Fichas lógicas. Parte 4

Después de reunirse en partes anteriores del artículo con el chip K155LA3, intentemos encontrar ejemplos de su aplicación práctica.

Parece que lo que se puede hacer desde un chip? Por supuesto, nada excepcional. Sin embargo, debe intentar ensamblar algún nodo funcional basado en él. Esto ayudará a comprender visualmente el principio de su funcionamiento y configuración. Uno de estos nodos, muy utilizado en la práctica, es un multivibrador auto oscilante.

El circuito multivibrador se muestra en la Figura 1a. Este circuito en apariencia es muy similar al clásico circuito multivibrador con transistores. Solo aquí como elementos activos se aplican elementos lógicos Microchips incluidos por inversores. Para esto, los pines de entrada del microcircuito están conectados entre sí. Condensadores C1 y C2 forman dos circuitos de retroalimentación positiva. Un circuito es la entrada del elemento DD1.1 - condensador C1 - la salida del elemento DD1.2. El otro desde la entrada del elemento DD1.2 a través del condensador C2 hasta la salida del elemento DD1.1.

Gracias a estas conexiones, el circuito es autoexcitado, lo que conduce a la generación de pulsos. El período de repetición de pulso depende de las clasificaciones de los condensadores en los circuitos de retroalimentación, así como de la resistencia de las resistencias R1 y R2.

En la Fig. 1b, el mismo circuito se dibuja de tal manera que es aún más similar a la versión clásica de multivibrador con transistores.

Fig. 1 multivibrador auto-oscilante

Impulsos eléctricos y sus características

Hasta ahora, cuando nos familiarizamos con el microcircuito, estábamos lidiando con la corriente continua, porque las señales de entrada durante los experimentos se suministraron manualmente usando un puente de alambre. Como resultado, se obtuvo un voltaje constante de nivel bajo o alto en la salida del circuito. Tal señal era de naturaleza aleatoria.

En el circuito multivibrador que hemos ensamblado, el voltaje de salida será pulsado, es decir, cambiará con cierta frecuencia paso a paso de un nivel bajo a uno alto y viceversa. Tal señal en ingeniería de radio se llama secuencia de pulsos o simplemente una secuencia de pulsos. La Figura 2 muestra algunas variedades de pulsos eléctricos y sus parámetros.

Las secciones de la secuencia de pulsos en las que el voltaje toma un alto nivel se llaman pulsos de alto nivel, y el voltaje de bajo nivel es la pausa entre pulsos de alto nivel. Aunque, de hecho, todo es relativo: podemos suponer que los pulsos son bajos, lo que incluirá, por ejemplo, cualquier actuador. Entonces, una pausa entre pulsos se considerará solo un nivel alto.

Figura 2. Secuencias de pulso.

Uno de los casos especiales de la forma del pulso es el meandro. En este caso, la duración del pulso es igual a la duración de la pausa. Para evaluar la relación de la duración del pulso, use un parámetro llamado ciclo de trabajo. La tasa de trabajo muestra cuántas veces el período de repetición del pulso es más largo que la duración del pulso.

En la Figura 2, el período de repetición del pulso se indica, como en otros lugares, por la letra T, y la duración del pulso y el tiempo de pausa son ti y tp, respectivamente. En la forma de una fórmula matemática, el ciclo de trabajo se expresará de la siguiente manera: S = T / ti.

Debido a esta relación, el ciclo de trabajo de los pulsos "meandros" es igual a dos. El término meandro en este caso se toma prestado de la construcción y la arquitectura: este es uno de los métodos de colocación de ladrillos, el patrón de ladrillo simplemente se asemeja a la secuencia indicada de pulsos. La secuencia del pulso meandro se muestra en la Figura 2a.

El recíproco del ciclo de trabajo se llama factor de llenado y se indica con la letra D del ciclo de trabajo en inglés. De acuerdo con lo anterior, D = 1 / S.

Conociendo el período de repetición del pulso, es posible determinar la tasa de repetición, que se calcula mediante la fórmula F = 1 / T.

El comienzo del impulso se llama el frente y el final, respectivamente, el declive. La figura 2b muestra un impulso positivo con un ciclo de trabajo de 4. Su frente comienza desde un nivel bajo y sube a uno alto. Tal frente se llama positivo o ascendente. En consecuencia, la disminución de este impulso, como se puede ver en la imagen, será negativa, cayendo.

Para un impulso de bajo nivel, el frente caerá y la recesión aumentará. Esta situación se muestra en la Figura 2c.

Después de tan poca preparación teórica, puede comenzar a experimentar. Para ensamblar el multivibrador que se muestra en la Figura 1, es suficiente soldar dos condensadores y dos resistencias al microcircuito ya instalado en la placa de pruebas. Para estudiar las señales de salida, puede usar solo un voltímetro, preferiblemente un puntero, en lugar de uno digital. Esto ya se mencionó en la parte anterior del artículo.

