Проектирование цифровых устройств Стандартные схемы – ЧАСТЬ 1

May 12, 2015 by admin Комментировать »

Все схемы состоят из отдельных «кирпичиков», и, зная, как они работают, можно догадаться, как будет работать (по какому алгоритму) и все устройство. Но это правило обратимо: зная, как работают отдельные «кирпичики» и имея перед Глазами алгоритм работы будущего устройства, нетрудно нарисовать его схему.

Именно этим мы и будем заниматься в этой части. Как работают отдельные «кирпичики», подробно (на мой взгляд) описано в первой части книги.

Начнем с самых простых «кирпичиков» — генераторов. Несмотря на свою простоту, генераторы — сверхуниверсальные схемы, и на их основе можно создать множество самых разнообразных устройств.

Простейшую «пищалку» можно сделать, если к выходу обычного генератора, работающего на частотах, слышимых человеком, подключить какой-нибудь излучатель звука: динамическую головку (рис. 2.1, а) или пьезокерамический звукоизлучатель (рис. 2.1, б).

Динамическая головка («динамик») работает по принципу электромагнита. Ее основная часть — диффузор, имеющий чаще всего конусообразную форму, на вершине которого намотана катушка. Катушка помещена в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (он есть в любом динамике). При подаче на выводе катушки электрического сигнала в ней создается магнитное поле. Оно или складывается, или вычитается с полем постоянного магнита, и катушка, а вместе с ней и диффузор или притягиваются, или выталкиваются (в зависимости от полярности приложенного к выводам динамика напряжения) из поля постоянного магнита.

Диффузор динамика имеет сравнительно большую площадь, поэтому при Изменении своего положения в пространстве он колеблет довольно большие массы воздуха. А колебания воздуха — это не что иное, как звук.

У всех динамиков очень небольшой коэффициент полезного действия, не превышающий десятков процентов (т. е. только

Рис. 2.1. Простейшие генераторы звуковых сигналов

20.,        .50% приложенной к динамику мощности превращается в звук), и низкое сопротивление катушки (обычно 2…8 Ом). Непосредственно к выходу микросхемы динамик подклю-

чать нельзя — он вызовет короткое замыкание, и микросхема в лучшем случае просто перестанет работать. Чаше всего динамик подключают через усилитель тока на транзисторе (см. рис. 2.1, а) или через дифференцирующий конденсатор емкостью в десятки микрофарад. Второй (холодный) вывод катушки динамика соединяют или с общим проводом, или (очень редко) с шиной питания «+U».

Громкость излучаемого динамиком звука в схеме на рис. 2.1, а довольно велика (при напряжении питания, равном 9 В, и сопротивлении катушки динамика 8 Ом — около 5 Вт), для уменьшения ее последовательно с динамиком можно включить резистор сопротивлением 20…100 Ом и мощностью рассеивания около 1…0,5 Вт. Громкость звука также можно уменьшить, уменьшив напряжение питания схемы. Между выходом генератора и базой транзистора VT1 резисторы включать нежелательно — громкость звука уменьшится, но транзистор начнет сильно греться. А перегрев для него очень опасен.

Пьезокерамический звукоизлучатель (к сожалению, сокращенного имени для него до сих пор не придумали) от динамика отличается тем, что сопротивление между его выводами на постоянном токе близко к бесконечности — в этом он очень похож на обычный конденсатор. Поэтому подобные излучатели можно подключать к выходам цифровых микросхем непосредственно, безо всяких усилителей тока.

На свете существуют вещества, которые способны под воздействием приложенного к ним напряжения изменять свою форму (сжиматься и расширяться). Наиболее ярко этот эффект выражен у титаната бария, кварца и специальной пьезокерамики. Последняя наиболее дешева и крайне проста в изготовлении. Поэтому многочисленные и самые разнообразные излучатели звука делают именно на основе пьезокерамики. Ее преимущества — высокий КПД (до 80%), практически неограниченный частотный диапазон (он ограничивается только значительной емкостью пластины пьезокерамики), а также наличие ярко выраженной резонансной частоты (для излучателя типа ЗП-З она равна примерно

1..           .2 кГц), на которой КПД излучателя достигает 100%. Кроме того, он способен работать с сигналами любой, даже ничтожно малой амплитудой.

Принцип действий пьезокерамического звукоизлучателя крайне прост: под воздействием приложенного к выводам плоской пьезокерамической пластины напряжения пластина изгибается в ту или иную сторону (в зависимости от полярности приложенного напряжения), а так как пластина «намертво» приклеена к металлическому диффузору, то последний колеблется вместе с ней и заодносотрясает воздух. Так электричество превращается в звук.

