Проектирование цифровых устройств Стандартные схемы – ЧАСТЬ 2

July 10, 2015 by admin Комментировать »

Светодиоды HL1 и HL2 желательно использовать одного типа и одинакового цвета свечения — по соотношению их яркости свечения можно много чего сказать о проверяемом элементе. Яркость свечения разноцветных светодиодов при одинаковом протекающем через них токе не совпадает. Для этой схемы больше всего подходят красные отечественные светодиоды типа АЛ307А, Б в красном прозрачном корпусе (должен быть виден кристалл).

Если этот пробник оснастить несложной приставкой, схема которой изображена на рис. 2.5, то в результате получится измеритель частотычастотомер, Измеряемую частоту нужно подавать на щуп Х2 (щуп XI в это время никуда не подключен), а левую по схеме обкладку конденсатора С! нужно соединить с выходом элемента DD1.4.

Рис. 2.5. Простейший частотомер (приставка к пробнику на рис. 2.4)

Приставка — частотомер — работает следующим, весьма нехитрым образом. На левую по схеме обкладку конденсатора С1 поступают сигналы одинаковой амплитуды, но разной частоты. Емкостное сопротивление конденсатора линейно зависит от частоты. Поэтому протекающий через конденсатор ток равен

где Ucc— напряжение питания приставки,

Хс — емкостное сопротивление конденсатора.

Этот ток и измеряет микроамперметр РА1. Он должен быть рассчитан на измерение тока, не превышающего 1 мА.

На диодах VD1 и VD2 собран однополупериодный выпрямитель; конденсатор С2 необязателен.

К сожалению, шкала этого частотомера нелинейна, поэтому в процессе настройки придется немножко помучиться. Вначале конденсатор С1 заменяют переменным резистором сопротивлением 100 кОм, и все устройство подключают к щупу ХЗ пробника; его выводы XI и Х2 нужно соединить друг с другом. Изменяя сопротивление переменного резистора, устанавливают стрелку измерительного прибора в крайнее правое положение. После этого переменный резистор отключают и измеряют его сопротивление. Таким должно быть емкостное сопротивление конденсатора С1 на наибольшей измеряемой частоте. Зная частоту и емкостное сопротивление, можно вычислить емкость конденсатора. Так, например, если частотомер должен измерять частоту в диапазоне 0…1000 Гц, а емкостное сопротивление равно 47кОм, то емкость конденсатора С1 должна быть ( или 3,39 нФ

(3390 пФ). Для диапазона 0…10 кГц емкость конденсатора должна быть в 10 раз меньше (339 пФ), а для диапазона 0…100 Гц — в 10 раз больше (33,9 нФ). После этого нужно отградуировать шкалу частотомера, включая вместо конденсатора С1 резисторы с любым сопротивлением (но больше 47 кОм). Стрелка микроамперметра несколькоотклонится, это ее положение будет соответствовать частоте, равной, гдеa R — сопротивление резистора. Шкала частотомера нелинейна, поэтому для большего удобства в работе на ней нужно сделать как можно больше делений.

Единственный недостаток такого частотомера — конденсаторы (С1) обладают значительным разбросом емкостей, доходящим до 30…90%. Из-за этого точность измерения частоты очень невелика. В качестве конденсатора С1 желательно использовать современные пленочные конденсаторы в пластмассовом корпусе. Малогабаритные керамические конденсаторы использовать нельзя (т. е. нежелательно).

Максимальная частота, которую можно измерить таким частотомером, не превышает 2 МГц (она ограничена максимальной частотой переключений элементов микросхемы DD1). Использовать приставку — частотомер — независимо от пробника можно только в том случае, если амплитуда переменного сигнала равна 9 В (именно такое напряжение питания пробника), в противном случае частотомер будет «врать», завышая или занижая показания.

Напряжение питания пробника — частотомера должно быть стабилизированным — от этого зависит точность измерения частоты. Для стабилизации напряжения очень удобны специализированные микросхемы серии КР142ЕН или. сокращенно, КРЕН (рис. 2.6). Они недороги, широко распространены и требуют подключения минимальною количества внешних элементов (в большинстве случаев равного нулю — конденсаторы С1 и С2 необязательны). Напряжения стабилизации разных микросхем приведены в маленькой табличке на рис. 2.6, входное напряжение должно как минимум на 2 В превышать напряжение стабилизации, но не должно превышать 15 В для микросхем КРЁН5. 35 В — для КРЕН8 и 45 В — для КРЕН9. В противном случае вход соединится внутри микросхемы с выходом и на нагрузку подастся высокое, опасное для нее, напряжение.

До сих пор мною рассматривались только простейшие схемы, поэтому о том, как их «создали», я не говорил. Но для того чтобы перейти к созданию бо-

Рис. 2.6. Стабилизатор напряжения на микросхемах КРЕН5, КРЕН8 и КРЕН9 лее сложных схем, нужно ввести два новых понятия — алгоритм и блок-схема. Без этих двух вешей собрать что-нибудь сложнее генератора невозможно.

Алгоритм — это принцип действия данного устройства. Например, двухтональная сирена (рис. 2.3) работает по следующему алгоритму: в течение примерно 0,3 секунды работает генератор частоты 750 Гц, в течение следующих 0,3 секунды — генератор частоты 800 Гц, потом снова включается генератор на 750 Гц, и так до бесконечности. Алгоритм — это разновидность описания «технических характеристик», но гораздо более подробное. У двухтональной сирены алгоритм работы примитивный — в этой книге он занимает всего четыре строчки; в то же время существуют не очень сложные устройства, описание алгоритма работы которых занимает несколько страниц. Алгоритм — это подробнейшее описание всего того, что должно обеспечивать разрабатываемое вами устройство. Не имея перед глазами бумажки с алгоритмом, создать «правильную» схему почти невозможно. Как вы можете сделать то, о работе чего ничего не знаете?

Блок-схема — это «вторая» и предпоследняя ступенька в создании схемы устройства. На блок-схеме упрощенно (в виде «черных ящиков») рисуются функциональные узлы (генератор, счетчик, память) будущего устройства, так чтобы его работа в точности соответствовала алгоритму.

Блок-схема упомянутой выше двухтональной сирены изображена на рис. 2.7. Генератор G1 частоты 3 Гц попеременно включает или G2, или G3 (об этом говорит то, что один из выходов генератора инверсный. Но это относится к схеме на рис. 2.3, б. У схемы на рис. 2.3, а вход одного из высокочастотных генераторов инверсный). Сигнал с выходов генераторов поступает на смеситель, где он мультиплексируется в одну линию (на рис. 2.3, а смеситель выполнен на диодах VD3, VD4, в на рис. 2.3, б в качестве смесителя используется единый для обоих генераторов инвертор DD1.4), после чего усиливается усилителем (транзистором). С выхода схемы сигнал поступает на излучатель звука.

Рис. 2.7. Блок-схема двухтональной сирены

Для одного и того же устройства, работающего по неизменному алгоритму, можно нарисовать две И более блок-схем. «Все дороги ведут в Рим», причем отличия между ними могут быть как незначительными (два одновибратора заменены одним RS-триггером), так и кардинальными ■— когда подсхемы работает по совершенно иному принципу. Разрабатывать (т. е. превращать в «настоящую» схему, с реальными деталями вместо «черных ящиков») нужно все блок-схемы, и только в самом конце можно выбрать наиболее «выгодную» (привлекательную) схему, которая проще, дешевле стоит, потребляет меньший ток или более удобна в управлении. Критериев выбора может быть больше — я перечислил только самые главные. Но перед этим выбором желательно забыть о существовании метода «научного тыка» и еще одного очень популярного русского обычая — привычки полагаться на авось. Умный в гору не пойдет — умный гору обойдет. Случайным в электронике бывает только короткое замыкание.

Давайте теперь попытаемся создать устройство типа «бегущих огней». Алгоритм его работы такой: 8…10 светодиодов расположены по кругу и переключаются «друг за другом» так, чтобы создавалось впечатление, что «огонь» «бежит» по кругу.

Для управления множеством светодиодов подходят микросхемы, которые имеют мало входов и много выходов. К таковым относятся счетчики-дешифраторы, сдвигающие регистры и селекторы-мультиплексоры, включенные «наоборот». Блок-схемы устройств на основе этих микросхем нарисованы на рис. 2.8.

Рассмотрим эти схемы по порядку. Самой простой является схема на основе счетчика-дешифратора (рис. 2.8, а), для ее реализации нужно только две микросхемы: набор логических элементов с инверсией для построения генератора и сам счетчик-дешифратор типа К561ИЕ8 или ИЕ9 для управления светодиодами. У этой схемы по кругу «бегает» «точка» из одного светящегося светодиода. На рисунке условно нарисовано только четыре выхода дешифратора, на самом деле их в 2…4 раза больше. Для реализации «бегущих огней» на основе сдвигающего регистра (см. рис. 2.8, б) нужно последний выход регистра через инвертор соеди-

Рис. 2.8. Блок-схемы «бегущих» огней нить с его входом данных. По такому же принципу работает микросхема К561ИЕ19, рассмотренная выше, но у нее инверсные выходы, а не вход D.

Алгоритм работы этой схемы таков: вначале все светодиоды по очереди загораются, потом так же по очереди гаснут. Схема на основе регистра содержит такое же количество деталей, что и на основе счетчика-дешифратора. Генератор можно собрать на микросхеме, содержащей три и более логических элементов с инверсией, и в качестве дополнительного инвертора «приспособить» «лишний» логический элемент.

Самая сложная схема на основе мультиплексора: она содержит три цифровых микросхемы (генератор, счетчик, мультиплексор). Счетчик СТ (рис. 2.8, в) последовательно «перебирает» адреса выходов мультиплексора (точнее, демультиплексора — приставка «де» означает, что микросхема выполняет противоположную функцию. Кстати, помимо дешифраторов, существуют шифраторы, которые имеют много входов и мало выходов, но среди КМОП-ИМС таковых нет), и единый вход D по очереди соединяется с каждым из выходов. То есть эта схема работает точно так же, как и изображенная на рис. 2.8, а. Но не нужно, сравнив количество деталей, с гневом отбрасывать эту схему в сторону: у нее есть и преимущество, которого нет у всех остальных схем, а именно на вход D селектора можно подать переменное напряжение. Только с помощью переменного тока можно управлять жидкокристаллическими индикаторами, которые постепенно приобретают все большее распространение.

Как видно, в любой схеме — ив простой, и в более сложной — есть свои преимущества и недостатки. Поэтому при выборе блок-схемы нужно не только подсчитывать количество микросхем и всех остальных деталей (хотя, чем их меньше, тем лучше), но и сопоставлять преимущества и недостатки.

