Loģikas mikroshēmas. 4. daļa

Pēc tikšanās iepriekšējās raksta daļas ar K155LA3 mikroshēmu mēģināsim izdomāt tās praktiskās pielietošanas piemērus.

Šķiet, ka to, ko var izdarīt no vienas mikroshēmas? Protams, nekas izcils. Tomēr jums vajadzētu mēģināt salikt kādu funkcionālu mezglu, pamatojoties uz to. Tas palīdzēs vizuāli izprast tā darbības principu un iestatījumus. Viens no šiem mezgliem, diezgan bieži tiek izmantots praksē, ir sevis oscilējošs multivibrators.

Multivibratora shēma ir parādīta 1.a attēlā. Šī ķēde pēc izskata ir ļoti līdzīga klasiskajai multivibratora shēmai ar tranzistoriem. Tikai šeit tiek izmantoti aktīvi elementi loģiskie elementi mikročipi, ko iekļauj invertori. Šim nolūkam mikroshēmas ieejas tapas ir savienotas kopā. Kondensatori C1 un C2 veido divas pozitīvas atgriezeniskās saites ķēdes. Viena ķēde ir elementa DD1.1 ieeja - kondensators C1 - elementa DD1.2 izeja. Otra - no elementa DD1.2 ieejas caur kondensatoru C2 līdz elementa DD1.1 izejai.

Pateicoties šiem savienojumiem, ķēde ir pašsajūta, kas noved pie impulsu ģenerēšanas. Impulsa atkārtošanās periods ir atkarīgs no kondensatoru nomināliem atgriezeniskās saites ķēdēs, kā arī no rezistoru R1 un R2 pretestības.

1.b attēlā tā pati ķēde ir uzzīmēta tādā veidā, ka tā ir vēl līdzīgāka klasiskajai multivibratora versijai ar tranzistoriem.

Att. 1 Pašvibrējošs multivibrators

Elektriskie impulsi un to raksturojums

Līdz šim, kad iepazināmies ar mikroshēmu, mēs nodarbojāmies ar līdzstrāvu, jo eksperimentu laikā ievades signāli tika piegādāti manuāli, izmantojot stieples džemperi. Tā rezultātā ķēdes izejā tika iegūts pastāvīgs zema vai augsta līmeņa spriegums. Šādam signālam bija nejaušs raksturs.

Multivibratora shēmā, kuru esam salikuši, izejas spriegums tiks impulsēts, tas ir, mainoties ar noteiktu frekvenci pakāpeniski no zema līmeņa uz augstu un otrādi. Šādu signālu radiotehnikā sauc par impulsu secību vai vienkārši impulsu secību. 2. attēlā parādītas dažas elektrisko impulsu šķirnes un to parametri.

To impulsu secības sekcijas, kurās spriegums ņem augstu līmeni, sauc par augsta līmeņa impulsiem, un zema līmeņa spriegums ir pauze starp augsta līmeņa impulsiem. Lai gan patiesībā viss ir relatīvs: mēs varam pieņemt, ka impulsi ir zemi, kas ietver, piemēram, jebkuru pievadu. Tad pauze starp impulsiem tiks uzskatīta tikai par augstu līmeni.

2. attēls. Impulsu secība.

Viens no īpašajiem impulsa formas gadījumiem ir meandrs. Šajā gadījumā impulsa ilgums ir vienāds ar pauzes ilgumu. Lai novērtētu impulsa ilguma attiecību, izmantojiet parametru, ko sauc par darba ciklu. Darbības ātrums parāda, cik reizes impulsa atkārtošanās periods ir garāks par impulsa ilgumu.

2. attēlā, tāpat kā citur, impulsa atkārtošanās periods ir norādīts ar burtu T, un impulsa ilgums un pauzes laiks ir attiecīgi ti un tp. Matemātiskas formulas veidā darba ciklu izsaka šādi: S = T / ti.

Sakarā ar šo attiecību “līknes” impulsu darba cikls ir vienāds ar diviem. Termins meander šajā gadījumā ir aizgūts no būvniecības un arhitektūras: šī ir viena no mūrēšanas metodēm, ķieģeļu mūra raksts tikai atgādina norādīto impulsu secību. Vidējā impulsa secība ir parādīta 2.a attēlā.

Darba cikla savstarpējo saikni sauc par piepildījuma koeficientu, un to norāda ar burtu D no angļu valodas Duty cikla. Saskaņā ar iepriekš minēto, D = 1 / S.

Zinot impulsa atkārtošanās periodu, ir iespējams noteikt atkārtošanās ātrumu, ko aprēķina pēc formulas F = 1 / T.

Impulsa sākumu attiecīgi sauc par fronti, bet beigas - par pagrimumu. 2.b attēlā parādīts pozitīvs impulss ar darba ciklu 4. Tā priekšpuse sākas no zema līmeņa un iet uz augstu. Šādu fronti sauc par pozitīvu vai augošu. Attiecīgi šī impulsa samazināšanās, kā redzams attēlā, būs negatīva, samazināsies.

Zemā līmeņa impulsam priekšpuse kritīs, un lejupslīde palielināsies. Šī situācija ir parādīta 2.c attēlā.

Pēc tik mazas teorētiskas sagatavošanās jūs varat sākt eksperimentēt. Lai saliktu 1. attēlā parādīto multivibratoru, pietiek ar divu kondensatoru un divu rezistoru pielodēšanu pie mikroshēmas, kas jau uzstādīta uz maizes dēļa. Lai izpētītu izejas signālus, varat izmantot tikai voltmetru, vēlams rādītāju, nevis digitālu. Tas jau tika minēts iepriekšējā raksta daļā.

Protams, pirms ieslēdzat samontēto shēmu, jums jāpārbauda, ​​vai nav īssavienojumu un vai pareizā montāža notiek atbilstoši shēmai. Ar diagrammā norādītajiem kondensatoru un rezistoru parametriem spriegums multivibratora izejā mainīsies no zema uz augstu ne vairāk kā trīsdesmit reizes minūtē. Tādējādi voltmetra adata, kas savienota, piemēram, ar pirmā elementa izeju, svārstīsies no nulles līdz gandrīz pieciem voltiem.

To pašu var redzēt, ja savienojat voltmetru ar citu izvadi: bultiņu noviržu amplitūda un frekvence būs tāda pati kā pirmajā gadījumā. Ne velti šādu multivibratoru bieži sauc par simetrisku.

Ja tagad jūs neesat pārāk slinks un paralēli kondensatoriem pievienojat citu tādas pašas kapacitātes kondensatoru, tad jūs varat redzēt, ka bultiņa sāka svārstīties divas reizes lēnāk. Svārstību frekvence samazinājās uz pusi.

Ja tagad kondensatoru vietā, kā norādīts diagrammā, lodētus kondensatorus ar mazāku jaudu, piemēram, 100 mikrofaradus, tad jūs varat pamanīt tikai frekvences palielināšanos. Ierīces bultiņa svārstīsies daudz ātrāk, bet tomēr tās kustības joprojām ir diezgan pamanāmas.

Un kas notiek, ja maināt tikai viena kondensatora ietilpību? Piemēram, atstājiet vienu no kondensatoriem ar ietilpību 500 mikrofarādes, un otru nomainiet ar 100 mikrofarādēm. Biežuma palielināšanās būs pamanāma, turklāt ierīces bultiņa parādīs, ka impulsu un paužu laika attiecība ir mainījusies. Lai gan šajā gadījumā saskaņā ar shēmu multivibrators joprojām bija simetrisks.

Tagad mēģināsim samazināt kondensatoru ietilpību, piemēram, 1 ... 5 mikrofarādes. Šajā gadījumā multivibrators radīs audio frekvenci 500 ... 1000 Hz. Ierīces bultiņa nespēs reaģēt uz šādu frekvenci. Tas vienkārši atradīsies skalas vidū, parādot vidējo signāla līmeni.

Šeit vienkārši nav skaidrs, vai tiešām notiek pietiekami augstas frekvences impulsi, vai arī “pelēkais” līmenis mikroshēmas izejā. Lai atšķirtu šādu signālu, ir nepieciešams osciloskops, kas ne visiem ir. Tāpēc, lai pārbaudītu ķēdes darbību, ir iespējams savienot galvas tālruņus caur 0,1 μF kondensatoru un dzirdēt šo signālu.

Jūs varat mēģināt aizstāt jebkuru no rezistoriem ar mainīgu lielumu, kas ir aptuveni tāds pats. Tad rotācijas laikā frekvence mainīsies noteiktos ierobežojumos, kas ļauj to precīzi noregulēt. Dažos gadījumos tas ir nepieciešams.

Tomēr pretēji teiktajam gadās, ka multivibrators ir nestabils vai vispār nesākas. Šīs parādības iemesls ir fakts, ka TTL mikroshēmu emitētāja ieeja ir ļoti kritiska attiecībā uz tā ķēdē uzstādīto rezistoru vērtībām. Šī emitētāja ieejas īpašība rodas šādu iemeslu dēļ.

Ieejas rezistors ir daļa no viena multivibratora loka.Emitētāja strāvas dēļ šim rezistoram tiek izveidots spriegums, kas aizver tranzistoru. Ja šī rezistora pretestība tiek veikta 2 ... 2,5 Kom robežās, tad sprieguma kritums tam pāri būs tik liels, ka tranzistors vienkārši pārstāj reaģēt uz ieejas signālu.

Ja, gluži pretēji, mēs ņemam šī rezistora pretestību 500 ... 700 omi robežās, tranzistors visu laiku būs atvērts un netiks kontrolēts ar ieejas signāliem. Tādēļ šie rezistori jāizvēlas, ņemot vērā šos apsvērumus diapazonā no 800 līdz 2200 omi. Tas ir vienīgais veids, kā sasniegt stabilu multivibratora darbību, kas samontēts saskaņā ar šo shēmu.

Neskatoties uz to, šādu multivibratoru ietekmē tādi faktori kā temperatūra, barošanas avota nestabilitāte un pat mikroshēmu parametru izmaiņas. Dažādu ražotāju mikroshēmas bieži diezgan ievērojami atšķiras. Tas attiecas ne tikai uz 155. sēriju, bet arī uz citām. Tāpēc multivibrators, kas samontēts saskaņā ar šādu shēmu, tiek praktiski reti izmantots.

Trīs elementu multivibrators

Stabilāka multivibratora shēma ir parādīta 3.a attēlā. Tas sastāv no trim loģikas elementiem, kurus, tāpat kā iepriekšējā, iekļauj invertori. Kā redzams no diagrammas, tikko pieminēto loģisko elementu emitētāju ķēdēs to nav. Svārstību frekvenci nosaka tikai viena RC ķēde.

3. attēls. Trīs loģisko elementu multivibrators.

Šīs multivibratora versijas darbību var novērot arī, izmantojot rādītāja ierīci, taču skaidrības labad ir iespējams salikt indikatora kaskādi uz tā paša paneļa gaismas diodes. Lai to izdarītu, jums ir nepieciešams viens KT315 tranzistors, divi rezistori un viena gaismas diode. Indikatoru diagramma parādīta 3.b attēlā. To var arī pielodēt uz maizes dēļa kopā ar multivibratoru.

Pēc strāvas ieslēgšanas multivibrators sāks svārstīties, par ko liecina gaismas diodes zibspuldze. Ar diagrammā norādītajām laika ķēdes vērtībām svārstību frekvence ir aptuveni 1 Hz. Lai to pārbaudītu, pietiek ar to, lai aprēķinātu svārstību skaitu 1 minūtē: vajadzētu būt apmēram sešdesmit, kas atbilst 1 svārstībām sekundē. Pēc definīcijas tas ir precīzi 1Hz.

Ir divi veidi, kā mainīt šāda multivibratora frekvenci. Vispirms pievienojiet citu kondensatoru ar tādu pašu jaudu paralēli kondensatoram. Gaismas diožu zibspuldzes kļuva apmēram uz pusi mazākas, kas norāda uz frekvences samazināšanos uz pusi.

Vēl viens veids, kā mainīt frekvenci, ir mainīt rezistora pretestību. Vienkāršākais veids ir uzstādīt mainīgu rezistoru ar nominālo vērtību 1,5 ... 1,8 Com savā vietā. Kad šis rezistors griežas, svārstību frekvence mainīsies robežās no 0,5 ... 20 Hz. Maksimālo frekvenci iegūst mainīgā rezistora pozīcijā, kad tiek aizvērti 1. un 8. mikroshēmas secinājumi.

Ja maināt kondensatoru, piemēram, ar 1 mikrofarada ietilpību, tad, izmantojot to pašu mainīgo rezistoru, jūs varat pielāgot frekvenci 300 ... 10 000 Hz robežās. Tās jau ir skaņas diapazona frekvences, tāpēc indikators mirgo nepārtraukti, nav iespējams pateikt, vai ir impulsi vai nav. Tāpēc, tāpat kā iepriekšējā gadījumā, jums vajadzētu izmantot galvenos tālruņus, kas savienoti ar izeju caur 0,1 μF kondensatoru. Labāk, ja galvas tālruņiem ir augsta pretestība.

Apsveriet multivibratora darbības principu ar trim elementiem, atgriezīsimies pie tā shēmas. Pēc strāvas ieslēgšanas loģiskie elementi vienlaikus ņems zināmu stāvokli, kuru var tikai pieņemt. Pieņemsim, ka DD1.2 ir pirmais, kas izejā ir augsta līmeņa stāvoklī. No tā izvades caur neuzlādētu kondensatoru C1 augsta līmeņa spriegums tiek pārsūtīts uz elementa DD1.1 ieeju, kas tiks iestatīta uz nulli. Elementa DD1.3 ieejā ir augsts līmenis, tāpēc tas ir arī iestatīts uz nulli.

Bet šis ierīces stāvoklis ir nestabils: caur elementa DD1.3 un rezistora R1 izvadi kondensators C1 tiek pakāpeniski uzlādēts, kas noved pie pakāpeniska sprieguma samazināšanās pie ieejas DD1.1. Kad spriegums pie ieejas DD1.1 tuvojas slieksnim, tas pārslēgsies uz vienotību un attiecīgi elementu DD1.2 uz nulli.

Šajā stāvoklī kondensators C1 caur rezistoru R1 un elementa DD1.2 izeja (šajā laikā tā izeja ir zema) sāk uzlādēt no elementa DD1.3 izejas. Tiklīdz kondensators tiek uzlādēts, elementa DD1.1 ieejā spriegums pārsniegs sliekšņa līmeni, visi elementi pārslēgsies pretējos stāvokļos. Tādējādi pie elementa DD1.3 izejas 8, kas ir multivibratora izeja, veidojas elektriski impulsi. Arī impulsus var noņemt no DD1.2. 6. tapas.

Pēc tam, kad esam izdomājuši, kā iegūt impulsus trīs elementu multivibratorā, mēs varam mēģināt izveidot divu elementu ķēdi, kas parādīta 4. attēlā.

4. attēls. Divu loģikas elementu multivibrators.

Lai to izdarītu, rezistora R1 izeja, tieši uz ķēdes, ir pietiekama, lai atvienotos no elementa DD1.1 8. kontakta un lodēšanas - līdz 1. tapai. ierīces izeja būs elementa DD1.2 izvade 6. elements DD1.3 vairs nav vajadzīgs, un to var atspējot, piemēram, izmantošanai citās shēmās.

Šāda impulsu ģeneratora darbības princips maz atšķiras no tikko apsvērtā. Pieņemsim, ka elementa DD1.1 izeja ir augsta, tad elements DD1.2 ir nulles stāvoklī, kas ļauj uzlādēt kondensatoru C1 caur rezistoru un elementa DD1.2 izeju. Kad kondensators uzlādējas, spriegums pie elementa DD1.1 ieejas sasniedz slieksni, abi elementi pārslēdzas pretējā stāvoklī. Tas ļaus kondensatoram uzlādēt caur otrā elementa izejas ķēdi, rezistoru un pirmā elementa ieejas ķēdi. Kad pirmā elementa spriegums tiek samazināts līdz slieksnim, abi elementi nonāk pretējā stāvoklī.

Kā minēts iepriekš, daži ģeneratoru ķēžu mikroshēmu gadījumi ir nestabili, kas var būt atkarīgs ne tikai no konkrēta gadījuma, bet pat no mikroshēmas ražotāja. Tāpēc, ja ģenerators neieslēdzas, starp pirmā elementa ieeju un "zemi" ir iespējams savienot rezistoru ar pretestību 1,2 ... 2,0 Com. Tas rada ieejas spriegumu tuvu slieksnim, kas atvieglo ģeneratora iedarbināšanu un faktisko darbību.

Šādi ģeneratoru varianti digitālajā tehnoloģijā tiek izmantoti ļoti bieži. Turpmākajās raksta daļās tiks apskatītas salīdzinoši vienkāršas ierīces, kas samontētas, pamatojoties uz apskatītajiem ģeneratoriem. Bet vispirms jāapsver vēl viena multivibratora iespēja - viens vibrators vai citā veidā monovibrators. Ar stāstu par viņu mēs sākam nākamo raksta daļu.

Boriss Aladyshkin

Raksta turpinājums: Loģikas mikroshēmas. 5. daļa