Как проектировать электронные схемы

2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

В данной главе рассматриваются общие вопросы разработки электронных схем, описываются многие стандартные и специализированные компоненты. Каждый читатель в соответствии со своим уровнем подготовки сможет почерпнуть в данном разделе новые знания о деталях и особенностях существующих схем.

Материал, изложенный ниже, поможет разработать и изготовить различные электронные устройства собственными силами. Речь пойдет о проектировании схем, в которых используются только простые компоненты, доступные каждому любителю. Изложение рассчитано на читателя с техническим складом ума, которому уже приходилось собирать электронные устройства, пользуясь готовыми наборами деталей или схемами средней сложности из специальных журналов. Как правило, для этого необходимо изучить принципиальную схему устройства и иметь некоторые навыки по его настройке. После приобретения определенного опыта можно без большого труда самостоятельно конструировать разные типы схем. При этом любитель (в отличие от профессионала) может выбирать разновидность схемы на свой вкус и по своим возможностям.

ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ

Как известно, аккумуляторы делятся на два больших семейства: свинцовые и никель-кадмиевые. Первые применяются во всех транспортных средствах со стартерами (и в некоторых других областях).

Вторые, менее тяжелые и громоздкие, используются для питания радиотелефонов, переносных компьютеров, видеокамер и другой аппаратуры. Сегодня различные модели обоих типов представлены в большом ассортименте, и каждый может выбрать то, что ему требуется.

Условия перезарядки для обоих семейств различны, и эти правила необходимо строго соблюдать. Ниже представлены основные рекомендации по зарядке аккумуляторов. Свинцовые аккумуляторы с пробками или без пробок (запаянные) заряжаются при ограниченном токе. Его значение выбирают равным С/10, где С — емкость в ампер-часах. Требуемое напряжение зарядного устройства составляет 2,4 В на каждый элемент. Таким образом, аккумулятор с номинальным напряжением 12 В емкостью 5 А∙ч, состоящий из 6 элементов по 2 В, будет заряжаться при напряжении 14,4 В (как у автомобильного генератора) и токе 0,5 А. Избыточная длительность перезарядки не приносит большого вреда. Если аккумулятор находится в нормальном рабочем состоянии, то при достаточном уровне зарядки потребление тока сокращается само по себе.

В процессе зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов рекомендуется использовать ток, составляющий десятую часть номинальной емкости (например, 60 мА для батареи емкостью 600 мА∙ч),

в течение 16 часов. В любом случае ток следует ограничить с помощью резистора, включенного последовательно с источником напряжения (желательно стабилизированного). Если источник позволяет задать ограничение по току, нужно отрегулировать его на величину, не представляющую угрозы для батареи.

Наконец, не следует забывать о том, что напряжение аккумулятора в процессе зарядки увеличивается и что в конце операции оно может превысить заданное напряжение источника питания. Чтобы ток не протекал через источник в обратном направлении, рекомендуется подключить защитный диод (см. также разделы «Выходной конденсатор» и «Генератор тока»).

Пользователям переносных компьютеров и сотовых телефонов хорошо знаком «эффект запоминания». Если аккумулятор начинают перезаряжать, когда он еще не полностью разрядился, его емкость после отключения зарядного устройства будет равна той, что он имел до перезарядки. Иначе говоря, либо аккумулятор надо постоянно оставлять на зарядке, либо надо дождаться его полной разрядки, а затем зарядить. В противном случае срок службы батарей существенно сокращается. По этой причине «разумные» зарядные устройства полностью разряжают аккумулятор перед его зарядкой. Разработаны новые типы аккумуляторов, например никель-марганцевые или литий-ионные, свободные от такого недостатка. Они значительно дороже, но имеют более широкие возможности применения.

СОГЛАСОВАНИЕ КМОП И ТТЛ СХЕМ

Еще совсем недавно все логические интегральные схемы принадлежали к семейству транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Их маркировка начиналась с цифр 74, за которыми следовали буквы LS или ALS. Затем появились КМОП схемы типа CDXX и, наконец, комбинированные микросхемы, сочетающие преимущества обоих семейств (например, 74НС и 74НСТ).

Элементы ТТЛ типа по быстродействию превосходят КМОП микросхемы, но потребляют значительно больше энергии; напряжение питания для них равно 5 В. Схемы на КМОП транзисторах отличаются исключительно малым потреблением тока, особенно при низкой частоте переключения, и способны работать при напряжении питания от 3 до 15 В. Недостатком таких приборов является их высокая чувствительность к статическому электричеству. Чтобы при соприкосновении с изделиями из синтетических материалов приборы не выходили из строя, необходимо принимать специальные меры защиты.

В настоящее время оба типа микросхем широко распространены, и нередко возникает необходимость сочетания в одном устройстве двух интегральных схем (ИС) различных типов. Это не вызывает трудностей, если их напряжения питания совпадают. В противном случае между выходом одной микросхемы и входом другой нужно добавить согласующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1). Следует помнить, что такой каскад инвертирует логические сигналы, и для восстановления полярности выходных импульсов после него потребуется включить дополнительный инвертор.

Напомним также, что неиспользуемый логический вход (ТТЛ или КМОП элементов) никогда не должен оставаться свободным. Его следует подключить через резистор к напряжению Vcc, Vss (в зависимости от типа вентиля) или к точке с подходящим потенциалом, выбрав наиболее простой вариант соединения для данного рисунка печатной платы.

ИСТОЧНИК АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

Иногда необходимо поддерживать питание устройства в течение некоторого времени, даже если напряжение сети отключается. Это важно, например, для цифровых часов, которые должны вести непрерывный счет времени.

В случае кратковременного прерывания питания можно подключить к источнику напряжения конденсатор большой емкости, соблюдая при этом необходимые меры предосторожности (см. раздел «Выходной конденсатор»). Гораздо надежнее другой вариант, не требующий больших затрат: использование батарейки и диода, предотвращающего протекание тока в обратном направлении (рис. 2.2).

Такое решение не потребует большого дополнительного места. Установка аккумулятора (вместо батарейки) оправдана лишь в редких случаях, например для питания микроконтроллера.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Присоединение неиспользуемых входов

Иногда один из операционных усилителей (ОУ) микросхемы, в корпусе которой размещаются два или четыре ОУ, не применяется. Подчас это делается преднамеренно, как, например, при использовании микросхемы LM324 (счетверенный ОУ), которая обычно дешевле, чем сдвоенный аналог LM358. В этом случае возникают проблемы паразитных колебаний и избыточного потребления. Для их разрешения неиспользуемые входы следует соединить по схеме повторителя напряжения, то есть вход «+» с общей точкой, а вход с выходом (рис. 2.3).

Уровни выходного сигнала

Операционный усилитель может с одинаковым успехом использоваться как в аналоговых приложениях (в усилителях и генераторах гармонических сигналов), так и в цифровых. В технической документации, прилагаемой к этому компоненту, среди прочих характеристик указывают максимальный уровень выходного сигнала по отношению к напряжению питания. Известная микросхема LM324, например, имеет типичный уровень сигнала -1,5 В. Таким образом, при питании 5 В напряжение на ее выходе никогда не превысит 3,5 В. Это может мешать запуску логической схемы, порог переключения которой не адаптирован к такому уровню, или обеспечению питания нагрузки, требующей более высокого напряжения (хотя LM324 может обеспечить достаточный ток). В этом случае включение реле DIP 5 В становится ненадежным.

В зависимости от того, к какому источнику подключен светодиод (к Vcc или Vss), он либо никогда полностью не погаснет, либо будет гореть с меньшей интенсивностью. В подобных случаях на выходе операционного усилителя рекомендуется поставить буферный каскад на транзисторе.

Объединение выходов операционных усилителей

Иногда при использовании ОУ в качестве компараторов напряжения возникает необходимость объединения их выходов. Разумеется, такую операцию нельзя проводить с моделями, для которых подобный вид соединения не предусмотрен (например, LM324). Микросхема LM389 имеет на выходе каскад на транзисторе n-p-n типа с открытым коллектором (см. раздел «Каскады с открытым коллектором») и допускает такое соединение. Типичное применение такой схемы — отслеживание аналоговой величины (например, напряжения батареи) и выдача сигнала в случае ее выхода за пределы заданного диапазона (рис. 2.4). Оба усилителя включены по схеме компаратора, один для верхнего порога, другой — для нижнего.

Когда контролируемое напряжение находится в допустимых пределах, на выходе каждого компаратора имеется состояние логической единицы (выходной транзистор выключен). Когда же напряжение выходит за заданные рамки, логическое состояние на выходе изменяется на противоположное.

Объединение выходов применяется также в устройствах, в которых аналого-цифровое преобразование выполняется путем сравнения напряжений, где один и тот же бит (выход всех компараторов) служит для считывания результатов многих преобразований. Во всех случаях не следует забывать о подключении нагрузочного резистора, общего для всех компараторов, к положительному выводу источника питания.

СВЕТОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Буквенная индикация

Семисегментный индикатор позволяет отображать не только цифры, но и некоторые другие знаки и символы. Если творчески отнестись к поставленной задаче, можно обойтись без 16-сегментной модели или точечной матрицы, которые намного дороже и сложнее в применении. При этом вид отображаемой информации будет в большей степени зависеть от возможностей индикатора, чем от реальной необходимости. На рис. 2.5 представлены некоторые примеры того, что может отображать индикатор. Управление различными сегментами осуществляется при помощи специализированной логической схемы, как и в большинстве случаев применения символьной индикации.

Алфавитно-цифровые индикаторы на жидких кристаллах

Кроме классических семисегментных индикаторов имеется семейство так называемых «разумных» индикаторов. Они могут отображать не только цифры, но также буквы и некоторые другие символы на одной или двух строках из 8 или 16 знаков с фоновой подсветкой или без нее. Такие модули снабжены довольно сложной электроникой, они получают информацию от микроконтроллера через стандартный параллельный интерфейс в сочетании с тремя дополнительными управляющими вводами (рис. 2.6).

Два ввода постоянно используются при работе, а третий (R/W), служащий при необходимости для считывания содержимого внутренней памяти, может быть заземлен через резистор.

Наиболее распространенные управляющие программы описаны в главе 5. Пока же достаточно отметить, что индикатором можно управлять с помощью четырех битов вместо восьми. В этом случае, как ни странно, многие модели со строкой из 16 знаков начинают функционировать как двустрочные индикаторы, содержащие по восемь знаков на строку. Иначе говоря, после отправления восьмого знака необходимо выдать команду перехода на другую строку, чтобы получить возможность написать девятый знак.

Индикаторные модули позволяют регулировать контрастность изображения с помощью внешнего переменного резистора. Такое устройство необходимо, поскольку подключение соответствующего контакта к фиксированному напряжению (Vss или Vcc) не позволяет получить оптимальную контрастность. При подборе яркости фоновой подсветки, которую дают размещенные за индикатором светодиоды, лучше определить величину ограничивающего резистора экспериментальным путем, не полагаясь на инструкции производителя.

Подсветка потребляет много энергии, поэтому желательно выбрать максимально допустимую величину резистора, обеспечивающую достаточное освещение при любых условиях.

Мультиплексирование многоразрядного индикатора Как правило, семисегментным индикатором управляют посредством специализированной микросхемы декодирования (например, CD4511), включающей в себя четырехбитный дешифратор, защелку и несколько буферных каскадов для запуска каждого светодиода.

Если для индикации необходимо использовать ряд цифр, задача существенно усложняется, ведь при этом нужны схемы декодирования для всех цифр, а каждой из этих схем должна также управлять довольно сложная логическая схема (рис. 2.7а).

В таком случае рисунок печатной платы принимает вид головоломки, поскольку индикатор может иметь самое различное размещение компонентов. Кроме того, резко увеличивается общий расход тока, поскольку токи, потребляемые каждым освещенным сегментом, суммируются.

Другой подход состоит в мультиплексировании индикации, когда нужные цифры отображаются одна за другой с частотой, при которой создается впечатление, что все они светятся постоянно.

Если частота повторения слишком высока, яркость свечения снижается, при слишком низкой частоте появляется заметное мелькание. Подобная техника существенным образом упрощает электрические соединения и сокращает общее потребление энергии, поскольку в каждый момент времени горит только один индикатор.

На схеме, показанной на рис. 2.7б, осуществляется поочередное подключение общего электрода каждого из индикаторов (анода или катода). Когда некоторые сегменты активированы, загорается только тот индикатор, общий электрод которого также активирован, а остальные индикаторы погашены. Сначала управляющий сигнал поступает на общий электрод светодиодов первого индикатора, активируя его на определенный промежуток времени. По истечении этого интервала сигнал получает следующий индикатор и т. д. При этом необходимо точно соблюдать последовательность подачи управляющих сигналов на общий электрод и на соответствующие сегменты, что успешно выполняется некоторыми специализированными интегральными схемами (например, ICL7107). Вместо этого можно использовать микроконтроллер с соответствующим программным обеспечением.

Температурный дрейф подстроенных резисторов

У всех резисторов, в особенности у подстроенных, номиналы могут изменяться в зависимости от температуры. Необходимо учитывать это явление как при разработке, так и при изготовлении схемы. По обе стороны от подстроенного резистора следует поместить постоянные резисторы (рис. 2.8), а также расположить подстроенный резистор как можно дальше от всех источников тепла.

Желательно удалить на максимальное расстояние охлаждающие радиаторы, стабилизаторы, мощные резисторы и трансформаторы. Дополнительные резисторы позволяют свести диапазон регулировки сопротивления к минимуму Кстати, к этой мере рекомендуется прибегать всегда, даже когда нет опасности перегрева. Как правило, после тестирования схемы необходимо уточнить рассчитанные параметры.

ТРИГГЕРЫ И СЧЕТЧИКИ

Триггеры (логические элементы с двумя устойчивыми состояниями, подобные выключателю) могут быть выполнены как в ТТЛ (7413, 7414 и т. д.), так и в КМОП (CD4013) базисе. В одном корпусе содержится как минимум два триггера. При их монтаже необходимо соединить между собой некоторые выводы, что усложняет рисунок печатной платы. Вместо этих компонентов можно взять любой двоичный счетчик (рис. 2.9) и использовать в качестве выходного сигнала состояние бита с наименьшим весом (Q0 или Q1, в зависимости от изготовителя). Начальное состояние триггера можно выставить, подавая сигнал сброса на соответствующий вход счетчика.

Для решения рассмотренной задачи могут использоваться различные типы счетчиков, например CD4020, CD4040 или CD4060. В зависимости от модели можно выбрать запуск по переднему или заднему фронту. Для уточнения этого вопроса следует обратиться к технической документации.

БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Микросхема CD4050 содержит шесть буферных усилителей, функция которых состоит в повышении мощности слабых сигналов до той величины, что необходима для управления компонентами с высоким потреблением тока (например, светодиодами). Ряд усилителей можно без всяких проблем соединить параллельно — для того чтобы увеличить выходной ток или не оставлять свободными входы одного или нескольких усилителей. Такая схема часто используется для управления мощными МОП транзисторами или источниками звуковых сигналов (рис. 2.10).

Аналогичным образом можно включать инверторы (микросхема CD4049). У этих микросхем есть одна особенность: их положительный вывод питания (Vcc) обозначен номером 1 (у большинства микросхем это номер 16).

ПОДАЧА ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ

Существует много различных зуммеров, или звуковых преобразователей. Эти устройства можно разделить на два семейства: простые зуммеры и зуммеры со встроенным генератором. Последние использовать проще, поскольку, чтобы они зазвучали, им достаточно обеспечить питание. Зуммеры со встроенным генератором потребляют мало энергии при очень широком диапазоне напряжений питания, но их цена довольно высока. Для работы простого зуммера нужен внешний генератор, но часто вместо него можно использовать источник сигнала, уже имеющийся в схеме. Таким источником может быть, например, неиспользуемый (или используемый) выход счетчика или тактового генератора.

Когда для управления применяется микроконтроллер, нетрудно создать генератор, введя в программу логический цикл. В этом случае легко управлять частотой сигнала и появляется возможность регулировать тональность звучания.

С точки зрения схемотехники зуммер можно считать емкостной нагрузкой, поэтому во многих случаях параллельно ему следует подключить резистор (рис. 2.11).

ДАТЧИК ОСВЕЩЕННОСТИ

Классические полупроводниковые датчики освещенности, например фотодиоды и фототранзисторы, представляют собой диоды и транзисторы, у которых одна сторона корпуса пропускает свет. Чтобы в этом убедиться, попробуйте аккуратно спилить верхнюю часть металлического корпуса транзистора, например типа 2N2222 или 2N1711. Затем подключите к нему напряжение, не присоединяя базу, и вы сможете констатировать, что протекающий по цепи коллектор-эмиттер ток реагирует на источник света, направленный на прибор (рис. 2.12). Аналогичный эксперимент можно провести и со светодиодом.

ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Для определения уровня жидкости часто используются свойства проводимости этой жидкости. Во избежание появления коррозии измерение ограничивают во времени, включая схему только на промежуток считывания или используя импульсный сигнал. Собственно датчик уровня может иметь металлические контактные пластины различной формы, закрепленные на стенке сосуда или просто погружаемые в жидкость. Базовая точка измерений всегда должна находиться на дне сосуда в постоянном контакте с жидкостью независимо от ее уровня. Датчик в виде отрезка многожильного ленточного кабеля, провода которого обрезаны до различной длины, а затем оголены и облужены, представляет собой оригинальное и не лишенное изящества решение (рис. 2.13).

Электрическое подключение к схеме существенно упрощается за счет применения одного из многочисленных соединительных элементов, разработанных для кабелей такого типа. Одна жила ленточного кабеля (самая длинная) резервируется для фиксации базового уровня и при необходимости снабжается кабельным наконечником.

Для механической сборки датчика можно применять специальные хомутики или отрезки клейкой ленты. По мере увеличения уровня жидкости все большее количество проводов датчика соединяется с заземленной базовой точкой через сопротивление жидкости, что легко зафиксировать по изменению потенциалов на выходах.

Следует учитывать, что жидкость (в частности, вода) может иметь высокое удельное сопротивление, поэтому иногда приходится обрабатывать выходные сигналы с помощью операционных усилителей.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Существует большое количество датчиков температуры: к ним относится и широко распространенный прибор типа CTN, обладающий скромными возможностями, и калиброванные приборы, например SAX1000, и высококачественная микросхема типа DS1620. Последняя принадлежит к новому поколению специализированных схем, выполняющих широкий диапазон функций. Она размещена в простом корпусе типа DIP8. Для работы с микросхемой требуется микроконтроллер. При этом на базе DS1620 можно создать термостат с двумя заданными порогами регулировки температуры (верхним и нижним). Микросхема может работать в режиме термометра в интервале температур от -55 до +125 °C. Результат измерения представляется в виде девятибитного сигнала с точностью 0,5°С.

Для связи с микроконтроллером требуется три линии. Одна из них должна быть двунаправленной. Последнее требование выполняется редко. Чтобы его обойти, можно использовать простой каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.14).

Эго позволяет заменить одну двунаправленную линию двумя обычными линиями, соединенными со входом и выходом каскада. Следует напомнить, что такая схема инвертирует сигналы, поступающие от микроконтроллера. Поэтому необходимо либо добавить инвертор, либо соответствующим образом изменить программу. Достаточно простой вариант программы обычно приводится в технической документации, которую рекомендуется приобрести вместе с микросхемой.

НАГРЕВ ЖИДКОСТИ

Как правило, разработчик электронной схемы принимает меры для отвода тепла, выделяемого компонентами. Однако в некоторых случаях это тепло можно использовать для нагревания жидкости, например раствора хлорного железа или других реактивов.

Простой способ нагревания состоит в применении мощных резисторов в специальном корпусе, который крепится с помощью винтов (серия WH). В большинстве случаев достаточно мощности около 50 Вт. Последовательное или параллельное соединение резисторов позволит наилучшим образом использовать характеристики мощного трансформатора для питания нагревателя.

Механический монтаж состоит в закреплении резисторов на металлическом листе (при помощи винтов с потайными головками).

На лист устанавливают нагреваемую емкость (рис. 2.15). Сюда же можно прикрепить диодный мост и другие детали устройства, которые существенно нагреваются при работе. Для завершения разработки иногда нужно изготовить терморегулятор (или подогнать готовую модель) и использовать мощное реле, включенное в цепь питания резисторов.

КАСКАДЫ С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ

В литературе по электронике и технической документации часто встречается термин «открытый коллектор». Он связан с транзисторными каскадами и интегральными схемами. Примерами могут служить логические ИС семейства ТТЛ или другие схемы, предназначенные для обеспечения питания, стабилизации или усиления. В такой конфигурации транзистор n-р-n или р-n-р типа включен по схеме с общим эмиттером, а его коллектор остается свободным для использования разработчиком устройства (рис. 2.16а).

Выше уже описывалось одно из преимуществ этой концепции — возможность параллельного соединения нескольких идентичных схем (см. раздел «Объединение выходов операционных усилителей»). Выходы элементов с открытым коллектором соединяются, на этом основано построение логических устройств с тремя состояниями.

Другой классический пример применения таких элементов — это согласование по уровню двух схем, работающих при разных напряжениях питания. В любом случае на выходе каскада с открытым коллектором должен быть включен резистор, соединенный с источником напряжения Vcc или Vss (для транзисторов типа n-р-n или р-n-р). Он фактически выполняет функцию нагрузочного резистора в цепи коллектора. При параллельном включении двух или более каскадов достаточно будет одного общего резистора (рис. 2.16б). Его номинал определяется в зависимости от токов, которые должны протекать по коллекторным цепям транзисторов. Напомним, что транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, функционирует как инвертор.

