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.

Логические микросхемы. Часть 7. Триггеры. RS - триггер

Электронные устройства с двумя устойчивыми состояниями на выходе называются триггерами. В одно из устойчивых состояний триггер переводится входными импульсами.

Подобная формулировка дается, как правило, во всей технической литературе. Для того, кто столкнулся с нею в первый раз, она может быть не совсем понятна. Какие же это два состояния, и почему их называют устойчивыми?

Проще всего это объяснить на простом и доступном примере. Достаточно близким и понятным аналогом может служить обычная лампочка с выключателем. Здесь налицо два состояния: горит – не горит. Для триггера эти состояния высокий уровень, низкий уровень. Также иногда говорят, включен – выключен, установлен – сброшен.

Для того, чтобы зажечь или погасить лампочку, достаточно лишь прикоснуться к выключателю. Чтобы лампочка продолжала гореть вовсе не обязательно удерживать выключатель пальцем: лампочка будет гореть сколь угодно долго.

Другими словами она находится в устойчивом состоянии. Вывести ее из этого состояния, можно только выключив, при помощи все того же выключателя. Или, иначе говоря, перейти к другому устойчивому состоянию. Это состояние также будет устойчивым, то есть сохраняется сколь угодно долго, до тех пор, пока ее не включат.

В качестве другого похожего примера можно вспомнить обычный магнитный пускатель с двумя кнопками: нажали черную кнопку – электромотор включился, нажали красную – выключился. При этом следует обратить внимание на то, что повторное нажатие кнопки «Пуск» (если двигатель уже включен) ни в коем случае не увеличит его частоту вращения. В точности так же можно нажимать кнопку «Стоп», когда мотор остановлен: это просто подтверждение состояния «Стоп».

В этих примерах явно просматривается импульсный характер входного сигнала (нажатие выключателя или кнопки). Также налицо два состояния «включено – выключено», каждое из которых является устойчивым: продолжается до тех пор, пока не будет воздействия входного сигнала. Наиболее близким к рассмотренным примерам является RS – триггер.

RS – триггер

Из всех видов триггеров RS – триггер, как по принципу действия, так и по схемотехнике самый простой. Раньше, когда триггеры выполнялись на дискретных деталях (транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды) говорили, что триггер это двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Этот вариант мы рассматривать не будем.

Достаточно простым получается триггер из логических элементов 2И – НЕ микросхемы К155ЛА3. Схема такого триггера показана на рисунке 1.

Рисунок 1. RS – триггер на элементах 2И – НЕ.

Триггер получается путем перекрестных обратных связей с выхода на вход между двумя логическими элементами. Такой триггер имеет два выхода и два независимых входа. Один из входов (верхний по схеме) называется S от английского SET – установить, другой вход носит название R от английского RESET – сбросить. Часто эти входы и соответственно сигналы называют просто включить и выключить.

Кроме двух входов RS – триггер имеет два выхода. Чаще всего выходы обозначаются на схемах буквой Q. Один из выходов носит название прямой, а другой выход инверсный. Буква Q обозначающая инверсный выход сверху подчеркнута. Допускается также обозначение /Q или –Q. На нашей схеме прямой выход это 3 вывод элемента DD1.1, а инверсный выход – вывод 6 элемента DD1.2.

В качестве входных сигналов используются просто кнопки, нажатием которых триггер переводится в соответствующее состояние. В реальных схемах входные сигналы могут подаваться с выходов микросхем. Для проведения учебных опытов кнопки можно заменить просто отрезком провода.

Сразу следует заметить, что в данной схеме все условно: входные сигналы не принадлежат конкретным ножкам микросхемы, как указано на схеме. В данном случае R и S можно поменять местами, при этом изменится и расположение прямого и инверсного выходов. Здесь все просто зависит от фантазии разработчика конкретной схемы.

Для индикации состояния триггера используются два светодиода: один из них светится, когда на выходе состояние высокого уровня. Другой же будет погашен. Светодиоды можно и не устанавливать, состояние выходов триггера можно проконтролировать обычным вольтметром, хотя это будет не очень удобно и наглядно.

После того, как схема собрана на макетной плате, следует проверить правильность монтажа, после чего включать. При включении зажжется один из светодиодов. Какой именно, заранее сказать нельзя, так как все определяется нестабильными переходными процессами при включении и разбросом параметров логических элементов.

Предположим, что засветился светодиод HL1, что говорит о том, что на прямом выходе триггера Q высокий уровень. В этом случае говорят, что триггер установлен. На инверсном выходе /Q будет соответственно низкий уровень (уровень сигнала на инверсном выходе всегда противоположен уровню на прямом выходе).

Все рассуждения о состоянии триггера ведутся относительно состояния прямого выхода. Если на прямом выходе высокий уровень, триггер установлен (включен, находится в единичном состоянии), а если на прямом выходе низкий уровень, то считается, что триггер сброшен (выключен, в нулевом состоянии). Как уже было сказано выше состояние инверсного выхода всегда противоположно прямому.

Итак при включении питания зажегся светодиод HL1, что говорит о высоком уровне на прямом выходе. Светодиод HL2 будет погашен – триггер находится в единичном состоянии.

Если в таком состоянии триггера нажать на кнопку SB1, то ничего не произойдет - будет продолжать светиться светодиод HL1 а HL2 погашен. Таким образом, нажатие кнопки SB1 просто подтвердило единичное состояние триггера.

Вывести триггер из этого состояния можно только нажатием на кнопку SB2: светодиод HL1 погаснет, а HL2 начнет светиться. Как и в предыдущем случае повторное нажатие или длительное удержание кнопки SB2 этого состояния не изменить не сможет. В этом состоянии схема будет оставаться сколь угодно долго, а именно до нажатия кнопки SB1, либо до выключения питания.

А что произойдет, если нажать обе кнопки сразу? Страшного ничего, не считая того, что состояние триггера будет неопределенным, так как на обоих выходах присутствует уровень логической единицы. По логике работы триггера такое состояние считается запрещенным, поэтому оно недопустимо.

Если на обоих входах присутствует уровень логической единицы, то состояние триггера не меняется. Этот режим называется режимом хранения информации. Поэтому RS – триггер часто применяется в запоминающих устройствах, например в микросхемах статического ОЗУ разных типов.

Весь этот рассказ представлен в таблице истинности RS – триггера, показанной на рисунке 1б. Подобный вариант RS – триггера называется асинхронным, поскольку не требует каких либо дополнительных сигналов, разрешающих или запрещающих работу RS входов.

Достаточно часто RS – триггер используется в качестве подавителя дребезга механических контактов, если требуется подсчитать количество импульсов с помощью электронного счетчика. Такие счетчики также выполняются на триггерах. Как правило, это D или JK триггеры, о которых будет рассказано в следующей части статьи.

Логические микросхемы. Часть 8. D - триггер