路的整体分析
3.1原理图电源部分
（1）电源电路
图3-1电源部分
（2）电路中接到220V的市电网中经变压器变压后为18V电压再经整流电路，滤波电路和稳压电路后得到设计电路所需的相应直流电源。
（3）电路中C1的作用是防止电网污染，滤除电路中的高频成份。
由于在整个电路传输过程中会产生高频成份会经变压器电路反馈到市电网中去，而这些高频成份会对市电网中其它用户的电器造成干扰而产生不可估计的损失，而电网中的高频成份也会对电源电路产生不良的影响。
由容抗Xc＝1∕WC得知，由于C是个容值很小的固定值但角频率
很大，即高频成份经过C1时，C1相当于短路由此就滤除高频成份，当没有高频成份时C1对于50HZ的市电来说相当于开路，因而C1能有效的防止电网污染[7]。
（4）由四个二极管组成桥式整流电路见图3-1。
在变压器副边电压U2的正半周内二极管VD1，VD2导通，VD3，VD4截止。
在U2的负半周内二极管VD1，VD2截止，而VD3，VD4导通。
因而在正负半周内都有电流流过后面的电路。
桥式整流电路的波形图见图3-2.
图3-2桥式整流电路的波形图
输出直流电压
（AV）是输出电压瞬时值U0在一个周期内的平均值
（3.1.1）
（AV）＝
=
（3.1.2）
由（3.1.2）式说明在桥式整流电路中，负载上得到的直流电压约为变压器副边电压有效值的90%。
如果要考虑到整流电路中的二极管正向电阻和变压器等效内阻上的压降则输出直流电压的实际数值还要低一些。
脉动系数S是输出电压基波的最大值
与其平均值
之比，即
S＝
（3.1.3）
在本课题中S＝
＝0.67在此不作详细介绍。
（5）在整流电路中输出的电压含有较大的脉动成份不能直接使用，因而我们要采取滤波的措施，使输出电压接近于理想的直流电压。
在此我们利用电容在二极管导电时储存一部分能量然后在二极管截止时再释放出来，从而得到比较平滑的波形。
波形图见图（3）。
在
的正半周，当二极管
，
导电时除了有一个电流
流向负载外同时还有一个电流
向电容充电，电容电压
的极性为上正下负。
当
达到最大值以后开始下降，此时电容上的电压
将由于放电而逐渐下降。
当
时，二极管
，
被反向偏置因而不导电，于是
以一定的时间常数按指数规律下降直到下一个半周。
当
时二极管
，
导通。
波形如图实线所示。
为了能得到比较好的滤波效果，在实际工作中经常根据（3.1.4）式来选择滤波电容的容量。
（3.1.4）
其中T为电网交流电压的周期。
当滤波电容的空容值满足（3.1.4）式
可以认为输出直流电压近似为
≈1.2U2,
。
本课题的
≈1.2﹡18≈21.6V
图3-3电容滤波波形图
（6）在整流滤波电路中输出的直流电压和理想的电压还有相当的距离。
主要存在两方面的问题：
第一当负载电流变化时，输出直流电压将随之发生变化。
第二当电网电压发生波动时，由（3.1.2）式可知，整流电路的输出电压直接与变压器副边电压U2有关。
因此也要相应的变化。
为了能够提供更加稳定的直流电源，需要在整流滤波电路的后面再加上稳压电路。
本课题采用的三端集成稳压器为W7800系列的。
W7800系列稳压器是一种固定的正电压输出的集成芯片。
在芯片的内部设有过热，过流及调整管安全工作区保护电路，因而电路使用安全可靠。
由于本电路555内部的比较器灵敏度高，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响。
在现场，由于控制中心到各个检测点距离不同所以电流在传输过程中所损失的压降也不同。
为了保证每个555定时器的振荡频率不受其影响，确保在各个LED点上的电压都是相同的12V电源，所以在电路中要采用二级稳压。
电流在传输过程会产生高频成分，因而在稳压器的输入端要接电容以滤除高频成分，在稳压器输出端所接的电容是为了滤除稳压器所产生的高频成分以及防止其自激振荡。
（7）最后所接的发光二极管是用来指示电源电路工作正常与否。
限流电阻是保护发光二极管以免因电流过大而烧毁。