Por supuesto, antes de encender el circuito ensamblado, debe verificar si hay cortocircuitos y el ensamblaje correcto de acuerdo con el circuito. Con las clasificaciones de condensadores y resistencias indicadas en el diagrama, el voltaje en la salida del multivibrador cambiará de bajo a alto no más de treinta veces por minuto. Así, una aguja de voltímetro conectada, por ejemplo, a la salida del primer elemento, oscilará de cero a casi cinco voltios.

Lo mismo se puede ver si conecta un voltímetro a otra salida: la amplitud y la frecuencia de las desviaciones de las flechas serán las mismas que en el primer caso. No es en vano que tal multivibrador a menudo se llame simétrico.

Si ahora no es demasiado vago y conecta otro condensador de la misma capacidad en paralelo con los condensadores, entonces puede ver que la flecha comenzó a oscilar dos veces más lentamente. La frecuencia de oscilación disminuyó a la mitad.

Si ahora, en lugar de condensadores, como se indica en el diagrama, condensadores de soldadura de menor capacidad, por ejemplo, 100 microfaradios, entonces puede notar solo un aumento en la frecuencia. La flecha del dispositivo fluctuará mucho más rápido, pero sus movimientos aún son bastante notables.

¿Y qué sucede si cambia la capacidad de un solo condensador? Por ejemplo, deje uno de los condensadores con una capacidad de 500 microfaradios y reemplace el otro con 100 microfaradios. El aumento en la frecuencia será notable y, además, la flecha del dispositivo mostrará que la relación de tiempo de pulsos y pausas ha cambiado. Aunque en este caso, según el esquema, el multivibrador seguía siendo simétrico.

Ahora intentemos reducir la capacitancia de los condensadores, por ejemplo 1 ... 5 microfaradios. En este caso, el multivibrador generará una frecuencia de audio del orden de 500 ... 1000 Hz. La flecha del dispositivo no podrá responder a dicha frecuencia. Simplemente estará en algún lugar en el medio de la escala, mostrando el nivel de señal promedio.

Simplemente no está claro aquí si los pulsos de una frecuencia suficientemente alta van realmente, o el nivel "gris" en la salida del microcircuito. Para distinguir dicha señal, se requiere un osciloscopio, que no todos tienen. Por lo tanto, para verificar el funcionamiento del circuito, es posible conectar los auriculares a través de un condensador de 0.1 μF y escuchar esta señal.

Puede intentar reemplazar cualquiera de las resistencias con una variable de aproximadamente el mismo valor. Luego, durante su rotación, la frecuencia variará dentro de ciertos límites, lo que hace posible ajustarla. En algunos casos, esto es necesario.

Sin embargo, al contrario de lo que se ha dicho, sucede que el multivibrador es inestable o no se inicia en absoluto. La razón de este fenómeno radica en el hecho de que la entrada del emisor de los microcircuitos TTL es muy crítica para los valores de las resistencias instaladas en su circuito. Esta característica de la entrada del emisor se debe a los siguientes motivos.

La resistencia de entrada es parte de uno de los brazos del multivibrador.Debido a la corriente del emisor, se crea un voltaje en esta resistencia que cierra el transistor. Si la resistencia de esta resistencia se realiza dentro de 2 ... 2.5 Kom, la caída de voltaje a través de ella será tan grande que el transistor simplemente deja de responder a la señal de entrada.

Si, por el contrario, tomamos la resistencia de esta resistencia dentro de 500 ... 700 ohmios, el transistor estará abierto todo el tiempo y no será controlado por señales de entrada. Por lo tanto, estas resistencias deben seleccionarse en base a estas consideraciones en el rango de 800 ... 2200 ohmios. Esta es la única forma de lograr el funcionamiento estable del multivibrador ensamblado de acuerdo con este esquema.

Sin embargo, tal multivibrador se ve afectado por factores como la temperatura, la inestabilidad de la fuente de alimentación e incluso variaciones en los parámetros de los microcircuitos. Los microchips de diferentes fabricantes a menudo difieren bastante significativamente. Esto se aplica no solo a la serie 155, sino también a otras. Por lo tanto, un multivibrador ensamblado de acuerdo con dicho esquema prácticamente no se usa.

Multivibrador de tres elementos.

Un circuito multivibrador más estable se muestra en la Figura 3a. Se compone de tres elementos lógicos, incluidos, como en el anterior, por inversores. Como se puede ver en el diagrama, en los circuitos emisores de los elementos lógicos, las resistencias que acabamos de mencionar no lo son. La frecuencia de oscilación está especificada por una sola cadena RC.

Figura 3. Multivibrador en tres elementos lógicos.

El funcionamiento de esta versión del multivibrador también se puede observar utilizando un dispositivo puntero, pero para mayor claridad, puede ensamblar la cascada de indicadores en el LED en la misma placa. Para hacer esto, necesita un transistor KT315, dos resistencias y un LED. El diagrama del indicador se muestra en la Figura 3b. También se puede soldar en una placa de prueba junto con un multivibrador.

