CD4017概述

CD4017是一款CMOS（互补金属氧化物半导体）十进制计数器/分频器，带有10个译码输出。它属于CD4000系列集成电路，以其低功耗、宽电源电压范围和良好的噪声抗扰性而闻名。CD4017在各种数字电路应用中都非常常见，例如序列控制器、频率分频器、计时器、报警器、LED闪烁器以及需要顺序输出的应用。其内部结构包含一个五级约翰逊（Johnson）计数器和一个译码器，能够将计数器的状态转换为10个独立的、互相排斥的输出信号。

CD4017引脚图及功能

CD4017通常采用16引脚双列直插式封装（DIP-16）。理解每个引脚的功能是正确使用该芯片的基础。

CD4017工作原理详解

CD4017的核心是一个五级约翰逊计数器。约翰逊计数器是一种移位寄存器，其最后一位的非输出（Qn）反馈到第一位的输入（D0）。这种结构使得计数器在每个时钟脉冲下，其内部状态以特定的顺序循环。对于五级约翰逊计数器，它有$2\times 5=10$个不同的稳定状态，正好对应十进制的0到9。

当一个时钟脉冲（CLK引脚上的上升沿）到来时，约翰逊计数器的状态会改变。这个内部状态随后被送入一个译码器。译码器的任务是将约翰逊计数器的独特状态转换为10个相互排斥的输出信号，即Q0到Q9。这意味着在任何给定时间，只有一个输出引脚是高电平，其他所有输出引脚都保持低电平。例如，当计数器处于状态“0”时，Q0引脚为高电平；当计数器处于状态“1”时，Q1引脚为高电平，依此类推，直到状态“9”时Q9引脚为高电平。

关键引脚的详细功能与应用考量

1. 时钟输入（CLK，引脚14）

CLK引脚是CD4017的心脏，它接收外部输入的计数脉冲。这些脉冲可以是来自555定时器、晶体振荡器、或微控制器等产生的方波信号。

• 上升沿触发： CD4017在CLK引脚的上升沿（从低电平到高电平的转换点）时递增计数。这意味着，即使时钟信号处于高电平或低电平的持续时间内，计数器状态也不会改变，只有在发生边沿跳变时才触发计数。

• 信号质量： 为确保稳定的计数，CLK信号应具有清晰的上升沿和下降沿，避免缓慢变化的信号或噪声。建议在CLK引脚上放置一个小的旁路电容（例如0.1μF）以滤除电源噪声，并确保输入信号的稳定性。

• 最大时钟频率： CD4017的最大时钟频率取决于供电电压Vdd。通常，Vdd越高，最大时钟频率也越高。在Vdd=10V时，最大时钟频率可以达到数兆赫兹。但实际应用中，为了可靠性，通常会工作在低于最大频率的范围。

2. 复位（RST，引脚15）

RST引脚用于将计数器强制清零。

• 高电平复位： 当RST引脚施加一个高电平（逻辑1）时，无论CLK输入如何，计数器会立即复位到初始状态0，即Q0变为高电平，而Q1-Q9以及COUT都变为低电平。只要RST引脚保持高电平，计数器就一直保持在0状态，不响应时钟脉冲。

• 低电平工作： 在正常计数操作中，RST引脚必须连接到低电平（逻辑0或VSS）。如果RST引脚悬空，它可能会受到噪声干扰导致不稳定的复位。

• 上电复位： 在许多应用中，为了确保系统启动时的稳定状态，会使用一个简单的RC电路（电阻-电容）来实现上电复位功能，在电源刚接通时给RST引脚提供一个短暂的高电平脉冲，将CD4017初始化到0状态。

3. 时钟使能（EN，引脚13）

EN引脚提供了对时钟输入的控制能力，允许用户暂停或启用计数器。这个引脚在有些数据手册中也可能被称为“Clock Inhibit”或“Clock Enable Not”。

