Logické čipy. Část 4

Po setkání v předchozí části článku s čipem K155LA3 se pokusíme přijít na příklady jeho praktické aplikace.

Zdá se, že co lze udělat z jednoho čipu? Samozřejmě nic vynikajícího. Měli byste se však pokusit sestavit na základě toho nějaký funkční uzel. To pomůže vizuálně porozumět principu jeho fungování a nastavení. Jedním z těchto uzlů, často používaných v praxi, je samoscilační multivibrátor.

Multivibrátorový obvod je zobrazen na obrázku la. Tento obvodový vzhled je velmi podobný klasickému multivibrátorovému obvodu s tranzistory. Pouze zde se aplikují aktivní prvky logické prvky mikročipy dodávané střídači. Za tímto účelem jsou vstupní kolíky mikroobvodu spojeny dohromady. Kondenzátory C1 a C2 tvoří dva obvody pozitivní zpětné vazby. Jeden obvod je vstup prvku DD1.1 - kondenzátor C1 - výstup prvku DD1.2. Druhý od vstupu prvku DD1.2 přes kondenzátor C2 do výstupu prvku DD1.1.

Díky těmto spojením je obvod sám nadšený, což vede k generování pulzů. Perioda opakování pulsu závisí na jmenovitých hodnotách kondenzátorů v obvodech zpětné vazby, jakož i na odporu rezistorů R1 a R2.

Na obrázku 1b je stejný obvod nakreslen tak, že je ještě více podobný klasické multivibrátorové verzi s tranzistory.

Obr. 1 Samoscilační multivibrátor

Elektrické impulsy a jejich vlastnosti

Až dosud jsme se seznámili s mikroobvodem, jednali jsme se stejnosměrným proudem, protože vstupní signály byly v průběhu experimentů dodávány ručně pomocí jumperu. Výsledkem bylo, že na výstupu obvodu bylo získáno konstantní napětí nízké nebo vysoké úrovně. Takový signál byl ve své podstatě náhodný.

V multivibrátorovém obvodu, který jsme sestavili, bude výstupní napětí pulzováno, to znamená, že se mění s určitou frekvencí postupně z nízké úrovně na vysokou a naopak. Takový signál v rádiovém inženýrství se nazývá sled impulsů nebo jednoduše sled impulsů. Obrázek 2 ukazuje některé druhy elektrických impulsů a jejich parametry.

Části sledu impulsů, ve kterých napětí nabývá vysokou úroveň, se nazývají vysokofrekvenční impulzy a nízkoúrovňové napětí je pauza mezi vysokými úrovněmi pulzů. I když je ve skutečnosti vše relativní: můžeme předpokládat, že pulsy jsou nízké, což bude zahrnovat například jakýkoli ovladač. Poté bude pauza mezi impulsy považována za vysokou úroveň.

Obrázek 2. Pulzní sekvence.

Jedním ze zvláštních případů tvaru impulsu je meandr. V tomto případě se doba trvání pulsu rovná délce trvání pauzy. Pro posouzení poměru doby trvání pulsu použijte parametr nazvaný pracovní cyklus. Sazba ukazuje, kolikrát je doba opakování pulsu delší než doba trvání pulsu.

Na obr. 2 je perioda opakování pulsu označena stejně jako jinde písmenem T a doba trvání pulsu a doba pauzy jsou ti a tp. Ve formě matematického vzorce bude pracovní cyklus vyjádřen takto: S = T / ti.

Díky tomuto poměru je pracovní cyklus pulzů „meandru“ roven dvěma. Termín meandr je v tomto případě vypůjčen ze stavby a architektury: jedná se o jednu z metod zdění, vzor zdiva se podobá uvedené sekvenci impulsů. Sekvence meandrových impulzů je znázorněna na obrázku 2a.

Vzájemná hodnota pracovního cyklu se nazývá faktor plnění a je označena písmenem D z anglického pracovního cyklu. Podle výše uvedeného, ​​D = 1 / S.

Znát periodu opakování pulsu, je možné určit rychlost opakování, která se vypočítá podle vzorce F = 1 / T.

Začátek impulsu se nazývá přední a konec úpadku. Obrázek 2b ukazuje pozitivní impuls s pracovním cyklem 4. Jeho přední strana začíná z nízké úrovně a jde do vysoké úrovně. Taková přední strana se nazývá pozitivní nebo vzestupná. V souladu s tím bude pokles tohoto impulsu, jak je vidět na obrázku, negativní, klesající.

Pro nízkoúrovňový impuls bude přední strana klesat a recese se bude zvyšovat. Tato situace je znázorněna na obrázku 2c.

Po tak malé teoretické přípravě můžete začít experimentovat. Aby bylo možné sestavit multivibrátor znázorněný na obrázku 1, stačí na mikroobvod již nainstalovaný na prkénku připájet dva kondenzátory a dva odpory. Ke studiu výstupních signálů můžete použít spíše voltmetr, nejlépe ukazatel, než digitální. To již bylo zmíněno v předchozí části článku.

Před zapnutím montovaného obvodu je samozřejmě nutné zkontrolovat, zda nedošlo ke zkratům a správné montáži v souladu s obvodem. Při jmenovitém výkonu kondenzátorů a rezistorů uvedených na obrázku se napětí na výstupu multivibrátoru změní z nízkého na vysoké maximálně třicetkrát za minutu. Jehla voltmetrů připojená například k výstupu prvního prvku bude tedy kmitat od nuly do téměř pěti voltů.

To samé lze vidět, pokud připojíte voltmetr k jinému výstupu: amplituda a frekvence odchylek šipek bude stejná jako v prvním případě. Není nadarmo, že se takový multivibrátor často nazývá symetrický.

Pokud nyní nejste příliš líní a paralelně s kondenzátory připojíte další kondenzátor se stejnou kapacitou, můžete vidět, že šipka začala kmitat dvakrát pomaleji. Frekvence kmitání se snížila o polovinu.

Pokud nyní, místo kondenzátorů, jak je uvedeno v diagramu, pájecí kondenzátory s nižší kapacitou, například 100 mikrofarad, pak si můžete všimnout jen zvýšení frekvence. Šipka zařízení bude kolísat mnohem rychleji, ale jeho pohyby jsou stále ještě znatelné.

A co se stane, když změníte kapacitu pouze jednoho kondenzátoru? Například ponechte jeden z kondenzátorů s kapacitou 500 mikrofarad a druhý nahraďte za 100 mikrofarad. Zvýšení frekvence bude patrné a navíc šipka zařízení ukáže, že se změnil časový poměr impulzů a pauzy. Ačkoli v tomto případě, podle schématu, multivibrátor stále zůstával symetrický.

Nyní se pokusíme snížit kapacitu kondenzátorů, například 1 ... 5 mikrofarad. V tomto případě multivibrátor vygeneruje zvukovou frekvenci řádově 500 ... 1000 Hz. Šipka zařízení nebude na takovou frekvenci reagovat. Bude to prostě někde uprostřed stupnice, zobrazující průměrnou úroveň signálu.

Zde jednoduše není jasné, zda pulzy dostatečně vysoké frekvence skutečně vycházejí, nebo „šedá“ úroveň na výstupu z mikroobvodu. K rozlišení takového signálu je zapotřebí osciloskop, který nemá každý. Proto, aby se ověřila činnost obvodu, je možné připojit hlavní telefony přes kondenzátor 0,1 μF a slyšet tento signál.

Můžete se pokusit nahradit některý z rezistorů proměnnou přibližně stejnou hodnotou. Poté se během rotace frekvence bude lišit v rámci určitých limitů, což umožňuje jemné doladění. V některých případech je to nutné.

Na rozdíl od toho, co bylo řečeno, se však stává, že multivibrátor je nestabilní nebo vůbec nezačne. Důvodem tohoto jevu je skutečnost, že emitorový vstup mikroobvodů TTL je velmi důležitý pro hodnoty odporů instalovaných v jeho obvodu. Tato vlastnost vstupu emitoru je způsobena následujícími důvody.

Vstupní rezistor je součástí jedné z ramen multivibrátoru.V důsledku emitorového proudu se na tomto odporu vytvoří napětí, které tranzistor uzavře. Pokud je odpor tohoto odporu proveden během 2 ... 2,5 Kom, pokles napětí napříč ním bude tak velký, že tranzistor jednoduše přestane reagovat na vstupní signál.

Pokud naopak vezmeme odpor tohoto rezistoru do 500 ... 700 Ohmů, tranzistor bude po celou dobu otevřený a nebude řízen vstupními signály. Proto by tyto rezistory měly být vybrány na základě těchto úvah v rozsahu 800 ... 2200 Ohmů. To je jediný způsob, jak dosáhnout stabilního provozu multivibrátoru sestaveného podle tohoto schématu.

Nicméně takový multivibrátor je ovlivněn faktory, jako je teplota, nestabilita napájení a dokonce i změny parametrů mikroobvodů. Mikročipy od různých výrobců se často značně liší. To platí nejen pro 155. řadu, ale i pro ostatní. Multivibrátor sestavený podle takového schématu se proto prakticky používá jen zřídka.

Tříprvkový multivibrátor

Stabilnější multivibrátorový obvod je znázorněn na obrázku 3a. Skládá se ze tří logických prvků, jako u předchozího, zahrnutých střídači. Jak je vidět z diagramu, v emitorových obvodech logických prvků právě uvedené rezistory nejsou. Frekvence kmitání je určena pouze jedním řetězcem RC.

Obrázek 3. Multivibrátor na třech logických prvcích.

Činnost této verze multivibrátoru lze také pozorovat pomocí ukazovacího zařízení, ale pro přehlednost je možné sestavit kaskádu indikátorů na LED na stejné desce. K tomu potřebujete jeden tranzistor KT315, dva rezistory a jeden LED. Indikátorový diagram je znázorněn na obrázku 3b. Lze jej také připájet na prkénko s multivibrátorem.

Po zapnutí napájení začne multivibrátor kmitat, o čemž svědčí záblesk LED. S hodnotami časovacího řetězce uvedenými na diagramu je kmitočet kmitů asi 1 Hz. K ověření toho stačí vypočítat počet kmitů za 1 minutu: mělo by to být asi šedesát, což odpovídá 1 kmitání za sekundu. Podle definice je to přesně 1Hz.