Схемы всех трех вариантов «бегущих огней» нарисованы на рис. 2.9. Как они работают, объяснять я не буду — вы это уже знаете лучше меня. Но некоторые пояснения я все-таки себе позволю. На любом входе любой КМОПмикросхемы всегда должен присутствовать какой-нибудь определенный логический уровень. Поэтому все входы «свободных», т. е. неиспользованных логических элементов (на рис. 2.9, а таковыми являются элементы DD1.3 и DD1.4) должны быть соединены с шиной питания. Входы элемента DD1.4 соединены с шиной «+U». так как сделать именно такое соединение при монтаже микросхемы легче всего (для этого достаточно соединить вместе ее выводы 12, 13, 14). Аналогично и с элементом DD1.3, но его входы «ближе» к общему проводу (вывод 7 DD1). Выходы обоих элементов никуда не подключены — выводы можно оставлять «свободными».

Катоды всех светодиодов HL1…HL10 соединены между собой и через токоограничивающий резистор R2 подключены к общему проводу. Выходной ток микросхемы невелик, поэтому, если напряжение питания микросхемы не превышает 9 В, резистор R2 можно вообще закоротить. При этом яркость свечения светодиодов повысится, увеличится также и нагрев корпуса микросхемы. На какой именно вход С счетчика подавать сигнал — безразлично; учитывая, что ко входу сброса R все равно придется «тянуть» общий провод, логично при этом «зацепить» этой дорожкой и один из входов С, т. е. вывод 13 микросхемы. Впрочем, можно вывод 14 соединить с выводом 16, а генератор подключить к выводу 13 счетчика.

Рис. 2 9. Схемы «бегущих» огней

В некоторых случаях счетчик может начать «брыкаться», и «огонь» будет перемещаться по кругу не плавно, а рывками, резко и непредсказуемо перескакивая с одного светодиода на другой, находящийся довольно далеко от первого. Чаще всего это связано с малой крутизной импульсов генератора. Для устранения этого дефекта можно последовательно с конденсатором С1 включить резистор сопротивлением 1…10 кОм и (или) между выходом генератора и входом счетчика включить один-два «свободных» логических элемента. Также устранить этот дефект можно, если между выходом генератора и общим проводом поставить конденсатор емкостью около 100 пФ.

В схеме с использованием сдвигающего регистра (рис. 2.9, б) катоды всех светодиодов лучше всего соединить с общим проводом непосредственно или через индивидуальные для каждого светодиода резисторы. Поставить один общий для всех светодиодов резистор нельзя: протекающий через резистор ток не зависит от количества включенных светодиодов, т. е. все 8 светодиодов будут светиться в 8 раз слабее, чем один-единственный. Резистор R2 в старшем разряде регистра обязателен. Дело в том, что падение напряжения на светящемся светодиоде не превышает 2…3 В, т. е. на выходах 0…6 регистра, при уровне лог. «1»на них, напряжение равно не «+U» (9 В), а 2…3 В. Для регистра такой режим безопасен, но напряжение переключения инвертора DD1.3 равно 2,7…3,3 В, т. е. он может не переключаться. Благодаря резистору R2 напряжение на выходе 7 DD2 равно 5…6 В при уровне лог. «1».

Подав на вывод 15 микросхемы DD2 уровень лог. «0», можно погасить все светодиоды, и ток потребления устройства значительно снизится. Для того чтобы сделать его еще меньшим, нужно остановить генератор, подав на один из входов элемента DD1.1 запрещающий (блокирующий) его работу уровень, предварительно отключив этот вход от RC-цепочки. Если генератор собран на микросхеме ЛА7, то один из входов элемента DD1.1 можно соединить со входом EZ регистра — так будет легче управлять работой схемы. Если в генераторе используется микросхема ЛЕ5, то элемент DD1.4 нужно будет задействовать для инверсии сигнала.

Схема на селекторе-мультиплексоре (рис. 2.9, в) никаких особенностей не имеет. В качестве счетчика DD2 можно использовать абсолютно любой счетчик, имеющий три и более разряда. Если используется двоично-десятичный счетчик, то его выход 8 нужно соединить со входом сброса R (в таком случае общий провод ко входу сброса подключать не надо). На вход-выход D микросхемы DD3 можно подавать сигналы любой полярности и амплитуды. Подав на вход EZ уровень лог. «1». можно погасить все светодиоды.

Во всех схемах светодиоды можно заменить на лампочки накаливания. Но, так как лампочки потребляют ток в десятки раз больше, чем светодиоды, то включать их можно только через усилители тока. Лучше всего для этой цели подходят эмиттерные повторители на транзисторах структуры п-р-п. База каждого транзистора подключается к соответствующему выходу микросхемы, коллектор — к шине «+U», а эмиттер через лампочку к общему проводу.

Если сделать так, чтобы частота генератора плавно снижалась до нуля, то у нас получится что-то типа «поля чудес» или рулетки. Схемы подобных генераторов изображены на рис. 2.10, а схема «поля чудес» с генератором на основе триггера Шмитта (см. рис. 2.10, б) — на рис. 2.11.

При нажатии на кнопку SB1 конденсатор С1 практически мгновенно заряжается до напряжения питания. Ток, протекающий через резистор R2, максимален (он зависит от напряжения на выводах резистора), поэтому частота переключения триггера Шмитта, собранного на элементах DD1.2, DD1.3 и резисторах R3 и

Рис. 2.10. Генераторы с плавным уменьшением частоты колебаний

R4, также максимальна. Ее можно изменить подбором емкости конденсатора С2. После отпускания кнопки конденсатора С1 начинает разряжаться через резистор R1 и генератор. Напряжение на нем плавно уменьшается, уменьшается и ток через резистор R2, конденсатор С2 заряжается все дольше и дольше, и частота генератора плавно уменьшается. Через некоторое время напряжение на конденсаторе С1 уменьшится так сильно, что его станет Недостаточно для переключения триггера Шмитта, И частота его колебаний станет равной нулю. Счетчик DD2 перестанет переключаться, и один из светодиодов HL1…HL10 будет светиться постоянно; предсказать его номер практически невозможно.

Но на выходе элемента DD1.1 даже в это время будет сохраняться уровень лог. «0». И светодиод будет светиться. Дело в том, что напряжение переключения логического элемента меньше, чем у триггера Шмитта, так как у логических элементов нет гистерезиса переключения. Но через некоторое время конденсатор С1 окончательно разрядиться через резистор R1 и на выходе элемента DD1.1 появится уровень лог. «1». Светодиоды погаснут (схема перейдет в режим пониженного энергопотребления, и потребляемый ток станет настолько ничтожным, что его можно будет не учитывать, поэтому выключатель питания необязателен), а счетчик DD2 обнулится. Это обнуление необязательно, поэтому вход сброса можно «навсегда» соединить с общим проводом.

Рис. 2.11. Схема «поля чудес»

Пьезоизлучатель BQJ нужен для красоты и большего удобства при работе со схемой, поэтому его можно не ставить. Включен он по противофазной схеме, поэтому громкость звука довольно велика. Инвертор DD1.4 нужен для увеличения крутизны импульсов генератора; его лучше всего подключать не ко входу, а к выходу элемента DD1.3.

Выше были рассмотрены сравнительно простые схемы, которые начинают работать сразу после включения напряжения питания. Но существуют схемы и посложнее, которые нужно долго и нудно настраивать; кроме того, иногда возникает потребность выяснить особенности работы какой-нибудь микросхемы при некоторых комбинациях уровней на ее входах. Значительно облегчить эту нелегкую работу может универсальный логический пробник. Основные требования к нему; он должен иметь как минимум 8 входов-выходов (так как в одном байте 8 бит, кроме того, 23 = 8), через которые должен протекать ничтожный ток, распознавать три логических уровня (лог. «0», лог. «1»и «ничего», т. е. Ζ-состояние выхода), иметь встроенные генераторы на частоты, примерно 1 кГц и 10 Гц, а также встроенный одновибратор. Индикация — желательно светодиодная — они бывают разноцветными и стоят копейки. Кроме того, устройство должно потреблять небольшой ток и работать в широком диапазоне напряжения питания.

Попытаемся составить по этому алгоритму блок-схему устройства. Первым делом нужно определиться с типом используемых микросхем. Судя по последнему предложению в алгоритме, нам подходят только КМОП-ИМС. Это плохо, так как в серии ТТЛ 8-разрядных микросхем в десятки раз больше. Ну да ладно, обойдемся и двумя 4-х разрядными… Теперь светодиоды. Они бывают разных цветов, поэтому примем, что при уровне лог, «1»на входе должен светиться красный светодиод, при уровне лог. «0» — зеленый, а при отключенном входе пусть оба светодиода погаснут. Так мы заодно и ток сэкономим.

Рис. 2.12. Пояснения в тексте

Для уменьшения количества микросхем оба светодиода (красный и зеленый) нужно включить встречно-параллельно, а все устройства перевести в динамический режим работы. Благодаря этому светодиодами можно будет управлять через один выход, а не через два, т. е. количество управляющих светодиодами микросхем снизится в 1,5…2 раза.

Для организации динамического режима на один из выводов соединенных вместе светодиодов нужно подать переменное напряжение. Вырисовывается схема, изображенная на рис. 2.12, а: один из выводов светодиодов подключен к выходу «черного ящика», который управляется импульсами с выходов проверяемой схемы, а на второй, через токоограничивающий резистор — переменное напряжение с выхода генератора.

Половина схемы нарисована. Теперь осталось только разобраться, что именно включить вместо «черного ящика». Вся загвоздка в том, что все цифровые микросхемы реагируют по одному входу только на два разных сигнала, а нам нужно, чтобы на три… Если бы не нужно было индицировать Ζ-состояние, то вместо «черного ящика» можно было бы включить любой повторитель (инвертор). В случае с повторителем верхний светодиод должен быть красного цвета (когда на выходе повторителя устанавливается уровень лог. «1». то верхний светодиод загорается в те моменты, когда на выходе генератора присутствует уровень лог. «0»; нижний (зеленый) светодиод при уровне лог. «1»на выходе повторителя всегда заперт обратным напряжением, и ток через него не течет, т. е. он не светится). В случае с инвертором светодиоды нужно поменять местами.

С двумя состояниями разобрались, осталось третье. Тут нам на помощь придет теория. Ведь как известно, в Ζ-состоянии напряжение на выходе равно не 0,5 UnHT, как кажется, а вообще ничему не равно — выход отключен от кристалла микросхемы, и его можно использовать в качестве очень высокоомного входа. То есть на входе нашего пробника при Ζ-состоянии исследуемого выхода может присутствовать любой уровень. Так как индикация у нас динамическая, то можно попросту соединить вход повторителя через довольно высокоомный (в разумных пределах) резистор с выходом генератора (рис. 2.12, б). При уровне лог. «1»на выходе генератора и отключенном входе на выходе повторителя будет тоже уровень лог. «1»; при «нуле» на выходе генератора, на выходе повторителя также установится «ноль». В обоих случаях разность напряжений на выводах светодиодов равна нулю, и ни один светодиод не светится.

