Логически чипове. Част 4

След среща в предишни части на статията с чипа K155LA3, нека се опитаме да разберем примери за неговото практическо приложение.

Изглежда, че какво може да се направи от един чип? Разбира се, нищо изключително. Трябва обаче да се опитате да сглобите някакъв функционален възел въз основа на него. Това ще помогне да се разбере визуално принципа на неговата работа и настройки. Един от тези възли, доста често използван на практика, е самоосцилиращ мултивибратор.

Мултивибраторната верига е показана на фигура 1а. Тази схема на външен вид е много подобна на класическата мултивибраторна схема с транзистори. Само тук като активни елементи се прилагат логически елементи микрочипове, включени от инвертори. За това входните щифтове на микросхемата са свързани. кондензатори С1 и С2 образуват две вериги за положителна обратна връзка. Една схема е входът на елемента DD1.1 - кондензатор С1 - изходът на елемента DD1.2. Другият от входа на елемента DD1.2 през кондензатора С2 към изхода на елемента DD1.1.

Благодарение на тези връзки веригата се самовъзбужда, което води до генериране на импулси. Периодът на повторение на импулса зависи от степента на кондензаторите в веригите за обратна връзка, както и от съпротивлението на резисторите R1 и R2.

На фигура 1б същата схема е начертана по такъв начин, че тя е още по-подобна на класическата мултивибраторна версия с транзистори.

Фиг. 1 Самоосцилиращ мултивибратор

Електрически импулси и техните характеристики

До този момент, когато се запознахме с микросхемата, ние се занимавахме с постоянен ток, защото входните сигнали в хода на експериментите се подаваха ръчно с помощта на теленен джъмпер. В резултат на това се получава постоянно напрежение от ниско или високо ниво на изхода на веригата. Такъв сигнал имал случаен характер.

В мултивибраторната верига, която сме сглобили, изходното напрежение ще бъде импулсно, тоест се променя с определена честота стъпаловидно от ниско ниво на високо и обратно. Такъв сигнал в радиотехниката се нарича импулсна последователност или просто последователност от импулси. Фигура 2 показва някои разновидности на електрически импулси и техните параметри.

Частите от импулсната последователност, в които напрежението приема високо ниво, се наричат ​​импулси на високо ниво, а ниско напрежението е паузата между импулсите на високо ниво. Въпреки че всъщност всичко е относително: можем да предположим, че импулсите са ниски, което ще включва например всеки задвижващ механизъм. Тогава паузата между импулсите ще се счита за просто високо ниво.

Фигура 2. Пулсови последователности.

Един от специалните случаи на формата на пулса е меандърът. В този случай продължителността на импулса е равна на продължителността на паузата. За да оцените съотношението на продължителността на импулса, използвайте параметър, наречен работен цикъл. Коефициентът на дежурство показва колко пъти периодът на повторение на пулса е по-дълъг от продължителността на импулса.

На фигура 2 периодът на повторение на импулса е обозначен, както и на други места, с буквата Т, а продължителността на импулса и времето на пауза са съответно ti и tp. Под формата на математическа формула работният цикъл ще се изрази по следния начин: S = T / ti.

Поради това съотношение работният цикъл на импулсите „меандър“ е равен на два. Терминът меандър в този случай е взаимстван от строителството и архитектурата: това е един от методите за зидане, моделът на зидарията просто прилича на посочената последователност от импулси. Пулсационната последователност на меандъра е показана на фигура 2а.

Реципрочността на работния цикъл се нарича коефициент на запълване и се обозначава с буквата D от английския Duty цикъл. Според горното D = 1 / S.

Познавайки периода на повторение на импулса, е възможно да се определи скоростта на повторение, която се изчислява по формулата F = 1 / T.

Началото на импулса се нарича предна, а краят, съответно, упадък. Фигура 2b показва положителен импулс с работен цикъл 4. Предната му част започва от ниско ниво и преминава към високо. Такъв фронт се нарича положителен или възходящ. Съответно, упадъкът на този импулс, както може да се види на снимката, ще бъде отрицателен, падащ.

При импулс на ниско ниво предната част ще пада, а рецесията ще се увеличи. Тази ситуация е показана на фигура 2в.

След толкова малко теоретична подготовка, можете да започнете да експериментирате. За да се сглоби мултивибраторът, показан на фигура 1, е достатъчно да спойка два кондензатора и два резистора към микросхемата, която вече е монтирана на дънната платка. За да изучавате изходните сигнали, можете да използвате само волтметър, за предпочитане показалец, а не цифров. Това вече беше споменато в предишната част на статията.

Разбира се, преди да включите сглобената верига, трябва да проверите дали има късо съединение и правилния монтаж в съответствие с веригата. С оценките на кондензаторите и резисторите, посочени на диаграмата, напрежението на изхода на мултивибратора ще се промени от ниско до високо не повече от тридесет пъти в минута. По този начин иглата на волтметър, свързана например към изхода на първия елемент, ще се колебае от нула до почти пет волта.

Същото може да се види, ако свържете волтметър към друг изход: амплитудата и честотата на отклоненията на стрелката ще бъдат същите като в първия случай. Не напразно такъв мултивибратор често се нарича симетричен.

Ако сега не сте много мързеливи и свържете друг кондензатор със същия капацитет паралелно с кондензаторите, тогава можете да видите, че стрелката започна да се колебае два пъти по-бавно. Честотата на трептенията намалява наполовина.

Ако сега вместо кондензатори, както е показано на диаграмата, запоявайте кондензатори с по-малък капацитет, например 100 микрофарада, тогава можете да забележите просто увеличение на честотата. Стрелката на устройството ще се колебае много по-бързо, но въпреки това движенията му все още са доста забележими.

И какво се случва, ако промените капацитета само на един кондензатор? Например, оставете един от кондензаторите с капацитет 500 микрофарада, а другия заменете със 100 микрофарада. Увеличаването на честотата ще бъде забележимо и освен това стрелката на устройството ще покаже, че съотношението на времето на импулси и паузи се е променило. Въпреки че в този случай, според схемата, мултивибраторът все още остава симетричен.

Сега нека се опитаме да намалим капацитета на кондензаторите, например 1 ... 5 микрофарада. В този случай мултивибраторът ще генерира звукова честота от порядъка на 500 ... 1000 Hz. Стрелката на устройството няма да може да отговори на такава честота. Той просто ще бъде някъде по средата на скалата, показва средното ниво на сигнала.

Тук просто не е ясно дали импулсите с достатъчно висока честота действително отиват или нивото на „сивото“ на изхода на микросхемата. За да различите такъв сигнал, е необходим осцилоскоп, който не всеки има. Следователно, за да се провери работата на веригата, е възможно да се свържат слушалките през кондензатор 0,1 μF и да се чуе този сигнал.

Можете да опитате да замените някой от резисторите с променлива с приблизително една и съща стойност. Тогава, по време на въртенето си, честотата ще варира в определени граници, което дава възможност за фина настройка. В някои случаи това е необходимо.

Въпреки това, противно на казаното, се случва мултивибраторът да е нестабилен или изобщо да не се стартира. Причината за това явление се крие във факта, че емитерният вход на микросхемите на TTL е много критичен за стойностите на резисторите, инсталирани в неговата верига. Тази характеристика на входа на емитер се дължи на следните причини.

Входният резистор е част от едното рамо на мултивибратора.Поради тока на емитер се създава напрежение на този резистор, който затваря транзистора. Ако съпротивлението на този резистор е направено в рамките на 2 ... 2,5 Kom, спадът на напрежението през него ще бъде толкова голям, че транзисторът просто спира да реагира на входния сигнал.

Ако, напротив, вземем съпротивлението на този резистор в рамките на 500 ... 700 Ома, транзисторът ще бъде отворен през цялото време и няма да бъде контролиран от входни сигнали. Следователно, тези резистори трябва да бъдат избрани въз основа на тези съображения в диапазона от 800 ... 2200 Ома. Това е единственият начин за постигане на стабилна работа на мултивибратора, сглобен съгласно тази схема.

Независимо от това, такъв мултивибратор се влияе от фактори като температура, нестабилност на захранването и дори отклонения в параметрите на микросхемите. Микрочипите от различни производители често се различават доста значително. Това се отнася не само за 155-та серия, но и за други. Следователно, мултивибратор, сглобен по такава схема, практически се използва рядко.

Триелементен мултивибратор

По-стабилна мултивибраторна схема е показана на фигура 3а. Състои се от три логически елемента, включени, както в предишния, от инвертори. Както се вижда от диаграмата, в емитерните вериги на логическите елементи току-що споменатите резистори не са. Честотата на трептене се определя само от една RC верига.

Фигура 3. Мултивибратор на три логически елемента.

Работата на тази версия на мултивибратора може да се наблюдава и с помощта на указателно устройство, но за по-голяма яснота можете да сглобите индикаторната каскада на светодиода на същата платка. За целта се нуждаете от един транзистор KT315, два резистора и един светодиод. Индикаторната диаграма е показана на фигура 3б. Може да се запоява и на дъска заедно с мултивибратор.

След включване на захранването мултивибраторът ще започне да колебае, както се вижда от светкавицата на светодиода. Със стойностите на веригата за синхронизация, посочени на диаграмата, честотата на трептенията е около 1 Hz. За да проверите това, достатъчно е да изчислите броя на трептенията за 1 минута: трябва да има около шестдесет, което съответства на 1 трептене в секунда. По дефиниция това е точно 1Hz.

Има два начина да промените честотата на такъв мултивибратор. Първо свържете друг кондензатор със същия капацитет успоредно на кондензатора. LED светкавиците станаха около наполовина по-редки, което показва намаляване на честотата наполовина.

Друг начин за промяна на честотата е промяна на съпротивлението на резистора. Най-лесният начин е да инсталирате на негово място променлив резистор с номинална стойност 1,5 ... 1,8 Com. Когато този резистор се върти, честотата на трептенията ще варира в рамките на 0,5 ... 20 Hz. Максималната честота се получава в положението на променливия резистор, когато заключенията на микросхемата 1 и 8 са затворени.

Ако промените кондензатора например с капацитет 1 микрофарад, тогава с помощта на същия променлив резистор е възможно да регулирате честотата в рамките на 300 ... 10 000 Hz. Това са вече честотите на звуковия диапазон, следователно индикаторът свети непрекъснато, невъзможно е да се каже дали има импулси или не. Следователно, както в предишния случай, трябва да използвате слушалките, свързани към изхода през кондензатора 0,1 μF. По-добре е, ако телефоните за глава са с висока устойчивост.

За да разгледаме принципа на работа на мултивибратор с три елемента, нека се върнем към неговата схема. След като захранването е включено, логическите елементи ще приемат едно и също състояние не едновременно, което може само да се предположи. Да приемем, че DD1.2 е първият, който е в състояние на високо ниво на изхода. От своя изход през незареден кондензатор С1 се подава напрежение на високо ниво към входа на елемента DD1.1, което ще бъде настроено на нула. На входа на DD1.3 елемент е високо ниво, така че той също е настроен на нула.

Но това състояние на устройството е нестабилно: кондензатор С1 постепенно се зарежда през изхода на елемента DD1.3 и резистор R1, което води до постепенно намаляване на напрежението на входа DD1.1. Когато напрежението на входа DD1.1 се приближи до прага, то ще премине към единство и съответно елемент DD1.2 към нула.

В това състояние кондензаторът C1 през резистора R1 и изходът на елемента DD1.2 (по това време изходът е нисък) започва да се презарежда от изхода на елемента DD1.3. Веднага след като кондензаторът се зарежда, напрежението на входа на DD1.1 елемента ще надвиши праговото ниво, всички елементи ще преминат в противоположни състояния. Така на изхода 8 на елемента DD1.3, който е изходът на мултивибратора, се формират електрически импулси. Също така, импулсите могат да бъдат премахнати от пин 6 на DD1.2.

След като разбрахме как да получим импулси в триелементния мултивибратор, можем да опитаме да направим двуелементна схема, която е показана на фигура 4.

Фигура 4. Мултивибратор на два логически елемента.

За да направите това, изходът на резистора R1, точно на веригата, е достатъчен за отваряне от щифт 8 и спойка към щифт 1 на елемент DD1.1. изходът на устройството ще бъде изход 6 на елемента DD1.2. елементът DD1.3 вече не е необходим и може да бъде деактивиран, например, за използване в други схеми.

Принципът на работа на такъв генератор на импулси се различава малко от разгледаното току-що. Да предположим, че изходът на елемента DD1.1 е висок, тогава елемент DD1.2 е в нулево състояние, което позволява на кондензатора С1 да се зарежда през резистора и изхода на елемента DD1.2. Докато кондензаторът се зарежда, напрежението на входа на елемента DD1.1 достига прага, и двата елемента преминават в противоположно състояние. Това ще позволи на кондензатора да се презареди през изходната верига на втория елемент, резистора и входната верига на първия елемент. Когато напрежението на входа на първия елемент се намали до праг, и двата елемента ще преминат в противоположно състояние.

Както бе споменато по-горе, някои случаи на микросхеми в генераторните вериги са нестабилни, което може да зависи не само от конкретен случай, но дори и от производителя на микросхемата. Следователно, ако генераторът не се стартира, е възможно да се свърже резистор със съпротивление 1,2 ... 2,0 Com между входа на първия елемент и "земята". Той създава входно напрежение близо до прага, което улеснява стартирането и реалната работа на генератора.

Такива варианти на генератори в цифровата технология се използват много често. В следващите части на статията ще бъдат разгледани сравнително прости устройства, сглобени на базата на разглежданите генератори. Но първо трябва да се обмисли още един вариант на мултивибратор - единичен вибратор или по друг начин моновибратор. С историята за него започваме следващата част на статията.

Борис Аладишкин

Продължение на статията: Логически чипове. Част 5