流水灯电路原理与PCB设计详解：爱的魔力转圈圈系列教程

作为第二个案例，流水灯电路，比贴片元件焊接练习板稍微复杂一点。它的主要功能是：通过拨码开关来配置哪个灯亮，电路可以自动或手动产生周期脉冲，调整灯“流水”的速度。它的效果如下。

设计原理图，当然需要知道它的原理了。

供电电路

电路采用type-C接口，5V供电，也可以使用其它5V直流电源，通过测试点T1与T2供电。SW1是电源总开关，F1是自恢复保险丝，D1是稳压管（又称齐纳二极管），稳定电压是5.1V。R1与LED1构成电源指示电路。

F1与D1构成了经典的防反接电路，如果电源正负极接反，或者输入电源电压过大，会烧坏保险丝，保护后续电路。下图是简化的电路。

当正负极接反时，稳压二极管D导通，导通电压不到1V，不会烧坏后面的电路；导通电流非常大，瞬间把保险丝F熔断，电源断开。

即便正负极没有接反，如果输入电压太高，超过稳压二极管的稳定电压，导致稳压二极管反向击穿，同样会把保险丝熔断，保护后续的电路。

C1到C6，按照功能，被称为去耦电容。电容相当于蓄水池，避免由于电流的突变而使电压下降。有时会与去耦电容就近并联小容值的旁路电容，去除高频噪声。

虽然原理图中，这几个电容放在一起，但是布局时，这几个电容要分散开，各自靠近芯片的电源入口。

非对称式多谐振荡器

流水灯电路将以一定的速度来“流水”，必然需要周期变化的脉冲信号作为系统的“心跳”。流水灯电路中使用反相器产生多谐振荡器。它的原理以前的文章有提到，这里放个视频回顾一下：

产生脉冲的环节中，限流电阻设置为阻值可调的电位器，可以大幅度改变脉冲的频率。按键K2可以产生手动的脉冲，拨动开关SW2可以选择是自动产生脉冲或手动产生脉冲。LED2可以作为产生脉冲的指示灯，每个脉冲周期内LED2都会闪烁一次。74HC14的C部分用于提升脉冲的带负载能力，因为B部分的输出端既要为电容充电，又要为LED2供电，可能会影响脉冲周期的稳定性。

LED配置电路

流水灯电路用拨码开关来控制某个LED亮灭，但是又不想让开关与LED一一对应，因为对应的太死，就没办法实现流水的效果。可以先用一个“并入串出”芯片，获取所有拨码开关的状态，再用一个“串入并出”的芯片，来控制多个LED。

74HC165是一个8位串行或并行输入，串行输出的移位寄存器。74HC165具有一个串行输入（SI引脚），8个并行数据输入（A-H）和两个互补串行输出的功能。当S/L引脚为低时，A-H端的数据进入移位寄存器。当S/L引脚为高时，数据从DS引脚串行进入寄存器。当使能时钟时，数据在时钟CP上升时按位输出。74HC165的“并入串出”，是指数据一下子全部进入（并行进入）寄存器，然后一位一位的输出。

它的常见用法为在PL为低电平的时候，装载并行数据。然后时钟使能，在时钟输入上升沿的时候，把移位寄存器从高位开始，按位移出。串行输入可以接上一级的串行输出，实现级联，或者接自身的串行输出，形成循环。

74HC165的1引脚接按键，默认情况下为高电平，装载串行数据；按下时变为低电平，装载并行数据，也就是读取拨码开关的状态，因此这个按键的功能就是“更新设定”。由于串行输入的数据也是自身串行输出的数据，所以默认状态下，按照之前显示的内容周期循环；如果按下了按键，会根据当前拨码开关配置的状态，更新下一个周期的状态。拨码开关默认为低电平，拨动后变为高电平。拨码开关的8个下拉电阻阻值完全一样，故可以使用排阻，简化设计。

LED驱动电路

74HC164芯片与74HC165相对应，是“串入并出”的芯片。它有两个串行数据输入(A和B)， 8个并行数据输出(QA到QH)。数据在时钟输入上升沿时移位输出。复位引脚低电平可以清除寄存器，并且强制输出为低。

从功能框图中可以看出，两路输入为后接“与门”，如果只需要一路输入，可以把另外一路的输入接高电平。此芯片内只有移位寄存器，没有存储寄存器，因此无法实现锁存功能。所有输入的变化，都会直接影响输出。

如果只需要8个拨码开关控制8个LED灯，74HC164输出电流可以达到25mA，足以驱动LED，后直接连接LED就可以。如果想控制16个LED，或者更多LED，可以再连接若干个74HC245的芯片。这个芯片具备8位3态输出，只需微安级别的电流输入，就可以输出最大35mA的电流，具有较强的带负载能力，常用于增强电路的驱动能力。

74HC245使用起来极其简单，它的1脚可以设定输入与输出的方向。电路的输入与输出逻辑一模一样。

74HC245与74HC244的引脚对比

74HC165的串行输出接74HC164的串行输入，所以74HC165输入的并行数据，其实也就是74HC164的并行输出数据，逻辑上是“串行→并行→串行”，好像没有变化。但没有这个环节，拨码开关与LED一一对应，就没办法显示“流水”的效果了。

最后是两个74HC245并联，输出的内容完全一样，但PCB上16个LED是圆形的，而且中心对称，看上去就是LED转圈圈。图中比较粗的连接线是

有一说一，虽然现象有趣，但是理解原理还是有难度的。电路的原理并非PCB教程的重点，但确实电路设计的难点，还是好好看一看吧。我把流水灯排成了圆圈，你可以排成心形嘛，万一表白呢？

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