Existují dva způsoby, jak změnit frekvenci takového multivibrátoru. Nejprve připojte další kondenzátor stejné kapacity paralelně s kondenzátorem. LED záblesky se staly asi z poloviny vzácnými, což ukazuje na snížení frekvence o polovinu.

Dalším způsobem, jak změnit frekvenci, je změna odporu rezistoru. Nejjednodušší způsob je nainstalovat na jeho místo variabilní rezistor s nominální hodnotou 1,5 ... 1,8 Com. Když se tento rezistor otáčí, bude kmitočet kmitání kolísat v rozmezí 0,5 ... 20 Hz. Maximální frekvence se získá v poloze variabilního rezistoru, když jsou uzavřeny závěry mikroobvodu 1 a 8.

Pokud například změníte kondenzátor s kapacitou 1 microfarad, pak je možné pomocí stejného variabilního rezistoru upravit frekvenci v rozsahu 300 ... 10 000 Hz. Jedná se již o frekvence zvukového rozsahu, proto indikátor svítí nepřetržitě, nelze říci, zda existují pulsy nebo ne. Proto byste stejně jako v předchozím případě měli používat hlavové telefony připojené k výstupu přes kondenzátor 0,1 μF. Je lepší, když jsou hlavní telefony vysoké odolnosti.

Abychom zvážili princip fungování multivibrátoru se třemi prvky, vraťme se k jeho schématu. Po zapnutí napájení se logické prvky dostanou do stavu ne současně, což lze předpokládat pouze. Předpokládejme, že DD1.2 je na výstupu jako první. Od svého výstupu přes nenabitý kondenzátor C1 je vysoké napětí přenášeno na vstup prvku DD1.1, který bude nastaven na nulu. Na vstupu prvku DD1.3 je vysoká úroveň, takže je také nastavena na nulu.

Tento stav zařízení je však nestabilní: kondenzátor C1 se postupně nabíjí výstupem prvku DD1.3 a rezistoru R1, což vede k postupnému poklesu napětí na vstupu DD1.1. Když se napětí na vstupu DD1.1 přiblíží k prahu, přepne se na jednotu a podle toho prvek DD1.2 na nulu.

V tomto stavu se kondenzátor Cl prostřednictvím rezistoru R1 a výstup prvku DD1.2 (v tomto okamžiku je jeho výstup nízký) začne dobíjet z výstupu prvku DD1.3. Jakmile se kondenzátor nabíjí, napětí na vstupu prvku DD1.1 překročí prahovou úroveň, všechny prvky se přepnou do opačných stavů. Na výstupu 8 ​​prvku DD1.3, který je výstupem multivibrátoru, se vytvářejí elektrické impulzy. Také pulzy mohou být odstraněny z kolíku 6 DD1.2.

Poté, co jsme přišli na to, jak získat pulzy ve tříprvkovém multivibrátoru, můžeme se pokusit vyrobit dvouprvkový obvod, který je znázorněn na obrázku 4.

Obrázek 4. Multivibrátor na dvou logických prvcích.

Za tímto účelem je výstup rezistoru R1 přímo na obvodu dostačující k tomu, aby se odvíjel od kolíku 8 a pájel na kolík 1 prvku DD1.1. výstupem zařízení bude výstup 6 prvku DD1.2. prvek DD1.3 již není zapotřebí a může být deaktivován například pro použití v jiných obvodech.

Princip fungování takového pulzního generátoru se liší od toho, co bylo právě zvažováno. Předpokládejme, že výstup prvku DD1.1 je vysoký, pak je prvek DD1.2 v nulovém stavu, což umožňuje nabíjení kondenzátoru C1 přes odpor a výstup prvku DD1.2. Když se kondenzátor nabíjí, napětí na vstupu prvku DD1.1 dosáhne prahu, oba prvky se přepnou do opačného stavu. To umožní kondenzátoru dobíjet se přes výstupní obvod druhého prvku, odpor a vstupní obvod prvního prvku. Když je napětí na vstupu prvního prvku sníženo na práh, oba prvky přejdou do opačného stavu.

Jak je uvedeno výše, některé příklady mikroobvodů v obvodech generátoru jsou nestabilní, což může záviset nejen na konkrétním případě, ale dokonce i na výrobci mikroobvodů. Pokud se tedy generátor nespustí, je možné mezi vstup prvního prvku a "zem" připojit odpor s odporem 1,2 ... 2,0 Com. Vytváří vstupní napětí blízké prahové hodnotě, což usnadňuje spuštění a skutečný provoz generátoru.

Takové varianty generátorů v digitální technologii se používají velmi často. V následujících částech článku budou uvažována relativně jednoduchá zařízení sestavená na základě uvažovaných generátorů. Nejprve by se však měla zvážit ještě jedna možnost multivibrátoru - jeden vibrátor nebo monovibrátor jiným způsobem. Příběhem o něm začínáme další část článku.

Boris Aladyshkin

Pokračování článku: Logické čipy. Část 5