Logikchips. Teil 4

Nach dem Treffen in vorherige Teile des Artikels Versuchen wir mit dem K155LA3-Chip, Beispiele für seine praktische Anwendung herauszufinden.

Es scheint, dass was mit einem Chip gemacht werden kann? Natürlich nichts Besonderes. Sie sollten jedoch versuchen, einen darauf basierenden Funktionsknoten zusammenzusetzen. Dies hilft, das Prinzip seiner Funktionsweise und Einstellungen visuell zu verstehen. Einer dieser in der Praxis häufig verwendeten Knoten ist ein selbstoszillierender Multivibrator.

Die Multivibratorschaltung ist in Abbildung 1a dargestellt. Diese Schaltung ist im Aussehen der klassischen Multivibratorschaltung mit Transistoren sehr ähnlich. Nur hier werden aktive Elemente angewendet logische Elemente Mikrochips von Wechselrichtern enthalten. Hierzu sind die Eingangsstifte der Mikroschaltung miteinander verbunden. Kondensatoren C1 und C2 bilden zwei positive Rückkopplungskreise. Eine Schaltung ist der Eingang des Elements DD1.1 - Kondensator C1 - der Ausgang des Elements DD1.2. Der andere vom Eingang des Elements DD1.2 über den Kondensator C2 zum Ausgang des Elements DD1.1.

Dank dieser Verbindungen wird die Schaltung selbst angeregt, was zur Erzeugung von Impulsen führt. Die Impulswiederholungsperiode hängt von den Nennwerten der Kondensatoren in den Rückkopplungsschaltungen sowie vom Widerstand der Widerstände R1 und R2 ab.

In Abbildung 1b ist dieselbe Schaltung so gezeichnet, dass sie der klassischen Multivibrator-Version mit Transistoren noch ähnlicher ist.

Abb. 1 Selbstoszillierender Multivibrator

Elektrische Impulse und ihre Eigenschaften

Bis jetzt, als wir uns mit der Mikroschaltung vertraut machten, hatten wir es mit Gleichstrom zu tun, da die Eingangssignale während der Experimente manuell mit einer Drahtbrücke geliefert wurden. Als Ergebnis wurde am Ausgang der Schaltung eine konstante Spannung von niedrigem oder hohem Pegel erhalten. Ein solches Signal war zufälliger Natur.

In der von uns zusammengestellten Multivibratorschaltung wird die Ausgangsspannung gepulst, dh sie ändert sich mit einer bestimmten Frequenz schrittweise von einem niedrigen zu einem hohen Pegel und umgekehrt. Ein solches Signal wird in der Funktechnik als Impulsfolge oder einfach als Impulsfolge bezeichnet. Abbildung 2 zeigt einige Arten von elektrischen Impulsen und deren Parameter.

Die Teile der Impulsfolge, in denen die Spannung einen hohen Pegel annimmt, werden als Impulse mit hohem Pegel bezeichnet, und die Spannung mit niedrigem Pegel ist die Pause zwischen Impulsen mit hohem Pegel. Obwohl in der Tat alles relativ ist: Wir können davon ausgehen, dass die Impulse niedrig sind, was zum Beispiel jeden Aktuator einschließt. Dann wird eine Pause zwischen den Impulsen nur als hoher Pegel betrachtet.

Abbildung 2. Pulssequenzen.

Einer der Sonderfälle der Pulsform ist der Mäander. In diesem Fall ist die Pulsdauer gleich der Pausendauer. Verwenden Sie einen Parameter namens Tastverhältnis, um das Verhältnis der Impulsdauer zu bestimmen. Die Einschaltdauer gibt an, wie oft die Impulswiederholungsperiode länger als die Impulsdauer ist.

In Fig. 2 ist die Impulswiederholungsperiode wie an anderer Stelle durch den Buchstaben T angegeben, und die Impulsdauer und die Pausenzeit sind ti bzw. tp. In Form einer mathematischen Formel wird das Tastverhältnis wie folgt ausgedrückt: S = T / ti.

Aufgrund dieses Verhältnisses ist das Tastverhältnis der "Mäander" -Pulse gleich zwei. Der Begriff Mäander ist in diesem Fall aus Konstruktion und Architektur entlehnt: Dies ist eine der Maurermethoden, das Muster des Mauerwerks ähnelt nur der angegebenen Impulsfolge. Die Mäanderimpulssequenz ist in Abbildung 2a dargestellt.

Der Kehrwert des Arbeitszyklus wird als Füllfaktor bezeichnet und durch den Buchstaben D aus dem englischen Arbeitszyklus angezeigt. Nach obigem ist D = 1 / S.

