PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI cz. 18
advertisement
Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie PRAKTYCZNY KURS cz. 18 ELEKTRONIKI To przeło w naszym kursie. Zakończyliśmy kurs układów analogowych i teraz zaczynamy kurs układów cyfrowych. Oto osiemnasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się umożliwić Czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi Czytelnicy mogli zapoznać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY! Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalna okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika „Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „Młodym Techniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początkujących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcentem na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektu i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt to konkretny układ elektroniczny samodzielnie montowany i uruchamiany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie, ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicy ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie! Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie układy będą montowane na płytce stykowej, do której wkłada się „nóżki” elementów na wcisk. I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przygotowało zestaw EdW09, zawierający płytkę stykową i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw EdW09 można kupić w sklepie internetowym www.sklep.avt.pl lub w sklepie firmowym AVT (Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł. Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zestaw za darmo, jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres: [email protected] dwa zdania: „Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................” Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 lipca 2014 r., to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie sierpnia 2014 r., wraz z wrześniowym numerem MT. Uwaga uczniowie! Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne PS EdW09, zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy z nich zawiera komplet elementów z płytką stykową), skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnej cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z rabatem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09, którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promocyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09 do ćwiczeń praktycznych. 90 P O C Z ĄT E K WKI C Y F RmoÓ wy moment m.technik - www.mt.com.pl Zestaw EdW09 zawiera następujące elementy (specyfikacja rodzajowa): 1. Diody prostownicze 4 szt. 2. Układy scalone 4 szt. 3. Tranzystory 8 szt. 4. Fotorezystor 1 szt. 5. Przekaźnik 1 szt. 6. Kondensatory 22 szt. 7. Mikrofon 1 szt. 8. Diody LED 11 szt. 9. Przewód 1m 10. Mikroswitch 2 szt. 11. Piezo z generatorem 1 szt. 12. Rezystory 64 szt. 13. Srebrzanka 1 odcinek 14. Zatrzask do baterii 9V 1 szt. 15. Płytka stykowa prototypowa 840 pól stykowych 1 szt. Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto (www.sklep.avt.pl) Uwaga Szkoły Tylko dla szkół prenumerujących „Młodego Technika” przygotowano Pakiety Szkolne zawierające 10 zestawów EdW09 (PS EdW09) w promocyjnej cenie 280 zł brutto, tj. z rabatem 40%. Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr Górecki, redaktor naczelny kultowego w świecie hobbystów – elektroników miesięcznika „Elektronika dla Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułów i książek uczących elektroniki od podstaw. PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI Projekt 18 Cyfrowa tęcza świetlna W wykładzie 18 zaczynamy badać i wykorzystywać cyfrowe układy scalone. Zaczynamy od układów najprostszych. Fotografia tytułowa pokazuje cyfrową tęczę świetlną. Wszystkie diody świecące z zestawu EdW09, czyli dziesięć pojedynczych diod LED i trójkolorowa dioda RGB, sterowane są przez kilka prostych generatorów i kilka bramek logicznych. Diody migoczą w niepowtarzalnym rytmie, wytwarzając przy poruszaniu efekt świetlny, po części widoczny na fotografii A. Podobną tęczową wstęgę realizowaliśmy w wykładzie 3, ale miała ona tylko sześć diod LED, a układ sterujący zawierał zdecydowanie więcej elementów. Teraz wykorzystaliśmy cyfrowe (logiczne) układy scalone, co znakomicie uprościło układ sterujący i dało jeszcze lepszy, zdecydowanie bogatszy efekt. Schemat ideowy cyfrowej tęczy świetlnej pokazany jest na rysunku B. Zwróć uwagę, że na schematach układów cyfrowych inaczej oznaczamy obwody zasilania. Nie zapomnij o podłączeniu nóżek 14 obu układów scalonych do plusa zasilania (VDD), a nóżek 7 do masy (minusa zasilania – VSS). W Elportalu (www.elportal/pke) można znaleźć filmiki, pokazujące pracę układu z fotografii tytułowej. Opis układu dla „zaawansowanych” A Tęczę świetlną tworzy 13 świecących struktur, zawartych w 11 diodach LED. Anody wszystkich diod są dołączone wprost do dodatniej szyny zasilania (VDD). Rezystory szeregowe R11...R25 ograniczają ich prąd. Ja zastosowałem różne wartości rezystorów ograniczających, ponieważ skuteczność świetlna poszczególnych diod zawartych w moim zestawie znacznie się różni. U mnie 91 Na warsztacie + SZKOŁA VDD VDD R1 10k 8 13 11 12 9 U1D U1A R3 1M A C U1C B G B 12 D U2F C7 100nF C5 1µF R5 220k E 5 U2D C6 100nF U2C 3 10 11 5 E 4 6 4 R6 1M K M J H D F R10 22k M C T2 BC548 L K F G A H R7 470k 6 J L R9 22k C U2B VDD U1B E R4 10k 13 VDD 8 10 VDD C4 10µF C3 1µF 9 D + C 3 2 + Poziom tekstu: średnio trudny 1 U2E C2 100nF R2 1M C1 10µF F 1 C8 100nF U2A 2 H G J R11 47k LED1 R12 2,2k R13 1k LED2 R14 1k LED3 R15 2,2k LED4 R16 10k LED5 (RGB) R17 10k R18 10k R19 47k LED6 R20 2,2k LED7 R21 1k R22 1k R23 47k R24 2,2k R25 47k LED8 LED9 LED10 LED11 B R8 2,2M najmniej skuteczne były pojedyncze diody żółte, zielone i czerwone – dlatego współpracują z nimi rezystancje ograniczające o małej wartości 2...2,2 kΩ. Dużo jaśniej świecą struktury trójkolorowej diody LED RGB – tu jako ograniczniki pracują rezystory 10-kiloomowe. Najskuteczniejsze są diody niebieskie i białe – ich prąd ograniczają rezystory 47 kΩ. W układzie tęczy świetlnej pracuje osiem generatorów, wyróżnionych różową podkładką. Mamy tu najprostsze generatory, zbudowane z użyciem tylko jednego rezystora i kondensatora na bramkach (U1D, U1A) i inwerterach (U2A, U2B, U2C, U2D, U2F). Generator na bramce U1C jest sterowany przez generator U1D. Częstotliwości poszczególnych generatorów nie są synchronizowane, przez co wytwarzana sekwencja błysków jest niepowtarzalna. Większość diod LED sterowana jest bezpośrednio z wyjść generatorów. Jednak niektóre diody sterowane są za pośrednictwem bramek i inwertera, wyróżnionych jasnoniebieską podkładką. Rozszerza to możliwości tworzenia specyficznych wzorów świetlnych. Na rysunku C pokazane jest, że pojedynczy tranzystor z rezystorem w obwodzie bazy może pełnić funkcję podobną jak połączenie bramki NAND i negatora. Na rysunku B fioletowe litery wskazują, jak połączone są generatory, bramki i diody LED w moim modelu. Ty też możesz je tak połączyć. Pomocą w montażu będzie wtedy fotografia tytułowa. Jednak połączenia mogą być zupełnie inne. Możesz niemal dowolnie, według swojego uznania, połączyć diody LED do punktów A...M. Możesz też podać inne sygnały na wejścia bramek (wyróżnione ciemniejszym niebieskim paskiem). Zwróć tylko uwagę na obciążenie wyjść generatorów – do jednego wyjścia (A...H, L, M) mogą być dołączone dwie diody LED, ale tylko jedna z nich może mieć rezystor ograniczający 2 kΩ...2,2 kΩ. Jeżeli do jednego wyjścia dołączysz dwie diody z rezystorami o tak małej wartości, generator może nie pracować prawidłowo z uwagi na nadmierne obciążenie. Możesz też niemal dowolnie zmieniać wartości elementów RC w generatorach, by uzyskać inne częstotliwości pracy. Mój model podczas pracy przy zasilaniu napięciem 9 