Układy logiczne. Część 4

Po spotkaniu w poprzednie części artykułu z układem K155LA3 spróbujmy znaleźć przykłady jego praktycznego zastosowania.

Wydawałoby się, że co można zrobić z jednego układu? Oczywiście nic wyjątkowego. Powinieneś jednak spróbować zbudować na nim jakiś funkcjonalny węzeł. Pomoże to wizualnie zrozumieć zasadę jego działania i ustawień. Jednym z tych węzłów, dość często stosowanym w praktyce, jest samowirujący multiwibrator.

Obwód multiwibratora pokazano na rysunku 1a. Wygląd tego obwodu jest bardzo podobny do klasycznego obwodu multiwibratora z tranzystorami. Tylko tutaj, ponieważ stosowane są elementy aktywne elementy logiczne mikroczipy zawarte w falownikach. W tym celu styki wejściowe mikroukładu są ze sobą połączone. Kondensatory C1 i C2 tworzą dwa obwody dodatniego sprzężenia zwrotnego. Jednym obwodem jest wejście elementu DD1.1 - kondensator C1 - wyjście elementu DD1.2. Drugi od wejścia elementu DD1.2 przez kondensator C2 do wyjścia elementu DD1.1.

Dzięki tym połączeniom obwód jest samowzbudny, co prowadzi do generowania impulsów. Okres powtarzania impulsu zależy od mocy kondensatorów w obwodach sprzężenia zwrotnego, a także od rezystancji rezystorów R1 i R2.

Na ryc. 1b ten sam obwód jest narysowany w taki sposób, że jest jeszcze bardziej podobny do klasycznej wersji multiwibratora z tranzystorami.

Ryc. 1 samowibrujący multiwibrator

Impulsy elektryczne i ich charakterystyka

Do tej pory, kiedy poznaliśmy mikroukład, mieliśmy do czynienia z prądem stałym, ponieważ sygnały wejściowe podczas eksperymentów były dostarczane ręcznie za pomocą zworki drutowej. W rezultacie na wyjściu obwodu uzyskano stałe napięcie o niskim lub wysokim poziomie. Taki sygnał miał charakter losowy.

W złożonym przez nas obwodzie multiwibratora napięcie wyjściowe będzie pulsować, czyli zmieniać się z pewną częstotliwością krokowo od niskiego poziomu do wysokiego i odwrotnie. Taki sygnał w inżynierii radiowej nazywa się sekwencją impulsów lub po prostu sekwencją impulsów. Ryc. 2 pokazuje niektóre odmiany impulsów elektrycznych i ich parametry.

Sekcje sekwencji impulsów, w których napięcie przyjmuje wysoki poziom, nazywane są impulsami wysokiego poziomu, a napięcie niskiego poziomu jest przerwą między impulsami wysokiego poziomu. Chociaż w rzeczywistości wszystko jest względne: możemy założyć, że impulsy są niskie, co obejmie na przykład dowolny siłownik. Następnie przerwa między impulsami będzie uważana za wysoki poziom.

Ryc. 2. Sekwencje impulsów.

Jednym ze szczególnych przypadków kształtu pulsu jest meander. W takim przypadku czas trwania impulsu jest równy czasowi pauzy. Aby ocenić stosunek czasu trwania impulsu, użyj parametru zwanego cyklem roboczym. Wskaźnik wypełnienia pokazuje, ile razy okres powtarzania impulsu jest dłuższy niż czas trwania impulsu.

Na ryc. 2 okres powtarzania impulsu jest oznaczony, jak gdzie indziej, literą T, a czas trwania impulsu i czas pauzy wynoszą odpowiednio ti i tp. W postaci wzoru matematycznego cykl pracy będzie wyrażony następująco: S = T / ti.

Ze względu na ten stosunek cykl pracy impulsów „meandra” wynosi dwa. Termin meander w tym przypadku zapożyczono z budownictwa i architektury: jest to jedna z metod murowania, wzór cegły przypomina tylko wskazaną sekwencję impulsów. Sekwencję impulsów meandra pokazano na ryc. 2a.

Odwrotność cyklu pracy nazywana jest współczynnikiem wypełnienia i jest oznaczona literą D z angielskiego cyklu pracy. Zgodnie z powyższym D = 1 / S.

