Устройства со сверхнизким энергопотреблением – Цифровая техника – ЧАСТЬ 2

June 23, 2015 by admin Комментировать »

До сих пор мы рассматривали довольно простые схемы, работающие по примитивным алгоритмам. Но рано или поздно любой радиолюбитель-творец сталкивается с проблемой создания внешне не очень сложной, но работающей посильно разветвленному алгоритму схемы. Процесс создания такой схемы может растягиваться на несколько недель; на сознание своего создателя они действуют подобно наркотику — вы не сможете уснуть до тех пор, пока не нарисуете на схеме последний элемент, разом превращающий бессмысленное (внешне) нагромождение деталей в ажурную конструкцию, и не откинете со словами «Я смог это!» бумажку со схемой в сторону.

Дальше я рассмотрю несколько таких схем. Их историю появления на свет я постараюсь слишком не растягивать — все-таки книга имеет ограниченный объем. Но некоторые тонкости и большинство тупиковых Ходов, которые мне с огромным трудом удалось восстановить по старым (своим же!) чертежам, будут описаны полностью. Вообще при составлении схемы не нужно бояться трудностей — они неизбежны; в любой ситуации есть один и более выходов, поэтому радиолюбителем себя можно начинать называть только после того, как вы научитесь отыскивать эти выходы. Надеюсь, мои ошибки помогут вам в этом.

Одно из таких устройств — кодовый замок. Заказчиком этого устройства были предъявлены такие требования: клавиатура должна содержать 10 кнопок (0…9) нажимного типа, т. е. имеющих только два вывода; длина кода — 8 цифр (от 0 до 9); должна присутствовать индикация нажатия любой кнопки; должна быть возможность оперативного изменения кода в любое время, притом человеком, весьма далеким от электроники и не умеющим пользоваться паяльником; устройство должно выдерживать кратковременные отключения напряжения питания (несколько часов), при этом код должен оставаться неизменным. Кроме того, устройство должно быть дешевым, желательно собранным на микросхемах серии К561 (они мне поставлялись бесплатно) и надежным в работе.

Первый и самый главный вопрос; где хранить код? Ведь для того чтобы схема смогла «убедиться», что набран правильный код, она должна сравнить его с неким эталоном, хранящимся в ее памяти. Так как память должна быть энергонезависимой, то лучше всего поставить электрически стираемое ПЗУ. Но, к сожалению, они слишком дороги. Остаются только ОЗУ (только в этих двух типах микросхем памяти можно заменить старый код на новый с помощью электрических сигналов, без всяких ультрафиолетовых ламп), но у них при пропадании напряжения питания информация тоже пропадает. Вывод: нужно сделать так, чтобы напряжение питания микросхемы ОЗУ никогда не исчезало. Для этого нужно параллельно ее выводам питания припаять батарейку или элктролитический конденсатор большой емкости и при исчезновении напряжения в сети автоматически переводить схему в режим пониженного энергопотребления с питанием от резервного источника. Так как размеры устройства и его стоимость ограничены, от батареек и тем более аккумуляторов пришлось отказаться.

Теперь осталось только определиться в типе микросхемы ОЗУ. Микросхемы серии КР537 имеют слишком большой для этой схемы объем памяти и из-за этого дороговаты. Кроме того, они потребляют в режиме хранения сравнительно больший ток. В этой же схеме лучше всего использовать какой-нибудь регистр памяти… В серии КМОП-микросхем есть два таких регистра: К176ИР10 и К561ИР11А. Обе эти микросхемы были подробно рассмотрены в первой части книги. Управлять работой микросхемы К176ИР10 довольно сложно, поэтому от нее пришлось отказаться. А вот регистр ИР11А подходит идеально: он способен «запомнить» 8 4-разрядных двоичных чисел. Именно это от микросхемы памяти нам и нужно.

Регистр К561ИР11А работает по принципу микросхем памяти, и номер ячейки с записанным в нее кодом десятичной цифры выбирается по адресным входам. То есть для управления этим регистром нужен как минимум один счетчик, который будет «перебирать» адреса. Этот счетчик должен управляться схемой совпадения, которая сравнивает код нажатой кнопки с записанным в памяти числом (если эти коды совпадают, счетчик прибавляет одну единицу и после этого можно будет набирать следующую цифру кода — нажимать следующую «правильную» кнопку; как только набраны все 8 цифр кода, счетчик включает нагрузку, которая открывает дверь. ПрН нажатии на «неправильную» кнопку счетчик должен мгновенно обнуляться). Над той схемой, по которой должна быть собрана схема совпадения, я, если честно, думал несколько дней, и в конце концов пришел к выводу, что проще всего к выходам регистра подключить дешифратор, к его выходам — кнопки, которые будут коммутировать выходы дешифратора на вход трехуровневого детектора.

