Logické čipy. Časť 4

Po stretnutí v predchádzajúce časti článku s čipom K155LA3 sa pokúsime zistiť príklady jeho praktického použitia.

Zdalo by sa, že čo sa dá urobiť z jedného čipu? Samozrejme, nič vynikajúce. Mali by ste sa však pokúsiť zostaviť na tomto základe nejaký funkčný uzol. Pomôže to vizuálne pochopiť princíp činnosti a nastavenia. Jedným z týchto uzlov, ktoré sa v praxi často používa, je samoscilujúci multivibrátor.

Multivibrátorový obvod je zobrazený na obrázku la. Tento obvodový vzhľad je veľmi podobný klasickému multivibrátorovému obvodu s tranzistormi. Iba tu sa používajú aktívne prvky logické prvky mikročipy zahrnuté do invertorov. Za týmto účelom sú vstupné kolíky mikroobvodu spojené dohromady. kondenzátory C1 a C2 tvoria dva obvody pozitívnej spätnej väzby. Jeden obvod je vstup prvku DD1.1 - kondenzátor C1 - výstup prvku DD1.2. Druhý zo vstupu prvku DD1.2 cez kondenzátor C2 na výstup prvku DD1.1.

Vďaka týmto pripojeniam je obvod samočinne vzrušený, čo vedie k generovaniu impulzov. Perioda opakovania impulzov závisí od výkonu kondenzátorov v obvodoch spätnej väzby, ako aj od odporu rezistorov R1 a R2.

Na obrázku 1b je rovnaký obvod nakreslený tak, že je ešte viac podobný klasickej multivibrátorovej verzii s tranzistormi.

Obr. 1 Samoscilačný multivibrátor

Elektrické impulzy a ich charakteristiky

Až doteraz sme sa oboznámili s mikroobvodom, zaoberali sme sa jednosmerným prúdom, pretože vstupné signály počas experimentov boli dodávané manuálne pomocou jumpera. Výsledkom bolo, že na výstupe obvodu bolo konštantné napätie nízkej alebo vysokej úrovne. Takýto signál bol svojou povahou náhodný.

V multivibrátorovom obvode, ktorý sme zostavili, bude výstupné napätie pulzované, to znamená, že sa mení s určitou frekvenciou postupne z nízkej úrovne na vysokú a naopak. Takýto signál v rádiovom inžinierstve sa nazýva sled impulzov alebo jednoducho sled impulzov. Obrázok 2 zobrazuje niektoré druhy elektrických impulzov a ich parametre.

Úseky sledu impulzov, v ktorých napätie nadobúda vysokú úroveň, sa nazývajú vysokofrekvenčné impulzy a nízke napätie predstavuje pauzu medzi vysokofrekvenčnými impulzmi. Aj keď v skutočnosti je všetko relatívne: môžeme predpokladať, že impulzy sú nízke, čo bude zahŕňať napríklad akýkoľvek ovládač. Potom sa prestávka medzi impulzmi bude považovať iba za vysokú úroveň.

Obrázok 2. Pulzné sekvencie.

Jedným zo špeciálnych prípadov tvaru impulzu je meander. V tomto prípade sa trvanie impulzu rovná trvaniu pauzy. Na posúdenie pomeru trvania impulzu použite parameter nazývaný pracovný cyklus. Sadzba udáva, koľkokrát je doba opakovania impulzu dlhšia ako doba trvania impulzu.

Na obrázku 2 je perióda opakovania impulzov, rovnako ako kdekoľvek inde, označená písmenom T a doba trvania impulzu a doba prestávky sú ti a tp. Vo forme matematického vzorca sa pracovný cyklus vyjadrí takto: S = T / ti.

V dôsledku tohto pomeru sa pracovný cyklus impulzov „meandrov“ rovná dvom. Pojem meandr je v tomto prípade požičiavaný od konštrukcie a architektúry: jedná sa o jednu z metód murovania, vzor muriva sa podobá naznačenému sledu impulzov. Sekvencia impulzov meandrov je znázornená na obrázku 2a.

Spätná hodnota pracovného cyklu sa nazýva faktor plnenia a je označená písmenom D z anglického daňového cyklu. Podľa vyššie uvedeného D = 1 / S.

