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什么是cd4017,cd4017的基础知识?

来源：

2025-06-24

类别：基础知识

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CD4017：十进制计数器/分频器

CD4017 是一款在数字电路中非常常见的集成电路，它属于 CD4000 系列 CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑器件。它主要用作十进制计数器或脉冲分配器/分频器，具有 10 个解码输出。这意味着它能将输入时钟脉冲转换为按顺序激活的 10 个独立输出，非常适合驱动 LED 序列、控制步进电机、实现定时功能以及各种数字逻辑应用。

CD4017 的基本功能和原理

CD4017 内部包含一个五级约翰逊（Johnson）计数器和一个解码器。约翰逊计数器是一种移位寄存器，其输出通过反相器反馈到输入端，形成一个循环序列。CD4017 的五级约翰逊计数器能够产生 10 个不同的状态，这些状态通过内部的解码器转换成 10 个独立的、高电平有效的输出。当计数器接收到时钟脉冲时，它会从一个状态切换到下一个状态，从而依次激活不同的输出引脚。

核心特性：

十进制计数： CD4017 可以对输入的时钟脉冲进行计数，从 0 到 9。当计数到 9 之后，下一个时钟脉冲会使其回到 0，并产生一个进位（Carry-Out）信号。
10 个解码输出： 它有 10 个独立的输出引脚（Q0 到 Q9），每个引脚在计数器处于相应的状态时变为高电平，而其他引脚保持低电平。这意味着在任何给定时刻，只有一个输出引脚是高电平。
低功耗： 作为 CMOS 器件，CD4017 具有非常低的静态功耗，这使得它在电池供电的应用中非常有优势。
宽工作电压范围： 通常可以在 3V 到 15V 甚至 20V 的电压范围内工作，这使得它与各种电源兼容。
高噪声抗扰度： CMOS 器件通常具有良好的噪声抗扰度，适用于工业和嘈杂环境。

CD4017 的引脚功能

理解 CD4017 的功能需要掌握其各个引脚的作用。CD4017 通常采用 16 引脚双列直插封装（DIP）。以下是主要引脚的详细说明：

VDD (引脚 16): 这是集成电路的正电源电压输入引脚。通常连接到 3V 到 15V 的正电源轨。
VSS (引脚 8): 这是集成电路的负电源电压输入引脚，通常连接到地（GND）。
CLK (时钟输入，引脚 14): 这是计数器接收时钟脉冲的输入引脚。计数器会在时钟信号的上升沿（从低电平到高电平的跳变）进行计数。要使 CD4017 正常工作，时钟信号必须是一个干净的方波脉冲。
CLK INH (时钟禁止/使能，引脚 13): 这个引脚用于控制时钟输入。

当 CLK INH 为低电平（0V）时，时钟输入 (CLK) 被使能，计数器正常工作，对时钟脉冲进行计数。
当 CLK INH 为高电平（VDD）时，时钟输入被禁止，计数器停止计数，当前状态保持不变。
这个引脚通常连接到地，以便计数器持续计数。

RESET (复位，引脚 15): 这个引脚用于将计数器重置到初始状态（计数为 0）。

当 RESET 引脚接收到高电平（VDD）脉冲时，计数器会立即复位，所有的 Q0-Q9 输出中只有 Q0 变为高电平，其他输出变为低电平。
当 RESET 引脚为低电平（0V）时，计数器正常计数。
这个引脚通常连接到地，以便计数器在没有外部复位信号时持续计数。

Q0 - Q9 (解码输出，引脚 3, 2, 4, 7, 10, 1, 5, 6, 9, 11): 这是 10 个独立的解码输出引脚。

当计数器处于相应的计数状态时，对应的 Qn 引脚变为高电平（接近 VDD）。
在其他计数状态下，该 Qn 引脚保持低电平（接近 VSS）。
例如，当计数为 0 时，Q0 变为高电平；当计数为 1 时，Q1 变为高电平，以此类推。

COUT (进位输出，引脚 12): 这个引脚在计数器完成一个完整的 0 到 9 的循环后，也就是当计数从 9 变为 0 时，会产生一个高电平脉冲。

COUT 脉冲的周期是输入时钟脉冲周期的 10 倍。
这个引脚常用于级联多个 CD4017，以实现更高位的计数功能，或者作为分频输出（例如，将时钟频率除以 10）。

CD4017 的工作原理详解

CD4017 的核心是其内部的约翰逊计数器和解码器。当一个正向时钟脉冲（上升沿）到达 CLK 引脚时，如果 CLK INH 为低电平，计数器就会递增。

计数过程：

初始状态/复位： 当 CD4017 上电或 RESET 引脚接收到高电平脉冲时，计数器会复位到状态 0。此时，Q0 输出为高电平，其他 Q1-Q9 输出为低电平。COUT 也处于低电平。
第一个时钟脉冲： 当第一个时钟脉冲的上升沿到来时，计数器从 0 递增到 1。此时 Q1 输出变为高电平，Q0 变为低电平。
后续时钟脉冲： 随着后续时钟脉冲的到来，计数器依次递增，Q2, Q3, ..., Q9 依次变为高电平。
计数到 9： 当第九个时钟脉冲的上升沿到来时，计数器达到状态 9。此时 Q9 输出为高电平。
从 9 到 0： 当第十个时钟脉冲的上升沿到来时，计数器从 9 回到 0。此时 Q9 变为低电平，Q0 再次变为高电平。同时，COUT 引脚会产生一个短暂的高电平脉冲，表示完成了一个完整的计数循环。这个 COUT 脉冲通常用于级联或作为分频输出。