Как известно, уровень лог. «1» присутствует только на одном из множества выходов дешифратора, и номер этого выхода всегда совпадает с двоичным кодом на его входах. На всех остальных выходах присутствуют «нули». При нажатии «правильной» кнопки на вход трехуровневого детектора поступает уровень лог. «1». который «заставляет» счетчик прибавить к своему «содержимому» одну единицу. Когда нажимается «неправильная» кнопка, на вход детектора поступает «ноль», который вызывает обнуление счетчика. Когда ни одна кнопка не нажата, на входе детектора присутствует уровень «ничего» и состояние счетчика (информация на его выходах) не изменяется.

Теперь осталось только продумать, каким образом будет включаться режим записи нового кода. Так как кодовый замок не игрушка, то включаться этот режим должен как можно сложнее. Кнопки, спрятанные в потайных местах, не подходят — все тайное когда-нибудь становится явным. Поэтому целесообразно в устройство ввести двойную степень защиты: для включения режима записи вначале нужно разомкнуть «потайной» переключатель, а потом набрать на клавиатуре правильный код. Благодаря этому злоумышленник, нашедший переключатель, но не знающий код, испортить его не сможет.

Первый вариант схемы этого устройства (первый вариант очень редко бывает окончательным — даже в самую совершенную схему иногда можно ввести лишнюю детальку, благодаря которой она станет еще совершеннее или появится возможность убрать сразу несколько, ставших ненужными, деталей) изображен на рис. 2.24, а. Как только счетчик СТ2 сосчитает 8 импульсов (т. е. будет правильно набран весь код), на его выходе 8 появится уровень лог. «1». Через «черный яшик» включится нагрузка R„, открывающая замок. А через конденсатор СЗ при разомкнутом переключателе SA1 статический триггер на двух инверторах переключится в единичное состояние. Через резистор R это состояние триггера будет сохраняться до тех пор, пока не замкнутся контакты переключателя SA1.

Рис. 2.24. Кодовый замок

Рис. 2.24. Кодовый замок (продолжение)

Включится режим записи. Так как у регистра ИР11А во время записи на входахдолжен присутствовать уровень лог. «0». то сигнал выбора режима снимается с инверсного выхода статического триггера (это называется согласование по уровням: если вход регистра подключить к другому выходу триггера, то схема будет неправильно работать. Вроде мелочь, а Попробуйте ею пренебречь!).

Перед началом записи нового кода нужно обнулить счетчик СТ2, нажав любую «неправильную» кнопку или кнопку SB. С помощью кнопок на входе D устанавливается двоичный эквивалент нужного десятичного числа (на рисунке показан только один вход D — на самом деле их в 4 раза больше, — цифра над косой чертой указывает их количество), который «запоминается» регистром после подачи уровня лог. «1» на его вход С. Бороться с искрением контактов при этом не нужно. После записи цифры нужно нажать на одну из кнопок, подключенную к соответствующему выходу дешифратора DC. На вход трехуровневого детектора подастся уровень лог. «1», и на выходе нижнего по схеме инвертора (и входе С счетчика) появится уровень лог. «0». После отпускания кнопки на входе С счетчика уровень сменится на лог. «1», и он прибавит одну единицу. Адрес на входах регистра изменится, и можно будет начинать записывать следующую цифру.

Из описанного выше алгоритма работы этой части схемы можно сделать следующие выводы:

1.             Нижний по схеме инвертор должен быть или триггером Шмитта, или интегратором — только эти схемы способны гасить дребезг контактов кнопок и формировать импульсы с крутыми перепадами. Остановимся на триггере Шмитта.

2.             Счетчик СТ2 должен работать по фронту импульса и срабатывать только после того, как нажатую «правильную» кнопку отпустят. В противном случае, если он будет срабатывать до отпускания кнопки, адрес на входах регистра RG также изменится до отпускания кнопки, и если по новому адресу записана другая информация (другая цифра), то нажатая в этот момент кнопка практически мгновенно из «правильной» превратится в «неправильную» и счетчик также мгновенно обнулится. То есть введение кода будет невозможно.

3.             Конденсатор С1 не обязателен — все цифровые микросхемы нечувствительны к искрению контактов кнопок, подключенных к их входам сброса.

Теперь попробуем ввести в схему индикацию нажатия кнопок. Так как в качестве инверторов, управляющих счетчиками, желательно использовать триггеры Шмитта (например, К561ТЛ1 — 4 элемента с логикой 2И на входе), то у нас остаются свободными 2 элемента (статический триггер соберем на другой микросхеме). Так как нам нужно, чтобы индикатор срабатывал абсолютно одинаково при нажатии на любую кнопку, то логический элемент нужно включить так, чтобы в исходном состоянии (ни одна кнопка не нажата) на обоих его входах присутствовали уровни лог. «1». а при нажатии на одну из кнопок на одном из его входов должен появиться уровень лог. «0». Для этого один из входов элемента нужно соединить с верхним по схеме выводом конденсатора С1, а второй — со входом С счетчика СТ2. Между выходом элемента и общим проводом нужно включить светодиод, его желательно разместить снаружи охраняемого объекта, недалеко от клавиатуры (см. рис. 2.24, б).

На этом разработку схемы кодового замка можно считать завершенным. Статический триггер на нижней паре инверторов вполне можно заменить оставшимся триггером Шмитта, а для управления нагрузкой можно взять любой усилитель тока как на полевых, так и биполярных транзисторах. Но у этой схемы есть один недостаток — она не способна работать в режиме пониженного энергопотребления.

Попробуем устранить его. Как видно из схемы, в режиме пониженного энергопотребления к источнику питания должен быть подключенным только регистр и желательно статический триггер и счетчик. Впрочем, из-за особенностей функционирования КМОП-микросхем счетчик тоже можно отключать, но перед этим его нужно обнулить или хотя бы соединить его вход сброса с выводом питания «+U». В таком случае все его выходы будут соединены с общим проводом (т. е. на них будут присутствовать уровни лог. «0» и на адресных входах регистра будут поддерживаться определенные уровни (а не произвольные, которые вызывают резкое увеличение потребляемого тока).

Теперь нужно «придумать», как схема будет узнавать, что ей нужно переключаться в «ждущий» режим. Проще всего использовать индикатор снижения напряжения питания, который должен переключаться после того, как напряжение питания станет Меньше некоторого минимального значения. Этот индикатор будет постоянно подключен к резервному источнику питания, поэтому он должен потреблять в статическом режиме ничтожный ток.

Один из возможных вариантов такого индикатора — триггер Шмитта с очень небольшим гистерезисом (рйс. 2.24, в). Его напряжение срабатывания можно изменять от примерно 4 В до сотен вольт подбором отношения сопротивления резисторов R1 и R2 (на этих резисторах собран делитель напряжения, и напряжение в средней точке (на входе элемента), при бесконечном сопротивлении резистора R3, можно вычислить по формуле:

U = +U · R2/(R1 + R2), где +U — напряжение на верхнем по схеме выводе резистора R1;

U — напряжение на входе инвертора.

Как только напряжение питания снизится (например, с 9 до 7,5…8 В), оба элемента переключатся и на прямом выходе индикатора появится уровень лог. «0», а на инверсном — лог. «1». Сопротивление резистора R3 должно быть как можно больше (иначе триггер Шмитта превратится в статический триггер — посмотрите сами, чем они отличаются), но таким, при котором переключение инверторов носит лавинообразный характер.

К сожалению, этот индикатор не лишен одного очень серьезного недостатка: через резисторы R1 и R2 течет некоторый ток, который рано или поздно разрядит резервный источник питания. А сделать их сопротивление слишком большим, чтобы через них протекал ток, соизмеримый с током потребления КМОП-микросхем, нельзя: в таком случае индикатор начнет реагировать на влажность воздуха, электромагнитные помехи и пр., т. е. логические элементы будут вести себя так, будто их входы никуда не подключены (неопределенный уровень на входах). В то же время собрать микромощный Индикатор напряжения по какой-нибудь другой схеме практически невозможно, а «голые» логические элементы имеют очень низкое напряжение переключения «— меньше половины напряжения питания.

Наиболее оптимальное решение этой проблемы — подключить верхний по схеме вывод резистора R1 к шине питания отключаемых в «ждущем» режиме микросхем, а сами инверторы питать от резервного источника питания. Как это можно сделать, показано на рис. 2.24, г. В качестве «аккумулятора» используется конденсатор С1 значительной емкости (более 470 мкФ), он заряжается через диод VD1. Конденсатор С1 должен быть с ничтожным током утечки (измерить его очень сложно, поэтому ток утечки очень часто определяют эмпирически: заряжают конденсатор до напряжения 9…12 В и оставляют его стоять «вверх ногами». Через неделю высокоомным вольтметром (входное сопротивление от 1 МОм) измеряют напряжение на конденсаторе. Если оно более 4 В, то конденсатор подходит, и чем выше это напряжение, тем дольше будет сохраняться информация в памяти регистра. Если у вас есть несколько конденсаторов подходящих габаритов и номинала, то желательно для проверки использовать их всех — тогда через неделю (можно и дольше ждать) останется только выбрать конденсатор с большим напряжением на обкладках, а диод VD1 — с очень большим обратным сопротивлением. Диоды типа КД520…521 для этой схемы не подходят — их обратный ток в сотни раз больше статического тока потребления микросхемами. Получается как в анекдоте про одну известную марку автомобиля: «Метр едет, сто — толкай». В таких местах я обычно ставлю транзисторы (КТ315) в диодном включении.