Po znalosti periódy opakovania impulzov je možné určiť rýchlosť opakovania, ktorá sa vypočíta podľa vzorca F = 1 / T.

Začiatok impulzu sa nazýva front a koniec, respektíve pokles. Obrázok 2b zobrazuje pozitívny impulz so záťažovým cyklom 4. Jeho predná časť začína od nízkej úrovne k vysokej. Taký front sa nazýva pozitívny alebo vzostupný. Preto pokles tohto impulzu, ako je vidieť na obrázku, bude negatívny a bude klesať.

Pri impulzoch nízkej úrovne bude čelo klesať a recesia sa bude zvyšovať. Táto situácia je znázornená na obrázku 2c.

Po takejto malej teoretickej príprave môžete začať experimentovať. Na zostavenie multivibrátora znázorneného na obrázku 1 stačí na mikroobvod už nainštalovaný na doštičku spájkovať dva kondenzátory a dva odpory. Na štúdium výstupných signálov môžete použiť skôr voltmeter, pokiaľ možno ukazovateľ, než digitálny. Toto už bolo spomenuté v predchádzajúcej časti článku.

Pred zapnutím montovaného obvodu musíte, samozrejme, skontrolovať, či nie sú nejaké skraty a či sú správne namontované v súlade s obvodom. Pri dimenziách kondenzátorov a odporov uvedených v diagrame sa napätie na výstupe z multivibrátora zmení z nízkej na vysokú maximálne tridsaťkrát za minútu. Ihla voltmetra pripojená napríklad k výstupu prvého prvku bude kmitať od nuly do takmer päť voltov.

To isté vidno, ak pripojíte voltmeter k inému výstupu: amplitúda a frekvencia odchýlok šípky bude rovnaká ako v prvom prípade. Nie je zbytočné, že sa taký multivibrátor často nazýva symetrický.

Ak teraz nie ste príliš leniví a paralelne s kondenzátormi pripojíte ďalší kondenzátor s rovnakou kapacitou, môžete vidieť, že šípka začala oscilovať dvakrát pomalšie. Frekvencia kmitania klesla o polovicu.

Ak teraz namiesto kondenzátorov, ako je to znázornené na diagrame, spájkovacie kondenzátory s nízkou kapacitou, napríklad 100 microfaradov, môžete si všimnúť iba zvýšenie frekvencie. Šípka zariadenia bude kolísať oveľa rýchlejšie, ale stále sú jeho pohyby stále dosť zreteľné.

A čo sa stane, ak zmeníte kapacitu iba jedného kondenzátora? Napríklad ponechajte jeden z kondenzátorov s kapacitou 500 mikrofarád a druhý nahraďte za 100 mikrofarád. Zvýšenie frekvencie bude zrejmé a šípka zariadenia navyše ukáže, že sa zmenil časový pomer impulzov a prestávok. Aj keď v tomto prípade bol multivibrátor podľa schémy stále symetrický.

Teraz sa pokúsime znížiť kapacitu kondenzátorov, napríklad 1 ... 5 mikrofarád. V tomto prípade multivibrátor vygeneruje zvukovú frekvenciu rádovo 500 ... 1000 Hz. Šípka zariadenia nebude môcť na takúto frekvenciu reagovať. Bude to jednoducho niekde uprostred stupnice, ukazujúci priemernú úroveň signálu.

Tu jednoducho nie je jasné, či pulzy dostatočne vysokej frekvencie skutočne idú, alebo „šedá“ úroveň na výstupe z mikroobvodu. Na rozlíšenie takéhoto signálu je potrebný osciloskop, ktorý nemá každý. Preto na overenie činnosti obvodu je možné pripojiť hlavové telefóny cez kondenzátor 0,1 μF a tento signál počuť.

Môžete skúsiť nahradiť ktorýkoľvek z rezistorov premennou približne rovnakou hodnotou. Potom sa počas rotácie frekvencia bude meniť v rámci určitých limitov, čo umožňuje jemné doladenie. V niektorých prípadoch je to potrebné.

