1 電路結(jié)構(gòu)。
　　電子沙漏是一個級聯(lián)運(yùn)用移位寄存器的典型實(shí)例，電路圖如圖1所示，它包括五個組成部分：
　?。?）集成電路IC1、IC2組成的15位移a位寄存器；
　?。?）開關(guān)S1、S2,二極管VD16、VD17、VD18,電阻R16等組成的輸入數(shù)據(jù)控制電路；
　?。?）晶體管VT1~VT15和VT1'~VT15 組成的輸出狀態(tài)控制電路；
　　（4）發(fā)光二極管VD1~VD15和VD1~VD15 組成的顯示電路；
　　（5）反相器D1、D2等組成的時鐘振蕩器。
　　在結(jié)構(gòu)上，兩組各15個發(fā)光二極管分別排列成為兩個三角形，如圖3所示。其中：VD1~VD15位于上部，排列成倒三角形；VD1~VD15位于下部，排列成正三角形。兩個三角形的相對，組成沙漏形狀。當(dāng)上部有一個發(fā)光二極管熄滅時，相應(yīng)地下部就有一個發(fā)光二極管點(diǎn)亮，模擬了沙漏的運(yùn)動。
　　2 簡要工作原理。
　　集成移位寄存器IC1、IC2級聯(lián)組成15位移位寄存器，構(gòu)成了電子沙漏的主體控制電路。每一位寄存單元都分別通過NPN晶體管VT和PNP晶體管VT'形成Q和/Q兩個互為反相的輸出狀態(tài)，分別控制VD和VD'兩組發(fā)光二極管。15位移位寄存器的串行數(shù)據(jù)輸入端D的狀態(tài)受位置控制電路的控制。當(dāng)電子沙漏正向放置時（發(fā)光二極管VD1~VD15在上部且全亮），串行數(shù)據(jù)輸入端D=0,并在時鐘脈沖CP的作用下逐步右移，使VD1~VD15一個接一個地熄滅，同時VD1~VD15一個接一個地點(diǎn)亮，直至VD1~VD15全滅，VD1~VD15全亮。
　　當(dāng)把電子沙漏上下顛倒過來后，串行數(shù)據(jù)輸入端D=1,并在CP作用下逐步右移，又使VD1~VD15（此時在上部）一個接一個地熄滅，同時VD1~VD15（此時在下部）一個接一個地點(diǎn)亮，直至VD1~VD15全滅，VD1~VD15全亮。
　　二、主要單元電路分析
　　1  15位靜態(tài)移位寄存器
　　15位移位寄存器由四個4位靜態(tài)串入-并出移位寄存器串接而成（1位不用），如圖4所示。實(shí)際電路中，移位寄存器采用了兩塊CMOS雙4位靜態(tài)移位寄存器集成電路CD4015.每一塊CD4015內(nèi)部含有兩組獨(dú)立的4位串入-并出移位寄存器，其串行數(shù)據(jù)輸入端D上的數(shù)據(jù)，在時鐘脈沖CP上升沿的作用下向右移位。設(shè)15位移位寄存器初始狀態(tài)為全1,串行數(shù)據(jù)輸入端D=0.當(dāng)?shù)?個CP脈沖到來時，移位寄存器的第1位變?yōu)?;第2個CP脈沖到來時，移位寄存器的第2位變?yōu)?;……；第15個CP脈沖到來時，移位寄存器的第15位變?yōu)?,即15位移位寄存器的狀態(tài)變?yōu)槿?0".
　　由于CD4015的每一位寄存單元只有Q輸出端，因此在每一位寄存單元的Q端同時接有NPN型（VT）和PNP型（VT）兩個射極跟隨器，其輸出狀態(tài)：VT形成Q,VT形成/Q.
　　2  輸入數(shù)據(jù)控制電路。
　　電子沙漏的工作模式要求。當(dāng)Q1~Q15為1時，輸入數(shù)據(jù)D應(yīng)為0；當(dāng)Q1~Q15為"0"時，輸入數(shù)據(jù)D應(yīng)為"1".D端狀態(tài)的轉(zhuǎn)換由輸入數(shù)據(jù)控制電路完成。當(dāng)Q1~Q15為"1"時，由S1接通電源，R16將D端箝位到地，D=0;當(dāng)Q1~Q15為"0"時，由S2接通電源，電源電壓經(jīng)VD16加至D端，D=1.
　　3  輸出狀態(tài)控制電路
　　晶體管VT1~VT15構(gòu)成15個NPN型射極跟隨器，分別控制發(fā)光二極管VD1~VD15.晶體管VT1~VT15構(gòu)成15個PNP型射極跟隨器，分別控制發(fā)光二極管VD1~VD15.15位移位寄存器的每一位寄存單元的Q輸出端，同時接有NPN型（VT）和PNP型（VT）兩個射極跟隨器。以寄存單元為例：當(dāng)Q=1時，NPN晶體管VT1導(dǎo)通，發(fā)光二極管VD1亮；同時PNP晶體管VT截止，發(fā)光二極管VD1熄滅。當(dāng)Q=0時，NPN晶體管VT1截止，VD1滅；PNP晶體管VT1導(dǎo)通，VD1亮。
　　4  位置控制電路
　　由于電源開關(guān)S1、S2同時要控制移位寄存器輸入數(shù)據(jù)D的狀態(tài)，而D的狀態(tài)又應(yīng)與電子沙漏的擺放位置相關(guān)，因此S1、S2設(shè)計成重力開關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。
　　當(dāng)電子沙漏的VD發(fā)光二極管在上部時，重力開關(guān)的位置是S2在上、S1在下，如圖所示。這時，落下的金屬球使S1接通，+4.5V電源經(jīng)VD18提供給電路工作。由于VD17的阻隔作用，+4.5V電源不能到達(dá)D端，D=0.當(dāng)將電子沙漏顛倒過來后（VD發(fā)光二極管在上部），變?yōu)镾1在上、S2在下，如圖所示。這時，落下的金屬球使S2接通，+4.5V電源經(jīng)VD17提供給電路工作，同時經(jīng)VD16加至D端，使D=1。
　　5 速度控制電路
　　反相器D1、D2組成多諧振蕩器，產(chǎn)生周期約為1s的連續(xù)方波，作為移位寄存器的時鐘脈沖CP.調(diào)節(jié)多諧振蕩器的振蕩周期，即可調(diào)節(jié)電子沙漏的流動速度。振蕩周期越短，沙漏速度越快。
　　三、制作要點(diǎn)
　　1 制作
　　重力開關(guān)可按圖5所示自制。安裝時重力開關(guān)的平面a應(yīng)與面板平行，S2的一端在上、S1的一端在下。電路無須調(diào)試即可使用。
　　2 使用
　　將電子沙漏豎立起來，代表沙粒的發(fā)光二極管亮點(diǎn)便開始往下漏。漏完以后，將電子沙漏上下顛倒過來，又會重新開始往下漏。不用時，將電子沙漏橫著放置，電源便會關(guān)斷，所有發(fā)光二極管均熄滅。