• 高电平禁止： 当EN引脚为高电平（逻辑1）时，内部时钟输入被禁止，即使CLK引脚上有脉冲，计数器也不会递增。它会保持在当前计数状态。

• 低电平使能： 当EN引脚为低电平（逻辑0）时，时钟输入被使能，计数器可以正常响应CLK引脚上的上升沿并进行计数。

• 悬空处理： 在不需要暂停计数功能的简单应用中，EN引脚通常直接连接到VSS（地）。切勿让EN引脚悬空，否则可能引入噪声导致不可预测的行为。

• 应用： EN引脚在需要精确控制计数开始和停止的场合非常有用，例如在某些计时或序列控制应用中。

4. 计数输出（Q0-Q9，引脚3, 2, 4, 10, 1, 5, 6, 7, 9, 11）

这是CD4017最主要的输出引脚组，提供了10个独立的译码输出。

• 顺序激活： 当计数器从0递增到9时，相应的Qn引脚会顺序变为高电平，而其他所有Q引脚保持低电平。例如，当计数器为0时，Q0高电平；当计数器为1时，Q1高电平；……当计数器为9时，Q9高电平。

• 互相排斥： 在任何给定的时间点，只有一个Qn输出是高电平。这是CD4017作为“十进制译码计数器”的关键特性。

• 驱动能力： CMOS输出具有推挽特性，可以提供一定的电流来驱动LED、小继电器或后续逻辑电路。然而，直接驱动大电流负载（如多个大功率LED）时，可能需要外部驱动电路（如晶体管）。

• 连接负载： 当驱动LED时，务必在LED和CD4017输出引脚之间串联一个限流电阻，以保护LED并限制流经CD4017的电流，防止过载损坏芯片。限流电阻的典型值取决于电源电压和LED的正向压降，一般在220Ω到1kΩ之间。

5. 进位输出（COUT，引脚12）

COUT引脚提供了一个进位信号，对于需要将多个CD4017芯片级联以实现更高位数计数或更长序列的应用非常重要。

• 周期性脉冲： COUT引脚在计数器从9递增到0时（即完成一个完整的计数周期，从0到9再回到0）会产生一个高电平脉冲。这个脉冲的持续时间与一个完整的计数周期相同。

• 级联应用： COUT引脚的输出可以直接连接到下一个CD4017的CLK引脚。这样，当第一个CD4017完成0-9的计数周期后，它会产生一个进位脉冲，作为第二个CD4017的时钟输入，从而使第二个CD4017递增一次。通过这种方式，可以方便地构建多位数的十进制计数器或更长的序列发生器。例如，两个CD4017可以实现0-99的计数，其中第一个芯片的COUT连接到第二个芯片的CLK。

• 频率分频： COUT引脚的频率是CLK输入频率的1/10。因此，CD4017也可以用作十进制分频器，将输入频率精确地除以10。

6. 电源引脚（VDD，引脚16 和 VSS，引脚8）

• VDD（正电源）： CD4017可以工作在非常宽的电源电压范围，通常为3V至15V，有些版本甚至支持到18V。选择合适的电源电压取决于应用需求以及与其他芯片的兼容性。更高的电压通常意味着更高的输出驱动能力和更快的操作速度，但也会增加功耗。

• VSS（地）： VSS是芯片的负电源输入，通常连接到电路的公共地（0V）。

• 电源旁路： 为了确保芯片的稳定工作并抑制电源线上的噪声，强烈建议在VDD和VSS引脚之间放置一个0.1μF或1μF的陶瓷旁路电容，且尽可能靠近芯片。

CD4017内部结构简析

虽然CD4017是一个独立的集成电路，但了解其基本内部结构有助于更好地理解其工作原理和限制。

CD4017主要由以下几个部分组成：

1. 约翰逊计数器（Johnson Counter）： 这是一个五级（或称五位）移位寄存器，其最后一位的非输出(Qn)反馈到第一位的输入(D0)。这种独特的反馈机制使得计数器在接收每个时钟脉冲时，其内部状态以预定的序列进行循环。五级约翰逊计数器能够产生10个独特的循环状态，正好对应十进制的0到9。

2. 译码器（Decoder）： 译码器负责将约翰逊计数器的内部二进制状态转换为10个独立的十进制输出。它使用逻辑门（如AND门）来识别约翰逊计数器中特定的位模式，并激活相应的Q0到Q9输出。例如，当约翰逊计数器处于某个特定状态时，译码器会识别这个状态并只让对应的Qn引脚变为高电平。

3. 时钟控制逻辑： 这部分电路处理CLK和EN引脚的信号。它确保只有当EN引脚为低电平（使能）时，CLK引脚的上升沿才能触发约翰逊计数器。

4. 复位逻辑： 复位逻辑负责处理RST引脚的信号。当RST引脚为高电平时，它会强制将约翰逊计数器内部的所有寄存器清零，从而将CD4017复位到Q0高电平的初始状态。