Так же как и у конденсатора, сопротивление пьезокерамического звукоизлучателя носит емкостный характер (его емкость — около 0,1 мкФ) и рассчитывается по тем же формулам. Громкость звука, излучаемого пьезокерамнкой, максимальна на некоторой резонансной частоте, на всех остальных частотах она заметно снижается.

Рабочую частоту генераторов, изображенных на рис. 2.1, можно изменять в широких пределах, если заменить постоянный резистор R1 переменным или подстроечным. Сопротивление переменного (подстроечного) резистора можно уменьшить в десятки раз, увеличив во столько же раз емкость конденсатора С1.

Вообще в большинстве схем генераторов сопротивление и емкость частотозадающих элементов можно изменять в широких пределах, но при этом, для того чтобы частота генератора осталась неизменной, произведение емкости на сопротивление в тех же единицах должно остаться неизменным. Для КМОП-микросхем сопротивление резистора не должно быть меньше 1 кОм.

На современных Цифровых микросхемах можно собрать устройства и посложнее простейшего генератора, например звуковой маяк (рис. 2.2). Этот маяк работает в прерывистом режиме: 1 секунду он «пищит», 20 секунд — молчит, потом опять пискнет и снова заткнется… И так до тех пор, пока не отключится напряжение питания или не разрядится батарейка (аккумулятор).

Рис. 2.2. Звуковой маяк

Устройство представляет собой три генератора разных частот, управляющих друг другом. Первый генератор, собранный на элементах DD1.1 и DD1.2, самый главный, и при уровне лог. «1»на, его выходе все остальные генераторы не работают. Благодаря дополнительной цепочке R2VD1, включенной параллельно основному резистору R1, длительность уровня лог. «0» на выходе элемента DD1.2 уменьшилась с 20 до примерно 1 секунды. При уровне лог. «1»на выходе этого инвертора диод VD1 закрыт приложенным к нему обратным напряжением, и ток течет только через резистор R1 сравнительно большего сопротивления.

При уровне лог. «1»на выходе первого генератора все остальные генераторы заторможены и транзистор VT1 закрыт «единицей» на выводе 12 DD1.6. Когда же на выходе элемента DD1.2 появляется уровень лог. «0». диод VD2 закрывается приложенным к нему обратным напряжением и второй генератор (DD1.3 и DD1.4) начинает работать с частотой около 36 Гц. С такой частотой он будет включать третий, высокочастотный (760 Гц) генератор, и в динамике ВА1 будет звучать короткий прерывистый звук. Прерывистый сигнал различим гораздо лучше, чем простой одночастотный тон. Рабочие частоты каждого генератора можно изменять в широких пределах подбором соответствующих элементов. Но при этом нужно соблюдать правило: чем правее по схеме расположен генератор, тем выше должна быть его рабочая частота. В противном случае ничего не получится.

Транзистор VT1 может быть любым структуры р-п-р, с током коллектора более 1 А. Если все диоды и конденсатор С1 «развернуть» на 180°, то этот транзистор нужно заменить транзистором структуры п-р-п, его коллектор соединить с шиной «+U», а эмиттер через динамик — с общим проводом. Надеюсь, вы сами догадаетесь, чем вызваны такие изменения (намек: в режиме молчания на выходах всех генераторов присутствуют «нули»).

Разновидность звукового маяка — двухтональная сирена, очень похожая на милицейскую. Ее единственное отличие от «настоящей» сирены — сигналы с разной частотой переключаются резко, а не плавно, т. е. звук не «плавает» — сирена не завывает. «Завывающую» сирену сделать гораздо труднее двухтональной.

Простейший вариант сирены, собранный по «стандартным» схемам, изображен на рис. 2.3, а. Генератор на элементах DD1 1 и DD1.2 работает на частоте около 4 Гц и попеременно переключает два остальных генератора, генерирующих разные тона. При уровне лог. «0» на выходе элемента DD1.2 работает нижний генератор (DD1.5 и DD1.6), а верхний — блокируется; на его выходе присутствует уровень лог. «0», который закрывает диод VD3. Через диод VD4 транзистор VT1 периодически открывается с частотой нижнего генератора, и в динамике ВА1 звучит более низкий тон.

Когда на выходе элемента DD1.2 появится уровень лог. «1», нижний генератор заблокируется (на выводе 10 элемента DD1.5 — уровень лог. «0». закрывающий диод VD4), а верхний — запустится. Он работает на несколько большей частоте, чем нижний, и в динамике ВА1 зазвучит более высокочастотный тон. Потом генераторы тона снова переключатся.

Резистор R4 нужен для ускорения процесса разряда межэлектродных емкостей транзистора. Его можно убрать без ущерба для схемы.

