Pierwsze kroki w cyfrówce cz8(1).pdf

Układy cyfrowe

Umiesz już dowolnie opóźniać oraz

skracać impulsy.

Nieprzypadkowo zachęcałem cię do

zaprzyjaźnienia się z „kostkami Schmit−

ta”. Przy czasach opóźnienia większych

niż kilka mikrosekund, koniecznie trzeba

stosować takie właśnie bramki. Stosując

te bramki i kondensatory elektrolityczne

możesz uzyskać bardzo długie czasy, na−

wet rzędu minut. W układach z rysun−

ków 45...47 możesz stosować konden−

satory elektrolityczne o dowolnie dużej

pojemności, bylebyś tylko zachował ich

właściwą biegunowość. Ale tu czeka na

ciebie pewna pułapka: jeśli w twoim

układzie aluminiowe kondensatory elek−

trolityczne cały czas będą pozostawać

bez napięcia, to na pewno rozformują

się, wzrośnie ich prąd upływu i w kon−

sekwencji układ na pewno nie będzie

pracował. Nie znaczy to, że zwykłe elek−

trolity się nie nadają do układów czaso−

wych – nadają się. Jeśli jednak chcesz

zastosować aluminiowe elektrolity, to

musisz włączyć je tak, aby w stanie spo−

czynku były pod napięciem – na rysun−

ku 48 zobaczysz różne możliwości. Wer−

sje 48a i b, oraz 48c i d a także 48e i f są

równoważne – o tym którą z nich wybrać

zadecydują stany, jakie w stanie spo−

czynku (lub też przez większość czasu)

występują na wyjściu pierwszej bramki.

Ze względu na wzrost prądu upływu

aluminiowych elektrolitów, przechowy−

wanych bez napięcia, NIGDY nie stosuj

ich w układach, które będą włączane tyl−

ko dorywczo. To częsty błąd popełniany

nie tylko przez początkujących. Wi−

działem już kilka układów alarmowych,

montowanych przez „profesjonalistów”,

gdzie zwykłe elektrolity w obwodach cza−

sowych wręcz latami były pozostawione

w cyfrówce

część 8

bez napięcia. Oczywiście wtedy, gdy

alarm wreszcie powinien zadziałać, nie

zadziała właśnie przez takie elektrolity.

Pamiętaj o tym, to bardzo ważne!

Jeśli obawiasz się zastosowania alumi−

niowych elektrolitów, zastosuj kondensa−

tory tantalowe; mają one zdecydowanie

mniejszy prąd upływu i się nie rozformo−

wują. Innym rozwiązaniem będzie wyko−

rzystanie kondensatora stałego (foliowe−

go MKT, MKSE) o pojemności 1...2,2µF

i tranzystora. Dwa przykładowe układy

znajdziesz na rysunku 49. Czas opóźnie−

nia lub czas impulsu zwiększy się mniej

więcej tyle razy, ile wynosi wzmocnienie

prądowe tranzystora, czyli kilkadziesiąt

do kilkuset razy. Dioda służy do rozłado−

wania kondensatora po przyjściu drugie−

go, nieaktywnego zbocza przebiegu. Ale

i tu tkwi pewna pułapka: Długi czas uzys−

kuje się kosztem radykalnego zmniejsze−

nia prądu ładowania niewielkiego kon−

densatora. Prąd ten jest rzędu nanoam−

perów. Takiego rzędu prądy upływu mogą

też płynąć po powierzchni brudnej płytki,

która kilka lat będzie pracować w zakurzo−

nym i zawilgoconym otoczeniu. Dlatego

stosując sposób z rysunku 49 koniecznie

trzeba polakierować płytkę dobrym lakie−

rem izolacyjnym.

Szczerze mówiąc, dla układów, które

mają długo i niezawodnie pracować, ra−

dzę ci raczej właściwe wykorzystać elek−

trolity (rys. 48), najlepiej tantalowe, niż

układy z tranzystorem (rys 49). Dobrym

sposobem jest też użycie kostek zawiera−

jących liczniki (np. CMOS4060,

CMOS4541) – takie metody przedstawię

ci w jednym z następnych artykułów.

Do tej pory mówiliśmy o opóźnianiu

i skracaniu impulsów. Bardzo często po−

trzebne są układy, które pobudzone – ge−

nerują impuls o określonej długości.