Вот мы и решили неразрешимую на первый взгляд задачу: подавая на единственный вход два разных уровня, получим три разных состояния на выходе. Кстати, если в схеме на рис. 2.12, б повторитель заменить инвертором или если вход повторителя соединить не с прямым, а с инверсным выходом генератора, то получим и четвертое состояние на выходе — будут светиться одновременно оба светодиода. Но нам оно не нужно.

Теперь перейдем к созданию «настоящей» схемы. Кроме 8 повторителей (по числу входов), она должна Содержать два генератора, второй (низкочастотный) генератор можно будет превращать в одновибратор. На два генератора требуется четыре инвертора; восьмивходовых повторителей в КМОП-сериИ нет (кроме регистра К561ИР6, который занимает много места и дорого стоит), поэтому придется использовать два шести входовых повторителя типа К561ПУ4. При этом четыре элемента останутся свободными…

Впрочем, кто сказал, что для управления светодиодами можно использовать только повторители уровня? Их вполне можно заменить инверторами, подав управляющий сигнал на входы с инверсного выхода генератора и изменив полярность включения светодиодов (рис. 2.12, в). При этом На четырех оставшихся инверторах можно собрать оба генератора. Так «одним росчерком пера» мы убрали из схемы одну якобы незаменимую микросхему.

Окончательный вариант схемы пробника нарисован на рис. 2.13. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран основной генератор частотой около 800 Гц. Прямой выход генератора через резисторы R4…R11 подключен ко входам входных преобразователей — инверторов, а инверсный, через усилитель тока на составном эмиттерном повторителе (VT1 И VT2) — к общим выводам светодиодов. С выхода Х9 можно снять довольно мощный сигнал с частотой около 800 Гц; если этот

Рис. 2.13. Универсальный 8-ми разрядный логический пробник сигнал подать на входы XI…Х8, то оба светодиода в соответствующем разряде загорятся. Этот выход можно использовать для проверки счетчиков с большим коэффициентом деления — чтобы не ждать слишком долго. Низкочастотный генератор собран на элементах DD2.1 и DD2.2. При показанном на схеме положении переключателя SA1 он работает как генератор, и при нажатии на кнопку SB1 его работа блокируется. С выходов Х10 и XII можно снимать противофазные сигналы, крутизна импульсов на выходе XII больше, чем на выходе Х10. Благодаря этой особенности нетрудно проверить чувствительность исследуемой микросхемы к резкости перепадов уровней. С КМОП-микросхемами обычно никаких проблем не возникает.

При переводе движка переключателя SA1 в нижнее по схеме положение генератор превращается в одновибратор, который запускается с помощью кнопки SB1. Дребезг и искрение ее контактов гасится интегрирующим конденсатором С2, резистор R2 нужен для уменьшения нагрузки на выход элемента DD2.2 во время переключения. Через резистор R3 при разомкнутой кнопке SB1 конденсатор С2 плавно разряжается, и одновибратор возвращается в исходное состояние (лог. «0» на выходе XII и лог. «1»на выходе Х10).

От сопротивления резисторов R4…R11 зависит входное сопротивление схемы, чем оно больше, тем лучше, но оно не должно превышать 5… 10 МОм (в идеале 2…3 МОм). Резисторы R12…R19 — токоограничивающие, от их сопротивления зависит яркость свечения светодиодов и потребляемый схемой ток. При напряжении питания меньше 6 В их можно вообще закоротить. В качестве светодиодов HL1…HL16 удобно использовать восемь биполярных светодиодов, т. е. таких, внутри которых установлены два разноцветных светодиода (обычно красный и зеленый), соединенных встречно-параллельно (у такого светодиода два вывода и внутри видно два кристалла). Транзисторы VT1 и VT2 можно использовать любые, соответствующей структуры.

В качестве щупов XI.„XI1 можно использовать обычные монтажные провода в поливинилхлоридной изоляции, один конец Которых зачищен и припаян к схеме, а второй —- слегка расплющен плоскогубцами (рис. 2.14). Расплющить его нужно именно слегка, так чтобы не повредить изоляцию. Расплющенный конец провода легко надевается на вывод любой микросхемы в корпусе DIP и прекрасно держится на нем. Со временем расплющенный конец провода (щупа) слегка расшатывается и перестает держаться на выводе микросхемы. В таком случае его нужно срезать ножницами и расплющить неповрежденный конец провода.

Рис. 2.14. Пояснения в тексте (все размеры в миллиметрах)

Выше нами были рассмотрены микросхемы, предназначенные для построения на их основе электронных часов. Попробуем собрать такие часы.

Единственное требование к электронным часам — индикация времени в часах и минутах. Всякие прибамбасы типа будильников и секундомеров нам пока не нужны.

Блок-схема таких часов очень проста (рис. 2.15): генератор импульсов, следующих через 1 минуту, управляет цепочкой последовательно соединенных счетчиков. Первый счетчик, подсчитывающий единицы минут, должеИ «считать» до 9. второй — До 5, третий (единицы часов) — до 9 и четвертый — до 2. Кроме того, выходы третьего и четвертого счетчиков нужно подключить к специальной схеме, которая при числе «24» будет обнулять все счетчики, иначе часы будут «считать» до 29 часов и только потом обнуляться.