Znając okres powtarzania impulsu, można określić częstotliwość powtarzania, która jest obliczana ze wzoru F = 1 / T.

Początek impulsu nazywa się odpowiednio frontem, a koniec odpowiednio spadkiem. Ryc. 2b pokazuje impuls dodatni z cyklem roboczym równym 4. Jego przód zaczyna się od niskiego poziomu i przechodzi do wysokiego. Taki front nazywa się pozytywnym lub wstępującym. W związku z tym spadek tego impulsu, jak widać na zdjęciu, będzie ujemny i spadnie.

W przypadku impulsu niskiego poziomu front będzie opadał, a recesja wzrośnie. Sytuację tę pokazano na ryc. 2c.

Po tak małych przygotowaniach teoretycznych możesz zacząć eksperymentować. Aby zmontować multiwibrator pokazany na rycinie 1, wystarczy wlutować dwa kondensatory i dwa oporniki do mikroukładu już zainstalowanego na płytce. Do badania sygnałów wyjściowych można użyć woltomierza, najlepiej wskaźnika, a nie cyfrowego. Zostało to już wspomniane w poprzedniej części artykułu.

Oczywiście przed włączeniem zmontowanego obwodu należy sprawdzić, czy nie występują zwarcia i prawidłowy montaż zgodnie z obwodem. Przy znamionowych kondensatorach i opornikach wskazanych na schemacie napięcie na wyjściu multiwibratora zmieni się z niskiego na wysoki nie więcej niż trzydzieści razy na minutę. W ten sposób igła woltomierza podłączona na przykład do wyjścia pierwszego elementu będzie oscylować od zera do prawie pięciu woltów.

To samo widać po podłączeniu woltomierza do innego wyjścia: amplituda i częstotliwość odchyleń strzałek będą takie same jak w pierwszym przypadku. Nie na próżno taki multiwibrator często nazywany jest symetrycznym.

Jeśli teraz nie jesteś zbyt leniwy i podłącz inny kondensator o tej samej pojemności równolegle z kondensatorami, możesz zobaczyć, że strzałka zaczęła oscylować dwa razy wolniej. Częstotliwość oscylacji spadła o połowę.

Jeśli teraz zamiast kondensatorów, jak wskazano na schemacie, lutuj kondensatory o niższej pojemności, na przykład 100 mikrofaradów, możesz zauważyć tylko wzrost częstotliwości. Strzałka urządzenia będzie się zmieniać znacznie szybciej, ale nadal jego ruchy są dość zauważalne.

A co się stanie, jeśli zmienisz pojemność tylko jednego kondensatora? Na przykład pozostaw jeden z kondensatorów o pojemności 500 mikrofaradów i zastąp drugi 100 mikrofaradami. Zauważalny będzie wzrost częstotliwości, a ponadto strzałka urządzenia pokaże, że zmienił się stosunek czasowy impulsów i pauz. Chociaż w tym przypadku, zgodnie ze schematem, multiwibrator nadal pozostawał symetryczny.

Teraz spróbujmy zmniejszyć pojemność kondensatorów, na przykład 1 ... 5 mikrofaradów. W takim przypadku multiwibrator wygeneruje częstotliwość audio rzędu 500 ... 1000 Hz. Strzałka urządzenia nie będzie w stanie zareagować na taką częstotliwość. Będzie po prostu gdzieś w środku skali, pokazując średni poziom sygnału.

Po prostu nie jest tu jasne, czy impulsy o wystarczająco wysokiej częstotliwości faktycznie odchodzą, czy też poziom „szarości” na wyjściu mikroukładu. Aby odróżnić taki sygnał, wymagany jest oscyloskop, którego nie każdy ma. Dlatego w celu weryfikacji działania obwodu można podłączyć słuchawki przez kondensator 0,1 μF i usłyszeć ten sygnał.

Możesz spróbować zastąpić dowolny z rezystorów zmienną o w przybliżeniu tej samej wartości. Następnie podczas jego obracania częstotliwość będzie się zmieniać w pewnych granicach, co umożliwia dokładne dostrojenie. W niektórych przypadkach jest to konieczne.