Wykorzystaj do tego jeden z układów

pokazanych na rysunku 50. Ponieważ wy−

stępuje tu silne dodatnie sprzężenie

zwrotne, nie musisz stosować bramek

„ze szmitem”, nawet przy długich cza−

sach i wykorzystaniu (tantalowego) elek−

trolita w roli C1. W zasadzie są to układy

wyzwalane krótkim impulsem: ujemnym

– rysunek 50a lub dodatnim – rysunek

50b. Czasem potrzebne jest wyzwalanie

zboczem – wtedy wystarczy na wejściu

zastosować (tzw. różniczkujący) obwód

RC o małej stałej czasowej, rzędu mikro−

sekund czy milisekund. Z kolei jeśli po za−

kończeniu cyklu potrzebne jest szybkie

rozładowanie kondensatora (by przygoto−

wać układ do nowego cyklu), wtedy rów−

nolegle do rezystora trzeba włączyć dio−

dę. Warto zauważyć, że włączenie diody

skutecznie rozwiązuje problemy z rozła−

dowaniem kondensatora i przepływem

prądów wejściowych bramki, zasygnali−

Rys. 49. Układy opóźniające

z tranzystorem

Rys. 48. Różne sposoby włączania

kondensatorów

Rys. 50. Układy przerzutników mono−

stabilnych – uniwibratorów

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97

Pierwsze kroki

Układy cyfrowe

leżnień czasowych proponuje się wyko−

rzystanie specjalizowanych układów sca−

lonych. Kiedyś dawno rzeczywiście sto−

sowano powszechnie kostkę 74121, ale

nie miała ona możliwości przedłużania

impulsu. Stosowano też kostki 74123,

a także podwójne wersje obu kostek.

Ja osobiście nie polecam ci tych staro−

ci. Układy uzależnień czasowych wyko−

nasz w prosty sposób, bez specjalizowa−

nych kostek, stosując kilka negatorów

czy bramek NAND „ze szmitem” i ewen−

tualnie diodę lub tranzystor. Na poprzed−

nich rysunkach pokazałem ci sporą kolek−

cję odpowiednich schematów. Pora na

następne. Właściwie samą ideę już ci je

podałem na rysunku 46. Na rysunku 51

zobaczysz kilka przykładów przerzutni−

ków monostabilnych, uniwibratorów

z możliwością przedłużania impulsu wy−

jściowego. Te proste układy są naprawdę

przydatne i znakomicie sprawdzają się

w większości zastosowań. Musisz tylko

zwrócić uwagę na dwie sprawy.

Po pierwsze, jak widzisz na rysunkach

51a i c możesz tu uzyskać dowolnie dłu−

gie czasy stosując kondensatory elektro−

lityczne i rezystory rzędu 1M

czyna się po pojawieniu się odpowiednie−

go zbocza. Wtedy długość impulsu wy−

zwalającego nie odgrywa żadnej (lub pra−

wie żadnej) roli. W prostych układach

z rysunku 51 czas trwania impulsu wy−

zwalającego ma znaczenie. Jeśli impuls

wejściowy będzie za krótki, to kondensa−

tor nie zdąży się w pełni naładować (roz−

ładować) przez diodę D1. Minimalny czas

impulsu wyzwalającego możesz oszaco−

wać obliczając stałą czasową RoC1, gdzie

C to dołączona pojemność , a Ro to re−

zystancja wyjściowa współpracującej

bramki (wcześniej, przy okazji omawiania

rysunku 35 podałem ci przybliżone war−

tości). Przykładowo, jeśli chcesz uzyskać

długi czas impulsu wyjściowego, zasto−

suj kondensator elektrolityczny i zewnę−

trzny rezystor o wartości 1...3,3M

(re−

zystorów o większej wartości nie pole−

cam ci ze względu na wspomniane prądy

upływu zakurzonej i wilgotnej płytki). Przy

pojemności 100µF uzyskasz czas impul−

su wyjściowego ponad minutę. Policz po−

trzebny minimalny czas trwania impulsu

wyzwalającego. Jeśli twój układ zawiera

negatory 40106 lub bramki 4093 i pracu−

je przy napięciu zasilania równym 5V

przyjmij, że rezystancja wyjściowa bram−

ki wyniesie 1k

Rys. 51. Przerzutniki monostabilne

z możliwością przedłużania impulsu

wyjściowego

zowane przy omawianiu rysunku 47

i w żadnych okolicznościach nie trzeba

stosować pokazanego tam szeregowego

rezystora ograniczającego. Tak zmodyfi−

kowany przerzutnik monostabilny poka−

zany jest na rysunku 50c.

Układy z rysunku 50 są użyteczne

w praktyce, mają też pewną cechę, która

niekiedy jest zaletą, a niekiedy wadą.

Mianowicie pierwszy nadchodzący krótki

impuls powoduje uruchomienie naszego

przerzutnika monostabilnego (zwanego

też przerzutnikiem jednostabilnym, uni−

wibratorem lub monowibratorem) i prze−

rzucenie go do tak zwanego stanu wzbu−

dzenia na czas wyznaczony wartością

elementów R1, C1. Jeśli w trakcie trwa−

nia tego wzbudzenia, na wejściu pojawi

się nastepny krótki im−

puls, to zostanie on zig−

norowany – nie będzie

miał żadnego wpływu na

czas trwania impulsu wy−

jściowego. W praktyce

często potrzebne nam są

układy monostabilne,

w których każdy kolejny

nadchodzący krótki im−

puls wejściowy będzie

przedłużał czas trwania

impulsu na wyjściu – an−

gielskiej literaturze spo−

tyka się określenie retrig−

ger (powtarzane wyzwa−

lanie), które wskazuje na

możliwość takiego

przedłużania impulsu.

