7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
По технологии изготовления интегральные микросхемы (ИМС) делят на гибридные, пленочные и полупроводниковые.
У полупроводниковых микросхем все активные и пассивные элементы выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. В пленочной ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены только в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов на поверхности диэлектрической подложки. В гибридных микросхемах токонесущие проводники, резисторы, обкладки конденсаторов представляют собой пленки определенных размеров и электрических свойств, нанесенных на диэлектрическую подложку, на которую устанавливают диоды, транзисторы (как правило кремниевые структуры n-p-n), но без корпусов.
По функциональному назначению микросхемы делят на аналоговые (или линейно-импульсные) и логические (или цифровые). Аналоговые микросхемы используются для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов в приемниках, телевизорах и т. д. Логические (цифровые) микросхемы используются в ЭВМ, различных цифровых приборах и т. д.
Изучение лучше начать с аналоговой полупроводниковой микросхемы широкого применения К118УН1Б (серия К122 отличается только конструктивным оформлением). Принципиальная схема этой микросхемы изображена на рис. 7.1, а, вид корпуса — на рис. 7.1, б, принципиальная схема УЗЧ на этой микросхеме — на рис. 7.2.
Рис. 7.1, а Принципиальная схема микросхемы К118УН1Б
Рис. 7.1, б) Тип корпуса микросхемы К118УН1Б (201.14-1)
Рис. 7.2. УЗЧ на микросхеме К118УН1Б :
а) принципиальная схема; б) монтажная плата
Из рис 7.1 видно, что микросхема К118УН1Б представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ), выполненный на кремниевых транзисторах структуры n-р-n с непосредственными связями. Каскад на транзисторе VT1 выполнен по схеме с ОЭ, а на транзисторе VT2 может быть использован как в схеме с ОЭ, так и в схеме ОК в зависимости от схемы включения транзистора VT2.
Роль нагрузки могут выполнять резисторы R7 (в схеме с ОК) или R5 (в схеме с ОЭ), а также внешние элементы. Через резисторы R4 и R6 транзисторы охвачены ООС, определяющей и стабилизирующей режим работы по постоянному току. Коэффициент усиления усилителя на микросхеме не менее 400 на частоте 12 кГц и не мене 30 на частоте 5 МГц, так что эта микросхема может быть использована и как усилитель напряжения радиочастоты в радиоприемнике.
Очень широкое применение в радиоэлектронике находят операционные усилители (ОУ). Операционным усилителем называют усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два высокоомных входа, один низкоомный выход и предназначенный для построения разнообразных узлов электронной аппаратуры. Впервые они были использованы в аналоговых ЭВМ, в узлах, реализующих различные математические операции — суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование и др. В настоящее время ОУ выполняют функции более 200 функциональных узлов электронной аппаратуры.
На рис. 7.3, а приведены типовые схемы включения ОУ К140УД1 и 140УД5.
Рис. 7.3. Типовые схемы включения ОУ 140УД1 (а) и К140УД5 (б)
Основными характеристиками ОУ являются характеристика прямой передачи, как ее принято называть — амплитудная характеристика (рис. 7.3, б), и амплитудно-частотная характеристика (рис. 7.3, в). При подаче сигнала на неинвертирующий вход амплитудная характеристика имеет вид кривой АВ (рис. 7.3, б), а при подаче сигнала на инвертирующий вход — вид кривой CD. Линейный участок амплитудной характеристики сверху и снизу практически ограничен напряжениями источников питания положительной и отрицательной полярности. Коэффициент усиления постоянного тока и очень низких частот современных ОУ достигает 104-106, а частота единичного усиления — 15∙106 Гц. Наличие у ОУ инвертирующего входа позволяет охватывать его цепями ООС и реализовывать требуемые амплитудные и амплитудно-частотные характеристики.
Основные параметры ОУ и их общепринятая размерность:
• Коэффициент усиления напряжения Ки, (103106);
• Коэффициент ослабления синфазного сигнала Kосл. сф, дБ;
• Частота единичного усиления (при которой Ku = 1) f1, МГц;
• Входное сопротивление Rвх, кОм;
• Напряжение смещения нуля Uсм, мВ;
• Максимальное входное дифференциальное напряжение Uвх. диф. max, В
• Максимальное входное синфазное напряжение Uвх. сф. max, В;
• Максимальное выходное напряжение Uвых. max, В;
• Скорость нарастания выходного напряжения V, В/мкс;
• Количество ОУ в одном корпусе ИМС, шт.
Чтобы знать, как работает ЭВМ и другие цифровые устройства, необходимо знать алгебру логики или Булеву алгебру (по имени ее основоположника Д. Буля). Цифровая (двоичная) логика различает только два состояния, которые в классической логике соответствуют понятиям «истина» и «ложь», а в применении к электронике — понятиям «1» и «0», соответствующие двум состояниям вентиля. Использование этого термина («вентиль») удобно для понимания физики процесса и можно объяснить так, что схемы с вентилями могут задерживать или пропускать цифровую информацию по принципу обычного вентиля, предназначенного для управления потоком жидкости. Такое объяснение особенно удобно для начинающих радиолюбителей.
Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:
• логическое умножение, или операцию И;
• логическое сложение, или операцию ИЛИ;
• логическое отрицание, или операцию НЕ.
Все возможные логические функции n переменных можно образовать с помощью этих трех операций. В таблице 7.1 приведены математические записи основных аксиом и законов Булевой алгебры. Применение данных аксиом и законов позволяет производить упрощение логических функций, которые могут иметь различные формы представления: словесное, табличное, алгебраическое, графическое. Наиболее широко используют представление функций в виде таблиц истинности, которые содержат все возможные наборы значений логических переменных и значения функций, соответствующих каждому из наборов.
Элементы, выполняющие логические операции И, ИЛИ, НЕ, называются логическими элементами И, ИЛИ, НЕ соответственно.
УГО логического элемента И показано на рис. 7.4, а. Его условным символом служит знак «&», стоящий внутри прямоугольника; этот знак заменяет союз «и» в английском языке. Слева — два (может быть и больше) логических входа — X1 и Х2, справа — один выход Y. Логика действия элемента такова: напряжение высокого уровня появляется на выходе элемента лишь тогда, когда сигналы такого же уровня будут поданы на все его входы.
Рис. 7.4. Логический элемент И :
а ) условное графическое обозначение; б ) его электрический аналог; в ) временные диаграммы электрических процессов; г ) таблица состояний (истинности) элемента
Разобраться в логике действия логического элемента И поможет его электрический аналог (рис. 7.4, б), составленный из последовательно соединенных источника питания GB1 (например, батареи 3336), кнопочных переключателей SB1, SB2 любой конструкции и лампы накаливания HL1 (МН3,5–0,26). Переключатели имитируют электрические сигналы на входе аналога, а нить лампы индицирует уровень сигнала на выходе. Разомкнутое состояние контактов переключателей соответствует напряжению низкого уровня, замкнутое — высокого уровня. Пока контакты кнопок не замкнуты (на обоих входах элемента напряжение низкого уровня), электрическая цепь аналога разомкнута и лампа, естественно, не светит.
На рис. 7.4, в изображены временные диаграммы электрических процессов, дающих достоверное представление о работе логического элемента И. На входе X1 сигнал появляется первым. Как только такой же сигнал появляется и на входе Х2, тут же появляется и сигнал на выходе Y, который существует до тех пор, пока на обоих входах имеются сигналы, соответствующие напряжению высокого уровня.
О состоянии и логической связи между входными и выходными сигналами элемента И дает представление так называемая таблица состояний (истинности) (рис. 7.4, г), напоминающая таблицу умножения. Глядя на нее, можно сказать, что сигнал высокого уровня на выходе элемента будет лишь тогда, когда сигналы такого же уровня появятся на обоих его входах. Во всех других случаях на выходе элемента будет напряжение низкого уровня, т. е. соответствующее логическому нулю.
Для микросхем серии К155 и других микросхем напряжение от 0 до 0,4 В, т. е. соответствующее уровню логического 0, называют напряжением низкого уровня, а напряжение более 2,4 В, соответствующее уровню логической 1, — напряжением высокого уровня.
Условный символ логического элемента ИЛИ — цифра 1 внутри прямоугольника (рис. 7.5, а). У этого элемента, как и у элемента И, могут быть два и больше входов. Сигнал на выходе Y, соответствующий напряжению высокого уровня, появляется при подаче такого же сигнала на вход X1 или на вход Х2, или одновременно на оба входа. Чтобы убедиться в этом, проведите опыт с его электрическим аналогом (рис. 7.5, б).
Лампа накаливания HL1 на выходе аналога будет светить всякий раз, когда окажутся замкнутыми контакты кнопки SB1 или SB2, или одновременно обеих (всех) кнопок. Лучше понять работу элемента ИЛИ помогут временная диаграмма его работы (рис. 7.5, в) и таблица состояний (истинности) (рис. 7.5, г).
Рис. 7.5. Логический элемент ИЛИ :
а ) условное графическое обозначение; б ) его электрический аналог; в ) временные диаграммы электрических процессов; г ) таблица состояний (истинности) элемента.
Условный символ логического элемента НЕ — тоже цифра 1 в прямоугольнике (рис. 7.6, а). Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок на пересечении прямоугольника и линии выходного сигнала символизирует логическое отрицание на выходе элемента. Физически элемент НЕ представляет собой инвертор — электронное устройство, выходной сигнал которого противоположен входному. Т. е. если на входе элемента действует сигнал низкого уровня, то на его выходе имеется сигнал высокого уровня, и наоборот. Электрический аналог элемента НЕ можно собрать по схеме, представленной на рис. 7.6, б. При наличии на входе сигнала высокого уровня (кнопка SB1 нажата, срабатывает реле К1, размыкаются его контакты К1.1) на выходе элемента имеется сигнал низкого уровня (лампочка не светит). Лучше понять работу элемента НЕ помогут временная диаграмма его работы (рис. 7.6, в) и таблица состояний (рис. 7.6, г).
Рис. 7.6. Логический элемент НЕ :
а ) условное графическое обозначение; б ) его электрический аналог; в ) временные диаграммы электрических процессов; г ) таблица состояний (истинности) элемента
Любая сколь угодно сложная логическая функция может быть реализована на наборе логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
Помимо рассмотренных логических элементов на практике широко применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции, например, элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Рассмотрим более подробно логический элемент И-НЕ. Он представляет собой комбинацию элементов И и НЕ, поэтому на его графическом обозначении (рис. 7.7, а) есть знак «(«и кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два или больше. Его электрический аналог изображен на рис. 7.7, б. Когда на входе элемента имеется сигнал высокого уровня — логическая единица (обе кнопки нажаты, реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 размыкаются), то на выходе имеется сигнал низкого уровня, — логический ноль (лампочка не светит). Если на входе элемента имеется лишь один сигнал высокого уровня (нажата лишь одна какая-либо кнопка, реле не срабатывает и его контакты К1.1 замкнуты), то на выходе имеется сигнал высокого уровня (лампа светит). Такой вывод подтверждается временной диаграммой и таблицей состояния, показанными на рис. 7.7, в, г.