V pobiera średnio około 11 mA prądu. Można zwiększyć wartości rezystorów ograniczających prąd diod LED (zamiast 1 kΩ i 2,2 kΩ zastoX A sować 2,2 kΩ i 4,7 kΩ), by układ pobierał mniej prądu. X NAND Efekt uzyskiwany w ciemności też będzie dobry. B A Zachęcam Cię, żebyś po zapoznaniu się z treścią B całego wykładu 18 wprowadził w układzie jeszcze ≈ 92 m.technik - www.mt.com.pl C PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI inne modyfikacje. Możesz zastosować generator dwubramkowy, możesz zmieniać współczynniki wypełnienia przebiegów, dodając diody. Możesz dodać inne bramki, zrealizowane na tranzystorach i diodach. Możliwości jest mnóstwo! Zachęcam do eksperymentów! Poznajemy elementy i układy elektroniczne Do tej pory w ramach PKE zajmowaliśmy się tak zwaną techniką analogową. Począwszy od wykładu 18 zaczynamy zajmować się techniką cyfrową. Według powszechnej opinii technika cyfrowa jest znacznie łatwiejsza od analogowej. Wielu elektroników zaczyna od „cyfrówki” i pomija technikę analogową. Okazuje się to dużym błędem – tacy „cyfrowi elektronicy” nie rozumieją ważnych zagadnień podstawowych i popełniają wiele błędów. Choć obecnie dominują układy cyfrowe, nieprzypadkowo zaczęliśmy kurs PKE od techniki analogowej. A teraz w wielkim skrócie omówimy podstawowe zagadnienia techniki cyfrowej. Ponieważ jest to ogromna dziedzina elektroniki, z konieczności nie omówimy wszystkiego. Zrealizujemy dwa wątki: jeden praktyczny, w którym będziemy realizować ćwiczenia oraz budować interesujące i pożyteczne układy. Natomiast w drugim wątku zapoznam Cię z grubsza z techniką cyfrową. Będzie to ogólny obraz kluczowych zagadnień i problemów. Dojdziemy do układów PLD i mikroprocesorów, ale w ramach PKE eksperymentować z nimi nie będziemy (jeżeli odpowiednio duża liczba Czytelników wyrazi takie życzenie, możemy też przedstawić w „EdW” i „Młodym Techniku” oddzielny kurs, dotyczący mikroprocesorów). W ramach najbliższych kilku wykładów PKE możesz w praktyczny sposób, solidnie poznać podstawy techniki cyfrowej. Wyposażony w taką wiedzę i umiejętności będziesz mógł samodzielnie budować rozmaite układy cyfrowe i zdo+UZAS a) b) NOT bywać dalsze informacje. X stan A wysoki – jedynka logiczna H (1) 1 2 3 R2 1k X + 1 0 1 0 1 0 Zaczynamy! Już na początku wykładu 3 rozważaliśmy pracę tranzystora jako 10k T1 przełącznika, gdy wykorzystuje1 0 0 npn my tylko stan zatkania i nasycenia, a zakres pracy liniowej nas praktycznie nie interesuje. Już A tam wspomnieliśmy, że w takich układach „przełącznikowych” A napięcie bliskie pełnemu napięciu zasilania to stan logiczny X B X wysoki, oznaczany zwykle literą H (High), ale często też cyfrą B C 1 (jedynka logiczna – jest napięcie). Natomiast napięcie bliskie R zeru, czyli potencjałowi masy, to stan logiczny niski, oznaczany D albo literą L (Low), albo cyfrą 0 (zero logiczne – brak napięcia). OR Powiedzieliśmy, że tranzystor pracujący według rysunku 1a R A X jest inwerterem, czyli układem odwracającym (stan logiczny). Symbol inwertera pokazany jest na rysunku 1b. Inwerter realiB OR zuje bodaj najprostszą funkcję logiczną: negację (zaprzeczenie), ABX A czyli zmienia stan logiczny na przeciwny, dlatego jest też często 0 0 0 B 0 1 1 nazywany negatorem. W literaturze inwertery nazywane są C 1 0 1 D funktorami NOT (od angielskiego NIE). Kółeczko na graficznym 1 1 1 symbolu oznacza negację. +UZAS +UZAS Oprócz inwerterów, czyli negatorów, bardzo pożyteczne okazują się też układy elektroniczne, realizujące inne funkcje R logiczne. Rysunek 2 pokazuje bardzo prostą realizację funkcji R sumy logicznej OR (angielskie LUB) w wersji z dwoma i czteX rema wejściami oraz odpowiadające im symbole. Idea jest A A X dziecinnie prosta: wystarczy, by stan wysoki H pojawił się przyB B najmniej na jednym wejściu, a na wyjściu też pojawi się stan wysoki. Rysunek 3 pokazuje podobnie prostą realizację funkcji C AND iloczynu logicznego AND (angielskie I) – aby na wyjściu