Применение логических элементов – Цифровая техника – ЧАСТЬ 3

July 16, 2015 by admin Комментировать »

Если в интегратор добавить один резистор, то у нас получится одновибратор, или ждущий мультивибратор (генератор —- это обычный мультивибратор). Его схема изображена на рис. 1.51, а. Добавочный резистор R2 подключают к одной из шин питания — от этого зависит уровень на выходе одновибратора в режиме ожидания. При замыкании кнопки SB1 конденсатор начинает заряжаться и через некоторое время Tmin одновибратор переключится. В исходное состояние он вернется через некоторое время после отпускания кнопки, и в этом состоянии он будет «ожидать» (поэтому его так и назвали) следующего замыкания.

Одновибраторы очень широко используются в цифровой технике. Чаще всего они «ставятся» между кнопкой и управляемой ею частью схемы. Применение одновибраторов в таком случае необходимо из-за того, что все кнопки и переключатели во время переключения искрят (т. е. наблюдается дребезг контактов). При нажатии на кнопку или переключатель ее контакты замыкаются не мгновенно, а плавно, и сопротивление между ее контактами «плавает» в широких пределах. Цифровая микросхема это «плавающее сопротивление» воспринимает как хаотическое и очень быстрое изменение логических уровней, т. е. на вход микросхемы поступает не один-единственный перепад логических уровней, а сразу несколько сотен. А так как быстродействие современных цифровых микросхем (относительно быстродействия человека) очень велико, то, как бы быстро вы ни замыкали/размыкали контакты, искрение контактов (или дребезг контактов — разные слова, но смысл одинаков) все равно проявит себя.

Продолжительность искрения контактов зависит от их материала, а также от силы упругости металла. В реальных кнопках/переключателях оба фактора переплетаются настолько сильно, что определить причину искрения практически невозможно.

Все мы живем в очень агрессивной среде. Кислород, вода (водяной пар) и тот дым, который валит из трубы ближайшего завода, — сильнейшие окислители, и противостоять им практически ничто (из металлов) не может. Поэтому поверхности контактов очень медленно окисляются, и на них появляются участки, покрытые неэлектропроводными оксидами или солями металла. Если переключатель коммутирует высокое напряжение или большой ток, то в момент замыкания /размыкания между контактами возникает электрическая искра (в принципе искра возникает практически всегда, вся проблема в том, что ее не всегда удается заметить). Искра — это не что иное, как нагретое до очень высокой температуры вещество. От воздействия высоких температур скорость окисления металла контактов очень резко возрастает.

Все это приводит к тому, что поверхность Контактов, рассмотренная под микроскопом, похожа не на «чистый лист», а, скорее, на поверхность напильника: впадины — это чистый металл, а выступы — слой окислов. Если к этому «контакту» прижать еще один такой же, то тока в цепи, скорее всего, не будет, и только если очень сильно прижать эти «напильники» друг к другу, то возможно продавливание металла сквозь слой окислов. Так как при увеличении давления контакты будут скользить относительно друг друга, то возможно такое состояние, когда все старые микро-контакты между ячейками «напильника» будут

Рис. 1.51. Интеграторы (формирователи одиночного импульса): а — простейший.

с задержкой включения и выключения; б — временные диаграммы работы интегратора от « искрящей» кнопки; в — одновибратор с задержкой выключения на многовходовых логических элементах; д — то же самое, но с задержкой включения; е — интегратор на основе триггера Шмитта нарушены. То есть сопротивление между контактами переключателя резко возрастет. Это и есть искрение контактов.

Существуют также переключатели «со щелчком», т. е. с гистерезисом переключения. В такие переключатели встроена специальная пружинка, и при превышении давления на толкатель некоторой пороговой величины контакты переключателя благодаря пружинке лавинообразно и с очень большой силой и скоростью переключаются во второе устойчивое положение. При этом слышен довольно громкий щелчок, благодаря которому переключатели и получили такое название. В «серьезной» литературе это название не принято, там их вообще никак не называют.

Так как контакты таких переключателей переключаются со значительной скоростью, то искрение контактов можно не учитывать — окисный слой, так же как и спичечный коробок, от удара кувалды будет попросту «сметен». Но у таких переключателей есть другая «беда» — дребезг контактов. Все твердые вещества, к которым относится большинство металлов, обладают упругостью. И чем больше сила давления, тем сильнее противодействующая ей сила упругости. Поэтому с замкнувшимся контактом произойдет то же самое, что и с упругим мячиком, упавшим с некоторой высоты на упругую поверхность — он «подскочит» и кратковременно разомкнет цепь. Потом снова прижмется (замыкание), снова отскочит (размыкание)… То есть в нагрузку кнопки (к микросхеме) пойдет не один импульс, а, например, 21. Кстати, сам щелчок — это «стук» одного контакта о другой.