Jednak wbrew temu, co powiedziano, zdarza się, że multiwibrator jest niestabilny lub wcale się nie uruchamia. Przyczyną tego zjawiska jest fakt, że wejście emitera mikroukładów TTL jest bardzo ważne dla wartości rezystorów zainstalowanych w jego obwodzie. Ta funkcja wejścia emitera wynika z następujących przyczyn.

Rezystor wejściowy jest częścią jednego z ramion multiwibratora.Z powodu prądu emitera powstaje napięcie na tym rezystorze, który zamyka tranzystor. Jeśli rezystancja tego rezystora zostanie wykonana w granicach 2 ... 2,5 Kom, spadek napięcia na nim będzie tak duży, że tranzystor po prostu przestanie reagować na sygnał wejściowy.

Jeśli przeciwnie, przyjmiemy rezystancję tego rezystora w zakresie 500 ... 700 Ohm, tranzystor będzie cały czas otwarty i nie będzie sterowany przez sygnały wejściowe. Dlatego te rezystory należy wybrać w oparciu o te rozważania w zakresie 800 ... 2200 Ohm. Jest to jedyny sposób na osiągnięcie stabilnego działania multiwibratora zmontowanego zgodnie z tym schematem.

Niemniej jednak na taki multiwibrator mają wpływ takie czynniki, jak temperatura, niestabilność zasilania, a nawet zmiany parametrów mikroukładów. Mikroczipy różnych producentów często różnią się dość znacząco. Dotyczy to nie tylko 155. serii, ale także innych. Dlatego praktycznie nie stosuje się multiwibratora zmontowanego zgodnie z takim schematem.

Trzyelementowy multiwibrator

Bardziej stabilny obwód multiwibratora pokazano na rysunku 3a. Składa się z trzech elementów logicznych, zawartych, podobnie jak w poprzednim, przez falowniki. Jak widać ze schematu, w obwodach emiterowych elementów logicznych nie wspomniano już o rezystorach. Częstotliwość oscylacji jest określona tylko przez jeden łańcuch RC.

Rysunek 3. Multiwibrator na trzech elementach logicznych.

Działanie tej wersji multiwibratora można również obserwować za pomocą wskaźnika, ale dla jasności można zmontować kaskadę wskaźników na diodzie LED na tej samej płycie. Aby to zrobić, potrzebujesz jednego tranzystora KT315, dwóch rezystorów i jednej diody LED. Schemat wskaźników pokazano na ryc. 3b. Można go również przylutować na płycie pilśniowej razem z multiwibratorem.

Po włączeniu zasilania multiwibrator zacznie oscylować, o czym świadczy błysk diody LED. Przy wartościach łańcucha rozrządu wskazanych na schemacie częstotliwość oscylacji wynosi około 1 Hz. Aby to zweryfikować, wystarczy obliczyć liczbę oscylacji w ciągu 1 minuty: powinno być ich około sześćdziesiąt, co odpowiada 1 oscylacji na sekundę. Z definicji jest to dokładnie 1 Hz.

Istnieją dwa sposoby zmiany częstotliwości takiego multiwibratora. Najpierw podłącz kolejny kondensator o tej samej pojemności równolegle do kondensatora. Błyski LED stały się o połowę rzadsze, co wskazuje na zmniejszenie częstotliwości o połowę.

Innym sposobem zmiany częstotliwości jest zmiana rezystancji rezystora. Najprostszym sposobem jest zainstalowanie na swoim miejscu rezystora zmiennego o wartości nominalnej 1,5 ... 1,8 Com. Kiedy ten rezystor się obraca, częstotliwość oscylacji będzie zmieniać się w granicach 0,5 ... 20 Hz. Maksymalna częstotliwość jest uzyskiwana w pozycji rezystora zmiennego, gdy wnioski mikroukładu 1 i 8 są zamknięte.

Jeśli zmienisz na przykład kondensator o pojemności 1 mikrofarady, to przy użyciu tego samego rezystora zmiennego można wyregulować częstotliwość w zakresie 300 ... 10 000 Hz. Są to już częstotliwości zakresu dźwięku, dlatego wskaźnik świeci w sposób ciągły, nie można powiedzieć, czy są impulsy, czy nie. Dlatego, podobnie jak w poprzednim przypadku, należy używać słuchawek podłączonych do wyjścia przez kondensator 0,1 μF. Lepiej jest, jeśli słuchawki mają wysoką odporność.

