Логические микросхемы. Часть 6

В предыдущих частях статьи были рассмотрены простейшие устройства на логических элементах 2И-НЕ. Это автоколебательный мультивибратор и одновибратор. Давайте посмотрим, что же можно создать на их основе.

Каждое из этих устройств может применяться в различных конструкциях в качестве задающих генераторов и формирователей импульсов необходимой длительности. Учитывая то, что статья носит ознакомительный характер, а не описание какой-нибудь конкретной сложной схемы, ограничимся рассмотрением нескольких простых устройств с применением упомянутых схем.

Простые схемы на мультивибраторах

Мультивибратор является устройством достаточно универсальным, поэтому его применение очень разнообразно. В четвертой части статьи была показана схема мультивибратора на трех логических элементах. Чтобы не искать эту часть, схема показана еще раз на рисунке 1.

Частота колебаний при номиналах, указанных на схеме, будет около 1 Гц. Дополнив такой мультивибратор светодиодным индикатором, можно получить простой генератор световых импульсов. Если транзистор взять достаточно мощным, например КТ972, вполне возможно сделать небольшую гирлянду для маленькой елки. Подключив вместо светодиода телефонный капсюль ДЭМ-4м, можно будет услышать щелчки при переключении мультивибратора. Такое устройство можно применить в качестве метронома при обучении игре на музыкальных инструментах.

Рисунок 1. Мультивибратор на трех элементах.

На базе мультивибратора очень просто сделать генератор звуковых частот. Для этого необходимо, чтобы конденсатор был емкостью 1мкФ, а в качестве резистора R1 применить переменный сопротивлением 1,5…2,2 КОм. Весь звуковой диапазон такой генератор, конечно, не перекроет, но в некоторых пределах частоту колебаний можно будет изменять. Если необходим генератор с более широким диапазоном частот, это можно сделать, изменяя емкость конденсатора при помощи переключателя.

Генератор прерывистого звукового сигнала

В качестве примера использования мультивибратора можно вспомнить схему, издающую прерывистый звуковой сигнал. Для ее создания потребуются уже два мультивибратора. В этой схеме мультивибраторы на двух логических элементах, что позволяет собрать такой генератор всего на одной микросхеме. Его схема показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Генератор прерывистого звукового сигнала.

Генератор на элементах DD1.3 и DD1.4 вырабатывает колебания звуковой частоты, которые воспроизводит телефонный капсюль ДЭМ-4м. Вместо него можно применить любой с сопротивлением обмотки около 600 Ом. При указанных на схеме номиналах С2 и R2 частота звуковых колебаний около 1000 Гц. Но звук будет раздаваться лишь в то время, когда на выводе 6 мультивибратора на элементах DD1.1 и DD1.2 будет высокий уровень, который разрешит работу мультивибратора на элементах DD1.3, DD1.4. В случае, когда на выходе первого мультивибратора низкий уровень второй мультивибратор остановлен, звука в телефонном капсюле нет.

Для проверки работы звукового генератора можно 10-й вывод элемента DD1.3 отключить от вывода 6 DD1.2. В этом случае должен зазвучать непрерывный звуковой сигнал (не забывайте, что если вход логического элемента никуда не подключен, то такое его состояние рассматривается как высокий уровень).

Если 10-й вывод соединить с общим проводом, например, проволочной перемычкой, то звук в телефоне прекратится. (То же самое можно сделать и, не нарушая соединения десятого вывода). Этот опыт говорит о том, что звуковой сигнал раздается лишь тогда, когда на выводе 6 элемента DD1.2 высокий уровень. Таким образом, первый мультивибратор тактирует работу второго. Подобную схему можно применить, например, в устройствах сигнализации.

Вообще, проволочная перемычка, соединенная с общим проводом, широко используется при исследовании и ремонте цифровых схем в качестве сигнала низкого уровня. Можно сказать, что это классика жанра. Опасения что-либо таким методом «сжечь» совершенно напрасны. При этом на «землю» можно «сажать» не только входы, но и выходы цифровых микросхем любых серий. Это эквивалентно открытому выходному транзистору или уровню логического нуля, низкому уровню.

В противоположность только что сказанному СОВЕРШЕННО НЕДОПУСТИМО ВЫХОД МИКРОСХЕМ ПОДКЛЮЧАТЬ К ЦЕПИ +5В: если выходной транзистор в это время будет открыт (все напряжение источника питания будет приложено к участку коллектор – эмиттер открытого выходного транзистора), то микросхема выйдет из строя. Учитывая то, что все цифровые схемы не стоят на месте, а что-то все время «делают», работают в импульсном режиме, открытого состояния выходного транзистора ждать придется совсем недолго.

Пробник для ремонта радиоаппаратуры

Используя логические элементы 2И-НЕ можно создать простой генератор для настройки и ремонта радиоприемников. На его выходе можно получить колебания звуковой частоты (ЗЧ), и колебания радиочастоты (РЧ) промодулированные ЗЧ. Схема генератора показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Генератор для проверки приемников.