Бороться с дребезгом И искрением контактов можно двумя способами: «в лоб» и «обходным». Первый метод заключается в том, что замыкающиеся части контактов покрывают тонкой пленкой инертного металла (золото, серебро), а контакты переключателей с гистерезисом смазывают графитом или другими мягким электропроводным веществом, которое «гасит» вынужденные колебания. В итоге удается резко — в сотни раз — уменьшить дребезг и искрение контактов. Но, к сожалению, даже такой переключатель весьма далек от идеала, а про его стоимость вообще лучше и не упоминать…

Поэтому в технике наибольшее распространение получил «обходной» способ, когда обычную, неидеальную и дешевую, кнопку подключают к устройству через одновибратор, который на дребезг и искрение контактов попросту не реагирует.

Временные диаграммы работы от «искрящей» кнопки верхней схемы на рис. 1.51, а (нижняя схема работает точно так же, нужно только изменить полярность всех логических уровней) изображены на рис. 1.51, б. Диаграммы довольно просты, и, надеюсь, вы сможете сделать выводы самостоятельно. Для большей простоты рисования «искрящий» сигнал нарисован в виде зубьев пилы (поэтому такой сигнал называется пилообразным). На самом деле сигнал после кнопки очень похож на кривую электроэнцефалограммы мозга, и его форму, а также количество импульсов в пачке заранее предсказать почти невозможно.

Для увеличения крутизны выходных импульсов схему нужно немножко изменить (рис. 1.51, в). В измененном варианте схемы кнопка подключена непосредственно ко входу повторителя, поэтому одновибратор переключится сразу же после прихода на его вход первого импульса лог. «1»от кнопки, а уровень лог. «0» на его выходе появится только через некоторое время после отпускания кнопки (оно зависит от номиналов резистора R2 и конденсатора С1; сопротивление резистора R1 должно быть в десятки раз меньше сопротивления резистора R2, но в то же время больше 100 Ом).

Так как время задержки переключения в уровень лог. «0» гораздо больше времени дребезга и искрения контактов кнопки (продолжительность искрения и дребезга не превышает единиц… десятков миллисекунд, а время задержки одновибратора при указанных номиналах деталей примерно равно 100 мс = 0,1 с), то можно не опасаться, что после спада первого импульса — искры от кнопки одновибратора переключится в уровень лог. «0» и выдаст в нагрузку больше одного импульса.

Конденсатор С1 в этой схеме может быть полярным (электролитическим). В таком случае его положительный вывод нужно соединить с выходом повторителя, Сам повторитель можно заменить двумя соединенными последовательно инверторами — в такой схеме можно будет «снимать» инверсный сигнал с «середины» повторителя.

Если один из выводов кнопки должен быть соединен с общим проводом (вывод кнопки или переключателя, который соединен с шиной питания, зовется «холодным», а тот который соединен с входом схемы, — «горячим»), то нижний по схеме вывод резистора R2 нужно соединить с положительным выводом источника питания, а также нужно изменить полярность включения конденсатора С1 (если использовать полярный). Полярность всех сигналов на входе/выходе такого одновибратора будет противоположной относительно схемы на рис. 1.51, в.

Довольно широко применяются одновибраторы, построенные на основе многовходовых логических элементов. Такие одновибраторы могут иметь задержку или выключения (рис. 1.51, г), или включения (рис. 1.51, д). Последнюю функцию на одновходовых элементах реализовать очень сложно. Если нужна задержка и включения, и выключения (интегратор), то одновибратор нужно собрать по схеме на рис. 1.51, о, «превратив» логические элементы или в повторитель, или в два инвертора.

Рассмотрим верхнюю схему на рис. 1.51, г. Как только кнопка SB1 замкнется, на нижнем по схеме входе DD1.1 (2И-НЕ) появится уровень лог. «0», элемент мгновенно переключится, и на его выходе (2) появится уровень лог. «1», который вызовет появления уровня лог. «0» на выходе второго инвертора (3). Через конденсатор С1 на верхнем по схеме входе элемента DD1.1 появится напряжение меньше нуля, оно ограничивается на безопасном для микросхемы уровне благодаря резистору R3 и внутреннему защитному диоду. Как только кнопка SB1 разомкнется, на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 через резистор R1 появится уровень лог. «1» (R2 > 3 · R1), а через резистор R2 начнет заряжаться конденсатор С1. Как только он зарядится до напряжения переключения первого элемента, одновибратор лавинообразно переключится в исходное состояние.

Для «облегчения понимания» рядом с рисунком нарисованы временные диаграммы работы основных узлов. При использовании в схеме электролитических конденсаторов нужно соблюдать указанную полярность. Резистор R3 необязателен и его можно закоротить; он нужен для увеличения крутизны выходных импульсов в точке (3). Если в схеме используется кнопка (переключатель) на два положения, то резистор R1 не нужен; движок такой кнопки подключается в точку соединения резистора R2 с нижним по схеме входом элемента DD1.1.

На нижнем рисунке показана схема включения элементов 2ИЛИ-НЕ. Работает эта схема аналогично верхней, и отличается она только противоположной полярностью всех входных и выходных напряжений.

На рис. 1.51, д изображена схема одновибраторов с задержкой включения. Рассмотрим верхнюю схему, собранную на элементе 2ИЛИ-НЕ.

В исходном состоянии на обоих входах элемента DD1.1 присутствуют уровни лог. «1», такой же уровень присутствует и на выходе схемы. При нажатии на кнопку SB1 на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 появится уровень лог. «0». но элемент не переключится до тех пор, пока напряжение на его верхнем по схеме входе не станет меньше напряжения переключения. Время задержки включения зависит от номинала цепочки R2C1.

После отпускания кнопки SB1 на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 появляется уровень лог. «1»(R2 > 3 · R1), который вызывает практически мгновенный переход одновибратора в исходное состояние.

Простейший одновибратор с задержкой включения и выключения можно собрать на основе триггера Шмитта (рис. 1.51, е). Эта схема работоспособна только благодаря наличию у элемента DD1.1 гистерезиса переключения; «обычные» логические элементы работают в таком включении очень плохо. Левый по схеме вывод резистора R1 можно соединить с шиной питания (+U) или общим проводом, а в точку соединения резистора с конденсатором включить кнопку. В таком случае включение одновибратора будет происходить без задержки (если сопротивление замкнутых контактов кнопки слишком мало по сравнению с сопротивлением резистора R1).

Триггерами Шмитта, входящими в состав микросхемы К561ТЛ1, можно непосредственно заменить элементы 2И-НЕ в схемах на рис. 1.51, г и д. На работе схем такая замена отразится только самым положительным образом, крутизна выходных импульсов заметно увеличится, а потребляемый ток несколько уменьшится.

Рассмотренные выше схемы одновибраторов на базе интегратора названы так не совсем точно, правильнее было бы назвать их формирователем одиночного импульса. Для «настоящего» одновибратора длительность входного импульса не играет никакой роли и может быть абсолютно любой; длительность выходного импульса одновибратора зависит только от номиналов Внешних элементов, но никак не от длительности входного.

В радиолюбительской литературе нет единого мнения в этом вопросе, и очень часто одновибраторамн называют все те схемы, которые из множества высокочастотных импульсов (дребезг) «делают» один-единственный низкочастотный импульс. Этой же точке зрения придерживаюсь и я. Скорей всего, я не прав, но «учиться гораздо легче, чем переучиваться», поэтому интеграторы для меня, скорее всего, останутся одновибраторамн навсегда…

Все «настоящие» одновибраторы являются дифференциаторами, т. е. в них используется не интегрирующая RC-цепочка, а дифференцирующая (см. рис. 1.5). В принципе в качестве одновнбратора (формирователя короткого импульса из более длинного) можно использовать «голую» дифференцирующую RC-цепочку, без всяких повторителей (рис. 1.52, а). Но у такого одновнбратора при работе от логических уровнен передний фронт выходного импульса будет резкий, а задний — плавный (см. диаграммы); нормально работают с таким сигналом только единичные микросхемы

Простейший одновнбратор можно собрать на основе двух логических элементов, введя между ними дифференцирующую и одну интегрирующую RC-цепочку (рис. 1.52, б).

Благодаря наличию конденсатора С1 вся схема работает как интегратор. При подаче на вход верхней схемы уровня лог. «0» на входе элемента DD1.1 и выходе элемента DD1.2 устанавливаются уровни лог. «0», а конденсатор С2 начинает разряжаться через резистор R2 (так как в исходном состоянии разность напряжений на выводах этого конденсатора была равна нулю, а после подачи уровня лог. «0» на вход устройства на выходе инвертора DD1.1 появился уровень лог. «1». Разность напряжения на выводах конденсатора мгновенно измениться не может, поэтому на верхнем по схеме выводе резистора R1 появится напряжение с амплитудой, равной напряжению на выходе элемента DD1.1). Как только он разрядится до напряжения переключения элемента DD1.2, напряжение на выходе последнего начнет увеличиваться (см. диаграммы). Если к этому времени на вход устройства перестал поступать уровень лог. «0», то через конденсатор С1 начнет переключаться элемент DD1.1 и напряжение на его выходе начнет резко увеличиваться. Также резко начнет уменьшаться напряжение и на входе второго инвертора (через конденсатор С2), т. е. произойдет лавинообразное переключение обоих элементов. Длительность импульсов на выходах обоих инверторов примерно одинакова, но крутизна импульсов больше на выходе элемента DD1.1.

Но такая «идиллия», будет наблюдаться только в том случае, если длительность запускающего импульса меньше длительности выходного. В противном случае фронт сигнала на выходе элемента DD1.2 будет плавным (см. диаграммы), а длительность импульса на выходе элемента DD1.1 к тому же еще и увеличится до длительности запускающего. Но все-таки эту схему, пусть и с небольшой «натяжкой», назвать одновибратором можно.

Постоянные времени R1 · С1 и R2 · С2 (т. е. произведение величин этих элементов) должны быть одинаковыми. Если они будут разными, то длительность сигнала на выходе элемента DD1.2 в случае, если С1 · R1 меньше, чем С2 · R2, будет находиться в пределах от 0,6 ■ С1 ■ R1 до 1,1 · С2 ■ R2. О причинах этой зависимости можно узнать, глядя на начало и конец диаграмм.

Нижняя схема одновнбратора работает аналогично и отличается только тем, что все импульсы и уровни имеют противоположную полярность.

Как видно из диаграмм, оба одновнбратора реагируют на любой, даже самый короткий запускающий импульс. Кроме того, им не присуще свойство перезапуска, когда очередной запускающий импульс, пришедший во время формирования одновибратором выходного импульса, «заставляет» одновнбратор на-

Рис. 1.52. Дифференциаторы: а — дифференцирующая RC-цепочка; б — одновибратор на базе дифференцирующей и интегрирующей цепочек; в, г — дифференциаторы с отдельным входом запуска; д — одновибраторы с запуском после окончания запускающего импульса

Продолжение Рис. 1.52. Дифференциаторы: е — формирователи коротких импульсов; ж — одновибраторы, без перезапуска

 чать отсчет времени «с нуля». Этот недостаток есть у всех интеграторов, но у большинства дифференциаторов его нет.

Наиболее популярная схема одновибратора, собранного на основе многовходовых логических элементов, изображена на рис. 1.52, в. Эта схема — «переходное звено» между интегратором и дифференциатором: цепочка R1C1 включена как интегрирующая, и если входной сигнал подавать в точку соединения резистора и конденсатора, то эта схема «превратится» в схему, изображенную на рис. 1.51, в (два инвертора соответствуют одному повторителю). Но если сигнал подавать на «свободный» вход логического элемента, одновибратор будет работать несколько иначе.

Схема с элементом 2И-НЕ на входе запускается по спаду входного сигнала. При этом на выходе второго инвертора появляется уровень лог. «0», который через разряженный конденсатор С1 блокирует элемент DD1.1. Поэтому запускающий импульс может быть очень коротким. Уровень лог. «0» на выходе элемента DD1.2 продержится до тех пор, пока конденсатор С1 не зарядится через резистор R1 до напряжения переключения, после чего произойдет лавинообразное переключение обоих логических элементов. Но так будет только в том случае, если на входе одновибратора в это время действует уровень лог. «1». В противном случае одновибратор будет «ждать» фронта входного сигнала и переключится синхронно (т. е. одновременно) с ним. Таким образом, эта схема позволяет получать на своем выходе, при любой длительности запускающих импульсов, импульсы с длительностью, большей некоторого минимального (Т « 0,5 · RC) значения, а при длительности запускающих импульсов больше Т, длина выходных импульсов равна длине входных, т. е. одновибратор никак не проявляет себя, кроме разве что того, что он усиливает входной сигнал по току.

Аналогично работает и схема с элементом 2ИЛИ-НЕ на входе, только у нее все сигналы имеют противоположные уровни.

Вышеописанные схемы одновибраторов можно запускать не по входу первого элемента (DD1.1), а по входу второго (DD1.2). В этом случае оба входа элемента DD1.1 должны быть соединены между собой; резистор R1 для элемента 2И-НЕ нужно соединить с общим проводом, а для элемента 2ИЛИ-НЕ — с шиной питания (рис. 1.52, г). Эти схемы работают аналогично вышеописанным и ту или иную схему выбирают в зависимости от того, к какому проводу (общему или «+U») на плате удобнее подключить резистор R1.

Существуют также одновибраторы, импульс на выходе которых появляется только после окончания запускающего импульса. Их схемы представлены на рис. 1.52, д. К сожалению, им присуще свойство перезапуска.

Рассмотрим верхнюю схему. При поступлении на вход устройства уровня лог. «0» конденсатор С1 мгновенно зарядится через диод VD1 отрицательно относительно выхода элемента DD1.2. Дальше ничего не произойдет, одновибратор будет «ждать» уровня лог. «1». По его приходу переключится элемент DD1.2 (так как на обоих его выходах присутствуют уровни лог. «1»), конденсатор С1 разрядится через защитный диод элемента DD1.1 и начнет заряжаться полбжительно через резистор R1. Диод VD1 в это время закрыт и на работу схемы не влияет. Как только конденсатор С1 зарядится до напряжения переключения элемента DD1.1, последний начнет переключаться, напряжение на его выходе начнет уменьшаться, это вызовет переключение элемента DD1.2. и через конденсатор С1 напряжение на входе элемента DD1.1 резко увеличится, это вызовет лавинообразное переключение обоих логических элементов.

Как видно из диаграмм, этот одновибратор чувствителен к перезапуску по обоим выходам, но если на выходе 1 (точка 3) импульс лог. «1» продлевается, то на выходе 2 возникают колебания, совпадающие по фазе со входными колебаниями. В то же время максимальная длительность импульса лог. «0» на выходе 2 остается неизменной и не превышает времени Т. Поэтому эту схему можно использовать двояко: если нужно погасить искрение и дребезг, то нагрузку следует подключить к выходу 1. Только нужно учитывать, что спад уровня на этом выходе (для схемы с элементом 2И-НЕ) плавный, правда, чуть-чуть. Если же нагрузка требует импульсов с длительностью, равной Т, то ее нужно подключить к выходу 2, а на входе одновибратора поставить в случае нужды какой-нибудь «искрогаситель». Импульсы на этом выходе имеют крутые перепады.

Схема с использованием элемента 2ИЛИ НЕ работает аналогично, поэтому объяснять ее «по второму кругу» я не буду. Все уровни во всех ее точках имеют противоположное значение.

Правую по схеме обкладку конденсатора С1 можно соединить не с выходом элемента DD1.2, а с общим проводом — на работоспособности схемы это практически не отразится. Но только практически. На самом деле крутизна выходных импульсов в таком случае резко уменьшится и одновибратор будет генерировать не прямоугольные импульсы, а импульсы, по форме похожие на геометрическую фигуру под названием трапеция (на эту фигуру похожа детская горка). Происходит это потому, что в таком случае нет лавинообразного переключения логических элементов, поэтому они переключаются плавно и также плавно изменяется выходное напряжение. С сигналом, имеющим плавные перепады, большинство сложных цифровых микросхем работать отказываются. — работать совместно с ними могут только те источники сигнала (генераторы, одновибраторы…), у которых процесс переключения носит лавинообразный характер. Поэтому в своей книге я рассматриваю только такие схемы: их гораздо меньше, чем «чуть-чуть неправильных», но все равно для решения большинства задач, известных радиолюбителям, «правильных» схем предостаточно.

Формирователь коротких импульсов очень легко построить на основе триггера Шмитта (рис. 1.52, е). Эта схема работоспособна только благодаря наличию гистерезиса у элемента DD1 1. Верхняя схема реагирует на фронт входного сигнала, нижняя — на спад. После прихода «рабочего» перепада уровней на вход до окончания выходного сигнала уровень на входе должен оставаться неизменным. Если же он будет изменяться (например, ко входу формирователя подключен выход логического элемента, вход которого соединен с «искрящей» кнопкой), то на выходе схемы уровни также будут изменяться — сопротивление конденсатора С1 на высоких частотах (частоте «искрения») гораздо меньше сопротивления резистора R1, поэтому на этот резистор в таком случае можно попросту не обращать внимания. Поэтому для надежной работы схемы входной импульс должен быть длиннее выходного.

Но если непосредственно ко входу такого одновибратора подключить «искрящую» кнопку, то искрения на выходе не будет. Как только дребезжащие контакты кнопки разомкнутся, левый по схеме вывод конденсатора С1 окажется «висящим в воздухе», т. е. он не будет оказывать в этот момрнт никакого влияния на схему. Конденсатор С2 начнет разряжаться (заряжаться) через конденсатор R1. Но его емкость довольно значительна (в 10…30 раз меньше емкости конденсатора С1). Поэтому за то ничтожное время, пока контакт кнопки разомкнут (порядка десятитысячных долей секунды), напряжение на нем не успеет значительно измениться, и уровень на выходе схемы останется неизменным.

Кнопку нужно удерживать нажатой до тех пор, пока конденсатор С1 не зарядится и одновибратор не переключится. Если ее отпустить раньше, то импульс на выходе схемы будет короче, чем он должен быть (определяется по приблизительной формуле Т » R 1 · С1, где Т — в секундах, R1 — в МОм, С1 — в мкФ).

Элемент DD1.1 в этой схеме можно заменить интегратором или триггером Шмитта на логических элементах. При использовании интегратора нижний по схеме вывод конденсатора С2 нужно отсоединить от общего провода и подключить к выходу повторителя уровня, т. е. нужно использовать вместо него интегрирующий конденсатор интегратора.

Ну и под конец я познакомлю читателей с «настоящим» одновибратором, который нечувствителен к длительности управляющих импульсов, к перезапуску и к тому же сигналы которого имеют красивую для радиолюбителя-«цифровика» строго прямоугольную форму. Его схема нарисована на рис. 1.52, ж . Надеюсь, вы сможете самостоятельно догадаться, что именно собрано на элементах DD1.2 и DD1.3.

На этих элементах выполнен одновибратор, изображенный на рис 1.52, в. А элемент DD1.1 используется в качестве управляемого цифрового ключа.

Рассмотрим схему, состоящую из элементов 2И-НЕ. В исходном состоянии на нижнем по схеме) входе элемента DD1.1 уровень лог. «1», «открывающий» ключ и разрешающий ему передачу проинвертированной информации со своего входа на вход одновибратора. На верхнем по схеме входе этого элемента должен присутствовать уровень лог. «0», тогда на его выходе будет «единица», запрещающая запуск одновибратора.

По фронту входного сигнала одновибратор запустится, и на его инверсном выходе появится уровень лог. «0», который заблокирует ключ на элементе DD1.1 (на его выходе — уровень лог. «1», независимо от уровня на втором входе). Поэтому сразу после запуска одновибратора (процесс запуска занимает время меньше одной миллионной доли секунды — для КМОП-микросхем) на его вход можно подавать любые уровни, на них схема реагировать не будет. Это то же самое, что пытаться позвонить по телефону, который отключен от сети.

Как только одновибратор завершит процесс формирования импульса, на его инверсном выходе снова появится уровень лог. «1». Если на верхнем входе элемента DD1.1 в это время присутствует уровень лог. «0», то дальше ничего не произойдет и одновибратор будет «ждать» очередного запускающего импульса. Но если на нем присутствует уровень лог. «1», то одновибратор практически мгновенно (миллионные доли секунды) запустится снова. То есть он превратится в генератор импульсов и на его инверсном выходе практически постоянно будет присутствовать уровень лог. «0», на Kotopoi# через время Т будут появляться очень короткие («иголки») уровни лог. «1». Получить столь короткие импульсы. к тому же обеих полярностей (так как у одновибратора есть и прямой, и инверсный выходы), каким-либо другим способом, не увеличивая количества деталей, практически невозможно. Поэтому эта схема используется очень часто и в режиме одновибратора, и в режиме генератора. Еще одно ее достоинство —» простота управления.

Нижняя схема, на элементах 2ИЛИ-НЕ, работает аналогично, но все уровни имеют противоположную полярность.

В обеих схемах вместо элемента DD1.3 можно использовать любой инвертор. в том числе и на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. В этом случае сопротивление резистора, включенного в цепь коллектора, должно быть в 10…30 раз меньше сопротивления резистора R1. Сопротивление резистора, включенного между выходом элемента DD1.2 и выводом базы транзистора, зависит от коэффициента h21, и сопротивления коллекторного резистора. Оно должно быть больше 10 кОм, сопротивление коллекторного — от 1 кОм, иначе увеличится потребляемый схемой ток.

Обзор схем генераторов будет неполным, если не остановиться на так называемых кварцевых генераторах. Основное отличие кварцевого генератора от всех остальных видов — высочайшая стабильность частоты.

У обычных генераторов частота выходного сигнала довольно нестабильна: при незначительном изменении температуры изменяется емкость конденсатора и сопротивление резистора, при изменении напряжения питания изменяется напряжение переключения логического элемента и увеличивается время заряда/ разряда конденсатора через резистор. Все это приводит к тому, что частота такого генератора не постоянна, а «плавает», т. е. изменяется то в сторону увеличения, то в сторону уменьшения. Изменение частоты очень незначительно и внешне совершенно незаметно. Но в том-то все и дело, Что существуют такие приборы, частота генератора в которых вообще не должна изменяться! Пример такого прибора — электронные часы. Если встроить в них обычный генератор, схемы которых были рассмотрены ранее, то сегодня часы будут «спешить» на 10 минут, а завтра на полчаса «отстанут».

Самой главной деталью кварцевого генератора, как это ясно из названия, является кварцевый резонатор, или просто кварц Кварц по устройству и принципу действия очень похож на обычный конденсатор и отличается от последнего тем, что его сопротивление минимально не на бесконечно большой частоте, а на некоторой резонансной частоте, которая может быть любой — от 32 кГц до сотен мегагерц. Диапазон резонансной частоты кварца очень узок, поэтому частота кварцевого генератора со временем изменяется очень слабо. Хорошие электронные часы (в том числе и выпускаемые на просторах СНГ, стоящие копейки) со встроенным кварцевым генератором имеют погрешность хода, не превышающего несколько секунд в сутки, а некоторые часы со встроенной цифровой настройкой хода — вообще ± 1 секунда за 20 суток!

Резонансная частота кварца зависит только от геометрических размеров кварцевой пластинки, заключенной в герметичный корпус, и изменить ее можно только на заводе-изготовителе. Поэтому резонансная частота кварца, который вы держите в своих руках, известна с очень большой точностью (до 5…7 цифр) и написана на его корпусе (например, 10 000 МГц, т. е. резонансная частота может отклоняться на ±0,0005 МГц). Во всем остальном кварцы практически ничем не отличаются от конденсаторов. Максимальное напряжение между выводами кварца не должно превышать 50 В.

Несмотря на фантастическую точность частоты, схема кварцевого генератора очень проста, его можно собрать на одном-единственном инверторе, что чаше всего и делают. Схема такого генератора изображена на рис. 1.53, о.

Рис. 1.53. Кварцевые генераторы

Инвертор DD1.1 включен как усилитель аналогового сигнала с отрицательной обратной связью (ООС) через резистор R1. Напряжение на выходе инвертора равно напряжению переключения логического элемента, т. е. больше нуля, но меньше напряжения питания. Несмотря на то что инвертор работает «как бы» в линейном режиме и переменное напряжение на его выходе при отсутствии входного сигнала должно быть равно нулю, на самом деле из-за не идеальности транзисторов (этот дефект присущ всем усилителям) в составе микросхемы на ее выходе присутствует широкополосный шум с ничтожно малой ам-

плйтудой. Если к выходу такого усилителя подключить усилитель мощности с динамиком, то вы его наверняка услышите. Шум этот назван широкополосным потому, что он представляет собой, словно белый свет, смесь всех частот, и если «хорошо поискать», то на выходе усилителя можно «найти» сигнал с любой частотой — от долей герц до десятков мегагерц. У кварца же, по определению, емкостное сопротивление минимально на некоторой резонансной частоте, и если среди шума эта частота есть (а она всегда есть — ведь шум широкополосный), то она будет усиливаться. Усиленный сигнал с некоторой (резонансной) частотой придет через кварц на вход инвертора и, в свою очередь, усилится инвертором, усиленный сигнал через кварц вернется на вход инвертора… Все это будет продолжаться до тех пор, пока размах выходных колебаний с частотой, равной резонансной частоте кварца, не достигнет максимальной амплитуды, т. е. пока инвертор не перейдет из линейного режима работы в цифровой.

В схеме есть два конденсатора — С1 и С2. Конденсатор С1 нужен для стабилизации режима работы микросхемы, а конденсатор С2 — фазосдвигающий. Подбирая емкости этих конденсаторов, можно в небольших пределах (несколько процентов) изменять рабочую частоту генератора. В частности, они нужны для настройки генератора точно на резонансную частоту кварцевого резонатора. При изменении рабочей (резонансной) частоты генератора в несколько раз относительно указанной на рисунке нужно во столько же раз в противоположную сторону изменить емкости обоих конденсаторов.

При работе со сравнительно низкочастотными кварцами (менее 500 кГц) нужны конденсаторы значительной мощности, которые сильно шунтируют выход микросхемы, из-за этого снижается крутизна выходных импульсов. В таком случае кварц предпочтительней подключать к выходу микросхемы через токоограничивающий резистор (рис. 1.53, б). При этом заодно снижаются и емкости конденсаторов. Так как сигнал резонансной частбты, прошедший через кварц на вход микросхемы, в этом случае гораздо слабее, чем в вышеописанном, то для нормальной работы микросхемы в цифровом режиме нужно уменьшить глубину ООС, т. е. увеличить сопротивление резистора R1. Из-за очень высокого сопротивления этого резистора генератор становится чувствительным к атмосферной влажности и прочим дестабилизирующим факторам, поэтому строить генератор по такой схеме можно только в исключительных случаях, когда резонансная частота кварца не превышает 100…500 кГц. На схеме указаны номиналы деталей для работы с кварцем на частоту 32 768 Гц (215 Гц), почти во всех электронных часах стоят именно такие кварцы.

В обеих схемах лучше всего использовать логические элементы, в том числе и многовходовые. Триггеры Шмитта в этих схемах работают весьма скверно — это, наверное, единственные схемы для работы, в которых логические элементы подходят больше, чем триггеры Шмитта. Высокоомный резистор R1 можно составить из нескольких более низкоомных, соединенных последовательно.· Включать в схему одного генератора несколько кварцев, соединенных последовательно или параллельно, нельзя: если их частоты будут совпадать, то стабильность частоты генератора будет гораздо хуже; если же они будут отличаться, то генератор заработает на резонансной частоте наиболее добротного (т. е. лучшего качества) из них или же не заработает вообще.

На этом можно поставить точку. Почти все примеры нестандартного включения логических элементов только что были рассмотрены. Кроме такого включения, логические элементы часто используются и по своему прямому назначению — для инвертирования, усиления, сложения и умножения логических уровней, а также в качестве коммутатора цифрового сигнала (так, например, если на один из входов (управляющий) элемента 211 поступает уровень лог. «1». то сигнал со второго входа проходит на выход; если на управляющий вход, которым может быть любой вход логического элемента, поступает уровень лог. «0», на выходе устанавливается уровень лог. «0» независимо от уровня на втором входе, т. е. ключ «закрыт»).

Выше было рассмотрено много схем, некоторые из них были расположены в два этажа, и все они называются основными, т. е. эти схемы нужно знать. Но при этом не нужно уподобляться попугаю и «зубрить» все схемы вместе с временными диаграммами. Ваш мозг попросту не «переварит» такой объем информации. А ведь в электронике есть микросхемы и посложней логических элементов… Для того, чтобы свободно «жонглировать» логическими элементами, генераторами и одновибраторами, нужно знать только две вещи: таблицы истинности (не в том виде, что на рис. 1.42, а в упрощенном: «если на одном из входов… то на выходе…» и «если на всех входах… то на выходе…») и исходные (базовые) схемы генераторов — одновибраторов. Так, для генераторов, изображенных на рис. 1.46, базовой является схема в пункте «а». Поэтому из всех схем, изображенных на этом рисунке, а также на рис. 1.50, запомнить нужно только ее. Зная, как она работает, нетрудно будет самостоятельно «додуматься» до всех остальных схем, а зная таблицы истинности, можно догадаться, как поведет себя тот или иной многовходовый логический элемент в составе генератора, если на один из его входов подать какой-нибудь логический уровень. Все это можно определить теоретически, на основе расчетов, но теоретический путь очень не прост, к тому же ошибки при этом неизбежны, абсолютно все учесть нельзя. Электроника — практическая наука, и все тонкости, нюансы, работы отдельного «кусочка» большой схемы (генератора, одновибратора) можно узнать только в результате эксперимента. Не бойтесь, экспериментируйте, соберите на отдельной микросхеме этот «кусочек схемы» (например, генератор — разводка выводов микросхем дана на рис. 1.39, а расшифровку названий микросхем можно найти в таблице в конце книги), подайте на микросхему питание, а к ее выходу подключите пробник. Изображенный на рис. 1.41 (для того чтобы что-то увидеть, частота генератора не должна превышать 10 Гц) и посмотрите, как моргают светодиоды при разных комбинациях логических уровней на разных входах логических элементов… В современные микросхемы встроена очень эффективная система защиты «от дурака», поэтому вывести их из строя любой, даже «самой неправильной» комбинацией логических уровней невозможно в принципе. Цифровые КМОПмикросхемы «боятся» только статического электричества.

Если вы желаете успешно заниматься электроникой и со временем начать разрабатывать «свои» схемы устройств, не имеющих пока аналогов среди промышленно выпускаемых или стоящих в десятки раз дешевле последних (а это очень просто), то только такой путь является для вас единственно возможным. Электроника — наука для практиков, и кучка деталек с батарейкой в руках может «сказать» в сотни раз больше, чем микрокалькулятор и толстенная книга по расчетам цифровых схем. Только любопытные и любознательные люди (к их числу относится и автор этой книги, который свою первую «серьезную» схему нарисовал всего через три года после того, как узнал, чем отличается резистор от диода) со временем перестанут копировать чужие схемы, наоборот, их схемы начнут копировать другие довольно «солидные» дяди.

Под лежачий камень вода не течет.

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