Bei Kenntnis der Impulswiederholungsperiode ist es möglich, die Wiederholungsrate zu bestimmen, die durch die Formel F = 1 / T berechnet wird.

Der Beginn des Impulses wird als Front bzw. das Ende als Niedergang bezeichnet. Abbildung 2b zeigt einen positiven Impuls mit einem Arbeitszyklus von 4. Seine Vorderseite beginnt bei einem niedrigen Pegel und geht zu einem hohen. Eine solche Front wird als positiv oder aufsteigend bezeichnet. Dementsprechend wird der Rückgang dieses Impulses, wie auf dem Bild zu sehen ist, negativ sein und abnehmen.

Bei einem Impuls auf niedriger Ebene wird die Front fallen und die Rezession wird zunehmen. Diese Situation ist in Abbildung 2c dargestellt.

Nach so einer kleinen theoretischen Vorbereitung können Sie mit dem Experimentieren beginnen. Um den in Abbildung 1 gezeigten Multivibrator zusammenzubauen, müssen zwei Kondensatoren und zwei Widerstände an die bereits auf dem Steckbrett installierte Mikroschaltung gelötet werden. Um die Ausgangssignale zu untersuchen, können Sie nur ein Voltmeter, vorzugsweise einen Zeiger, anstelle eines digitalen verwenden. Dies wurde bereits im vorherigen Teil des Artikels erwähnt.

Bevor Sie den zusammengebauten Stromkreis einschalten, müssen Sie natürlich prüfen, ob Kurzschlüsse vorliegen und die richtige Baugruppe dem Stromkreis entspricht. Mit den im Diagramm angegebenen Nennwerten der Kondensatoren und Widerstände ändert sich die Spannung am Ausgang des Multivibrators nicht mehr als dreißig Mal pro Minute von niedrig nach hoch. So schwingt eine Voltmeter-Nadel, die beispielsweise mit dem Ausgang des ersten Elements verbunden ist, von null auf fast fünf Volt.

Dasselbe gilt, wenn Sie ein Voltmeter an einen anderen Ausgang anschließen: Amplitude und Frequenz der Pfeilabweichungen sind dieselben wie im ersten Fall. Es ist nicht umsonst, dass ein solcher Multivibrator oft als symmetrisch bezeichnet wird.

Wenn Sie jetzt nicht zu faul sind und einen anderen Kondensator mit derselben Kapazität parallel zu den Kondensatoren anschließen, können Sie sehen, dass der Pfeil zweimal langsamer zu schwingen begann. Die Schwingungsfrequenz nahm um die Hälfte ab.

Wenn jetzt anstelle von Kondensatoren, wie im Diagramm angegeben, Lötkondensatoren mit geringerer Kapazität, z. B. 100 Mikrofarad, gelötet werden, können Sie nur einen Frequenzanstieg feststellen. Der Pfeil des Geräts schwankt viel schneller, aber seine Bewegungen sind immer noch deutlich spürbar.

Und was passiert, wenn Sie die Kapazität nur eines Kondensators ändern? Lassen Sie beispielsweise einen der Kondensatoren mit einer Kapazität von 500 Mikrofarad und ersetzen Sie den anderen durch 100 Mikrofarad. Der Frequenzanstieg wird spürbar, und außerdem zeigt der Pfeil des Geräts an, dass sich das Zeitverhältnis von Impulsen und Pausen geändert hat. Obwohl in diesem Fall gemäß dem Schema der Multivibrator immer noch symmetrisch blieb.

Versuchen wir nun, die Kapazität der Kondensatoren zu reduzieren, zum Beispiel 1 ... 5 Mikrofarad. In diesem Fall erzeugt der Multivibrator eine Audiofrequenz in der Größenordnung von 500 ... 1000 Hz. Der Pfeil des Geräts kann auf eine solche Frequenz nicht reagieren. Es befindet sich einfach irgendwo in der Mitte der Skala und zeigt den durchschnittlichen Signalpegel an.

Hier ist einfach nicht klar, ob die Impulse einer ausreichend hohen Frequenz tatsächlich gehen oder der „Graupegel“ am Ausgang der Mikroschaltung. Zur Unterscheidung eines solchen Signals ist ein Oszilloskop erforderlich, über das nicht jeder verfügt. Um den Betrieb der Schaltung zu überprüfen, ist es daher möglich, die Kopfhörer über einen 0,1 μF-Kondensator anzuschließen und dieses Signal zu hören.

Sie können versuchen, einen der Widerstände durch eine Variable mit ungefähr demselben Wert zu ersetzen. Während der Drehung ändert sich die Frequenz dann innerhalb bestimmter Grenzen, wodurch eine Feinabstimmung möglich wird. In einigen Fällen ist dies erforderlich.

Im Gegensatz zu dem, was gesagt wurde, kommt es jedoch vor, dass der Multivibrator instabil ist oder überhaupt nicht startet. Der Grund für dieses Phänomen liegt in der Tatsache, dass der Emittereingang von TTL-Mikroschaltungen für die Werte der in ihrer Schaltung installierten Widerstände sehr kritisch ist. Diese Funktion des Emitter-Eingangs hat folgende Gründe.

Der Eingangswiderstand ist Teil eines der Arme des Multivibrators.Aufgrund des Emitterstroms wird an diesem Widerstand eine Spannung erzeugt, die den Transistor schließt. Wenn der Widerstand dieses Widerstands innerhalb von 2 ... 2,5 Kom liegt, ist der Spannungsabfall über ihm so groß, dass der Transistor einfach nicht mehr auf das Eingangssignal reagiert.

Wenn wir im Gegenteil den Widerstand dieses Widerstands innerhalb von 500 ... 700 Ohm nehmen, ist der Transistor die ganze Zeit geöffnet und wird nicht durch Eingangssignale gesteuert. Daher sollten diese Widerstände basierend auf diesen Überlegungen im Bereich von 800 ... 2200 Ohm ausgewählt werden. Dies ist der einzige Weg, um den stabilen Betrieb des nach diesem Schema zusammengebauten Multivibrators zu erreichen.

Ein solcher Multivibrator wird jedoch von Faktoren wie Temperatur, Instabilität der Stromversorgung und sogar Schwankungen der Parameter von Mikroschaltungen beeinflusst. Mikrochips verschiedener Hersteller unterscheiden sich oft erheblich. Dies gilt nicht nur für die 155. Serie, sondern auch für andere. Daher wird ein nach einem solchen Schema zusammengesetzter Multivibrator praktisch selten verwendet.

Drei-Element-Multivibrator

Eine stabilere Multivibratorschaltung ist in Abbildung 3a dargestellt. Es besteht aus drei logischen Elementen, die wie im vorherigen von Wechselrichtern enthalten sind. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, sind in den Emitterschaltungen der gerade erwähnten Logikelemente Widerstände nicht vorhanden. Die Schwingungsfrequenz wird nur von einer RC-Kette angegeben.

Abbildung 3. Multivibrator für drei logische Elemente.

Der Betrieb dieser Version des Multivibrators kann auch mit einem Zeigergerät beobachtet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit können Sie die Anzeigekaskade auf der LED auf derselben Platine anbringen. Dazu benötigen Sie einen KT315-Transistor, zwei Widerstände und eine LED. Das Indikatordiagramm ist in Abbildung 3b dargestellt. Es kann auch zusammen mit einem Multivibrator auf ein Steckbrett gelötet werden.

Nach dem Einschalten beginnt der Multivibrator zu schwingen, was durch das Blinken der LED angezeigt wird. Mit den im Diagramm angegebenen Werten der Steuerkette beträgt die Schwingungsfrequenz etwa 1 Hz. Um dies zu überprüfen, reicht es aus, die Anzahl der Schwingungen in 1 Minute zu berechnen: Es sollten ungefähr sechzig sein, was 1 Schwingung pro Sekunde entspricht. Per Definition ist dies genau 1 Hz.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Frequenz eines solchen Multivibrators zu ändern. Schließen Sie zunächst einen anderen Kondensator mit derselben Kapazität parallel zum Kondensator an. LED-Blitze wurden etwa halb so selten, was auf eine Verringerung der Frequenz um die Hälfte hinweist.

Eine andere Möglichkeit, die Frequenz zu ändern, besteht darin, den Widerstand des Widerstands zu ändern. Am einfachsten ist es, an seiner Stelle einen variablen Widerstand mit einem Nennwert von 1,5 ... 1,8 Com zu installieren. Wenn sich dieser Widerstand dreht, variiert die Schwingungsfrequenz innerhalb von 0,5 ... 20 Hz. Die maximale Frequenz wird in der Position des variablen Widerstands erhalten, wenn die Schlussfolgerungen der Mikroschaltung 1 und 8 geschlossen sind.

Wenn Sie beispielsweise den Kondensator mit einer Kapazität von 1 Mikrofarad wechseln, können Sie mit demselben variablen Widerstand die Frequenz innerhalb von 300 ... 10 000 Hz einstellen. Dies sind bereits Frequenzen des Schallbereichs, daher leuchtet die Anzeige kontinuierlich, es ist unmöglich zu sagen, ob Impulse vorhanden sind oder nicht. Daher sollten Sie wie im vorherigen Fall die Kopfhörer verwenden, die über den 0,1-μF-Kondensator mit dem Ausgang verbunden sind. Besser, wenn der Kopfhörer einen hohen Widerstand hat.

Um das Funktionsprinzip eines Multivibrators mit drei Elementen zu betrachten, kehren wir zu seinem Schema zurück. Nach dem Einschalten nehmen die Logikelemente nicht gleichzeitig einen Zustand an, von dem nur angenommen werden kann. Angenommen, DD1.2 ist der erste, der sich am Ausgang in einem Zustand auf hoher Ebene befindet. Von seinem Ausgang über einen ungeladenen Kondensator C1 wird eine Spannung mit hohem Pegel an den Eingang des Elements DD1.1 übertragen, das auf Null gesetzt wird. Am Eingang des DD1.3-Elements befindet sich ein hoher Pegel, daher wird es auch auf Null gesetzt.

Dieser Zustand der Vorrichtung ist jedoch instabil: Der Kondensator C1 wird allmählich über den Ausgang des Elements DD1.3 und den Widerstand R1 aufgeladen, was zu einer allmählichen Abnahme der Spannung am Eingang DD1.1 führt. Wenn sich die Spannung am Eingang DD1.1 dem Schwellenwert nähert, schaltet sie auf Eins und dementsprechend das Element DD1.2 auf Null.

In diesem Zustand beginnt der Kondensator C1 über den Widerstand R1 und den Ausgang des Elements DD1.2 (zu diesem Zeitpunkt ist der Ausgang niedrig), sich vom Ausgang des Elements DD1.3 aufzuladen. Sobald der Kondensator aufgeladen wird, überschreitet die Spannung am Eingang des Elements DD1.1 den Schwellenwert, alle Elemente schalten in entgegengesetzte Zustände. Somit werden am Ausgang 8 des Elements DD1.3, das der Ausgang des Multivibrators ist, elektrische Impulse gebildet. Außerdem können Impulse von Pin 6 von DD1.2 entfernt werden.

Nachdem wir herausgefunden haben, wie Impulse in einem Multivibrator mit drei Elementen erhalten werden, können wir versuchen, eine Schaltung mit zwei Elementen zu erstellen, die in Abbildung 4 dargestellt ist.

Abbildung 4. Multivibrator auf zwei Logikelementen.

Zu diesem Zweck reicht der Ausgang des Widerstands R1 direkt an der Schaltung aus, um von Pin 8 zu löten und an Pin 1 des Elements DD1.1 zu löten. Die Ausgabe des Geräts ist die Ausgabe 6 des Elements DD1.2. Das DD1.3-Element wird nicht mehr benötigt und kann beispielsweise für die Verwendung in anderen Schaltkreisen deaktiviert werden.

Das Funktionsprinzip eines solchen Impulsgenerators unterscheidet sich kaum von dem, was gerade betrachtet wurde. Angenommen, der Ausgang des Elements DD1.1 ist hoch, dann befindet sich das Element DD1.2 im Nullzustand, wodurch der Kondensator C1 über den Widerstand und den Ausgang des Elements DD1.2 aufgeladen werden kann. Wenn sich der Kondensator auflädt, erreicht die Spannung am Eingang des Elements DD1.1 den Schwellenwert, beide Elemente wechseln in den entgegengesetzten Zustand. Dadurch kann sich der Kondensator über die Ausgangsschaltung des zweiten Elements, den Widerstand und die Eingangsschaltung des ersten Elements aufladen. Wenn die Spannung am Eingang des ersten Elements auf einen Schwellenwert reduziert wird, gehen beide Elemente in den entgegengesetzten Zustand.

Wie oben erwähnt, sind einige Fälle von Mikroschaltungen in den Generatorschaltungen instabil, was nicht nur von einer bestimmten Instanz, sondern sogar vom Hersteller der Mikroschaltung abhängen kann. Wenn der Generator nicht startet, ist es daher möglich, einen Widerstand mit einem Widerstand von 1,2 ... 2,0 Com zwischen dem Eingang des ersten Elements und der "Masse" anzuschließen. Es wird eine Eingangsspannung nahe der Schwelle erzeugt, die den Start und den tatsächlichen Betrieb des Generators erleichtert.

Solche Generatorvarianten in der Digitaltechnik werden sehr häufig eingesetzt. In den folgenden Teilen des Artikels werden relativ einfache Geräte betrachtet, die auf der Basis der betrachteten Generatoren zusammengebaut wurden. Zunächst sollte jedoch eine weitere Option eines Multivibrators in Betracht gezogen werden - ein einzelner Vibrator oder ein Monovibrator auf andere Weise. Mit der Geschichte über ihn beginnen wir den nächsten Teil des Artikels.

Boris Aladyshkin

Fortsetzung des Artikels: Logikchips. Teil 5