Единственный недостаток схем, изображенных на рис. 2.2 и 2.3, а — в режиме молчания, когда соответствующий генератор заблокирован открытым дио-

Рис. 2.3. Двухтональные сирены дом, через частотозадающий резистор протекает некоторый сквозной ток. Для того чтобы его уменьшить, сопротивления резисторов должны быть максимально возможными.

Второй вариант сирены, собранный по несколько нестандартной схеме, изображен на рис. 2.3, б. Схема сирены построена на основе двухвходовых логических элементов, работу которых можно блокировать по одному из входов.

Низкочастотный генератор собран на элементе DD1.1 и инверторе на транзисторе VT1. Надобность в транзисторе возникла из-за того, что все четыре элемента микросхемы используются в других целях и заменить их чем-нибудь гораздо сложнее. А вводить в схему еще одну микросхему ради одного-единственного инвертора невыгодно. Работает такой генератор точно так же, как и все описанные ранее.

Этот генератор управляет двумя высокочастотными генераторами с общим Инвертором — элементом DD1.4. Когда на выводе 3 элемента DD1.1 уровень лог. «1», транзистор VT1 открывается и уровень лог. «0» запрещает работу элемента DD1.2 (на его выходе — уровень лог. «1», который не влияет на работу инвертора DD1.4). Работает элемент DD1.3, а элемент DD1.4 выполняет функцию инвертора. Частота звука определяется номиналами цепочки R5C3.

Когда уровни на выходах низкочастотного генератора сменятся на противоположные, элемент DD1.3 заблокируется (на его выходе — уровень лог. «1»), а элемент DD1.2 начнет работать как генератор. В этом случае частота сигнала (звука) определяется номиналами цепочки R4C2.

Номиналы деталей обеих RC-цепочек могут быть самыми разнообразными. Для настройки частоты тонов сирены, так чтобы она звучала «внушительней», оба резистора временно можно заменить переменными с любым максимальным сопротивлением (но не менее 10 кОм). Подбирая конденсаторы и вращая движки резисторов, добиваются ^правильного» звучания. После этого остается только впаять конденсаторы в схему. Измерив сопротивление переменных резисторов, их заменяют постоянными такого же номинала.

В схеме сирены использована микросхема К561ЛА7. Ее можно непосредственно заменить микросхемой К561ЛЕ5. При этом вносить какие-либо изменения в схему устройства не нужно.

На одной логической микросхеме можно собрать универсальный пробник дЛя проверки исправности большинства используемых радиолюбителями радиодеталей. Его схема изображена на рис. 2.4.

Пробник состоит из генератора прямоугольных импульсов (DD1.I и DD1.2) и буферного усилителя-инвертора (DD1.3 и DD1.4). Схема генератора никаких особенностей не имеет, частоту колебаний можно изменить с помощью переключателя SA1 В качестве резистора R1 можно использовать подстроечный резистор, в таком случае емкости обоих конденсаторов желательно увеличить в

10..        .50 раз.

В режиме проверки исправности радиодеталей щупы XI и Х2 должны быть замкнуты. Если теперь замкнуть (соединить друг с другом) щупы ХЗ и Х4. оба светодиода HL1 и HL2 ярко загорятся. Произошло это из-за того, что на выходах элементов DD1.3 и DD1.4 присутствуют противофазные сигналы (когда на

Рис. 2-4. Пробник для проверки исправности радиодеталей выходе одного элемента уровень лог. «0», на выходе другого — лог. «1». и наоборот), поэтому в течение одного полупериода светится светодиод HL1. а в течение другого — HL2. То есть они как бы «перемаргиваются». Но так как частота колебаний генератора гораздо выше максимальной различимой человеческим глазом частоты, то это «моргание» воспринимается как непрерывное свечение.

Если между щупами ХЗ и Х4 включить резистор сопротивлением до 47 кОм, то яркость свечения светодиодов уменьшится, причем равномерно для обоих светодиодов. Произошло это поэтому, что резистор уменьшил протекаемый через светодиоды ток. По яркости свечения светодиодов можно приблизительно оценить сопротивление резистора.

То же самое произойдет, если вместо резистора включить конденсатор. На переменном токе конденсатор обладает емкостным сопротивлением, которое зависит от частоты сигнала. Переключая переключатель SA1 и чередуя подключение к щупам ХЗ и Х4 измеряемого и эталонного (т. е. того, емкость которого известна) конденсаторов, по яркости свечения светодиодов можно определить емкость измеряемого конденсатора. На большинстве отечественных конденсаторов емкость менее 1000 пФ чаще всего не обозначают, и без подобного пробника узнать ее практически невозможно. А если вы не знаете емкость конденсатора и не можете ее узнать — такой конденсатор вам никогда не пригодится.