Схема таких часов нарисована на рис. 2.16. Счетчики DD1…DD5 работают, как обычно, поэтому пояснять их работу я не буду. На элементах DD6.1 и DD6.2 собрана схема «2И»: как видно из рис. 1.70, при коде в разряде часов, равном 24, на выходах переноса 2 И 4 появляются уровни лог. «1», на выходе

Рис. 2.15. Блок-схема электронных часов

Рис. 2.16. Электронные часы на счетчиках ИЕЗ и ИЕ4 элемента DD6.1 — уровень лог. «0». а на выходе элемента DD6.2 — лог. «1». Все счетчики обнуляются. При числе часов, равном 0…23, на одном или обоих выходах переноса присутствует уровень лог. «0», такой же уровень присутствует и на входах сброса счетчиков.

Для более стабильного обнуления счетчиков между выходом элемента DD6.1 и входами элемента DD6.2 можно включить интегрирующую RC-цепочку

(сопротивление резистора — 10…100 кОм, емкость конденсатора — около 1000 пФ; резистор желательно зашунтировать диодом, включенным катодом к выходу элемента DD6.1). При этом увеличится длительность импульса сброса.

Рис. 2.17. Логические элементы на диодах: а — •ИЛИ·; б — «И». Количество диодов молено увеличить

С целью экономии деталей простые логические схемы без инверсии (И, ИЛИ) очень часто собираются на диодах (рис. 2.17). На рисунке показаны двухвходовые логические элементы, но количество входов легко увеличить, увеличив количество диодов. На выходе верхней схемы (рис. 2.17, а) уровень лог. «0» появится только в том случае, если на обоих входах присутствуют «нули». Аналогично работает и нижняя схема, но у нее «единица» на выходе появится только в том случае, если на всех входах присутствуют уровни лог. «1». В обеих схемах один из диодов (только один!) можно заменить резистором, благодаря этому схема «логического элемента» станет еще проще.

Преимущество таких схем — огромное быстродействие, которое ограничено только паразитными емкостями диодов и монтажа. Для увеличения быстродействия сопротивление резистора должно быть как можно меньше (но не менее 1 кОм). Их единственный недостаток — выходной ток невелик, а коэффициент усиления и по напряжению, И по току меньше единицы. Поэтому на входы таких «логических элементов» можно подавать только логические уровни, а к выходу, если нужен большой выходной ток, можно подключить повторитель или инвертор.

Рис. 2.18. Изображения цифр в семисегментном коде

В устройство также введена возможность гашения незначащего нуля в разряде десятков часов (т. е. чтобы часы показывали, например, не 01:15, а 1:15). К сожалению, этот ноль есть почти во всех «самодельных» часах, при всем том, что от него вреда больше, чем пользы. Так как у микросхемы К176ИЕЗ нет соответствующего выхода, то пришлось использовать нестандартную схему включений. Как видно из рис. 2.18, при коде «0» сегмент f индикатора (вертикальный верхний в левом ряду) светится, а при коде «1»и «2» — нет. То есть в часах по рис. 2.16 при записанном в счетчик DD5 числе «0» на выходе f появляется уровень лог. «0», Он открывает транзистор VT1 (этот транзистор понадобился из-за того, что напряжение на выходе f микросхемы не превышает 1,5 В, — светодиод индикатора практи-

чески накоротко замыкает выход; впрочем, для микросхемы такой режим работы безопасен), и на выходе элемента DD6.4 появляется уровень лог, «1». Транзистор VT2 закрывается, и питание от индикатора отключается. Ничего не значащий ноль гаснет, При индикации цифр «1»и «2» «единица» с выхода f закрывает транзистор VTJ, а транзистор VT2 открывается. Для уменьшения потерь напряжения на ключе и как следствие уменьшения неравномерности яркости свечения индикаторов (они все должны быть однотипными) этот транзистор включен по схеме с общим эмиттером.

Схему можно упростить: убрав микросхему PD6.1 и DD6.2, нужно будет включить схему «2И» на диодах, а базу транзистора VT2 соединить с коллектором транзистора VT1. Резистор R6 нужно убрать, а сопротивление резисторов R4 и R5 уменьшить до 1 кОм. Если «0» на индикаторе HG4 будет виден, то сопротивление резистора R4 нужно уменьшить еще сильнее.

Через резистор R3 сигнал с частотой 1 Гц подается на сегмент h (запятую) индикатора HG3. Эта запятая разделяет часы и минуты. Подбором резистора R3 добиваются, чтобы яркость свечения точки соответствовала яркости свечения всех остальных сегментов.

В часах не предусмотрена возможность предварительной установки времени, но ее несложно ввести. Для этого схему нужно немножко усложнить (все изменения показаны на рис. 2.19). С помощью кнопки SB1 можно обнулить счетчик секунд внутри микросхемы DD1, при нажатой кнопке SB2 увеличиваются показания в разряде минут, а при нажатой кнопке SB3 — в разряде часов. Искрение и дребезг контактов кнопок на работу схемы практически не влияют. Но это только в том случае, если они подключены к выходу микросхемы DD1. а не к шине питания.

