Chip logici. Parte 4

Dopo l'incontro parti precedenti dell'articolo con il chip K155LA3, proviamo a capire esempi della sua applicazione pratica.

Sembrerebbe che cosa si possa fare da un chip? Certo, niente di eccezionale. Tuttavia, dovresti provare a assemblare un nodo funzionale basato su di esso. Ciò contribuirà a comprendere visivamente il principio del suo funzionamento e delle sue impostazioni. Uno di questi nodi, abbastanza spesso usato nella pratica, è un multivibratore auto-oscillante.

Il circuito multivibratore è mostrato nella Figura 1a. Questo circuito in apparenza è molto simile al classico circuito multivibratore con transistor. Solo qui come vengono applicati elementi attivi elementi logici microchip inclusi dagli inverter. Per questo, i pin di ingresso del microcircuito sono collegati insieme. condensatori C1 e C2 formano due circuiti di feedback positivo. Un circuito è l'ingresso dell'elemento DD1.1 - condensatore C1 - l'uscita dell'elemento DD1.2. L'altro dall'ingresso dell'elemento DD1.2 attraverso il condensatore C2 all'uscita dell'elemento DD1.1.

Grazie a queste connessioni, il circuito è autoeccitato, il che porta alla generazione di impulsi. Il periodo di ripetizione degli impulsi dipende dalle potenze nominali dei condensatori nei circuiti di retroazione, nonché dalla resistenza dei resistori R1 e R2.

In Fig. 1b, lo stesso circuito è disegnato in modo tale da essere ancora più simile alla classica versione multivibratore con transistor.

Fig. 1 multivibratore auto-oscillante

Impulsi elettrici e loro caratteristiche

Fino ad ora, quando abbiamo conosciuto il microcircuito, avevamo a che fare con la corrente continua, perché i segnali di ingresso durante gli esperimenti venivano forniti manualmente usando un ponticello. Di conseguenza, all'uscita del circuito è stata ottenuta una tensione costante di livello basso o alto. Tale segnale era di natura casuale.

Nel circuito multivibratore che abbiamo assemblato, la tensione di uscita sarà pulsata, cioè cambiando gradualmente con una certa frequenza da un livello basso a uno alto e viceversa. Un tale segnale nell'ingegneria radio è chiamato una sequenza di impulsi o semplicemente una sequenza di impulsi. La Figura 2 mostra alcune varietà di impulsi elettrici e i loro parametri.

Le sezioni della sequenza di impulsi in cui la tensione assume un livello elevato sono chiamate impulsi di alto livello e la tensione di basso livello è la pausa tra gli impulsi di alto livello. Sebbene in realtà tutto sia relativo: possiamo supporre che gli impulsi siano bassi, che includerà, ad esempio, qualsiasi attuatore. Quindi una pausa tra gli impulsi sarà considerata solo di alto livello.

Figura 2. Sequenze di impulsi.

Uno dei casi speciali della forma dell'impulso è il meandro. In questo caso, la durata dell'impulso è uguale alla durata della pausa. Per valutare il rapporto tra la durata dell'impulso, utilizzare un parametro chiamato duty cycle. Il duty rate mostra quante volte il periodo di ripetizione dell'impulso è più lungo della durata dell'impulso.

Nella Figura 2, il periodo di ripetizione dell'impulso è indicato, come altrove, dalla lettera T, e la durata dell'impulso e il tempo di pausa sono rispettivamente ti e tp. Sotto forma di una formula matematica, il ciclo di lavoro sarà espresso come segue: S = T / ti.

A causa di questo rapporto, il ciclo di lavoro degli impulsi "meandro" è uguale a due. Il termine meandro in questo caso è preso in prestito dalla costruzione e dall'architettura: questo è uno dei metodi di muratura, il modello di muratura ricorda solo la sequenza di impulsi indicata. La sequenza di impulsi del meandro è mostrata nella Figura 2a.

Il reciproco del ciclo di lavoro è chiamato fattore di riempimento ed è indicato dalla lettera D del ciclo di lavoro inglese. Secondo quanto sopra, D = 1 / S.