W licznych książkach do

wszelkich obwodów uza−

. Przy sto−

sowaniu zwykłych elektrolitów zapewne

zechcesz, by w spoczynku były pod na−

pięciem – właśnie układy z rysunków

a i c spełniają ten warunek. Musisz jed−

nak wziąć pod uwagę, że przy włączaniu

zasilania kondensatory te zaczną się łado−

wać przez rezystory, co spowoduje wy−

generowanie impulsu po każdym włącze−

niu zasilania. Inaczej jest w układach z ry−

sunków b oraz d. Tu przy włączaniu zasi−

lania nic się nie będzie działo, ale konden−

satory w spoczynku pozostają bez napię−

cia – dlatego narysowałem tam konden−

satory stałe.

Teraz druga sprawa.

Specjalizowane układy scalone są wy−

zwalane zboczem, to znaczy, że cykl za−

. Stała czasowa Ro x C1

wynosi 100µFx1k

= 100ms. Przy wy−

ższych napięciach czas ten będzie odpo−

wiednio krótszy.

Jeśli przewidywane impulsy wyzwala−

jące miałyby być krótsze, zastosuj na we−

jściu równie prosty układ wydłużania im−

pulsu. W zależności od potrzeb możesz

jeszcze dodać na wejściu obwód różnicz−

kujący RC.

Przykładowe rozwiązania pokazane są

na rysunku 52.

Na rysunku 52a znajdziesz układ, który

daje na wyjściu stan niski, jeśli na we−

jściu pojawiają się nawet krótkie impulsy

dodatnie. Zauważ, że stan aktywny na

Rys. 52. Układy przerzutników o bardzo długich czasach z obwodami wydłużania impulsów

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97

Układy cyfrowe

Rys. 53. Układy do wytwarzania „biegnącego zera” lub „biegnącej jedynki”

wyjściu (niski) będzie też panował cały

czas trwania stanu dodatniego na we−

jściu i jeszcze przez czas opóźnienia, wy−

znaczony głównie przez R1C1.

Nieco inaczej działa układ z rysunku

52b. Tu dodatkowo zastosowałem na

wejściu obwód różniczkujący C3R3. Jeśli

na wejściu A będą regularnie pojawiać

się impulsy (albo przebieg prostokątny),

to wyjście układu, czyli punkt D, będzie

stale w stanie niskim. Jeśli przebieg na

wejściu zaniknie, na wyjściu pojawi się

stan wysoki. Masz oto dyskryminator

częstotliwości – jeśli częstotliwość prze−

biegu podawanego na wejście będzie od−

powiednio duża – na wyjściu D będzie się

utrzymywał stan niski; jeśli częstotliwość

będzie zbyt mała – na wyjściu pojawią się

impulsy dodatnie.

Na zakończenie kolekcji układów cza−

sowych jeszcze układy z rysunku 53. Za−

uważ, w jaki beznadziejnie prosty sposób

z użyciem kilku inwerterów „ze szmitem”

możesz uzyskać efekt biegnącego zera

lub biegnącej jedynki. Bardzo często taki

sposób jest tańszy i lepszy niż wykorzys−

tanie rejestru przesuwnego albo licznika

z dekoderem. Dodatkową zaletą jest fakt,

że poszczególne czasy mogą być dobiera−

ne w bardzo szerokich granicach, nieza−

leżnie jeden od drugiego (pokazałem ci to

na rysunku). Przy dobieraniu czasów nie

możesz jednak przesadzić. Przy drugim,

nieaktywnym zboczu kondensator musi

się zdążyć rozładować. Dlatego jeśli któ−

ryś z czasów byłby wyjątkowo krótki, po−

winieneś zastosować diodę równolegle

do rezystora, jak na rysunku 50c.

Podany sposób opóźnienia można za−

stosować choćby w prostych układach

sterujących wyświetlaczem licznika−częs−

tościomierza. Przykładowo w układzie

z rysunku 53a impuls wejściowy swym

stanem wysokim umożliwia pracę liczni−

ka. Po krótkim czasie opóźnienia (R1C1)

dodatni impuls z wyjścia G wpisuje za−

wartość licznika do pamięci (zatrzasku,

latcha), a ujemny impuls z następnego

wyjścia F zeruje licznik przygotowując go

do następnego cyklu pracy.

Piiotr Góreckii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: