Единственный новый инструмент, который может вам потребоваться для работы с микросхемами, — это логический пробник. Он определит, в каком состоянии находится вывод микросхемы, что поможет понять, как работает ваша схема. Пробник обладает памятью, поэтому он способен реагировать на одиночный импульс, который может оказаться слишком быстрым и незаметным.

Некоторые из моих читателей не согласны со мной, но я считаю логический щуп необязательным инструментом. При желании поищите в интернет-магазинах и купите самый дешевый, какой найдете. У меня нет каких-либо рекомендаций по поводу производителя.

 

Компоненты

Как и прежде, подробные рекомендации по приобретению комплектующих приведены в главе 6. Если вам больше нравится готовый набор компонентов, смотрите раздел «Наборы». Если вы предпочитаете покупать компоненты самостоятельно, смотрите раздел «Компоненты». Для расходных материалов смотрите раздел «Расходные материалы».

 

Как выбрать микросхему

На рис. 4.2 показаны две интегральные микросхемы. Вверху изображена устаревшая конструкция со штырьковыми выводами, расположенными на расстоянии 2,54 мм, которые вставляются в отверстия макетной или печатной платы. Я буду пользоваться исключительно такими микросхемами, потому что с ними проще работать. Микросхема, показанная внизу, разработана специально для поверхностного монтажа. Мы не будем использовать подобные микросхемы, потому что они не подходят для макетных или перфорированных плат.

Рис. 4.2. Микросхема для установки в монтажные отверстия (вверху) и микросхема для поверхностного монтажа (внизу)

Многие микросхемы для установки в отверстия на плате и для поверхностного монтажа сходны по функциям. Единственное различие — это размер (хотя некоторые версии для поверхностного монтажа работают при меньшем напряжении).

Корпус микросхемы обычно делается из пластика или эпоксидной смолы. Обычная микросхема, как правило, поставляется в корпусе с двухрядным расположением выводов; это означает, что он имеет два ряда контактов. Сокращенное обозначение такого корпуса - DIP (dual-inline package) или PDIP (если он сделан из пластика).

Корпуса для поверхностного монтажа часто обозначаются аббревиатурами, которые начинаются с буквы S, например SOIC (small-outline integrated circuit, микросхема в малогабаритном корпусе или ИС в корпусе типа SO). Существует множество вариантов микросхем для поверхностного монтажа, с разным расстоянием между выводами и другими параметрами. Все они не подходят для наших экспериментов, и если вы приобретаете компоненты самостоятельно, то должны быть внимательными, чтобы не купить такие микросхемы по ошибке.

Внутри корпуса находится тоненькая пластина из кремния (подложка), которая и дала жизнь названию «чип» (chip — тонкая пластина), применяемому для обозначения микросхемы в целом. Тонкие провода соединяют подложку с внешними выводами по сторонам корпуса микросхемы.

Микросхема в PDIP-корпусе на рис. 4.2 имеет по семь выводов в каждом ряду, всего их 14. У других микросхем может быть 4, 6, 8, 16 и больше выводов.

Почти на каждой микросхеме нанесена маркировка. Обратите внимание на то, что хотя на фотографии обе микросхемы внешне отличаются друг от друга, но в их маркировке присутствует одинаковый фрагмент — «74». Это означает, что оба компонента относятся к одному семейству логических микросхем, которым при создании несколько десятилетий назад была присвоена серия 7400 с последовательно возрастающими номерами. Их часто называют серией 74хх, и мы будем много раз использовать такие микросхемы.

Взгляните на рис. 4.3. Начальные буквы указывают на производителя, на них можно не обращать внимания, поскольку для наших целей это не имеет никакого значения.

Замечание

Если вас интересует, почему буквы SN обозначают компанию Texas Instruments, то это связано с тем, что когда-то этот производитель называл свои микросхемы «полупроводниковыми цепями» (Semiconductor Networks — SN).

Следом за числом 74 идут две буквы, которые важны для нас. Семейство 7400 развивалось в течение многих десятилетий, и буквы после 74 подскажут, к какому поколению относится выбранная вами схема. Среди вариантов могут быть: 74L, 74LS, 74С, 74НС и 74АНС. Существует также множество других.

Рис. 4.3. Расшифровка обозначения микросхемы семейства 74хх

В целом, последние поколения более быстрые и универсальные, чем ранние. В этой книге я использую только микросхемы НС семейства 7400, потому что среди них есть почти все функциональные элементы, они оптимальны по цене и энергопотреблению. Для наших целей высокая скорость новейших микросхем не имеет существенного значения, хотя, если желаете, конечно же можете выбрать микросхемы НСТ.

После букв, указывающих поколение, идет последовательность из двух, трех, четырех или (иногда) пяти цифр. Она обозначает конкретную функцию данной микросхемы. Следом за цифрами идут другие буквы (одна или несколько). Для наших целей эти буквы не имеют значения.

Вернемся к рис. 4.2. Маркировка М74НС00В1 означает, что эта микросхема изготовлена компанией STMicroelectronics, относится к семейству 74хх и к поколению НС, а его функция обозначена цифрами 00.

Цель этого длинного объяснения — помочь вам интерпретировать списки каталогов при покупке микросхем. Вы можете указать в поисковом запросе «74НС00», и достаточно разумные поисковые системы интернет-продавцов выдадут вам подходящие микросхемы разных производителей, несмотря на то, что впереди и позади вашего запроса могут быть дополнительные буквы.

Просто убедитесь, что они подходят для вашей макетной платы. Ограничьте результаты поиска корпусами DIP, PDIP или вариантами для установки в отверстия платы. Если обозначение начинается с SS, SO или TSS, то это определенно модели для поверхностного монтажа, и вам они не подходят. Для более детальной информации, относящейся к поиску и покупке, смотрите раздел «Поиск и покупка онлайн» главы 6.

Все микросхемы, необходимые для экспериментов из этой главы, перечислены в табл. 6.7 главы 6. Вам понадобится совсем немного компонентов другого типа, которые я укажу здесь.

 

Панель для микросхемы

Если вы планируете смонтировать какое-либо из ваших электронных устройств с помощью пайки, то я не рекомендую вам припаивать микросхемы прямо к плате, потому что в случае ошибки монтажа или повреждения микросхемы вам придется демонтировать несколько контактов, чтобы ее удалить. Это очень сложно. Чтобы избежать проблем, купите несколько панелек для микросхем DIP-формата, припаяйте их к плате, а затем вставьте в них микросхемы. Вы можете выбрать самые дешевые панельки, какие найдете (для наших целей не нужны позолоченные контакты). Вам понадобятся панели на 8,14 и 16 выводов по 5 штук каждого типа как минимум. Пример приведен на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Панельки для установки микросхем

 

Сверхминиатюрный ползунковый переключатель

Рис. 4.5. Сверхминиатюрный ползунковый переключатель, рекомендуемый для проектов этой книги

Ползунковый переключатель имеет крошечный рычажок, который вы передвигаете кончиком пальца, замыкая или размыкая контакты внутри. У самых маленьких переключателей всего три вывода, которые расположены на расстоянии 2,54 мм (рис. 4.5). Если вы покупаете компоненты самостоятельно, отыщите раздел «Другие компоненты» главы 6 и для более детальной информации о переключателях ознакомьтесь с подразделом «Компоненты для четвертой главы».

 

Не допускайте перегрузку переключателя

Помните, что очень маленькие ползунковые переключатели не могут коммутировать большой ток или высокое напряжение. Они предназначены только для маломощных цепей. Стандартное ограничение: сила тока ниже 100 мА при постоянном напряжении 12 В. Для наших целей этого достаточно. Сверьтесь с техническим паспортом компонента, если вам потребуется ползунковый переключатель для более существенной нагрузки.

 

Слаботочные светодиоды

Логические микросхемы серии НС не предназначены для обеспечения тока, превышающего 5 мА. Обычный светодиод может потреблять ток до 20 мА, но это приведет к понижению напряжения на выходе микросхемы, сделав его непригодным для подачи на вход других логических микросхем. Для всех экспериментов с логическими микросхемами я предлагаю приобрести слаботочные светодиоды.

Помните о том, что для слаботочных светодиодов необходимы токоограничительные резисторы большего номинала, поскольку они не выдерживают такую же силу тока, что и стандартные светодиоды. Я напомню об этом там, где это будет важно.

 

Светодиодные индикаторы

В одном из наших устройств с микросхемами выходные значения будут высвечиваться с помощью семисегментных цифровых индикаторов — простых компонентов для отображения цифр, широко применяемых, например, в цифровых часах или микроволновых печах (рис. 4.6). Для информации об их покупке загляните в раздел «Другие компоненты» главы 6 и спуститесь до подраздела «Компоненты для четвертой главы».

Рис. 4.6. Семисегментные индикаторы — самый простой способ отображения цифровой информации. Их можно непосредственно соединять с выходом некоторых КМОП- микросхем

 

Стабилизатор напряжения

Рис. 4.7. Интегральный 5-вольтовый стабилизатор напряжения в корпусе ТО220

Поскольку многие логические микросхемы требуют для работы напряжение питания ровно 5 В, вам понадобится стабилизатор напряжения. Подойдет, например, микросхема LM7805. Как обычно перед номером может присутствовать аббревиатура производителя, а после него — вариант корпуса, как в обозначении микросхемы LM7805CT, выпускаемой компанией Fairchild. Подойдет изделие любого производителя, однако стабилизатор должен выглядеть подобно изображенному на рис. 4.7. (Такой тип корпуса обозначают ТО220.) Стабилизаторы пригодятся при конструировании любых логических схем, поэтому советую приобрести сразу пять штук.

 

Необязательные компоненты

Чтобы завершить систему сигнализации из эксперимента 18, вам понадобятся магнитные датчики, которые крепятся к дверям или окнам. Во многих интернет-магазинах предлагается модель Directed 8601.

Если вы планируете поместить устройство в корпус, то имеющиеся у вас кнопки окажутся плохо приспособленными для этого. Для эксперимента 18 вам потребуется стандартная двухполюсная кнопка на два направления, типа ВКЛ-(ВКЛ) с контактами для пайки. В интернет-магазине eBay есть очень много вариантов подобных кнопок.

 

Как появились микросхемы

Идея — встроить полупроводниковые компоненты в миниатюрный корпус, принадлежит английскому специалисту по радиолокационным системам Джефри В. А. Даммеру (Geoffrey W. А. Dummer), который многие годы пропагандировал ее и даже безуспешно пытался реализовать в 1956 году. А первая в полном смысле слова интегрированная схема была выпущена в 1958 году Джеком Килби Qack Kilby), который работал в компании Texas Instruments. Килби использовал германий, поскольку этот материал уже применялся в качестве полупроводника. Вы познакомитесь с германиевым диодом, когда дойдет дело до детекторного радиоприемника в эксперименте 31. Но Роберт Нойс (Robert Noyce), изображенный на рис. 4.8, предложил вариант еще лучше.

Рис. 4.8. Роберт Нойс, который запатентовал интегральные микросхемы и стал одним из основателей компании Intel

Родившийся в 1927 году в штате Айова, Роберт Нойс в 50-х годах прошлого столетия переехал в Калифорнию, где устроился на работу к Уильяму Шокли. Это произошло сразу после того, как Шокли запустил производство транзисторов, которые он изобрел совместно с коллегами из Лаборатории Белла.

Нойс был одним из восьми сотрудников, которым надоело руководство Шокли, и они ушли, чтобы основать компанию Fairchild Semiconductor. Будучи генеральным директором Fairchild, Нойс изобрел интегральную микросхему на основе кремния, который намного проще в производстве по сравнению с германием. В итоге Нойса считают человеком, который воплотил в реальность интегральные микросхемы.

Микросхемами сразу же заинтересовались военные, поскольку системам наведения реактивных снарядов «Минитмен» требовались компактные и легкие компоненты. Именно для этих целей в период с 1960 по 1963 год была произведена основная часть микросхем. За этот период их стоимость снизилась с 1000 до 25 долларов за штуку (в ценах 1963 года).

В конце 60-х годов появились микросхемы со средним уровнем интеграции (MSI, Medium- Scale Integration), каждая из которых содержала сотни транзисторов. В микросхемах с высоким уровнем интеграции, появившихся в середине 70-х годов, число транзисторов доходит до десятков тысяч. Сегодняшние компьютерные микросхемы могут содержать несколько миллиардов транзисторов.

В конечном итоге Роберт Нойс вместе с Гордоном Муром (Gordon Moore) основал компанию Intel. В 1990 году он скоропостижно скончался от сердечного приступа. Вы можете узнать больше об увлекательной истории создания и производства микросхем на сайте Ассоциации историков Кремниевой долины (http://www. siliconvaIleyhistorical.org).

 

Я собираюсь начать наши эксперименты с микросхемами, познакомив вас с самым успешным изобретением, — таймером 555. В онлайн- источниках можно найти множество руководств по его применению, так зачем мне описывать его здесь? Для этого у меня есть три причины:

1. Об этой микросхеме должен знать каждый, кто интересуется электроникой. Некоторые источники утверждают, что ежегодно их выпускается более 1 млрд. Так или иначе эта микросхема будет присутствовать практически в любом устройстве, описанном далее в этой книге.

2. Таймер 555 является, пожалуй, самой универсальной микросхемой с несчетным количеством вариантов применения. Выходной ток довольно большой (до 200 мА), что важно на практике, а сама микросхема очень надежна и ее сложно повредить.

3. Прочитав десятки руководств, включая первый технический паспорт компании Signetics, и просмотрев множества любительских описаний, я пришел к выводу, что функционирование микросхемы редко объясняется на понятном для начинающих уровне. Я хочу дать вам наглядное представление о том, что происходит внутри, потому что тогда вы сможете творчески подойти к применению этой микросхемы.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В постоянного тока (батарея или сетевой адаптер)

• Резисторы номиналами 470 Ом (1 шт.) и 10 кОм (3 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (1 шт.) и 15 мкФ (1 шт.)

• Подстроечные потенциометры: номиналом 20 или 25 кОм (1 шт.) и 500 кОм (1 шт.)

• Микросхема таймера 555 (1 шт.)

• Кнопки (2 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

 

Первый взгляд на микросхему

Выводы таймера 555 пронумерованы против часовой стрелки (если смотреть сверху), как показано на рис. 4.9. На корпусе есть выемка с того конца, который считается верхом, иногда возле первого вывода ставят метку. Расстояние между выводами составляет 2,54 мм.

Корпуса всех других микросхем для установки в монтажные отверстия такие же, хотя выводов может быть больше. Обычно (но не всегда) расстояние между двумя рядами выводов составляет 7,62 мм, и это означает, что корпус в точности соответствует размеру промежутка посредине макетной платы, а проводники внутри макетной платы позволяют вам получить доступ к каждому выводу микросхемы. Да, макетная плата была именно так и задумана.

Рис. 4.9. Вариант корпуса микросхемы с восьмью выводами. Практически все микросхемы имеют полукруглую выемку сверху, но не везде есть метка возле первого вывода

 

Исследование моностабильного режима

На рис. 4.10 приведено обозначение выводов таймера 555. Рисунок, подобный этому, называют цоколевкой микросхемы. Я поясню функцию каждого вывода, но, как обычно, мне хочется, чтобы вы исследовали их самостоятельно.

Рис. 4.10. Цоколевка таймера 555

Рис.4.11. Схема для исследования таймера 555

Схема для исследования таймера показана на рис. 4.11.

Вы можете собрать эту схему на макетной плате, как показано на рис. 4.12. Обратите внимание на то, что возле нижнего левого угла находится короткая перемычка, соединяющая верхнюю секцию положительной шины с секцией, которая находится под ней. Перемычка необходима, если у вашей макетной платы есть разрыв в шине.

Номиналы компонентов показаны на рис. 4.13. Внутренние соединения изображены на рис. 4.14.

Подайте питание — и ничего не произойдет. Таймер ждет, чтобы вы его запустили. Подготовьте его, установив движок подстроечного потенциометра номиналом 500 кОм в среднее положение.

Теперь поверните движок подстроечного потенциометра 20 кОм против часовой стрелки до упора и нажмите кнопку А. Если по-прежнему ничего не произошло, поверните движок потенциометра 20 кОм по часовой стрелке до упора и попробуйте снова. Одно из этих действий должно вызвать вспышку светодиода, в зависимости от того как вы подключили потенциометр. Если ничего не происходит, значит, в вашей схеме есть ошибка.

Взгляните на схему. Вы видите, что контакт 2 таймера (запускающий) подключен через резистор с номиналом 10 кОм к положительной шине источника питания. Но к запускающему выводу также подключена кнопка, соединенная с движком подстроечного потенциометра. Если последний повернут так, что его движок соединен непосредственно с отрицательной шиной источника питания, то кнопка способна «перебороть» резистор 10 кОм и подать низкое напряжение на контакт 2. Так запускается таймер.

Если движок подстроечного потенциометра 20 кОм полностью повернут в обратном направлении, то кнопка А будет подавать на контакт 2 положительное напряжение, а поскольку на этом выводе уже есть положительное напряжение от резистора 10 кОм, то подача дополнительного положительного напряжения через кнопку А не играет роли.

Рис. 4.12, Макет установки для исследования таймера

Выводы:

• Положительное напряжение на запускающем входе игнорируется микросхемой.

• Снижение напряжения на запускающем входе запускает микросхему.

Но какова требуемая величина положительного напряжения, и какое снижение напряжения окажется достаточным, чтобы послужить запускающим фактором? Давайте выясним.

Рис. 4.13. Номиналы компонентов установки для исследования таймера

Возьмите мультиметр, настройте его на измерение постоянного напряжения и следите за напряжением между контактом 2 и отрицательной шиной, устанавливая подстроечный потенциометр 20 кОм в различные положения и нажимая кнопку А. Держу пари, что когда вы нажимаете кнопку, чтобы подать напряжение ниже 3 В на контакт 2, таймер будет включать светодиод. Если же напряжение остается выше 3 В, то я сомневаюсь, что будет происходить что-либо.

Выводы:

• Таймер запускается напряжением, которое составляет треть напряжения питания (или меньше).

• Светодиод продолжит гореть после того, как вы отпустите кнопку.

• Вы можете удерживать кнопку нажатой в течение любого интервала времени, который меньше, чем время цикла таймера, но светодиод всегда будет испускать импульс той же длительности.

Рис. 4.14. Соединения внутри макетной платы для исследования таймера

Рис. 4.15. Отклик таймера 555 на различную длительность сигнала и напряжение на запускающем выводе

На рис. 4.15 проиллюстрировано функционирование таймера 555. Эта микросхема способна преобразовать неидеальный входной сигнал в строго определенный выходной импульс почти прямоугольной формы. Он не мгновенно включается и выключается, но все же это происходит достаточно быстро, чтобы считать процесс перехода практически мгновенным.

Теперь попробуйте запустить таймер, регулируя положение движка подстроечного потенциометра 500 кОм. Вы обнаружите, что так можно настроить длительность импульса.

Вывод:

• Сопротивление между контактом 7 и положительной шиной источника питания (в сочетании с конденсатором, подключенным к выводу 6) определяет длительность выходного импульса таймера.

Проведем еще один эксперимент. Установите подстроечный потенциометр 500 кОм так, чтобы длительность импульса была достаточно большой. Нажмите кнопку А, а затем быстро нажмите кнопку В, которая оборвет импульс до его завершения. Удерживайте кнопку В нажатой, и попытайтесь снова запустить таймер кнопкой А — ничего не произойдет.

Наконец, отпустите кнопку В, нажмите и продолжайте удерживать кнопку А в нажатом положении. В результате импульс на выходе таймера будет продолжаться до тех пор, пока вы не отпустите кнопку А.

Что касается резисторов по 10 кОм, подключенных к контактам 2 и 4, — они называются подтягивающими (или нагрузочными) резисторами, потому что они поддерживают положительный потенциал на выводе. Непосредственное подключение к отрицательной шине будет подавлять нагрузочный резистор.

При работе с микросхемами очень важно иметь представление о нагрузочном резисторе, потому что вы никогда не должны оставлять вход неподключенным. Неподключенный контакт станет плавающим и может вызвать проблемы, поскольку он способен улавливать электромагнитные наводки, и мы не будем знать, какое на нем в данный момент напряжение.

А существуют ли стягивающие резисторы? Конечно. Но для таймера 555 необходимы именно подтягивающие резисторы, поскольку в исходном состоянии на контактах 2 или 4 должен присутствовать положительный потенциал, а активным является напряжение низкого уровня.

Итоги:

• Контакт 4 микросхемы таймера — это вывод сброса. Когда вы его заземляете, то вынуждаете таймер прервать любое выполняемое действие, и он будет оставаться неактивным, пока вы не отключите контакт 4 от отрицательной шины.

• Поддержание низкого напряжения на запускающем контакте таймера будет бесконечно перезапускать его.

• Таймер 555 запускается или сбрасывается подачей низкого напряжения на выводы 2 и 4 соответственно.

 

Изменение продолжительности импульса

Если вы еще раз взглянете на схему, изображенную на рис. 4.11, то увидите, что контакт 7 (вывод разряда) соединен с плюсом источника через резистор 10 кОм и подстроечный потенциометр 500 кОм. Резистор номиналом 10 кОм нужен, чтобы контакт 7 не был напрямую подключен к положительной шине источника питания.

Кроме того, к этому же контакту подключен конденсатор емкостью 15 мкФ. Хм, резистор, за которым следует конденсатор, не напоминает ли это вам резистивно-емкостную цепочку? Может быть, эта комбинация из резистора и конденсатора номиналом 15 мкФ служит для задания длительности выходного импульса?

Да, именно так и есть. Внутри микросхемы таймера хитроумная электронная схема определяет напряжение на конденсаторе, а затем таймер использует эти данные для прерывания импульса на выходе.

Вы можете исследовать это самостоятельно. Установите движок подстроечного потенциометра номиналом 500 кОм на создание импульса большой длительности и с помощью мультиметра измерьте напряжение на левой (по схеме) обкладке конденсатора емкостью 15 мкФ. Вы должны увидеть, что оно растет, пока не достигнет величины около 6 В. Для таймера это служит сигналом к прекращению выходного импульса, и напряжение резко снижается, потому что конденсатор оказывается заземленным. Вот почему контакт 7 называется выводом разряда: таймер разряжает через него конденсатор.

Итак, когда напряжение на времязадающем конденсаторе достигает 2/3 от величины питающего напряжения, импульс на выходе таймера прекращается.

Но зачем соединены вывод разряда и вывод порога? Вы узнаете это в следующем эксперименте, когда таймер будет подключен по-другому для генерации периодической последовательности, а не одиночного импульса. Тогда он будет работать в автоколебательном режиме. А сейчас мы используем его в моностабилъном (ждущем) режиме.

Выводы:

• В ждущем режиме в ответ на запускающее событие таймер выдает только один импульс.

• В автоколебательном режиме таймер генерирует непрерывную периодическую последовательность импульсов.

И в заключение вас, возможно, заинтересует причина подключения конденсатора емкостью 0,01 мкФ к контакту 5. Этот вывод является «управляющим»: подавая на него напряжение, можно управлять чувствительностью таймера. Мы пока не пользовались этой функцией, а конденсатор, соединенный с контактом 5, предотвращает возникновение паразитного самовозбуждения, т. е. повышает устойчивость работы схемы.

 

Следите за нумерацией выводов

На всех схемах в этой книге микросхемы показаны так, как вы видите их на макетной плате, с выводами, следующими в порядке номеров.

На других схемах, которые вы можете найти на веб-сайтах или в книгах, все может быть иначе. Для удобства рисования схем выводы компонентов часто располагают в ином порядке. Компоновка макетной платы также может быть произвольной. Приведу вам пример — схемы на рис. 4.16 и 4.11 идентичны, но выводы были переставлены для упрощения схемы подключения и минимизации количества пересечений проводов.

Перестановка выводов в некоторых случаях позволяет упростить понимание схемы (особенно если плюс источника питания находится сверху, а минус снизу), но вам придется нарисовать компоновку устройства на бумаге, прежде чем вы сможете собрать его на макетной плате.

Рис. 4.16. Эта схема идентична показанной на рис. 4.11, но выводы микросхемы расположены в другом порядке для упрощения схемы

 

Длительность импульса на выходе таймера

Когда вы исследовали резистивно-емкостную цепочку в эксперименте 9, потребовалось выполнить некоторые нудные вычисления, чтобы установить, сколько времени понадобится конденсатору для достижения определенного напряжения. С использованием таймера 555 все становится гораздо проще. Просто отыщите требуемое значение длительности выходного импульса в табл. 4.1. Сопротивление между выводом 7 и положительной шиной источника питания указано в шапке таблицы, емкость времязадающего конденсатора приведена слева, а числа в таблице подскажут вам приблизительную длительность импульса в секундах.

Таблица 4.1. Длительность выходного импульса, с

При выборе номиналов элементов времязадающей цепи следует придерживаться нескольких правил:

• Нельзя использовать резисторы с номиналом ниже 1 кОм.

• Нежелательно выбирать резисторы с номиналом ниже 10 кОм, поскольку они увеличивают потребление энергии.

• Конденсаторы емкостью выше 100 мкФ могут привести к неточным результатам, потому что ток утечки конденсатора становится сопоставимым с зарядным током.

А если вам потребуется длительность более 1110 секунд или менее 0,01 секунды? Или вам необходима длительность, которая находится в промежутке между значениями, указанными в табл. 4.1?

Можно воспользоваться простой формулой:

Т = R × С × 0,0011

где Т — длительность импульса в секундах, R — сопротивление в килоомах, а C — емкость в микрофарадах.

Учтите, результат может быть неточным в связи с погрешностью номиналов резистора и конденсатора, а также в результате действия других факторов, например, температуры окружающей среды.

 

Работа таймера 555 в ждущем режиме

Пластиковый корпус таймера 555 содержит тонкую кремниевую пластину, на которой выполнены десятки транзисторных соединений, схема которых слишком сложна для объяснения здесь. Тем не менее, можно обобщить их функции, разделив таймер на несколько структурных блоков, как показано на рис. 4.17.

Символы «плюс» и «минус» внутри микросхемы — это источники питания, которое, собственно, подводится от выводов 1 и 8 соответственно.

Для наглядности я опустил внутренние соединения для этих выводов.

Два треугольника — это компараторы. Каждый компаратор сравнивает два входных сигнала (при основании треугольника) и выдает выходной сигнал (от вершины треугольника) в зависимости от того, одинаковы или различны сигналы на входах. Буквами FF (от. англ, flip-flop) обозначен триггер — логический компонент, который может находиться в одном из двух состояний. Я нарисовал его как переключатель на два направления, хотя в реальности он состоит из полупроводниковых компонентов.

Вначале, когда вы подаете питание на микросхему, триггер находится в верхнем положении, при котором на выход, через контакт 3, подается низкое напряжение. Если триггер получает сигнал от компаратора А, то он переключается в нижнее положение и остается в нем. Когда он получает сигнал от компаратора В, то переключается обратно в верхнее положение и остается там. Обозначения «Верх» и «Низ» у компараторов будут напоминать вам, как каждый из них меняет состояние при срабатывании.

Рис. 4.17. Упрощенное представление внутренних блоков таймера 555, работающего в ждущем режиме

Обратите внимание на внешний провод, который соединяет контакт 7 с конденсатором С. Пока триггер находится в верхнем положении, он потребляет положительное напряжение, проходящее через резистор R к выводу 7, и не дает конденсатору зарядиться положительно.

Если напряжение на контакте 2 падает до 1/3 от подаваемого, компаратор А фиксирует это и переключает триггер в нижнее положение. При этом на контакте 3 (т. е. на выходе таймера) появляется положительный импульс, а вывод 7 отключается от отрицательной шины питания. Теперь конденсатор может начать заряжаться через резистор. Пока продолжается заряд конденсатора, на выходе таймера присутствует положительный сигнал.

Компаратор В через контакт 6 отслеживает увеличение напряжения на конденсаторе. Когда напряжение на конденсаторе составит 2/3 от величины напряжения питания, компаратор В переключит триггер обратно в исходное верхнее положение. Это разрядит конденсатор через вывод 7. Кроме того, триггер прервет положительный выходной сигнал и соединит контакт 3 с отрицательной шиной питания. Так таймер 555 возвращается в исходное состояние.

Резюмируем описанную последовательность событий:

• Вначале триггер заземляет конденсатор и выход (контакт 3).

• При снижении напряжения на контакте 2 до 1/3 от напряжения питания (или меньше) выходной сигнал (вывод 3) становится положительным, одновременно конденсатор С начинает заряжаться через резистор R.

• Когда напряжение на конденсаторе достигает значения 2/3 от напряжения питания, конденсатор разряжается через контакт 7, а выходной сигнал на контакте 3 снова становится низким.

 

Подавление паразитного импульса

При подаче питания на таймер, работающий в моностабильном режиме, на выходе может самопроизвольно появиться один импульс, прежде чем схема перейдет в «спящий» режим и будет снова ждать запуска. Во многих случаях это причиняет неудобства.

Один из способов избежать этого — подключить конденсатор емкостью 1 мкФ между контактом сброса и отрицательной шиной. Конденсатор забирает ток от вывода сброса при первой подаче питания и удерживает этот вывод в низком состоянии всего на долю секунды — достаточно долго, чтобы не позволить таймеру сгенерировать паразитный импульс. После того как конденсатор зарядится, он больше не участвует в работе, а резистор номиналом 10 кОм поддерживает положительный уровень на контакте сброса, и таким образом он не будет влиять на работу таймера. В последующих экспериментах мы используем этот способ подавления нежелательного импульса.