Conoscendo il periodo di ripetizione dell'impulso, è possibile determinare la frequenza di ripetizione, che viene calcolata con la formula F = 1 / T.

L'inizio dell'impulso si chiama fronte e la fine, rispettivamente, il declino. La Figura 2b mostra un impulso positivo con un ciclo di lavoro di 4. Il suo fronte inizia da un livello basso e passa a un livello alto. Tale fronte è chiamato positivo o crescente. Di conseguenza, il declino di questo impulso, come si può vedere nella foto, sarà negativo, in calo.

Per un impulso di basso livello, il fronte cadrà e la recessione aumenterà. Questa situazione è mostrata nella Figura 2c.

Dopo una tale preparazione teorica, puoi iniziare a sperimentare. Per assemblare il multivibratore mostrato in Figura 1, è sufficiente saldare due condensatori e due resistori al microcircuito già installato sulla breadboard. Per studiare i segnali di uscita, è possibile utilizzare solo un voltmetro, preferibilmente un puntatore, piuttosto che uno digitale. Questo è già stato menzionato nella parte precedente dell'articolo.

Naturalmente, prima di accendere il circuito assemblato, è necessario verificare se ci sono cortocircuiti e l'assemblaggio corretto in conformità con il circuito. Con i valori nominali di condensatori e resistori indicati nel diagramma, la tensione all'uscita del multivibratore cambierà da bassa ad alta non più di trenta volte al minuto. Pertanto, un ago voltmetro collegato, ad esempio, all'uscita del primo elemento, oscillerà da zero a quasi cinque volt.

Lo stesso si può vedere se si collega un voltmetro a un'altra uscita: l'ampiezza e la frequenza delle deviazioni della freccia saranno le stesse del primo caso. Non è vano che un simile multivibratore sia spesso chiamato simmetrico.

Se ora non sei troppo pigro e colleghi un altro condensatore della stessa capacità in parallelo con i condensatori, allora puoi vedere che la freccia ha iniziato a oscillare due volte più lentamente. La frequenza di oscillazione è diminuita della metà.

Se ora, invece dei condensatori, come indicato nel diagramma, condensatori di saldatura di capacità inferiore, ad esempio 100 microfarad, allora puoi notare solo un aumento della frequenza. La freccia del dispositivo fluttuerà molto più velocemente, ma i suoi movimenti sono ancora abbastanza evidenti.

E cosa succede se si modifica la capacità di un solo condensatore? Ad esempio, lasciare uno dei condensatori con una capacità di 500 microfarad e sostituire l'altro con 100 microfarad. L'aumento della frequenza sarà evidente e, inoltre, la freccia del dispositivo mostrerà che il rapporto temporale di impulsi e pause è cambiato. Anche se in questo caso, secondo lo schema, il multivibratore è rimasto simmetrico.

Ora proviamo a ridurre la capacità dei condensatori, ad esempio 1 ... 5 microfarad. In questo caso, il multivibratore genererà una frequenza audio dell'ordine di 500 ... 1000 Hz. La freccia del dispositivo non sarà in grado di rispondere a tale frequenza. Sarà semplicemente da qualche parte nel mezzo della scala, mostrando il livello medio del segnale.

Semplicemente non è chiaro qui se gli impulsi di una frequenza sufficientemente alta effettivamente vanno, o il livello di "grigio" all'uscita del microcircuito. Per distinguere un tale segnale, è necessario un oscilloscopio, che non tutti hanno. Pertanto, al fine di verificare il funzionamento del circuito, è possibile collegare le cuffie attraverso un condensatore da 0,1 μF e ascoltare questo segnale.

Puoi provare a sostituire uno qualsiasi dei resistori con una variabile approssimativamente dello stesso valore. Quindi, durante la sua rotazione, la frequenza varierà entro certi limiti, il che rende possibile la regolazione fine. In alcuni casi, questo è necessario.

Tuttavia, contrariamente a quanto è stato detto, accade che il multivibratore sia instabile o non si avvii affatto. La ragione di questo fenomeno sta nel fatto che l'ingresso dell'emettitore dei microcircuiti TTL è molto critico per i valori delle resistenze installate nel suo circuito. Questa caratteristica dell'ingresso dell'emettitore è costituita dai seguenti motivi.

Il resistore di ingresso fa parte di uno dei bracci del multivibratore.A causa della corrente dell'emettitore, su questo resistore viene creata una tensione che chiude il transistor. Se la resistenza di questo resistore viene fatta entro 2 ... 2,5 Kom, la caduta di tensione su di esso sarà così grande che il transistor semplicemente smetterà di rispondere al segnale di ingresso.

Se, al contrario, prendiamo la resistenza di questo resistore entro 500 ... 700 Ohm, il transistor sarà sempre aperto e non sarà controllato dai segnali di ingresso. Pertanto, questi resistori dovrebbero essere selezionati in base a queste considerazioni nell'intervallo 800 ... 2200 Ohm. Questo è l'unico modo per ottenere il funzionamento stabile del multivibratore assemblato secondo questo schema.

Tuttavia, un tale multivibratore è influenzato da fattori quali la temperatura, l'instabilità dell'alimentatore e persino le variazioni dei parametri dei microcircuiti. I microchip di diversi produttori spesso differiscono in modo significativo. Questo vale non solo per la 155a serie, ma anche per gli altri. Pertanto, un multivibratore assemblato secondo tale schema è praticamente raramente utilizzato.

Multivibratore a tre elementi

Un circuito multivibratore più stabile è mostrato nella Figura 3a. È costituito da tre elementi logici, inclusi, come nella precedente, dagli inverter. Come si può vedere dal diagramma, nei circuiti degli emettitori degli elementi logici i resistori appena citati non lo sono. La frequenza di oscillazione è specificata da una sola catena RC.

Figura 3. Multivibratore su tre elementi logici.

Il funzionamento di questa versione del multivibratore può anche essere osservato usando un dispositivo puntatore, ma per chiarezza, è possibile assemblare un indicatore a cascata sul LED sulla stessa scheda. Per fare questo, hai bisogno di un transistor KT315, due resistori e un LED. Lo schema degli indicatori è mostrato nella Figura 3b. Può anche essere saldato su una breadboard insieme a un multivibratore.

Dopo aver acceso l'alimentazione, il multivibratore inizierà a oscillare, come evidenziato dal flash del LED. Con i valori della catena di temporizzazione indicati nel diagramma, la frequenza di oscillazione è di circa 1 Hz. Per verificarlo, è sufficiente calcolare il numero di oscillazioni in 1 minuto: dovrebbero esserci circa sessanta, che corrisponde a 1 oscillazione al secondo. Per definizione, questo è precisamente 1Hz.

Esistono due modi per modificare la frequenza di tale multivibratore. Innanzitutto, collega un altro condensatore della stessa capacità parallelo al condensatore. I flash a LED sono diventati circa la metà rari, il che indica una diminuzione della frequenza della metà.

Un altro modo per cambiare la frequenza è cambiare la resistenza del resistore. Il modo più semplice è installare una resistenza variabile con un valore nominale di 1,5 ... 1,8 Com al suo posto. Quando questo resistore ruota, la frequenza di oscillazione varierà tra 0,5 ... 20 Hz. La frequenza massima si ottiene nella posizione della resistenza variabile quando le conclusioni del microcircuito 1 e 8 sono chiuse.

Se si cambia il condensatore, ad esempio, con una capacità di 1 microfarad, quindi utilizzando lo stesso resistore variabile, è possibile regolare la frequenza entro 300 ... 10 000 Hz. Queste sono già le frequenze della gamma sonora, quindi l'indicatore si illumina continuamente, è impossibile dire se ci sono impulsi o meno. Pertanto, come nel caso precedente, è necessario utilizzare le cuffie collegate all'uscita tramite il condensatore da 0,1 μF. È meglio se le cuffie sono ad alta resistenza.

Per considerare il principio di funzionamento di un multivibratore con tre elementi, torniamo al suo schema. Dopo l'accensione, gli elementi logici assumeranno un certo stato non allo stesso tempo, che si può solo supporre. Supponiamo che DD1.2 sia il primo ad essere in uno stato di alto livello all'uscita. Dalla sua uscita attraverso un condensatore non caricato C1, una tensione di alto livello viene trasmessa all'ingresso dell'elemento DD1.1, che verrà impostato a zero. All'ingresso dell'elemento DD1.3 è un livello alto, quindi è anche impostato su zero.

Ma questo stato del dispositivo è instabile: il condensatore C1 viene gradualmente caricato attraverso l'uscita dell'elemento DD1.3 e la resistenza R1, che porta ad una graduale diminuzione della tensione all'ingresso DD1.1. Quando la tensione all'ingresso DD1.1 si avvicina alla soglia, passerà all'unità e, di conseguenza, l'elemento DD1.2 a zero.

In questo stato, il condensatore C1 attraverso la resistenza R1 e l'uscita dell'elemento DD1.2 (a questo punto l'uscita è bassa) inizia a ricaricarsi dall'uscita dell'elemento DD1.3. Non appena il condensatore si sta caricando, la tensione all'ingresso dell'elemento DD1.1 supererà il livello di soglia, tutti gli elementi passeranno a stati opposti. Pertanto, all'uscita 8 dell'elemento DD1.3, che è l'uscita del multivibratore, si formano impulsi elettrici. Inoltre, gli impulsi possono essere rimossi dal pin 6 di DD1.2.

Dopo aver capito come ottenere impulsi in un multivibratore a tre elementi, possiamo provare a creare un circuito a due elementi, che è mostrato in Figura 4.

Figura 4. Multivibratore su due elementi logici.

Per fare ciò, l'uscita del resistore R1, proprio sul circuito, è sufficiente per dissaldare dal pin 8 e saldare al pin 1 dell'elemento DD1.1. l'uscita del dispositivo sarà l'uscita 6 dell'elemento DD1.2. l'elemento DD1.3 non è più necessario e può essere disabilitato, ad esempio, per l'uso in altri circuiti.

Il principio di funzionamento di un tale generatore di impulsi differisce poco da ciò che è stato appena considerato. Supponiamo che l'uscita dell'elemento DD1.1 sia alta, quindi l'elemento DD1.2 sia nello stato zero, il che consente di caricare il condensatore C1 attraverso il resistore e l'uscita dell'elemento DD1.2. Mentre il condensatore si carica, la tensione all'ingresso dell'elemento DD1.1 raggiunge la soglia, entrambi gli elementi passano allo stato opposto. Ciò consentirà al condensatore di ricaricare attraverso il circuito di uscita del secondo elemento, la resistenza e il circuito di ingresso del primo elemento. Quando la tensione all'ingresso del primo elemento viene ridotta a una soglia, entrambi gli elementi andranno nello stato opposto.

Come accennato in precedenza, alcuni casi di microcircuiti nei circuiti del generatore sono instabili, il che può dipendere non solo da un'istanza specifica, ma anche dal produttore del microcircuito. Pertanto, se il generatore non si avvia, è possibile collegare una resistenza con una resistenza di 1,2 ... 2,0 Com tra l'ingresso del primo elemento e la "terra". Crea una tensione di ingresso vicino alla soglia, che facilita l'avvio e il funzionamento effettivo del generatore.

Tali varianti di generatori nella tecnologia digitale sono utilizzate molto spesso. Nelle seguenti parti dell'articolo, saranno considerati dispositivi relativamente semplici assemblati sulla base dei generatori considerati. Ma prima, dovrebbe essere considerata un'ulteriore opzione di un multivibratore: un singolo vibratore o un monovibratore in un altro modo. Con la storia su di lui, iniziamo la parte successiva dell'articolo.

Boris Aladyshkin

Continuazione dell'articolo: Chip logici. Parte 5