На элементах DD1.3 и DD1.4 собран уже знакомый нам мультивибратор. С его помощью вырабатываются колебания звуковой частоты, которые через инвертор DD2.2 и конденсатор С5 через разъем ХА1 используются для проверки усилителя низкой частоты.

Генератор высокочастотных колебаний выполнен на элементах DD1.1 и DD1.2. Это также уже знакомый нам мультивибратор, только здесь появился новый элемент – катушка индуктивности L1, соединенная последовательно с конденсаторами С1 и С2. частота этого генератора в основном определяется параметрами катушки L1 и в незначительных пределах может подстраиваться конденсатором С1.

На элементе DD2.1 собран смеситель радиочастоты, которая подана на вход 1, а на вход 2 подана частота звукового диапазона. Здесь звуковая частота тактирует радиочастоту в точности так же, как в схеме прерывистого звукового сигнала на рисунке 2: напряжение радиочастоты на выводе 3 элемента DD2.1 появится в тот момент, когда на выводе 11 элемента DD1.4 высокий уровень.

Для получения радиочастоты в диапазоне 3…7 МГц катушку L1 можно намотать на каркасе диаметром 8 мм. Внутрь катушки следует вставить отрезок стержня от магнитной антенны из феррита марки Ф600НМ. Катушка L1 содержит 50…60 витков провода ПЭВ-2 0,2…0,3 мм. Конструкция пробника произвольная.

Для питания генератора-пробника лучше использовать источник стабилизированного напряжения, но можно и гальваническую батарею.

Применение одновибратора

В качестве простейшего применения одновибратора можно назвать световой сигнализатор. На его основе можно создать мишень для стрельбы теннисными шариками. Схема светового сигнализатора показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Световой сигнализатор.

Собственно мишень может быть достаточно больших размеров (картон или фанера), а ее «яблочко» это металлическая пластина диаметром около 80 мм. На электрической схеме это контакт SF1. При попадании в центр мишени контакты замыкаются весьма кратковременно, поэтому мигания лампочки можно и не заметить. Для предотвращения такой ситуации и служит в данном случае одновибратор: от короткого запускающего импульса лампочка гаснет не менее чем на секунду. В данном случае происходит удлинение запускающего импульса.

Если хочется, чтобы лампа при попадании не гасла, а наоборот вспыхивала, следует в схеме индикатора применить транзистор типа КТ814 поменяв местами выводы коллектора и эмиттера. При таком подключении в базовую цепь транзистора резистор можно не ставить.

В качестве генератора одиночных импульсов одновибратор часто применяется при ремонте цифровой техники для проверки работоспособности как отдельных микросхем, так и целых каскадов. Об этом будет рассказано несколько позднее. Также без одновибратора не обходится ни один стрелочный, или как его называют, аналоговый частотомер.

Простой частотомер

На четырех логических элементах микросхемы К155ЛА3 можно собрать простой частотомер, позволяющий измерить сигналы частотой 20…20 000 Гц. Для того, чтобы можно было измерить частоту сигнала любой формы, например, синусоиды, его надо преобразовать в прямоугольные импульсы. Обычно такое преобразование делается при помощи триггера Шмитта. Если можно так сказать он преобразует «импульсы» синусоиды с пологими фронтами в прямоугольники с крутыми фронтами и спадами. Триггер Шмитта имеет порог срабатывания. Если входной сигнал ниже этого порога на выходе триггера импульсной последовательности не будет.

Знакомство с работой триггера Шмитта можно начать с проведения несложного опыта. Схема его проведения показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Триггер Шмитта и графики его работы.

Чтобы смоделировать входной синусоидальный сигнал используются гальванические батареи GB1 и GB2: перемещение движка переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение имитирует положительную полуволну синусоиды, а перемещение вниз отрицательную.

Опыт следует начать с того, что вращением движка переменного резистора R1 выставить на нем нулевое напряжение, естественно контролируя его вольтметром. В этом положении на выходе элемента DD1.1 единичное состояние, высокий уровень, а на выходе элемента DD1.2 логический нуль. Это исходное состояние в отсутствии сигнала.

Подключим вольтметр к выходу элемента DD1.2. Как было написано выше, на выходе мы увидим низкий уровень. Если теперь достаточно медленно вращать движок переменного резистора до упора вверх по схеме, а потом вниз также до упора и обратно на выходе DD1.2 прибор покажет переключение элемента с низкого на высокий уровень и обратно. Другими словами на выходе DD1.2 присутствуют прямоугольные импульсы положительной полярности.

Работа такого триггера Шмитта поясняется графиком на рисунке 5б. Синусоида на входе триггера Шмитта получена вращением переменного резистора. Ее амплитуда до 3В.

До тех пор, пока напряжение положительной полуволны не превышает порогового (Uпор1), на выходе устройства сохраняется логический нуль (исходное состояние). При увеличении входного напряжения вращением переменного резистора в момент t1 входное напряжение достигнет порогового (около 1,7В).

Оба элементы переключатся в противоположное исходному состояние: на выходе устройства (элемент DD1.2) будет напряжение высокого уровня. Дальнейшее повышение входного напряжения, вплоть до амплитудного значения (3В), к изменению выходного состояния устройства не приводит.