Еще одно устройство, которое найдет применение практически в каждом доме, — переключатель елочных гирлянд. Основное требование к нему — чтобы 4…8 гирлянд, рассчитанных на напряжение 220 В, хаотически моргали, причем так, чтобы эта «хаотичность» по возможности не повторялась, т. е. чтобы не была заметна закономерность их переключения.

Этому требованию соответствуют только два варианта схемы: генератор случайных чисел и микросхема ПЗУ со значительным объемом памяти. Генератор случайных чисел сам генерирует некие неповторяющиеся комбинации «нулей» и «единиц», а в ПЗУ эти комбинации записываются человеком. Для рассматриваемой нами схемы больше подходит ПЗУ — однократно программируемые микросхемы памяти ныне стоят копейки и требуют минимума внешних

Рис. 2.19. Пояснение в тексте элементов; генератор случайных чисел, даже самый простой, требует длительной настройки и состоит примерно из десятка микросхем.

Попробуем составить блок-схему переключателя с использованием микросхемы ПЗУ. Пзушку возьмем самую дешевую — КР556РТ4А (что означает буква А — я не знаю; но работает и программируется она точно так же, как и микросхема без этой буквы), имеющую 8 адресных входов и 4 выхода с открытым коллектором. Объем ее памяти равен 28= 256 единиц, т. е. в нее можно «записывать» 256 4-разрядных «случайных» чисел.

Для «перевирания» адресов микросхем памяти (для того чтобы информация на ее выходах изменилась, нужно изменить информацию на ее адресных входах) практически всегда используют двоичные счетчики. Как видно из таблицы на рис. 1.59, за 16 периодов тактовой частоты на всех выходах 4-разрядного Счетчика «побывают» все возможные комбинации «нулей» и «единиц», причем ни одна комбинация за 16 периодов не повторится. То есть такой счетчик может последовательно «перебрать» все адреса 4-разрядной микросхемы памяти (ее емкость — 24= 16 единиц). Для того чтобы «обслужить» память большего объема, нужно последовательно включить несколько счетчиков.

«Понравившаяся» нам микросхема восьмиразрядна, т. е. она требует или один 8-разрядный счетчик, или два 4-разрядных, включенных последовательно. Вначале остановимся на последнем варианте.

Используя два 4-разрядных счетчика, у нас появляется возможность «разбить» всю память микросхемы ПЗУ на 16 блоков по 16 шагов в каждом. Если использовать один 3-разрядный и один 5-разрядный счетчики, память Можно «разбить» на 32 блока по 8 шагов в каждом. В каждом блоке можно записать Какой-нибудь эффект, например, «бегущие огни», «моргание» и т. д. Между этими двумя счетчиками можно включить еще один счетчик-делитель частоты, тогда каждый эффект (каждый блок) будет повторяться по нескольку (8…16) раз.

Так как количество выходов используемой нами ПЗУ невелико, то делать слишком большим количество блоков или Шагов в каждом блоке Невыгодно, поэтому ограничимся формулой 16×16 (два 4-разрядных счетчика). Между ними включим счетчик-делитель на 16.

Теперь перейдем к выходам — надо же как-то коммутировать 5-вольтной микросхемой 220-вольтные гирлянды! Для этого проще всего вначале выпрямить с помощью диодного моста сетевое переменное напряжение, в гирлянды коммутировать с помощью тринисторов, включенных Но схеме с общим катодом, — для управления тринисторами, включенными по такой схеме, достаточно напряжения, большего 1 В.

Блок-схема получившегося у нас переключателя изображена на рис. 2.20. Чтобы не загромождать рисунок лишними линиями, все выходы счетчиков объединены в одну шину, цифра над косой чертой, пересекающей эту шину, означает количество проводов (дорожек) в ней. Иногда шины обозначаются в виде «потока» — так, как это сделано на рис. 2.15. Оба условных обозначения используются одинаково часто.

В схеме введен переключатель SA1. Для чего он нужен, вы сможете понять и без меня.

Тринисторы к выходу ПЗУ подключены через «черный ящик». Напряжение питания схемы равно 5 В; если такое напряжение приложить к управляющему электроду тринистора, то сгорит или тринистор, или блок питания. Ток управления нужно ограничить. На каком уровне?

Теория кончилась, начинается практика. Минимальный ток управления тиристором можно узнать только экспериментальным путем — собрать схему на тринисторе и лампочке. Высокое, опасное для жизни сетевое напряжение сейчас использовать не обязательно, можно обойтись и 12 В, тем более что при увеличении напряжения на выводах тринистора минимальный отпирающий его ток уменьшается. Схема соединений лампочки и тринистора должна соответствовать изображенной на рис. 2.20. Теперь нам нужен еще один источник питания напряжением 5 В, его отрицательный (точнее, «нулевой») вывод нужно соединить с общим проводом (катодом тринистора). Через резисторы разного сопротивления вторым выводом этого источника нужно касаться управляющего электрода тринистора.

Как можно заметить, тринистор (автор использовал типы КУ202Н) надежно открывается при сопротивлении токоограничивающего резистора 620 Ом и меньше. То есть через резистор 620 Ом течет минимальный отпирающий ток (около 8 мА). При меньшем токе тринистор не откроется, подавать больший ток — невыгодно.

Так как через управляющий электрод течет сравнительно небольшой ток, то в разрыв цепи можно включить «для красоты» светодиод. Ток 8 мА идеально подходит для управления светодиодом — он светит и не тускло, и не слишком ярко. Но так как на светодиоде падает некоторое напряжение, то сопротивление токоограничивающего резистора нужно уменьшить. Экспериментально получается цифра <510 Ом.