Después de encender la alimentación, el multivibrador comenzará a oscilar, como lo demuestra el destello del LED. Con los valores de la cadena de tiempo indicados en el diagrama, la frecuencia de oscilación es de aproximadamente 1 Hz. Para verificar esto, es suficiente calcular el número de oscilaciones en 1 minuto: debe haber aproximadamente sesenta, lo que corresponde a 1 oscilación por segundo. Por definición, esto es precisamente 1Hz.

Hay dos formas de cambiar la frecuencia de tal multivibrador. Primero, conecte otro condensador de la misma capacidad en paralelo al condensador. Los flashes LED se volvieron la mitad de raros, lo que indica una disminución de la frecuencia a la mitad.

Otra forma de cambiar la frecuencia es cambiar la resistencia de la resistencia. La forma más fácil es instalar una resistencia variable con un valor nominal de 1.5 ... 1.8 Com en su lugar. Cuando esta resistencia gira, la frecuencia de oscilación variará dentro de 0.5 ... 20 Hz. La frecuencia máxima se obtiene en la posición de la resistencia variable cuando las conclusiones de los microcircuitos 1 y 8 están cerradas.

Si cambia el condensador, por ejemplo, con una capacidad de 1 microfaradio, entonces usando la misma resistencia variable es posible ajustar la frecuencia dentro de 300 ... 10 000 Hz. Estas ya son las frecuencias del rango de sonido, por lo tanto, el indicador se ilumina continuamente, es imposible decir si hay pulsos o no. Por lo tanto, como en el caso anterior, debe usar los auriculares conectados a la salida a través del condensador de 0.1 μF. Es mejor si los auriculares son de alta resistencia.

Para considerar el principio de funcionamiento de un multivibrador con tres elementos, volvamos a su esquema. Después de que se enciende la alimentación, los elementos lógicos tomarán algún estado no al mismo tiempo, que solo se puede suponer. Suponga que DD1.2 es el primero en estar en un estado de alto nivel en la salida. Desde su salida a través de un condensador C1 sin carga, se transmite un voltaje de alto nivel a la entrada del elemento DD1.1, que se establecerá en cero. En la entrada del elemento DD1.3 hay un nivel alto, por lo que también se establece en cero.

Pero este estado del dispositivo es inestable: el condensador C1 se carga gradualmente a través de la salida del elemento DD1.3 y la resistencia R1, lo que conduce a una disminución gradual del voltaje en la entrada DD1.1. Cuando el voltaje en la entrada DD1.1 se acerca al umbral, cambiará a la unidad y, en consecuencia, el elemento DD1.2 a cero.

En este estado, el condensador C1 a través de la resistencia R1 y la salida del elemento DD1.2 (en este momento la salida es baja) comienza a recargarse desde la salida del elemento DD1.3. Tan pronto como el capacitor se esté cargando, el voltaje en la entrada del elemento DD1.1 excederá el nivel umbral, todos los elementos cambiarán a estados opuestos. Así, en la salida 8 del elemento DD1.3, que es la salida del multivibrador, se forman impulsos eléctricos. Además, los pulsos se pueden eliminar del pin 6 de DD1.2.

Después de descubrir cómo obtener pulsos en un multivibrador de tres elementos, podemos intentar hacer un circuito de dos elementos, que se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Multivibrador en dos elementos lógicos.

Para hacer esto, la salida de la resistencia R1, justo en el circuito, es suficiente para soldar del pin 8 y soldar al pin 1 del elemento DD1.1. La salida del dispositivo será la salida 6 del elemento DD1.2. el elemento DD1.3 ya no es necesario y puede desactivarse, por ejemplo, para su uso en otros circuitos.

El principio de funcionamiento de un generador de impulsos de este tipo difiere poco de lo que se acaba de considerar. Suponga que la salida del elemento DD1.1 es alta, entonces el elemento DD1.2 está en estado cero, lo que permite que el capacitor C1 se cargue a través de la resistencia y la salida del elemento DD1.2. A medida que el condensador se carga, el voltaje en la entrada del elemento DD1.1 alcanza el umbral, ambos elementos cambian al estado opuesto. Esto permitirá que el condensador se recargue a través del circuito de salida del segundo elemento, la resistencia y el circuito de entrada del primer elemento. Cuando el voltaje en la entrada del primer elemento se reduce a un umbral, ambos elementos irán al estado opuesto.

Como se mencionó anteriormente, algunas instancias de microcircuitos en los circuitos del generador son inestables, lo que puede depender no solo de una instancia específica, sino incluso del fabricante del microcircuito. Por lo tanto, si el generador no arranca, es posible conectar una resistencia con una resistencia de 1.2 ... 2.0 Com entre la entrada del primer elemento y la "tierra". Crea un voltaje de entrada cercano al umbral, lo que facilita el arranque y la operación real del generador.

Tales variantes de generadores en tecnología digital se usan con mucha frecuencia. En las siguientes partes del artículo, se considerarán dispositivos relativamente simples ensamblados sobre la base de los generadores considerados. Pero primero, se debe considerar una opción más de un multivibrador: un vibrador único o un monovibrador de otra manera. Con la historia sobre él, comenzamos la siguiente parte del artículo.

Boris Aladyshkin

Continuación del artículo: Fichas lógicas. Parte 5