3.2整体电路的分析
图3-4流水灯控制电路图
设计的多功能流水灯原理电路图如上图所示。
原理电路图由振荡电路、译码电路、模拟开关和光源电路组成[8]。
当第一个计数脉冲到来时，CD4017内电路翻转，{3}脚
呈高电平，加到CD4066{13}脚。
由于CD4066是双向模拟开关高电平接通，低电平断开，其引脚功能如图9所示，内部含有A、B、C、D四个独立的模拟开关，本电路使用了三片CD4066开关共有12组独立的双向模拟开关，只用到其中的10组。
每个开关有一个输入端和一个输出端，这两端可以互换使用。
此时A开关13脚是高电平，所以A开关接通。
与此同时，CD4017其余各个输出端Y1～Y9均为低电平，于是CD4066开关B，C，D的选通端为低电平，开关为关断状态。
当送来第二个计数脉冲时，CD4017计数输出端Y1呈高电平，而Y1端接到是B开关的12脚，其它输出端均为低电平，所以此时CD4066模拟开关只有B开关是接通的，其它组是都断开；当其它计数脉冲分别送来时，分别让其对应的模拟开关接通而送相应的信号到后面的LED电路中去。
这样就实现了在一个脉冲到来时刻只有一个信号送到后面的发光电路中，也就是每一时刻只能亮起一种颜色的灯，由模拟开关的控制，不同颜色的灯逐一亮起，形成流水的效果。
当计数器CD4017计数满10个脉冲时，其进位端{12}脚输出一个正脉冲，直接反馈到其复位端{15}脚，使计数器复位，然后开始下一轮的计数过程，这样就周而复始地循环工作。
在设计电路时，本文选用的脉冲发生器是有NE555与R2、R3及C3组成。
主要是为灯光流动控制器提供流动控制的脉冲，调整C4和R2、R3可以改变闪烁的频率，加大C4容量和R2、R3的阻值，流动速度变慢，反之则加快，所以有较大的速度调节范围[9]。
灯光流动控制器由一个十进制计数脉冲分配器CD4017和若干电阻组成。
CD4017的CP端受脉冲发生器输出脉冲的控制，其输出端（Q0-Q9）将输入脉冲按输入顺序依次分配，输出控制的脉冲，其输出控制脉冲的速度由脉冲发生器输出的脉冲频率决定。
当Q0-Q9依次输出控制脉冲时三种发光二极管按照接通回路的顺序依次发光，形成流动发光状态，即实现正向流水和逆向流水的功能。
电源电路采用电容降压，二极管整流和稳压管稳压的供电方式，直流工作电压由稳压管的稳压值决定。
本文设计电路所采用的电源为9V。
因为刚接通市电时CD4017的哪一个输出端为高电平无法确定，但在CP端脉冲的作用下，Q0－Q2很快进入依次输出高电平的循环工作方式。
假定NE555的3脚输出高电平，则模拟开关CD4066的2脚和13脚分别为“1”，使之处于接通状态。
模拟开关CD4066因5脚和12脚分别为低电平而被关闭。
当Q0为“1”，则其输出高电平，第一组彩灯发光。
当Q1为高电平，该高电平直接加到模拟开关的12脚,使其导通，第二组彩灯发光（第一组熄灭）。
当Q2为高电平，4脚输出高电平，第三组彩灯发光（第二组熄灭）。
当Q3为“1”，则IC2立即复位使Q0又输出高电平，电路将重复上述工作。
此时看见的流水感自左向右。
当Q3继续接受脉冲信号高电平，7脚输出高电平，模拟开关5脚导通，第三组彩灯亮；Q4为高电平，10、12脚导通，第二组彩灯亮；Q5为高电平，2、13脚导通，第一组彩灯亮，此时灯光产生的流水感自右向左，当连接复位端的Q6为高电平时，计数器会重新计数[10]。
由于IC1,3脚输出高低电平依照整定时间循环出现，所以灯光流水方向亦在定时改变。
CD4017的15脚是复位端，所以15脚与那个脚相连，灯光的循环就截止到哪一个灯。
图中所连接的二极管具有单向导通的特性，所以它的作用是防止电流回流。
图中，调整C4和R2、R3可以改变闪烁的频率，加大C4容量和R2、R3的阻值，流动速度变慢，反之则加快。
CD4017的15脚为复位脚，意思
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