Если между щупами ХЗ и Х4 включить диод, то один из светодиодов HL1 или HL2 должен погаснуть. Произошло это из-за того, что исправный диод пропускает через себя только одну полуволну переменного напряжения. По номеру светящегося светодиода можно определить, где у диода анод, а где — катод. Если же ни один светодиод не светится или светятся оба светодиода, значит, диод неисправен. В первом случае его выводы находятся в обрыве, а во втором — накоротко замкнуты.

По такому же принципу можно определить цоколевку биполярного транзистора — любой биполярный транзистор можно рассматривать как два соединенных определенным образом диода (см. рис. 1.10). Первым делом нужно «найти» вывод базы. Взяв транзистор одним из щупов за базовый вывод, а другим поочередно касаясь выводов коллектора и эмиттера, убедиться что всегда загорается один и тот же светодиод. В противном случае этот вывод — не база. Если вы никак не можете «найти» вывод базы или если одновременно загораются оба светодиода, значит, транзистор или полевой, или неисправный.

После того как вы «найдете» вывод базы, коснитесь щупами ХЗ и Х4 выводов коллектора и эмиттера. Светодиоды не должны загореться. Но у некоторых мощных транзисторов эти два вывода зашунтированы защитным диодом, поэтому один из светодиодов может разогреться. Если светятся оба светодиода — транзистор неисправен.

Убедиться в исправности транзистора, а также определить его цоколевку и наличие защитного диода можно, если включить его по схеме усилителя, вставив й специальную панельку. В схеме пробника на рис. 2.4 проверяемый транзистор изображен схематически; при подключении его к схеме нужно соблюдать цоколевку выводов. Щуп Х4 й Х5 нужно соединить друг с другом (вообще их можно соединить «навсегда» прямо на плате пробника, тогда у него будет только четыре щупа, но тогда, чтобы приступить к измерению параметров и проверке исправности других элементов, транзистор нужно будет вытащить из панельки). Если проверяется транзистор с защитным диодом, то один из светодиодов должен загореться, если же диода нет, то ни один из светодиодов не должен светиться. Теперь нажмите на кнопку SB1. Один из светодиодов Должен загореться (транзистор периодически открывается и пропускает одну из полуволн переменного напряжения). Если загорелся светодиод HL1, то транзистор структуры р-п-р, если HL2 — п-р-п. Если светодиод светится очень слабо, то или транзистор неисправен (слишком малый коэффициент Ь21Э), или вы вместо транзистора включили диодную (варикапную) сборку. Сейчас для миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры часто выпускают несколько отдельных деталек в одном корпусе. К ним относятся и диодные сборки. Сдвоенный диодварикап КВС111 прозванивается обычными методами так же, как и любой исправный транзистор структуры р-п-р без защитных диодов; по корпусу его тоже очень трудно отличить от транзистора. Но коэффициент Ь21Э У такого «транзистора» меньше «единицы».

Для удобства проверки исправности транзистора на плату пробника желательно припаять «обломок» стандартной панельки под микросхему в корпусе DIP (наиболее распространенный «микросхемный» корпус) с 5 гнездами. Эти гнезда нужно соединить между собой и со схемой так, как это показано на рисунке. В такой панельке можно проверять транзисторы с любой цоколевкой выводов, не изгибая слишком сильно их выводы.

Сопротивление резистора R2 нужно подобрать таким образом, чтобы при вставленном щупе Х4 в базовое гнездо панельки (без транзистора) и замкнутой кнопке SB1 светодиоды не светились или светились, но очень слабо. При установке в панельку исправного транзистора соответствующий светодиод должен ярко загореться.

С помощью этого пробника можно проверять исправность динамиков и пьезоизлучателей, а также приблизительно оценивать емкость последних (чем больше емкость, тем громче звук и ниже резонансная частота). Подключать их нужно к щупам ХЗ и Х4, предварительно переведя переключатель SA1 в нижнее по схеме положение (в верхнем по схеме положении движка этого переключателя генератор генерирует ультразвук, который человек не слышит). Проверяемый прибор должен начать издавать писк, а оба светодиода начнут ярко светиться. По наличию писка можно убедиться в исправности любого излучателя звука. Протекающий через проверяемый прибор ток настолько мал, что вывести из строя практически невозможно. Но из-за небольшого тока к «писку» приходится «прислушиваться».

Этот пробник можно также использовать в качестве генератора и логического пробника. Для этого щупы XI и Х2 нужно разомкнуть. Щуп XI — выход генератора, Х2 — высокоомный вход логического пробника. При уровне лог. «1»на щупе Х2 светится светодиод HL1 (щупы ХЗ и Х4 должны быть замкнутыми), а при уровне лог. «0» — светодиод HL2. Входное сопротивление логического пробника близко к бесконечности. Между выводами 7, 8 и 9 микросхемы DD1 желательно включить резистор сопротивлением в несколько мегом.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты