Логические микросхемы. Часть 4

После знакомства в предыдущих частях статьи с микросхемой К155ЛА3 попробуем разобраться с примерами ее практического применения.

Казалось бы, что можно сделать из одной микросхемы? Конечно, ничего выдающегося. Однако попробовать собрать какой либо функциональный узел на ее основе следует попробовать. Это поможет наглядно разобраться с принципом его работы и настройки. Одним из таких узлов, достаточно часто применяющимся на практике является автоколебательный мультивибратор.

Схема мультивибратора показана на рисунке 1а. Эта схема по внешнему виду очень похожа на классическую схему мультивибратора на транзисторах. Только здесь в качестве активных элементов применены логические элементы микросхемы, включенные инверторами. Для этого входные выводы микросхемы соединены вместе. Конденсаторы С1 и С2 образуют две цепи положительной обратной связи. Одна цепь это вход элемента DD1.1 – конденсатор С1 – выход элемента DD1.2. Другая с входа элемента DD1.2 через конденсатор С2 на выход элемента DD1.1.

Благодаря этим связям схема самовозбуждается, что приводит к генерированию импульсов. Период следования импульсов зависит от номиналов конденсаторов в цепях обратной связи, а также сопротивления резисторов R1 и R2.

На рисунке 1б та же самая схема нарисована таким образом, что еще более похожа на классический вариант мультивибратора на транзисторах.

Рис. 1 Автоколебательный мультивибратор

Электрические импульсы и их характеристики

До сих пор при знакомстве с микросхемой мы имели дело с постоянным током, ведь входные сигналы в процессе опытов подавались вручную с помощью проволочной перемычки. В результате чего на выходе схемы получалось постоянное напряжение низкого или высокого уровня. Такой сигнал носил случайный характер.

В собранной нами схеме мультивибратора напряжение на выходе будет импульсным, то есть меняющимся с определенной частотой скачкообразно от низкого уровня к высокому и обратно. Такой сигнал в радиотехнике называют импульсной последовательностью или просто последовательностью импульсов. На рисунке 2 показаны некоторые разновидности электрических импульсов и их параметры.

Участки импульсной последовательности, на которых напряжение принимает высокий уровень принято называть импульсами высокого уровня, а напряжение низкого уровня это есть паузы между импульсами высокого уровня. Хотя на самом деле все относительно: можно считать, что импульсы имеют низкий уровень, которым и будет включаться, например, какое-либо исполнительное устройство. Тогда паузой между импульсами будет считаться как раз высокий уровень.

Рисунок 2. Последовательности импульсов.

Одним из частных случаев формы импульсов является меандр. В этом случае длительность импульса равна длительности паузы. Для оценки соотношения длительности импульса пользуются параметром, который называется скважностью. Скважность показывает во сколько раз период следования импульса больше длительности импульса.

На рисунке 2 период следования импульсов обозначен, как и везде, буквой Т, а длительность импульса и паузы соответственно tи и tп. В виде математической формулы скважность будет выражена так: S = Т / tи.

В силу этого соотношения скважность импульсов типа «меандр» равняется двум. Термин меандр в данном случае заимствован из строительства и архитектуры: это один из способов кладки кирпича, рисунок кладки как раз напоминает указанную последовательность импульсов. Последовательность импульсов «меандр» показана на рисунке 2а.

Величина, обратная скважности называется коэффициентом заполнения и обозначается буквой D от английского Duty cycle. Согласно вышесказанному D = 1/S.

Зная период следования импульсов можно определить частоту следования, которая вычисляется по формуле F = 1/T.

Начало импульса называется фронтом, а окончание соответственно спадом. На рисунке 2б изображен положительный импульс со скважностью 4. Его фронт начинается от низкого уровня и переходит в высокий. Такой фронт называется положительным или восходящим. Соответственно спад данного импульса, как видно на картинке, будет отрицательным, падающим.

Для импульса низкого уровня фронт будет падающим, а спад нарастающим. Эта ситуация показана на рисунке 2в.

После такой небольшой теоретической подготовки можно приступать к опытам. Для того, чтобы собрать мультивибратор, показанный на рисунке 1, достаточно к микросхеме уже установленной на макетной плате, припаять два конденсатора и два резистора. Для исследования выходных сигналов можно воспользоваться просто вольтметром, желательно стрелочным, а не цифровым. Об этом уже было сказано в предыдущей части статьи.

Конечно, прежде чем включать собранную схему надо проверить, нет ли каких-нибудь замыканий и правильность сборки в соответствии со схемой. При указанных на схеме номиналах конденсаторов и резисторов напряжение на выходе мультивибратора будет изменяться от низкого уровня до высокого не более, чем тридцать раз в минуту. Таким образом, стрелка вольтметра, подключенная, например, к выходу первого элемента, будет совершать колебания от нуля практически до пяти вольт.

То же самое можно будет увидеть, если подключить вольтметр к другому выходу: амплитуда и частота отклонений стрелки будут те же, что и в первом случае. Ведь не зря такой мультивибратор часто называют симметричным.

Если теперь не полениться и подключить параллельно конденсаторам еще по одному конденсатору такой же емкости, то можно увидеть, что стрелка стала колебаться раза в два медленнее. Частота колебаний уменьшилась в два раза.

Если теперь на место конденсаторов как указано на схеме запаять конденсаторы меньшей емкости, например по 100 микрофарад, то можно заметить просто повышение частоты. Стрелка прибора будет колебаться намного быстрее, но все же ее движения еще достаточно заметны.

А что получится, если изменить емкость только одного конденсатора? Например, один из конденсаторов так и оставить емкостью 500 микрофарад, а другой заменить на 100 микрофарад. Заметно будет увеличение частоты, а, кроме того, стрелка прибора покажет, что изменилось временное соотношение импульсов и пауз. Хотя и в этом случае согласно схеме мультивибратор все равно остался симметричным.

Теперь попробуем еще уменьшить емкость конденсаторов, например 1…5 микрофарад. В этом случае мультивибратор будет генерировать звуковую частоту порядка 500…1000 Гц. Стрелка прибора на такую частоту реагировать не сможет. Она будет просто находиться где-нибудь посреди шкалы, показывая средний уровень сигнала.

Тут уже просто не понятно, то ли на самом деле идут импульсы достаточно высокой частоты, то ли на выходе микросхемы «серый» уровень. Чтобы такой сигнал различить требуется осциллограф, который есть не у всех. Поэтому, чтобы убедиться в работе схемы, можно через конденсатор емкостью 0,1 мкФ подключить головные телефоны, и услышать этот сигнал.

Любой из резисторов можно попробовать заменить переменным, примерно такого же номинала. Тогда при его вращении частота будет изменяться в некоторых пределах, что дает возможность ее точной настройки. В ряде случаев это бывает необходимо.

Однако, вопреки всему рассказанному, случается, что мультивибратор работает неустойчиво или не запускается вовсе. Причина этого явления кроется в том, что эмиттерный вход микросхем ТТЛ весьма критичен к номиналам резисторов, установленных в его цепи. Эта особенность эмиттерного входа заключается в следующих причинах.

Резистор на входе является частью одного из плеч мультивибратора. За счет тока эмиттера на этом резисторе создается напряжение, которое закрывает транзистор. Если сопротивление этого резистора сделать в пределах 2…2,5 Ком, падение напряжения на нем будет настолько большим, что транзистор просто перестает реагировать на входной сигнал.

Если же наоборот взять сопротивление этого резистора в пределах 500…700 Ом, транзистор будет все время открыт и входными сигналами не управляется. Поэтому данные резисторы следует подбирать исходя из этих соображений в диапазоне 800…2200 Ом. Только так можно добиться устойчивой работы мультивибратора, собранной по этой схеме.

Тем не менее, на работу такого мультивибратора влияют такие факторы, как температура, нестабильность источника питания, и даже разбросы параметров микросхем. Микросхемы разных производителей зачастую отличаются весьма значительно. Это касается не только 155-й серии, а и других. Поэтому мультивибратор, собранный по такой схеме практически применяется очень редко.

Мультивибратор на трех элементах

Более стабильная схема мультивибратора показана на рисунке 3а. Она состоит из трех логических элементов, включенных, также как и в предыдущей, схеме инверторами. Как видно из схемы, в эмиттерных цепях логических элементов только что упомянутых резисторов нет. Частота колебаний задается всего лишь одной RC цепочкой.

Рисунок 3. Мультивибратор на трех логических элементах.

Работу этого варианта мультивибратора можно также наблюдать с помощью стрелочного прибора, но для наглядности можно на той же плате собрать индикаторный каскад на светодиоде. Для этого понадобится один транзистор типа КТ315, два резистора и один светодиод. Схема индикатора показана на рисунке 3б. Его также можно спаять на макетной плате вместе с мультивибратором.

После включения питания мультивибратор начнет вырабатывать колебания, о чем свидетельствуют вспышки светодиода. При указанных на схеме номиналах времязадающей цепочки частота колебаний около 1Гц. Чтобы убедиться в этом достаточно посчитать количество колебаний за 1 минуту: их должно быть около шестидесяти, что соответствует 1 колебанию в секунду. По определению это как раз и есть 1Гц.

Изменить частоту такого мультивибратора можно двумя способами. Сначала подключите параллельно конденсатору еще один конденсатор такой же емкости. Вспышки светодиода стали примерно в два раза реже, что говорит об уменьшении частоты вдвое.

Другой способ изменения частоты состоит в изменении сопротивления резистора. Проще всего на его место установить переменный резистор номиналом 1,5…1,8 Ком. При вращении этого резистора частота колебаний будет изменяться в пределах 0,5…20 Гц. Максимальный частота получится в том положении переменного резистора, когда будут замкнуты выводы микросхемы 1 и 8.

Если поменять конденсатор, например емкостью на 1 мкф, то с помощью того же переменного резистора возможна регулировка частоты в пределах 300…10 000 Гц. Это уже частоты звукового диапазона, поэтому свечение индикатора выглядит непрерывным, сказать есть импульсы или нет невозможно. Поэтому, как в предыдущем случае следует воспользоваться головными телефонами, подключенными к выходу через конденсатор 0,1 мкФ. Лучше, если головные телефоны будут высокоомными.

Для рассмотрения принципа работы мультивибратора на трех элементах вернемся к его схеме. После того, как будет включено питание, логические элементы примут какое-то состояние не одновременно, какое именно можно только предполагать. Предположим, что элемент DD1.2 первым оказался в состоянии высокого уровня на выходе. С его выхода через незаряженный конденсатор С1 напряжение высокого уровня передастся на вход элемента DD1.1, который установится в нулевое состояние. На входе элемента DD1.3 высокий уровень, поэтому он также устанавливается в нулевое состояние.

Но это состояние устройства неустойчивое: конденсатор С1 постепенно заряжается через выход элемента DD1.3 и резистор R1, что приводит к постепенному уменьшению напряжения на входе DD1.1. Когда напряжение на входе DD1.1 приблизится к пороговому, он переключится в единицу, и соответственно этому элемент DD1.2 в нуль.

В таком состоянии конденсатор С1 через резистор R1 и выход элемента DD1.2 (в это время на его выходе низкий уровень) начинает перезаряжаться с выхода элемента DD1.3. Как только по мере зарядки конденсатора напряжение на входе элемента DD1.1 превысит пороговый уровень все элементы переключатся в противоположные состояния. Таким образом на выводе 8 элемента DD1.3, являющимся выходом мультивибратора формируются электрические импульсы. Также импульсы можно снять с вывода 6 элемента DD1.2.

После того, как мы разобрались с получением импульсов в трехэлементном мультивибраторе можно попробовать сделать двухэлементный, схема, которого показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Мультивибратор на двух логических элементах.

Для этого достаточно правый по схеме вывод резистора R1 отпаять от вывода 8 и запаять на вывод 1 элемента DD1.1. выходом устройства станет вывод 6 элемента DD1.2. элемент DD1.3 уже не нужен, и его можно отключить, например, для использования в других цепях.

Принцип работы такого генератора импульсов мало отличается от только что рассмотренного. Предположим, что на выходе элемента DD1.1 высокий уровень, тогда элемент DD1.2 находится в нулевом состоянии, что дает возможность конденсатору С1 заряжаться через резистор и выход элемента DD1.2. По мере заряда конденсатора напряжение на входе элемента DD1.1 достигнет порогового, оба элемента переключатся в противоположное состояние. Это позволит конденсатору перезаряжаться через выходную цепь второго элемента, резистор и входную цепь первого элемента. При снижении напряжения на входе первого элемента до порогового оба элемента перейдут в противоположное состояние.

Как было сказано выше некоторые экземпляры микросхем в схемах генераторов работают нестабильно, что может зависеть не только от конкретного экземпляра, а даже от производителя микросхемы. Поэтому, если генератор не запускается, можно между входом первого элемента и «землей» подключить резистор сопротивлением 1,2…2,0 Ком. Оно создает на входе напряжение близкое к пороговому, чем облегчает запуск и собственно работу генератора.

Такие варианты генераторов в цифровой технике применяются весьма часто. В следующих частях статьи будут рассмотрены относительно простые устройства, собранные на базе рассмотренных генераторов. Но сначала следует рассмотреть еще один вариант мультивибратора – одновибратор, или по другому моновибратор. С рассказа о нем начнем следующую часть статьи.

Продолжение статьи: Логические микросхемы. Часть 5.