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

    如圖 1 所示，電路的位于原理圖頂部的三個運算放大器周圍。這些運算放大器形成一個周期性的模擬階梯電壓，具有六個模擬電平，對應于電子骰子的狀態(tài)。從左到右，我們看到時鐘振蕩器、電荷泵和該電荷泵的復位電路。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，從左到右顯示了時鐘振蕩器、電荷泵和該電荷泵的復位電路。
    左邊，張弛振蕩器圍繞 IC1A 形成。這是一個經(jīng)典電路，針對單電源電壓進行了修改，使用分壓器 R3 和 R8 將偏置設置為電源電壓的一半。振蕩頻率通過 C1 和 R1 選擇。振蕩器的輸出是對稱方波。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)動圍繞 IC1B 形成的電荷泵。在方波的每個下降沿，C2 的大部分電荷通過二極管 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 D2 再次充電。由于反向偏置二極管 D1，對 C2 充電不會影響電荷泵的輸出。
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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始循環(huán)。想象一下，在第 7 步，我們超過某個閾值水平，然后我們立即放電 C3，因此第 7 步持續(xù)的時間非常短。IC1C 周圍的比較器執(zhí)行此任務。閾值電壓由分壓器R7、R6設定。

    然而，這里有一些細節(jié)很重要：D3、R4 和 C4 會導致上升沿的小延遲，但會導致下降沿的較大延遲。這允許復位電路在第 7 步到達時迅速做出反應，但與此同時，此復位動作將保持足夠的時間以使 C3 完全放電。實際的放電動作是通過驅(qū)動晶體管 Q1 進入飽和狀態(tài)來執(zhí)行的。結(jié)果如圖 2 所示。

    圖 2階梯電壓和時鐘。
    上面是階梯電壓，下面是時鐘信號。請注意，更改僅發(fā)生在時鐘的下降沿。當時鐘為高電平時，階梯電壓始終穩(wěn)定。重要的是，關閉開關 S1 將停止振蕩器，但由于 Q2，這只能在時鐘電平為高時發(fā)生。這意味著，如果您“擲骰子”，振蕩器會停在波形階梯上，而不會停在階梯之間。因此，當按下 S1 時，電平始終是明確定義的模擬電壓，從一組六個可能的電壓中隨機選擇。
    重要的是，當停止振蕩器時，每個模擬電壓電平的概率恰好是 1/6，因為一切都遵循主時鐘，并且該時鐘只能在其狀態(tài)為高時保持。換句話說，在振蕩器停止時，所有的轉(zhuǎn)換都已經(jīng)結(jié)束。電荷泵更新動作在時鐘的下降沿開始；因此，當您可以停止振蕩器時，的更新操作肯定已經(jīng)完成。

    為了顯示結(jié)果，我們使用五個比較器來控制 LED。電阻器 R9 到 R14 形成一個抽頭分壓器，創(chuàng)建五個比較電平，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，當您想要長時間保持該值時，元件容差和電壓漂移都有余量。然而，由于 IC1 是一個 CMOS 運算放大器，它具有非常低的漏電流，因此輸出電壓可以保持很長時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 運算放大器和 LM324 中的四個運算放大器。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；不同的順序也可以。為了解碼器簡單起見，序列被選擇為 1-3-5-6-4-2-repeat。下表將使這個想法變得清晰。想象一下按照列出的順序瀏覽狀態(tài)，從所有 LED 關閉開始并讀取更改：

    至此，已經(jīng)解釋了全模擬電子骰子的主要工作原理，但更詳細的信息將在 R18、R21 中找到。如果沒有這個分壓器，由于運算放大器 IC2B 上的負載，LED4 不會完全變暗。該運算放大器確實也在 LED3 和 LED7 中提供電流，導致輸出電壓下降。
    要解釋的部分是LED消隱電路。如果 IC2 始終通電，則 LED 也會在振蕩器運行時點亮。我們希望 LED 僅在按下 S1 時點亮，因此僅在這種情況下向 IC2 供電。這通過 T1 和 R24 發(fā)生。然而，當 IC2 未供電時，我們應該限制其輸入端的電流，這是電阻器 R25 的目的。IC2 也需要是雙極運算放大器，以避免斷電狀態(tài)出現(xiàn)問題，這就是選擇經(jīng)典 LM324 的原因。
    在實現(xiàn)中，一些值是至關重要的。所有電阻器都應具有 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 也應該只有 1% 的容差，這很難或更昂貴。如果 C3/C2 之比太低，則運算放大器 IC1B 輸出端階梯電壓的示波器測量將顯示少于六步，如果該比率太高，則顯示多于六步。通過將一個較小的電容器與 C2 或 C3 并聯(lián)，可以通過實驗進行性調(diào)整，以分別降低或增加比率。
    在該電路設計中，所有關鍵內(nèi)部電壓都與電源電壓成正比。因此，當使用準確的元件值時，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。