 

Варианты применения таймера 555

В ждущем режиме таймер 555 будет выдавать одиночный импульс фиксированной (но программируемой) длительности. Как это можно использовать на практике? Подумайте, как с помощью таймера управлять каким-либо другим компонентом. Пусть это будет, например, автомат управления освещением. Когда инфракрасный датчик «видит» что-то движущееся, включается свет, но только на определенный период, который можно задать с помощью таймера 555.

Другое применение — тостер. Когда кто-то опускает кусочек хлеба, замыкается переключатель, запуская цикл работы тостера. Чтобы регулировать длительность цикла, можно предусмотреть потенциометр с ручкой, который будет задавать степень зарумянивания тоста. Как только цикл работы тостера завершается, таймер выдает сигнал, поступающий на мощный транзистор, который включает соленоид (похожий на реле без переключающих контактов), чтобы вытолкнуть тост.

Щетки стеклоочистителя, работающие в циклическом режиме, также могут управляться от таймера 555, и в старых моделях автомобилей так и было. Частота, с которой повторяется символ при удерживании нажатой клавиши на клавиатуре компьютера, также могла задаваться таймером 555 — и в компьютере Apple II так и было.

А как насчет охранной сигнализации из эксперимента 15? В одном из пунктов моего технического задания было указано, что устройство должно ждать определенное время, пока вы его отключите, прежде чем начать подавать сигнал тревоги. Об этом тоже может позаботиться таймер 555.

Эксперимент, который вы только что выполнили, может показаться тривиальным, но он раскрывает огромный спектр возможностей.

 

Бистабильный режим

Есть еще один вариант использования таймера — бистабильный (триггерный) режим. Он влечет за собой отключение основных функций. Зачем это может понадобиться? Далее я все объясню.

На рис. 4.18 показан макет схемы, который вы можете собрать за несколько минут. Попробуйте. Два резистора слева — это нагрузочные резисторы, каждый по 10 кОм. Нижний резистор с номиналом 470 Ом предназначен для защиты светодиода. Добавьте две кнопки, сам таймер — и готово.

Как только вы соберете схему на макетной плате, нажмите и отпустите верхнюю кнопку, светодиод зажжется. Надолго ли? Пока подано напряжение питания. Выходной сигнал таймера длится бесконечно.

Теперь нажмите и отпустите нижнюю кнопку, и светодиод погаснет. Надолго? Как пожелаете. Он не зажжется, пока вы снова не нажмете верхнюю кнопку.

Я уже говорил, что внутри таймера есть триггер. Иными словами, вся микросхема может работать как один большой триггер. Он переключается в состояние «включено», когда вы заземляете контакт 2, и остается в этом состоянии. Он переключается в состояние «выключено», когда вы заземляете контакт 4, и остается в этом положении. Триггеры играют важную роль в цифровых схемах, как я расскажу чуть позже, но сейчас давайте разберемся, как все работает и почему это может вам понадобиться.

Взгляните на схему, изображенную на рис. 4.19. Вы можете заметить, что с правой стороны нет ни резистора, ни конденсатора. Резистивноемкостная цепочка отсутствует. Таким образом, эта схема не имеет времязадающих компонентов. Обычно, когда вы запускаете таймер, импульс на выходе заканчивается, когда напряжение на времязадающем конденсаторе (на контакте 6) достигает 2/3 величины напряжения питания. Но здесь контакт 6 заземлен, и таким образом напряжение на нем никогда не достигнет значения 2/3 напряжения питания. Следовательно, когда вы запустите таймер, выходной импульс никогда не закончится.

Рис. 4.18. Установка, в которой таймер 555 работает как триггер

Рис. 4.19. Схема исследования таймера 555 в бистабильном режиме

Безусловно, вы можете прервать выходной сигнал, подав низкий уровень напряжения на вывод сброса (контакт 4). Но после этого таймер останется в выключенном состоянии, пока вы не запустите его снова.

Этот режим называется бистабильным, потому что он стабилен, когда выход находится либо в высоком состоянии, либо в низком. Триггер такого типа называют защелкой.

Выводы:

• Подача импульса низкого уровня на контакт 2 устанавливает высокий уровень на выходе и фиксирует его в этом состоянии.

• Подача импульса низкого уровня на контакт 4 устанавливает низкий уровень на выходе и фиксирует его в этом состоянии.

На интервале между подачей запускающих импульсов на выводах 2 и 4 должен поддерживаться высокий уровень. Именно для этого в схеме предусмотрены подтягивающие резисторы.

Контакт 5 таймера можно оставить неподключенным, поскольку в триггерном режиме любые случайные сигналы будут игнорироваться.

Если вы недоумеваете, зачем могло бы понадобиться использование таймера таким способом, то удивитесь, насколько полезным может оказаться бистабильный режим. Я собираюсь далее использовать его в трех экспериментах. На самом деле таймер 555 не предназначен для работы в режиме триггера, но это может оказаться удобным.

 

Как появился интегральный таймер

В далеком 1970 году, когда полдесятка корпоративных «саженцев» пустили свои корни в благодатную почву Кремниевой долины, компания Signetics выкупила у инженера Ганса Камензинда (Hans Camenzind) (рис. 4.20) его разработку. Она не являлась каким-либо большим прорывом — всего лишь 23 транзистора и горстка резисторов, которые работали как программируемый таймер. Схема должна была быть универсальной, стабильной и простой, но эти достоинства уступали место главной цели — выгоде от продаж. С помощью инновационной технологии интегральных схем компании Signetics удалось реализовать все на кремниевой подложке.

Рис. 4.20. Ганс Камензинд, изобретатель, проектировщик и разработчик микросхемы таймера 555 для компании Signetics

Успеху предшествовал ряд проб и ошибок. Ка- мензинд работал в одиночку, собрав сначала схему с помощью обычных транзисторов, резисторов и диодов на макетной плате. Она заработала, и поэтому он стал слегка изменять номиналы различных компонентов, чтобы узнать, будет ли устройство допускать изменения в процессе производства, а также в результате действия других факторов, таких как температура микросхемы в рабочем состоянии. Он протестировал, по меньшей мере, 10 различных вариантов схемы. На это ушло несколько месяцев.

Затем начался процесс создания микросхемы. Камензинд сел за чертежный стол и с помощью специального ножа X-Acto начертил схему на большом листе пластика. Далее в компании Signetics фотографическим способом уменьшили это изображение в 300 раз. После этого методами травления получили кремниевые подложки микросхем и заключили каждую из них в прямоугольник из черного пластика размером около 1 см, а на верхней стороне нанесли номер. Так появился таймер 555.

Таймер 555 оказался самым успешным за всю историю микросхем, как по количеству проданных экземпляров (десятки миллиардов и это количество непрерывно растет), так и по долговечности схемотехники (никаких существенных изменений схемы почти за 40 лет). Таймер 555 можно встретить повсеместно, начиная от игрушек и заканчивая космическими кораблями. Он способен сделать мигающим сигнал светофора, включить сигнализацию, сформировать паузы между звуковыми сигналами или же создать сами сигналы.

Сегодня для разработки микросхем создают большие группы инженеров и тестируют прототипы с помощью имитации их поведения компьютерными программами. Таким образом, микросхемы внутри компьютера разрабатывают новые микросхемы. Золотая эра проектировщиков-одиночек, таких как Ганс Камензинд, прошла, но его гений живет внутри каждого выпускаемого таймера 555. Если вы желаете узнать больше об истории микросхем, посетите Музей транзисторов ().

В 2010 году, когда я писал книгу Make: Electronics, я искал Ганса Камензинда онлайн и обнаружил, что он ведет персональный сайт, на котором указан номер его телефона. Спонтанно я решил ему позвонить. Было удивительно разговаривать с человеком, создавшим микросхему, которую я использую уже более 30 лет. Он был дружелюбно настроен (хотя и не словоохотлив) и с готовностью согласился просмотреть текст моей книги. Даже более того, после того как он прочел ее, он оказал поддержку этому начинанию.

Впоследствии я купил книгу Ганса Камензинда о краткой истории электроники, Much Ado About Almost Nothing («Много шума почти из ничего»), которую до сих пор можно найти в Интернете и которую я очень рекомендую прочитать. Я гордился тем, что мне представилась возможность поговорить с одним из первых проектировщиков интегральных схем. И я очень огорчился, когда узнал, что он умер в 2012 году.

 

Характеристики таймера 555

Таймер 555 может работать от источника постоянного напряжения в диапазоне от 5 до 16 В. Абсолютный максимум составляет 18 В. Во многих технических паспортах указывают максимально допустимое напряжение 15 В. На микросхему можно подавать нестабилизированное напряжение питания.

Большинство производителей рекомендует, чтобы резистор, подключаемый к выводу 7, имел номинал от 1 кОм до 1 МОм. Однако при номинале ниже 10 кОм энергопотребление таймера возрастает. Поэтому лучше уменьшить номинал конденсатора, а не резистора.

Емкость конденсатора может быть настолько большой, насколько пожелаете, если вы хотите отмерять достаточно долгие интервалы, но точность таймера с ростом емкости будет уменьшаться, потому что величина утечки в конденсаторе становится сопоставимой со скоростью его заряда.

Падение напряжения на таймере больше, чем на транзисторе или диоде. Разность между подаваемым напряжением и напряжением на выходе составляет 1 В и больше.

Выходной так микросхемы достигает 200 мА, однако при токе выше 100 мА напряжение будет снижаться, что может повлиять на точность синхронизации.

 

Не все таймеры одинаковы

Все, о чем я говорил до сих пор, относится к старой, исходной ТТЛ-версии таймера 555. ТТЛ — это аббревиатура термина транзисторнотранзисторная логика, которая была предшественницей современных КМОП-микросхем, потребляющих намного меньше энергии. ТТЛ- версия таймера называется также биполярной версией, поскольку она содержит биполярные транзисторы.

Преимущества оригинального таймера 555 заключаются в его малой стоимости и надежности. Вам будет сложно вывести его из строя, а его выходной сигнал достаточно мощный, чтобы подключать напрямую катушку реле или небольшой динамик. Тем не менее, таймер 555 потребляет значительную мощность и способен создавать выбросы напряжения, которые иногда влияют на работу других микросхем.

Чтобы устранить эти недостатки, был разработан новый вариант таймера 555 на основе КМОП-транзисторов, которые потребляют меньшую мощность. Усовершенствованная микросхема не создает выбросов напряжения, однако, ее выходной сигнал ограничен. Насколько? Это зависит от конкретного производителя.

К сожалению, для КМОП-версий таймера 555 отсутствует стандартизация. Некоторые производители утверждают, что на выходе обеспечивается ток в 100 мА, в то время как другие ограничивают его величиной 10 мА.

По непонятной причине, КМОП-версии имеют разную маркировку. Микросхема 7555 четко идентифицируется как КМОП-таймер, а у других компонентов перед числом 555 могут быть указаны различные сочетания букв, и только от вас зависит, сможете ли вы разобраться, что они означают.

В этой книге, чтобы избежать путаницы и упростить нашу задачу, я использовал только ТТЛ- версию таймера 555 (биполярную). Если вы покупаете компоненты самостоятельно, загляните в раздел «Другие компоненты» главы 6 и перейдите к подразделу «Компоненты для четвертой главы», где вы найдете рекомендации по приобретению таймера.

 

Теперь, когда вы знакомы с моностабильным и бистабильным режимами работы таймера 555, хочу познакомить вас с автоколебательным режимом (режим мультивибратора). Он называется так потому, что выходной сигнал постоянно колеблется между высоким и низким состояниями и не остается стабильным ни в одном из них.

Выходной сигнал таймера похож на сигнал от транзисторного генератора, который вы собрали в эксперименте 11, однако он более универсален и его параметры легче регулировать. Вместо двух транзисторов, четырех резисторов и двух конденсаторов для создания колебаний вам понадобится только одна микросхема, два резистора и один конденсатор.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Микросхемы таймера 555 (4 шт.)

• Миниатюрный динамик (1 шт.)

• Резисторы с номиналами 47 Ом (1 шт.), 470 Ом (4 шт.), 1 кОм (2 шт.), 10 кОм (12 шт.), 100 кОм (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (8 шт.), 0,022 мкФ (1 шт.), 0,1 мкФ (1 шт.), 1 мкФ (3 шт.), 3,3 мкФ (1 шт.), 10 мкФ (4 шт.), 100 мкФ (2 шт.)

• Диод серии 1N4148 (1 шт.)

• Подстроечный потенциометр на 100 кОм (1 шт.)

• Кнопка (1 шт.)

• Стандартные светодиоды (4 шт.)

 

Исследование автоколебательного режима

Типичная схема для работы таймера в режиме мультивибратора показана на рис. 4.21. Я подключил к выходу динамик, потому что частота сигнала будет находиться в звуковом диапазоне. Последовательно с динамиком включен резистор, чтобы ограничить силу тока, и разделительный конденсатор, который пропускает звуковые частоты и препятствует прохождению постоянного тока. Номиналы этих компонентов я приведу далее. А сейчас мне хотелось бы, чтобы вы увидели лишь общую схему.

Резисторы R1, R2 и конденсатор С1 определяют частоту мультивибратора. Эти обозначения всегда присутствуют в техпаспортах и других источниках, и я придерживаюсь данной традиции.

Конденсатор С1 выполняет ту же функцию, что и времязадающий конденсатор таймера в моностабильной схеме на рис. 4.11. Необходимость двух резисторов вместо одного будет пояснена ниже.

Сможете ли вы самостоятельно понять, как работает эта схема, используя те знания, которые вы получили в эксперименте 16? Первое, что сразу бросается в глаза, — это отсутствие входа. Контакт 2 (запуск) подключен к контакту 6 (порог). Догадываетесь, как это будет работать? Конденсатор С1 будет накапливать заряд, как и в ждущем режиме, пока напряжение на нем не достигнет 2/3 величины напряжения питания, после чего он разрядится через резистор R2 и вывод 7, и напряжение на нем упадет. Поскольку контакты 2 и 6 соединены друг с другом, это означает, что запускающий вывод отслеживает снижение напряжения на конденсаторе С1.

Рис. 4.21. Обобщенная принципиальная схема цепи для запуска таймера 555 в автоколебательном режиме

Когда напряжение на контакте 2 резко упадет, таймер запустится. Таким образом, в этой схеме таймер будет перезапускать сам себя.

Как быстро это будет происходить? Полагаю, вам стоит собрать макет этой схемы, чтобы все выяснить. На рис. 4.22 я указал номиналы компонентов и перерисовал схему, добавив подстроечный потенциометр, чтобы вы смогли увидеть (или, скорее, услышать) эффект от изменения его сопротивления. Подстроечный потенциометр и соединенный с ним резистор 10 кОм в сумме составляют сопротивление R2. Емкость времязадающего конденсатора С1 равна 0,022 мкФ, а сопротивление R1 — 10 кОм.

Рис. 4.22. Схема для исследования таймера в автоколебательном режиме

Рис. 4.23. Компоновка макетной платы для исследования таймера в автоколебательном режиме

Рис. 4.24. Расположение и номиналы компонентов

На рис. 4.23 приведена компоновка макетной платы, а на рис. 4.24 — размещение и номиналы компонентов.

Что произойдет, когда вы подадите питание? Динамик сразу же начнет издавать звуковой сигнал. Если вы ничего не слышите, значит, почти наверняка сделали ошибку в подключении. Обратите внимание на то, что вам больше не нужно активировать микросхему с помощью кнопки. Таймер 555 запускает себя сам, как и предполагалось.

Перемещайте движок потенциометра, и тональность звука будет меняться. Потенциометр регулирует скорость заряда и разряда конденсатора С1, и это определяет соотношение длительности интервалов включения и выключения звукового сигнала. При указанных номиналах компонентов частота импульсов варьирует между 300 и 1200 Гц. Импульсы поступают на динамик. В результате его диффузор перемещается вверх и вниз, создавая продольные волны в воздухе, а ваше ухо воспринимает их как звук.

 

Частота выходного сигнала

Частота звука — это число полных периодов в секунду, каждый из которых содержит импульс высокого давления и следующий за ним импульс низкого давления.

Термин герц — это единица измерения частоты, означающая то же самое, что и «период в секунду». Она была введена в употребление в Европе и названа в честь еще одного первопроходца в сфере электричества, Генриха Герца. Аббревиатура герц — Гц; таким образом, сигнал на выходе у вашего таймера 555 в описанной схеме будет варьировать приблизительно между 500 и 1200 Гц.

Как и у большинства стандартных единиц, префикс «к» означает «кило-»; таким образом, значение 1200 Гц можно записать как 1,2 кГц.

Как номиналы времязадающего конденсатора и резисторов определяют частоту сигнала на выходе таймера? Если значения R1 и R2 измеряются в килоомах, а емкость С1 — в микрофарадах, то частота f в герцах определяется как:

f = 1440/(((2 × R2) + R1) × C1)

Выполнять расчеты по формуле скучно, и поэтому я снабжаю вас таблицей (табл. 4.2). Предполагается, что номинал резистора, обозначенного на схеме как R1, является постоянным и равным 10 кОм. Шапка таблицы содержит номиналы резистора R2. В боковике таблицы указана емкость времязадающего конденсатора С1.

Вы, должно быть, помните, что аббревиатура пФ означает «пикофарад», это одна миллионная доля микрофарад. Нанофарад находится посредине между микрофарадами и пикофарадами, но эта единица измерения в США применяется редко, и поэтому ее нет в данной таблице.

Таблица 4.2. Частота выходного сигнала, Гц

 

Что происходит внутри таймера 555, работающего в режиме мультивибратора

Для лучшего понимания того, что происходит, когда таймер работает в автоколебательном режиме, посмотрите на рис. 4.25. Внутренняя конфигурация точно такая же, как в ждущем режиме, отличаются только внешние цепи.

Как и ранее, сначала триггер заземляет время- задающий конденсатор С1. Но теперь низкое напряжение с этого конденсатора подается от контакта 6 к контакту 2 через внешний провод. Это служит толчком к самозапуску микросхемы. Триггер послушно переключается в положение «включено» и посылает положительный импульс на динамик, убирая в то же время отрицательное напряжение с контакта 6.

Теперь конденсатор С1 начинает заряжаться, так же, как и в ждущем режима, но теперь он заряжается через последовательно соединенные резисторы R1 и R2. Поскольку емкость конденсатора С1 невелика, он заряжается быстро. Когда напряжение на С1 достигает величины 2/3 полного напряжения, компаратор В вступит в игру как и ранее, разряжая конденсатор и прерывая выходной импульс на контакте 3.

Рис. 4.25. Функциональная схема таймера 555 а режиме автоколебаний

Конденсатор разряжается через резистор R2 и контакт 7 (вывод разряда). Когда конденсатор разряжается, напряжение на нем падает. Но это напряжение по-прежнему подключено к контакту 2. Когда оно упадет до одной трети (или менее) от полного напряжения, включится компаратор А и выдаст триггеру другой импульс, начиная процесс заново.

 

Несимметричность интервалов «включено/выключено»

Когда таймер работает в автоколебательном режиме, конденсатор С1 заряжается через последовательно соединенные резисторы R1 и R2. Но разряд конденсатора С1 на микросхему происходит только через резистор R2. Поскольку этот конденсатор заряжается через два резистора, а разряжается только через один из них, он заряжается медленнее, чем разряжается. Пока С1 заряжается, выходной сигнал на контакте 3 находится в высоком состоянии; когда С1 разряжается, выходной сигнал оказывается в низком состоянии. В результате этого длительность состояния «включено» всегда больше, чем «выключено». Сказанное наглядно иллюстрирует рис. 4.26.

Рис.4.26. При стандартном включении таймера 555 в режиме автоколебаний импульсы всегда длиннее, чем паузы между ними

Если вы желаете, чтобы интервалы включения и выключения были одинаковыми, или если необходимо раздельно задавать их длительность (например, нужно отправлять на другую микросхему очень короткий импульс с последующей длительной паузой до следующего импульса), то все, что потребуется, — это добавить диод, как показано на рис. 4.27. Поскольку на диоде падает часть напряжения, такая схема будет лучше работать с источником питания выше 5 В.

Теперь, когда конденсатор С1 заряжается, электрический ток проходит через резистор R1 как и ранее, но идет в обход резистора R2 через диод. Когда конденсатор С1 разряжается, диод закрыт, поэтому разряд происходит через резистор R2.

Теперь резистор R1 определяет время заряда, a R2 — время разряда. Формула для приближенного вычисления частоты теперь выглядит так:

Частота = 1440 / ((R1 + R2) × С1),

где номиналы R1 и R2 измеряются в килоомах, а емкость С1 — в микрофарадах. (Я употребил слово «приближенного», потому что диод добавляет в цепь небольшое сопротивление, которое не отражено в данной формуле.)

Рис. 4.27. Добавление диода в обход резистора R2 позволяет независимо задавать длительность высокого и низкого выходного сигнала таймера

Если вы сделаете номиналы R1 и R2 равными, то должны получить почти одинаковую продолжительность интервалов включения и выключения.

 

Вариант регулировки частоты

Частоту выходного сигнала можно регулировать не только потенциометром, меняющим эквивалентное сопротивление R2, но и в некоторой степени с помощью контакта 5 (вывод управления). Это показано на рис. 4.28.

Отключите конденсатор, который был подсоединен к контакту 5, и замените его цепочкой резисторов, как показано на рис. 4.28. В данной схеме при любом положении движка потенциометра между выводом 5 и положительной или отрицательной шинами источника питания всегда будет сопротивление 1 кОм. Подключение управляющего вывода напрямую к источнику питания не повредит таймер, однако при этом звук не будет слышен. По мере вращения потенциометра будет изменяться частота. Это происходит из-за того, что меняется эталонное напряжение на компараторе В внутри микросхемы.

Рис. 4.28. Схема, демонстрирующая работу управляющего вывода таймера 555

 

Последовательное соединение таймеров

Микросхемы таймера можно соединить четырьмя различными способами. Обратите внимание, что эти конфигурации работают независимо от того, в каком режиме (ждущем или автоколебательном) находится каждый из таймеров (за исключением специально оговоренных случаев).

• Если один из таймеров питается от источника 9 В, то его выходного сигнала будет достаточно для питания другого таймера 555 (рис. 4.29).

Рис. 4.29. Один таймер питает другой

Рис. 4.30. Один таймер запускает другой

• Выходной сигнал одного таймера может запускать другой таймер. Это верно только тогда, когда второй таймер работает в ждущем режиме. В режиме автоколебаний он будет запускать сам себя (рис. 4.30).

• Выходной сигнал с одного таймера можно подать на вывод сброса другого таймера (рис. 4.31).

• Выходной сигнал с одного таймера можно через подходящий резистор подать на управляющий вывод другого таймера (рис. 4.32).

Рис. 4.31. Один таймер управляет сбросом другого

Рис. 4.32. Один таймер управляет другим

С какой целью таймеры соединяют в цепочку? Например, вам может понадобиться, чтобы два таймера работали в моностабильном режиме так, чтобы в момент окончания высокого уровня напряжения на выходе первого таймера появлялся высокий уровень на втором, и наоборот. На самом деле вы можете соединить в цепочку сколько угодно таймеров, причем последний может запускать первый. Такое устройство может, например, управлять гирляндой светодиодов.

На рис. 4.33 показаны четыре таймера, соединенные друг за другом. Они подключены через разделительные конденсаторы, поскольку нам нужно, чтобы короткий импульс одного таймера запускал следующий. Без этих конденсаторов окончания импульса первого таймера в цепочке запускало бы второй таймер, однако выходной сигнал первого таймера оставался бы в низком состоянии, что привело бы к непрерывному запуску второго таймера.

Кроме того, на запускающем выводе каждого таймера нужно предусмотреть подтягивающий резистор номиналом 10 кОм, чтобы поддерживать его в высоком состоянии.

Если в цепочку соединены моностабильные таймеры, возникает интересный вопрос. Как они начнут работу? Я упоминал в эксперименте 16, что таймер 555 в ждущем режиме будет, как правило, выдавать одиночный спонтанный импульс при первом включении. Когда несколько таймеров соединены вместе, они все будут пытаться сделать это почти одновременно, а поскольку присутствуют небольшие отличия в заводских характеристиках, результат окажется непредсказуемым. Иногда они будут «успокаиваться» в правильной упорядоченной последовательности, а в других случаях светодиоды в результате будут включаться парами.

Совладать с этим можно с помощью подавления импульса, которое я описывал в эксперименте 16 (см. раздел «Подавление импульса» этой главы).

Рис. 4.33. Четыре таймера соединены в цепочку для запуска друг друга

Конденсатор емкостью 1 мкФ между контактом сброса и отрицательной шиной будет удерживать вывод сброса в низком состоянии достаточно долго, чтобы подавить начальный импульс таймера. Нагрузочный резистор 10 кОм, также подключенный к выводу сброса, будет поддерживать на нем стабильный потенциал, пока таймер работает.

Судя по моему опыту, этот прием работает хорошо, хотя таймеры различных производителей могут, по-видимому, вести себя различно, поскольку поведение вывода сброса не очень подробно документировано. Если у вас возникают трудности с подавлением импульса, попробуйте увеличить или уменьшить емкость конденсатора.

При соединении таймеров в цепочку возникает другая проблема — подавление импульса работает слишком хорошо. Вы включаете питание, и ничего не происходит, потому что выходные сигналы всех таймеров были подавлены.

Обойти эту проблему можно, убрав подавление импульса только у одного таймера. Он почти наверняка сгенерирует начальный импульс, когда получит питание, и это запустит остальную цепочку. Такая схема изображена на рис. 4.33.

Но, погодите-ка. Что значит «почти наверняка»? Электронные устройства должны работать совершенно предсказуемо. Всегда, а не «почти» всегда.

Согласен. Но нам не подвластно свойство таймеров 555 вытворять непредсказуемое, когда на них подают питание. Поэтому я добавил кнопку в верхней части схемы, которую можно использовать для запуска каскада, если он не начал работать самостоятельно.

Есть и другой вариант, в котором первый таймер цепочки запускается в автоколебательном режиме. Он выдает серию импульсов, которые проходят через другие таймеры, работающие в ждущем режиме, но обратная связь последнего таймера с первым разомкнута. В терминах электроники можно сказать, что первый таймер — ведущий (master), а остальные — ведомые (slaves).

Мне нравится эта конфигурация, поскольку она полностью предсказуема. Проблема в том, что вам необходимо настроить частоту сигнала ведущего таймера так, чтобы он генерировал очередной импульс в тот момент, когда последний ведомый таймер цепочки завершит свой импульс. Иначе первый таймер выдаст последующий импульс, прежде чем закончится импульс последнего, или же возникнет пауза между последним импульсом и очередным импульсом ведущего таймера.

Важно ли это, зависит от применения. Для огней в гирлянде это не проблема, но если вы управляете шаговым двигателем, то обеспечить правильную синхронизацию будет сложно.

 

Создание сирены

Четвертый вариант соединения двух таймеров (см. рис. 4.32) представляет для нас особый интерес, потому что так можно создать звук сирены, похожий на тот, который выдают обычные системы охранной сигнализации. Фактически, его можно было бы использовать для аудиовыхода в проекте сигнализации, который остался незаконченным в эксперименте 15.

На рис. 4.34 показана предлагаемая схема. Таймер 1 подключен для работы в автоколебательном режиме по схеме, подобной приведенной на рис. 4.21. Номиналы компонентов выбраны большими, и таким образом таймер генерирует колебания на частоте около 1 Гц. Можете сравнить эту схему с той, что приведена на рис. 2.115. Принцип тот же.

Таймер 2 также подключен для работы в режиме автоколебаний на частоте около 1 кГц. Идея заключается в том, что медленные колебания напряжения от таймера 1 подаются на управляющий вывод таймера 2, в результате возникает тот раздражающий звук, который мы ассоциируем с охранными системами.

Советую вам собрать эту схему, потому что она может понадобиться в заключительной версии охранной сигнализации, к которой мы приступим уже в следующем эксперименте 18. Компоновка макетной платы для сирены приведена на рис. 4.35, а расположение и номиналы компонентов — на рис. 4.36.

После того как вы ее запустите, попробуйте вынуть и заменить другим конденсатор емкостью 100 мкФ, подключенный между контактом 6 и заземлением. Этот конденсатор плавно повышает и понижает частоту, вместо резкого переключения между верхним и нижним значениями. Аналогично конденсатор был использован для плавного включения и выключения светодиода в эксперименте 11.

Рис. 4.34. Один таймер работает относительно медленно, модулируя другой через управляющий вывод (контакт 5), в результате возникает звучание как у сирены сигнализации

Рис. 4.35. Макет сирены 

Рис. 4.36. Расположение и номиналы компонентов для сирены

Вы можете изменить этот звук другими способами. Вот несколько предложений:

• Измените номинал времязадающего конденсатора емкостью 0,1 мкФ, чтобы поднять или опустить высоту основного звука.

• Увеличьте или уменьшите емкость конденсатора 100 мкФ, подключенного к контакту 6, в два раза.

• Замените потенциометр с номиналом 10 кОм на резистор 1 кОм.

• Поменяйте емкость конденсатора 3,3 мкФ.

Один из приятных моментов при конструировании — возможность менять что-либо, подгоняя изделие под свой вкус. Как только звучание сирены вас удовлетворит, запишите номиналы компонентов на будущее.