Aby rozważyć zasadę działania multiwibratora z trzema elementami, wróćmy do jego schematu. Po włączeniu zasilania elementy logiczne przyjmą stan nie w tym samym czasie, co można tylko założyć. Załóżmy, że DD1.2 jako pierwszy znajduje się w stanie wysokiego poziomu na wyjściu. Z jego wyjścia przez nienaładowany kondensator C1, wysokie napięcie jest przekazywane na wejście elementu DD1.1, które zostanie ustawione na zero. Na wejściu elementu DD1.3 jest wysoki poziom, więc jest on również ustawiony na zero.

Ale ten stan urządzenia jest niestabilny: kondensator C1 jest stopniowo ładowany przez wyjście elementu DD1.3 i rezystora R1, co prowadzi do stopniowego spadku napięcia na wejściu DD1.1. Kiedy napięcie na wejściu DD1.1 zbliży się do progu, przełączy się na jedność, a zatem element DD1.2 na zero.

W tym stanie kondensator C1 przez rezystor R1 i wyjście elementu DD1.2 (w tym czasie wyjście jest niskie) zaczyna się ładować z wyjścia elementu DD1.3. Gdy tylko kondensator się ładuje, napięcie na wejściu elementu DD1.1 przekroczy poziom progowy, wszystkie elementy przejdą w przeciwne stany. Zatem na wyjściu 8 elementu DD1.3, który jest wyjściem multiwibratora, powstają impulsy elektryczne. Również impulsy można usunąć z pinu 6 DD1.2.

Po tym, jak wymyśliliśmy, jak uzyskiwać impulsy w trzyelementowym multiwibratorze, możemy spróbować stworzyć dwuelementowy obwód, który pokazano na rycinie 4.

Rysunek 4. Multiwibrator na dwóch elementach logicznych.

Aby to zrobić, wystarczy wyjść opornika R1 bezpośrednio na obwód, aby odlutować z pinu 8 i przylutować do pinu 1 elementu DD1.1. wyjściem urządzenia będzie wyjście 6 elementu DD1.2. element DD1.3 nie jest już potrzebny i można go wyłączyć na przykład w celu użycia w innych obwodach.

Zasada działania takiego generatora impulsów niewiele różni się od tego, co właśnie rozważano. Załóżmy, że moc wyjściowa elementu DD1.1 jest wysoka, wówczas element DD1.2 znajduje się w stanie zerowym, co umożliwia ładowanie kondensatora C1 przez rezystor i moc wyjściową elementu DD1.2. Gdy kondensator ładuje się, napięcie na wejściu elementu DD1.1 osiąga próg, oba elementy przełączają się w stan przeciwny. Umożliwi to ładowanie kondensatora przez obwód wyjściowy drugiego elementu, rezystor i obwód wejściowy pierwszego elementu. Kiedy napięcie na wejściu pierwszego elementu zostanie zredukowane do wartości progowej, oba elementy przejdą w stan przeciwny.

Jak wspomniano powyżej, niektóre przypadki mikroukładów w obwodach generatora są niestabilne, co może zależeć nie tylko od konkretnego przypadku, ale nawet od producenta mikroukładu. Dlatego jeśli generator nie uruchomi się, możliwe jest podłączenie rezystora o rezystancji 1,2 ... 2,0 Com między wejściem pierwszego elementu a „masą”. Tworzy napięcie wejściowe zbliżone do progu, co ułatwia rozruch i faktyczne działanie generatora.

Takie warianty generatorów w technologii cyfrowej są bardzo często stosowane. W kolejnych częściach artykułu zostaną rozważone stosunkowo proste urządzenia zmontowane na podstawie rozważanych generatorów. Najpierw jednak należy rozważyć jeszcze jedną opcję multiwibratora - pojedynczy wibrator lub monowibrator w inny sposób. Opowiadając o nim, rozpoczynamy kolejną część artykułu.

Boris Aladyshkin

Kontynuacja artykułu: Układy logiczne. Część 5