В качестве счетчиков имеет смысл использовать две доступные и дешевые микросхемы К561ИЕ10 — сдвоенные 4-разрядные счетчики. Так как для этой схемы нужно только три счетчика, четвертый можно использовать в качестве делителя частоты на 16, поставив его между генератором и входом первого

Рис. 2.20. Блок-схема переключателя елочных гирлянд на ПЗУ

счетчика. Благодаря такому схемному решению частоту генератора можно будет повысить в 16 раз. Чем выше чистота генератора, тем меньше должна быть емкость частотозадающего конденсатора (при неизменном сопротивлении резистора), а чем меньше емкость конденсатора, тем меньше его габариты и цена. Верхний на рис. 2.20 счетчик можно заменить на микросхемы типа К176ИЕ16, К561ИЕ16, ИЕ20, подключив ко входам ПЗУ четыре самых старших (самых нижних) выхода счетчика. При этом частота генератора должна быть соответственно 4,1024 или 256 Гц. В двух последних случаях можно использовать малогабаритные керамические конденсаторы.

Схема переключателя на основе двух микросхем К561ИЕ10 приведена на рис. 2.21. Счетчики DD2.1, DD2.2, DD3.1 можно «заставлять» работать как по фронту импульса, так и по спаду, но счетчик DD3.2 должен работать только по спаду — его вход С при указанном на схеме положении переключателя SA1 соединен с выходом 8 счетчика DD2.2, этот же выход соединен с одним из адресных входов ПЗУ. Поэтому, чтобы не «ломать» всю прелесть записанной в память закономерности переключения отдельных гирлянд, этот счетчик должен переключаться по переходу уровня на выходе 8 из лог. «1» в лог. «0», т. е. по спаду. Но это справедливо только для случая, если ПЗУ программировали на «правильном» программаторе, у которого все счетчики, «перебирающие» адреса

Рис. 2.21. Переключатель елочных гирлянд на ПЗУ

ячеек памяти, работают по спаду. Выходы микросхемы памяти через цепочку из резистора и светодиода подключены к управляющим электродам тринисторов. На «непрошитом», т. е. на незапрограммированном выходе этой микросхемы присутствует уровень лог. «0», соответствующий резистор заблокирован, и через светодиод течет ничтожный ток, который не вызывает срабатывания тринистора. Светодиод также практически не светится. Если же выход «прошить», то он перейдет в Ζ-состояние и через соответствующий резистор начнет светиться светодиод и сработает тиристор.

При нажатии на кнопку SB1 все выходы микросхемы перейдут в Ζ-состояние и все источники света должны начать ярко светиться. Если от объединенных выводов резисторов R4…R7 отключить напряжение +5 В, то все лампы и светодиоды должны погаснуть. Таким нехитрым способом можно проверить исправность микросхемы ПЗУ, светодиодов, тиристоров и ламп-гирлянд.

Программировать микросхему памяти можно как в специальном программаторе. так и непосредственно в составе этой схемы, используя для «перебирания» адресов счетчики DD2.2 и DD3.2. Вход счетчика DD2.2 нужно отсоединить (перерезать дорожку) от выхода DD2.1 и подключить к выходу любого одновибратора; между выходами микросхемы DD4 и точкой соединения резистора со светодиодом нужно впаять по диоду.

Между шиной «+5 В» и выводом 16 микросхемы DD4 нужно припаять диод, в общем, сделать так, чтобы схема как можно сильнее походила на изображенную на рис. 1.89. Программируется микросхема DD4 как обычно.

Так как устройство не имеет гальванической развязки от сети (через один из диодов VD1…VD2 сетевые провода соединены с общим проводом), то при настройке устройства, при включенном высоком напряжении, нужно соблюдать повышенную осторожность. Сглаживать выпрямленное высокое напряжение конденсатором нельзя — тиристоры не будут выключаться.

Питать устройство (+5 В) можно как через понижающий трансформатор, так и через бестрансформаторный источник питания с гасящим конденсатором, собранный по схеме, изображенной на рис. 1.9, к. Емкость конденсатора С1 в этой схеме примерно 1…1,5 мкФ, он должен быть рассчитан на напряжение 250 (пленочный)…400 В. Стабилитрон VD5 необязателен, с его функцией прекрасно справляется микросхема DD4 (но это только в том случае, если она «навсегда» припаяна к схеме, а не вставляется в панельку): при напряжении питания, равном 4,0 В, она потребляет 65 мА, а при увеличении этого напряжения до 6 В ток потребления увеличивается до 110 мА. То есть напряжение на выводах питания микросхем автоматически (самостоятельно) стабилизируется.

Схема блока питания этого устройства нарисована на рис. 2.22. Выделенный диод необязателен и его можно убрать — с его функцией прекрасно справляется более мощный диод в 220-вольтном выпрямителе. Больше в схеме «лишних» элементов нет.

Перед включением блока питания в сеть тщательно проверьте правильность монтажа; отсутствие коротких замыканий и исправность диодов. Общий провод на схемах показан условно, и если корпус устройства металлический, то его нужно самым тщательным образом изолировать от шин питания. Все регулиров-

Рис. 2.22. Блок питания для переключателя елочных гирлянд ки во включенном устройстве производите только одной рукой, вторую руку лучше всего держать за спиной. Ну и что, что со стороны это кажется смешным, зато сохраните свое собственное здоровье, а то и жизнь.

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