Теперь давайте вращать переменный резистор в обратную сторону. Устройство переключится в исходное состояние, когда входное напряжение снизится до второго, нижнего, порогового напряжения Uпор2, как показано на графике. Таким образом на выходе устройства вновь устанавливается логический нуль.

Отличительной особенностью триггера Шмитта является наличие вот этих двух пороговых уровней. Именно ими обусловлен гистерезис срабатывания триггера Шмитта. Ширина петли гистерезиса устанавливается подбором резистора R3, правда не в очень больших пределах.

Дальнейшее вращение переменного резистора вниз по схеме формирует на входе устройства отрицательную полуволну синусоиды. Однако, входные диоды, установленные внутри микросхемы, просто замыкают отрицательную полуволну входного сигнала на общий провод. Поэтому на работу устройства отрицательный сигнал не воздействует.

Рисунок 6. Схема частотомера.

На рисунке 6 показана схема простейшего частотомера, выполненного всего на одной микросхеме К155ЛА3. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран триггер Шмитта, с устройством и работой которого мы только что познакомились. Остальные два элемента микросхемы использованы для построения формирователя измерительных импульсов. Дело в том, что длительность прямоугольных импульсов на выходе триггера Шмитта зависит от частоты измеряемого сигнала. В таком виде будет измеряться все что угодно, только не частота.

К уже знакомому нам триггеру Шмитта добавилось еще несколько элементов. На входе установлен конденсатор С1. Его задача пропустить на вход частотомера колебания звуковой частоты, ведь частотомер предназначен для работе именно в таком диапазоне, и преградить прохождение постоянной составляющей сигнала.

Диод VD1 предназначается для ограничения уровня положительной полуволны до уровня напряжения источника питания, а VD2 срезает отрицательные полуволны входного сигнала. В принципе с этой задачей вполне справится и внутренний защитный диод микросхемы, поэтому VD2 можно и не устанавливать. Поэтому входное напряжение такого частотомера находится в пределах 3…8 В. Для повышения чувствительности прибора на входе можно установить усилитель.

Импульсы положительной полярности, сформированные из входного сигнала триггером Шмитта, поступают на вход формирователя измерительных импульсов, выполненного на элементах DD1.3 и DD1.4.

При появлении на входе элемента DD1.3 напряжения низкого уровня он переключится в единицу. Поэтому через него и резистор R4 будет заряжаться один из конденсаторов С2…С4. При этом будет возрастать напряжение на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 и, в конце концов, достигнет высокого уровня. Но, не смотря на это, элемент DD1.4 остается в состоянии логической единицы, поскольку на его верхнем входе до сих пор присутствует логический нуль с выхода триггера Шмитта (DD1.2 выход 6). Поэтому через измерительный прибор РА1 протекает очень незначительный ток, стрелка прибора практически не отклоняется.

Появление на выходе триггера Шмитта логической единицы переключит элемент DD1.4 в состояние логического нуля. Поэтому через стрелочный прибор РА1 протекает ток ограниченный сопротивлением резисторов R5…R7.

Та же единица на выходе триггера Шмитта переключит в нулевое состояние элемент DD1.3. При этом конденсатор формирователя начинает разряжаться. Снижение напряжения на нем приведет к тому, что элемент DD1.4 снова установится в состояние логической единицы, тем самым, заканчивая формирование импульса низкого уровня. Положение измерительного импульса относительно измеряемого сигнала показано на рисунке 5г.

Для каждого предела измерения длительность измерительного импульса постоянна во всем диапазоне, поэтому угол отклонения стрелки микроамперметра зависит лишь от частоты следования этого самого измерительного импульса.

Для разных частот длительность измерительного импульса различна. Для более высоких частот измерительный импульс должен быть коротким, а для низких несколько большим. Поэтому для обеспечения измерений во всем диапазоне звуковых частот используются три времязадающих конденсатора С2…С4. При емкости конденсатора 0,2 мкф измеряются частоты 20…200 Гц, 0,02 мкф – 200…2000 Гц, а при емкости 2000 пФ 2…20 КГц.

Градуировку частотомера проще всего сделать при помощи звукового генератора, начиная с самого низкочастотного диапазона. Для этого надо подать на вход сигнал частотой 20 Гц и отметить на шкале положение стрелки.

После этого подать сигнал частотой 200 Гц, а вращением резистора R5 установить стрелку на последнее деление шкалы. Подавая частоты 30, 40, 50…190 Гц отметить положение стрелки на шкале. Аналогичным образом выполняется настройка и в остальных диапазонах. Возможно, что понадобится более точный подбор конденсаторов С3 и С4 чтобы начало шкалы совпало с отметкой 200 Гц в первом диапазоне.

На описаниях этих несложных конструкций позвольте закончить эту часть статьи. В следующей части будет рассказано о триггерах и счетчиках на их основе. Без этого рассказ о логических микросхемах будет неполным.

Борис Аладышкин

Продолжение статьи: Логические микросхемы. Часть 7. Триггеры. RS – триггер

Электронная книга – руководство про микроконтроллеры AVR для начинающих