Конденсатор С2 нужен для того, чтобы после выключения питания напряжение на шине «+U» уменьшалось более-менее плавно — чтобы схема успела переключиться до его полной разрядки. Но емкость этого конденсатора должна быть в десятки… сотни раз меньше, чем у конденсатора С1. Иногда он и вообще не нужен, т. е. схема нормально работает и без него.

Теперь нам осталось только согласовать индикатор напряжения со всей остальной схемой. Облегчит эту работу тот факт, что он имеет парафазные (т. е. прямой и инверсный) выходы. Впрочем, инверсный выход нетрудно «сделать», проинвертировав любым доступным способом сигнал; .вся проблема в том, что до этого (особенно начинающим радиолюбителям) еще нужно догадаться.

Но, как сказал классик, «ближе к делу», т. е. к рис. 2.24, а и всем остальным пунктам. В режиме пониженного энергопотребления микросхемы должны пребывать в статическом режиме, на их входах должны быть определенные уровни и при нажатии на любую кнопку ток через ее контакты течь не должен. Усовершенствуем схему так, чтобы она отвечала всем этим требованиям.

Первое «несовершенство»: кнопки, подключенные ко входам С и D регистра памяти. При нажатии на любую кнопку через соответствующий резистор начнет течь ток, зависящий от его сопротивления. В то же время функция записи нового кода в «ждущем» режиме нам не нужна — так мы его только испоганим. Поэтому соединенные вместе выводы всех кнопок соединяем не с шиной «+U», а с прямым выходом индикатора напряжения — в рабочем режиме на нем присутствует уровень лог. «1». и регистр программируется как обычно; в режиме пониженного энергопотребления уровень лог. «1»сменяется на лог. «0». запись кода невозможна, и независимо от положения контактов кнопок (замкнуты или разомкнуты) разность напряжений на выводах соответствующих резисторов будет равняться нулю. Этому же числу равен и протекающий через них ток.

Следующий пункт: соединение между регистром и дешифратором. Дешифратор у нас отключается (т. е. напряжение на его выводе питания может падать до нуля), а регистр — нет. В то же время разработчики микросхемы К561ИР11А не предусмотрели у последней возможности принудительного перевода выходов в Ζ — или хотя бы нулевое состояние, поэтому если хотя бы на одном выходе регистра будет уровень лог. «I». то напряжение этого уровня, через защитный диод на входе дешифратора, будет и на выводе питания дешифратора (шине «+U»). То есть конденсатор — «аккумулятор» — будет разряжаться через резисторы Rl, R2, резисторы трехуровневого детектора и все остальные микросхемы. При работе в таком режиме заряда конденсатора «хватит» на несколько минут. Поэтому во избежание данной ситуации между выходами регистра и входами дешифратора нужно включить цифровые ключи: 4 элемента 2И или 2ИЛИ-НЕ (принудительная установка всех выходов в нулевое состояние) или 4 аналоговых коммутатора — микросхему К561КТЗ (принудительная установка выходов в Ζ-состояние). Все три варианта схемы изображены на рис. 2.24, д\ по качеству, стоимости, потребляемому току И уровню сложности они абсолютно одинаковы — выбирайте любую. У меня скопилось слишком много микросхем К561КТЗ, поэтому использовал я именно ее. Объединенные (управляющие) входы подключены к соответствующему (прямому или инверсному) выходу индикатора напряжения.

С дешифратором «разобрались», теперь остались триггеры Шмитта и собранный на них трехуровневый детектор, а также счетчик. Эти микросхемы отключаются, поэтому на их входах может присутствовать все что угодно. Но перед отключением счетчик нужно обнулить. Сделать это можно, соединив прямой выход индикатора напряжения со входом трехуровневого детектора через конденсатор «средней» емкости. При переключении устройства в «ждущий» режим на этом выходе появляется уровень лог. «0», через конденсатор проходит короткий импульс, который трехуровневый детектор воспринимает как нажатие «неправильной» кнопки.

Но если немножко подумать, то можно будет сэкономить на конденсаторе и в то же время надежность устройства повысится — ведь через конденсатор проходит короткий импульс, который детектор может попросту «не заметить». Дело в том, что этот триггер Шмитта (К561ТЛ1) по входам работает как элемент 2И-НЕ и, если на один его вход подать уровень лог. «0», на его выходе появится «единица», которая обнулит счетчик. Уровень лог. «1»на этом входе никак не влияет на работу элемента по второму входу.

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