pojawił A X D się stan wysoki, stany wysokie muszą pojawić się na wszystkich B wejściach. Bardziej pożyteczne okazują się układy, realizujące AND ABX dodatkowo funkcję negacji NOR (NOT+OR), a w praktyce jeszA 0 0 0 B cze bardziej NAND (NOT + AND), co można byłoby zrealizo0 1 0 C 1 0 0 wać na przykład według rysunku 4. Tak zwane tabele prawdy D 1 1 1 podstawowych bramek pokazane są w tabeli 1. A L (0) stan niski 1 0 1 – zero logiczne R1 B tabela prawdy A X 0 1 1 0 93 Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie Układy takie nazywamy bramkami, a nazwa związana jest z tym, że bramka może być otwarta lub zamknięta, czyli przepuszczać (sygnały) lub nie przepuszczać. W zasadzie bramkowanie realizują elementy AND i NAND. Ale co istotne (i dziwne dla początkujących), każda z bramek OR, NOR oraz AND, NAND w praktyce może realizować funkcję iloczynu logicznego (bramkowania), ewentualnie sumy logicznej. Na przykładzie bramek AND i OR pokazuje to rysunek 5. Podobnie jest z bramkami NOR i NAND. Ta sama bramka może pełnić funkcję OR oraz AND (NOR oraz NAND), co też sygnalizuje rysunek 5. Bramki z negacją (NOR, NAND) są zdecydowanie bardziej uniwersalne: mając wystarczająco dużą liczbę tylko jednego rodzaju bramek NOR albo NAND, moglibyśmy zrealizować dowolnie skomplikowany układ logiczny, na przykład potężny superkomputer. W praktyce inwertery, bramki i inne układy logiczne realizuje się inaczej niż na dotychczasowych rysunkach. Wszystkie współczesne układy logiczne są realizowane jako układy CMOS (Complementary MOS), to znaczy zbudowane są z komplementarnych tranzystorów MOSFET według idei z rysunku 6. NMOS, czyli MOSFET N, działa podobnie jak tranzystor NPN: otwierany jest dodatnim napięciem sterującym, natomiast PMOS – jak tranzystor PNP. Co istotne, obwód wejściowy tych tranzystorów i bramek CMOS jest w sumie kondensatorem o maleńkiej pojemności i w spoczynku nie pobiera prądu. Gdy na wejściu A jest stan wysoki H, dolny tranzystor T2 typu NMOS jest otA B Wyjście AND NAND OR 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 Wejścia A B 0 0 1 0 1 0 1 1 +UZAS A NOR 1 0 0 0 +UZAS X B X NAND NOR A A X AND ABX 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 ABX 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 X B A A bramka B zamknięta bramka otwarta bramka zamknięta bramka otwarta nie przepuszcza przepuszcza ujemne impulsy B X X nie przepuszcza przepuszcza dodatnie impulsy realizowana jest funkcja iloczynu logicznego bramka AND sumuje ujemne impulsy realizowana jest funkcja sumy logicznej realizowana jest funkcja iloczynu logicznego bramka OR sumuje ujemne impulsy realizowana jest funkcja sumy logicznej m.technik - www.mt.com.pl 5 stan niski stan wysoki warty i wyjście jest dołączone do masy przez rezystancję otwartego tranzystora T2. Górny tranzystor T1 typu PMOS jest zatkany. Gdy na wejściu jest stan niski, tranzystor T2 jest zatkany, T1 – otwarty i wyjście jest dołączone do dodatniej szyny zasilania przez rezystancję otwartego tranzystora T1. Co ważne, w obu „czystych” stanach logicznych sam inwerter nie pobiera prądu ze źródła zasilania, bo jeden z tranzystorów jest zatkany. b) c) a) d) e) +UZAS Przez inwerter +UZAS +UZAS +UZAS VDD +UZAS RH płynie prąd podT1 T1 R A T1 czas przełączania, PMOS X zatkany przewodzi H gdy napięcie wejX 1 A X X X ściowe przyjmuje H 1 L 0 0 pośrednie wartoT2 T2 T2 L RH <RH ści, „w okolicach” NMOS przewodzi A zatkany połowy napięcia zasilania. 94 4 OR A X X B B 6 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI a) VDD P b) VDD c) NOT P A X A B N A A B B X X NAND VSS A A X B VSS X B NAND NOR NOR A X B NOT X NAND B AND NOT X B A = A X B N 7 d) AND NOT = A NOT X B OR NOT NOR +5V Wejście bramki CMOS w spoczynku nie pobiera prądu, ale występuje tam niewielka pojemność wejściowa obu tranzystorów, rzędu 5...10 pF. Można też przyjąć w pierwszym uproszczeniu, że wyjście bramki CMOS to A przełącznik i rezystor według uproszczonego rysunku 6d (w rzeczywistości rezystancje otwartych kanałów nie są równe – dolny ma mniejszą rezystanB cję – rysunek 6e). schemat X zastępczy Dziś można kupić układy logiczne (ogólnie: układy cyfrowe), w tym bramki NAND bramki, produkowane w postaci układów scalonych. Istnieje wiele rodzin 7400 układów scalonych, a my wykorzystujemy układy rodziny CMOS 4000, R4 NAND pierwszej rodziny CMOS, jaka pojawiła się na rynku (firma RCA rok 1968). A X 1k Według rysunku 6a zbudowane są tylko układy 4069U, zawierające sześć B takich dwutranzystorowych inwerterów. Inwertery w układach 4069B mają nieco bardziej skomplikowaną budowę, bowiem każdy składa się z trzech takich samych stopni, czyli z sześciu tranzystorów. W naszym zestawie EdW09 mamy układ scalony 40106, który też zawiera sześć inwerterów, ale o jeszcze bardziej skomplikowanej budowie wewnętrznej, zapewniającej histerezę. Jeśli chodzi o bramki, to rysunki 7a i 7b pokazują budowę dwuwejściowych bramek NAND i NOR najprostszych, niebuforowanych, które dziś są rzadkością. Obecnie wykorzystujemy bramki buforowane. Rysunek 7c pokazuje budowę buforowanej bramki NOR – na wejściach i wyjściu umieszczone są stopnie buforujące (inwertery). Zwróć uwagę, że bramki NAND i NOR z rysunków 7a i 7b są bardzo podobne, w pewnym sensie „odwrotne”. Nie jest przypadkiem, że bramka NOR z rysunku 7c zawiera w sobie bramkę NAND z rysunku 7a. Już rysunek 5 zasygnalizował, że ta sama bramka może realizować logiczną funkcję OR bądź AND (NOR/NAND). Nie będziemy komplikować sprawy pojęciem omawianej w podręcznikach logiki ujemnej i praw de Morgana. Rysunek 7d jest ilustracją praw de Morgana i wyjaśnia związek rysunków 7b i 7c – dociekliwi szczegóły mogą znaleźć w podręcznikach i w Internecie. A my pozostajemy przy zagadnieniach praktycznych. Otóż trzeba koniecznie wiedzieć, że oprócz wykorzystywanej przez nas rodziny CMOS4000 istnieje inna, wcześniejsza i potężniejsza rodzina 74 cyfrowych układów scalonych, zapoczątkowana przez koncern Texas Instruments w połowie lat 60. XX wieku układem 7400. Rysunek 8 pokazuje nieco dziwny schemat wewnętrzny bramki NAND z kostki 7400 pierwotnej rodziny TTL (Transistor Transistor Logic), zasilanej napięciem +5 V. Wadą układów z tej podstawowej rodziny 74 był duży pobór prądu, także w spoczynku. Z czasem powstało wiele rodzin pokrewnych, między innymi mniej prądożerne 74L, szybsze 74H, 74S i wreszcie ulepszone 74LS i 74ALS. Wszystkie były zrealizowane z tranzystorów bipolarnych. Potem opracowano znacznie lepsze odpowiedniki o tych samych funkcjach, zbudowane z tranzystorów CMOS, mające ten sam układ wyprowadzeń, między innymi rodziny 74C, 74HC, 74HCT i szybsze 74AC, 74ACT oraz wiele innych. Do dziś popularne i powszechnie dostępne są układy 74HC, przeznaczone do zasilania napięciem 3...6 V. Na marginesie można wspomnieć, że od lat dostępna była też rodzina bardzo szybkich bipolarnych układów cyfrowych ECL, bardzo rzadko wykorzystywana przez hobbystów. Dziś bezwzględnie dominują układy cyfrowe CMOS, ale nie rodziny CMOS4000. Oprócz CMOS4000 i wielu rodzin CMOS wywodzących się od TTL 74, dostępne są też inne układy cyfrowe, w szczególności wiele grup mikroprocesorów od licznych producentów. Praktycznie wszystkie R1 4k 8 R2 1k6 R3 130 95 40106, 4584, 7414, 74HC14 4069, 4069U, 7404, 74HC04 mikroprocesory to też układy inwertery z wejściem Schmitta inwertery „zwykłe” CMOS, czyli zbudowane z komVDD VDD plementarnych tranzystorów VCC VCC 9 9 8 8 14 13 12 11 10 14 13 12 11 10 MOSFET według rysunku 6a. Jedną z kluczowych różnic, przynajmniej dla początkujących, między rozmaitymi rodzinami układów cyfrowych, jest zakres 5 6 5 6 3 3 1 2 4 7 1 2 4 7 napięć zasilania. Wykorzystywane VSS VSS przez nas stare i nadal popularne GND GND układy rodziny CMOS 4000 mają 4093 – NAND 74132, 74HC132 – NAND bardzo szeroki zakres napięć z wejściami Schmitta z wejściami Schmitta VDD VCC zasilania: 3...15 V. W praktyce 9 9 8 8 