Układy logiczne. Część 6

W poprzednie części artykułu zostały uznane za najprostsze urządzenia na elementach logicznych 2I-NOT. Jest to samowibrujący multiwibrator i jednorazowy zastrzyk. Zobaczmy, co można stworzyć na ich podstawie.

Każde z tych urządzeń może być używane w różnych konstrukcjach jako oscylatory główne i urządzenia do kształtowania impulsów o wymaganym czasie trwania. Biorąc pod uwagę fakt, że artykuł ma jedynie charakter orientacyjny, a nie opis jakiegokolwiek konkretnego złożonego obwodu, ograniczamy się do kilku prostych urządzeń wykorzystujących powyższe schematy.

Proste obwody wielowibracyjne

Multiwibrator jest dość wszechstronnym urządzeniem, więc jego użycie jest bardzo zróżnicowane. W czwartej części artykułu pokazano obwód multiwibratora oparty na trzech elementach logicznych. Aby nie szukać tej części, obwód pokazano ponownie na rysunku 1.

Częstotliwość oscylacji przy wartościach znamionowych wskazanych na schemacie będzie wynosić około 1 Hz. Uzupełniając taki multiwibrator wskaźnikiem LED, można uzyskać prosty generator impulsów świetlnych. Jeśli tranzystor zostanie pobrany wystarczająco mocnie, na przykład KT972, całkiem możliwe jest wykonanie małej girlandy na małą choinkę. Podłączając kapsułkę telefoniczną DEM-4m zamiast diody LED, słychać kliknięcia podczas przełączania multiwibratora. Takie urządzenie może być używane jako metronom podczas nauki gry na instrumentach muzycznych.

Rysunek 1. Multiwibrator z trzema elementami.

Oparty na multiwibratorze bardzo łatwo jest stworzyć generator częstotliwości audio. Aby to zrobić, konieczne jest, aby kondensator miał 1 μF i użył zmiennej rezystancji 1,5 ... 2,2 KΩ jako rezystor R1. Taki generator oczywiście nie blokuje całego zakresu dźwięku, ale w pewnych granicach częstotliwość oscylacji można zmienić. Jeśli potrzebujesz generatora o szerszym zakresie częstotliwości, można to zrobić, zmieniając pojemność kondensatora za pomocą przełącznika.

Przerywany generator dźwięku

Jako przykład zastosowania multiwibratora możemy przypomnieć obwód, który emituje przerywany sygnał dźwiękowy. Aby go utworzyć, potrzebujesz już dwóch multiwibratorów. W tym schemacie multiwibratory na dwóch elementach logicznych, co pozwala zmontować taki generator na jednym układzie. Jego obwód pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Przerywany generator sygnałów dźwiękowych.

Generator na elementach DD1.3 i DD1.4 generuje oscylacje częstotliwości dźwięku, które są odtwarzane przez kapsułę telefoniczną DEM-4m. Zamiast tego można użyć dowolnego z opornością uzwojenia około 600 omów. Przy wartościach znamionowych C2 i R2 wskazanych na schemacie częstotliwość drgań dźwięku wynosi około 1000 Hz. Ale dźwięk będzie słyszalny tylko wtedy, gdy na wyjściu 6 multiwibratora na elementach DD1.1 i DD1.2 będzie wysoki poziom, który pozwoli multiwibratorowi pracować na elementach DD1.3, DD1.4. W przypadku zatrzymania wyjścia pierwszego niskiego poziomu drugiego multiwibratora drugiego multiwibratora brak dźwięku w kapsułce telefonicznej.

Aby sprawdzić działanie generatora dźwięku, 10. wyjście elementu DD1.3 można odłączyć od wyjścia 6 DD1.2. W takim przypadku powinien zabrzmieć ciągły sygnał dźwiękowy (nie zapominaj, że jeśli wejście elementu logicznego nie jest nigdzie podłączone, wówczas jego stan jest uważany za wysoki).

Jeśli 10. pin jest podłączony do wspólnego przewodu, na przykład zworki, dźwięk w telefonie zostanie zatrzymany. (To samo można zrobić bez przerywania połączenia dziesiątego wyjścia). To doświadczenie sugeruje, że sygnał dźwiękowy jest słyszalny tylko wtedy, gdy wyjście 6 elementu DD1.2 jest wysokie. Zatem pierwszy multiwibrator taktuje drugi. Podobny schemat można zastosować na przykład w urządzeniach alarmowych.

Zasadniczo zwora drutowa podłączona do wspólnego przewodu jest szeroko stosowana w badaniu i naprawie obwodów cyfrowych jako sygnał niskiego poziomu. Można powiedzieć, że jest to klasyka tego gatunku. Obawy przed zastosowaniem takiej metody „spalania” są całkowicie daremne. Co więcej, nie tylko wejścia, ale także wyjścia cyfrowych mikroukładów dowolnej serii można „sadzić” na „ziemi”. Jest to równoważne z otwartym tranzystorem wyjściowym lub zerowym poziomem logicznym, niskim poziomem.

W przeciwieństwie do tego, co właśnie powiedziano, CAŁKOWICIE NIE MOŻNA PODŁĄCZYĆ MIKROWARÓDÓW DO OBWODU + 5 V: jeśli tranzystor wyjściowy jest w tym czasie otwarty (całe napięcie zasilacza zostanie przyłożone do części kolektor - emiter otwartego tranzystora wyjściowego), mikroukład ulegnie awarii. Biorąc pod uwagę, że wszystkie obwody cyfrowe nie stoją w miejscu, ale cały czas coś robią, pracują w trybie pulsacyjnym, tranzystor wyjściowy nie będzie musiał długo się otwierać.

Sonda do naprawy sprzętu radiowego

Korzystając z elementów logicznych 2I-NOT możesz stworzyć prosty generator do strojenia i naprawy radiotelefonów. Na wyjściu można uzyskać oscylacje częstotliwości dźwięku (RF) i oscylacje częstotliwości radiowej (RF) modulowane przez RF. Obwód generatora pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Generator do sprawdzania odbiorników.

Na elementach DD1.3 i DD1.4 montowany jest znany nam multiwibrator. Za jego pomocą generowane są drgania częstotliwości dźwięku, które są wykorzystywane przez falownik DD2.2 i kondensator C5 przez złącze XA1 do testowania wzmacniacza niskiej częstotliwości.

Generator oscylacji wysokiej częstotliwości jest wykonany na elementach DD1.1 i DD1.2. To także znany multiwibrator, tylko tutaj pojawił się nowy element - induktor L1 połączone szeregowo z kondensatorami C1 i C2. częstotliwość tego generatora zależy głównie od parametrów cewki L1 i może być w niewielkim stopniu regulowana przez kondensator C1.

Na zmontowanym elemencie DD2.1 mikser częstotliwości radiowej, który jest doprowadzany do wejścia 1, a do wejścia 2 stosowana jest częstotliwość zakresu audio. Tutaj częstotliwość dźwięku taktuje częstotliwość radiową dokładnie w taki sam sposób, jak w przerywanym obwodzie sygnału dźwiękowego na rysunku 2: napięcie częstotliwości radiowej na zacisku 3 elementu DD2.1 pojawia się w momencie, gdy poziom wyjściowy 11 elementu DD1.4 jest wysoki.

Aby uzyskać częstotliwość radiową w zakresie 3 ... 7 MHz, cewkę L1 można nawinąć na ramę o średnicy 8 mm. Wewnątrz cewki włóż kawałek pręta z anteny magnetycznej wykonanej z ferrytu klasy F600NM. Cewka L1 zawiera 50 ... 60 zwojów drutu PEV-2 0,2 ​​... 0,3 mm. Konstrukcja sondy jest dowolna.

Do zasilania lepiej jest użyć generatora sondy stabilizowane źródło napięciaale możesz bateria galwaniczna.

Zastosowanie pojedynczego wibratora

Jako najprostsze zastosowanie pojedynczego wibratora można wywołać sygnalizator świetlny. Na jego podstawie możesz stworzyć cel do strzelania piłkami tenisowymi. Obwód sygnalizatora świetlnego pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Sygnalizator świetlny.

Sam cel może być dość duży (karton lub sklejka), a jego „jabłko” to metalowa płytka o średnicy około 80 mm. Na schemacie jest to styk SF1. Po trafieniu w środek celu styki zamykają się bardzo krótko, więc mrugnięcie żarówki może nie zostać zauważone. Aby zapobiec takiej sytuacji, w tym przypadku stosuje się pojedynczy strzał: od krótkiego impulsu początkowego żarówka gaśnie na co najmniej sekundę. W takim przypadku impuls wyzwalający jest wydłużony.

Jeśli chcesz, aby lampa nie gasła po uderzeniu, ale zamiast migać, powinieneś użyć tranzystora KT814 w obwodzie wskaźnika, wymieniając wyjścia kolektora i emitera. Za pomocą tego połączenia można pominąć rezystor w obwodzie bazowym tranzystora.

Jako generator pojedynczego impulsu często stosuje się pojedynczy zastrzyk w naprawie technologii cyfrowej w celu przetestowania wydajności zarówno pojedynczych mikroukładów, jak i całych kaskad.Zostanie to omówione później. Ani jeden przełącznik, ani, jak się to nazywa, analogowy miernik częstotliwości, nie może obejść się bez jednego wibratora.

Prosty miernik częstotliwości

Na czterech logicznych elementach układu K155LA3 można złożyć prosty miernik częstotliwości, który umożliwia pomiar sygnałów o częstotliwości 20 ... 20 000 Hz. Aby móc zmierzyć częstotliwość sygnału dowolnego kształtu, na przykład sinusoidy, należy go przekształcić w prostokątne impulsy. Zazwyczaj ta transformacja jest wykonywana przy użyciu wyzwalacza Schmitta. Jeśli mogę tak powiedzieć, przekształca „impulsy” fali sinusoidalnej o delikatnych frontach w prostokąty o stromych frontach i zboczach. Spust Schmitta ma próg wyzwalania. Jeśli sygnał wejściowy jest poniżej tego progu, na wyjściu wyzwalacza nie będzie sekwencji impulsów.

Znajomość działania wyzwalacza Schmitta można rozpocząć od prostego eksperymentu. Schemat jego utrzymania pokazano na rycinie 5.

Rysunek 5. Wyzwalacz Schmitta i wykresy jego pracy.

Aby zasymulować wejściowy sygnał sinusoidalny, stosuje się baterie galwaniczne GB1 i GB2: przesunięcie suwaka rezystora zmiennego R1 do najwyższej pozycji w obwodzie symuluje dodatnią połowę fali sinusoidalnej i przesunięcie w dół ujemnej.

Eksperyment powinien rozpocząć się od tego, że obracając silnik rezystora zmiennego R1, ustaw na nim napięcie zerowe, naturalnie kontrolując go za pomocą woltomierza. W tej pozycji wyjście elementu DD1.1 jest stanem pojedynczym, wysokim poziomem, a wyjście elementu DD1.2 jest logiczne zero. Jest to stan początkowy przy braku sygnału.

Podłącz woltomierz do wyjścia elementu DD1.2. Jak napisano powyżej, przy wyjściu zobaczymy niski poziom. Jeśli teraz wystarczy powoli przesunąć suwak rezystora zmiennego do końca zgodnie ze schematem, a następnie w dół do końca do wyjścia z powrotem na wyjściu DD1.2, urządzenie pokaże element przełączający się z poziomu niskiego na wysoki i odwrotnie. Innymi słowy, wyjście DD1.2 zawiera prostokątne impulsy o dodatniej polaryzacji.

Działanie takiego wyzwalacza Schmitta ilustruje wykres na rycinie 5b. Fala sinusoidalna na wejściu wyzwalacza Schmitta jest uzyskiwana przez obrócenie rezystora zmiennego. Jego amplituda wynosi do 3 V.

Dopóki napięcie dodatniej półfali nie przekracza wartości progowej (Uпор1), zero logiczne (stan początkowy) jest przechowywane na wyjściu urządzenia. Gdy napięcie wejściowe wzrasta przez obrócenie rezystora zmiennego w czasie t1, napięcie wejściowe osiąga napięcie progowe (około 1,7 V).

Oba elementy przełączą się na przeciwny stan początkowy: na wyjściu urządzenia (element DD1.2) wystąpi napięcie wysokiego poziomu. Dalszy wzrost napięcia wejściowego, aż do wartości amplitudy (3 V), nie prowadzi do zmiany stanu wyjściowego urządzenia.

Teraz obróćmy rezystor zmienny w przeciwnym kierunku. Urządzenie przełączy się do stanu początkowego, gdy napięcie wejściowe spadnie do drugiego, dolnego napięcia progowego Uпор2, jak pokazano na wykresie. Zatem moc wyjściowa urządzenia jest ponownie ustawiana na zero logiczne.

Charakterystyczną cechą spustu Schmitta jest obecność tych dwóch poziomów progowych. Wywołali histerezę wyzwalacza Schmitta. Szerokość pętli histerezy jest ustalana przez wybór rezystora R3, chociaż nie w bardzo dużych granicach.

Dalszy obrót rezystora zmiennego w dół obwodu tworzy ujemną połowę fali sinusoidalnej na wejściu urządzenia. Jednak diody wejściowe zainstalowane wewnątrz mikroukładu po prostu zwierają ujemną półfalę sygnału wejściowego do wspólnego przewodu. Dlatego sygnał ujemny nie wpływa na działanie urządzenia.

Rysunek 6. Obwód miernika częstotliwości.

Rysunek 6 pokazuje schemat prostego miernika częstotliwości wykonanego na jednym układzie K155LA3. Na elementach DD1.1 i DD1.2 montowany jest wyzwalacz Schmitta, z urządzeniem i działaniem, których właśnie poznaliśmy. Pozostałe dwa elementy mikroukładu są wykorzystywane do konstruowania kształtownika impulsów pomiarowych.Faktem jest, że czas trwania prostokątnych impulsów na wyjściu wyzwalacza Schmitta zależy od częstotliwości mierzonego sygnału. W tej formie wszystko będzie mierzone, ale nie częstotliwość.

Do wyzwalacza Schmitta, który już znaliśmy, dodano jeszcze kilka elementów. Na wejściu zainstalowany jest kondensator C1. Jego zadaniem jest pomijanie oscylacji częstotliwości dźwięku na wejściu miernika częstotliwości, ponieważ miernik częstotliwości jest zaprojektowany do pracy w tym zakresie i blokuje przejście stałej składowej sygnału.

Dioda VD1 ma na celu ograniczenie poziomu dodatniej półfali do poziomu napięcia źródła zasilania, a VD2 odcina ujemne półfale sygnału wejściowego. Zasadniczo wewnętrzna dioda ochronna mikroukładu może całkiem poradzić sobie z tym zadaniem, więc nie można zainstalować VD2. Dlatego napięcie wejściowe takiego miernika częstotliwości mieści się w zakresie 3 ... 8 V. Aby zwiększyć czułość urządzenia, na wejściu można zainstalować wzmacniacz.

Impulsy o dodatniej polaryzacji generowane z sygnału wejściowego przez wyzwalacz Schmitta są podawane na wejście modułu kształtowania impulsów pomiarowych wykonanego na elementach DD1.3 i DD1.4.

Kiedy na wejściu elementu DD1.3 pojawi się niskie napięcie, nastąpi przełączenie na jedność. Dlatego przez niego i rezystor R4 zostanie naładowany jeden z kondensatorów C2 ... C4. W takim przypadku napięcie na dolnym wejściu elementu DD1.4 wzrośnie, a na koniec osiągnie wysoki poziom. Jednak pomimo tego element DD1.4 pozostaje w stanie jednostki logicznej, ponieważ nadal jest logiczne zero na wyjściu wyzwalacza Schmitta na jego górnym wejściu (wyjście 6 DD1.2). Dlatego bardzo niewielki prąd przepływa przez urządzenie pomiarowe PA1, strzałka urządzenia praktycznie się nie odchyla.

Pojawienie się jednostki logicznej na wyjściu wyzwalacza Schmitta spowoduje przełączenie elementu DD1.4 w stan logicznego zera. Dlatego prąd ograniczony przez rezystancję rezystorów R5 ... R7 przepływa przez urządzenie wskaźnikowe PA1.

Ta sama jednostka na wyjściu wyzwalacza Schmitta przełączy element DD1.3 w stan zerowy. W takim przypadku kondensator kształtownika zaczyna się rozładowywać. Zmniejszenie napięcia na nim doprowadzi do tego, że element DD1.4 zostanie ponownie ustawiony w stan jednostki logicznej, kończąc w ten sposób tworzenie impulsu niskiego poziomu. Położenie impulsu pomiarowego względem mierzonego sygnału pokazano na rysunku 5d.

Dla każdego limitu pomiaru czas trwania impulsu pomiarowego jest stały w całym zakresie, dlatego kąt odchylenia strzałki mikroamperomierza zależy tylko od częstotliwości powtarzania samego impulsu pomiarowego.

Dla różnych częstotliwości czas trwania impulsu pomiarowego jest inny. W przypadku wyższych częstotliwości impuls pomiarowy powinien być krótki, a w przypadku niskich częstotliwości nieco większy. Dlatego, aby zapewnić pomiary w całym zakresie częstotliwości dźwięku, stosuje się trzy kondensatory regulujące czas C2 ... C4. Przy kondensatorze 0,2 μF mierzone są częstotliwości 20 ... 200 Hz, 0,02 μF - 200 ... 2000 Hz, a przy pojemności 2000 pF 2 ... 20 KHz.

Kalibrację miernika częstotliwości najłatwiej wykonać za pomocą generatora dźwięku, zaczynając od najniższego zakresu częstotliwości. Aby to zrobić, zastosuj sygnał o częstotliwości 20 Hz na wejściu i zaznacz pozycję strzałki na skali.

Następnie przyłóż sygnał o częstotliwości 200 Hz i obróć rezystor R5, aby ustawić strzałkę na ostatni podział skali. Przy stosowaniu częstotliwości 30, 40, 50 ... 190 Hz zaznacz pozycję strzałki na skali. Podobnie, strojenie odbywa się w pozostałych zakresach. Możliwe, że będzie potrzebny dokładniejszy wybór kondensatorów C3 i C4, aby początek skali zbiegł się ze znakiem 200 Hz w pierwszym zakresie.

Na opisach tych prostych konstrukcji pozwolę sobie zakończyć tę część artykułu. W następnej części omówimy wyzwalacze i liczniki na ich podstawie. Bez tego historia o obwodach logicznych byłaby niepełna.

Boris Aladyshkin

Kontynuacja artykułu: Układy logiczne. Część 7. Wyzwalacze. RS - wyzwalacz

E-book -Przewodnik dla początkujących po mikrokontrolerach AVR