Na rozdiel od toho, čo už bolo povedané, sa stáva, že multivibrátor je nestabilný alebo vôbec nezačína. Dôvodom tohto javu je skutočnosť, že vstup emitora mikroobvodov TTL je veľmi kritický pre hodnoty odporov inštalovaných v jeho obvode. Táto vlastnosť vstupu emitora je z nasledujúcich dôvodov.

Vstupný odpor je súčasťou jedného z ramien multivibrátora.V dôsledku emitorového prúdu sa na tomto odpore vytvára napätie, ktoré tranzistor uzatvára. Ak je odpor tohto odporu dosiahnutý do 2 ... 2,5 Kom, pokles napätia na ňom bude taký veľký, že tranzistor jednoducho prestane reagovať na vstupný signál.

Ak naopak urobíme odpor tohto odporu do 500 ... 700 Ohmov, tranzistor bude stále otvorený a nebude riadený vstupnými signálmi. Preto by sa tieto rezistory mali vyberať na základe týchto úvah v rozsahu 800 ... 2200 Ohmov. Toto je jediný spôsob, ako dosiahnuť stabilnú prevádzku multivibrátora zostaveného podľa tejto schémy.

Avšak taký multivibrátor je ovplyvňovaný faktormi, ako je teplota, nestabilita napájania a dokonca zmeny parametrov mikroobvodov. Mikročipy od rôznych výrobcov sa často veľmi líšia. To sa netýka iba 155. série, ale aj ostatných. Preto sa multivibrátor zostavený podľa takejto schémy prakticky používa zriedka.

Trojprvkový multivibrátor

Stabilnejší multivibrátorový obvod je znázornený na obrázku 3a. Skladá sa z troch logických prvkov, ktoré sú rovnako ako v predchádzajúcom zahrnuté invertormi. Ako je zrejmé z diagramu, v emitorových obvodoch logických prvkov práve uvedené rezistory nie sú. Frekvencia kmitania je špecifikovaná iba jedným reťazcom RC.

Obrázok 3. Multivibrátor na troch logických prvkoch.

Fungovanie tejto verzie multivibrátora je možné sledovať aj pomocou ukazovacieho zariadenia, ale kvôli prehľadnosti môžete zostaviť kaskádu ukazovateľov na LED na tej istej doske. Na tento účel potrebujete jeden tranzistor KT315, dva odpory a jednu LED. Indikátorová schéma je znázornená na obrázku 3b. Môže byť tiež spájkovaná na doštičku spolu s multivibrátorom.

Po zapnutí napájania začne multivibrátor kmitať, čo dokazuje záblesk LED. Pri hodnotách časovacieho reťazca uvedeného na diagrame je kmitočet kmitania asi 1 Hz. Na overenie toho stačí vypočítať počet kmitov za 1 minútu: malo by to byť asi šesťdesiat, čo zodpovedá 1 kmitaniu za sekundu. Podľa definície je to presne 1Hz.

Existujú dva spôsoby, ako zmeniť frekvenciu takého multivibrátora. Najskôr pripojte ďalší kondenzátor rovnakej kapacity paralelne s kondenzátorom. Blesky LED sa stali asi ojedinelé asi polovičné, čo naznačuje pokles frekvencie o polovicu.

Ďalším spôsobom, ako zmeniť frekvenciu, je zmena odporu rezistora. Najjednoduchším spôsobom je nainštalovať namiesto neho variabilný odpor s menovitou hodnotou 1,5 ... 1,8 Com. Keď sa tento rezistor otáča, bude kmitočet kmitania kolísať v rozmedzí 0,5 ... 20 Hz. Maximálna frekvencia sa získa v polohe variabilného odporu, keď sú závery mikroobvodu 1 a 8 uzavreté.

Ak napríklad zmeníte kondenzátor s kapacitou 1 mikrofarad, potom je možné pomocou rovnakého premenného odporu nastaviť frekvenciu v rozsahu 300 ... 10 000 Hz. Toto sú už frekvencie zvukového rozsahu, preto indikátor nepretržite svieti, preto nie je možné povedať, či sú alebo nie sú impulzy. Preto by ste, rovnako ako v predchádzajúcom prípade, mali používať hlavové telefóny pripojené k výstupu prostredníctvom kondenzátora 0,1 μF. Je lepšie, ak majú hlavové telefóny vysoký odpor.

Aby sme zvážili princíp fungovania multivibrátora s tromi prvkami, vráťme sa k jeho schéme. Po zapnutí napájania logické prvky nadobudnú určitý stav nie súčasne, čo je možné len predpokladať. Predpokladajme, že DD1.2 je na výstupe ako prvý na vysokej úrovni. Z jeho výstupu cez nenabitý kondenzátor Cl sa vysoké napätie prenáša na vstup prvku DD1.1, ktorý bude nastavený na nulu. Na vstupe prvku DD1.3 je vysoká úroveň, takže je tiež nastavená na nulu.

Tento stav zariadenia je však nestabilný: kondenzátor C1 sa postupne nabíja výstupom prvku DD1.3 a rezistora R1, čo vedie k postupnému znižovaniu napätia na vstupe DD1.1. Keď sa napätie na vstupe DD1.1 priblíži prahu, prepne sa do jednoty a podľa toho sa prvok DD1.2 na nulu.

V tomto stave sa kondenzátor Cl cez rezistor Rl a výstup prvku DD1.2 (v tomto okamihu jeho výstup je nízky) začne dobíjať z výstupu prvku DD1.3. Len čo sa kondenzátor nabíja, napätie na vstupe prvku DD1.1 prekročí prahovú úroveň, všetky prvky sa prepnú do opačných stavov. Na výstupe 8 prvku DD1.3, ktorý je výstupom multivibrátora, sa teda vytvárajú elektrické impulzy. Impulzy môžu byť tiež odstránené z kolíka 6 DD1.2.

Potom, čo sme prišli na to, ako získať impulzy v trojprvkovom multivibrátore, sa môžeme pokúsiť vyrobiť dvojprvkový obvod, ktorý je znázornený na obrázku 4.

Obrázok 4. Multivibrátor na dvoch logických prvkoch.

Aby sa to dosiahlo, výstup rezistora R1, priamo na obvode, je dostatočný na odpredaj od kolíka 8 a spájkovanie na kolík 1 prvku DD1.1. výstupom zariadenia bude výstup 6 prvku DD1.2. prvok DD1.3 už nie je potrebný a môže byť deaktivovaný napríklad pre použitie v iných obvodoch.

Princíp činnosti takého generátora impulzov sa líši od toho, čo sa práve zvažovalo. Predpokladajme, že výstup prvku DD1.1 je vysoký, potom je prvok DD1.2 v nulovom stave, čo umožňuje nabíjanie kondenzátora C1 cez odpor a výstup prvku DD1.2. Keď sa kondenzátor nabíja, napätie na vstupe prvku DD1.1 dosiahne prahovú hodnotu, oba prvky sa prepnú do opačného stavu. Toto umožní kondenzátoru dobíjať sa cez výstupný obvod druhého prvku, odpor a vstupný obvod prvého prvku. Keď sa napätie na vstupe prvého prvku zníži na prah, oba prvky prejdú do opačného stavu.

Ako je uvedené vyššie, niektoré prípady mikroobvodov v generátorových obvodoch sú nestabilné, čo môže závisieť nielen od konkrétneho prípadu, ale aj od výrobcu mikroobvodu. Preto, ak sa generátor nespustí, je možné medzi vstup prvého prvku a „zem“ pripojiť odpor s odporom 1,2 ... 2,0 Com. Vytvára vstupné napätie blízko prahu, čo uľahčuje uvedenie do prevádzky a skutočnú prevádzku generátora.

Takéto varianty generátorov v digitálnej technológii sa používajú veľmi často. V nasledujúcich častiach výrobku sa budú zvažovať relatívne jednoduché zariadenia zostavené na základe uvažovaných generátorov. Najprv by sa však mala zvážiť ďalšia možnosť multivibrátora - jeden vibrátor alebo monovibrátor iným spôsobom. Príbehom o ňom začíname ďalšiu časť článku.

Boris Aladyshkin

Pokračovanie článku: Logické čipy. Časť 5