14 13 12 11 10 14 13 12 11 10 pracują też przy napięciu zasilania poniżej 3 V, a układy niektórych producentów mają maksymalne napięcie zasilania aż 20 V. Natomiast cyfrowe układy TTL 5 6 5 6 3 3 1 2 4 7 1 2 4 7 serii 74 i pokrewnych zasilane VSS GND były „standardowym” napięciem 7400, 74HC00 4011 – NAND „zwykłe” 5 V±10%, czyli 4,5...5,5 V. Dla NAND „zwykłe” VDD VCC popularnej do dziś serii 74HC 9 9 8 8 14 13 12 11 10 14 13 12 11 10 zalecany zakres napięć zasilania to 3...6 V. Obecnie obserwujemy tendencję zmniejszania wartości napięcia zasilania, nawet do 1,5 V i niżej. Na przykład rodzi5 6 5 6 3 3 1 2 4 7 1 2 4 7 ny 74AUC i 74AUP mają zakres VSS GND napięć zasilania 0,8 V...2,7 V, a 74AXP 0,7 V...2,75 V. Układy scalone wykorzystywanej przez nas rodziny 4000 o identycznych funkcjach jak rodziny 74, oprócz innego zakresu napięć zasilania, zwykle mają odmienny rozkład wyprowadzeń. Tylko nieliczne układy rodzin 4000 i 74 mają identyczne funkcje i taki sam rozkład wyprowadzeń, na przykład inwertery 4069 i 7404 oraz 40106, 4584 NC = Not Connected – końcówka niepodłączona i 74HC14. Przykłady na NC NC NC NC rysunku 9. 16 15 14 13 12 11 10 16 15 14 13 12 11 10 9 9 Warto dodać, że produkowane są też tak zwane bufory, podobne do negatorów. W zasadzie nie pełnią one żadnej funkcji 5 6 5 6 3 3 1 2 4 7 1 2 4 7 8 8 logicznej (powtarzają na VSS VSS VDD VDD wyjściu logiczny sygnał 4049 – „zwykłe” negatory 4050 – „zwykłe” bufory wejściowy), ale bywają o zwiększonym prądzie wyjść przydatne w praktyce, jak a) 15 b) 15 na przykład kostka 4050. VCC VCC Bufory 4050 oraz negatory = 15V = 15V 4049 nie mają na wejściach obwodów histerezy i choć 10 10 pochodzą z rodziny 4000, mają znacznie zwiększoną wydajność prądową wyjść 5 5 oraz inny rozkład wyprowadzeń, w tym końcówek zasilania, niż negatory 4069 i 40106 – rysunek 10. 5 15 0 10 W układach CMOS4000, 5 15 0 10 Napięcie wejściowe [V] Napięcie wejściowe [V] w większości układów Napięcie wyjściowe [V] + 96 m.technik - www.mt.com.pl + + + + + + 9 + - Napięcie wyjściowe [V] Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie ! PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI Napięcie wyjściowe [V] 15 VCC = 15V 10 @ 5 0 a) 5 15 10 Napięcie wejściowe [V] rodziny 74 oraz w wielu innych układach scalonych wyprowadzenia zasilania umieszczone są „po przekątnej”, a końcówka o najwyższym numerze to „plus zasilania”. Można przyjąć, że typowe wejście CMOS traktuje napięcia mniejsze od połowy napięcia zasilania jako stan niski, a większe – jako stan wysoki. Z uwagi na niedoskonałość technologii występują rozrzuty między egzemplarzami, w praktyce próg przełączania wynosi 40...60% napięcia zasilania, a teoretycznie może nawet wynosić 30...70% Uzas. W idealnym przypadku charakterystyka przełączania „zwykłego” inwertera, np. z kostki 4069B, byłaby taka, jak na rysunku 11a. Z uwagi na rozrzut parametrów, charakterystyka zmieści się w obszarze pokazanym na rysunku 11b. My w zestawie EdW09 mamy inwertery z wejściami b) VCC VCC # $ % R1 * czułość + + FR C1 D1 100µF 1N4148 1/6 40106 R2 4,7k C1 100µF REL T1 BC548 FR R1 * czułość R2 1M C1 1µF 1 D1 1N4148 2 U1A 40106 R3 4,7k REL T1 BC548 Schmitta z kostki 40106, gdzie występuje histereza, czyli mamy dwa progi przełączania: górny przy wzroście napięcia i dolny przy zmniejszaniu się napięcia. Ilustruje to w uproszczeniu rysunek 12. Jeżeli chodzi o praktyczne realizacje, to na początek możemy wykorzystać bodaj najprostszy wyłącznik zmierzchowy według rysunku 13a. Inwertery kostki 40106 mają wbudowane na wejściu obwody zapewniające histerezę, dlatego nie boją się „śmieci na wejściu” i wyłącznik zmierzchowy może być aż tak bardzo prosty – próg zadziałania wyznacza wartość rezystora R1 (większa rezystancja powoduje, że przekaźnik zadziała przy słabszym świetle). Jeżeli potrzebne byłoby zmniejszenie wrażliwości na silne zakłócenia impulsowe lub szybkie zmiany jasności (np. błyskawice podczas burzy), na wejściu można dodać obwód filtrujący R2, C1 według rysunku 13b. Uwaga 1. Na schematach z reguły nie zaznacza się w ogóle końcówek zasilania układów cyfrowych. Trzeba jednak pamiętać, żeby zawsze podłączać te końcówki. R1 100k (2,2k...1M) Uwaga 2. Niewykorzystane wejścia układów CMOS nie mogą pozostać niepodłączone – należy je podłączyć albo do masy, albo do plusa zasilania, ewentualnie do jakiegoś wyjścia. Pozostawienie wejść niepodłączonych, czyli A X „wiszących w powietrzu” grozi w najlepszym przypadku zwiększeniem poboru prądu, w najgorszym – błędnym działaniem układu; do tej kwestii jeszcze C1 będziemy wracać. 100nF Fotografia 14 pokazuje mój model – zwróć uwagę, że wszystkie nieużywane (0nF...100µF) wejścia zostały podłączone albo do masy, albo do plusa zasilana. 97 Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA Na warsztacie Ponieważ inwertery kostki 40106 i bramki 4093 mają na wejściach wbudowane obwody zapewniające histerezę, można na nich zrealizować najprostsze generatory według rysunku 15. Po włączeniu zasilania kondensator C1 jest rozładowany, napięcie na nim i na wejściu A jest równe zeru. Jest to stan niski, więc na wyjściu X panuje stan wysoki i kondensator ładuje się prądem płynącym przez rezystor R1. Gdy napięcie na kondensatorze dojdzie do górnego progu przełączania wejścia A, stan wyjścia zmieni się na niski i kondensator zacznie się rozładowywać. Gdy napięcie spadnie do dolnego progu przełączania, stan wyjścia zmieni się na wysoki, kondensator znów zacznie się ładować i zacznie się kolejny cykl. Rysunek 16, zrzut z ekranu oscyloskopu, pokazuje przebiegi w punktach A (czerwony), X (niebieski) zmontowanego przeze mnie modelu z elementami R=100 kΩ i C=100 nF – fotografia 17. Co ciekawe, taki generator może z powodzeniem pracować także bez ^ & * a) a) H – praca A 4093 R1 L – spoczynek B zwykły inwerter b) zwykły inwerter R1 R2 + 98 we G= wzmacniacz operacyjny C1 R2 wy dwa zwykłe inwertery R1 R2 b) A R1 4093 X wy B R1 wy we ( R1 G≈ R2 wy R1 we c) R1 R2 X wy R1 ) we m.technik - www.mt.com.pl R2 wy bufor nieodwracający (np. 4050) R2 C1 q PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI kondensatora C1! Rysunek 18 pokazuje przebieg na wyjściu (niebieski) i w punkcie A (czerwony) przy C1=0, gdy R1 wynosi 100 kΩ oraz 2,2 kΩ. Wytwarzany wtedy przebieg ma dużą częstotliwość, nawet ponad 5 MHz. W rzeczywistości pojemność nie jest równa zeru, tylko jest sumą pojemności montażowych oraz wewnętrznej pojemności wejścia inwertera (około 5...10 pF), a dodatkowe znaczenie mają opóźnienia wewnątrz inwertera – do tych zagadnień jeszcze wrócimy. Praca w roli generatora jest możliwa z uwagi na histerezę na wejściu. Nie da się natomiast w ten sposób zrealizować w e a) R2 10...100k R1=2,2k...1M b) NAND H - praca R1 C1 1nF...1µF NAND L - spoczynek R2 c) NOR L - praca R1 C1 NOR H - spoczynek R2 r R1 C1 t y 99 Na warsztacie VCC Poziom tekstu: średnio trudny SZKOŁA + 11 10 generatorów na jednym zwykłym inwerterze C2 z kostki 4069, 4049 czy 7404. W takich układach 100µF U1E U1F U1A włączenie rezystora między wejściem a wyj12 9 R2 R1 8 13 1 2 ściem oznacza wprowadzenie ujemnego sprzężenia zwrotnego. W układzie z rysunku 19a U1D D1 na wejściu i wyjściu ustawi się napięcie stałe D2 5 6 RS zbliżone do połowy napięcia zasilania, równe 10...100k U1C wy napięciu progowemu (przełączania) tej bramki. R2 R1 Dodanie jeszcze jednego rezystora według ryC1 3 4 sunku 19b pozwala zrealizować... wzmacniacz R1, R2 = 2,2k...1MΩ U1B odwracający, niedosko1nF...1µF nały odpowiednik znanego nam już wzmacniacza odwracającego według rysunku 19c. Proste wzmacniacze według rysunku 19b są wykorzystywane bardzo rzadko. Nie zbadamy ich zalet i wad, ponieważ w zestawie EdW09 mamy tylko bardziej skomplikowane bramki z histerezą na wejściu. A na marginesie: z dwóch „zwykłych” inwerterów lub jednego bufora można zbudować układ Schmitta z histerezą według rysunku 20, gdzie progi przełączania są wyznaczone przez stosunek wartości rezystorów. Wracamy do najprostszych generatorów, które często są realizowane w wersji z wejściem sterującym na bramce NAND z wejściami Schmitta według rysunku 21a. Gdy na wejściu sterującym A panuje stan niski, na wyjściu X i w punkcie B jest stan wysoki, generator nie pracuje i wcale nie pobiera prądu. Co istotne, kondensator C1 jest naładowany, co jest korzystne, gdy miałby to być kondensator elektrolityczny (pozostając pod napięciem, jest zaformowany, nie traci pojemności i ma znikomy prąd upływu). Takie generatory można też realizować z diodami według rysunku 21b. Dwie rezystancje niezależnie określają czasy ładowania i rozładowania kondensatora, co zmienia nachylenie zboczy „trójkąta” w punkcie B i wypełnienie przebieR6 2,2k gu na wyjściu X. R5 2,2k Na pozór takie generatory z jednym inR4 2,2k werterem „ze szmitem” 10 8 12 są bardzo atrakcyjne, U1E U1D jednak ich poważną U1F wadą jest mała stabilU1B 11 U1A ność częstotliwości. 9 13 R2 R1 Pochodzący z katalogu 3 1 4 2 kostki CD40106 rysu1M 1M nek 22 przedstawia C1 100n możliwy rozrzut napięć C2 100n progowych i szerokości 5 6 histerezy tych inwerR3 1M terów. Z uwagi na tak U1C C3 100n duży rozrzut między 100 m.technik - www.mt.com.pl u i o PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI p egzemplarzami, nie sposób obliczyć częstotliwości pracy. Natomiast w pierwszym, zgrubnym przybliżeniu można przyjąć, że f ~ 1/RC. Z uwagi na rozrzuty i różnice między egzemplarzami, po wymianie układu częstotliwość pracy będzie inna z uwagi na inne wartości napięć progowych i inną szerokość histerezy. Ale to nie wszystko. Częstotliwość zależy też od temperatury, ponieważ temperatura zmienia wartość progów przełączania. Zależy ponadto od wartości napięcia zasilania. Rysunek 23 pokazuje zrzuty z ekranu oscyloskopu przebiegów w punktach A (czerwony), X (niebieski) układu z rysunku 15 i fotografii 17, zdjęte przy napięciach zasilania UZ równych 3 V, 7 V, 12 V. Jak widać, częstotliwość zmienia się od 39,68 Hz przy 3 V do 71,43 Hz przy 12 V, czyli prawie dwukrotnie. Takie proste generatory mogą się sprawdzić wyłącznie w zastosowaniach niewymagających stabilności. Dużo lepszą stabilność ma tak zwany klasyczny generator dwubramkowy według rysunku 24a. Wersje z rysunku 24b i 24c mają dodatkowo wejście sterujące. W takim generatorze jak najbardziej mogą, a nawet powinny, pracować zwykłe inwertery lub bramki, ale my wykorzystamy posiadane inwertery 40106 i bramki 4093 „ze szmitem” . Kondensator C1 musi być kondensatorem niebiegunowym (stałym). Nie można tu zastosować pojedynczego „elektrolita”. Zbadałem stabilność „napięciową” takiego generatora z elementami R1=100 kΩ, C1 = 100 nF, R2=100 kΩ (fotografia 25). Rysunek 26, zrzut ekranu oscyloskopu, pokazuje, że stabilność jest znacznie lepsza niż generatora badanego wcześniej – częstotliwość zmienia się tylko o około 25%. Możesz zbudować praktyczny generator warsztatowy według rysunku 27 i fotografii 28. Dwie diody pozwalają niezależnie i w szerokim zakresie ustawiać czas trwania dodatniego impulsu (R2) oraz czas trwania przerwy (R1), czyli regulować współczynnik wypełnienia impulsów. Na koniec zrealizujmy zaskakująco efektowny, a bardzo prosty efekt świetlny wirujące kółko, zbudowany na jednym układzie scalonym według rysunku 29 i fotografii 30. Wykorzystujemy tu bardzo rzadko spotykany układ generatora z trzema ogniwami opóźniającymi RC. Diody warto rozmieścić na obwodzie koła, co da efekt wirowania. Działanie mojego modelu można obejrzeć na filmiku, dostępnym w Elportalu. Na koniec jeszcze raz przypominam, że na schematach układów cyfrowych z zasady nie zaznacza się końcówek zasilania, które zawsze powinny być podłączone. Oczywiście wszystkie przedstawione układy można modyfikować i dostosować do swoich potrzeb. Można też zrealizować wiele pokrewnych układów z generatorami i bramkami. Zachęcam do eksperymentów! Piotr Górecki 101