5. 输出缓冲器： 每个Qn输出引脚都连接到CMOS输出缓冲器，以提供足够的电流驱动能力，并确保输出信号的电平符合CMOS标准。COUT引脚也有类似的输出缓冲。

约翰逊计数器的工作方式可以形象地理解为一串灯，每次只亮一个，并且“亮”的位置在移动。每次时钟脉冲到来时，这个“亮”的位置就会向右移动一位，并且当移动到末端时，会从开头“跳”回来，形成一个循环。译码器就是根据这个“亮”的位置来判断当前是哪个数字，并点亮对应的Qn输出。

CD4017的典型应用电路与场景

CD4017因其简单而强大的功能，在各种数字电路设计中都有广泛的应用。

1. 顺序LED闪烁器/跑马灯

这是CD4017最常见的应用之一。通过将10个LED分别连接到Q0-Q9输出（串联限流电阻），并为CLK引脚提供一个周期性的脉冲信号（例如由555定时器产生的方波），LED会按照0到9的顺序依次点亮。

• 电路连接：

• VDD连接到电源正极，VSS连接到地。

• RST连接到地（保持计数）。

• EN连接到地（使能时钟）。

• CLK连接到脉冲发生器（例如555定时器）的输出。

• Q0-Q9通过限流电阻分别连接到10个LED的正极，LED的负极连接到地。

• 工作原理： 555定时器产生持续的方波脉冲。每个脉冲的上升沿都会使CD4017计数器递增，从而点亮下一个LED。当计数到Q9后，下一个脉冲会使计数器回到Q0，再次点亮第一个LED，形成循环的“跑马灯”效果。

2. 简单频率分频器

CD4017可以很容易地实现将输入频率除以2到除以10的整数分频。

• 除以10分频： 直接使用COUT引脚作为输出，其频率是CLK输入频率的1/10。

• 除以N（N < 10）分频： 如果需要除以N分频（例如除以5分频），可以将Qn输出（例如Q5）连接到RST引脚。当计数器计数到N时，Qn变为高电平，从而触发RST引脚将计数器复位到0。下一个时钟脉冲到来时，计数器将从0重新开始计数。这样，每当N个时钟脉冲通过后，COUT引脚会产生一个脉冲（如果利用COUT），或者某个特定的Qn引脚会周期性地变为高电平。

• CLK输入为原始频率信号。

• Q5连接到RST引脚。

• COUT或某个Qn输出作为分频后的输出（例如，如果需要一个与原始脉冲同步的特定脉冲，可以使用Q0的输出）。

• 当计数到4时，下一个时钟脉冲到来，计数器递增到5，Q5变为高电平。

• Q5的高电平立即复位RST引脚，使计数器回到0。

• 因此，每经过5个时钟脉冲，计数器会完成一次从0到4的计数，并在第5个脉冲时刻瞬间计数到5然后复位。

• 例子：除以5分频

• 注意事项： 这种复位分频会导致输出脉冲的占空比不规则，并且复位脉冲会消耗一部分时间。如果需要精确占空比的分频，可能需要更复杂的逻辑。

3. 序列控制器/选择器

CD4017可以用于控制一系列按顺序发生的事件或选择不同的输出通道。

• 应用场景： 例如，在一个自动化系统中，需要依次激活不同的阀门、电机或传感器。CD4017的10个输出可以分别连接到这些设备的驱动电路。

• 人机界面： 可以用一个按钮触发CD4017的CLK引脚，每按一次按钮，就会切换到下一个输出，实现菜单选择或模式切换功能。

4. 交通信号灯模拟

使用CD4017可以模拟简单的交通信号灯序列。

• 方案： 利用Q0-Q9的不同输出来控制红、黄、绿灯的亮灭组合和持续时间。例如，Q0和Q1控制红灯，Q2和Q3控制黄灯，Q4和Q5控制绿灯，并通过RC延时电路或其他逻辑来控制每个状态的持续时间。虽然单个CD4017无法直接实现复杂的定时，但结合555定时器和RC网络可以实现简单的步进式控制。

5. 脉冲宽度调制（PWM）的粗略实现（结合其他元件）

虽然CD4017本身不是PWM控制器，但其顺序输出的特性可以结合其他电路用于粗略的PWM生成，尤其是在需要可变占空比的应用中。

• 基本思路： 让CD4017以固定频率循环计数，然后通过一个比较器或AND门，在Q0到Qn高电平期间输出高电平，其余时间输出低电平。通过改变n的值，可以改变输出高电平持续的时间，从而改变占空比。这在某些简单的调光或电机调速应用中可以见到。

CD4017与其他CMOS逻辑器件的兼容性

CD4017属于CD4000系列，与该系列中的其他逻辑门（如CD4011非门、CD4069反相器等）具有良好的兼容性。

• 电源电压： 它们都可以在相同的宽电源电压范围内工作（通常3V-15V），使得设计者可以在一个电源电压下混合使用这些芯片。

• 逻辑电平： CD4000系列芯片的输入和输出逻辑电平是兼容的。高电平接近VDD，低电平接近VSS。这确保了芯片之间的直接连接不会出现电平转换问题。

• 扇出能力： CD4017的输出可以驱动多个相同系列的CMOS输入。然而，在驱动大电流负载或多个CMOS输入时，仍需考虑其最大输出电流限制，避免超过额定值。

• 与TTL兼容性： CD4000系列CMOS芯片与TTL（Transistor-Transistor Logic）系列芯片在逻辑电平上不直接兼容，尤其是在低电源电压下。如果需要混合使用，通常需要进行电平转换，例如使用上拉电阻或专用的电平转换芯片。但在较高电压（如Vdd=5V）时，某些CMOS芯片可以与TTL兼容，但仍需查阅具体的数据手册。

设计考虑和注意事项

在使用CD4017时，需要注意以下几点以确保电路的稳定性和可靠性：

• 未使用的引脚处理： CMOS器件的未使用输入引脚不能悬空。它们必须连接到VSS或VDD，以防止静电荷积累或噪声干扰导致芯片行为不稳定，甚至损坏。对于CD4017，如果不需要某些Q输出，可以将其悬空，因为它们是输出引脚。但所有的输入引脚（CLK, EN, RST）在不使用时都应连接到确定电平（通常是VSS）。

• 电源去耦： 在VDD和VSS之间放置一个0.1μF或1μF的陶瓷旁路电容，尽可能靠近芯片，以滤除电源线上的高频噪声，提供稳定的本地电源。

• 输入保护： 虽然CD4017内部有输入保护二极管，但在极端情况下，过高的输入电压或负电压仍然可能损坏芯片。在设计中应确保输入信号在芯片的额定电压范围内。

• 静态电荷： CMOS器件对静电敏感。在操作和安装芯片时，应采取防静电措施，例如佩戴防静电手环、使用防静电工作台。

• 电源电压选择： 根据应用需求选择合适的电源电压。较低的电压（如3V）会降低功耗和最大时钟频率，但适合电池供电应用。较高的电压（如12V、15V）能提供更高的驱动能力和更快的速度，但功耗也会相应增加。

• 输出电流限制： 每个Qn输出都有其最大的源电流和灌电流能力。在驱动LED或其他负载时，务必串联限流电阻，确保流过芯片的电流不超过其数据手册中规定的最大值，以防芯片损坏。

• 时钟信号的上升/下降时间： 对于CMOS计数器，时钟信号的上升和下降时间不能太慢。如果时钟信号边沿太缓慢，芯片可能无法正确识别脉冲，导致计数错误或不稳定。在长线传输时钟信号时，可能需要使用施密特触发器来整形信号。

• 温度特性： CD4017在-55°C到+125°C的宽温度范围内都能正常工作，但其电气特性（如最大时钟频率、输出电流）会随温度变化。在极端温度环境下设计时，应查阅数据手册中的相关曲线。