Кстати, можно уменьшить количество микросхем, заменив два таймера 555 на одну микросхему 556, которая содержит пару таймеров 555 в одном корпусе. Но поскольку при этом число внешних соединений (кроме подключения к питанию) остается прежним, я не утруждал себя сборкой этого варианта.

 

Теперь, когда вы увидели, на что способен таймер 555, можно выполнить оставшиеся требования из технического задания охранной сигнализации.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Таймер 555 (2 шт.)

• Двухполюсное реле на два направления с напряжением срабатывания 9 В (1 шт.)

• Транзисторы серии 2N2222 (2 шт.)

• Светодиоды: красный, зеленый, желтый (по 1 шт.)

• Однополюсный ползунковый переключатель на два направления, для макетной платы (2 шт.)

• Кнопка (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (1 шт.), 10 мкФ (2 шт.) и 68 мкФ (2 шт.)

• Резисторы с номиналами 470 Ом (4 шт.), 10 кОм (4 шт.), 100 кОм (1 шт.) и 1 МОм (2 шт.)

• Диод серии 1N4001 (1 шт.)

Необязательно (для сирены):

• Компоненты, показанные на рис. 4.34

Необязательно (для изготовления законченного устройства):

• Паяльник мощностью 15 Вт

• Тонкий припой

• Перфорированная плата с дорожками из меди

• Однополюсный или двухполюсный тумблер на два направления (1 шт.)

• Однополюсная кнопка на одно направление (1 шт.)

• Корпус для устройства, минимальные габариты 15x7,5x5 см (1 шт.)

• Разъем питания и соответствующее гнездо (по 1 шт.)

• Герконы и магниты в необходимом для вашего дома количестве

• Провода для цепи датчиков сигнализации, с длиной, достаточной для вашего дома

 

Три этапа создания работающего устройства

Это более масштабная и сложная схема, чем те, с которыми мы сталкивались ранее, но на самом деле ее легко собрать, поскольку вы сможете построить ее из трех частей, которые лучше проверить раздельно. В конечном итоге ваша макетная плата будет выглядеть так, как показано на рис. 4.43. Номиналы и расположение компонентов приведены на рис. 4.44, электрическая схема всего устройства — на рис. 4.45. Но начнем мы опять с таймера.

 

Этап 1

Внимательно посмотрите на рис. 4.37. Обратите внимание на то, что справа от таймера 555 нет времязадающих компонентов. Вы можете сделать вывод, что этот таймер функционирует в триггерном режиме, который я описывал в эксперименте 16 (см. рис. 4.19). Когда таймер запущен, его выходной сигнал будет длиться неопределенно долго, и это подходит для охранной системы.

Но это еще не все. Эта схема также дает вам минуту отсрочки, в течение которой вы можете отключить сигнализацию, прежде чем она начнет выдавать сигнал тревоги, когда вы войдете в помещение. Вы, должно быть, помните, что это был пункт 9 в техническом задании, которое я привел в эксперименте 15.

Рис. 4.37. Схема задержки (на рис. 4.43 показана внизу)

Чтобы увидеть, как все это работает, можете собрать компоненты, показанные на рис. 4.38. Их номиналы и расположение иллюстрирует рис. 4.44, а их размещение в нижней части макетной платы приведено на рис. 4.43.

Размещение компонентов очень важно, поскольку необходимо оставить пространство для дополнительных секций схемы, которые вы будете добавлять. Одна из них будет питать данную схему задержки.

Чтобы убедиться в правильности сборки, проверьте, что резистор 1 МОм, расположенный справа, находится в 29-м ряду платы, если считать сверху. Заметьте также, что питание подается возле компонентов, а не вверху платы, и положительная шина еще не задействована.

Рис. 4.38. Размещение компонентов схемы задержки

Пока что не подавайте питание. Установите диапазон измеряемого постоянного напряжения мультиметра как минимум на 10 В и подключите его в точках, указанных на рис. 4.38; отрицательный щуп к отрицательной шине, а положительный щуп к левому выводу резистора номиналом 1 МОм.

Теперь подайте питание на схему, и вы должны увидеть, как показания мультиметра медленно уменьшаются, начиная с 9 В. Когда мультиметр покажет 3 В, должен запуститься таймер 555 и загореться красный светодиод. Светодиод здесь предназначен для проверки, в окончательном устройстве вы замените его схемой сирены.

Задержку срабатывания таймера обеспечивает конденсатор сравнительно большой емкости (68 мкФ). При подаче питание на схему этот конденсатор пропускает начальный импульс к точке соединения с резистором 1 МОм. Провод от этой точки идет также к запускающему выводу таймера. Таким образом, на запускающем выводе сразу же устанавливается высокий уровень, и вы помните (я надеюсь), что таймер не будет делать ничего, пока запускающий вывод не перейдет в низкое состояние.

Далее конденсатор медленно разряжается через резистор 1 МОм. Наконец напряжение здесь становится достаточно низким, чтобы запустить таймер.

Что касается остальной части схемы, то в экспериментах 16 и 17 я объяснял, как осуществить подавление импульса, чтобы таймер не генерировал импульс при первоначальной подаче питания. Именно по этой причине конденсатор 10 мкФ и резистор 10 кОм подключены к контакту 4 (вывод сброса). Здесь выбран конденсатор емкостью 10 мкФ, а не 1 мкФ, потому что эта схема реагирует медленнее, чем схема из эксперимента 17.

Выводы:

• Вы можете использовать таймер 555 с такими компонентами каждый раз, когда вам понадобится задержка выходного сигнала таймера в ответ на сигнал запуска.

• Выбирая больший или меньший (чем 68 мкФ) номинал конденсатора, вы можете удлинить или сократить интервал задержки.

Пока все замечательно. Эта часть схемы будет обеспечивать задержку, когда на нее подается питание, а затем будет активировать сигнализацию на неопределенно долгое время.

 

Этап 2

На рис. ЦВ-4.39 и рис. 4.40 продемонстрирован следующий этап создания устройства. Компоненты, которые вы разместили ранее, остались там же, но обесцвечены, чтобы обратить ваше внимание на новые дополнения.

Не забудьте установить компонент S2, ползунковый переключатель, изображенный внизу, и резистор 470 Ом рядом ним, а также два длинных желтых провода. Ползунковый переключатель добавлен для тестирования. Он имитирует датчики сигнализации, которые присутствуют реальном устройстве.

Реле выполняет ту же функцию, что и в эксперименте 15. Если вы отследите соединения в этой схеме, то обнаружите, что она устроена так же, как схема на рис. 3.88, за исключением пары небольших модификаций. Эти отличия состоят в том, что резистор 470 Ом поставлен вместо резистора 1 кОм, а вверху добавлен переключатель S1 с зеленым светодиодом. Зачем? Скоро мы дойдем до этого.

Внимательно разместите все компоненты. Не упустите три красных провода слева и три синих провода справа. Убедитесь в том, что выводы реле выровнены с соответствующими обслуживающими проводами.

Убедитесь, что переключатель S1 находится в нижнем положении, а переключатель S2 — в верхнем. В целях проверки удалите конденсатор емкостью 68 мкФ, чтобы красный светодиод реагировал сразу же, а не с минутной задержкой.

Рис. ЦВ-4.39. На втором этапе в схему добавлено реле, использовавшееся в эксперименте 15

Подключите источник питания, и если вы все сделали правильно, то ничего не произойдет. Переключатель S2 соответствует датчикам сигнализации, если он находится в верхнем положении, то имитирует их замкнутое состояние. Передвиньте переключатель вниз для имитации размыкания датчиков, и тестовый светодиод в нижней части схемы сразу же загорится. Переведите переключатель в верхнее положение, и светодиод продолжит гореть. Сигнализация заблокирована во включенном состоянии, невзирая на сброс датчика.

Рис. 4.40. Схема устройства, собранная на втором этапе

Отключите питание, оставьте переключатель S2 в верхнем положении (как имитацию замкнутых датчиков) и снова подайте питание. Теперь передвиньте верхний переключатель S1 в верхнее положение, зажжется зеленый светодиод. Это функция проверки целостности цепи. Она определяет, все ли датчики замкнуты. Когда вы используете сигнализацию, вам понадобится проводить такую проверку, прежде чем покинуть помещение. Так выполняется первая часть пункта 7 технического задания из эксперимента 15.

Оставьте переключатель S1 в верхнем положении, и переведите переключатель S2 в нижнее положение, имитируя размыкание датчика. Зеленый светодиод погаснет. Передвиньте переключатель S2 в верхнее положение, и зеленый светодиод засветится снова. Итак, функция проверки работает.

На деле все могло бы выглядеть так. Вы оставляете переключатель S1 в верхнем (тестовом) положении. Перед уходом из помещения вы подаете питание на устройство. Если зеленый светодиод не зажегся, значит, где-то есть открытая дверь или окно. Найдите источник проблемы и устраните ее. Когда зеленый светодиод зажжется, вы убедитесь, что все датчики замкнуты. Теперь вы можете запустить сигнализацию. Передвиньте переключатель S1 вниз. Зеленый светодиод погаснет, сигнализация поставлена на охрану. Когда вы приходите домой, таймер 555 дает вам одну минуту, чтобы отключить сигнализацию и предупредить ее срабатывание (при условии, что вы вернули в схему конденсатор емкостью 68 мкФ). Вы можете отключить сигнализацию, передвинув ползунок переключателя S1 в верхнее (тестовое) положение.

А теперь разберемся, как и почему работает эта схема.

Когда переключатель S1 находится в нижнем положении, резистор номиналом 10 кОм вверху слева соединен с базой транзистора Q1. При этом полюс правого контакта внутри реле соединен с отрицательным заземлением. Это соединение идет по желтому проводу справа через резистор 470 Ом, через переключатель S2 (который имитирует датчики), а затем возвращается по другому длинному желтому проводу. Он удерживает базу транзистора под низким напряжением (через оранжевый провод). Пока база находится под низким напряжением, транзистор закрыт.

Если датчик размыкается, напряжение на базе транзистора возрастает благодаря наличию резистора 10 кОм, транзистор открывается и начинает проводить ток. Транзистор запускает реле (через длинный изогнутый оранжевый провод). В дальнейшем реле подаст питание на бистабильный таймер, который будет впоследствии активировать сигнализацию. В то же время реле разрывает соединение с отрицательной шиной справа, так что теперь транзистор останется включенным, даже если датчик снова замкнется.

Это почти та же схема, которая была приведена на рис. 3.88. Существенное отличие — зеленый светодиод. Когда вы устанавливаете переключатель S1 в положение проверки, он отключает положительное напряжение от транзистора (чтобы тот не смог вызвать срабатывание сигнализации). Если все датчики замкнуты, этот светодиод соединяется через них и резистор 470 Ом с отрицательной шиной, и он загорается, указывая, что система готова.

 

Этап 3

Что нам еще нужно в этом проекте? Представьте, что вы используете предлагаемую систему сигнализации. Вы хотите поставить ее на охрану перед тем, как уйти из помещения. И тут вы внезапно понимаете, что если вы ее установите и откроете дверь, чтобы уйти, то это приведет к срабатыванию сигнализации.

Бистабильный таймер с конденсатором емкостью 68 мкФ обеспечил функцию задержки срабатывания сигнализации на минуту, чтобы дать вам время отключить ее, когда вы пришли. Теперь вам нужен другой таймер, который задерживает сигнализацию на минуту, когда вы уходите.

Реализовать это немного сложнее. Суть заключается в том, чтобы установить дополнительный таймер, который понижает напряжение на базе транзистора Q1, чтобы он не смог запустить реле.

Проблема в том, что во время цикла «включено» выходной сигнал таймера находится в высоком, а не в низком состоянии. Придется добавить другой транзистор, чтобы преобразовать высокий выходной сигнал так, чтобы он понижал напряжение на базе транзистора Q1.

Рис. ЦВ-4.41. Третий и последний этап создания схемы сигнализации

На рис. ЦВ-4.41 и рис. 4.42 изображены компоненты, которые позволяют это осуществить. И снова я обесцветил компоненты, которые вы уже разместили ранее.

Новый таймер 555, помеченный как Т1, снабжен цепью подавления импульса на контакте 4 (выводе сброса), как и другой таймер; таким образом, он не будет выдавать паразитный импульс при подаче питания. Чтобы запустить таймер Т1, нужно нажать кнопку, которая заземляет запускающий вывод таймера.

Пока выходной сигнал таймера высокий, ток проходит через контакт 3 (выход) и зажигает желтый светодиод. Так вы узнаете, что система сигнализации отсчитывает время до запуска. Пока вы видите горящий светодиод, сигнализация будет игнорировать любое размыкание датчика.

Рис. 4.42. Схема третьего этапа создания цепи

Контакт 3 соединен также через зеленый провод слева, который похож на вытянутую букву «С». Он изогнут вокруг резистора 100 кОм, который подключен к базе второго транзистора Q2. Выходного сигнала, который проходит через резистор 100 кОм, достаточно для того, чтобы транзистор Q2 открылся. Его эмиттер заземлен через резистор 470 Ом, а коллектор подключен к базе транзистора Q1. Пока транзистор Q2 открыт, он заземляет базу транзистора Q1 и не позволяет ему запустить реле и сигнализацию.

Так таймер Т1 предотвращает срабатывание сигнализации. Когда закончится период минутной задержки, таймер Т1 выключится, Q2 закроется и больше не будет понижать напряжение на базе первого транзистора; сигнализация может запуститься (при условии, конечно, что вы не забыли передвинуть верхний переключатель из положения проверки).

Теперь алгоритм действий будет таков:

1. Вначале переведите переключатель S1 в положение проверки и закройте все двери и окна, пока не загорится зеленый светодиод.

2. Передвиньте переключатель S1 в нижнее положение, чтобы сигнализация была готова к работе.

3. Нажмите кнопку и покиньте помещение, закрыв дверь за собой, пока горит желтый светодиод.

Выполняет ли ваше устройство все, что ему положено делать? Должно, если вы соединили все правильно. Таймер Т1 должен зажигать желтый светодиод при любых обстоятельствах, что облегчает проверку. Вы можете также коснуться щупами мультиметра базы транзистора Q1, чтобы проверить, высокое или низкое там напряжение. Пока напряжение относительно низкое, сигнализация запускаться не будет. Когда напряжение станет высоким, сигнализация сработает.

Не забудьте вернуть в схему конденсатор емкостью 68 мкФ, расположенный сразу под реле, чтобы снова активировать таймер задержки, когда ваше устройство будет готово к применению.

Полная компоновка макетной платы показана на рис. 4.43, номиналы и расположение компонентов — на рис. 4.44, а электрическая схема — на рис. 4.45.

Рис. 4.43. Компоновка макетной платы окончательного варианта сигнализации

Рис. 4.44. Номиналы компонентов и их расположение на макетной плате

 

Как насчет сирены?

Если вы хотите, чтобы сигнализация издавала сигнал тревоги, то необходимо подключить генератор звука или сирену вместо красного светодиода, который вы использовали для проверки.

Рис. 4.45. Электрическая схема сигнализации

Самый простой способ — приобрести готовое устройство. В продаже можно найти множество недорогих сирен, готовых издавать раздражающий звук при подаче питания. Многие из них рассчитаны на 12 В постоянного тока, но звуковой сигнал практически у всех почти одинаков.

Учтите только, что таймер Т2 не может обеспечить ток больше, чем 150 мА.

Если вы предпочитаете самостоятельно сделать генератор звука, соберите схему, которую я изобразил на рис. 4.34. Просто подайте питание на эту схему с помощью реле, и у вас будет звук.

 

Как улучшить схему

Вы проверяли схему, просто подавая и отключая питание. Можно поставить обычный выключатель, однако цифровой код для отключения сигнализации был бы предпочтительнее.

Прямо сейчас я не могу показать, как реализовать данную функцию, потому что для этого нужны логические микросхемы, с которыми мы пока еще не сталкивались. Но в эксперименте 21 мы вернемся к этому вопросу.

 

Изготовление устройства

Тем временем, поскольку схема сигнализации нормально работает в ее текущем виде, хотелось бы поговорить о завершении проекта. Под этим я подразумеваю сборку и пайку деталей на плате, установку платы в корпус и придание законченного вида всему устройству. Моя основная забота в этой книге — это электроника, но все же завершение проекта является важной частью получения опыта, и поэтому я дам вам несколько рекомендаций.

Пайка схемы будет проще, чем процедура в эксперименте 14, где я объяснял монтаж от точки к точке. Вы можете установить компоненты на перфорированную плату с медными дорожками на обратной стороне, конфигурация которых идентична соединениям внутри макетной платы. Просто перенесите каждый компонент в соответствующее место и припаяйте его к медному проводнику на нижней стороне. Соединять провода друг с другом не придется. Указания о том, где найти и купить такую плату, вы найдете в разделе «Расходные материалы» главы 6.

А теперь разберемся, что делать дальше.

Посмотрите расположение компонента на вашей макетной плате, а затем установите его в такое же положение на перфорированной плате, пропустив его выводы сквозь отверстия.

Переверните перфорированную плату на обратную сторону, убедитесь в том, что она лежит устойчиво, и осмотрите отверстия, сквозь которые прошли выводы компонента, как показано на рис. 4.46, который демонстрирует обратную сторону платы (компонент находится на другой стороне). Медная дорожка окружает это отверстие и соединяет его с другими. Ваша задача — расплавить припой так, чтобы он прилип и к меди, и к проводу, образуя надежное соединение между ними.

Закрепите перфорированную плату или положите ее на поверхность, где она не будет скользить. Возьмите маломощный паяльник в одну руку и немного припоя в другую. Удерживайте жало паяльника возле провода и меди, а затем подведите немного тонкого припоя к их пересечению. Спустя две-четыре секунды припой должен начать растекаться.

Рис. 4.46. Обратная сторона перфорированной платы с выводом компонента, проходящим сквозь отверстие

Сформируйте из припоя круглую каплю, покрывающую провод и медь, как показано на рис. 4.47. Подождите, пока припой отвердеет полностью, а затем подцепите провод удлиненными плоскогубцами и покачайте его, чтобы убедиться, что у вас получилось крепкое соединение. Если все хорошо, отрежьте выступающий вывод кусачками (рис. 4.48).

  Рис. 4.47. В идеале ваша пайка должна выглядеть похожей на эту

Рис. 4.48. После того как припой остынет и затвердеет, удалите лишний конец провода

Поскольку паяные соединения трудно фотографировать, я использую рисунки, чтобы показать вам провод до и после создания достаточно надежного соединения. Припой показан чисто белым цветом и обведен тонкой черной линией.

Реальный процесс пайки компонентов на перфорированной плате показан на рис. 4.49 и 4.50.

Рис. 4.49. Монтаж компонентов на перфорированной плате. Два или три компонента одновременно вставлены с другой стороны платы, а их выводы загнуты, чтобы компоненты не выпали

Рис. 4.50. После пайки выводы отрезают, а соединения проверяют под увеличительным стеклом. Теперь можно вставить следующие два или три компонента и продолжить монтаж

 

Самые распространенные ошибки при работе с перфорированной платой

1. Избыток припоя. Прежде чем вы успеете об этом подумать, припой расползется по плате, дойдет до следующей медной дорожки и застынет на ней, как показано на рис. 4.51. Если такое случится, то вы можете либо попытаться убрать лишний припой с помощью набора для выпайки, либо срезать ножом. Лично я предпочитаю нож, потому что если удалять припой резиновой грушей или оплеткой для выпайки, часть его все равно останется.

Даже небольшого количества припоя достаточно для возникновения короткого замыкания. Проверьте соединение проводов с помощью увеличительного стекла, поворачивая плату так, чтобы свет падал под разными углами.

Рис. 4.51. При избытке припоя он окажется не там, где вам хотелось бы

2. Недостаточно припоя. Если соединение тонкое, то провод может отделиться от припоя, когда он остынет. Даже микроскопической трещины достаточно, чтобы схема не заработала. В редких случаях припой остается как на проводе, так и на медной дорожке вокруг него, не создавая соединения между ними; при этом провод остается окруженным припоем, но не касающимся его, как показано на рис. 4.52. Вы можете не заметить этого, пока не исследуете плату при помощи лупы.

Чтобы исправить пайку, можно добавить больше припоя на любое соединение, которое имеет недостаток припоя, только убедившись в том, что полностью место пайки хорошо прогрето.

3. Компоненты размещены неверно. Очень легко можно вставить компонент на одно отверстие в сторону от того, где он должен быть. Также можно забыть перемычку.

Рис. 4.52. Слишком малое количество припоя (или недостаточный нагрев) может оставить припаянный провод не соединенным с припаиваемой медью на макетной плате. Достаточно зазора толщиной всего лишь с волос, чтобы нарушить электрическое соединение

Советую вам распечатать копию схемы и каждый раз, когда вы создаете соединение на перфорированной плате, выделять маркером этот провод на бумаге.

4. Мусор. Когда вы отрезаете провода, их мелкие кусочки не исчезают бесследно. Они начинают скапливаться на вашем рабочем месте, и один из них может легко попасть на перфорированную плату, создавая замыкание там, где вы совсем не ждете.

Очистите обратную сторону платы старой зубной щеткой, прежде чем подавать на нее питание. Обмакните щетку в спирт для протирки, чтобы удалить остатки флюса. По возможности поддерживайте чистоту вашего рабочего места. Чем аккуратнее вы будете, тем меньше проблем возникнет в будущем.

И еще раз убедитесь в том, что проверили каждое соединение с помощью увеличительного стекла.

 

Поиск неисправностей на перфорированной плате

Если устройство, которое нормально функционировало на макетной плате, не работает после монтажа на перфорированной плате, то поиск неисправностей будет отличаться от того, что я описывал ранее.

Вначале посмотрите на размещение компонентов, потому что его проще всего проверить.

Если все компоненты размещены правильно, слегка согните плату, подавая питание. Если теперь схема время от времени «оживает», то можете быть почти уверены в том, что все дело в плохой пайке: либо замыкания из-за припоя, либо микротрещины в контактах.

Закрепите черный провод мультиметра на отрицательной клемме источника питания, а затем подайте питание и пройдитесь по схеме от точки к точке сверху вниз, проверяя напряжение в каждой точке красным проводом мультиметра, продолжая сгибать плату. В большинстве схем почти на каждом участке должно быть хоть какое- то напряжение. Если вы нашли «мертвую» зону или показания мультиметра «скачут», то можете сосредоточиться на соединении, с которым что- то не в порядке, даже если на первый взгляд оно не вызывает подозрений.

Яркая настольная лампа и увеличительный прибор незаменимы для этой процедуры. Зазора величиной в 0,002 мм или меньше уже достаточно, чтобы нарушить работу вашей схемы. Но вам будет сложно его найти без увеличения, и даже в этом случае иногда свет должен падать точно на него.

Грязь, вода или жир могут помешать хорошему прилипанию припоя к проводам и медным дорожкам. Это еще одна причина для того, чтобы сделать аккуратность одной из рабочих привычек.

 

Корпус для устройства

Самый простой способ защитить вашу перфорированную плату от внешних воздействий поместит!, ее в корпус. Я упоминал об этом в списке компонентов и расходных материалов в начале главы 3. Существуют сотни вариантов. Алюминиевые корпуса выглядят стильно и профессионально, но вам придется изолировать плату, чтобы предотвратить короткое замыкание внутри такого корпуса. Пластиковые корпуса проще, да и дешевле.

Чтобы все выглядело профессионально, не следует необдуманно начинать сверлить отверстия для переключателей и светодиодов. Нарисуйте эскиз на бумаге (или используйте графическое приложение, а затем распечатайте изображение). Убедитесь в том, что для размещения компонентов достаточно места, и попробуйте расположить их как на схеме, чтобы уменьшить риск путаницы.

Прикрепите ваш эскиз на внутреннюю сторону верхней панели, как показано на рис. 4.53, а затем острым инструментом с тонким кончиком (например, шилом или иголкой) проткните бумагу и отметьте центр каждого отверстия на пластике. Эти отметки помогут вам разместить по центру сверло, когда вы будете делать отверстия.

Если вы собрали звуковой генератор с динамиком (вместо готовой сирены), то понадобится сделать несколько отверстий для выхода звука из динамика, который будет располагаться за верхней панелью корпуса. Панель, которую я изготовил, показана на рис. 4.54.

Я разместил все переключатели и светодиоды на верхней панели. Разъем для подвода питания расположен на одной из сторон корпуса. Естественно, размер каждого отверстия должен соответствовать предназначенному для него компоненту, и если у вас есть штангенциркуль, то он пригодится для проведения измерений и выбора сверла правильного диаметра. В противном случае, лучше взять меньшее сверло, чем слишком большое. Инструмент для снятия заусенцев идеально подходит для небольшого расширения отверстия так, чтобы компонент плотно входил.

Рис. 4.53. Распечатанный эскиз расположения переключателей, светодиодов и других компонентов был прикреплен на внутреннюю часть крышки корпуса. Бумагу проткнули шилом, чтобы отметить центр каждого из отверстий, которые будут просверлены в крышке

Это может понадобиться, если вы просверлили отверстия диаметром 3/16 дюйма (4,7 мм) для светодиодов диаметром 5 мм. Немного расширьте каждое отверстие, и светодиоды будут прочно держаться.

Если у вашего динамика нет крепежных отверстий, приклейте его. Я воспользовался пятиминутным эпоксидным клеем. Действуйте осторожно, избегая излишка клея. Вы же не хотите, чтобы клей попал на диффузор динамика.

Просверлить большие отверстия в тонком мягком пластике корпуса для устройства — задача непростая. Сверло может покорежить пластик. Существуют три способа решения задачи:

• Используйте сверло Форстнера, если оно у вас есть. С его помощью можно сделать очень аккуратное отверстие. Также подойдет кольцевая пила.

• Просверлите отверстие несколько раз, увеличивая диаметр сверла.

• Просверлите отверстие меньшего, чем вам необходимо, диаметра и расширьте его инструментом для снятия заусенцев.

Независимо от способа сверления, вам необходимо зажать или удерживать верхнюю панель корпуса, чтобы его наружная поверхность лежала лицом вниз на каком-либо обрезке из дерева. Затем просверлите ее изнутри так, чтобы сверло проходило сквозь пластик и вонзалось в дерево.

Рис. 4.54. Внешний вид панели после сверления. Отверстия можно аккуратно просверлить с помощью небольшой переносной аккумуляторной дрели, если точно наметить их центры

После этого смонтируйте компоненты на панели, как показано на рис. 4.57, и займитесь их пайкой.

 

Пайка переключателей

Вначале вам необходимо решить, как должны быть ориентированы переключатели. С помощью мультиметра определите, какие контакты соединяются, когда переключатель замыкается. Возможно, вы захотите, чтобы переключатель был включен, когда тумблер поднят в верхнее положение. Обратная сторона моей панели управления показана на рис. 4.55. Я взял двухполюсный переключатель на два направления просто потому, что он оказался под рукой. Для этого устройства вам подойдет любой однополюсный переключатель на одно направление.

Рис. 4.55. Компоненты закреплены на передней панели (вид с обратной стороны). Динамик приклеен к корпусу. Для надежности немного клея нанесено на светодиоды

Как вы помните, центральный контакт любого переключателя на два направления почти всегда является полюсом (подвижным контактом) переключателя.

Многожильный провод годится для соединения платы с компонентами на верхней панели, потому что жилы являются более гибкими и оказывают меньшую нагрузку на паяные соединения. Скрутка каждой пары проводов делает монтаж аккуратнее и позволяет уменьшить путаницу.

Когда вы припаиваете провода или компоненты к лепестку переключателя, паяльник карандашного типа может не обеспечить достаточного нагрева для создания хороших соединений.

Рис. 4.56. Скрученные пары проводов просто припаяны к компонентам, поскольку монтаж здесь сравнительно несложен

В таких местах целесообразнее более мощный паяльник, но вы обязательно должны обеспечить хороший теплоотвод, чтобы защитить светодиоды. Не позволяйте также паяльнику контактировать с чем-либо более 10 секунд. Он быстро расплавит изоляцию и может даже повредить внутренние детали переключателей.

В более сложных, чем этот, проектах соединять верхнюю панель со схемой на плате следует аккуратнее. Для этой цели идеально подходят штепсельные соединители, которые прикрепляются к плате, и разноцветный плоский кабель. Для этого простого устройства я не стал утруждать себя подобными вещами. Провода располагаются свободно, как показано на рис. 4.56.

 

Установка платы

Плата со схемой будет располагаться на дне корпуса и крепиться четырьмя винтами с шайбами и контргайками с нейлоновыми вставками. Я предпочитаю использовать вместо клея гайки и болты на тот случай, если мне понадобится вытащить плату для ремонта. Контргайки необходимы здесь, чтобы уменьшить риск ослабления гайки в процессе эксплуатации и предотвратить выпадение компонентов, которое может вызвать короткое замыкание.

Иногда перфорированную плату потребуется обрезать до подходящего размера, следя за тем, чтобы не повредить находящиеся на ней компоненты. Я резал плату ленточной пилой, но ножовка тоже справится с этой задачей. Помните о том, что перфорированные платы часто содержат стекловолокно, которое может затупить пилу по дереву.

После обрезки проверьте обратную сторону платы, нет ли на ней оставшихся фрагментов медных дорожек.

Просверлите отверстия для болтов в плате, снова заботясь о том, чтобы не повредить компоненты. Затем сквозь эти отверстия сделайте отметки на пластиковом дне корпуса и просверлите его. Выполните зенковку отверстий (т. е. снимите фаску с края отверстия так, чтобы винт с плоской головкой вставлялся вровень с окружающей поверхностью), протолкните маленькие болты с обратной стороны и установите плату со схемой. Поскольку контргайки не ослабевают, вам не нужно их специально сильно затягивать. Более того, следует избегать слишком плотной затяжки.

После установки платы снова проверьте, все ли работает как надо.

Внимание!

Будьте очень осторожны при установке платы в корпусе. Чрезмерное усилие при затяжке винтов и перекос может привести к появлению деформации, которая способна нарушить соединение и даже разорвать медную дорожку на плате.

 

Заключительная проверка

Когда вы все соберете, если у вас не окажется заранее смонтированной сети магнитных датчиков, то вместо нее подойдет обычный кусок провода. Для удобства я установил пару клемм на корпусе. С таким же успехом можно вытянуть пару проводов от платы наружу через небольшие отверстия в крышке корпуса.

Если все работает должным образом, можно прикрутить верхнюю часть корпуса на место, упрятав провода внутрь. Поскольку корпус достаточно большой, то внутри не должно возникнуть случайного соприкосновения металлических частей, но все же действуйте осторожно. На рис. 4.57 изображен внешний вид моего собранного изделия.

 

Установка сигнализации в помещении

Если вы собираетесь завершить этот проект и добавить магнитные датчики с герконами, то вам следует проверить каждый из них, проведя магнитный модуль рядом с герконом, а затем отведя его в сторону. При этом с помощью мультиметра проверяется целостность цепи между контактами переключателя. При приближении магнита переключатель должен замыкаться, а при его удалении — размыкаться.

Рис. 4.57. Сигнализация собрана в корпусе

Рис. 4.58. Двухжильный изолированный кабель соединяет клеммы на блоке управления сигнализацией с магнитными датчиками. Поскольку датчики должны располагаться последовательно, провод был разрезан и снабжен ответвлениями в местах, отмеченных точками

Теперь продумайте, как вы соедините ваши датчики в единую сеть. Всегда помните о том, что они должны подключаться последовательно, а не параллельно! На рис. 4.58 показан пример. Два контакта слева — это клеммы на верхней части корпуса устройства, прямоугольники наверху — это магнитные датчики на окнах и дверях. Поскольку провод для такого вида установки обычно имеет две жилы, вы можете проложить его, как я указал, а затем разрезать, чтобы припаять ответвления. Паяные соединения отмечены точками. Обратите внимание на то, как ток проходит через все переключатели последовательно, а затем возвращается в блок управления.

На рис. 4.59 показана та же цепочка датчиков, установленная в помещении с двумя окнами и одной дверью. Прямоугольники рядом с герконами — это магнитные модули.

Рис. 4.59. При установке на два окна и дверь магниты следует расположить рядом с герконами

Очевидно, вам понадобится много провода. Подойдет белый витой провод для дверного звонка или термостатов. Обычно он 20-го калибра (диаметр 0,8 мм) и выше.

После того как вы установили все переключатели, присоедините щупы мультиметра к проводам, которые прикреплялись бы к блоку сигнализации. Настройте мультиметр на прозвонку цепи и поочередно откройте каждую дверь или окно, чтобы проверить, размыкаете ли вы цепь. Если все в порядке, прикрепите провода сигнализации к клеммам на блоке управления.

Теперь займемся источником питания. Используйте сетевой адаптер, установив выходное напряжение на 9 В, или подключите разъем питания к 9-вольтовой батарее. Эта схема будет работать и от батареи напряжением 12 В, но тогда вам придется поставить реле на 12 В вместо указанного мною.

Единственная оставшаяся задача — нанести надписи возле переключателя, кнопки, разъема питания и клемм на блоке управления. Собрав схему, вы конечно помните, что переключатель включает и выключает сигнализацию в режиме проверки целостности цепи, а кнопка дает вам минуту, чтобы покинуть помещение, прежде чем сигнализация сработает. Но об этом никто кроме вас не знает, и, возможно, вы захотите разрешить какому-либо гостю использовать вашу сигнализацию, пока вы отсутствуете. Если уж на то пошло, то спустя месяцы или годы вы можете сами забыть некоторые подробности.

 

Итоги

Собрав сигнализацию, вы прошли все основные этапы, которым будете следовать каждый раз, когда что-либо разрабатываете:

• Сформулируйте техническое задание.

• Определите подходящие компоненты.

• Нарисуйте схему и убедитесь в том, что вы понимаете ее.

• Измените ее так, чтобы она соответствовала расположению проводников на макетной плате.

• Установите компоненты на макетной плате и проверьте основные функции.

• Измените или улучшите схему и снова проверьте ее.

• Соберите устройство на печатной плате, проверьте исправность и устраните ошибки, если это необходимо.

• Добавьте переключатели, кнопки и разъем для подключения питания, а также вилку или гнездо, чтобы соединить схему с остальным миром.

• Заключите все в корпус (и добавьте обозначения).

 

Поскольку таймер 555 способен работать с частотой в несколько тысяч герц, он вполне подойдет для измерения человеческой реакции. Вы можете состязаться с друзьями и выяснить, у кого самая быстрая реакция. Или отмечать, как ваша реакция изменяется в зависимости от вашего настроения, времени дня и от того, сколько часов вы спали прошлой ночью.

В принципе, эта схема несложная, но она требует множества соединений и едва умещается на макетной плате, которая имеет 60 рядов отверстий (или больше). Опять же, ее можно проверить по частям, как схему из эксперимента 18. Если вы не допустите ошибок, то весь проект займет у вас пару часов.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Микросхемы серии 4026В (3 шт.)

• Таймеры 555 (3 шт.)

• Резисторы с номиналами 470 Ом (2 шт.), 680 Ом (3 шт.), 10 кОм (6 шт.), 47 кОм (1 шт.), 100 кОм (1 шт.), 330 кОм (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (2 шт.), 0,047 мкФ (1 шт.), 0,1 мкФ (1 шт.), 3,3 мкФ (1 шт.), 22 мкФ (1 шт.), 100 мкФ (1 шт.)

• Кнопки (3 шт.)

• Стандартные светодиоды: красный (1 шт.), желтый (1 шт.)

• Подстроечный потенциометр на 20 или 25 кОм (1 шт.)

• Одноразрядные числовые светодиодные индикаторы высотой 14,2 мм, предпочтительно слаботочные, красные, способные работать от 2 В прямого напряжения и 5 мА прямого тока (3 шт.) (желательно модель Avago HDSP-513A, Lite-On LTS-546AWC, Kingbright SC56-11EWA или аналогичные)

 

Защита микросхемы от статического электричества

Таймер 555 очень трудно вывести из строя, однако в этом эксперименте вы будете также использовать КМОП-микросхему (счетчик 4026В), которая весьма чувствительна к статическому электричеству.

Сможете ли вы погубить микросхему, взяв ее в руки, зависит от таких факторов, как влажность в помещении, обувь, которую вы носите, и тип покрытия пола в вашей рабочей зоне. Некоторые люди более склонны накапливать статический заряд, чем другие, и у меня нет объяснения этому явлению. Лично я никогда не повреждал микросхем статическим электричеством, но знаю людей, которые с этим сталкивались.

Если вы часто сталкиваетесь со статическим электричеством, вы, вероятно, знаете об этом, потому что ощущаете внезапное покалывание, когда беретесь за металлическую ручку двери или за стальной кран. Если вы считаете необходимым защитить микросхемы от такого вида повреждений, то самая надежная предосторожность — заземлить себя. Лучше всего это можно сделать с помощью антистатического браслета. Проводящий ремешок с «липучкой» крепится на запястье и подключается через резистор с высоким номиналом (обычно 1 МОм) к зажиму «крокодилу», который можно прикрепить к большому металлическому предмету.

Когда вы получаете микросхемы по почте, они обычно установлены в пазы из проводящего пластика или же их выводы погружены в проводящий пеноматериал. Такой пластик или материал защищают микросхемы за счет того, что все их выводы имеют примерно одинаковый электрический потенциал. Если вы намерены заново упаковать микросхемы, но у вас нет проводящего материала, можно взять алюминиевую фольгу.

 

Соблюдайте осторожность при заземлении

Резистор, встроенный в антистатический браслет, защитит вас от удара током, если вы случайно коснетесь источника относительно высокого напряжения другой рукой. Это очень важно, потому что электрический ток, протекающий от одной руки к другой, проходит через грудь и может привести к остановке сердца.

Если для заземления вы применяете только отрезок обычной проволоки, то лишаете себя подобной защиты. Небольшая цена соответствующего браслета — разумная инвестиция.

Вернемся, однако, к эксперименту.

 

Краткое описание устройства

В предыдущем издании книги я предлагал использовать для данного устройства трехразрядный дисплей. В этой книге я выбрал три отдельных индикатора. Стоимость увеличилась незначительно, но их намного проще подключить, и все устройство гораздо легче собрать. К тому же, я полагаю, что одноразрядные дисплеи останутся доступными на рынке еще очень долго.

Рис. ЦВ-4.60. Первый модуль измерителя скорости реакции демонстрирует, как таймер может запускать микросхему счетчика, которая управляет одноразрядным светодиодным индикатором

Я указал высоту цифр 14,2 мм, потому что это стандартное значение, при этом расположение выводов также стандартизировано. Если у вас индикаторы меньшего размера, то расположение выводов будет другим. Если размер индикатора окажется больше, то они не подойдут к другим компонентам на макетной плате.

Давайте начнем со знакомства с одним из разрядов, управление которым осуществляет микросхема 4026В. Макет первого модуля этой схемы показан на рис. ЦВ-4.60. Если вам легче воспринимать электрическую схему, смотрите рис. 4.61, на котором изображены те же компоненты. Расположение и номиналы компонентов указаны на рис. 4.62.

Рис. 4.61. Электрическая схема первого модуля

В процессе разработки вы добавите на плату очень много компонентов (фактически, когда вы завершите устройство, она будет целиком заполнена), поэтому вам необходимо размещать все компоненты очень точно, как показано на рис. ЦВ-4.60. Внимательно считайте ряды отверстий! Вы увидите несколько проводов, назначение которых сейчас пока неясно (например, несколько красных перемычек), но они помогут вам добавить и активировать пару дополнительных таймеров в дальнейшем.

Подайте питание 9 В от батареи или от сетевого адаптера. Вы должны увидеть отсчет на цифровом дисплее от 0 до 9.

Если вы не видите никаких цифр, то настройте мультиметр на измерение напряжения, закрепите черный щуп на отрицательной шине источника питания и проверьте напряжения в ключевых точках схемы, например, на выводах микросхем, красным щупом. Если с напряжением все в порядке, убедитесь в том, что резистор внизу справа имеет номинал 680 Ом (не 68 кОм и не 680 кОм, маркировка которых похожа).

Рис. 4.62. Расположение и номиналы компонентов для первого модуля

Если индикатор показывает фрагменты цифр или же числа идут в неправильной последовательности, то вы допустили ошибку в подключении зеленых проводов к микросхеме 4026В.

Если индикатор постоянно показывает «0», то вы неправильно подключили таймер 555 или же неверно соединили таймер с микросхемой 4026В.

Как только вы добьетесь отсчета по возрастанию, нажмите кнопку и удерживайте ее нажатой. Обратите внимание на то, что кнопка сбрасывает счетчик до нуля. Как только вы отпустите кнопку, числа начнут отсчитываться снова.

Перед нами основа измерителя быстроты реакции. Далее необходимо добавить пару дополнительных цифр, увеличить скорость отсчета и внести еще несколько улучшений. Но вначале я объясню, как все работает.

 

Светодиодные индикаторы

Термин «светодиод» немного сбивает с толку. В предыдущих экспериментах вы использовали полупроводниковый прибор, который называется стандартным светодиодом, светодиодом для установки в монтажные отверстия или одиночным светодиодным индикатором: это небольшой компонент в закругленном цилиндрическом корпусе с двумя длинными выводами, выходящими из основания. Они настолько широко распространены, что люди начали их называть просто «светодиодами». Но светодиоды также используются и в других компонентах, как, например, в миниатюрном светящемся табло, вставленном в настоящий момент в вашу макетную плату. Его еще называют светодиодным дисплеем. Еще точнее, это семисегментный одноразрядный светодиодный индикатор.

На рис. 4.63 показаны размеры такого индикатора и расположение выводов на нижней стороне. Обратите внимание на то, что цифровое табло действительно содержит семь сегментов и десятичную точку; расстояние между выводами кратно десятой доле дюйма (2,54 мм), что очень удобно для макетной платы.

Теперь взгляните на рис. 4.64, на котором изображены внутренние соединения между выводами и сегментами цифры. Заметьте, что выводы 3 и 8 отмечены темной точкой, указывающей на то, что они должны быть подключены к отрицательной шине. На все другие выводы следует подавать положительное напряжение, чтобы активировать соответствующие светодиодные сегменты. Такой тип компонента называется светодиодным индикатором с общим катодом, поскольку отрицательные электроды внутренних диодов (катоды) соединены вместе.

Рис. 4.63. Размеры и расположение выводов стандартного семисегментного светодиодного индикатора с высотой цифры 14,2 мм

Рис. 4.64. Буквенное обозначение сегментов и цоколевка индикатора

В индикаторе с общим анодом ситуация обратная: сегменты активируются при подаче на каждый из них отрицательного напряжения, а положительные электроды соединены все вместе внутри компонента. Таким образом можно выбрать тип индикатора, подходящий для конкретной схемы, однако дисплеи с общим катодом более распространены.

Заметьте, что сегменты обозначены строчными латинскими буквами от а до g. Буквами dp обозначен десятичный разделитель. Эта система общепринята почти во всех технических паспортах (хотя в некоторых для десятичного разделителя используется буква И).

Пока все понятно, но есть один важный момент: как и все светодиоды, сегменты числового дисплея необходимо защищать токоограничительными резисторами. Это создает неудобства, и может возникнуть вопрос, почему производитель не встроил эти резисторы. Ответ таков: индикатор предназначен для широкого диапазона напряжения, а номиналы резисторов зависят от этого напряжения.

Хорошо. Но почему мы не можем использовать один резистор на все сегменты, возможно, между выводом 3 и отрицательной шиной? В принципе это можно сделать, но ток через такой резистор (и падение напряжения на нем) будет разный для различного количества светящихся сегментов, в зависимости от того, какая цифра отображается. Для цифры «1» светятся только два сегмента, в то время как для цифры «8» — все семь. Соответственно, некоторые цифры будут выглядеть ярче, чем другие.

Так ли это важно? В нашем случае, поскольку это лишь пробный вариант, простота важнее безупречности. Если вы посмотрите на рис. ЦВ-4.60, то увидите, что я установил только один резистор 680 Ом внизу справа, между светодиодным индикатором и отрицательной шиной. Подход неправильный, но поскольку далее у вас будет три семисегментных дисплея, то я думаю, что вам больше понравится монтировать три резистора вместо 21.

 

Счетчик

Микросхема 4026В называется десятичным счетчиком, поскольку отсчет ведется десятками. Большинство счетчиков имеет кодированный выход; это означает, что они выдают числа в двоично-кодированном формате (о котором я расскажу позже). Данный счетчик работает не так. У него семь выходов и сигнал на них соответствует правильному отображению какого- либо числа на семисегментном дисплее. Другим счетчикам для перевода двоичного выходного сигнала в код семисегментного индикатора необходим специальный декодер, к микросхеме 4026В такой индикатор можно подключать непосредственно.

Это очень удобно, однако микросхема 4026В является устаревшим КМОП-компонентом с ограниченной мощностью. В техническом паспорте указан максимальный выходной ток не более 5 мА с любого вывода микросхемы при питании от 9 В.

В идеале можно подать сигналы с выхода КМОП-счетчика на транзисторы, а к ним подключить сегменты светодиодного индикатора. Вы можете купить микросхему с семью парами транзисторов как раз для этой цели. Она называется матрицей Дарлингтона. (А если вам необходимо отображать десятичный разделитель? Нет проблем. Можно купить другую матрицу Дарлингтона с восьмью парами транзисторов.)

Я тоже мог бы использовать три микросхемы с матрицей Дарлингтона, чтобы управлять тремя светодиодными дисплеями, но это увеличило бы сложность и стоимость, и мне понадобились бы две макетные платы. Поэтому я решил, что проще установить слаботочные светодиодные индикаторы, которые можно запитать напрямую от счетчика. Они не такие яркие, но справляются с поставленной задачей. Я выбрал номинал резистора равным 680 Ом, потому что он должен ограничивать ток до 5 мА с любого вывода микросхемы счетчика; он также понижает напряжение на светодиодах примерно на 2 В (значение зависит от количества сегментов, которые светятся).

Теперь я немного подробнее расскажу о внутреннем устройстве микросхемы 4026В. Микросхемы счетчиков способны выполнять несколько полезных функций. Взгляните на рис. 4.65, где показана цоколевка и назначение выводов микросхемы.

Рис. 4.65. Расположение выводов микросхемы счетчика 4026В, который предназначен для управления семисегментным одноразрядным светодиодным индикатором

Активный уровень сигнала на выходах — высокий. Максимальный ток на выходе составляет 5 мА (при напряжении питания 9 В). Выходы активизируются (сегменты индикатора загораются) при подаче высокого уровня на вход «Включение дисплея» (контакт 3). При подаче на тактовый вход положительного перепада счет увеличивается на единицу. Активный уровень входов «Отключение тактирования» (контакт 2) и «Сброс» (контакт 15) высокий. Состояние выхода переноса (контакт 5) меняется с низкого на высокое при переходе счетчика от комбинации «9» к «О». Сигналы на выходе переноса и контакте 14 не зависят от состояния входа «Включение дисплея» (контакт 3).

Функции выводов с обозначениями вроде «К сегменту а» легко понять. Вы просто пускаете провод от каждого вывода микросхемы к соответствующему выводу вашего светодиодного индикатора. Если вы посмотрите на рис. ЦВ-4.60, то увидите, что каждый из зеленых проводов соединяет выходы счетчика с входами дисплея.

Контакты 8 и 16 микросхемы предназначены для подключения к отрицательной и положительной шинам питания, соответственно. Почти у всех цифровых микросхем питание подается подобным образом, с противоположных углов (за исключением таймера 555 — хотя на самом деле он относится к аналоговым микросхемам).

Поскольку рис. 4.65 содержит информацию, которая сейчас вам может не понадобиться, но пригодится в будущем, я привел упрощенный вид счетчика и дисплея на рис. 4.66, опустив выводы, которые нам пока не потребуются.

Взгляните на контакт 15, вывод сброса. Теперь посмотрите на рис. ЦВ-4.60. Кнопка подключена таким образом, чтобы при нажатии на нее на контакт 15 поступало положительное напряжение. Это напряжение проходит по плате к кнопке по красным перемычкам, о которых я упоминал ранее.

Когда кнопка отпущена, положительное напряжение на выводе сброса счетчика отсутствует. В то же время резистор 10 кОм постоянно соединяет контакт 15 с отрицательной шиной макетной платы. Это понижающий или стягивающий резистор. Он понижает напряжение на выводе почти до нуля, пока вы не нажмете кнопку, и тогда положительное входное напряжение «преодолеет» отрицательное смещение, подаваемое через резистор. Не забывайте, что при отсутствии вполне определенного напряжения на каждом входе цифровой микросхемы вы получите случайные, необъяснимые и сбивающие с толку результаты на выходе. Я уже упоминал об этом ранее, но должен акцентировать внимание на этой теме, потому что это очень распространенная причина ошибок.

Рис. 4.66. Упрощенное изображение микросхемы и дисплея, в том виде, как они будут показаны на макетной плате

Правила подключения цифровых микросхем:

• Чтобы удерживать вход в нормально высоком состоянии, соедините его с положительной шиной через резистор номиналом 10 кОм (по крайней мере, для схем из этой книги). Если вам необходимо понизить напряжение на входе, включите параллельно резистору переключатель или другое устройство, которое напрямую соединено с отрицательной шиной.

• Чтобы удерживать вход в нормально низком состоянии, подключите его к отрицательной шине через резистор 10 кОм. Если вам необходимо повысить уровень на входе, параллельно резистору соедините переключатель или другое устройство, создающее соединение напрямую с положительной шиной.

• Все входы микросхемы-счетчика должны быть подключены к чему-либо. Не допускайте, чтобы входы оставались «плавающими»!

• Неиспользуемые выходы должны оставаться неподключенными.

Еще один момент. Иногда микросхема имеет вход, который нам совсем не нужен. У микросхемы 4026В, например, контакт 3 отвечает за включение дисплея. Мне необходимо, чтобы дисплей был включен постоянно, и поэтому я подключил этот контакт напрямую к положительной шине по принципу «подключил и забыл».

• Если вы не будете использовать какой-либо вход, он, тем не менее, должен иметь определенное состояние. Вы можете напрямую подключить его к положительной или отрицательной шине источника питания.

Теперь я поясню функции оставшихся контактов микросхемы 4026В.

На тактовый вход (контакт 1) подается импульсная последовательность. Длительность импульсов не имеет значения. Микросхема откликается, добавляя единицу к счету каждый раз, когда входное напряжение изменяется от низкого уровня к высокому.

Отключение тактирования (контакт 2) дает команду счетчику блокировать тактовый вход. Как и все другие выводы микросхемы, этот вывод активен в высоком состоянии; это означает, что он выполняют свою функцию, когда на него подан положительный уровень напряжения. На макетной плате (см. рис. ЦВ-4.60) я временно пустил синий и желтый провода, чтобы удерживать вывод 2 в низком состоянии. Другими словами, тактирование разрешено.

Подытожу ситуацию:

• Когда на выводе отключения тактирования присутствует высокий уровень, счет останавливается (запрещен).

• Когда напряжение на выводе отключения тактирования понижается до нуля, счет разрешен.

Вход включения дисплея (контакт 3) я уже описывал.

Выход включения дисплея (контакт 4) здесь не используется. Текущее состояние вывода 3 транслируется через вывод 4, чтобы вы смогли передать его на другие микросхемы 4026В.

Выход переноса (контакт 5) необходим, если вы желаете продолжить отсчет больше 9. Состояние этого вывода меняется с низкого на высокое, когда счетчик досчитает до 9 и возвращается в 0. Если вы подключите этот выход к входу второго счетчика 4026В, то второй счетчик будет отсчитывать десятки. Сигнал с выхода 5 второго счетчика можно подать далее на третий, который будет отсчитывать сотни. Этим мы воспользуемся в дальнейшем.

И наконец, контакт 14 обеспечивает перезапуск счетчика, после того как он отсчитал 0, 1 и 2. Это необходимо в цифровых часах, которые считают только до 12 часов, но для нас сейчас неактуально. Это выход, который мы не будем использовать, и поэтому его можно оставить неподключенным.

Возможно, все эти функции кажутся непонятными, но если вы когда-либо столкнетесь с микросхемой счетчика, которую раньше не встречали, то сможете разобраться с ней (если будете терпеливы и последовательны), заглянув в технический паспорт. При необходимости можно протестировать счетчик при помощи светодиодов и кнопок, чтобы точно знать, как она работает. Фактически, микросхему 4026В я изучал именно так.

 

Генератор импульсов

Его функции выполняет микросхема 555. Поскольку напряжение питания таймера 555 лежит в диапазоне от 5 до 15 В, так же как и микросхемы 4026В, то выход таймера (контакт 3) можно напрямую подключить ко входу микросхемы 4026В (контакт 1). Эту функцию выполняет фиолетовый провод на рисунке с компоновкой макетной платы (см. рис. ЦВ-4.60). Таймер 555 вырабатывает импульсы, а микросхема 4026В считает их.

Остальные подключения таймера 555 на данный момент должны быть вам знакомы. Ясно, что он работает в автоколебательном режиме. Единственный вопрос, который может у вас появиться, — почему частота столь низкая. Ведь скорость реакции бессмысленно измерять при такой частоте сигнала.

Все верно, но в целях демонстрации мне не хотелось бы, чтобы цифры превратились в «туманное пятно». Мы отрегулируем скорость чуть позже.

 

Техническое задание

Как должен работать измеритель быстроты реакции? Вот техническое задание:

1. Устройство должно иметь кнопку запуска.

2. После нажатия кнопки запуска должен быть период задержки, в течение которого ничего не происходит. Затем внезапно появляется визуальный сигнал, побуждающий игрока к реагированию.

3. Одновременно счетчик начинает отсчет с 000 в тысячных долях секунды.

4. Чтобы остановить процесс счета, игрок должен нажать кнопку.

5. При этом счет прекращается, показывая, сколько времени прошло между появлением приглашения и остановкой. Так измеряется реакция пользователя.

6. Кнопка сброса возвращает счетчик к начальному значению 000.

Кнопка сброса уже есть на макетной плате. Теперь нужно добавить кнопку, которая будет останавливать процесс счета.

Вывод отключения тактирования счетчика будет «замораживать» дисплей, но если вы захотите сохранять его в таком виде, то на вывод необходимо постоянно подавать высокий уровень напряжения. Другими словами, он должен быть зафиксирован.

Похоже, нам понадобится еще один таймер 555, работающий в бистабильном режиме.

 

Система управления

Макет устройства, изображенный на рис. 4.67, содержит бистабильный таймер и две новые кнопки. Диагональный синий провод (см. рис. ЦВ-4.60) был удален, чтобы освободить место для нового таймера. Другие, ранее установленные, детали остались на своих местах, но обесцвечены.

На рис. 4.68 дополнительные элементы выделены на электрической схеме, а их расположение и номиналы иллюстрирует рис. 4.69.

После сборки новой секции схемы можете испытать ее. Вы обнаружите, что две новые кнопки запускают и останавливают процесс счета. Надеюсь, вам понятно, как они работают?

Нажмите кнопку запуска, и она заземлит вывод сброса бистабильного таймера. Уровень на контакте 3 станет низким, а этот выход соединен с выводом отключения тактирования счетчика.

Рис. 4.67. К устройству добавлен бистабильный таймер 555. Ранее подключенные компоненты показаны светлым

Рис. 4.68. Схема включения второго таймера и сопутствующих ему компонентов. Остальная часть схемы показана светлым

Рис. 4.69. Расположение и номиналы добавленных компонентов

Вспомните, низкое состояние вывода отключения означает, что счетчик не отключается. Таким образом, счетчик начинает и продолжает счет, поскольку выход таймера в режиме триггера фиксируется и остается таким неопределенно долго.

Однако счет в любой момент можно остановить. Просто нажмите кнопку остановки. Это заземлит вход бистабильного таймера и переведет его в другое устойчивое состояние. В результате выход таймера становится высоким, а поскольку таймер работает как триггер, выход фиксируется и остается таким неопределенно долго. Высокий выходной сигнал идет на вывод отключения тактирования, который останавливает счетчик.

Когда вы нажимаете кнопку слева внизу, которая была смонтирована в самом начале, она по- прежнему сбрасывает счетчик до 000. Но состояние таймера не изменится до тех пор, пока вы не перезапустите его кнопкой запуска.

Бистабильный таймер 555 — это именно то, что нам требовалось для работы данной схемы.

 

Подведем итоги

Давайте посмотрим, насколько далеко мы продвинулись в реализации нашего технического задания. Мне кажется, что мы его почти выполнили. Вы нажимаете кнопку, чтобы запустить счет, затем вторую, чтобы остановить его, а как только счетчик остановлен, вы нажимаете еще одну кнопку, чтобы сбросить значения до нуля.

Единственный отсутствующий элемент — это фактор неожиданности. Ведь человек, который пользуется устройством, не должен знать, когда начнется отсчет. Сама идея заключается в измерении скорости его реакции на внезапно подаваемый сигнал.

Почему бы не добавить еще один таймер, функционирующий в ждущем режиме, чтобы ввести задержку перед началом действия? Так запуск станет неожиданным.

 

Задержка

Вначале удалим кнопку запуска и диагональную перемычку, соединяющую кнопку с отрицательной шиной. Вертикальный отрезок провода слева от микросхемы таймера оставьте на своем месте.

Рис.4.70. В верхней части платы выделены элементы, обеспечивающие задержку

Теперь смонтируйте некоторые дополнительные компоненты, как показано на рис. 4.70. Кнопка запуска была перенесена, чтобы запускать вход третьего таймера, который будет осуществлять предварительную задержку. Выход этого таймера будет высоким в течение 5 или 10 секунд, а затем, когда уровень сигнала станет низким, он переключит состояние бистабильного таймера, отправляя низкий выходной сигнал, чтобы подавить функцию отключения тактирования у счетчика 4026В, и таким образом он начнет счет.

Рис. 4.71. Схема еще одного, последнего дополнения

Рис. 4.72. Размещение и номиналы дополнительных компонентов

Будьте внимательны при установке красного и желтого светодиодов. Красный подключается не так, как вы привыкли, потому что он соединен с положительным полюсом источника. Поэтому его длинный, положительный вывод расположен снизу, а не сверху.

Схема новой части устройства представлена на рис. 4.71. Размещение и номиналы компонентов, которые вы добавили на макетную плату, указаны на рис. 4.72.

 

Проверка функционирования

При подаче питания на схему счетчик сразу начинает отсчет, без вашего разрешения. Это раздражает, но легко исправимо. Нажмите кнопку остановки (слева возле второй микросхемы таймера), чтобы остановить отсчет, а затем нажмите нижнюю правую кнопку (справа возле микросхемы счетчика), чтобы сбросить таймер до нуля. Теперь вы готовы к действию.

Нажмите кнопку запуска (вверху слева), которая создает начальную задержку. Во время этой задержки загорается желтый светодиод. Пауза длится примерно 7 секунд, после чего желтый светодиод гаснет и загорается красный. Одновременно счетчик начинает отсчет до того момента, пока вы не нажмете кнопку остановки.

Конденсатор емкостью 100 мкФ в верхней части макетной платы кажется необязательным, но на самом деле он очень важен. Таймер 555 способен создавать паразитные выбросы напряжения при переключении своих выходов, а в нашей схеме такие скачки напряжения могут запустить второй таймер, не дожидаясь задержки. Конденсатор емкостью 100 мкФ предотвращает этот эффект.

Теперь у нас реализованы все функции, за исключением того, что необходимо увеличить скорость счета, а также добавить дополнительную пару счетчиков и индикаторов для отображения долей секунды.

 

Как все взаимодействует?

На рис. 4.73 показано, как компоненты схемы взаимодействуют друг с другом.

Я поясню этот рисунок сверху вниз. Кнопка запуска (вверху, соединена с таймером 3) подает на вход таймера низкий уровень и запускает его.

Высокий уровень появляется на выходе таймера 3 приблизительно через 7 секунд. Это создает начальную задержку.

Рис. 4.73. Взаимодействие между компонентами схемы

По окончании задержки на выходе таймера 3 снова устанавливается низкий потенциал. Этот перепад напряжения передается через разделительный конденсатор емкостью 0,1 мкФ к бистабильному таймеру 2. Благодаря этому на выводе сброса таймера 2 появляется короткий импульс. Таймер 2 переключается и на его выходе устанавливается низкий уровень. Поскольку выход таймера 2 соединен с выводом отключения тактирования счетчика 4026В, то низкое состояние включает счетчик, и отсчет начинается.

Теперь мы ждем отклика пользователя. Он нажимает кнопку останова таймера 2, соединенную с его входом (контакт 2). Короткий импульс низкого уровня на входе таймера 2 переключает его и на выходе появляется высокий уровень. Потенциал на выводе отключения тактирования счетчика тоже возрастает и счет останавливается.

 

Проблемы в процессе разработки

Этот проект привел к появлению одной непростой проблемы. Когда я собрал исходную схему несколько лет назад, она работала хорошо. Когда некоторые специалисты из журнала Make собрали это устройство, оно тоже работало хорошо. Мы и не подозревали, что вывод сброса таймера 555 ведет себя по-разному у микросхем разных производителей. Это не отражено в техническом паспорте.

Спустя несколько лет после издания книги я получил сообщение от одного читателя, что его схема работает нестабильно, а иногда вообще не работает. Я собрал схему заново, подключил ее к осциллографу и увидел, что разделительный конденсатор «добросовестно» передает импульс от таймера 3 к выводу сброса таймера 2. Но таймер 2, действительно, иногда не распознавал импульс.

В чем же проблема? Либо импульс слишком короткий, либо его уровень недостаточно низкий. В любом случае, было принято решение подавать более низкое напряжение на контакт 4 таймера 2. Именно по этой причине вы видите два резистора, подключенные к контакту 4. Они работают как делитель напряжения, подавая напряжение немного меньше 2 В на вывод 4. Этого достаточно, чтобы поддерживать его функциональность, а также дать возможность уменьшить напряжение сброса, чтобы таймер надежно срабатывал.

Теперь все работает нормально. У меня, по крайней мере. Мы проверим эту схему снова перед изданием этой книги. Если она не работает у вас, попробуйте подать другое напряжение на контакт 4 таймера 2, заменив резистор 47 кОм другим, с более низким или более высоким номиналом. Вы также можете попробовать взять разделительный конденсатор большей емкости. И сообщите мне об этом, пожалуйста. Конечно же мне хочется, чтобы все схемы из этой книги работали правильно и стабильно. Но я не могу предусмотреть все заводские отклонения, которые могут повлиять на конечный результат.

 

Дополнительные разряды индикатора

Добавить еще два разряда очень просто, поскольку каждый из индикаторов будет управляться от собственного счетчика 4026В, и все счетчики и индикаторы будут подключены в основном одинаково. Это продемонстрировано на рис. ЦВ-4.74.

Обратите внимание на фиолетовые провода слева. Каждый из них соединяет выход переноса предыдущего счетчика и тактирующий вход следующего.

Желтые провода справа соединяют вместе все выводы сброса счетчиков, и таким образом, когда вы сбрасываете один, сбрасываются все.

У второго и третьего счетчиков контакты 2 заземлены синими проводами. Как вы помните, контакт 2 — это вывод отключения тактирования.

Рис. ЦВ-4.74. Завершенный макет устройства едва умещается на макетной плате

Останавливать счет второго и третьего счетчиков нам не понадобится, поскольку они находятся под полным контролем первого счетчика. Когда первый останавливается, прекращают счет и остальные два.

Не забудьте подать положительное напряжение на вывод 16 (вход питания) на втором и третьем счетчиках, пустив красный провод над каждой микросхемой, как показано на рис. ЦВ-4.74.

 

Калибровка

Как настроить правильную скорость работы этой схемы?

Начните с замены резистора номиналом 10 кОм на резистор номиналом 100 кОм на первом установленном таймере, а также замените конденсатор емкостью 3,3 мкФ конденсатором на 47 нФ (0,047 мкФ). В теории это должно создать частоту 1023 Гц, которая близка к необходимой нам частоте в 1000 Гц.

Рис. 4.75. Монтаж построечного потенциометра для настройки измерителя быстроты реакции

Для точной настройки вам необходимо заменить один из резисторов 10 кОм у таймера 1 подстроечным потенциометром. Монтаж здесь настолько плотный, что едва можно найти свободное место, но мне удалось втиснуть сюда подстроечный потенциометр. Как это можно сделать, показано на рис. 4.75, на котором дан крупный план прилегающего пространства вокруг самого нижнего из трех таймеров.

Вначале передвиньте синие провода (см. рис. ЦВ-4.74) на один ряд вверх. Изогните вертикальный красный провод по правой стороне. Удлините вывод от оставшегося резистора 10 кОм, позаботившись о том, чтобы он не коснулся других неизолированных проводников. Теперь можно вставить потенциометр, подключив при этом контакт его движка к положительной шине питания, а другой контакт — к выводу 7 таймера. Третий контакт потенциометра подключается к свободному ряду макетной платы и его можно проигнорировать.

Следует взять подстроечный потенциометр с номиналом 20 или 25 кОм и начинать приблизительно с середины его диапазона. Теперь у вас есть три варианта подстройки схемы, чтобы она заработала на частоте 1 кГц.

• Если у вас окажется мультиметр с возможностью измерения частоты, то просто заземлите черный щуп мультиметра, красным коснитесь контакта 3 у первого установленного таймера, а затем вращайте движок потенциометра, пока мультиметр не покажет 1 кГц. Дело сделано!

• Если у вас нет мультиметра, который измеряет частоту, то возможно у вас есть цифровое устройство для настройки гитары. В интернет-магазине eBay оно стоит пару долларов. Подключите динамик к выходу таймера 555 (включая разделительный конденсатор емкостью 10 мкФ и последовательный резистор 47 Ом), и устройство должно сообщить вам частоту ноты, которую генерирует таймер.

• При отсутствии подходящего мультиметра или приспособления для настройки гитары можно использовать любые часы — наручные, будильник или в телефоне — которые отображают целые секунды. Когда таймер работает на частоте 1 кГц, то второй счетчик будет сменять значение каждую сотую долю секунды, а третий — каждую десятую долю секунды. Прежде чем начать отсчет заново, третий счетчик пройдет через десять цифр, а это означает, что он будет показывать ноль раз в секунду.

Проблема в том, что каждая цифра будет отображаться так быстро, что вам будет трудно уловить момент, когда появится ноль. Поэтому следует поступить так.

Закройте все сегменты самого «медленного» дисплея, кроме сегмента в нижнем правом углу. Он будет светиться постоянно, за исключением тех моментов, когда индикатор показывает цифру 2, в этот момент он гаснет. Вам будет гораздо проще подсчитать количество миганий одного сегмента, чем пытаться распознать цифры полностью. Регулируйте сопротивление потенциометра, который вы добавили, и постепенно вы сможете синхронизировать самый медленный индикатор с устройством измерения времени.

 

Улучшения

Когда я завершаю какой-либо проект, я намечаю возможности его улучшения. Вот некоторые идеи.

Не начинать отсчет при подаче питания. Было бы неплохо, если схема изначально находилась в режиме ожидания, а не начинала отсчет сразу же. Предоставляю вам возможность самостоятельно подумать, как это сделать.

Подавать звуковой сигнал при включении красного светодиода. Вовсе не обязательная, но полезная функция.

Задавать произвольный интервал задержки перед началом отсчета. Добиться произвольных значений от электронных компонентов очень сложно, но одним из способов может стать требование, чтобы игрок касался пальцем двух металлических контактов. Сопротивление кожи пальца будет определять задержку. Поскольку давление пальца каждый раз разное, то будет меняться и длительность задержки.

 

Дальше — логические элементы

В техническом плане такой счетчик, как 4026В, — это логическая микросхема. Она содержит логические элементы, которые позволяют вести счет. Любой цифровой компьютер работает на основе похожих принципов.

Поскольку логика настолько фундаментальна для электроники, я собираюсь основательно раскрыть эту тему, начиная со следующего эксперимента. Волшебные слова И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-HE, Исключающее ИЛИ и Исключающее ИЛИ-HE распахнут двери в новый мир цифровых приключений.

 

Когда вы исследуете одиночные логические элементы, их функционирование очень легко понять. Если соединить их вместе, то алгоритм их работы становится более сложным. Поэтому мы будем рассматривать каждый элемент по отдельности.

В этом разделе содержится много теоретических сведений. Я не ожидаю, что вы сразу запомните все. В данном случае целью является предоставление информации, к которой вы сможете обратиться в дальнейшем.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, тестовые провода, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Однополюсный ползунковый переключатель на два направления (1 шт.)

• Микросхема 74НС00 с четырьмя двухвходовыми элементами И-НЕ (1 шт.)

• Микросхема 74НС08 с четырьмя двухвходовыми элементами И (1 шт.)

• Слаботочные светодиоды (2 шт.)

• Кнопки (2 шт.)

• Стабилизатор напряжения LM7805 (1 шт.)

• Резисторы с номиналами 680 Ом (1 шт.), 2,2 кОм (1 шт.) и 10 кОм (2 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,1 мкФ (1 шт.) и 0,33 мкФ (1 шт.)

 

Стабилизатор напряжения

Логические элементы более капризны, чем таймер 555 или счетчик 4026В, с которыми вы работали ранее. Микросхемы, которые мы будем далее использовать, требуют ровно 5 В без колебаний или выбросов.

Этого можно добиться легко и без особых затрат. Просто снабдите макетную плату стабилизатором напряжения LM7805. Он обеспечивает высокостабильное выходное напряжение 5 В, если вы подаете на его вход постоянное напряжение 7 В или более.

На рис. 4.76 показан внешний вид и назначение трех выводов микросхемы стабилизатора. Вариант включения стабилизатора показан на рис. 4.77. Пример компактного размещения стабилизатора и двух его конденсаторов в верхней части макетной платы приведен на рис. 4.78. Я добавил миниатюрный ползунковый переключатель включения-выключения вверху слева и слаботочный светодиод в качестве индикатора питания. Я думаю, что визуальный индикатор служит наглядным подтверждением того, что питание включено, особенно когда вы ищете неисправность в схеме. Для светодиода был выбран резистор с высоким номиналом (2,2 кОм), чтобы он потреблял как можно меньше тока, в случае если вы по-прежнему используете в качестве источника питания 9-вольтовую батарею.

Рис. 4.76. Назначение выводов стабилизатора напряжения LM7805 (металлическая задняя поверхность обращена от вас)

Рис. 4.77. Применение стабилизатора напряжения LM7805. Конденсаторы являются обязательными

Рис. 4.78. Пример компоновки элементов стабилизатора напряжения в верхней части макетной платы

 

Параметры стабилизатора

Род тока на входе. Помните о том, что стабилизатор LM7805 — это преобразователь постоянного тока в постоянный. Не путайте его с сетевым адаптером, который преобразует переменный ток из розетки домашней электросети в постоянный ток. Не подавайте переменный ток на вход стабилизатора напряжения.

Максимальный ток. Стабилизатор LM7805 поддерживает на выходе практически постоянное напряжение, независимо от того, какой ток протекает через него, пока вы остаетесь в расчетном диапазоне. Следите, чтобы ток через стабилизатор был не больше одного ампера.

Максимальное напряжение. Хотя стабилизатор напряжения — это полупроводниковое устройство, он немного напоминает резистор тем, что излучает тепло в процессе понижения напряжения. Чем выше напряжение подается на стабилизатор, и чем больший ток проходит через него, тем больше тепла он выделяет. Теоретически на вход можно подать напряжение 24 В и все так же получать стабилизированное напряжение 5 В на выходе, но такой режим работы не слишком хорош. Приемлемый входной диапазон напряжений составляет 7-12 В.

Минимальное напряжение. Как и все полупроводниковые устройства, стабилизатор выдает напряжение ниже, чем напряжение на его входе. Именно поэтому я указал минимальное входное напряжение 7 В.

Рассеиваемая мощность. Назначение металлической задней поверхности с отверстием верхней части — излучать тепло. Эта задача осуществляется более эффективно, если вы привинтите микросхему к куску алюминия, поскольку этот металл очень эффективно проводит тепло. Алюминий выполняет функцию теплоотвода. Вдобавок можно купить радиатор с несколькими ребрами охлаждения. Если вы не планируете пропускать через стабилизатор больше 200 мА, то теплоотвод необязателен. В схемах, описанных в этой книге, ток будет меньше, чем указанное значение.

 

Подключение стабилизатора

При создании устройств на основе логических микросхем с питанием от 5 В вам понадобится, чтобы это напряжение поступало на положительную шину макетной платы. Обратите особое внимание на то, что входное напряжение 9 В в схеме на рис. 4.78 поступает не на положительную шину, а всего лишь подается на верхний вывод стабилизатора напряжения. Выходное стабилизированное напряжение 5 В с нижнего вывода стабилизатора напряжения подключается к положительной шине.

Отрицательная шина макетной платы подключена и к стабилизатору напряжения, и к внешнему источнику питания. Такое подключение называется общим заземлением.

После монтажа стабилизатора настройте мультиметр на измерение постоянного напряжения и измерьте разность потенциалов между двумя шинами макетной платы, просто на всякий случай. Логические микросхемы очень легко повредить неправильным или обратным напряжением.

 

Ваш первый логический элемент

Теперь, когда вы подготовили макетную плату с питанием 5 В, возьмите пару кнопок, два резистора по 10 кОм, слаботочный светодиод и резистор 680 Ом, а затем разместите их вокруг логической микросхемы 74НС00, как показано на рис. 4.79. (Поскольку вы используете слабо- точный светодиод, резистор номиналом 680 Ом вполне подойдет.)

Вы можете заметить, что многие выводы микросхемы закорочены вместе и подключены к отрицательной шине источника питания. Вскоре я объясню это.

Когда вы подаете питание, светодиод должен зажечься. Нажмите одну из кнопок, и светодиод продолжит гореть. Нажмите другую кнопку, и снова светодиод останется включенным. Теперь нажмите обе кнопки, и светодиод должен погаснуть.

Контакты 1 и 2 — это логические входы микросхемы 74НС00. По умолчанию на них установлен низкий уровень за счет подключения к отрицательной шине источника питания через стягивающие резисторы 10 кОм. Однако каждая из кнопок «обходит» свой резистор и напряжение на входе поднимается до значения близкого к 5 В положительной шины.

Рис. 4.79. Выяснение логической функции элемента И-НЕ

Замечание

Когда входной или выходной сигнал логической микросхемы приближается к 0 В, мы называем его низким логическим уровнем (логический ноль).

Когда входной или выходной сигнал логической микросхемы становится равным около 5 В, мы называем его высоким логическим уровнем (логическая единица).

Логический выход микросхемы, как вы поняли, нормально высокий — но не в том случае, если первый вход и второй вход являются высокими. Поскольку эта микросхема выполняет операцию И-НЕ, мы говорим, что она содержит логический элемент И-НЕ.

Логические элементы изображают специальными символами на схемах особого рода, называемых логическими диаграммами. Логическая диаграмма, которая соответствует схеме на рис. 4.79, показана на рис. 4.80, где U-образная фигура с кружком в нижней части — это логический символ элемента И-НЕ. На логической диаграмме не указан источник питания, но если вы вернетесь к схеме на рис. 4.79, то увидите, что на самом деле микросхема требует подачи питания: на контакты 7 (общий) и 14 (плюс). В результате выходной ток микросхемы превышает входной.

Рис. 4.80. Логическую диаграмму проще понять, чем электрическую схему логической микросхемы

Замечание

Каждый раз, когда вы видите символ логической микросхемы, помните о том, что для ее работы необходима подача питания.

Микросхема 74НС00 на самом деле содержит четыре отдельных элемента И-НЕ, каждый из которых имеет два логических входа и один выход. Цоколевка микросхемы приведена на рис. 4.81 справа. Поскольку для простой проверки был необходим только один элемент, входы неиспользуемых элементов закорочены и соединены с отрицательной шиной источника питания, чтобы они не «плавали».

Многие логические микросхемы взаимозаменяемы. Давайте проверим это прямо сейчас. Вначале отключите питание. Аккуратно вытащите микросхему 74НС00 и отложите ее в сторону, погрузив выводы в проводящий материал (или в алюминиевую фольгу). Вставьте микросхему 74НС08, которая содержит логические элементы И. Убедитесь в том, что вы расположили ее правильно, выемкой сверху. Подключите питание и нажимайте кнопки, как вы делали это ранее. На этот раз вы должны обнаружить, что светодиод зажигается, если оба входа положительные, а в других случаях он не горит. Таким образом, микросхема И работает противоположно микросхеме И-НЕ. Цоколевка микросхемы 74НС08 показана на рис. 4.81 слева.

Рис. 4.81. Цоколевка двух логических микросхем

Вы можете задаться вопросом, какая польза от этих компонентов. Вскоре вы увидите, что мы можем соединить логические элементы вместе, чтобы создать, например, такие устройства: электронный кодовый замок, пару электронных игральных костей или компьютеризированную версию телевикторины, в которой игроки соревнуются в ответах на вопросы. Если вы невероятно амбициозны, то сможете создать на основе логических элементов целый компьютер. Один радиолюбитель, Билл Базби (Bill Buzbee), действительно собрал веб-сервер из старых логических микросхем (рис. 4.82).

 

Истоки логики

Джордж Буль, британский математик, родился в 1815 году и сделал то, что удавалось либо очень удачливым, либо очень умным людям: он придумал совершенно новый раздел математики.

Примечательно то, что он не опирался на числа. У Буля был исключительно логический склад ума, и ему захотелось свести весь мир к наборам утверждений «истина-или-ложь», которые могли бы взаимодействовать различным образом.

Рис. 4.82. Эта компьютерная материнская плата создана вручную Биллом Базби из микросхем серии 74хх, она служит основной частью веб-сервера

Для иллюстрации некоторых логических взаимоотношений такого рода могут использоваться диаграммы Венна, предложенные в 1880 году Джоном Венном. На рис. 4.83 показана самая простая из возможных диаграмм Венна, где я определил одну очень большую группу (все живые существа в мире), а также подгруппу (состоящую только из тех живых существ, которые живут в воде). Диаграмма Венна иллюстрирует, что все живые существа, живущие в воде, также живут и в мире, но только отдельная подгруппа живых существ мира живет в воде.

Рис. 4.83. Самое простое из возможных взаимоотношений между группой и большим миром, который содержит ее

Рис. 4.84. Из этой диаграммы Венна ясно, что одни живые создания живут на суше, другие в воде, а некоторые обитают и в воде, и на суше

Теперь я представлю другую группу: живые существа, живущие на суше. Но постойте, некоторые животные могут жить и в воде, и на суше. Например, лягушки. Эти амфибии являются членами обеих групп, и я могу показать это с помощью другой диаграммы Венна, изображенной на рис. 4.84, где эти группы перекрывают друг друга.

Тем не менее, не все группы перекрываются. На рис. 4.85 я определил одну группу из копытных живых существ, а другую группу — из животных с когтями. Существует ли животные с копытами и с когтями? Не думаю. Я мог бы отразить это в таблице истинности (табл. 4.3). Элемент И-НЕ соответствует этой таблице, поскольку состояния на его входах и выходах в точности такие же (табл. 4.4).

Рис. 4.85. Некоторые подгруппы не перекрываются. Я не могу представить ни одного животного и с копытами, и с когтями

Таблица 4.3

Таблица 4.4

Начав с этих очень простых концепций, Буль разработал свой язык логики на очень высоком уровне. Он опубликовал трактат об этом в 1854 году, задолго до появления возможности его применения в электрических или в электронных устройствах. В те времена казалось, что его работа вообще не имеет никакого практического применения. Однако человек по имени Клод Шеннон (Claude Shannon) столкнулся с логикой Буля во время своей учебы в Массачусетском технологическом институте в 30-х годах прошлого века, а в 1938 году опубликовал статью, описывающую, как можно было бы применить анализ Буля к схемам с использованием реле. Этому незамедлительно нашлось практическое применение, поскольку стремительный рост телефонных сетей привел к возникновению проблем с коммутацией.

Очень часто встречалась ситуация, когда два абонента, проживающие в отдельных домах в сельской местности, были подключены к одной телефонной линии. Если только один из них занимал линию, или ни тот, ни другой, то проблем не возникало. Но они не могли пользоваться телефоном одновременно. Опять-таки возникает та же логическая комбинация, что и в табл. 4.4, если под словом «высокий» подразумевать, что один человек желает использовать телефонную линию, а под словом «низкий» — что абоненту эта линия не нужна.

Но теперь появляется одно важное отличие. Элемент И-НЕ не только иллюстрирует эту ситуацию. Поскольку телефонная сеть основана на электрических состояниях, элемент И-НЕ может управлять сетью. Собственно, в эру зарождения сетей всю работу выполняли реле, но набор реле может выполнять функцию логического элемента.

После применения Шенноном логики Буля для телефонных систем следующим шагом стало понимание того, что если представить условие «ВКЛ» в виде числа «1», а условие «ВЫКЛ» — в виде числа «0», то можно создать систему логических элементов, которая способна осуществлять вычисления. А поскольку она может считать, то она способна выполнять и арифметические действия.

Когда электронные лампы пришли на смену реле, появились первые работающие цифровые компьютеры. Затем транзисторы вытеснили радиолампы, а их в свою очередь сменили микросхемы, что привело к появлению настольных компьютеров, которые сейчас воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. Но по сути, на самых низких уровнях этих невероятно сложных устройств действуют законы логики, открытые Джорджем Булем.

Кстати, если в поисковых системах вы добавляете слова И и ИЛИ для уточнения поиска, то фактически вы используете логические операторы.

 

Основы логических элементов

Элемент И-НЕ — самый фундаментальный «строительный блок» цифровых компьютеров, поскольку для реализации сложения достаточно одних элементов И-НЕ. Если вы желаете узнать об этом больше, поищите в онлайн-источниках такие темы, как «двоичная арифметика» и «полусумматор». Вы можете также найти схемы, которые выполняют сложение с помощью логических операторов, в моей книге Make: More Electronics.

Вообще говоря, существуют семь типов логических элементов: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ, Исключающее ИЛИ-НЕ, НЕ. Эти названия обычно пишутся заглавными буквами. Из числа первых шести элемент Искл. ИЛИ-НЕ почти не используется.

У всех перечисленных логических элементов два входа и один выход, за исключением элемента НЕ, у которого только один вход и один выход. Его чаще называют инвертором. Если у него высокий вход, то он выдает низкий выход, а если вход низкий, то выход будет высоким.

Символы, которыми изображают семь типов элементов, показаны на рис. 4.86. Обратите внимание на то, что маленькие кружки в нижней части некоторых элементов инвертируют выход. Таким образом, выход элемента И-НЕ является инверсией элемента И.

Рис. 4.86. Символы для шести логических элементов с двумя входами, а также для элемента НЕ

Что я понимаю под словом «инверсия»? Это станет понятным, если вы взгляните на таблицы истинности на рис. 4.87-4.89. В каждой из этих таблиц два входа показаны слева, а выход — справа; красный цвет означает высокое логическое состояние, а синий - низкое. Сравните выходы каждой пары элементов, и вы увидите, как логические комбинации меняются на противоположные.

Рис. 4.87. Состояния входов и выходов для логических элементов И и И-НЕ

Рис. 4.88. Состояния входов и выходов для логических элементов ИЛИ и ИЛИ-НЕ

Рис. 4.89. Состояния входов и выходов для логических элементов Искл. ИЛИ и Искл. ИЛИ-НЕ

 

Загадочный мир ТТЛ и КМОП

В 60-х годах прошлого века первые логические элементы были созданы на основе транзисторно-транзисторной логики, сокращенно ТТЛ; это означает, что крошечные биполярные транзисторы были вытравлены на единой кремниевой пластине. Вслед за ними появились комплементарные металл-оксидные полупроводниковые приборы, сокращенно КМОП. Микросхема 4026В, которую вы использовали в эксперименте 19, — это старая КМОП-микросхема.

Вы, должно быть, помните, что биполярные транзисторы усиливают ток. Таким образом, ТТЛ-схемам для работы требуется значительная мощность. Однако КМОП-микросхемы очень чувствительны к напряжению, что позволяет им потреблять ничтожно малый ток, пока они ожидают сигнал или пока они находятся в режиме паузы после генерации сигнала.

На рис. 4.90 приведено сравнение свойств двух типов микросхем. Серии КМОП с номерами моделей 4000 и выше обладали низким быстродействием, а также легко повреждались статическим электричеством, но их ценили за малое потребление энергии. Серии ТТЛ с номерами моделей от 7400 и далее потребляли намного больше энергии, но были менее чувствительны и работали очень быстро. Таким образом, если вы хотите собрать компьютер, то выбирайте семейство ТТЛ, но если вам нужно маленькое устройство, которое было бы способно неделями работать от небольшой батареи, то предпочтение следует отдать семейству КМОП.

Постепенно все становится более запутанным, потому что производители КМОП-компонентов стали стремиться захватить долю рынка путем имитирования преимуществ ТТЛ-микросхем. У новых поколений КМОП-микросхем даже изменили обозначение, чтобы оно начиналось с числа «74», подчеркивая взаимное соответствие. Кроме того, изменили цоколевку КМОП-микросхем, чтобы она совпадала с ТТЛ- микросхемами. Требования к напряжению у КМОП-компонентов были также изменены, чтобы соответствовать ТТЛ-версиям.

Сегодня вы еще сможете найти некоторые старые ТТЛ-микросхемы, особенно серии LS (такие модели, как 74LS00 и 74LS08). Тем не менее, они становятся редкостью.

Рис. 4.90. Сравнение свойств КМОП- и ТТЛ-микросхем (характеристики КМОП со знаком вопроса впоследствии сравнялись с характеристиками ТТЛ)

Гораздо чаще можно встретить серию 4000 КМОП-микросхем, например, модель 4026В, которую вы использовали в предыдущем эксперименте. Они до сих пор выпускаются, поскольку их широкий диапазон напряжения источника питания очень удобен.

С годами КМОП-микросхемы стали более быстрыми и менее уязвимыми к статическому электричеству; именно поэтому я добавил знак вопроса к этим свойствам на рис. 4.90. У современных КМОП-микросхем также в основном снижено максимальное напряжение питания до 5 В — вот почему я добавил знак вопроса и в эту категорию тоже.

Ситуацию можно подытожить следующим образом:

• Любые логические микросхемы из старой серии 4000, которые все еще доступны, будут иметь характеристики, перечисленные на рис. 4.90. Вы наверняка найдете применение микросхемам серии 4000.

• Вряд ли вам пригодятся старые ТТЛ-микро- схемы серии 7400, потому что они не имеют значительных преимуществ.

До сих пор можно встретить электрические схемы, в которых указаны микросхемы 74LSxx. Вы можете заменить их микросхемами 74НСТхх, которые работают аналогично.

Поколение микросхем 74НСхх, безусловно, самое популярное в DIP-корпусе для установки в монтажные отверстия. Эти микросхемы имеют высокий входной импеданс КМОП, что очень удобно, и они дешевле, чем некоторые современные экзотические версии. Все логические микросхемы в этой книге относятся к типу НС.

Теперь о маркировке компонентов. Когда вы видите букву «х» в следующем далее списке, она означает, что в этом месте может быть любая цифра или буква. Так обозначение «74хх» относится к логическому элементу 7400 И-НЕ, к элементу 7402 ИЛИ-HE, к 16-разрядному селектору данных 74150 и т. д. Комбинация букв перед цифрами «74» указывает на производителя, а буквы за номером модели могут указывать на тип корпуса, сообщать о том, содержит ли он экологически опасные тяжелые металлы, а также другие характеристики. Пример был приведен на рис. 4.3.

Приведем историю семейства ТТЛ:

• 74хх — первое поколение, сейчас вышло из употребления.

• 74Sxx — высокоскоростная серия Шоттки, теперь не используется.

• 74LSxx — маломощная серия Шоттки, время от времени встречается до сих пор.

Семейство КМОП:

• 40хх — первое поколение, теперь не используется.

• 40ххВ — серия 4000В была улучшенной, но все же подверженной повреждению статическим электричеством. Эти микросхемы по-прежнему широко применяются, особенно любителями электроники.

• 74НСхх — высокоскоростные КМОП-мик- росхемы, с маркировкой и расположением выводов, совпадающими с семейством ТТЛ. Я очень часто использую эти компоненты в данной книге, потому что они доступны, а в схемах из этой книги не нужны высокие скорости или повышенное напряжение питания.

• 74НСТхх — похожи на серию НС, но соответствуют старому стандарту ТТЛ для максимального и минимального логически низкого и логически высокого уровня напряжения, соответственно.

• Серии 74хх с другими буквами в середине номера — более современные, быстрые, обычно для поверхностного монтажа, часто предназначены для работы с более низким напряжением.

 

Что нужно учесть при выборе микросхем

Разница в скорости не имеет для нас значения, поскольку мы не будем собирать схемы, которые работают на частоте в несколько миллионов герц.

Разница в цене между семействами микросхем обычно незначительна, если их покупают в малых количествах.

Низковольтные микросхемы не подходят для наших целей, поскольку почти все они предназначены для поверхностного монтажа, к тому же нам потребовался бы источник питания низкого напряжения. Поскольку с микросхемами для поверхностного монтажа намного сложнее иметь дело, а их единственным главным преимуществом является компактность, я не стану их использовать. Аналоги в DIP-корпусах имеют те же логические функции.

Рис. 4.91. Цоколевка микросхем семейства 74хх с четырьмя двухвходовыми элементами ИЛИ и ИЛИ-HE

Рис. 4.92. Цоколевка микросхем семейства 74хх с четырьмя двухвходовыми элементами Искл. ИЛИ и Искл. ИЛИ-НЕ

 

Цоколевка логических микросхем

Внутренние соединения доступных в настоящее время микросхем серии НС с 14-ю выводами для установки в монтажные отверстия показаны на рис. 4.81, 4.91-4.97.

Рис. 4.93. Цоколевка микросхем семейства 74хх с тремя трехвходовыми элементами И и И-НЕ

Рис. 4.94. Цоколевка микросхем семейства 74хх с тремя трехвходовыми элементами ИЛИ и ИЛИ-НЕ

Рис. 4.95. Цоколевка микросхем семейства 74хх с двумя четырехвходовыми элементами И и И-НЕ

Рис. 4.96. Цоколевка микросхем семейства 74хх с двумя четырехвходовыми элементами ИЛИ-HE и шестью элементами НЕ

Рис. 4.97. Цоколевка микросхем семейства 74хх с одним 8-входовым элементом И-НЕ и ИЛИ-(НЕ)

Маркировка всех этих микросхем упрощена. Так, микросхема 7400 может иметь фактический номер компонента 74НС00, 74НСТ00 и т. д., с другими предшествующими и последующими кодовыми обозначениями; но, в общем, она относится к микросхемам 7400, и поэтому я обозначил ее здесь именно так.

Очень важно сверить цоколевку логических микросхем с диаграммами из этой книги или из технического паспорта, прежде чем использовать их. Может казаться, что конфигурация внутренних соединений аналогичная, но бывают и исключения.

 

Правила подключения логических элементов

Разрешается:

• Можно подключать вход логического элемента напрямую к стабилизированному источнику питания, к положительной или к отрицательной шине.

• Можно подключать выход от одного логического элемента напрямую ко входу другого.

• Выход от одного логического элемента может питать входы нескольких других (это называется «разветвлением»). Точное количество входов зависит от микросхемы, но в серии 74НСхх вы всегда сможете к одному логическому выходу подключить как минимум десять входов.

• Выход логической микросхемы может управлять запуском (контакт 2) таймера 555, при условии что таймер питается от того же источника напряжением 5 В.

• Низкий логический уровень не обязательно равен нулю. Логические элементы 74НСхх будут воспринимать любое напряжение меньше 1 В как «низкое».

• Высокий уровень не обязан быть равным 5 В. Логические элементы 74НСхх будут воспринимать любое напряжение выше 3,5 В как «высокое».

Приемлемые диапазоны для входов и минимальные гарантированные значения для выходов логических микросхем показаны на рис. 4.98.

Не разрешается:

• Никаких «плавающих» входов! У КМОП-микросхем, таких как семейство НС, вы всегда должны подключить все входы к определенному напряжению. Это относится и к входам тех логических элементов, которые не задействованы.

• К любому переключателю или кнопке следует подключить подтягивающий или стягивающий резистор, чтобы при размыкании контактов вход микросхемы не «плавал».

• Нельзя питать логические микросхемы серии 74НСхх от нестабилизированного источника или подавать напряжение выше или ниже 5 В.

• Будьте осторожны, когда подключаете к выходу логической микросхемы 74НСхх светодиоды. Вы можете снять с микросхемы ток силой до 20 мА, но это понизит выходное напряжение. Если вы подаете это напряжение также и на вход второй микросхемы, то напряжение может снизиться настолько, что вторая микросхема не распознает его как «высокое». В общем, старайтесь не использовать логический выход для питания светодиода одновременно с другой логической микросхемой. Всегда проверяйте силу тока и напряжение, когда изменяете схему или создаете новую.

• На протяжении всей этой книги применяются слаботочные светодиоды в сочетании с выходами логических микросхем; я думаю, что это хорошая практика, которую стоит взять на заметку — на тот случай, когда выход, питающий светодиод, понадобится в дальнейшем для подачи сигнала на логический вход для другой микросхемы.

Рис. 4.98. Рекомендуемые диапазоны уровней напряжения для логических микросхем

• Никогда не подавайте значительное напряжение или большой ток на выход логического элемента.

• По этой же причине не соединяйте выходы от двух или более логических элементов вместе.

Как видите, списки получились довольно внушительными. Но настало время для вашего первого настоящего проекта с использованием логической микросхемы.

 

Допустим, вы желаете, чтобы другие люди не смогли воспользоваться вашим компьютером. Можно предложить два способа защиты: с помощью программного обеспечения или с помощью аппаратных средств. Программное обеспечение может быть реализовано в виде запускающей программы, которая приостанавливает нормальную последовательность загрузки и запрашивает пароль. Это оказалось бы лишь чуть более надежным, чем парольная защита, которая является стандартной функцией операционных систем Windows и Mac.

Конечно, вы тоже могли бы установить на свой компьютер программу ввода пароля, но я полагаю, что интереснее (и актуальнее для данной книги) реализовать все с помощью «железа». Я имею в виду цифровую клавиатуру, которая требует от пользователя ввести секретную комбинацию, прежде чем можно будет включить компьютер. Назову это устройство «кодовым замком», несмотря на то, что он ничего фактически не запирает. Он будет отключать кнопку подачи питания, которую вы обычно нажимаете в начале работы.

 

Помните о гарантийных обязательствах

Если вы собираетесь реализовать этот проект до конца, то вам придется открыть системный блок, перерезать один провод и вставить собственную небольшую схему. Вы не будете касаться ни одной из плат внутри компьютера и поработаете только с проводом кнопки, которая включает системный блок, но, тем не менее, если вы купили новый компьютер, то такое вмешательство аннулирует гарантию. Лично я не отношусь к этому слишком серьезно, но если для вас это важно, то вот три варианта:

• Создать схему на макетной плате для своего удовольствия и на этом закончить проект.

• Испробовать схему на каком-либо другом устройстве.

• Установить схему в старом компьютере.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Слаботочный светодиод (1 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

• Стабилизатор напряжения LM7805 (1 шт.)

• Логическая микросхема 74НС08 (1 шт.)

• Микросхема таймера 555 (1 шт.)

• Транзистор серии 2N2222 (1 шт.)

• Двухполюсное реле на два направления, на 9 В постоянного тока (1 шт.)

• Диоды серии 1N4001 (1 шт.) и 1N4148 (3 шт.)

• Резисторы с номиналами 330 Ом (1 шт.), 470 Ом (1 шт.), 1 кОм (1 шт.), 2,2 кОм (1 шт.), 10 кОм (6 шт.) и 1 МОм (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (1 шт.), 0,1 мкФ (1 шт.), 0,33 мкФ (1 шт.) и 10 мкФ (2 шт.)

• Кнопки (8 шт.)

• Необязательно: инструменты, чтобы открыть компьютер, просверлить четыре отверстия и сделать распилы между ними, создав прямоугольный вырез для клавиатуры (если вы желаете довести этот проект до конца). А также четыре маленьких винта, чтобы прикрепить клавиатуру к корпусу компьютера.

 

Схема из трех секций

Полностью собранный макет устройства на плате изображен на рис. 4.103, но прежде чем вы начнете собирать его, давайте взглянем на электрическую схему.

Схема разделена на три секции:

1. Источник питания и три фиктивные кнопки.

2. Активные кнопки и логические элементы.

3. Выход.

На рис. 4.99 показана первая часть схемы. Она достаточно простая. Когда вы нажимаете кнопку А, напряжение 9 В подается на стабилизатор, который выдает 5 В на левую шину. Эта кнопка также подает 9 В на провод справа, обозначенный надписью «9 В пост, тока» (вскоре я объясню, зачем).

Кроме того, вы видите кнопки В, С и D, каждая из них подключена к отрицательной шине.

Теперь взгляните на рис. 4.100, на котором изображена центральная секция схемы с использованием логических символов. Мысленно присоедините ее к верхней части схемы с рис. 4.99.

Каждая из кнопок от Е до Н может подавать положительное напряжение на логический элемент И, левый вход которого нормально удерживается в низком состоянии с помощью резистора 10 кОм. Выход каждого предыдущего элемента соединен с входом следующего.

Рис. 4.99. Верхняя секция схемы

Рис. 4.10. Средняя секция схемы с использованием логических символов

Рис. 4.101. Нижняя секция схемы

И наконец, на рис, 4.101 вы видите нижнюю секцию схемы, в которой выход последнего логического элемента И соединен с транзистором, запускающим таймер 555. Этот таймер управляет реле, а реле будет осуществлять блокировку и разблокировку компьютера (или любого другого устройства, имеющего простую кнопку включения-выключения).

 

Как все работает

Я задумал все так, чтобы вам приходилось нажимать кнопку А для активации схемы и продолжать удерживать ее нажатой, пока вы вводите секретную комбинацию цифр. Это преследует две цели: схема не потребляет энергии, когда вы не используете ее, и вы не сможете оставить ее включенной по ошибке.

Секретный код заключается в нажатии кнопок Е, F, G и Н в указанной последовательности, пока вы нажимаете кнопку А. Безусловно, если вы установите эту схему в реальности, то можете поменять расположение кнопок. Я расположил их так на макетной плате для упрощения.

Предположим, вы нажимаете кнопку А и нажимаете кнопку Е как первую в последовательности для разблокировки схемы. Из рис. 4.104 ясно, что кнопка Е подает 5 В напрямую на левый вход первого логического элемента И. В результате на левом входе устанавливается высокий логический уровень.

Потенциал на правом входе элемента И поддерживается высоким с помощью резистора 10 кОм. Итак, теперь оба входа элемента И в состоянии логической единицы и, следовательно, уровень на его выходе меняется с низкого на высокий.

Ток от выхода проходит через диод к левому входу. Вследствие этого вы можете отпустить кнопку Е и выход с элемента И будет удерживать левый вход в высоком состоянии. Этот логический элемент заблокировал себя подобно реле в эксперименте 15. Это можно сделать, поскольку он имеет собственный источник питания (не показанный на логической схеме), который поддерживает напряжение на выходе, несмотря на небольшое уменьшение входного напряжения.

Высокий выходной сигнал от первого элемента И поступает также к правому входу второго элемента И. Теперь на правом входе второго элемента И также присутствует высокий уровень, и если вы нажмете кнопку, чтобы подать логическую единицу на вход слева, то на выходе второго элемента И тоже появится высокий уровень. Заметьте, что кнопка не сработала бы раньше, поскольку вам нужен сигнал высокого уровня с выхода первого элемента И, чтобы подать его на второй элемент И.

Итог:

• После того как вы нажимаете каждую кнопку, логический элемент И рядом с ней блокирует себя, и вы можете отпустить кнопку.

• Кнопки необходимо нажимать в определенной последовательности. Если вы нажмете четыре кнопки не в том порядке, то ничего не произойдет.

• В течение всего процесса следует удерживать кнопку А нажатой.

Теперь посмотрим на кнопки С, D и Е. Что произойдет, если вы нажмете любую из этих кнопок, пока вводите код для разблокировки схемы? Любая из этих кнопок понизит напряжение на правом входе первого логического элемента И. Как следствие, на выходе этого элемента И появится низкий уровень. Если ранее этот элемент блокировал себя, то теперь он становится разблокированным. Более того, низкий выходной сигнал с первого элемента И разблокирует второй элемент И, а низкий сигнал со второго элемента И разблокирует третий элемент И.

Нажатие любой из кнопок С, D и Е будет сбрасывать всю схему. Я добавил их только для того, чтобы сделать ввод правильной комбинации более сложным. Естественно, я предполагаю, что при сборке этой системы вы позаботитесь, чтобы все кнопки выглядели одинаково.

 

Одновременное нажатие нескольких кнопок

Что произойдет, если кто-то нажмет сразу несколько кнопок (при этом удерживая нажатой кнопку А)? Результат будет непредсказуемым. Если все кнопки Е, F, G и Н нажаты одновременно, то сработает реле (если только не нажата любая из кнопок В, С или D, останавливающих весь процесс). Возможность срабатывания при одновременном нажатии нескольких кнопок может рассматриваться как недостаток этой схемы, однако шанс нажать кнопки А, Е, F, G и Н, не нажав кнопку В, С или D, невелик. Чтобы еще сильнее снизить этот риск, можно добавить больше кнопок сброса параллельно кнопкам В, С и D.

 

Запуск реле

Предположим, вы ввели правильную комбинацию. Последний логический элемент И подает 5 В на базу транзистора (см. рис. 4.105). Транзистор включается и начинает проводить ток. Это уменьшает сопротивление между контактом 2 таймера 555 и отрицательной шиной, и таким образом напряжение на выводе 2 понижается, а таймер запускается.

Таймер получает питание 9 В по отдельному проводу справа. Сигнал на выходе таймера должен быть достаточным для срабатывания реле. Теперь посмотрим, что делает реле: группа контактов справа обеспечивает альтернативный источник питания для шины 9 В.

Пока длится импульс таймера 555, контакты реле замкнуты. Пока реле замкнуто, оно питает всю схему, а заодно и таймер. Да, таймер питает реле, а реле питает таймер.

Теперь вы можете отпустить кнопку А, и реле будет оставаться блокированным, пока продолжается импульс от таймера. Этот импульс закончится приблизительно через 30 секунд, отключив питание реле, его контакты разомкнутся и выключат таймер, а также остальную схему. Теперь устройство вообще не потребляет энергии.

Группа контактов с левой стороны реле предназначена для подачи питания на кнопку включения компьютера. Таким образом, в течение короткого промежутка времени, пока таймер питает реле, вы сможете включить компьютер. Все остальное время кнопка включения работать не будет.

 

Подключение микросхемы 74НС08

Теперь давайте взглянем на рис. 4.102. Это центральная секция схемы с реальной микросхемой 74НС08, содержащей четыре логических элемента И с двумя входами. Они выполняют ту же функцию, что и логическая схема на рис. 4.100. Вы можете сравнить эти две схемы и убедиться, что их функции идентичны. Главное отличие заключается в том, что из реальной схемы становится ясно, как должны быть установлены компоненты на самом деле, но понять алгоритм работы устройства проще, пользуясь логической диаграммой.

Рис. 4.102. Средняя секция схемы, собранная на основе микросхемы 74НС08

 

Пора собирать устройство!

Полная версия устройства на макетной плате показана на рис. ЦВ-4.103. Этот проект вы не сможете проверить поэтапно: вам необходимо собрать схему полностью. Номиналы и расположение компонентов указаны на рис. 4.104.

Рис. ЦВ-4.103. Макет электронного кодового замка

Рис. 4.104. Расположение и номиналы компонентов на макетной плате

 

Описание устройства

Будьте внимательны и не перепутайте два напряжения питания в этой схеме. Напряжения 5 В недостаточно для управления реле, а напряжение 9 В повредит логическую микросхему. Левая шина на макетной плате предназначена для подачи питания 5 В. Первичное постоянное напряжение 9 В подается к реле по коричневому проводу в левой части макетной платы (см. рис. ЦВ-4.103). Фиолетовые провода справа подают напряжение 9 В либо при нажатии кнопки А, либо при замыкании правых контактов реле.

• Коричневый цвет провода указывает на первичное напряжение 9 В от батареи или сетевого адаптера.

• Пурпурный или фиолетовый цвет — это провода от источника питания 9 В, который подключается либо с помощью реле, либо кнопкой А.

• Красный цвет — это шины 5 В постоянного тока, который обеспечивает стабилизатор напряжения.

После того как вы соберете схему, подключите 9-вольтовый источник питания, нажмите и удерживайте кнопку А. При этом зажигается красный светодиод, но больше ничего не происходит.

Пока вы удерживаете нажатой кнопку А, нажмите и отпустите каждую из кнопок Е, F, G и Н в указанной последовательности, сверху вниз. Когда вы завершите последовательность нажатий, загорится зеленый светодиод, показывая, что реле замкнуто, и вы успешно разблокировали устройство.

Отпустите кнопку А — светодиод должен продолжать гореть еще около 30 секунд, прежде чем схема автоматически отключится. Во время этого 30-секундного периода, если это устройство установлено в вашем компьютере, то у вас есть возможность запустить его.

После того как схема отключится, она совсем не потребляет энергии. При питании от 9-вольтовой батареи этот элемент питания прослужит без преувеличения несколько лет.

Попробуйте снова нажать кнопку питания и нажмите те же кодовые кнопки, но в другой последовательности. Также попробуйте нажать какие-либо из кнопок В, С и D. Зеленый светодиод не загорится и реле не сработает.

Предположим, вы вмонтировали в компьютер это устройство. Чтобы взломать код, кто-то должен знать, что:

• необходимо нажать и удерживать кнопку А во время ввода правильной последовательности;

• если нажать неправильную кнопку, то код необходимо ввести заново с самого начала;

• активными являются только кодовые кнопки Е, F, G и Н, и они должны быть нажаты именно в такой последовательности.

Что касается меня, то такое устройство выглядит очень секретным. Но если вы желаете увеличить секретность, то всегда сможете добавить еще больше кнопок!

 

Проверка схемы

Настройте мультиметр на прозвонку цепи и подключите его щупы (с помощью зажимов «крокодил» тестовых проводов) к выходу схемы, обозначенному «К компьютеру» на рис. ЦВ-4.103. Эти два провода не несут никакого напряжения, и поэтому мультиметр должен быть установлен на прозвонку цепи, чтобы выяснить, замкнуты ли внутренние контакты реле.

Введите правильную кодовую комбинацию кнопок, и мультиметр должен подать звуковой сигнал. Отпустите кнопку А, и мультиметр должен продолжать подавать звуковой сигнал, пока таймер 555 питает реле. В конце цикла таймера реле размыкается и мультиметр прекращает подавать сигнал.

Вы можете установить мультиметр на измерение силы тока и подключить его между положительной клеммой батареи и точкой подачи 9 В на макетной плате. Пока не нажата кнопка А, мультиметр должен показывать отсутствие потребления энергии.

 

Разбираемся с диодами

Эта схема имеет два вида фиксации. Система для блокировки реле необычна, но удовлетворяет требованию, чтобы схема не потребляла ток, когда она не используется. Система, в которой логические элементы И блокируют сами себя, совсем другая.

Четвертый элемент И нет надобности фиксировать, потому что для запуска таймера необходим только короткий импульс (от кнопки Н). Но вот первые три элемента И необходимо заблокировать, чтобы удерживать их выходы положительными, после того как вы отпустите каждую из кнопок Е, F и G. Об этом позаботятся диоды, подавая ток с выходов логических элементов обратно на их входы.

Понимаете ли вы, в чем здесь сложность? Вспомните о том, что падение напряжения на диодах составляет около 0,7 В. Не забывайте и о том, что логический элемент должен четко разграничивать высокое и низкое состояния его входов. Если вы начнете добавлять диоды к логической схеме, не заботясь о тщательном контроле напряжения, то в конечном итоге это приведет к тому, что какой-либо логический элемент не сможет распознать состояние входа, которое должно быть высоким. Это такая же проблема, что и в эксперименте 15, где напряжение, уменьшаемое транзистором и следующим за ним диодом, могло нарушить запуск реле.

Если вы сомневаетесь, проверьте напряжение мультиметром и снова сверьтесь с диаграммой уровней, приведенной на рис. 4.98.

В описанной схеме кодового замка выход от каждого из первых трех элементов И просто соединен со входом элемента через один диод, и такая цепочка работает вполне надежно. Просто имейте в виду, что вы должны проявлять осторожность и рассудительность, когда сочетаете диоды с логическими микросхемами.

Возможно, вы задумаетесь — если диод не является формально правильным способом заставить логический элемент фиксировать себя, то каков же идеальный способ сделать это?

Один из вариантов может показаться таким — заменить каждый диод отрезком провода, чтобы возвращать сигнал на вход элемента. Зачем же тогда понадобились диоды?

Они выполняют важную роль. Если бы диод был заменен перемычкой, то положительное напряжение, подаваемое через кнопку, смогло бы также проходить и через этот провод, к выходу логического элемента.

Внимание!

Нельзя подавать напряжение на выход логического элемента.

Правильный вариант фиксации логического состояния в схеме — это триггер. Ранее нам уже встречался таймер, работающий в бистабильном режиме как триггер, поскольку мы уже имели дело с таймерами и мне хотелось продемонстрировать этот вариант применения. Но в данной схеме нет смысла добавлять четыре таймера 555 только для выполнения такой функции. Вы можете купить микросхемы с несколькими триггерами, а можете также сделать триггер, скомбинировав два логических элемента И-НЕ или два элемента ИЛИ-HE, как я покажу в эксперименте 22.

Для этой небольшой схемы, реализующей кодовый замок, мне хотелось минимизировать число микросхем и сложность. Диоды оказались самым простым решением.

 

Вопросы и ответы

При вводе правильного кода на выходе четвертого элемента И формируется положительный импульс. Почему я не подал этот сигнал напрямую на реле без добавления таймера?

Одна из причин состоит в том, что реле при включении потребляет ток, превышающий 20 мА, который может обеспечить элемент И. К тому же, мне хотелось получить от таймера импульс фиксированной длительности.

С этим разобрались, но зачем я добавил в схему транзистор? Потому что элемент И выдает положительный импульс, а таймеру на запускающем контакте необходим отрицательный перепад. Транзистор позволяет преобразовать высокий уровень в низкий. С помощью элемента НЕ (инвертора) можно достичь того же результата, но увеличилось бы количество микросхем.

В таком случае, почему я вместо элементов И не использовал элементы И-НЕ? На выходе таких логических элементов присутствует высокий уровень, который становится низким, когда уровень на обоих входах становится высоким. Кажется, это именно то, что необходимо таймеру 555. Благодаря элементу И-НЕ я мог бы избавиться от транзистора.

Да, верно, но трем элементам И требуется высокий уровень на выходе для обратной связи и фиксации состояния на входе. Поэтому я должен сохранить эти элементы И для первых трех кнопок. Я мог бы заменить элементом И-НЕ лишь элемент для последней кнопки, чтобы обеспечить правильный выход на таймер. Это означает, что вам по-прежнему была бы нужна микросхема 74НС08, а также дополнительная микросхема 74НС00, причем будет задействован только один из ее элементов. Транзистор проще и занимает меньше места.

Тогда еще один вопрос. Зачем я добавил в схему два светодиода? Потому что когда вы нажимаете кнопки, чтобы разблокировать компьютер, вам нужно четко знать, что происходит. Светодиод питания сообщает, что батарея не разрядилась. Светодиод срабатывания реле сообщает, что система теперь разблокирована (на тот случай, если вы не услышите щелчок реле).

И наконец, главный вопрос: как в реальности установить это устройство в компьютер, при условии что вы готовы это сделать? Это гораздо проще, чем кажется, далее я все объясню.

 

Стыковка с компьютером

Прежде всего, убедитесь в том, что вы правильно собрали схему кодового замка. Одно ошибочное соединение может привести к тому, что ваша схема будет подавать напряжение 9 В через контакты реле слева, вместо замыкания переключателя. Это важно!

Чтобы быть абсолютно уверенным, установите ваш мультиметр на измерение напряжения и введите правильный код с помощью кнопок. Если зеленый светодиод загорается, но мультиметр не показывает наличие напряжения, то все хорошо. В противном случае у вас ошибка в монтаже.

Теперь давайте рассмотрим, как обычно работает компьютер, когда вы собираетесь его включить.

У старых компьютеров на задней стенке корпуса обычно размещается большой переключатель, связанный с блоком питания внутри компьютера, который преобразует ток бытовой электросети в стабилизированное напряжение для нужд компьютера. Большинство современных компьютеров устроены иначе: сетевой шнур всегда подключен, а для запуска компьютера нужно замкнуть небольшую кнопку на передней панели системного блока (если это не компьютер Мае) или на клавиатуре (если это Мае). Эта кнопка соединена с материнской платой.

С нашей точки зрения это идеальное решение, потому что не придется иметь дело с высоким напряжением. Не пытайтесь открывать металлический кожух с вентилятором, содержащий источник питания для компьютера. Просто отыщите провод, который идет от кнопки включения к материнской плате. Чаще всего этот провод содержит только две жилы, но на некоторых компьютерах он является частью плоского кабеля. Главное — отыскать контакты кнопки, которые подключены к необходимому вам проводу.

Вначале убедитесь в том, что ваш компьютер не подключен к сети, заземлите себя (поскольку компьютер содержит КМОП-микросхемы, которые очень уязвимы к статическому электричеству), и очень аккуратно разрежьте один из проводников, идущих от кнопки. Теперь подключите компьютер к сети и попробуйте нажать кнопку включения. Если ничего не происходит, то, вероятнее всего, вы разрезали правильный провод. Даже если вы ошиблись, но компьютер все равно не запускается, что, по сути, тоже подходит, то вы можете продолжать использовать этот провод.

Вспомните о том, что мы не собираемся подавать какое-либо напряжение на этот провод. Мы всего лишь собираемся возобновить соединение жилы, которую вы разрезали, с помощью контактов реле. У вас не должно возникнуть проблем, если вы сохраняете самообладание, когда ищете тот единственный провод, который запускает все. Сверьтесь в онлайн-источниках с руководством по эксплуатации вашего компьютера, если вы в самом деле обеспокоены возможностью что-либо испортить.

После того, как вы найдете требуемый провод и разрежете только один из его проводников, на протяжении следующих шагов ваш компьютер должен оставаться неподключенным к сети.

Найдите место, где провод от кнопки подключается к материнской плате. Обычно это небольшой разъем. Вначале пометьте его так, чтобы вы знали, как правильно вставить его обратно. Еще лучше, сфотографируйте. Затем отключите его, пока вы будете выполнять следующие операции.

Снимите изоляцию с обоих концов провода, который вы разрезали, и припаяйте дополнительный отрезок двухжильного провода, как показано на рис. 4.105, с термоусадочной трубкой для защиты паяных соединений. (Это очень важно!)

Соедините удлинительные провода с контактами реле, убедившись в том, что эта пара контактов, которая замыкается, когда реле будет получать питание в процессе разблокировки. Вы же не хотите допустить ошибку и заблокировать компьютер, думая, что разблокируете.

Рис. 4.105. При соединении кодового замка с обычным настольным компьютером нужно перерезать один проводник кабеля от кнопки включения питания, припаять удлинительные провода и защитить соединения термоусадочными трубками

Соедините заново разъем с материнской платой, подключите компьютер к сети и нажмите кнопку запуска. Если ничего не происходит — это хорошо! Теперь введите секретную комбинацию на клавиатуре (удерживая кнопку питания, чтобы подавать его от батареи), должен зажечься зеленый светодиод. Теперь попробуйте снова нажать кнопку запуска на компьютере, и все должно заработать — если вы успели нажать кнопку в течение 30 секунд, как это предусмотрено нашей схемой.

После проверки работоспособности схемы осталось лишь смонтировать ее. Не забудьте только полностью снять корпус с компьютера, если вы задумали сделать в нем отверстия, как показано на рис. 4.106.

Рис. 4.106. Вариант установки кнопочной панели (не обязательно повторять)

 

Возможные усовершенствования

После завершения любого проекта всегда можно что-то улучшить.

Использование клавиатуры. В предыдущем издании этой книги для этого устройства я предлагал использовать цифровую клавиатуру. Некоторые читатели сетовали, что такая клавиатура стоит очень дорого, другие же сталкивались с трудностями при поиске правильного типа клавиатуры. Поразмыслив немного, на этот раз я решил применить обычные кнопки. Их легко устанавливать в макетную плату, а при изготовлении законченного устройства можно просто смонтировать восемь кнопок на квадратной панели из металла или из пластика. Но промышленная клавиатура все же предпочтительнее, если только в ней нет матричного кодирования с микроконтроллерным управлением. Подходящая для вас клавиатура имеет столько же контактов, сколько кнопок, плюс еще один.

Питание реле. Возможно, вы задаетесь вопросом, хватит ли напряжения на выходе таймера 555 для надежной работы реле. Этот же вопрос я обсуждал в эксперименте 15, когда решил не подавать питание через комбинацию «транзистор-диод». Проблема в том, что напряжение от таймера 555 изменяется в зависимости от величины нагрузки на выходе. Именно поэтому я рекомендовал для этого эксперимента реле с высокой чувствительностью. Обычно оно потребляет в три раза меньший ток по сравнению с реле стандартного типа. Мне показалось, что этого достаточно для проверки работоспособности. Примите во внимание, что я хотел подобрать один тип реле для всех экспериментов этой книги. Тем не менее, если вы планируете встроить эту схему в компьютер, и она непременно должна работать все время, даже когда ваша 9-вольтовая батарея немного разрядится, можно рассмотреть вариант замены на реле, работающее от 6 В. Правда, возникает вопрос, не будет ли выход таймера перегружать реле? Не обязательно. Некоторые реле устойчивы к перенапряжению. Например, технический паспорт 6-вольтового реле марки G5V-2-H1-DC6 компании Omron допускает подачу максимального напряжения в 180% от номинального. Как всегда, лучший совет — тщательно продумайте всю схему, рассмотрите варианты и сверьтесь с техническими паспортами компонентов.

• Защита компьютера. Чтобы сделать защиту еще более надежной, можно заменить все обычные винты их аналогами с индикацией вскрытия. Естественно, вам понадобится специальный инструмент, чтобы установить эти винты (или удалить их, если по каким-то причинам ваша система кодового доступа дала сбой).

• Обновление кода. Еще одним улучшением могла бы стать возможность изменения секретного кода при необходимости. Это будет сложно, если устройство спаяно на печатной плате, однако можно установить миниатюрные разъемы, которые позволят вам поменять провода местами.

• Саморазрушение компьютера. Для тех, кто подозрителен до крайних пределов, можно настроить все так, чтобы введение неправильного кода запускало второе реле, выдающее большой ток, который создаст значительную перегрузку, расплавит процессор и уничтожит жесткий диск. Можно рассмотреть установку «реле самоуничтожения», которое будет подавать повышенное напряжение на вход 5 В постоянного тока. Но я не стал бы рекомендовать этот вариант.

Впрочем, этот способ тоже обладает некоторыми достоинствами. Порча аппаратного обеспечения имеет больше преимуществ, чем программные средства для стирания данных: быстрота, трудность остановки и необратимые последствия. Поэтому, когда Роспотребнадзор заявится к вам домой и попросит включить компьютер для поиска пиратских файлов, можете «случайно» дать им неправильный код разблокировки и спокойно подождать, пока запахнет расплавленная изоляция или возникнет вспышка рентгеновского излучения, если вы дошли до ядерного варианта (рис. 4.107).

В реальности же ни одна система не является полностью защищенной. Ценность устройства аппаратной защиты состоит в том, что даже если кто-то и обойдет ее (например, отыскав способ выкрутить винты с индикацией взлома, или просто вырезав вашу панель из компьютера ножницами для резки металла), то сразу будет заметно, что что-то произошло (особенно, если нанесете небольшие капли краски на винты, чтобы стало видно, выкручивали ли их). А если у вас установлена программа защиты с помощью пароля, и кто-то обошел ее, то можно и не догадываться о взломе системы.

Рис. 4.107. Для абсолютных параноиков: система самоликвидации, управляемая секретной комбинацией клавиш, обеспечивает усиленную защиту от похищения данных или постороннего вмешательства

 

Следующий проект с использованием цифровых логических микросхем познакомит нас с концепцией обратной связи, когда выходной сигнал подается обратно, чтобы влиять на вход — в данном случае, блокируя его. Устройство будет небольшим, но довольно изящным, а полученные сведения пригодятся вам в будущем.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Логическая микросхема 74НС32 (1 шт.)

• Таймеры 555 (2 шт.)

• Однополюсные ползунковые переключатели на два направления (2 шт.)

• Кнопки (2 шт.)

• Резисторы с номиналами 220 Ом (1 шт.), 2,2 кОм (1 шт.) и 10 кОм (3 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (2 шт.), 0,1 мкФ (1 шт.) и 0,33 мкФ (1 шт.)

• Стабилизатор напряжения LM7805 (1 шт.)

• Стандартные светодиоды (2 шт.)

• Слаботочный светодиод (1 шт.)

 

Цель проекта

В телевикторинах участники соревнуются в ответах на вопросы. Первый человек, который нажмет кнопку ответа, автоматически блокирует других участников таким образом, что их кнопки становятся неактивными. Как собрать схему, которая делает то же самое?

Если вы поищете в онлайн-источниках, то найдете достаточное количество любительских сайтов, предлагающих устройства, работающие подобным образом, но они будут лишены возможностей, которые я считаю необходимыми. Подход, который я собираюсь предложить, одновременно прост и тщательно продуман. Он прост, потому что содержит очень мало микросхем, но в то же время предусматривает «контроль со стороны ведущего», чтобы сделать игру более реалистичной.

Сначала мы проверим идею в варианте с двумя игроками. После этого я покажу, как его можно расширить для четырех и более игроков.

 

Формулировка концепции

Мне хотелось бы показать, как проекты подобного рода вырастают из начальной идеи. Я надеюсь, что, проведя вас по стадиям разработки схемы, смогу вдохновить вас на реализацию в будущем собственных идей, которые окажутся более значимыми, чем простое копирование чьей-то работы.

Вначале рассмотрим основную концепцию: есть два человека, у каждого кнопка, кто первым нажмет свою кнопку, тот блокирует другого.

Иногда, если нарисовать эскиз, то он помогает лучше понять замысел, поэтому я начну с него. На рис. 4.108 сигнал от каждой кнопки проходит через воображаемый компонент, который я буду называть «блокиратором кнопки», активируемый кнопкой другого человека. Я пока не знаю наверняка, каким будет этот блокиратор кнопки и как он станет действовать, но сразу ясно, что при нажатии кнопки одним из игроков, он заблокирует кнопку другого игрока.

Теперь, когда передо мной эскиз, я сразу вижу проблему. Если потребуется расширить схему для трех игроков, она усложнится, потому что каждый игрок должен активировать блокираторы кнопок двух оппонентов, а если игроков станет четыре, то каждый должен активировать блокираторы кнопок трех оппонентов. Взаимосвязи существенно усложнятся (рис. 4.109).

Рис. 4.108. Основная концепция: игрок, который отвечает первым, блокирует другого

Каждый раз, когда я вижу подобные сложности, то предполагаю, что существует лучший альтернативный способ.

К тому же, есть еще одна неприятность. После того как игрок снимает палец с кнопки, кнопки других игроков снова разблокируются. Это наталкивает на мысль о том, что мне понадобится триггер с фиксацией (как и в экспериментах 15, 19 и 21). Его задачей станет поддержание сигнала от кнопки первого игрока и продолжение блокирования других игроков, даже после того как первый игрок отпустит кнопку.

Рис. 4.109. Увеличение числа участников с двух до трех усложняет взаимосвязи более чем в два раза

Теперь все кажется еще сложнее. Но погодите. Если кнопка победителя запускает триггер, он поддерживает цепь победителя под напряжением, то кнопка победителя становится ненужной. Таким образом, триггер может блокировать все кнопки. Это существенно упрощает дело. Можно резюмировать сказанное в виде такой последовательности событий:

• Первый игрок нажимает кнопку.

• Его сигнал блокируется.

• Зафиксированный сигнал передается далее и блокирует все кнопки.

Новый набросок (рис. 4.110) поясняет эту идею. Теперь схема стала модульной, и ее можно расширять почти на любое количество игроков, просто добавив больше модулей без усложнения основной цепи.

Рис. 4.110. Триггер теперь блокирует все кнопки

Есть, однако, одно серьезное упущение: необходим переключатель сброса, который возвращает систему в исходное состояние после того, как игроки нажмут кнопки и увидят кто победил. Также мне нужен способ предотвратить преждевременное нажатие кнопки до того, как ведущий закончит задавать вопрос. Возможно, я смогу скомбинировать эти функции в одном из переключателей, который будет под управлением ведущего.

Посмотрите на рис. 4.111. В положении «Сброс» переключатель ведущего может сбросить систему и отключить питание кнопок. В положении «Игра» переключатель прекращает удерживать систему в режиме сброса и подает питание на кнопки. Я вернулся к демонстрации версии для двух игроков, чтобы сделать все как можно проще, но концепцию по-прежнему легко расширить.

Теперь я должен решить логическую проблему. В том виде, как нарисована схема, на ней все соединено вместе. Я показал направление сигналов стрелками, но пока не знаю, каким образом остановить прохождение сигнала в неправильном направлении. Если я не решу эту проблему, сигнал любого игрока будет зажигать оба светодиода. Как можно избежать этого?

Рис. 4.111. Теперь ведущий может управлять игрой

Я мог бы поставить диоды в идущие «наверх» провода, чтобы ток не мог спускаться «вниз». Но у меня есть более элегантная идея: добавить элемент ИЛИ, потому что его входы электрически отделены друг от друга. Предлагаемое решение продемонстрировано на рис. 4.112.

Базовый логический элемент ИЛИ имеет только два входа. Ограничит ли это меня в увеличении количества игроков? Нет, поскольку можно купить элемент ИЛИ с тремя, четырьмя или даже с восьмью входами. Если хотя бы на одном из них окажется высокий уровень, то и на выходе будет высокий уровень. Если игроков меньше, чем входов, вы заземляете неиспользуемые входы и игнорируете их.

Рис. 4.112. Добавление элемента ИЛИ изолирует цепь одного игрока от другого

Теперь у меня есть четкое представление о том, каким должен быть блокиратор кнопки. Я думаю, что это должен быть еще один логический элемент. Он действует так: «Если есть только один входной сигнал, от кнопки, я его пропущу. Но если будут и другие входные сигналы, я не позволю им пройти».

Прежде чем я начну выбирать логические элементы, следует решить, каким должен быть триггер с фиксацией. Можно купить готовый триггер, который включается, если получает один сигнал, и выключается, если получает другой, однако микросхемы, содержащие триггеры, имеют множество дополнительных функций, которые не нужны для такой простой схемы, как эта. Поэтому я снова собираюсь использовать таймеры 555 в бистабильном режиме. Они требуют малого количества соединений, работают очень просто и могут обеспечивать ток достаточной силы, чтобы зажечь светодиоды. Единственная проблема заключается в том, что в бистабильном режиме таймерам 555 необходим:

• низкий уровень на входе запуска, чтобы создать высокий уровень на выходе.

• низкий уровень на входе сброса, чтобы обеспечить низкий уровень на выходе.

Получается, что кнопка каждого игрока должна будет генерировать отрицательный импульс вместо положительного. Это будет удовлетворять требованиям таймеров.

Вот, наконец, упрощенная схема (рис. ЦВ-4.113). Я хочу показать контакты таймеров 555 в их правильном положении, поэтому пришлось немного передвинуть компоненты, чтобы уменьшить количество пересечений проводов, но вы поймете, что логически это та же самая схема.

Мне не хватило места для добавления символов плюса и минуса, чтобы показать, в каких состояниях находятся выводы таймера, и поэтому красный кружок означает, что вывод находится в высоком состоянии, а синий означает низкое состояние. Черные кружки означают, что состояние вывода может меняться. Белые кружки означают, что состояние этих выводов не имеет значения, и они могут оставаться неподключенными.

Прежде чем вы попробуете собрать предлагаемую схему, проверьте ее работоспособность теоретически, поскольку на конечном этапе ошибок не должно возникнуть. Важный момент, который следует учесть: таймеру 555 необходим отрицательный уровень на запускающем выводе, чтобы создать положительный уровень на выходе. Это означает, что когда любой из игроков нажимает кнопку, она должна выдавать инверсный сигнал.

Это немного трудно для интуитивного понимания, поэтому я привожу четыре рисунка (рис. ЦВ-4.114-4.117), демонстрирующие работу схемы.

Рис. ЦВ-4.113. Предварительная логическая схема. Синие выводы таймеров находятся в низком состоянии, красные — в высоком, белые выводы не используются

На первом шаге переключатель ведущего находится в положении сброса. Низкое напряжение на выводах сброса таймеров обеспечивает низкие уровни на их выходах. Выходы соединены со светодиодами (которые выключены) и входами логического элемента ИЛИ1. Поскольку на его входах низкий уровень, то и на выходе тоже низкий уровень. Однако элементы ИЛИ2 и ИЛИЗ игнорируют этот сигнал, поскольку один вход у каждого из этих элементов находится в высоком состоянии, которое обеспечивают подтягивающие резисторы рядом с кнопками. Вспомните о том, что если любой из входов элемента ИЛИ высокий, то выход тоже высокий. А пока запускающий вход таймера, работающего в бистабильном режиме, находится под высоким потенциалом, таймер запускаться не будет. Схема находится в стабильном состоянии.

На втором шаге ведущий задал вопрос и переместил свой переключатель вправо, соединяя кнопки игроков с отрицательной шиной. Тем не менее, никто из игроков еще не ответил, поэтому подтягивающие резисторы поддерживают схему в стабильном состоянии и уровни на выходах таймеров низкие.

Рис. ЦВ-4.114. Шаг 1. Состояние сброса

На третьем шаге игрок 1 нажал кнопку слева. Это посылает низкий импульс к элементу ИЛИ2. Теперь на обоих входах этого элемента присутствует низкий уровень и его выход становится низким. Этот сигнал поступает на запускающий вход таймера, находящегося слева. Но компоненты не реагируют мгновенно, и таймер еще не обработал сигнал.

На четвертом шаге, спустя несколько микросекунд, таймер сработал и выдал положительный выходной сигнал, который включает светодиод и поступает на вход элемента ИЛИ1. Теперь на входе этого элемента высокий уровень, следовательно, такой же уровень будет и на выходе. Этот сигнал поступает к входам элементов ИЛИ2 и ИЛИЗ, после чего на их выходах устанавливается высокий уровень. В результате на запускающих входах обоих таймеров теперь тоже высокий потенциал. Нажатие кнопки любым из игроков теперь будет проигнорировано, поскольку на выходе элемента ИЛИ1 продолжает сохраняться высокий уровень.

Рис. ЦВ-4.115. Шаг 2. Кнопки игроков активны, но ни один из них еще не нажал кнопку

Замечание

Помните о том, что когда таймер 555 работает в режиме триггера, низкий уровень на его запускающем входе будет переключать выход в высокое состояние, и оно будет оставаться таким же, даже если запускающий вывод снова станет высоким.

Единственное условие, при котором уровень на выходе таймера 555 станет низким, — подача низкого уровня на вывод сброса. Это произойдет только тогда, когда ведущий вернет свой переключатель в положение сброса.

Есть только одна ситуация, которая может омрачить этот прекрасный сценарий. Что если оба игрока нажмут свои кнопки абсолютно одновременно? В мире цифровой электроники это крайне маловероятно. Но если каким-либо образом это произошло, должны сработать оба таймера и зажечься оба светодиода, демонстрируя, что произошло совпадение.

Рис. ЦВ-4.116. Шаг 3. Игрок слева нажал кнопку, но таймер 555 пока не среагировал

На телевикторине вы никогда такого не увидите. Я подозреваю, что если их электронная система регистрирует одновременный ответ от двух участников, то, возможно, она имеет функцию случайного выбора одного из них. Конечно же, это просто предположение.

Чтобы показать, как можно усовершенствовать устройство при необходимости включить в игру дополнительных участников, я изобразил упрощенную схему для трех игроков на рис. ЦВ-4.118. Эту схему можно расширять и далее, единственное ограничение — количество доступных входов у элемента ИЛИ1.

Рис. ЦВ-4.117. Шаг 4. Ответ игрока слева теперь блокирует игрока справа

Рис. ЦВ-4.118. Схему можно легко расширить для большего числа игроков

 

Сборка макета

На рис. 4.119 я переделал схему под реальную микросхему ИЛИ, изобразив все по возможности близко к конфигурации на макетной плате, чтобы вы смогли легко ее собрать. Макет устройства показан на рис. 4.120, а номиналы и расположение компонентов — на рис. 4.121.

Поскольку я использовал только логические элементы ИЛИ, всего их три, мне понадобилась лишь одна логическая микросхема 74НС32, которая содержит четыре двухвходовых элемента ИЛИ. (Я заземлил входы четвертого.) Два элемента ИЛИ в левой части микросхемы выполняют те же функции, что и элементы ИЛИ2 и ИЛИЗ в моей упрощенной схеме, а элемент ИЛИ внизу справа работает как элемент ИЛИ1, получая входной сигнал от вывода 3 каждого таймера 555. Если у вас есть все компоненты, то собрать все воедино и проверить схему можно достаточно быстро.

Возможно, вы обратили внимание на то, что я добавил конденсатор емкостью 0,01 мкФ между контактом 2 каждого таймера 555 (вход) и отрицательной шиной. Зачем? Когда я тестировал эту схему без конденсаторов, то иногда обнаруживал, что один или оба таймера 555 срабатывают от переключателя ведущего, без нажатия кнопок.

Рис. 4.119. Схема устройства для двух игроков на микросхеме с четырьмя двухвходовыми элементами ИЛИ

Рис. 4.120. Макет устройства

Рис. 4.121. Номиналы и расположение компонентов на макетной плате

Вначале это меня озадачило. Как таймеры могут запускаться, если никто ничего не сделал? Возможно, это реакция на дребезг в переключателе ведущего, т.е. на очень быструю вибрацию контактов при переключении рукоятки тумблера. Почти наверняка так и было, и конденсаторы небольшой емкости решили эту проблему. Правда, в результате скорость срабатывания таймеров 555 немного уменьшилась, но не настолько сильно, чтобы нарушить правильную работу устройства.

Что касается дребезга контактов кнопок, то он не влияет, потому что каждый таймер переключается при первом же импульсе и игнорирует любые последующие колебания.

В порядке эксперимента можно собрать эту схему без конденсаторов 0,01 мкФ и подвигать ручку переключателя ведущего вверх и вниз множество раз. Поскольку я рекомендовал дешевый ползунковый переключатель, то полагаю, что вы увидите много ложных срабатываний. Я подробнее расскажу о дребезге переключателя и о том, как с ним справиться, в следующем эксперименте.

 

Что можно улучшить

После того как схема собрана на макетной плате, приступая к изготовлению устройства, советую вам расширить возможности, чтобы в игре могли принимать участие по меньшей мере четыре игрока. Для этого потребуется элемент ИЛИ с четырьмя входами. Очевидный выбор — микросхема 74HC407S, поскольку она позволяет задействовать до восьми входов. Только не забудьте подключить неиспользуемые входы к отрицательной шине.

Рис. 4.122. Три двухвходовых элемента ИЛИ могут имитировать один четырехвходовый элемент ИЛИ

Как вариант, если у вас уже есть пара микросхем 74НС32 и вы не хотите утруждать себя заказом микросхемы 74НС4078, то можно подключить три элемента внутри одной микросхемы 74НС32 так, чтобы они работали как четырехвходовый элемент ИЛИ. Взгляните на логическую диаграмму на рис. 4.122, где показаны три элемента ИЛИ, и вспомните о том, что выход каждого элемента ИЛИ становится высоким, если хотя бы один вход высокий.

И заодно подумайте, как скомбинировать три двухвходовых элемента И, которые смогут заменить четырехвходовый элемент И?

Для игры с четырьмя участниками вам понадобятся, конечно же, два дополнительных таймера 555, два светодиода, а также еще две кнопки.

Что касается схемы для игры с четырьмя участниками — оставляю ее разработку на ваше усмотрение. Начните с наброска упрощенной версии, показывающей только логические символы. Затем преобразуйте ее в компоновку макетной платы (это будет сложнее).

Совет

На мой взгляд, карандаш, бумага и ластик могут быстрее привести к результату, чем программное обеспечение для моделирования схем или для графического дизайна.

 

В трех предыдущих экспериментах таймеры 555 функционировали как триггеры. Пришло время познакомиться с «реальными» триггерами и объяснить их устройство. Я также покажу, как они справляются с феноменом, о котором было кратко упомянуто в предыдущем эксперименте, — с дребезгом контактов переключателя.

Когда переключатель переводят из одного положения в другое, его контакты очень быстро вибрируют. Это дребезг, о котором я говорил, и он может стать источником проблем в схемах, где цифровые компоненты реагируют настолько быстро, что они интерпретируют любое небольшое колебание как отдельный входной сигнал. Если, например, вы подключите кнопку ко входу микросхемы счетчика, то после одного нажатия кнопки он может зарегистрировать десять и более импульсов. Пример реального дребезга переключателя показан на рис. 4.123.

Существует много способов устранения дребезга контактов, но основным является использование триггера.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Логическая микросхема 74НС02 (1 шт.), логическая микросхема 74НС00 (1 шт.)

• Однополюсные ползунковые переключатели на два направления (2 шт.)

• Слаботочные светодиоды (3 шт.)

• Резисторы с номиналами 680 Ом (2 шт.), 10 кОм (2 шт.) и 2,2 кОм (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,1 мкФ (1 шт.) и 0,33 мкФ (1 шт.)

• Стабилизатор напряжения LM7805 (1 шт.)

Рис. 4.123. Колебания, созданные вибрацией контактов при замыкании переключателя (Взято из технического паспорта корпорации Maxim Integrated.)

Соберите компоненты на макетной плате, как показано на рис. 4.124. Электрическая схема этой установки приведена на рис. 4.125, а расположение и номиналы компонентов — на рис. 4.126. Когда вы подадите питание, один из светодиодов, размещенных в нижней части платы, должен включиться.

Рис. 4.124. Макет триггера на элементах ИЯИ-НЕ

Рис. 4.125. Схема триггера на элементах ИЛИ-НЕ

Рис. 4.126. Расположение и номиналы компонентов для триггера на основе элементов ИЛИ-НЕ

Теперь мне хотелось бы, чтобы вы сделали нечто странное. Пожалуйста, отключите провод, обозначенный буквой А на рис. 4.124. Просто выньте перемычку из платы. Если вы сверитесь со схемой на рис. 4.125, то увидите, что вы отключили питание от подвижного контакта переключателя, оставив входы двух элементов ИЛИ- НЕ соединенными только со своими стягивающими резисторами.

Возможно, вас удивит тот факт, что светодиод продолжает гореть.

Вставьте перемычку обратно в плату, переведите переключатель в противоположное положение, и первый светодиод должен погаснуть, а другой зажечься. Снова выньте перемычку, и опять- таки светодиод останется включенным.

Выводы:

• Триггеру необходим только начальный входной импульс, например, от переключателя.

• После этого он игнорирует сигналы на этом входе.

 

Как создать триггер

Триггер можно создать из двух логических элементов ИЛИ-НЕ или двух элементов И-НЕ. В любом случае, для проверки его функционирования вам потребуется переключатель на два направления.

Совет

Собирайте триггер на элементах ИЛИ-НЕ, если переключатель на два направления обеспечивает высокий уровень сигнала. Используйте элементы И-НЕ, если переключатель на два направления выдает низкий уровень.

Я уже трижды упомянул переключатель на два направления (на самом деле, четыре раза, если учесть и это предложение), поскольку по какой- то непонятной причине в большинстве книг для начинающих не акцентировано внимание на этом. Когда я только начинал изучать электронику, я чуть не сошел с ума, пытаясь понять, каким образом два элемента ИЛИ-HE или И-НЕ могут устранить дребезг простого однополюсного кнопочного переключателя на одно направление — пока я, наконец, не сообразил в чем здесь ошибка. Причина в том, что когда вы подаете питание в схему, элементам ИЛИ-HE (или И-НЕ) следует сообщить, в каком состоянии они должны начинать работу. Их начальное состояние зависит от того, в каком положении находится переключатель. Однополюсная кнопка на одно направление не может этого сделать, когда она не нажата. Поэтому для «чистоты эксперимента» нужен переключатель на два направления. (Теперь я упомянул его в пятый раз.)

 

Устранение дребезга с помощью элементов ИЛИ-НЕ

На рис. 4.127 и 4.128 последовательно показаны изменения, которые возникают в элементах ИЛИ-HE, когда переключатель переводится из одного положения в другое. Для удобства я привел также рис. 4.129, на котором показаны логические состояния на выходе элемента ИЛИ- НЕ для каждой комбинации входов (см. также рис. ЦВ-4.88).

Обратимся вначале к рис. 4.127. На первом шаге переключатель подает положительный потенциал на левый логический элемент, преодолевая отрицательное смещение от стягивающего резистора, и таким образом мы можем быть уверены, что на одном входе элемента ИЛИ-НЕ слева присутствует высокий логический уровень. Поскольку высокий уровень на любом входе будет приводить к появлению низкого уровня на выходе элемента ИЛИ-НЕ (как показано на рис. 4.129), то этот низкий уровень будет передаваться на вход элемента ИЛИ-НЕ справа. Оба входа этого элемента окажутся в низком состоянии, следовательно, уровень на выходе будет высоким. Этот сигнал подан на вход элемента ИЛИ-НЕ слева. Таким образом, состояние устройства остается стабильным.

Теперь перейдем к более сложной ситуации. Предположим, что на втором шаге вы передвинули переключатель так, что он не касается своих контактов (как показано на рис. 4.127 справа).

Рис. 4.127. Когда переключатель переводится в нейтральное положение, состояние элементов ИЛИ-НЕ остается неизменным

Рис. 4.128. После того как состояния элементов ИЛИ-НЕ поменяются на противоположные, они останутся такими, когда переключатель вернется в нейтральное положение

Или предположим, что хороший контакт отсутствует вследствие дребезга переключателя. Или допустим, что вы отключили переключатель полностью. При отсутствии контакта уровень сигнала на левом входе левого элемента ИЛИ- НЕ под действием стягивающего резистора сменяется с высокого на низкий. Но на правом входе этого элемента остается высокий потенциал, а одного положительного входа достаточно для того, чтобы на выходе элемента ИЛИ-HE сохранялся низкий уровень. Таким образом, ничего не меняется. Другими словами, устройство фиксируется в таком состоянии, независимо от того, был ли отключен переключатель.

Обратимся к рис. 4.128. Если переключатель переведен вправо и подает положительное напряжение на правый вывод правого элемента ИЛИ-HE, этот элемент распознает, что сейчас у него высокий логический входной сигнал, и поэтому он меняет свой логический выход на низкий. Этот сигнал передается на другой элемент ИЛИ-HE, у которого теперь оба входа с низким уровнем, поэтому его выход переходит в высокое состояние и этот уровень поступает на правый элемент ИЛИ-НЕ.

Рис. 4.129. Таблица истинности для элемента ИЛИ-НЕ

Таким образом, выходные состояния двух элементов ИЛИ-HE меняются местами. Они переключаются, а затем фиксируются, даже если контакт переключателя размыкается, как показано на четвертом шаге.

Если дребезг переключателя настолько сильный, что подвижный контакт постоянно колеблется между одним контактом и другим, то такая схема работать не будет. Она действует только в том случае, если подвижный контакт замыкается с одним из неподвижных, или если соединение полностью разрывается. Сказанное верно для однополюсного переключателя на два направления.

 

Устранение дребезга с помощью элементов И-НЕ

На схемах, изображенных на рис. 4.130 и 4.131, показана аналогичная последовательность событий, если переключатель соединяет входы двух элементов И-НЕ с отрицательной шиной. Чтобы освежить знания о поведении элемента И-НЕ, я добавил рис. 4.132 (см. рис. 4.87).

Если вы пожелаете проверить работу схемы с элементами И-НЕ самостоятельно, можно использовать микросхему 74НС00, указанную в перечне компонентов для этого эксперимента. Будьте, однако, внимательны: соединение элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ внутри микросхем различно. Вам придется изменить некоторые перемычки на макетной плате, поскольку данные микросхемы имеют разную цоколевку и не взаимозаменяемы. Для уточнения смотрите рис. 4.81 и 4.91.

 

Асинхронный и синхронный режимы

Схемы с элементами ИЛИ-НЕ и И-НЕ являются примерами асинхронного триггера, названного так потому, что он реагирует на мгновенное состояние переключателя и фиксируется в одном из состояний. Вы можете использовать эту схему каждый раз, когда вам надо устранить дребезг переключателя (при условии, что это переключатель на два направления).

Рис. 4.130. Два элемента И-НЕ действуют как триггер при наличии подтягивающих резисторов и переключателя, обеспечивающего низкий уровень

Рис. 4.131. Состояния элементов остаются неизменными, когда переключатель отключается от любого из них

Рис. 4.132. Таблица истинности для элемента И-НЕ

Более сложная версия — тактируемый (синхронный) триггер, который требует, чтобы вначале были заданы состояния каждого входа, а затем подан тактовый импульс, вызывающий переключение триггера. Тактовый импульс должен быть четким и точным; это означает, что если вы подаете его через переключатель, то нужно устранить его дребезг (возможно, с помощью другого триггера асинхронного типа). Учитывая эти обстоятельства, я неохотно согласился на использование тактируемых триггеров в этой книге. Они, на мой взгляд, слишком сложны для начинающих. Если вы желаете узнать о триггерах подробнее, то более детально они описаны в книге «Электроника. Логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих» Ч. Платта. Это непростая тема.

А что если вам необходимо устранить дребезг переключателя или кнопки на одно направление? Да, это действительно проблема! Одно из решений — купить специальную микросхему, например серии 4490 («схема для устранения дребезга»), которая содержит цифровую линию задержки. Микросхема МС14490 компании On Semiconductor, например, содержит шесть цепей для шести отдельных входов, каждый с внутренним подтягивающим резистором. Однако это довольно дорогой компонент: более чем в десять раз дороже микросхемы 74НС02, содержащей элементы ИЛИ-HE. Вообще говоря, вы серьезно облегчите себе жизнь, если будете избегать переключателей на одно направление и применять переключатели (или кнопки) на два направления, у которых проще устранить дребезг.