Рис. 7.7. Логический элемент И-НЕ :
а ) условное графическое обозначение; б ) его электрический аналог; в ) временные диаграммы электрических процессов; г ) таблица состояний (истинности) элемента
Если входы элемента И-НЕ соединить вместе и подать на них сигнал высокого уровня (на электрическом аналоге — обе кнопки заменить одной), на выходе элемента будет сигнал низкого уровня. И наоборот, при подаче на объединенный вход сигнала низкого уровня, на выходе элемента будет сигнал высокого уровня.
В этом случае элемент И-НЕ становится инвертором, т. е. логическим элементом НЕ.
Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в приборах и устройствах цифровой техники.
Аналогично можно рассмотреть работу и логического элемента ИЛИ-НЕ.
Однако в составе серий цифровых микросхем имеют более широкое распространение элементы И-НЕ и ИЛИ-HE (нежели элементы И, ИЛИ, НЕ), а также более сложные логические элементы И-ИЛИ-НЕ. На основе любого из этих элементов можно реализовать любую элементарную функцию И, ИЛИ, НЕ. На рис. 7.8 показана реализация функций И, ИЛИ, НЕ с помощью логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Рис. 7.8. Реализация функций И , ИЛИ , НЕ с помощью логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ
7.2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МИКРОСХЕМОЙ К155ЛАЗ
Микросхема K155ЛA3 находит широкое применение в практике радиолюбителя. С нее и начнем знакомство.
Внешний вид и УГО этой микросхемы показаны на рис. 7.9.
Рис. 7.9. Внешний вид и УГО микросхемы K155ЛA3
Конструктивно она представляет собой пластмассовый корпус прямоугольной формы с 14 пластинчатыми выводами (некоторые микросхемы этой серии имеют по 16 и даже 24 вывода), расположенными вдоль обеих длинных сторон корпуса. Сверху на корпусе есть условный ключ — небольшая круглая метка, означающая местоположение вывода 1. От него ведут отсчет остальных выводов. Если смотреть на микросхему сверху — со стороны маркировки, — то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу — по часовой стрелке. Такое правило распространено на все микросхемы.
Микросхема К155ЛАЗ состоит из 4 логических элементов 2И-НЕ (цифра 2 указывает число входов каждого элемента), питающихся от общего внешнего источника напряжения постоянного тока. Каждый ее логический элемент работает самостоятельно.
Выделить элементы нетрудно по номерам выводов, проставленным на графическом схемном обозначении микросхемы. Так, входные выводы 1, 2 и выходной вывод 3 относятся к одному из ее элементов, например, первому, входные 4, 5 и выходной 6 — ко второму элементу и т. д. Необозначенные на рис. 7.9, б выводы 7 и 14 микросхемы служат для подачи питания на все элементы. Эти выводы не принято изображать на схеме, чтобы ее не загромождать линиями питания, а также потому, что элементы обычно располагают на принципиальной электрической схеме устройства не слитно, как на рис. 7.9, б, а раздельно в разных участках. Цепи же питания элементов остаются общими. Причем для микросхемы K155ЛA3 вывод 14 должен быть соединен с плюсовым, а вывод 7 — с минусовым полюсами источника питания.
Микросхема K155ЛA3, как и все другие микросхемы этой серии, рассчитана на питание от источника постоянного тока напряжением 5 В ±5 %. Можно использовать и батарею гальванических элементов, например, 3336, но в процессе опытов ее напряжение будет уменьшаться, что, естественно, скажется на режиме работы микросхемы, а при определенной разрядке батареи микросхема вообще перестанет нормально работать. Поэтому желательно использовать блок питания, обеспечивающий стабильное напряжение 5 В.
Макетную панель, необходимую для проведения опытов, можно сделать из стеклотекстолита, гетинакса или другого листового изоляционного материала толщиной 1,52 мм — это будет линия питания. По всей оставшейся площади через каждые 10 мм насверлите отверстия диаметром 0,81 мм, в которые по мере надобности будете вставлять отрезки луженого провода. Снизу по углам панели прикрепите невысокие ножки-подставки и приступайте к опытам.
Микросхему разместите в любом месте макетной панели выводами вниз, предварительно отогнув их узкие концы так, чтобы они плотно прилегали к панели. Отрезками монтажного провода вывод 14 микросхемы соедините с плюсовой, а вывод 7 — с минусовой (общей) линиями питания. Чтобы при пайке не перегреть микросхему, мощность паяльника не должна превышать 40 Вт, а продолжительность пайки выводов — 2–3 с.
Подключите источник питания. Вольтметром постоянного тока с относительным входным сопротивлением не менее 5 кОм/В (авометром) измерьте напряжение на всех логических выводах элементов. Для этого минусовый щуп вольтметра соедините с общей линией, а плюсовым поочередно коснитесь входных выводов 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13, а затем выходных выводов 3, 6, 8, 11. При напряжении источника питания 5 В вольтметр должен показать на входных выводах элементов около 1,4 В, а на выходных — около 0,3 В. Если это не так, значит микросхема неисправна.
Опытную проверку логики действия элементов 2И-НЕ микросхемы можно начать с любого из них, предположим, с первого — DD1.1 с выводами 1–3 (рис. 7.10).
Рис. 7.10, а, б, в . Опытная проверка логики действия элемента 2И-НЕ ( К155ЛАЗ )
Сначала один из входных выводов, например вывод 2, соедините с общей минусовой линией, а вывод 1 — с плюсовой, но через резистор сопротивлением 11,5 кОм (на рис. 7.10, а — R1). К выходному выводу 3 элемента DD1.1 подключите вольтметр PV1. Вольтметр покажет напряжение, равное примерно 3,54 В, т. е. соответствующее высокому уровню.
Затем измерьте вольтметром напряжение на входном выводе 1, он также покажет высокий уровень напряжения. Отсюда вывод: когда на одном из входов элемента 2И-НЕ высокий уровень напряжения, а на другом низкий, на выходе будет высокий уровень напряжения.
Теперь и входной вывод 2 элемента соедините через резистор сопротивлением 11,5 кОм с плюсовой линией и одновременно проволочной перемычкой — с общей (рис. 7.10, б). Измерьте напряжение на выходном выводе. На нем, как и в предыдущем случае, будет высокий уровень напряжения. Следя за стрелкой авометра, удалите проволочную перемычку, чтобы и на втором входе элемента появился высокий уровень напряжения. На выходе элемента будет напряжение около 0,3 В, соответствующее низкому уровню. Следовательно, элемент из единичного состояния переключился в нулевое.
Той же проволочной перемычкой замкните первый вход на общую линию. На выходе при этом сразу появится высокий уровень напряжения. А если любой из входных выводов периодически замыкать на общую линию, как бы имитируя подачу на него напряжения низкого уровня, с такой же частотой следования на выходе элемента будут появляться электрические импульсы и будет колебаться стрелка вольтметра.
О чем говорят проведенные опыты? Они подтверждают логику действия элемента 2И-НЕ, проверенную ранее на его электрическом аналоге: при подаче напряжения высокого уровня на оба входа на выходе элемента появляется напряжение низкого уровня.
Еще один опыт: отключите оба входных вывода элемента от других деталей и проводников. На выходе будет низкий уровень напряжения. Так и должно быть, потому что неподключение входных выводов равнозначно подаче на них высокого уровня напряжения и, следовательно, установке элемента в нулевое состояние.
Не забывайте в будущем об этой особенности логических элементов ТТЛ микросхем!
Следующий опыт — проверка действия того же логического элемента 2И-НЕ при включении его инвертором, т. е. как элемент НЕ. Замкните между собой оба входных вывода и через резистор сопротивлением 11,5 кОм соедините их с плюсовой линией питания (рис. 7.10, в). Вольтметр покажет низкий уровень напряжения. Не отключая резистора от этой линии, замкните объединенный вход на минусовую линию (показано штриховыми стрелками) и одновременно проследите за реакцией вольтметра. Он покажет высокий уровень напряжения. Таким образом, вы убедитесь, что сигнал на выходе инвертора всегда противоположен входному.
Теперь давайте рассмотрим принципиальную электрическую схему логического элемента 2И-НЕ. Он состоит из четырех транзисторов структуры n-р-n, трех диодов и пяти резисторов (рис. 7.11).
Рис. 7.11. Принципиальная схема логического элемента 2И-НЕ
Связь между транзисторами непосредственная. Резистор Rн, показанный штриховыми линиями, символизирует нагрузку, подключенную к выходу элемента. Подобные электронные устройства цифровой техники называют микросхемами транзисторно-транзисторной логики, или сокращенно ТТЛ. В этом отражен тот факт, что входные логические операции (или, как часто говорят — входную логику) выполняет многоэмиттерный транзистор (первая буква Т), усиление и инверсию сигнала — тоже транзисторы (вторая буква Т).
Входной транзистор VT1, включенный по схеме с общей базой, — двухэмиттерный. Причем эмиттеры соединены с общим проводом питания через диоды VD1, VD2 — они защищают транзистор от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Транзистор VT2 образует усилитель с двумя нагрузками: эмиттерной (резистор R3) и коллекторной (резистор R2). Снимаемые с них противофазные сигналы (противоположные по уровню: если на коллекторе высокий уровень напряжения, на эмиттере — низкий) поступают на базы выходных транзисторов VT3 и VT4. Таким образом, выходные транзисторы во время работы всегда находятся в противоположных состояниях — один закрыт, а второй в это время открыт. Этому способствует и диод VD3.
При наличии на одном или обоих входах элемента напряжения низкого уровня (например, при соединении их с общим проводом) транзистор VTI будет открыт и насыщен, транзисторы VT2 и VT4 закрыты, а транзистор VT3 открыт и через него, диод VD3 и нагрузку Rн течет ток — элемент в единичном состоянии. В том же случае, когда на оба входа будет подан высокий уровень напряжения, транзистор VT1 закроется, а транзисторы VT2 и VT4 откроются и тем самым закроют транзистор VT3. При этом ток через нагрузку практически прекратится, так как элемент примет нулевое состояние.
Низкий уровень напряжения на выходе логического элемента равен напряжению на коллекторе открытого транзистора VT4 и не превышает 0,4 В. Высокий же уровень напряжения на выходе логического элемента (когда транзистор VT4 закрыт) меньше напряжения источника питания на значение падения напряжения на транзисторе VT3 и диоде VD3 — не менее 2,4 В. Фактически же напряжение логических уровней низкого и высокого на выходе элемента зависит от сопротивления нагрузки и может несколько отличаться от указанного выше.
Переход элемента из единичного состояния в нулевое происходит скачкообразно при переходе его входного напряжения через значение около 1,2 В, называемое пороговым.
При монтаже аппаратуры для повышения устойчивости работы микросхем их свободные входы должны быть подключены к источнику питания микросхемы через резистор с сопротивлением 1 кОм. К одному резистору допускается подключение не более 20 свободных входов. Для защиты от низкочастотных помех — необходимо предусмотреть установку и подключение к шинам питания на плате оксидных конденсаторов (из расчета не менее 0,1 мкФ на один корпус микросхемы). Для защиты от высокочастотных помех — керамические конденсаторы (емкость не менее 2000 пФ на один корпус микросхемы). Рекомендуется размещать на площади печатной платы из расчета один конденсатор на группу не более десяти микросхем.
Следует запомнить несколько полезных советов:
• в тех случаях, когда требуется развязка между элементами схемы, то есть требуется обеспечить, чтобы одна часть схемы не влияла на работу другой части схемы, применяют развязывающий элемент (буфер). В качестве развязывающего элемента можно использовать логические элементы И или ИЛИ, объединив (закоротив) их входы;
• в тех случаях, когда логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ в схеме не все использовались, их можно применить в качестве инверторов. Такой способ более удобен, нежели установка дополнительных интегральных микросхем с инверторами; иногда в схеме необходима всего одна операция инвертирования, тогда проще использовать в качестве инвертора транзистор.
7.3. КРАТКО О МИКРОСХЕМАХ СЕРИИ КМОП
Очень широко в радиолюбительской практике применяются микросхемы серии МОП и КМОП — К176, К561 и 564. Микросхемы К176 по принципу работы и конструктивному оформлению аналогичны микросхемам серии К155. Так, например, микросхема K176ЛA7, как и микросхема K155ЛA3, содержит в своем корпусе четыре логических элемента 2И-НЕ. Но всегда следует помнить: аналогичные по функциональному назначению микросхемы серий К176 и К155 не взаимозаменяемы! Дело в том, что микросхемы серии К176 рассчитаны на номинальное напряжение питания 9 В ±5 %, хотя и сохраняют работоспособность при напряжении в пределах 4,512 В. И напряжение логических уровней у них неодинаково.
При напряжении питания 9 В напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0, не более 0,3 В (для микросхемы серии К155 — не более 0,4 В), а высокого уровня — не менее 8,2 В (для микросхемы К155 — не менее 2,4 В). Все это и некоторое другое не позволяют непосредственно подключать микросхемы серии К176 к микросхемам серии К155 и, следовательно, использовать их для совместной работы в одной конструкции.
Основное достоинство микросхем серии К176 — их экономичность. По сравнению с микросхемами серии К155 они потребляют от источника питания энергии во много раз меньше. Например, микросхема К176ИЕ2 — счетчик импульсов — потребляет от источника питания ток около 100 мкА, а ток, потребляемый микросхемой К155ИЕ2 (тоже счетчиком импульсов), достигает 50 мА. Объясняется это тем, что основой микросхемы серии K176 служат полевые транзисторы структуры МОП (металл-окисел-полупроводник), а не биполярные транзисторы, как в микросхемах ТТЛ.
В связи с этим изменяется и уровень сигналов, подаваемых на управляющие входы микросхем.
Не следует забывать еще одну особенность микросхем серии К176: на них губительно действуют электростатические заряды!
Вот несколько советов, предупреждающих эти неприятности.
1. При хранении выводы микросхемы должны быть обернуты фольгой.
2. Чтобы исключить случайный пробой полевых транзисторов микросхемы статическим электричеством во время монтажа, статические потенциалы электропаяльника, паяемой детали и тела самого монтажника должны быть уравнены и сведены к минимуму.
3. Целесообразно паяльник подключать к сети через разделительный трансформатор, а металлическую пластину, закрепленную на ручке паяльника голым проводом, соединить с заземлением (металлическими трубами) через резистор сопротивлением 1 МОм. Мощность паяльника должна быть в пределах 25…40 Вт. Время пайки каждого вывода не должно превышать 3 с.
4. Пайку микросхем серии К176 следует начинать с выводов питания, временно включив между проводами питания на плате резистор сопротивлением 1…2 кОм.
5. И еще одно предупреждение: напряжение питания устройства на микросхемах серии К176 необходимо включать до подачи на его вход управляющих сигналов.
УГО микросхемы K176ЛA7 показано на рис. 7.12. Оно отличается от микросхемы К155ЛА3 только нумерацией выводов двух средних (по схеме) логических элементов 2И-НЕ. Плюсовой провод источника питания соединяют с выводом 14, а минусовой — с выводом 7.
Рис. 7.12. УГО микросхемы К176ЛА7
7.4. ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
7.4.1. Автомат «бегущий огонь»
Предлагаемая на рис. 7.13 схема автомата «бегущий огонь» отличается от других ранее опубликованных схем простотой настройки и изготовления. В ней микросхема DD1 служит генератором, a DD2 — счетчиком с встроенным Дешифратором. Скорость переключения светодиодов меняется при помощи переменного резистора R2. Для автомата «бегущий огонь» можно использовать любые светодиоды, например типа AЛ307. Резистор R3 можно не ставить, если используется питание меньше 12 В. Микросхема К561ИЕ8 это выдерживает.
Рис. 7.13. Схема автомата «Бегущий огонь»
Из автомата «бегущий огонь» можно получить игрушку «Казино», если пронумеровать светодиоды, расположить их по кругу и поставить тумблер S1. Для разделения на сектора можно использовать разноцветные светодиоды. Для дальнейшего упрощения схемы игрушки можно вместо генератора на микросхеме DD1 использовать антенну — кусок любого провода длиной 10…50 см (рис. 7.14). Игрушка работоспособна вблизи электропроводки, но при достаточной длине провода антенны функционирует практически везде в квартире.
Рис. 7.14. Игрушка «Казино»
Для маленьких детей, любящих играть с игрушечными автомобилями, неплохим подарком станет светофор, реализованный на хорошо известной микросхеме К561ЛА7 (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Схема игрушки «Светофор» на микросхеме K561ЛA7
Помимо, прочего, эта игрушка несет в себе полезную воспитательную нагрузку — учит малышей обращать внимание на светофор в реальной жизни. Времязадающая цепь R2, С2 определяет частоту переключения зеленого и красного светодиодов, а цепь C1, R1 определяет время горения желтого светодиода.
Попытка реализовать такой светофор на микросхеме К561ЛП2 не принесла успеха вследствие малой мощности выходных каскадов этой микросхемы. Зато на более современной микросхеме К1554ЛП5 светофор можно сделать с большим количеством светодиодов и, следовательно, более ярким, как показано на рис. 7.16.
Рис. 7.16. Схема игрушки «Светофор» на микросхеме К1554ЛП5
7.4.2 Электронный мини-кегельбан [8]
Электронный вариант мини-кегельбана в одинаковой мере интересен как начинающим радиолюбителям, так и опытным. Устройство несложно в изготовлении и может быть выполнено в виде компактной конструкции, удобной для пользования в домашних условиях, при поездках за город. Не лишне будет предупредить юных радиолюбителей, чтобы они не приносили игру в школьные классы. Название игры выбрано условно, но оно отражает ее основные моменты. При бросании шара в настоящем кегельбане можно сбить все кегли или только часть их. В электронном варианте мини-кегельбана при нажатии и отпускании кнопки, имитирующем бросание «шара», будет высвечиваться различное число светодиодов, указывающее на число сбитых «кеглей».
Принципиальная схема устройства приведена на рис. 7.17. Ее реализация в практическую конструкцию не требует особых познаний и дефицитных радиоэлементов — необходимы три широко распространенные цифровые микросхемы, по девять транзисторов и светодиодов, да еще несколько резисторов.
Рис. 7.17. Схема игрушки «Электронный миникегельбан»
Четыре логических элемента микросхемы DD2 образуют генератор прямоугольных импульсов с частотой, определяемой элементами R1 и С1. С вывода 8 элемента DD1.4 сигнал через кнопку SB1 подают на микросхему DD2 — двоичный счетчик с выходом в коде 1-2-4-8. При отпускании кнопки SB1 счетчик запоминает состояние, которое было при приходе последнего импульса от генератора.
Микросхема DD3 (в своей основе дешифратор семисегментного светодиодного индикатора) управляет работой дискретных светодиодных индикаторов HL1— HL9 через буферные транзисторы VTI–VT9. На выходе микросхемы DD3 к выводам 10 и 11 подключены по паре цепей индикации. Таким образом возможны 16 состояний элементов индикации, которые отображают различные варианты попаданий при бросании шара в кегельбане.
На игровом поле корпуса устройства располагают кнопку SB1, нажатие на которую имитирует бросание шара, и девять светодиодов (кегли), размещенных в соответствии с рисунком в левой части.
Питание устройства осуществляется от стабилизированного источника тока с напряжением 5 В, но устройство сохраняет работоспособность и при питании от батареи с напряжением 4,5 В.
Примечание: в устройстве можно применить отечественные микросхемы K155ЛA3 (DD1), К155ИЕ5 (DD2), К514ИД1 (DD3), транзисторы КТ342А и светодиоды AЛ307A. При выполнении конструкции с автономным питанием следует применить батарею типа 3336.
7.4.3. Ультразвук против грызунов [9]
Различные устройства, излучающие ультразвук, уже пытались применять для отпугивания комаров, москитов, мокрецов и других кровососущих насекомых. К сожалению, они не всегда оказывались действенными. Об этом, в частности, уже сообщалось. И дело, вероятно, вовсе не в том, что ультразвук в принципе не эффективен, а в том, что известные звукоизлучающие устройства обычно работают лишь на одной, строго фиксированной частоте.
Поясним это. Представьте себе, что вместо ультразвука устройство излучает звуковые колебания, а объект «отпугивания» — сам человек. Тогда постоянно звучащий тон, хотя и надоедлив, но вполне терпим. Иное дело, если тон переменный, например, звук двух- или трехтональной сирены либо сирены с периодически изменяющейся частотой. Воздействие таких источников звука на животных, не говоря уже о человеке, неизмеримо сильнее. Эффективность возрастает, если частота модуляции звуковых колебаний совпадает с частотой некоторых жизненно важных биоритмов. Подобные сирены способны вызвать даже у диких животных чувство тревоги, испуга и страха. Вероятно, ультразвуковые излучатели отпугивающих устройств тоже должны воспроизводить колебания не постоянной, а каким-то образов промодулированной частоты. Поскольку на человека сильнее воздействует звук переменной высоты, то, видимо, на животных более эффективно будет влиять именно частотная модуляция ультразвука. По такому принципу, кстати, работает появившееся в продаже устройство «Сирена», предназначенное для отпугивания мышей, крыс, полевок и других грызунов. Предлагаемое устройство (рис. 7.18) представляет собой ультразвуковой генератор, частота колебаний которого промодулирована инфразвуковыми колебаниями частотой 6…9 Гц.
Рис. 7.18. Схема устройства против грызунов
Генератор инфразвуковой частоты образуют элементы DD1.1, DD1.2, резисторы R1, R2 и конденсатор С1. Цепочка из резисторов R3, R4, R6, конденсатора С2, диодов VD1, VD2 и транзистора VT1 предназначена для периодического «увода» частоты ультразвукового генератора — симметричного мультивибратора, собранного на элементах DD1.3, DD1.4, резисторах R5, R7 и конденсаторах С5, С6. Его частота периодически, с частотой 6…9 Гц, изменяется от 25 до 50 кГц. Транзисторы VT2—VT5, каждый из которых включен эмиттерным повторителем, образуют двухтактный мостовой усилитель, нагрузкой которого служит динамическая головка ВА1 — она излучает ультразвук с частотной модуляцией. Диод VD3 и конденсаторы С3, С4 — это фильтр в цепи питания микросхемы DD1. Диод VD3, кроме того, предохраняет микросхему от выхода из строя в случае ошибочной полярности включения источника питания всего устройства.
Каков принцип работы ультразвуковой сирены? Если, допустим, эмиттерный переход транзистора VT1 замкнуть проволочной перемычкой, он будет постоянно закрыт, поэтому диоды VD1 и VD2 тоже будут закрыты, а ультразвуковой генератор станет работать с постоянной частотой около 25 кГц. Поскольку номиналы резисторов R5, R7 и конденсаторов С5, С6, входящих в мультивибратор, равны между собой, этот генератор формирует строго симметричные прямоугольные импульсы, обеспечивающие головке ВА1 работу без «перекоса». Это — низшая частота работы устройства. Если теперь верхний (по схеме) вывод резистора R3 переключить на плюсовый проводник источника питания, а перемычку с эмиттерного перехода транзистора VT1 удалить, то транзистор постоянно будет в открытом состоянии. В этом случае диоды VD1 и VD2 станут поочередно открываться с частотой 50 кГц — удвоенной частотой ультразвукового генератора, являющейся высшей частотой устройства.
В целом же устройство работает следующим образом. Когда сигнал низкого уровня на выходе элемента DD1.2 скачком сменяется высоким, примерно в течение 30 мс частота ультразвукового генератора изменяется (за счет плавного открывания транзистора VT1) с 25 до 50 кГц, после чего в течение 35 мс остается равной 50 кГц. Затем, когда сигнал высокого уровня на том же выходе элемента DD1.2 снова сменяется низким, генератор в течение 30 мс уменьшает свою частоту (из-за плавного закрывания транзистора VT1) с 50 до 25 кГц, после чего 35 мс формирует импульсную последовательность низшей частоты. Далее работа устройства циклически повторяется. Частоту инфразвукового генератора можно изменять подборкой резистора R2, время нарастания и спада частоты ультразвукового генератора — подборкой резистора R3, а значение высшей частоты устройства — резистора R6. При необходимости изменения низшей частоты (обычно в сторону ее уменьшения вплоть до 20 кГц) одновременно подбирают резисторы R5 и R7. соблюдая при этом равенство их номиналов. Чтобы оценить на слух работу такого «беззвучного» устройства, частоту ультразвукового генератора придется уменьшить.
7.4.4. Комбинированный бета-гамма радиометр [10]
Радиометры предназначены, как правило, для регистрации гамма-излучения — несомненно опасного, но далеко не единственного спутника радиоактивного загрязнения местности. К числу биологически опасных видов излучений и частиц можно отнести рентгеновские, гамма-излучения, бета-частицы (электроны, позитроны), протоны, нейтроны, альфа-частицы, продукты деления, «горячие» частицы и т. д.
Радиометр (рис. 7.19) позволяет одновременно контролировать гамма- и бета-излучения и состоит из управляемых ключей DA1.1—DA1.4, звукового генератора DD1.1, DD1.2 и выходного каскада (схема ИЛИ-НЕ) на DD1.3.
Рис. 7.19. Схема комбинированного бета-гамма радиометра
Индикация импульсов от бета- и гамма-счетчиков (BD1 и BD2) осуществляется раздельно — светодиодами VD1 и VD4, а также звуковым сигналом (580 и 830 Гц) через телефонный капсюль ТК-67 или пьезокерамический излучатель BF1. Чувствительность радиометра (порог срабатывания управляемых ключей, выполненных на микросхеме К561КТЗ) можно плавно регулировать потенциометром R5.
Стабилитроны VD2, VD3 предназначены для защиты входных цепей ключевых элементов. Постоянная времени входных цепей (C6R6; C7R7) определяет длительность импульсов звука и вспышек света. Потребляемый устройством ток не превышает единиц мА. Микросхемы DD1, DA1 можно заменить их аналогами из серий К164, К176, К564.
В качестве бета-счетчика, например BD1, можно использовать счетчики СТС-5, СТС-6, СБМ-10, СИ-9БГ; гамма-счетчика (BD2) — счетчики СИ-xx1, где хх — 11, 13, 19…22, 24, 25 и другие.
Величина сопротивления резисторов R8 и R9 определяется по паспорту выбранного счетчика (обычно 1…20 МОм). При наладке устройства для имитации импульса от счетчика допускается подавать +9 В на катоды стабилитронов VD2, VD3. Высокое напряжение (390 В) для питания счетчиков можно получить от преобразователя напряжения для фотовспышек (с домотанной высоковольтной обмоткой), либо собрав преобразователь напряжения по одной из многочисленных известных схем соответствующего назначения. При использовании в качестве BD1, BD2 двух бета- или двух гамма-счетчиков, закрепленных на штанге на некотором удалении друг от друга, можно одновременно контролировать уровень радиации на поверхности почвы и на заданном удалении от нее. Число каналов регистрации можно увеличить. В этом случае при использовании поглощающих экранов различной толщины возможна оценка спектра излучения по энергиям. Поскольку бета-счетчики, как правило, чувствительны и к гамма-излучению, при измерениях необходимо делать соответствующую поправку.
Калибровку радиометра желательно производить по эталонным бета- и гамма-источникам, либо промышленным радиометром.
7.4.5. Индикатор радиации
Измерить уровень радиационного излучения можно не только дорогостоящим прибором заводского изготовления. Простейшее устройство (рис. 7.20) по силам сделать и своими руками, если у вас есть счетчик (датчик излучения) типа СБМ-20. Питается оно от сети 220 В. На диодах VD1, VD2 и конденсаторах C1, С2 выполнен однополупериодный выпрямитель, собранный по схеме удвоения напряжения. Поскольку на конденсаторах C1, С2 формируется постоянное напряжение, примерно равное 310 В на каждом, общее напряжение выпрямителя составляет приблизительно 620 В. Однако фактически используются далеко не все 620 В. Дело в том, что резисторы R5 и R3 образуют делитель напряжения, сформированного на конденсаторе C1, а резисторы R6 и R4 — на конденсаторе С2. Именно поэтому на резисторах R3 и R4 создается напряжение по 200 В. Таким образом, счетчик Гейгера-Мюллера BD1 (датчик излучения) питается напряжением 400 В, в то время как неоновая лампа HL1 (индикатор излучения) — всего 200 В.
Рис. 7.20. Схема индикатора радиации
Последняя зажигается лишь при открытом транзисторе VT1, а открывается она, когда радиационное излучение ионизирует газ внутри датчика BD1. Резистор R1 способствует надежному закрыванию транзистора VT1 при отсутствии радиационного излучения, а резистор R2 ограничивает базовый ток этого транзистора при наличии излучения.
Когда источника радиации поблизости нет, естественный радиационный фон вызывает в счетчике Гейгера-Мюллера в течение одной минуты 20…30 электрических импульсов. Следовательно, транзистор VT1 должен на короткое время открываться — индикаторная лампа HL1 вспыхивает через 2…3 секунды, правда, без строгой периодичности. При повышении уровня радиации вспышки лампы HL1 учащаются, это можно проверить, поднося к счетчику обычную елочную игрушку, покрытую фосфором. Когда же уровень радиации очень высок, лампа HL1 горит непрерывно.
Чтобы не только видеть показания, но и слышать, последовательно с лампочкой HL1 включают электромагнитный капсюль (телефон). Его громкость вполне удовлетворительна, если сопротивление обмотки превышает 1 кОм.
Вместо счетчика типа СБМ-20 допустимы и другие, например СБМ-11, СБМ-21, СТС-20, СТС-5. Высоковольтный транзистор КТ618А взаимозаменяем с КТ605Б, КТ605БМ, КТ604Б или КТ940А, а диоды КД105Б — с КД105В, КД105Г, КД209А, КД209Б, КД209В. В качестве неоновой лампы взамен ТН-0,2 можно применить, скажем, ТН-0,3, ИНС-1, МН-5 или даже стартерную лампу от люминесцентного светильника. Все резисторы здесь типа МЛТ-0,5 или ОМЛТ-0,5. Конденсаторы должны иметь номинальное напряжение не менее 400 В. Датчик излучения — счетчик Гейгера-Мюллера — следует прикрыть лишь тонкой пластинкой из пластмассы или пластиковой пленкой.
7.4.6. Звучащий брелок [11]
Сравнительно высокая чувствительность брелка достигается благодаря использованию в микрофонном усилителе транзистора с большим статическим коэффициентом передачи тока базы (КТ3102Е), а повышенная громкость «отклика» — применением пьезокерамического излучателя ЗП-1. В режиме «ожидания» работает лишь одна половина ЗП-1, а на «отклик» — обе (в это время на вторую половину излучателя подается напряжение с размахом, равным удвоенному напряжению источника питания). Недостатком же такого варианта исполнения устройства является менее красивый однотональный звук «отклика» (вместо прерывистого).
Источник питания — три аккумулятора Д-0,06, соединенные последовательно; ток потребления в режиме «ожидания» не превышает 115 мкА, в режиме «отклика» — 195 мкА. Брелок (рис. 7.21) состоит из трех основных узлов: микрофонного усилителя на транзисторе VT1, одновибратора, собранного на элементах DD1.1, DD1.2 микросхемы К564ЛА7 (DD1), и генератора колебаний звуковой частоты на элементах DD1.3 и DD1.4 той же микросхемы. Функции микрофона и звукового излучателя выполняет пьезокерамический излучатель НА1.
В режиме ожидания на вход элемента DD1.1 через резистор R3 подается положительное напряжение источника питания GB1. На выходе элемента DD1.2 будет напряжение высокого уровня, которое через резистор R2 поступает на коллектор транзистора VT1 («включает» микрофонный усилитель). В это время конденсатор С1 практически разряжен (напряжение на нем близко к 0), а одновибратор находится в ждущем режиме. Напряжение низкого уровня, поступающее на вывод 13 элемента DD1.3 с выхода элемента DD1.1, запрещает работу звукового генератора. При этом на выходе элемента DD1.4 возникает сигнал низкого уровня, в результате чего излучатель верхней (по схеме) половиной оказывается подключенным к «общему» приводу.
Громкий хлопок в ладоши или свист излучатель ЗП-1 преобразует в напряжение звуковой частоты, первый же положительный полупериод которого открывает транзистор VT1. Появляющийся при этом спад напряжения на коллекторе транзистора воздействует через конденсатор С1 на входной элемент DD1.1 одновибратора. Срабатывая, одновибратор выходным (вывод 4 элемента DD1.2) напряжением низкого уровня отключает микрофонный усилитель, а сигналом высокого уровня, поступающим на вывод 13 элемента DD1.3 с выхода элемента DD1.1, разрешает paботу звукового генератора — брелок переходит в режим отклика. Работа на отклик длится до тех пор, пока напряжение на правой (по схеме) обкладке конденсатора С1 относительно минусового провода источника питания не достигнет высокого уровня В этот момент элементы одновибратора переключаются в исходное состояние, и брелок снова переходит в режим ожидания. А так как нижняя (вторая) половина излучателя включена между входом и выходом элемента DD1.4, то и амплитуда колебаний звуковом частоты на ней в два раза больше, чем на первой. Следовательно, и громкость звучания этой половины больше.
Диод VD1 нужен для снятия постоянной составляющей с обкладок излучателя НА1. Все детали устройства можно смонтировать на печатной плате диаметром 50 мм (рис. 7.22), выполненной из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.
Рис. 7.21. Схема звучащего брелка
Аккумуляторы Д-0,06, вставленные в отверстия диаметром 13,5 мм, прижимаются к плате с помощью винтов М3 пластинами из жести, которые одновременно соединяют аккумуляторы последовательно в батарею. Корпус транзистора углубляют в отверстие диаметром 5 мм, а микросхему размещают и монтируют на плате со стороны печатных проводников. Брелок можно поместить как в металлический, так и в пластмассовый корпус. В данном варианте, например, корпусом служит пластмассовая «кастрюлька» и «конфорка газовой плиты» из «отработавших» свое детских игрушек. Вместо транзистора КТ3102Е можно применить аналогичные другие с коэффициентом передачи тока более 500, например, КТ3102Г.
КТ342В, КТ373В. Микросхема DD1 может быть серии К561 или К176, если, конечно, позволяют габариты корпуса. Резисторы и конденсаторы — малогабаритные. Диод КД102А заменим любым из серий КД220, КД221, КД222. Налаживание сводится в основном к подбору резистора R2 таким образом, чтобы напряжение на коллекторе VT1 было равно примерно половине напряжения источника питания и брелок не самозапускался. Если это все же происходит, необходимо подобрать резистор R2 меньшего сопротивления. Иногда для устранения самозапуска бывает достаточно поменять местами подключение проволочных выводов излучателя ЗП-1. Но лучше, если каемка, идущая по его периметру, будет закреплена в корпусе жестко или через эластичную прокладку. Подбором конденсатора С1 и резистора R3 можно установить желаемую длительность звучания отклика, а подбором конденсатора С2 и резистора R5 — его тональность.
Рис. 7.22. Печатная плата звучащего брелка
7.4.7. Переключатель гирлянд на светодиодах [12]
Простейшая гирлянда к небольшой елочке настольного типа может быть составлена из пар разноцветных светодиодов и подключена к автомату, собранному на двух микросхемах (рис. 7.23).
Рис. 7.23. Схема переключателя гирлянд на светодиодах.
На элементах DD1.1—DD1.3 выполнен задающий генератор, частота следования импульсов которого зависит от емкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R1 и при указанных на схеме номиналах этих деталей составляет 5 Гц. С выхода генератора (вывод 8 микросхемы DD1) импульсы поступают на счетный вход счетчика DD2. С выходов счетчика сигналы в двоичном коде поступают на светодиоды HL1—HL16, заставляя их загораться и гаснуть в соответствии с последовательностью двоичного кода. По сути дела светодиоды являются индикаторами состояния счетчика. Светодиоды HL1, HL2 и HL9, HL10 работают в противофазе, т. е. когда на выходе 1 счетчика (вывод 3) уровень логического 0, горит вторая пара светодиодов, а когда появляется уровень логической 1, вспыхивает первая пара светодиодов, а вторая гаснет. Аналогично работают остальные пары светодиодов, создавая впечатление хаотичного мерцания.
На месте DD1 может быть использована, кроме К155ЛАЗ, микросхема K155ЛH1 или К155ЛА4 при внесении соответствующих изменений в монтаж. Счетчик DD2 — К155ИЕ7 или К155ИЕ6, резисторы — МЛТ-0,125, оксидный конденсатор — К50-6. Светодиоды HL1-HL4, HL9-HL12 — АЛ307БМ (красные); HL5, HL6, HL13, HL14—АЛ307В (зеленые); HL7, HL8, HL15, HL16 — АЛ307ЕМ (желтые). Возможны и другие сочетания светодиодов в зависимости от ваших запасов. Под используемые светодиоды подбирают резисторы R2—R5, учитывая, что прямой ток для АЛ307БМ и АЛ307ЕМ составляет 10 мА, а для АЛ307В — 20 мА.
Питают автомат от любого источника постоянного тока (в том числе и сетевого блока питания) напряжением не ниже 4,5 В, рассчитанного на нагрузку током не менее 100 мА.
7.4.8. Светодинамическое устройство «бегущий огонь» [13]
Предлагаемое светодинамическое устройство (рис. 7.24) предназначено для установки в салон автомобиля, либо в звуковоспроизводящую аппаратуру. Возможны и другие варианты реализации устройства. Схемы подобных устройств известны давно, но благодаря применению реверсивного счетчика удалось реализовать режим, обеспечивающий попеременное изменение направления переключения светодиодов. При этом режимы однонаправленного переключения светодиодов сохранены, что расширяет функциональные возможности устройства.
Рис. 7.24. Схема светодинамического устройства «Бегущий огонь»
Выбор одного из трех режимов работы устройства осуществляется последовательными нажатиями кнопки SB1. При включении устройства триггеры DD2.2 и DD3.2 устанавливаются в случайное состояние. Уровни с их прямых выходов определяют режим работы устройства. Генератор на элементах DD1.1, DD1.2 возбуждается на рабочей частоте порядка 10…20 Гц, которую при указанном номинале резистора R3 можно изменять, начиная от 5 Гц. При использовании микросхемы К555ЛАЗ резистор R1 из схемы устройства можно исключить.
Особенностью данного генератора, многократно описанного в литературе, является сохранение сравнительно большого периода колебании при небольшой емкости конденсатора С1. Частоту колебаний можно изменять от 1 Гц, если установить резистор R3 номиналом 82 кОм. Рассмотрим работу устройства в режиме двунаправленного переключения светодиодов.
В этом случае триггеры DD2.2 и DD3.2 находятся в нулевом состоянии, а триггер DD3.1 — в случайном. Предположим, триггер DD3.1 при подаче напряжения питания установился в нулевое состояние, тогда элемент DD1.4 «пропускает» импульсы на суммирующий вход счетчика DD5, состояния которого дешифруются микросхемой DD6 и отображаются светодиодами HL1…HL16. Так как счетчик DD5 работает в режиме сложения, при переполнении на его выходе переноса (вывод 12) возникает уровень логического нуля, который поступает на вход элемента ИЛИ DD4.1, а с его выхода воздействует на вход «S» триггера DD3.1, переводя его в единичное состояние. Теперь высокий уровень с прямого выхода триггера воздействует на вход элемента DD1.3, обеспечивая тем самым работу счетчика в режиме вычитания. При достижении нулевого состояния на 13-ом выводе счетчика. DD5 формируется уровень логического нуля, который воздействует на вход элемента DD4.2, а с его выхода — на вход «R» триггера. Описанный процесс повторяется до момента нажатия кнопки SB1. При нажатии кнопки SB 1 триггер DD2.2 устанавливается ж единичное состояние, триггер DD3.2 состояние не меняет. В таком состоянии первый же импульс с выхода переполнения — вывода 13 счетчика, «пройдя» через элемент DD4.2, устанавливает триггер DD3.1 в нулевое состояние, которое сохраняется до следующего нажатия кнопки SB 1.
Светодиоды переключаются в одном направлении. При третьем нажатии кнопки SB1 триггеры DD2.2 и DD3.2 устанавливаются в единичное состояние. При этом уровни логического нуля с их инверсных выходов воздействуют на входы элемента DD4.3, уровень логического нуля с выхода которого устанавливает триггеры DD2.2.H DD3.2 в нулевое состояние, воздействуя на входы «R».
Работоспособность устройства сохраняется при снижении напряжения источника питания до 4 В, что немаловажно при питании устройства от аккумуляторов. При желании можно установить не 16, а 10 светодиодов, заменив счетчик К1533ИЕ7 на К1533ИЕ6, а дешифратор К1533ИДЗ — на КК155ИД1.
7.4.9. Радиоприемник без катушек индуктивности [14]
Известно, что на входе радиоприемника ставят резонансный контур, служащий для выделения сигнала требуемой частоты и подавления сигналов других частот, мешающих радиоприему. Основной элемент такого контура — катушка индуктивности, с намоткой которой у начинающего радиолюбителя нередко возникают проблемы.
Однако можно вообще обойтись без катушки индуктивности, если использовать во входных цепях приемника активные фильтры на операционном усилителе (ОУ) и RC-цепи. Но в этом случае вместо магнитной антенны приходится применять простейшую электрическую антенну — отрезок провода длиной 0,7…1,5 м. Пользоваться же таким приемником можно только для приема наиболее мощных отдаленных и местных радиостанций СВ и ДВ диапазонов.
Схему радиочастотного тракта такого варианта приемника — без катушек индуктивности — вы видите на рис. 7.25.
Рис. 7.25. Схема радиоприёмника без катушек индуктивности
Он представляет собой усилительный каскад на операционном усилителе, охваченный отрицательной и положительной обратной связью. Цепь отрицательной обратной связи (ООС) образуют делитель напряжения R3R2R1, а цепь положительной обратной связи (ПОС) — так называемый мост Вина, в который входят резисторы R7, R6 и блок конденсаторов переменной емкости (КПЕ) С4. Если глубина обратной связи через мост Вина больше, чем через делитель напряжения R3R2R1, то каскад возбуждается и становится генератором электрических колебаний. А если наоборот, то каскад станет работать как селективный (избирательный) усилитель и обеспечивать максимальное усиление на частоте, определяемой параметрами моста Вина. Чем ближе режим работы каскада к порогу генерации, тем больше его усиление и уже частотная полоса пропускания.
На сигналы радиостанций приемник настраивают блоком КП1-С4. Усиленный радиочастотный сигнал, снимаемый с выхода операционного усилителя (вывод 6), детектируется диодами VD1 и VD2, включенными по схеме удвоения напряжения, фильтруется конденсатором С7 и далее подается на вход УЗЧ для последующего усиления и преобразования в звук. Полосу пропускания радиочастотного тракта регулируют резистором R2, а чувствительность — резистором R1.
Такое устройство, смонтированное на плате размерами 60x50 мм (рис. 7.26), можно использовать в виде приставки к радиоаппарату, в котором есть УЗЧ, например, к магнитофону, электрофону.
Рис. 7.26. Печатная плата приёмника без катушек индуктивности
Операционный усилитель DA1 может быть К544УД2А, К544УД2Б, К140УД11, К574УД1, блок КПЕ С4 — любой малогабаритный с максимальной емкостью секций 200300 пФ. Конденсаторы постоянной емкости — KЛC, КМ; диоды VD1 и VD2 — любые детекторные или импульсные, лучше германиевые. Резисторы R1 и R2 — СПЗ-З, СПО, остальные — ВС, MЛT.
Налаживание проводят в такой последовательности: к выходу детекторного каскада подключить головные телефоны. Движок резистора R1 установить в среднее положение, резистора R2 — в крайнее левое (по схеме) положение и подключить антенну. Изменяя емкость секций блока КПЕ, настройте приставку на радиостанцию, прием которой возможен в вашей местности. Если сигнал не прослушивается, то понемногу уменьшайте сопротивление резистора R2, смещая движок вправо, и повторно добивайтесь настройки до необходимого качества радиоприема.
Если при максимальной емкости блока КПЕ каскад возбуждается при любом сопротивлении резистора R2, следует увеличить его сопротивление в два раза, а если и это не помогает, то попробуйте подобрать емкость конденсатора С3 в пределах 10…30 пФ.
Какие изменения можно внести в приставку? Если подходящего блока КПЕ нет, замените его сдвоенным переменным резистором, например СП-III. В этом случае цепь положительной обратной связи монтируйте по схеме на рис. 7.27.
… показана схема с рис. 7.28… :(
Рис. 7.27. Вариант схемы приёмника без катушек индуктивности
При номиналах резисторов и конденсаторов, указанных на схеме, приемник будет перестраиваться и работать устойчиво только в диапазоне ДВ.
Приставку можно использовать для приема 2-й и 3-й программ проводного вещания. Для этого ее подключают к радиотрансляционной сети через дополнительную приставку-переходник, схема которой приведена на рис. 7.28, одновременно увеличив сопротивление резисторов моста Вина (R4 и R7 — на рис. 7.25) до 10 кОм или емкость конденсаторов С4 и С9 (рис. 7.28) до 300 пФ.
Рис. 7.28. Использование приемника для приёма 2-й и 3-й программ проводного вещания
Приставка может быть с фиксированной настройкой на одну радиовещательную станцию. В этом случае конденсаторы переменной емкости и переменные резисторы заменяют постоянными. Номиналы элементов моста Вина R (R4, R7) и С (С4.1, С4.2) можно определить по формуле:
f = 1/2πRC,
где f — частота настройки. Номиналы резисторов выбирайте в пределах 5,1…15 кОм.
7.4.10. УКВ-приемник на два диапазона [17]
Приемник содержит (рис. 7.29) всего-навсего один настраиваемый контур. Тем не менее обеспечивается уверенный прием сигналов УКВ-радиостанций в двух диапазонах: 64…73 МГц и 87,5…108 МГц. Предлагаемая конструкция проста в изготовлении и налаживании. А малые габариты в сочетании с довольно высокими эксплуатационными качествами и техническими характеристиками делают ее поистине незаменимой для приема передач не только на территории России, стран СНГ, но и во время туристических поездок за границу.
Рис. 7.29. Схема УКВ приёмника на два диапазона
Питание приемника универсальное: от трех элементов А316 (аккумуляторов ЦНК-045) или от сети (например, через блок «Электроника Д2-10М» от микрокалькулятора). Подойдет и любой самодельный источник питания, имеющий на выходе стабилизированное напряжение 3,5…7,5 В при токе нагрузки не менее 50 мА. Работоспособность приемника сохраняется при разрядке батарей до 3 В. В приемнике предусмотрена возможность подключения головных телефонов «Электроника ТДС 13-2» или аналогичного типа. При этом отсоединяется динамик и улучшается качество звучания. Основу конструкции составляет микросхема K174XA34. Разработанная специально для миниатюрной радиоаппаратуры, она представляет собой однокристальный УКВ-приемник, который имеет в своем составе апериодический усилитель высокой частоты, смеситель, гетеродин, УПЧ и усилитель-ограничитель, фазоинвертор, ЧМ-демодулятор, предварительный УНЧ, систему шумопонижения и систему сжатия девиации. Сигнал, принятый антенной WA1, поступает на вход микросхемы через разделительный конденсатор С9. Элементы С4, L1, VD1 определяют частоту гетеродина, который работает на первой гармонике. Переключением секции катушки при помощи переключателя SA1 производится смена диапазона. Настройка на ту или иную радиостанцию осуществляется изменением частоты гетеродина при помощи варикапа VD1 и переменного резистора R2. Последний служит для корректировки нижней границы диапазона.
Преобразованный сигнал поступает на вход УПЧ, промежуточная частота которого около 70 кГц. Столь низкая промежуточная частота позволяет отказаться от контуров за счет использования активных фильтров, которые имеют достаточно высокую добротность. Фазоинвертор и ЧМ-демодулятор также собраны с помощью операционных усилителей и RC-цепей. При этом внешними элементами являются только конденсаторы С3, С7, С8, С10, С12, С14, а резисторы и операционные усилители имеются в составе микросхемы. Благодаря интегральной технологии и отсутствию катушек индуктивности уменьшены размеры приемника. Существенно упростилась и его наладка. А выбор относительно низкой промежуточной частоты позволил к тому же выигрышно использовать микросхему К174ХА34 с током потребления, не превышающим 7 мА, в то время как, скажем, у микросхемы К174ХА5 этот параметр менее экономичен. Закономерен вопрос: как же при fпр = 70 кГц и девиации частоты ±50 кГц удается получить коэффициент нелинейных искажений (КНИ)? 3 %? А дело все в том, что в микросхеме К174ХА34 имеется специальная система сжатия девиации примерно в 10 раз. Это и позволяет снизить КНИ при столь небольшой промежуточной частоте. Напряжение, подаваемое на варикап, поддерживается на требуемом уровне с помощью параметрического стабилизатора, собранного на элементах R4, VD2, С11. Это необходимо для того, чтобы при разрядке батарей не смещалась частота настройки приемника.
Хотя внутри микросхемы имеется свой стабилизатор, тем не менее ее приходится питать от параметрического. И все потому, что сетевой блок питания «Электроника Д2-10М» при токе менее 50 мА обеспечивает напряжение более 7 В. А это больше, чем максимально допустимое напряжение питания микросхемы К174ХА34. Но вернемся к описанию работы приемника. Продетектированный и усиленный сигнал НЧ поступает через разделительный конденсатор С15 на регулятор громкости. А затем — на выходной УНЧ, в качестве которого используется низкочастотный усилитель микросхемы К174ХА10. Схема включения УНЧ типовая и пояснений не требует. Что касается «нерационального» на первый взгляд использования микросхемы К174ХА10, то здесь иной расклад. Главное — получить достаточно хорошие параметры при минимальных размерах и низком напряжении питания. И цель эта достигнута. Конечно, совсем не обязательно собирать усилитель низкой частоты по предлагаемой схеме. В конструкции приемника можно использовать и любой УНЧ на транзисторах, способный работать при напряжении питания от 3,5 до 7,5 В. Этот усилитель должен иметь к тому же чувствительность не хуже 100 мВ, входное сопротивление более 10 кОм, коэффициент нелинейных искажений менее 3 % и заданный диапазон воспроизводимых частот. Выключатель SA3 служит для отсоединения динамика при прослушивании приемника на головные телефоны или внешнюю акустическую систему с сопротивлением не менее 4 Ом, При подключении внешнего источника питания (через разъем ХР1) происходит отсоединение батарей. Если в качестве источника питания взяты не элементы А316, а аккумуляторы ЦНК-045, то желательно предусмотреть их подзарядку от блока питания через дополнительный гасящий резистор сопротивлением 20 Ом (на схеме не показан).
Практически весь приемник собран на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.
Чертеж ее приведен на рис. 7.30, а расположение элементов дано на рис. 7.31. Корпус приемника изготовлен из того же материала, что и печатная плата. На левую боковую стенку выведен разъем ХР1 для подключения внешнего источника питания. Отверстия под XS для подключения внешних головных телефонов, переключатели SA1, SA3 и телескопическая антенна WA расположены на верхней стенке корпуса. В передней стенке сделаны щелевые пропилы под ручки регулятора громкости и настройки.
Необходимо учесть, что все элементы, определяющие частоту гетеродина, должны располагаться как можно ближе к выводу 5 микросхемы К174ХА34. А печатные проводники, соединяющие их, — иметь минимальную длину. В противном случае приемник будет работать неустойчиво.
Рис. 7.30, а. Печатная плата УКВ приёмника
Рис. 7.30, б. Печатная плата УКВ приёмника
Рис. 7.31. Расположение элементов на печатной плате приёмника УКВ
7.4.11. Микроприемник на К174ХА36 [15]
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ K174XA36
Напряжение питания, В — 3,0;
Потребляемый ток (покоя), мА — 3;
Реальная чувствительность при отношении сигнал/шум 20 дБ на частоте 1 МГц, мкВ — 1;
Отношение сигнал/шум при входном напряжении 1 мВ, глубине модуляции 80 %, дБ — 5;
Напряжение звуковой частоты на выходе детектора, мВ — 300;
Коэффициент усиления предварительного ПУЗЧ — 5;
Максимальное напряжение входного сигнала при напряжении питания, мВ:
3 В — 220,
6 В — 500;
Масса микросхемы, г — 1,5.
Данная микросхема 174-й серии предназначена для малогабаритных экономичных радиоприемников с ДВ, СВ и КВ-диапазонами и с низким напряжением питания (2,1…9,0 В). Представляем собой однокристальный AM тракт с детектором и предварительным усилителем звуковой частоты (ПУЗЧ).
Микросхема состоит из регулируемого усилителя радиочастоты, двойного балансного смесителя, регулируемого усилителя ПЧ узлов системы АРУ, детектора AM сигнала, стабилизаторов режимных токов, цепи управления светодиодным индикатором настройки и отключаемого ПУЗЧ с дифференциальным входом. Функциональная схема микросхемы, расположение выводов и типовое включение представлены на рис. 7.32.
Рис. 7.32. Функциональная схема БИС К174ХА36
В предлагаемой самодельной конструкции (рис. 7.33) использованы следующие детали.
Рис. 7.33. Схема УКВ приёмника
Постоянные резисторы — МЛТ-0,125, переменные — типа СПЗ-З. Конденсаторы — КТ, КД-1 (С4), К50-16 или К50-35 (С11, С15-С18), КМ5, КМ6. Динамик типа 0,1ГД-70; переключатели SA1, SA3 типа ПД9-5. Вместо стабилитрона КС133В более предпочтительным является использование 2С130Д-1. При этом можно добиться значительного снижения потребляемого тока. Несколько худшие результаты получаются при установке стабилитрона КС133Г — ток потребления в этом случае возрастает. Телескопическая антенна самодельная. Изготавливают ее из шариковой ручки-указки, у которой предварительно удаляют самое толстое звено. Конечно, вполне приемлемо использование и готовой телескопической антенны подходящего размера.
Катушка L1 — бескаркасная. Ее наматывают на винт М3х20 проводом ПЭВ2-0,35. Всего здесь 57 витков (считая от точки). Последний затем аккуратно вывинчивается.
Внимание! Катушку изготовлять строго по приведенному описанию. Любые отклонения здесь могут привести к тому, что принимаемый диапазон сместится в нерабочую область. Настроить в таком случае приемник можно будет только с помощью ЧМ-генератора (например, Г4-116 или аналогичного ему типа). Вместо микросхемы К174ХА34 можно пользоваться микросхемой КХА060. При этом придется изменить разводку печатной платы. В крайнем случае подойдет и гибридная микросхема КХА058, которая представляет собой кристалл УКВ-приемника. Надо иметь в виду: микросхемы-заменители при напряжении питания менее 4,5 В работают хуже, чем К174ХА34. А посему может возникнуть необходимость увеличить напряжение питания хотя бы до 6 В. (Лучше — до 9 В, заменив 3 элемента АЗ16 одной батареей «Корунд».) Правда, при этом время непрерывной работы приемника от одного комплекта батарей заметно снизится. Поскольку максимальное Uпит вышеназванных микросхем не более 10 В, то их необходимо питать непосредственно от батарей, минуя стабилитрон VD2. Естественно, что при такой замене придется полностью переработать печатную плату. А возможно — и весь приемник. Самое главное заключается в том, что микросхема К174ХА34, работая в паре с низковольтным стереодекодером К174ХА35, позволяет осуществлять прием в режиме «стерео» (правда, только и системе CCIR). У других микросхем такой возможности не имеется. К сожалению, достать микросхему К174ХА35 сложно. Поэтому предлагается широкому кругу радиолюбителей упрощенный вариант приемника.
Перед началом наладки убедитесь, что в вашей местности возможен уверенный прием в обоих УКВ-диапазонах. Правильно собранный приемник из заведомо исправных деталей начинает работать сразу после включения. Желательно тут же проконтролировать ток покоя. Отклонение этого параметра более чем в 1,5 раза от того, что приведен в технических характеристиках, указывает на ошибки в монтаже или на неисправность элементов схемы. После включения приемника в динамике должен прослушиваться слабый шум, связанный с работой частотного детектора. Затем, подключив вольтметр к варикапу и плавно вращая ручку настройки, убедитесь, что напряжение на варикапе изменяется от 0,2 В до 3…3.5 В. Отключите вольтметр и осуществите настройку на УКВ-радиостанции. Если приемник принимает не все радиостанции, то, сжимая или растягивая витки катушки, сместите границы диапазона в нужную область. Указанную операцию необходимо проводить с двумя УКВ-приемниками, один из которых работает в верхнем диапазоне, а другой в нижнем. Причем начинать наладку надо с верхнего УКВ-диапазона. А затем, уже переключив приемник на нижний диапазон, повторять наладку, растягивая или разжимая при этом другую секцию катушки. Поскольку мощности у передатчиков, рассчитанных на диапазон 87,5—108 МГц, ниже, чем у тех, которые работают на 64–73 МГц, то для повышения дальности приема может возникнуть необходимость в увеличении длины антенны. Или потребуется даже наружная антенна, например, телевизионная. Для улучшения чувствительности приемника можно включить резистор сопротивлением 10 кОм между выводами 2 и 4 микросхемы К174ХА34 (резистор на схеме не указан). При этом, правда, будет отключена система бесшумной настройки приемника, но зато чувствительность возрастет примерно в 2 раза. Однако место для этого резистора на плате не предусмотрено, его придется припаять непосредственно к печатным проводникам.
Какие еще доработки целесообразно здесь выполнить? Во-первых, используя типовую схему включения микросхемы К174ХА10, можно изготовить всеволновый миниатюрный приемник с низковольтным питанием. Во-вторых, каждый из указанных выше вариантов самоделки легко устанавливается практически в любой магнитофон, превращая последний в магнитолу.
Назначение катушек индуктивности: L1 — преддетекторный контур, частота настройки которого 465 кГц; L2 — катушка связи; L3 — индуктивность фильтра ПЧ, частота настройки контура 465 кГц; L4 — катушка гетеродина, частота настройки зависит от принимаемого диапазона и отличается от него на величину fпр = 465 кГц; L5 — катушка связи; L6, L7 — трансформатор связи.
Вместо дефицитного и дорогостоящего пьезофильтра ФП1П-023 в схеме конкретной радиолюбительской конструкции можно установить конденсатор КМ емкостью С = 0,6–1,0 мкФ. При этом несколько ухудшится отношение сигнал/шум. Микросхема выполнена в пластмассовом 16-выводном корпусе типа 238.16—1, общий вид и габариты которого представлены на рис. 7.34.
Рис. 7.34. Общий вид и габариты БИС К174ХА36
7.4.12. Пробник для проверки годности операционных усилителей [35]
ОУ широко используются радиолюбителями в конструкциях различных радиотехнических устройств. Причем в условиях растущей дороговизны на радиоэлементы приходится порой применять микросхемы, которые уже использовались ранее в работе. Чтобы быть уверенным в пригодности такого ОУ, его следует проверить, например, с помощью пробника.
Принципиальная схема пробника показана на рис. 7.35.
Рис. 7.35. Схема пробника для проверки годности операционных усилителей
Тестируемый ОУ подключают к гнездам разъема X1 (в качестве примера показано подключение ОУ К140УД2). Такое включение образует релаксационный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы (меандр) с частотой 1…2 Гц. Напряжение питания поступает на генератор с параметрического стабилизатора R1VD1. Если ОУ окажется годным, генератор начнет работать, а светодиод HL1 — вспыхивать в такт с частотой генерируемых импульсов. В случае, если проверяемый ОУ окажется неисправным, генератор работать не будет, а светодиод, в зависимости от причины неисправности усилителя, будет либо гореть непрерывно, либо вовсе не вспыхнет.
В пробнике можно применить, кроме указанных на схеме, транзисторы КТ312А-КТ312В, КТ315А, КТ315В-КТ315И, КТ503А-КТ503Е, диоды КД521А-КД521Г, КД103А, КД103С, стабилитрон Д814Г. Разъем X2 — монтажная панель для микросхем, тип корпуса которых 2103.16. Детали устройства размещают на печатной плате (рис. 7.36), выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 11,5 мм.
Правильно собранный пробник не нуждается в наладке. С помощью пробника можно проверить практически все наиболее используемые в практике ОУ, кроме тех, выходное сопротивление которых сравнимо или превышает сопротивление резистора R7, например, микромощные ОУ К140УД12, К153УД4.
Рис. 7.36. Печатная плата пробника
7.4.13. Пробник для операционных усилителей [36]
В предлагаемом устройстве можно оперативно проверить работоспособность операционных усилителей (ОУ). Само устройство имеет всего шесть пассивных элементов (рис. 7.37) и при отключенной микросхеме совершенно не потребляет тока. Проверка происходит в режиме генерации звуковых колебаний. Подключение исправной микросхемы образует низкочастотный генератор прямоугольных импульсов с звуковым излучателем. В качестве последнего использованы головные телефоны с сопротивлением не менее 50 Ом. Делитель напряжения на резисторах R3 и R4 формирует напряжение на неинвертирующем входе, а на элементах R1 и С1 — линейно изменяющееся напряжение на инвертирующем входе. Генератор начинает работать как регенеративный компаратор напряжений при вполне определенном их соотношении на входах.
Рис. 7.37. Схема пробника для операционных усилителей
Конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет положительного значения, определяемого соотношением резисторов R3 и R4. Когда полярность напряжения на выходе микросхемы изменится на противоположную, конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R1 до тех пор, пока не станет отрицательным. В этот момент компаратор переключится, и процесс повторяется. Резистор R2 ограничивает ток через звуковой излучатель при неисправном ОУ. Питание устройства производят от двух батарей с напряжением 9 В.
Некоторые современные ОУ могут работать с минимальным напряжением ± 1,53 В, но они, как правило, допускают работу и с напряжением ±9 В. Именно в таком режиме и проверяются эти ОУ в данном пробнике. Однако, если важна проверка работы микросхемы при пониженном напряжении питания, то необходимо будет предусмотреть включение такого источника тока или создать блок питания с различными значениями выходных напряжений. В настоящее время ОУ выпускают с различными конструкциями корпусов (пластмассовые прямоугольные, металлостеклянные, цилиндрические), числом и расположением выводов. Чтобы устройство пробника стало более универсальным, целесообразно на передней панели расположить несколько панелей включения соответственно тем микросхемам, которые радиолюбитель предполагает проверять. И учтите, что некоторые ОУ даже при одинаковой конструкции корпуса могут иметь отличающуюся нумерацию функционально однозначных выводов, — это потребует применения нескольких панелей включения с обязательным указанием возле них типономинала проверяемой микросхемы. Все панели электрически могут быть соединены параллельно соответствующими контактами.
7.4.14. Логический ТТЛ-пробник [16]
Предлагается описание конструкции несложного пробника, определяющего четыре статических состояния цифрового устройства. Наличие встроенного генератора расширяет его функциональные возможности.
Логический пробник — неотъемлемая часть лаборатории специалиста по цифровой технике. Во многих случаях пользоваться им удобнее, чем вольтметром или даже осциллографом. Пробник не даст избыточной информации, малые размеры и удобное расположение индикаторов уменьшают вероятность промаха при подключении щупа прибора к различным точкам проверяемого устройства. Пробник способен зафиксировать одиночный импульс, что с помощью другой универсальной аппаратуры сделать почти невозможно.
Обычно пробники позволяют определять два статических состояния выходов логических микросхем — «0» (0…0,4 В) или «1» (2,4…5 В) и наличие импульсов. Некоторые пробники способны выделять промежуточный уровень напряжения 0,4…2,4 В и постоянно индицируют его как неопределенный или используют для гашения индикации основных логических уровней.
В отличие от известных, предлагаемый пробник, схема которого приведена на рис. 7.38, выделяет четыре статических состояния исследуемой цепи: обрыв, низкий уровень (лог. 0), свободный (неприсоединенный) вход и высокий уровень (лог. 1). С помощью такого устройства можно также фиксировать одиночные импульсы и импульсные последовательности, оценивать скважность и крутизну фронтов импульсов, а также благодаря наличию встроенного генератора проводить проверку работы триггеров, счетчиков, последовательных и параллельных регистров. Для этого не потребуются какие-либо дополнительные приборы.
Рис. 7.38. Схема логического ТТЛ-пробника
Выделение логических уровней проводится входными транзисторами VT1—VT3. При подаче на вход устройства напряжения лог. 0 открывается транзистор VT1, на выходе элемента DD2.2 устанавливается низкий уровень и загорается светодиод HL1 («0»).
Для определения состояния обрыва цепи и гашения логических индикаторов используется зона входных напряжений, где появление сигнала при проверке исправных микросхем наименее вероятно: 0,6…1,0 В. Если щуп пробника никуда не присоединен, что соответствует состоянию «обрыв цепи», входное напряжение составляет около 0,7 В, все транзисторы закрыты, все индикаторы статических состояний погашены.
Если входное напряжение превысит уровень 1,0 В, откроется транзистор VT2 и включится индикатор промежуточного состояния HL4 («0»). Это позволяет надежно фиксировать свободный вход ТТЛ-микросхемы, напряжение на котором составляет около 1,5 В. Как только напряжение в исследуемой цепи достигнет уровня 2,4 В, открываются диоды VD3—VD5 и транзистор VT3, на выходе элемента DD1.3 устанавливается низкий логический уровень, меняет свое состояние элемент DD1.4, гаснет светодиод HL4 и загорается светодиод HL5 («1»).
Наличие защитной входной цепи, состоящей из резистора R1 и диодов VD1, VD2, позволяет без ущерба для пробника контролировать состояние выходов микросхем с открытым коллектором, нагрузка которых питается напряжением до 24 В, или состояние выхода операционных усилителей, если они используются в качестве преобразователей входных сигналов для цифровых микросхем.
Положительные стороны данного схемного решения: нет отвлекающей индикации при фактически отключенном входе пробника, возможность более полно оценить состояние исследуемой микросхемы, а также отсутствие необходимости настройки входных цепей (так как выделение уровней переключения в основном связано с материалом кристаллов, характеристиками транзисторов VT1—VT3 и диодов VD3—VD5, имеющими малый разброс).
К недостаткам устройства можно отнести уровень фиксируемого лог. 0, несколько не соответствующий техническим условиям.
Существует и вероятность принять перегруженный выход или «притянутый» через резистор к обшей шине вход микросхемы за обрыв цепи, если напряжения на них попадут в интервал 0,6…1,0 В. Но даже при такой ошибке индикация обрыва при подключении входа пробника к выводу работающей микросхемы должна насторожить и заставить проверить состояние подозрительной цепи другими средствами, например вольтметром или осциллографом.
Пробник способен фиксировать как одиночные импульсы, так и непрерывные серии импульсов. Традиционно для фиксации одиночного импульса используется RS-триггер, на один вход которого подается исследуемый сигнал, а на другой — импульс сброса. Серии импульсов обычно фиксируют с помощью одновибратора, запускаемого по фронту или спаду сигнала и растягивающего входной импульс для облегчения визуального восприятия индикации.
В предлагаемом устройстве применено другое решение. При превышении входным напряжением уровня 1,0 В открывается транзистор VT2, а сигнал на выходе элемента DD1.1 переходит из состояния лог. 0 в состояние лог. 1. Это приводит к изменению состояния выходов триггера DD3.1, включенного в счетном режиме. К прямому и инверсному выходам триггера DD3.1 подключены светодиоды HL2, HL3. Один из них постоянно светится, индицируя подключение пробника к цепям питания. При приходе одиночного импульса этот светодиод гаснет и загорается другой. Серия импульсов на входе пробника заставляет светодиоды поочередно мигать.
Достоинства такого устройства — простота и универсальность. Нет нужды в отдельной кнопке и операции сброса RS-триггера фиксации одиночного импульса. Кроме того, отпадает необходимость в отдельном индикаторе включения питания. Правда, имеются и недостатки. Самый существенный из них — невозможность выделить приход последовательности коротких импульсов, если их число четно. Глаз не в состоянии зафиксировать быструю смену состояния индикаторов, а их статическое состояние до и после прихода четного числа импульсов одинаково.
Существенно расширяет функциональные возможности пробника встроенный генератор импульсов. Он собран на элементах DD2.3, DD2.4. На триггере DD3.2, включенном в счетном режиме, выполнен формирователь импульсов, обеспечивающий на своих выходах меандр с крутыми фронтами и частотой около 150 Гц.
Диод VD6 защищает микросхемы пробника от ошибочной полярности при подключении питания, а конденсатор C1 снижает уровень высокочастотных помех.
Конструктивно пробник выполнен на двусторонней печатной плате. В качестве разъемов X1—Х3 можно использовать одиночные гнезда от разъемов типа 2РМ или подобных. Щуп изготовлен из ручной швейной иглы подходящего диаметра с удаленным ушком и подогнанным по размеру разъема X1 хвостовиком. Подгонку хвостовика выполняют с помощью мелкозернистого шлифовального камня или шлифовальной бумаги. Для удобства пользования на иглу одевается отрезок поливинилхлоридной изоляции от провода подходящего диаметра. Использование в качестве щупа иглы позволяет легко прокалывать лаковое покрытие при проверке плат промышленного назначения, а наличие разъема X1 — быстро заменять щуп на клипсу и освобождать руки при сохранении контроля над выбранной точкой проверяемой схемы. К корпусу пробника никаких специфических требований не предъявляется: он может быть изготовлен из подходящего по размеру футляра (для зубной щетки или авторучки). Разъемный корпус позволит хранить в нем щуп-иглу.
Схемное решение пробника разрабатывалось с учетом использования минимального количества деталей и максимальной простоты печатной платы при сохранении всех функциональных возможностей. Если при этом нет каких-либо ограничений, для повышения устойчивости работы устройства рекомендуется объединить свободные входы микросхемы DD3 и через резистор 1…2 кОм соединить их с линией питания.
В некоторых случаях при использовании вместо короткого щупа клипсы с проводом длиной более 10…15 см может наблюдаться склонность к возбуждению элемента DD2.1. Устраняют ее установкой резистора сопротивлением около 5 кОм между входами элемента и линией питания. То же полезно сделать и для входов элементов DD1.1 и DD1.2.
Если при повторении пробника будут использованы микросхемы TTЛ-серий с малым потреблением мощности, для нормальной работы встроенного генератора может потребоваться увеличение сопротивления резисторов R8, R9.
Теперь коротко о приемах работы с пробником. Допустим, цоколевка и функции проверяемой логической ТТЛ-микросхемы не известны. В этом случае поступают следующим образом. Подав на микросхему питание (для логических микросхем практически всегда +5 В подают на вывод с максимальным номером, а с общим проводом соединяют вывод с вдвое меньшим номером), с помощью пробника сразу отделите свободные входы от выходов. Если выходы будут в состоянии лог. 0 — это, скорее всего, микросхема с базовой функцией «И-НЕ», если лог. 1, то «ИЛИ-НЕ».
Для простых микросхем не трудно установить принадлежность входов и выходов каждому элементу. Подключив вход пробника к определенному выходу исследуемой микросхемы, подавайте сигнал от встроенного генератора на входы, фиксируя прохождение серии импульсов по одновременному свечению светодиодов HL2, HL3, Если при этом одинаково ярко светятся светодиоды «0» и «1», то у проверяемой микросхемы классический выходной каскад, а когда светится только «0» — открытый коллектор. При более сложной логической функции микросхемы можно восстановить ее таблицу истинности, но для этого придется затратить больше труда на коммутацию входов.
Полная проверка работоспособности D-триггеров, например распространенных ТМ2, проводится так: сигнал с выхода встроенного генератора подают на вход С триггера. Замыкая на общую шину вход D, проследите за изменениями сигналов на прямом и обратном выходах. На прямом выходе он должен совпадать с сигналом на входе D, на обратном — быть ему инверсным. Следующий шаг — проверка работы установочных входов триггера. Подключите установочные входы к разным выходам встроенного генератора.
При нормальном функционировании микросхемы на обоих выходах триггера будет наблюдаться прохождение последовательности импульсов. При отключении одного из установочных входов выходы триггера должны принять статическое состояние, соответствующее оставшемуся подключенным к генератору входу установки.
Аналогичным образом проверяется работа параллельных регистров и регистров сдвига. Сигнал с генератора подается на вход С, а затем меняется состояние входов данных микросхемы с одновременной регистрацией изменения состояния ее выходов. Для проверки работоспособности счетчиков сигнал с выхода генератора подают на счетный вход, контролируя его прохождение на выходах. В некоторых случаях, если переключение светодиодов HL2, HL3 становится заметно на глаз, удается проверить правильность работы каскадов многоразрядных счетчиков.
При проверке работы генераторов, собранных на цифровых микросхемах, с помощью предлагаемого пробника можно оценить крутизну фронтов и скважность сигнала. Скважность сигнала определяют, сравнивая яркость свечения индикаторов «0» и «1», крутизну — по интенсивности свечения индикатора «“». Чем яркость меньше, тем крутизна больше. Удостовериться в этом можно, анализируя сигналы в разных точках встроенного генератора. На входе элемента DD2.3 напряжение имеет форму треугольных импульсов с крутым фронтом и почти линейным спадом. При подключении входа пробника к этой точке индикаторы «0», «1» и «=» будут светиться практически с одинаковой интенсивностью. На выходе элемента DD2.4 импульсы имеют заметное время нарастания, и яркость свечения индикатора «=» здесь меньше. При подсоединении входа пробника к любому из выходов триггера DD3.2 индикатор «—» гаснет совсем, а индикаторы «0» и «1» светятся с одинаковой интенсивностью.
7.5. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ
7.5.1. Подключение динамической головки к элементам ТТЛ [18]
В последнее время для звуковой сигнализации в логических схемах используются чаще всего пьезоизлучатели. Однако они не всегда имеются под рукой, а в то же время у многих валяются в ящиках среди разного хлама небольшие динамики от карманных приемников или же «целые куски» от неисправных наушников «Walk-man» — их можно использовать!
На рис. 7.39 приведена двухтактная схема подключения динамической головки, которая, несмотря на свою простоту, обеспечивает достаточно большую силу звука. В ней лучше всего использовать микросхему, содержащую в корпусе инвертирующие элементы (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Сигнал звуковой частоты можно получить от простейшего генератора прямоугольных импульсов.
Рис. 7.39. Схема подключения динамической головки к элементам ТТЛ
7.5.2. В заключение несколько практических советов по изготовлению самодельных печатных плат
1. Нанесение рисунка контактных площадок для выводов микросхемы в корпусах 401.14-3 или 401.14-4 (например, серий 133 или 134) является трудоемкой операцией. Значительно облегчит эту работу приспособление, которое легко изготовить из корпуса вышедшей из строя микросхемы соответствующей серии. К корпусу припаивают ручку из отрезка медной проволоки, а выводы микросхемы формуют, как для монтажа на плате. Если теперь выводы окунать в лак и приложить к фольгированной стороне заготовки платы, можно получить оттиск, соответствующий расположению выводов. Таким образом можно легко и быстро «отпечатать» на заготовке платы необходимое число контактных площадок под выводы микросхемы. Разводку выводов на плате выполняют как обычно — рейсфедером или пером.
2. В качестве защитного слоя при травлении печатной платы можно использовать полихлорвиниловую изоляционную ленту. Кусок ленты 10–12 см накладывают липкой стороной на чистое органическое стекло, скальпелем по линейке отрезают полоски требуемой ширины, а затем переносят их пинцетом на подготовленную пластину фольгированного материала и приклеивают в соответствии с рисунком платы.
3. Удобный скребок для ретуширования нанесенного тушью или нитрокраской рисунка печатной платы получится, если в зажим цангового карандаша вставить кусочек лезвия безопасной бритвы. Если необходимо работать прогнутым лезвием, надо выбрать цангу с нечетным числом губок.
4. Если при разработке рисунка печатной платы трудно обойтись без пересечения проводников, то один из проводников разрывают, а на концах разрыва предусматривают контактные площадки с отверстиями в плате. После изготовления печатной платы в отверстия контактных площадок впаивают проволочную перемычку.
5. Травление печатных плат в домашних условиях можно производить в полиэтиленовом пакете. Для этого помещают плату в пакет и заливают раствором хлорного железа. Края платы закругляют, чтобы их острыми углами не повредить пакет. Покачивая в процессе травления, перемешивают раствор. Если необходимо травить при повышенной температуре раствора, пакет помещают в сосуд с горячей водой, удерживая за края.
6. Очистить кювету, в которой многократно проводилось травление, можно с помощью электролита из щелочных аккумуляторов: кювету на несколько часов заливают раствором, после чего промывают в проточной воде.
7.6. ЗАДАЧИ
1. Логический элемент ИЛИ можно преобразовать для выполнения логической функции И-НЕ, если к его входам добавить…
2. Добавляя инверторы ко входам логических элементов И, можно реализовать логическую функцию…
3. Добавляя инверторы ко всем входам и выходу логического элемента И, можно реализовать логическую функцию…
4. Составьте логические схемы с использованием логических элементов И, ИЛИ и НЕ для следующих булевых выражений:
а) А‾∙В∙В‾ + А∙В = Y;
б) A‾∙C‾ + A∙B∙C = Y.
5. Используя логические элементы И, ИЛИ и НЕ, составьте логические схемы для следующих булевых выражений:
а) (А + В)∙(А‾ + В‾) = Y;
б) (А‾ + В)∙С‾ = Y.