约翰逊计数器与解码器：

约翰逊计数器之所以能产生 10 个独特的循环序列，是因为其独特的反馈机制。每当一个时钟脉冲到来，寄存器中的位都会向右移一位，最右边的位通过反相器反馈到最左边的输入。解码器则负责将约翰逊计数器的内部状态转换为我们看到的 10 个独立的、单一激活的输出。

CD4017 的典型应用

CD4017 因其简单易用和多功能性，在各种数字电路项目中都有广泛应用。

1. LED 跑马灯/序列灯

这是 CD4017 最常见也最直观的应用之一。通过将 10 个 LED 分别连接到 Q0-Q9 输出，并串联限流电阻，当 CD4017 计数时，LED 会依次点亮，形成“跑马灯”效果。时钟源可以是一个 555 定时器产生的方波，或者微控制器产生的 PWM 信号。通过改变时钟频率，可以控制 LED 跑动的速度。

2. 步进电机控制器

步进电机需要按照特定的顺序通电线圈才能转动。CD4017 的 10 个顺序输出非常适合为步进电机的线圈供电。通常，需要额外的驱动电路（如 ULN2003 达林顿晶体管阵列）来提供步进电机所需的电流。通过控制 CD4017 的时钟脉冲，可以精确控制步进电机的步进角度和方向。

3. 脉冲分频器

CD4017 可以很方便地实现脉冲分频。它的 COUT 引脚在每 10 个时钟脉冲后输出一个脉冲，因此可以实现“除以 10”的分频功能。如果需要其他分频比（如除以 5），可以利用 RESET 引脚。例如，要实现“除以 5”，可以将 Q5 输出连接到 RESET 引脚。当计数到 5 时，Q5 变为高电平，从而复位计数器到 0。这样，COUT 将每 5 个输入脉冲输出一个脉冲。

4. 定时器和计数器

结合一个外部时钟源（如晶体振荡器或 555 定时器），CD4017 可以用于构建简单的定时器。例如，通过计算特定数量的时钟脉冲，可以实现延迟或周期性事件。在一些简单的计数应用中，CD4017 也可以作为显示驱动的前级，驱动七段数码管或其他显示器（通常需要额外的解码器）。

5. 逻辑序列发生器

CD4017 可以生成复杂的逻辑序列。例如，它可以用于控制一系列继电器、蜂鸣器或其他数字设备，按照预设的顺序执行操作。这在自动化、游戏机和演示电路中非常有用。

6. 组合逻辑应用

虽然 CD4017 本身是一个计数器，但其顺序输出也可以与其他逻辑门结合，创建更复杂的组合逻辑功能。例如，可以利用其输出来驱动多个电路块，并确保它们按特定顺序激活。

CD4017 的使用注意事项

在使用 CD4017 时，需要注意以下几点以确保其稳定可靠地工作：

电源旁路电容： 建议在 VDD 和 VSS 引脚之间并联一个 0.1μF 的陶瓷旁路电容，尽可能靠近芯片引脚放置。这有助于滤除电源噪声，提高芯片的稳定性。
未使用的输入引脚： 对于 CD4000 系列的 CMOS 芯片，所有未使用的输入引脚（如未使用的 CLK INH 或 RESET）必须连接到 VDD 或 VSS，绝不能浮空。浮空输入引脚可能会导致不确定的状态和高功耗。在大多数应用中，CLK INH 和 RESET 引脚通常直接连接到 VSS。
输入信号的上升/下降时间： 虽然 CD4017 对时钟信号的上升/下降时间没有严格要求，但在高频应用中，过慢的上升/下降时间可能会导致计数不稳定。使用具有清晰上升沿的方波信号作为时钟输入。
输出电流限制： CD4017 的输出引脚能够提供或吸收的电流是有限的。当驱动 LED 或其他负载时，务必串联适当的限流电阻，以防止过流损坏芯片或负载。查阅数据手册以获取最大输出电流规格。
ESD 防护： CMOS 器件对静电放电（ESD）敏感。在操作 CD4017 时，应采取适当的 ESD 防护措施，例如佩戴防静电腕带，在防静电垫上操作。
工作温度范围： 确保在芯片指定的工作温度范围内使用，以保证其性能和寿命。
级联： 当需要计数超过 10 时，可以通过将一个 CD4017 的 COUT 引脚连接到下一个 CD4017 的 CLK 引脚来级联多个 CD4017。这可以构建更高位的计数器，例如，两个 CD4017 可以组成一个 100 进制计数器。

CD4017 与其他计数器的比较

在数字计数器领域，除了 CD4017 之外，还有许多其他类型的计数器，如 TTL 系列的 74LS90（十进制计数器）、74LS161/163（同步计数器）等。与这些计数器相比，CD4017 具有以下特点：

CMOS 工艺： CD4017 采用 CMOS 工艺，这意味着它具有非常低的功耗，特别是在静态状态下。这对于电池供电的应用或需要长时间运行的系统非常有利。相比之下，TTL 器件功耗通常较高。
简单性： CD4017 的内部结构和引脚功能相对简单直观，易于理解和使用，特别适合初学者或对复杂逻辑功能需求不高的应用。
异步计数： CD4017 是一个异步计数器，这意味着其内部触发器并不是由同一个时钟信号同时翻转的。这可能在高频应用中导致一些小的延迟和毛刺，但对于大多数中低速应用来说，这并不是问题。而同步计数器（如 74LS163）则能避免这些问题，但其内部逻辑更为复杂。
解码输出： CD4017 的一个显著优点是其集成了解码器，直接提供 10 个高电平有效的解码输出。这意味着无需额外的逻辑门即可驱动 10 个独立的负载。而一些二进制计数器（如 74LS93）只提供二进制输出，需要外部解码器（如 74LS47/48）才能驱动七段数码管或其他显示器。
宽电压范围： CD4017 具有宽泛的工作电压范围，使其在电源选择上更加灵活。