Можно также воспользоваться таймером 555, работающим в режиме триггера. Мое предпочтение этого варианта теперь выглядит более логичным.

 

Электронные устройства, имитирующие бросок одного или двух игральных кубиков, существуют уже несколько десятилетий. Тем не менее, новые варианты схем появляются до сих пор, и этот проект дает возможность узнать больше о логических микросхемах и в конечном итоге завершается чем-то полезным. В особенности мне хочется познакомить вас с двоичным кодом, универсальным языком цифровых микросхем.

 

Что вам понадобится

• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр

• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)

• Таймер 555 (1 шт.)

• Логическая микросхема 74НС08 (1 шт.), логическая микросхема 74НС27 (1 шт.), логическая микросхема 74НС32 (1 шт.)

• Двоичный счетчик 74НС393 (1 шт.)

• Кнопка (1 шт.)

• Однополюсные ползунковые переключатели на два направления (2 шт.)

• Резисторы с номиналами 100 Ом (6 шт.), 150 Ом (6 шт.), 220 Ом (7 шт.), 330 Ом (2 шт.), 680 Ом (4 шт.), 2,2 кОм (1 шт.), 10 кОм (2 шт.) и 1 МОм (1 шт.)

• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (2 шт.), ОД мкФ (2 шт.), 0,33 мкФ (1 шт.), 1 мкФ (1 шт.) и 22 мкФ (1 шт.)

• Стабилизатор напряжения LM7805 (1 шт.)

• Слаботочные светодиоды (15 шт.)

• Стандартный светодиод (1 шт.)

 

Двоичный счетчик

В основе каждого варианта электронных игральных костей лежит какая-либо микросхема счетчика. Часто это десятичный счетчик с десятью «дешифрованными» выходами, которые активируются по одному в определенной последовательности. Игральная кость имеет лишь шесть поверхностей, но если вы соедините седьмой вывод счетчика с выводом сброса, то счетчик будет перезапускаться после того, как дойдет до 6.

Я всегда люблю делать все немного иначе, поэтому решил отказаться от десятичного счетчика, отчасти потому, что мне был нужен двоичный счетчик, чтобы удовлетворить желание продемонстрировать двоичный код. Это немного увеличивает сложность схемы, но обогащает процесс обучения — и когда все будет уже сказано и сделано, вы получите устройство, которое «бросает» два игральных кубика с помощью простой микросхемы счетчика и легко умещается на макетной плате.

Выбранная мною микросхема счетчика 74НС393 очень популярна. В действительности она содержит два счетчика, но второй на данный момент можно проигнорировать. Цоколевка микросхемы приведена на рис. 4.133.

Рис. 4.133. Цоколевка двоичного счетчика 74НС393

Производители имеют странную привычку обозначать функции выводов цифровых микросхем как можно меньшим количеством букв. Иногда эти «таинственные» сокращения очень трудно понять. Чтобы привести вам пример, на рис. 4.137 внутри контура микросхемы выводы обозначены с помощью сокращений, которые я нашел в техническом паспорте компании Texas Instruments. (Чтобы запутать дело еще сильнее, другие производители употребляют собственные сокращения. Единого стандарта нет.)

С внешней стороны счетчика я указал функции выводов, описанные доступными для понимания словами. Цифра перед каждой функцией относится к счетчику 1 или счетчику 2, которые внутри микросхемы разделены.

 

Проверка счетчика

Лучший способ понять работу этой микросхемы — провести испытание. На рис. 4.134 показана схема установки, на рис. 4.135 — компоновка макетной платы, а на рис. 4.136 — расположение и номиналы компонентов.

Учтите следующее:

• Это логическая микросхема на 5 В. Не упустите из виду стабилизатор напряжения.

• Обратите внимание на то, что между выводом питания таймера и заземлением находится конденсатор емкостью 0,1 мкФ. Он предназначен для подавления скачков напряжения, которые может генерировать таймер. Появление таких выбросов может привести к сбою счетчика.

Номиналы элементов времязадающей цепочки выбраны так, что таймер будет работать на частоте 0,75 Гц. Другими словами, между началом одного импульса и началом следующего промежуток составит чуть более 1 секунды. Вы можете увидеть это, наблюдая за желтым светодиодом на выходе таймера. Если желтый светодиод ведет себя иначе, значит, вы где-то ошиблись при сборке схемы.

Четыре красных светодиода, обозначенные латинскими буквами А, В, С и D, будут отображать состояния выходов счетчика. Если вы подключили все правильно, они будут загораться в последовательности, показанной на рис. 4.137, где более темный кружок указывает, что светодиод не горит, а более светлый кружок обозначает светящийся светодиод.

Рис. 4.134. Схема установки для исследования десятичного счетчика 74НС393

Теперь я собираюсь рассказать вам кое-что о двоичной и десятичной арифметике. Действительно ли вам необходимо это знать? Да, эта информация пригодится. Многие микросхемы, такие как дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры и сдвиговые регистры, используют двоичную арифметику, и, конечно же, она является незыблемой основной практически для любого компьютера, который когда-либо был создан.

Рис. 4.135. Макет установки со счетчиком 74НС393

Рис. 4.136. Расположение и номиналы компонентов

Рис. 4.137. Последовательность на выходах двоичного счетчика

 

Двоичный код

Как вы видите из рис. 4.137, всякий раз, когда светодиод в столбце А гаснет, светодиод из столбца В меняет свое состояние с включенного на выключенное или с выключенного на включенное. Всякий раз, когда светодиод из столбца В гаснет, он меняет состояние светодиода из столбца С на противоположное, и т. д. Одним из следствий этого правила является то, что каждый светодиод мигает в два раза быстрее, чем его сосед слева.

Строка светодиодов представляет двоичное число, т. е. такое число, которое записано только двумя цифрами: 0 и 1 (белые цифры внутри кружков на рис. 4.137). Эквивалентное десятичное число показано черным шрифтом слева.

Светодиоды могут рассматриваться как двоичные цифры, которые обычно называются битами.

Правило вычислений в двоичной арифметике очень простое. В крайнем правом столбце начните с 0, а затем прибавьте 1. После этого, поскольку вы можете считать только нулями и единицами, то когда вы захотите прибавить еще 1, вы должны обратить текущий разряд в О и перенести 1 в следующий столбец слева.

А что если в следующем столбце слева уже стоит единица? Измените ее на 0 и перенесите 1 в следующий столбец. И так далее.

Крайний справа светодиод представляет младший значащий бит четырехразрядного двоичного числа. Крайний слева светодиод показывает нам самый старший значащий бит.

 

Фронт и спад

Когда вы запустите проверку, заметьте, что каждое изменение состояния крайнего справа красного светодиода (либо с включенного на выключенное, либо с выключенного на включенное) происходит всегда, когда желтый светодиод гаснет. Почему это так?

Большинство счетчиков запускается по перепаду. Это означает, что восходящий (фронт импульса) или нисходящий перепад уровня (спад импульса) переводит счетчик на следующее значение в серии, если импульс подается на тактирующий вход. Поведение светодиодов четко показывает вам, что счетчик 74НС393 запускается по спаду. В эксперименте 19 мы использовали счетчик, который активировался по фронту. Тип счетчика зависит от вашего конкретного устройства.

Счетчик 74НС393 также имеет вывод сброса, подобно микросхеме 4026В из эксперимента 19.

Замечание

В некоторых технических паспортах вывод сброса описывается как вывод «главного сброса», который может обозначаться как MR (master reset). Некоторые производители называют вывод сброса выводом «стирания», что может быть сокращено до CLR (clear).

Как бы он ни назывался, результат работы вывода сброса всегда одинаков. Он заставляет все выходы счетчика перейти в низкое состояние — в данном случае это означает двоичное число 0000.

Для сброса необходимо подать отдельный импульс. Но когда происходит сброс: когда импульс возникает или же когда он заканчивается?

Давайте выясним. Если вы собрали схему правильно, то на выводе сброса поддерживается низкий уровень благодаря резистору 10 кОм. Но здесь присутствует также и кнопка, которая может соединять вывод сброса напрямую с положительной шиной. Нажатие кнопки переводит вывод сброса в высокое состояние.

Как только вы нажмете кнопку, все выходы станут темными, и они будут оставаться такими, пока вы не отпустите кнопку. Очевидно, функция сброса в микросхеме 74НС393 запускается и удерживается с помощью высокого состояния.

 

Коэффициент пересчета

Выключите питание, отсоедините нагрузочный резистор и кнопку от вывода сброса (вывод 2) и замените провод, как показано на рис. 4.138. Все предыдущие соединения обесцвечены. Новый провод, черный, соединяет четвертый разряд, от выхода D, с выводом сброса. На рис. 4.139 показан измененный вариант на макетной плате. Новая перемычка установлена слева от микросхемы.

Как вы думаете, что произойдет?

Запустите счетчик снова. Он ведет счет от 0000 до 0111. Следующим двоичным значением на выходе было бы 1000, но как только четвертый разряд переходит от 0 к 1, высокое состояние распознается выводом сброса, который заставляет счетчик обнулиться.

Можно ли заметить мигание крайнего левого светодиода, прежде чем счетчик сбросится?

Вряд ли, поскольку счетчик реагирует меньше чем за миллионную долю секунды.

Прежде чем запустить автоматический повтор, счетчик теперь считает от 0000 до 0111. Поскольку счет от 0000 до 0111 в двоичной системе эквивалентен счету от 0 до 7 в десятичной, теперь у нас есть счетчик-делит ель на 8. (Ранее он был счетчиком-делителем на 16.)

Предположим, вы переключили провод сброса от четвертого разряда к третьему. Теперь у вас счетчик-делитель на 4.

Рис. 4.138. Добавлен автоматический сброс счетчика

 Рис. 4.139. Увеличенный фрагмент измененного варианта на макетной плате

Замечание

Вы можете легко подключить почти любой 4-раз- рядный двоичный счетчик так, чтобы он сбрасывался после 2,4 или 8 входящих импульсов.

Количество состояний выхода счетчика, прежде чем он начнет повторный счет, называется коэффициентом пересчета (в англоязычных описаниях — модуль счета, часто сокращается как «mod»). Счетчик mod-8 повторяет счет после восьми импульсов (которые нумеруются от 0 до 7).

 

Изменение коэффициента пересчета

Как это связано с нашим устройством генерации значений электронных игральных костей? Перехожу к нему. Поскольку кубик имеет шесть сторон, мне кажется, что нам необходимо подключить счетчик так, чтобы он повторял счет после шести состояний.

В двоичном коде последовательность значений на выходе будет выглядеть следующим образом: 000, 001, 010, 011, 100, 101. Мы можем проигнорировать старший бит, в столбце D, поскольку при шести состояниях он нам не нужен. Необходимо, чтобы счетчик сбрасывался после значения 5 в десятичной системе, которое соответствует числу 101 в двоичной.

Почему 5, а не 6? Потому что мы начинаем считать с 0. Для наших целей было бы удобнее, если бы счетчик начинал работать с 1, но он так не делает.

Какое следующее выходное значение после двоичного числа 101? Ответ — 110 в двоичной системе.

Есть ли что-то характерное для числа 110? Если вы изучите последовательность, то увидите, что число 110 является первым в ряду чисел, которые начинаются с двух единиц.

Как мы можем сказать счетчику: «Когда в столбце В появится 1 и в столбце С также будет 1, необходимо сброситься до 0000?» Слово «и» здесь должно дать вам подсказку. Логический элемент И выдает высокий уровень на выходе, тогда и только тогда, когда на двух его входах высокие уровни. Именно это нам и нужно.

Можем ли мы воспользоваться этим прямо сейчас? Разумеется, поскольку все микросхемы серии 74НСхх можно легко комбинировать друг с другом. На рис. 4.140 вы видите, что я добавил элемент И. Конечно, на макетной плате вам придется добавить соответствующую микросхему — 74НС08. Она содержит четыре элемента И, из которых нам нужен только один. Поэтому, помимо подвода питания, необходимо заземлить неиспользуемые входы. Это непросто, но я покажу вам, как это сделать, после того как мы реализуем несколько дополнений и улучшений. (Неиспользуемые выходы должны остаться без подключения.)

Замечание

Изменить коэффициент пересчета счетчика можно с помощью логической микросхемы (или логической комбинации микросхем), отыскав характерную конфигурацию выходных состояний и направив сигнал обратно на вывод сброса.

Рис. 4.140. Добавлен элемент И для настройки счетчика таким образом, чтобы его цикл счета состоял лишь из шести состояний вместо обычных шестнадцати

 

Отказ от семисегментного дисплея

Для отображения значений игральных костей я мог бы использовать семисегментный дисплей, который считает от 1 до 6. Но здесь есть проблема, поскольку счетчик считает от 0 до 5. Я не знаю простого способа преобразовать двоичное число 000 в семисегментную цифру 1, число 001 — в цифру 2, и т. д.

Можем ли мы как-то заставить счетчик пропускать двоичное значение 000? Возможно, но я не знаю в точности, как. Наверное, применив трехвходовый элемент ИЛИ, который мог бы подавать сигнал обратно на тактовый вход для перевода счетчика на следующее значение, но тогда возник бы конфликт с обычными тактовыми сигналами. Все это выглядит как нагромождение сложностей.

В любом случае, меня не воодушевляет отображение цифр на семисегментном индикаторе в данном устройстве, поскольку это не похоже на реальный кубик. Почему бы не использовать обычные светодиоды, которые выглядят как точки на настоящем игральном кубике (рис. 4.141)?

Рис. 4.141. Последовательность расположения точек, которую предстоит воспроизвести с помощью светодиодов

Можете ли вы придумать способ преобразования двоичного выходного сигнала счетчика, чтобы светодиоды горели таким образом?

 

Логическая схема

Я начну с самого простого случая. Если соединить выход А счетчика (см. рис. 4.134) со светодиодом, который соответствует центральной точке в игральном кубике, то все будет работать хорошо, поскольку центральная точка зажигается только для комбинаций 1,3 и 5 и не горит для 2, 4 и 6. Именно так ведет себя выход А.

Далее все немного усложняется. Мне нужно зажечь диагональную пару точек для конфигураций 4, 5 и 6, а также другую диагональную пару для конфигураций 2, 3, 4, 5 и 6. Но как?

На рис. 4.142 показано мое решение этой задачи. Вы увидите, что я добавил еще пару логических элементов: трехвходовый ИЛИ-HE и двухвходовый ИЛИ. Рядом я показал последовательность двоичных чисел и конфигурации точек, которые создают каждое число на кубике.

Рис. 4.142. Логическая схема для имитации последовательности точек на игральном кубике

Чтобы все заработало, я должен начать с комбинации 6, когда счетчик начинает отсчет с двоичного числа 000. Последовательность состояний в действительности не имеет значения, если только представлены все варианты. В любом случае они будут выбираться в случайном порядке.

На рис. 4.143 показано, как выходы счетчика включают различные конфигурации точек. Чтобы было еще понятнее, на рис. 4.144-4.146 я изобразил высокие и низкие состояния в схеме, когда счетчик считает по возрастанию от 000 к 101. Я расположил эти иллюстрации по две в каждой колонке страницы и опустил элемент И, поскольку он не делает ничего во время счета от 000 до 101. Он реагирует только тогда, когда счетчик пытается перейти к значению 110 — в этот момент элемент И сбрасывает счетчик до 000.

Если вам интересно, как я пришел к такому выбору логических элементов для перевода выходного сигнала счетчика в конфигурации точек на гранях кубика, то я не смогу вам объяснить это в точности. Путем проб и ошибок, а также догадок на интуитивном уровне, которые сопровождают создание подобных логических схем. По крайней мере, это мой путь. Существуют более строгие и формальные способы синтеза логических схем, но они намного сложнее.

 

Окончательный вариант схемы

Схема на рис. 4.147 получена из логической диаграммы на рис. 4.144. Макет устройства изображен на рис. 4.148.

Номиналы компонентов показаны на рис. 4.149. Обратите внимание на то, что я заменил времязадающие резистор и конденсатор для таймера 555, так что теперь он работает на частоте 5 кГц. Идея заключается в том, что вы будете останавливать таймер в произвольный момент, после того как он выполнит несколько сотен циклов. Так будет получено случайное число.

Рис. 4.143. Состояния выходов двоичного счетчика, соответствующие разным конфигурациям точек

Рис. 4.144. Логическая схема при отображении конфигураций «6» и «1»

Рис. 4.145. Логическая схема при отображении конфигураций «2» и «3»

Рис. 4.146. Логическая схема при отображении конфигураций «4» и «5»

Рис. 4.147. Завершенная схема для имитации броска игрального кубика

Рис. 4.148. Компоновка макетной платы игрального кубика

Я добавил переключатель и конденсатор емкостью 22 мкФ, чтобы уменьшать частоту таймера (до примерно 2 Гц), если вы захотите продемонстрировать работу счетчика какому- нибудь скептику.

На рис. 4.149 опущена нижняя часть макетной платы, поскольку там находятся только микросхемы. В этом состоит преимущество создания схем, основанных на логических микросхемах: вам не нужно беспокоиться о том, куда втиснуть резисторы и конденсаторы. Микросхемы и провода выполняют основную работу.

Пронумерованные выходы в нижней части схемы на рис. 4.147 и 4.148 соответствуют входам сборки светодиодов, показанной на рис. 4.150. На макетной плате нет места для добавления светодиодов, поэтому вам понадобится вторая макетная плата, либо придется просверлить несколько отверстий, чтобы смонтировать светодиоды на куске фанеры или пластика.

Рис. 4.149. Расположение и номиналы компонентов секции управления

Шесть светодиодов соединены последовательно по два, поскольку мощности логической микросхемы недостаточно для питания параллельной пары светодиодов. При последовательном подключении понадобится резистор с меньшим номиналом. Резистор можно подобрать, подав напряжение 5 В на одну пару светодиодов через мультиметр, измеряющий силу тока в миллиамперах. Попробуйте включить последовательно резистор 220 Ом и отметьте измеренную силу тока. Если значение не превышает 15 мА, то оно будет соответствовать спецификациям выходов микросхемы НС. Вам может понадобиться резистор номиналом 150 или 100 Ом, в зависимости от характеристик светодиодов.

В завершение подайте 5 В через резистор номиналом 330 Ом на центральный светодиод и сравните его яркость со светодиодами, подключенными попарно. Возможно, вам придется увеличить номинал резистора, чтобы центральный светодиод визуально не отличался от других.

Подключите светодиоды к логической схеме, нажмите и удерживайте кнопку, а затем отпустите ее, и вы получите результат броска игрального кубика.

Рис. 4.150. Подключение семи светодиодов (шесть из них — попарно, последовательно) для отображения конфигураций точек на игральном кубике

Как удостовериться в случайности результата? Единственный способ проверить это — многократно протестировать устройство и записать, сколько раз выпало каждое число. Для хорошей проверки вам придется запустить схему тысячу раз. Поскольку эта схема основана на действии человека, который нажимает кнопку, автоматизировать процесс проверки не представляется возможным. Все, что я могу сказать — результат на самом деле должен быть случайным.

 

Хорошие новости

В этой схеме число использованных микросхем больше, чем в предыдущих проектах из этой книги, но, как говорит мой любимый персонаж из мультсериала «Футурама», профессор Фарнсворт: «Хорошие новости, друзья!»

Хорошие новости заключаются в том, что вы можете улучшить созданную схему, чтобы имитировать два игральных кубика вместо одного, просто добавив провода и светодиоды. Вам не понадобятся дополнительные микросхемы.

У нас осталось много неиспользованных логических элементов И, ИЛИ-HE и ИЛИ. Остались свободными три элемента И, два элемента ИЛИ- НЕ и два элемента ИЛИ. Кроме того, есть еще один счетчик в микросхеме 74НС393. Это именно то, что нам нужно.

Вопрос в том, как создать вторую последовательность случайных чисел, отличающуюся от первой? Может быть, путем добавления еще одного таймера 555, работающего с другой скоростью?

Мне не нравится эта идея, потому что два таймера будут совпадать и расходиться по фазе друг с другом, и некоторые пары значений будут появляться чаще, чем другие. Я полагаю, было бы лучше, чтобы первый счетчик считал от двоичного значения 000 до 101, а затем запускал второй счетчик для счета от 000 до 001. Первый счетчик снова считает от 000 до 101 и запускает отсчет на втором счетчике до 010. И так далее.

Второй счетчик будет работать на скорости в 1/6 от скорости первого, но если вы запустите их достаточно быстро, то смена значений будет происходить незаметно. Главное преимущество такого решения в том, что все возможные комбинации будут отображаться одинаковое количество раз, и таким образом у них есть почти равные шансы появления, как у настоящих игральных кубиков.

Почему я сказал «почти равные»? Нужно учесть небольшую задержку, когда счетчик выполняет сброс с двоичного значения 101 до 000. Но если первый счетчик работает на частоте около 5 кГц, то задержка менее чем в одну миллионную долю секунды будет незначительной.

 

Соединение счетчиков

Остается последний вопрос — как первый счетчик будет увеличивать значение на втором, когда дойдет до 101 и переключится обратно на 000?

Очень просто. Рассмотрим, что происходит, когда выход первого счетчика меняется с 011 на 101, а затем на 110. Последнее значение длится только мгновение, прежде чем сбросится до 000. После того как выход С достигнет высокого состояния, он переходит в низкое.

Что необходимо тактовому входу второго счетчика, чтобы увеличить значение на единицу? Вы уже знаете ответ. Ему требуется высокое состояние, которое переходит в низкое. Все, что вам осталось сделать — подключить выход С первого счетчика к тактовому входу второго счетчика. На самом деле, микросхема приспособлена для работы таким образом, чтобы спад от одного счетчика играл роль сигнала для увеличения значения следующего счетчика.

На рис. 4.151 изображена схема устройства для имитации двух игральных костей. Я не привожу еще одно изображение макетной платы, поскольку вы сможете выполнить новую компоновку самостоятельно. Она является почти зеркальным отображением уже существующей, только не забудьте сдвинуть ее на макетной плате на один ряд вниз, чтобы оставить место для источника питания каждой микросхемы.

Рис. 4.151. Схема для запуска двух светодиодных игральных кубиков

 

Идем дальше

Можно ли упростить эту схему? Как я упоминал в самом начале, логика работы десятичного счетчика проще, чем двоичного. Вам не понадобился бы элемент И, чтобы выполнять счет с коэффициентом пересчета 6, поскольку достаточно подключить седьмой вывод в десятичном счетчике обратно к сбросу.

Тем не менее, если вы хотите «бросать» два кубика, вам необходимы два десятичных счетчика, а это подразумевает две отдельные микросхемы. Еще две микросхемы необходимы для управления логическими схемами формирования двух конфигураций точек. Чтобы понять почему, поищите в онлайн-источниках примеры устройств, реализующих цифровые игральные кости. На данный момент вы уже способны разобраться в схемах, которые найдет для вас сервис «Картинки Google».

Единственное упрощение, которое можно внести в описанную схему, — заменить каждый элемент ИЛИ двумя диодами. Такое решение часто можно встретить в схемах, найденных в Сети, но учтите, что в конечном итоге вы получите сигнал, проходящий по очереди через два диода, а это будет уменьшать напряжение ниже уровня, который я считаю приемлемым.

 

Проблема замедленного отображения

В устройстве, описанном в первом издании книги Make: Electronics, была замечательная дополнительная функция. Когда вы убирали палец с кнопки запуска, отображение точек кубика постепенно замедлялось, а потом останавливалось. Это увеличивало напряженность при ожидании окончательного результата.

Данная функция была реализована при помощи управления питанием таймера 555. Таймер был всегда включен, но напряжение на его резистивно-емкостной цепочке отключалось, когда игрок прекращал нажимать кнопку запуска. С этого момента конденсатор большой емкости медленно разряжался, и таймер замедлялся по мере уменьшения напряжения.

Читатель по имени Жасмин Патри (Jasmin Patry) прислал мне электронное письмо, в котором сообщил, что когда он исследовал эту схему, слишком часто возникало значение «1», и он заподозрил, что это как-то связано с функцией замедления.

Оказалось, что Жасмин является разработчиком видеоигр и гораздо больше разбирается в теме случайных распределений, чем я. Он произвел впечатление вежливого и терпеливого человека, который знает, о чем говорит, и заинтересован помочь решить проблему, которую обнаружил.

После того как он прислал мне графики относительной частоты появления каждого числа, я вынужден был согласиться, что проблема существует. Я предложил множество возможных объяснений, и все они оказались неправильными. В итоге Жасмин доказал, что низкое потребление мощности единственным светодиодом в сравнении с более высоким потреблением мощности шестью светодиодами позволяет таймеру работать немного дольше, когда напряжение незначительное. Это увеличивало вероятность того, что он остановится в течение именно этого периода.

В результате Жасмин предложил альтернативную схему, в которую был добавлен второй таймер 555, а выходы от этих двух таймеров были объединены элементом Исключающее ИЛИ. Он успешно доказал, что это устраняет перекос в сторону числа «один». Я был в восторге от того, что один из моих читателей узнал так много, прочитав мою книгу, что смог выявить и устранить обнаруженную проблему.

В новом издании я опустил замедляющий конденсатор, который вызывал указанную проблему. Но я не привожу схему Жасмина, потому что она оказалась довольно сложной. Каждый кубик должен иметь собственную пару таймеров 555, а также, как он предлагал, элемент Исключающее ИЛИ. Он использовал также диоды, которые я заменил бы элементами ИЛИ, и тогда на макетной плате едва хватило бы места.

С его разрешения я бесплатно пришлю предложенную им схему любому, кто свяжется со мной (с помощью процедуры, описанной в предисловии). Я не могу привести ее здесь, потому что мне пришлось бы полностью перерисовать схему, чтобы уместить на странице.

 

Альтернативные варианты

Вы, возможно, думаете, что есть более простой способ замедлить отображение без влияния на случайный характер. При просмотре онлайн- ресурсов я обнаружил, что кто-то соединил эмиттер n-p-n-транзистора с контактом 7 таймера, а между базой и коллектором включил конденсатор, чтобы при отключении питания выходной сигнал транзистора постепенно снижался. Другие разработчики использовали аналогичное решение для своих схем игральных костей. Однако я подозреваю, что такое решение может привести к той же проблеме, которую обнаружил Жасмин.

Я также видел схемы с «замедляющим» конденсатором, как и у меня (например, на сайте Doctronics). Я думаю, что они почти наверняка страдают указанным недостатком.

Мой окончательный ответ может вас не удовлетворить: я не знаю, как достичь замедляющего эффекта, не добавляя компоненты, усложняющие схему.

И все же, когда написание этой книги подходило к завершению, мой друг и редактор Фредрик Янссон (Fredrik Jansson) предложил подавать питание на таймер 555 от отдельного стабилизатора напряжения, чтобы оградить его от колебаний напряжения в остальной части схемы. Мне понравилась эта идея, но уже не было времени проверить ее перед публикацией книги.

Я собрал совершенно другую схему для игральных костей на основе микроконтроллера PICAXE, но обнаружил, что он также имеет свои проблемы в связи с несовершенством генератора случайных чисел, встроенного в микросхему.

В эксперименте 34 (последнем в этой книге) вы обнаружите, что я создал еще один имитатор игральных костей, используя среду Arduino. Но опять-таки, мне пришлось положиться на встроенный генератор случайных чисел, а я не вполне уверен, что он создает равномерно распределенный диапазон случайных чисел.

Проблема генерации случайных чисел не так проста, как кажется. После электронной переписки с Жасмином я так заинтересовался ею, что подробно исследовал эту тему в книге Make: More Electronics, а также написал статью об этом в журнале Make (выпуск 45), совместно с Аароном Логом (Aaron Logue), который ведет небольшой веб-сайт с описанием созданных им устройств. Он познакомил меня с генератором шума на основе транзистора в режиме лавинного пробоя, случайный сигнал которого затем обрабатывается хитроумным алгоритмом, авторство которого приписывают величайшему теоретику вычислительных систем, Джону фон Нейману. Это, думаю, самый близкий к идеалу генератор случайных чисел, который можно придумать, но количество микросхем в нем довольно велико.

Все эти усовершенствования выходят за рамки книги для начинающих. Если у кого-либо из читателей появится действительно простое улучшение представленной здесь схемы игральных костей, которое позволит добавить эффект замедленного отображения, я с радостью буду ждать электронного письма (да, я их читаю).

Осталось лишь привести фотографии завершенных устройств электронных игральных костей. Вариант, изображенный на рис. 4.152, был приведен в первом издании этой книги в 2009 году.

Рис. 4.152. В этом устройстве электронных игральных костей установлены светодиоды диаметром 10 мм, заключенные в корпус из поликарбонатного пластика

На рис. 4.153 показано еще одно устройство, которое я собрал в 1975 году, после того как потрясающая книга Дона Ланкастера (Don Lancaster) TTL Cookbook («ТТЛ-рецепты») открыла мне целый мир логических микросхем серии 74хх. Прошло уже сорок лет, а светодиоды по прежнему загораются случайным образом. По крайней мере, я надеюсь, что это так.

Рис. 4.153. Электронные игральные кости, спроектированные и собранные в 1975 году. Корпус сделан из акрилового пластика и фанеры, окрашенной в черный цвет