与其他计数器的比较

CD4017是十进制计数器中的一种，与常见的二进制计数器（如74HC161、74HC393）和BCD计数器（如74LS90）相比，它有其独特的优势和局限性。

• CD4017 (十进制译码计数器)：

• 优点： 具有10个直接译码输出，无需外部译码器即可直接驱动LED等显示设备，电路简单。宽电压范围，低功耗，良好的噪声抗扰性。

• 缺点： 只能进行十进制计数，不提供二进制输出。无法直接用于需要二进制编码的数字系统。最大时钟频率通常低于高速TTL或高速CMOS二进制计数器。

• 应用： 顺序控制、跑马灯、简单的分频、点灯系统、玩具、简易计时器。

• 二进制计数器 (如74HC161同步4位二进制计数器)：

• 优点： 提供二进制输出，可以直接连接到微控制器、内存或其他数字逻辑电路。通常具有更高的时钟频率。有并行加载、清除等更灵活的控制功能。

• 缺点： 其输出是二进制编码，如果需要驱动七段数码管或其他十进制显示，需要额外的二进制到十进制译码器（如74LS47/74HC4511）。

• 应用： 微控制器外设、A/D转换、频率计、更复杂的数字系统。

• BCD计数器 (如74LS90异步BCD计数器)：

• 优点： 输出是二进制编码的十进制（BCD），可以直接连接到BCD译码器。通常具有异步复位和预置功能。

• 缺点： 通常是异步计数器，可能存在计数延迟和毛刺问题。频率限制。

• 应用： 数码管显示、计数器模块。

总结来说，CD4017的优势在于其直接的十进制译码输出，使得在需要顺序点亮或选择十个不同路径的应用中，电路设计变得非常简洁。而在需要二进制数据处理或更高速度的场合，二进制计数器则更为合适。

高级应用与扩展

尽管CD4017相对简单，但通过巧妙的设计和与其他元件的结合，可以实现更复杂的应用。

1. 循环步进电机控制

CD4017的顺序输出非常适合控制两相或四相步进电机。通过将Q0-Q3连接到步进电机驱动器（如L293D）的输入，可以按照特定的顺序驱动电机线圈，实现步进电机的正向或反向旋转。例如，对于四相电机，可以使用Q0-Q3的循环输出进行四步顺序驱动。

2. 移位寄存器扩展（虽然不常见）

虽然CD4017本身不是移位寄存器，但其约翰逊计数器的本质与移位操作相关。在某些特殊情况下，可以通过外部逻辑，利用其顺序输出特性来构建或模拟简单的移位寄存器功能。但这通常不如专用的移位寄存器芯片（如74HC595）高效或直接。

3. 脉冲序列发生器

结合一个外部振荡器（如555定时器）和CD4017，可以生成一系列具有特定时间间隔的脉冲。每个Qn输出可以连接到不同的执行器或控制电路，从而在不同的时间点触发不同的事件。

4. 安全系统中的序列编码

在某些简易的安全系统中，CD4017可以作为一种序列编码器。例如，用户需要按照特定的顺序按下几个按钮，每个按钮对应一个CD4017的输入，只有当输入顺序与预设的Qn输出顺序匹配时，才能触发下一步操作。这需要外部比较逻辑。

5. 可编程分频器

通过将不同的Qn输出连接到RST引脚，可以方便地实现可编程的分频比。例如，使用一个开关或跳线帽来选择将Q2、Q3或Q5连接到RST，从而实现除以2、除以3或除以5的分频。

故障排除小贴士

如果你的CD4017电路没有按预期工作，可以检查以下几个常见问题：

• 电源连接： 确保VDD和VSS正确连接，并且电源电压在芯片的工作范围内。

• 未使用的引脚： 检查所有未使用的输入引脚（CLK, EN, RST）是否都正确连接到VSS或VDD，而不是悬空。

• 时钟信号： 检查CLK引脚是否有干净、清晰的脉冲信号。使用示波器可以观察时钟信号的波形，确保其上升沿和下降沿足够快，并且频率在芯片允许范围内。

• 复位状态： 确保RST引脚在正常工作时保持低电平。如果它意外变为高电平，计数器会一直停留在0状态。

• 使能状态： 确保EN引脚在正常工作时保持低电平。如果它意外变为高电平，计数器将停止计数。

• 输出负载： 检查Q0-Q9引脚的负载是否过大。例如，LED限流电阻是否太小，导致电流过大。

• 焊接问题： 检查所有引脚的焊接是否牢固，是否有虚焊或短路。

• 芯片损坏： 虽然CMOS芯片相对耐用，但过电压、静电放电或过载电流都可能损坏芯片。如果所有其他检查都无问题，尝试更换一个新的CD4017芯片。

总结

CD4017十进制计数器/分频器是一款功能强大、用途广泛的CMOS集成电路。其独特的十个译码输出使其在许多需要顺序控制、显示驱动或频率分频的简单数字电路中成为理想选择。通过理解其引脚功能、工作原理和典型应用，工程师和爱好者可以有效地将其集成到各种电子项目中。尽管它是一款较为“老旧”的芯片，但在教育、业余爱好以及许多对速度和复杂性要求不高的工业应用中，CD4017仍然发挥着重要的作用。掌握CD4017的使用不仅有助于解决实际问题，也能加深对数字逻辑和计数器原理的理解。