КОМПАРАТОРЫ

Для сравнения двух напряжений не обязательно обращаться к операционному усилителю. С подобной задачей вполне может справиться простая и дешевая схема компаратора на транзисторе, которая представлена на рис. 2.17.

Транзистор р-n-р типа сравнивает опорное напряжение на эмиттере с частью контролируемого напряжения, поданной на базу через резистивный делитель. Когда напряжение на базе падает ниже опорного, транзистор открывается, и выход компаратора (коллектор транзистора) переходит в состояние с высоким потенциалом. Такая схема может использоваться, например, для контроля напряжения батареи.

ДВОИЧНЫЕ СЧЕТЧИКИ

Блокировка счетчика микросхемы CD4060

Микросхема CD4060 вызывает большой интерес у разработчиков цифровых устройств. На ее основе построены многие простые и довольно сложные устройства. Микросхема содержит генератор импульсов, для задания параметров которого потребуется два внешних резистора и один конденсатор или кварцевый резонатор), а также 14-каскадный двоичный счетчик (рис. 2.18). Число выводов корпуса (типа DIP 16) не позволяет целиком использовать все 14 выходов счетчика. Когда генератор не связан со счетчиком, он может играть роль тактового генератора. При соединении этих двух элементов схема выполняет функцию таймера.

Небольшая хитрость позволяет блокировать работу генератора при переходе одного из выходов в состояние логической единицы, что дает возможность, например, включить сигнал тревоги по истечении заданного промежутка времени. Для этого достаточно соединить вход Osc in, который обычно через резистор подключен к выводу Osc out1, с одним из выходов, обозначенным как Qn. Во избежание осложнений такое соединение производится через диод.

Для остановки генератора можно использовать любой другой сигнал, переходящий в состояние логической единицы. Когда счетчик и генератор заблокированы, из этого состояния их может вывести только управляющий импульс на входе Reset.

Маркировка выводов

Обозначение номеров выводов двоичного счетчика часто является источником ошибок. Разработчики логических устройств, как правило, предпочитают начинать нумерацию разрядов с нуля. Однако конструкторы микросхем обозначают номера выводов начиная с единицы.

Таким образом, 12-битный счетчик (например, CD4040) имеет номера выводов от Q1 до Q12, в то время как программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) эквивалентной разрядности имеет адресные строки, обозначенные А0-А11. Чтобы не запутаться, надо с самого начала найти на схеме или в технической документации наименьший номер и вести отсчет от него на протяжении всех последующих действий.

Каскадирование счетчиков

Для обращения к ППЗУ большой емкости необходимо значительное число адресных линий. Например, для адресации к модели 27256 емкостью 8х32 Кб нужно 15 адресных линий с А0 по А14. Как правило, намного удобнее использовать двоичный счетчик, который сканирует всю память, поскольку в классическом варианте для управления счетчиком требуется только два бита (один для тактового входа, другой для обнуления), а не 15. К сожалению, нет счетчиков с таким количеством выходов, несмотря на то что некоторые версии имеют 14 каскадов (например, микросхема CD4020). Но из 14 каскадов реально используется только 12, так как выходы Q1 и Q2 не подключены к внешним выводам.

Для счетчика CD4060 ситуация еще хуже, поскольку здесь можно использовать только 10 выходов. В результате необходимо применять каскадное соединение микросхем. Модель CD4040 отлично подходит для решения этой задачи.

Последний выход первого счетчика (Q12, если начинать отсчет от Q1), соединен с тактовым входом второго счетчика (рис. 2.19).

Входы обнуления (Reset) соединяются и управляются общим сигналом сброса. Составленный таким образом счетчик будет иметь 24 выхода, но использоваться будут только 15 первых.

Аналогичный подход возможен также при работе с ППЗУ большего объема. При необходимости ничто не помешает вслед за вторым счетчиком поставить и третий. Такой вариант схемы можно применять для последовательного поиска данных (например, при синтезировании звуковых сигналов или при создании сообщения на алфавитно-цифровом индикаторе). В этом случае управление устройством лучше доверить микроконтроллеру, хотя при желании можно разработать управляющую схему на дискретных логических элементах.

Обнуление счетчиков

Установка сложной логической схемы в исходное состояние часто требует обнуления одного или нескольких счетчиков, которые могут быть построены на триггерах различных типов. Выполнение этой операции должно быть тщательно продумано, так как от нее в значительной степени зависит функционирование всей системы.

Лучше создать устройство обнуления, общее для всех узлов, а не отдельные независимые модули. Это возможно, только если уровни сигнала обнуления согласованы. Как правило, обнуление всех счетчиков осуществляется сигналом логической единицы и происходит автоматически при подаче напряжения питания (рис. 2.20).

Микроконтроллеры обычно имеют инвертированный сигнал обнуления, поэтому их не удается включить в общую схему. В этом случае лучше дать микроконтроллеру возможность автоматически устанавливать в исходное состояние все остальные компоненты устройства.

Сочетание счетчика с линейным индикатором

Лицевые панели современных приборов часто содержат светящиеся шкалы, отображающие какую-либо аналоговую величину или настройку приемника. Такой тип индикации, которая называется «линейной», формируется с помощью нескольких светодиодов, расположенных в ряд. Выпускаются готовые шкалы, состоящие из восьми или десяти светодиодов, собранных в корпусе DIP16 или DIP20.

Можно также построить линейный индикатор собственными силами, используя круглые или прямоугольные светодиоды разных цветов или одного цвета. Однако управлять таким индикатором не очень просто. Для этого необходимо располагать двоичными сигналами, число которых равно числу светодиодов. Если прибор содержит несколько однотипных модулей, разработка его схемы заметно усложняется. Более простое решение — использовать один или несколько двоичных счетчиков (рис. 2.21).

Счетчик заставляют считать вперед, воздействуя на его тактовый вход до тех пор, пока на выходах не появится требуемый результат. При подаче сигнала сброса все выходы счетчика переходят в нулевое состояние. После первого тактового импульса выход младшего разряда переходит в состояние логической единицы. Следующий период устанавливает это состояние на втором выходе, а первый разряд обнуляется. Третий период переводит в состояние логической единицы оба первых выхода и т. д. Если каждый из выходов соединить со светодиодами, такой двоичный счет будет отображаться индикатором.

По этому принципу можно построить линейный индикатор точечного типа (в каждый момент горит один светодиод) или типа светящейся шкалы. Управлять счетчиком для получения требуемой индикации должен микроконтроллер. Сложность этой задачи заключается в том, что счетчик невозможно сразу вернуть назад. Например, если горит третий светодиод, а необходимо зажечь второй, сначала надо погасить оба (через вход Reset), а затем отправить нужное число тактовых импульсов. Чтобы промежуточные этапы счета не были видны на индикаторе, следует увеличить скорость операций, особенно при зажигании последних светодиодов. Действительно, зажигание последнего диода из ряда, содержащего 10 штук, требует отправления 512 импульсов, а зажигание одновременно всех десяти — 1023 импульсов. Такая процедура не требует сложных вычислений для определения числа импульсов, соответствующего заданному состоянию индикатора.

В рассмотренном устройстве можно использовать любой двоичный счетчик (если только он имеет все необходимые выходы). Для создания очень большой шкалы придется каскадно соединить несколько таких счетчиков (см. выше). Не рекомендуется подключать светодиоды непосредственно к выходам счетчика, лучше использовать ряд буферных каскадов на основе микросхем типа ULN2004 или дискретных транзисторов, собранных в корпусе DIP.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

В настоящее время непрерывно растет число устройств, осуществляющих аналого-цифровое преобразование. По-видимому, стрелочный мультиметр скоро станет раритетом, так же как и ртутный термометр или стрелочный спидометр автомобиля. Для решения некоторых задач, например для цифровой обработки изображения, созданы преобразователи с числом каналов, разрешающей способностью (число бит) и скоростью, которые несколько лет тому назад трудно было себе представить. Такие схемы требуют сложного и дорогостоящего программирования даже для довольно простых приложений.

Схема аналого-цифрового преобразователя, представленная на рис. 2.22, уже в значительной мере устарела. Подобной схемой были оснащены игровые приставки для домашних компьютеров примерно лет пятнадцать назад. Ее разрешающая способность весьма скромна (приблизительно 8 бит), однако точность заслуживает уважения. Время преобразования зависит от номиналов выбранных компонентов, а также от частоты тактового генератора. Принцип работы схемы основан на сравнении известного напряжения с тем, которое нужно измерить.

Для этого используется интегрирующая RC цепочка, на которую подается серия импульсов с фиксированной частотой, но переменной шириной. На конденсаторе формируется пилообразное напряжение, которое подводится к одному из входов компаратора напряжений, построенного на основе операционного усилителя. Импульсы генерируются микроконтроллером, он же управляет регистром, содержащим результат измерения.

В начале цикла преобразования регистр результата обнуляется. Одновременно с этим на интегрирующую цепочку подается положительный импульс, и конденсатор начинает заряжаться. Считывание состояния выхода компаратора в конце первого такта позволяет узнать, превышает ли напряжение на конденсаторе измеряемую величину. Если нет, то содержимое регистра увеличивается на единицу, а импульс поддерживается в состоянии логической единицы в течение нового тактового промежутка. После его окончания процесс считывания повторяется. Так продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не превысит измеряемую величину, после чего входной импульс прекращается, а конденсатор разряжается. В этот момент число, содержащееся в регистре, соответствует измеряемой величине.

Выбор параметров для компонентов схемы выполняется с учетом периода следования импульсов. В частности, произведение RC должно быть не меньше этого периода. Среди возможных областей применения рассмотренной схемы можно отметить считывание положения потенциометра, а также измерение аналоговой величины, значение которой должно отображаться на линейном индикаторе (со сравнительно невысокой точностью).

ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

В этой области за последние годы достигнут такой же большой прогресс, как и в сфере аналого-цифрового преобразования (см. предыдущий раздел). Для преобразования цифровой величины в аналоговый сигнал можно использовать простую схему (рис. 2.23), которая содержит только стандартные компоненты.

В данную схему входят несколько резисторов и операционный усилитель. Она используется автономно или подключается к параллельному порту компьютера (например, к порту принтера). Точность преобразования невысока, но в данном случае требуется не генерация постоянного напряжения с высокой точностью, а скорее, приблизительная реконструкция сложного аналогового сигнала, например речи или музыки. Схему можно использовать также в качестве генератора НЧ сигналов.

Принцип работы несложен. Ко входам, на которые поступает двоичное восьмибитное слово, подключены резисторы. Их номиналы рассчитаны так, чтобы вес каждого бита соответствовал величине тока в данной цепи. Например, вход бита наименьшего веса соединен с резистором 220 кОм. К следующему входу подключен резистор, сопротивление которого приблизительно в два раза меньше (около 100 кОм) и так далее до бита наибольшего веса (с сопротивлением 1 кОм). Полученные таким образом токи складываются операционным усилителем, который преобразует их в напряжение.

Синтезированный сигнал обычно подается на НЧ усилитель или на каскад, обеспечивающий низкое выходное сопротивление при использовании схемы в качестве генератора.

Чтобы компенсировать постоянную составляющую сигнала на выходе операционного усилителя, на его неинвертирующий вход подается постоянное напряжение с делителя, равное половине напряжения питания. С целью полного подавления постоянной составляющей перед последующим каскадом обычно включают разделительный конденсатор. Для фильтрации частоты считывания, с которой двоичные слова подаются на преобразователь, требуется применение простого НЧ фильтра.

Если вход схемы подключить к параллельному порту компьютера, а к выходу присоединить усилитель с динамиком или наушниками, подача команды COPY ###. WAV: LPT1 обеспечит прослушивание звукового файла с именем ###, записанного на жестком диске компьютера в цифровом виде. Простая программа, написанная, например, на языке Basic, позволит получить сигнал нужной формы с любой частотой, которую ограничивают лишь возможности компьютера.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ

Бестрансформаторный источник питания

В некоторых случаях низкое потребление энергии современными компонентами позволяет осуществить питание устройств от сети без использования трансформатора. Понижать напряжение с помощью резистивного делителя нерационально, поскольку при этом неизбежно выделяется большое количество тепла. Гораздо лучше использовать схему, в которой основная часть сетевого напряжения будет приложена к конденсатору, который практически не потребляет активной мощности (рис. 2.24).

Потребляемый от сети ток будет определяться емкостью конденсатора, точнее, его сопротивлением переменному току, которое для частоты F рассчитывается по формуле Z = 1/ωС, где ω = 2πF (Z выражено в омах, С — в фарадах, F — в герцах).

Резисторы, подключенные параллельно конденсатору, обеспечивают его разряд после отключения устройства от сети.

На выводах стабилитрона формируется прямоугольное напряжение амплитудой 5,6 В. Стоящие далее диод и конденсатор служат для выпрямления и фильтрации этого напряжения. Максимальный ток, который можно получить на выходе такой схемы, составляет около 4 мА при емкости конденсатора 100 нФ. Для увеличения тока используется параллельное включение нескольких конденсаторов (высокие номиналы встречаются редко, такие конденсаторы имеют большие размеры).

Остается добавить два важных замечания. Рабочее напряжение конденсаторов никогда не должно быть ниже 400 В (лучше брать компоненты с допустимым напряжением 630 В). Поскольку такая схема и все подключенные к ней элементы связаны с сетью, необходимо принять элементарные меры безопасности. В частности, не следует использовать металлический корпус или компоненты с выходящими наружу металлическими деталями (оси потенциометров и т.д.). Кроме того, при наладке нельзя прикасаться к включенной схеме.

Неполярные конденсаторы

Довольно трудно найти неполярные конденсаторы (с изоляцией из слюды, бумаги или пленки) большой емкости с низким рабочим напряжением (< 25 В). Однако иногда нужны именно такие компоненты, в частности при построении импульсных генераторов на логических вентилях с очень большим периодом (например, при разработке таймера для часов). Получение большой постоянной времени RC-цепи за счет увеличения сопротивления имеет определенный предел для каждого типа схем.

Для формирования конденсатора большой емкости можно соединить два полярных (электролитических) конденсатора, чтобы получить один неполярный (рис. 2.25). При этом надо выбрать два компонента одинакового номинала и включить их последовательно, соединив между собой отрицательные электроды. Результирующая емкость будет равна половине емкости каждого конденсатора.

Определение емкости конденсатора

Маркировка конденсаторов при помощи цветового кода применяется очень редко. Значение емкости обычно пишется на корпусе прибора. Однако размер надписи на миниатюрных компонентах поверхностного монтажа столь мал, что ее невозможно прочесть. Иногда же маркировка неразборчива (из-за некачественной печати) или даже ошибочна и на классических компонентах.

Чтобы с достаточной точностью определить емкость конденсатора, можно собрать простую схему генератора импульсов, показанную на рис. 2.26.

Вначале измеряют частоту генератора с эталонным конденсатором или, по крайней мере, с конденсатором известной емкости, а затем его заменяют компонентом, емкость которого требуется определить. Повторно измеряют частоту и определяют требуемый параметр с помощью простого соотношения (см. главу 5, раздел «Классические импульсные устройства»). Такую схему можно без труда смонтировать на макетной плате, снабженной разъемом для подключения осциллографа.

ТРАНЗИСТОРЫ ДАРЛИНГТОНА

Интегральные транзисторы Дарлингтона обладают весьма привлекательными характеристиками: очень высоким усилением по току (порядка 1000), значительной допустимой рассеиваемой мощностью и малыми размерами. Некоторые из них содержат также защитный диод, включенный между эмиттером и коллектором (рис. 2.27). Это удобно для непосредственного управления индуктивной нагрузкой, например реле. Однако при проведении проверки транзистора с помощью тестера необходимо помнить о существовании диода.

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ ПАРАМЕТРОВ ДИОДОВ

Диоды, как и все полупроводниковые приборы, подвержены температурному дрейфу характеристик, который может быть весьма значительным (именно эта особенность позволяет использовать диод в качестве датчика температуры). Об этом необходимо помнить как при проектировании устройства, так и при размещении его компонентов в корпусе. В частности, наиболее чувствительные элементы следует располагать как можно дальше от источников тепла: радиаторов, трансформаторов и т. д. Диодный детектор пиков, приведенный на рис. 2.28, является примером схемы, очень чувствительной к температуре.

ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩАЯ ЦЕПОЧКА

Дифференцирующая цепочка широко применяется в самых разнообразных схемах. Она используется, в частности, для генерации коротких импульсов, синхронизованных с фронтом прямоугольного сигнала, которые служат, например, для запуска симистора. Положительные и отрицательные перепады напряжения, поданные на дифференцирующую цепочку, генерируют импульсы различной полярности, которые при необходимости легко разделить (рис. 2.29). Параметры резистора и конденсатора выбирают с учетом нужной длительноcти выходных импульсов Т_и в соответствии с приблизительным соотношением Т_и = RC.

УДВОИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Удвоитель напряжения (а в более общем случае умножитель напряжения) представляет собой определенное соединение диодов и конденсаторов. Этот принцип построения давно используется для получения очень высоких напряжений, например в телевизорах или в устройствах для ионизации газа. Небольшая схема, представленная на рис. 2.30, применяется для получения постоянного напряжения, приблизительно вдвое превышающего напряжение на входе.

Для работы схемы нужен сигнал прямоугольной формы низкой частоты. В данной схеме используются только положительные импульсы, что отличает ее от классических удвоителей, работающих от сети или от синусоидального напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора.

ДИСКРЕТИЗАЦИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Дискретизация — операция, направленная на определение мгновенных значений сигнала сложной формы в заданные моменты времени (рис. 2.31).

Для выполнения дискретизации требуется стабильный тактовый генератор, который задает временные интервалы для вырезания части сигнала. Пиковый детектор фиксирует максимальное значение сигнала за данный период. Такое устройство можно построить на базе конденсатора, разряженного в исходном состоянии, который за интервал дискретизации заряжается до нужного уровня.

Устройство дискретизации сигнала входит в состав аналого-цифрового преобразователя, который преобразует мгновенные значения напряжения в соответствующую последовательность двоичных чисел (см. раздел «Аналого-цифровое преобразование»). Совершенно очевидно, что точность такой схемы зависит от частоты дискретизации. Чем она выше, тем меньше вероятность пропустить кратковременное изменение сигнала на входе. Согласно известной теореме, частота дискретизации должна равняться по крайней мере удвоенной максимальной частоте спектра сигнала, подвергаемого этой операции.

Предположим, требуется произвести аналого-цифровое преобразование речевого сигнала, ограничив его полосу пропускания до 3000 Гц (качество звучания, обеспечиваемое телефоном). В этом случае придется работать на частоте дискретизации минимум 6000 Гц, что при получении восьмибитовых двоичных чисел требует быстродействия 6000 байт/с. Учитывая этот принцип, несложно оценить место, занимаемое на компакт-диске 40-минутным музыкальным произведением стереофонического звучания, преобразованным в цифровую форму с частотой дискретизации 44 кГц.

ПРОГРАММИРУЕМОЕ ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Области применения

Программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) было первым программируемым компонентом памяти, легким в использовании и относительно недорогим. На сегодняшний день благодаря стремительному развитию микроэлектроники эти компоненты обладают таким объемом, о котором еще недавно не приходилось и мечтать. Несмотря на появление микроконтроллеров, обладающих собственными устройствами памяти, ППЗУ не теряют своей популярности. Они были созданы для хранения двоичной информации в виде программ или данных. Но этим использование данных устройств не ограничивается.

С помощью ППЗУ возможно реализовать довольно сложные логические функции, что обходится гораздо дешевле, чем разработка соответствующего устройства на традиционных логических микросхемах.

ППЗУ можно рассматривать как некоторый «черный ящик» с X входами и восемью выходами. Число входов зависит от емкости устройства памяти и соответствует числу адресных линий (рис. 2.32). Так, микросхема 2716 емкостью 2 Кб имеет 11 входов, а микросхема 27512 (64 Кб) — 16.

Типичное использование таких компонентов в области информатики сводится к дешифрации адреса.

Предположим, требуется, чтобы один бит перешел в нулевое состояние по адресу или группе адресов в области памяти размером 16 бит. Осуществление такой функции при помощи логических вентилей требует значительного числа компонентов.

Имея ППЗУ, достаточно запрограммировать адрес X (адрес дешифрации) соответствующими данными. Если речь идет о нулевом бите шины данных, то по выбранному адресу нужно записать число 254 (или FE в шестнадцатеричной системе счисления, см. главу 4, раздел «Системы счисления»). По остальным адресам данные останутся неизменными (в них, как правило, исходно записано число FFH). Если записать FEH в нескольких ячейках памяти, можно задать не один адрес, а группу адресов. Ввиду того что в ячейке остается еще семь свободных бит, в сумме можно задать до восьми различных результатов дешифрации. Для исправления ошибки или внесения изменений достаточно стереть информацию и запрограммировать устройство заново.

Среди других областей применения ППЗУ следует отметить управление семисегментным индикатором: двоичное слово на адресных линиях соответствует конфигурации цифры или символа индикатора. Имеется возможность одновременно управлять несколькими индикаторами с мультиплексированием или без него. Наконец, ППЗУ может составлять основу устройства автоматического управления несколькими объектами. В этом случае используется счетчик, который проходит по всем адресам за заданное время (несколько секунд или часов). Если каждому из восьми битов данных на выходе поставить в соответствие реле или симистор, то можно управлять восемью объектами независимо друг от друга. Для расширения возможностей устройства применяется параллельное включение двух ППЗУ.

При любом из перечисленных вариантов использования необходимо следить за корректным подключением двух управляющих линий: CS и ОЕ. Как правило, они подключены к напряжению Vss. Подача на линию ОЕ уровня логической единицы позволяет одновременно отключить все выходы (перевести их в высокоомное состояние).

Для некоторых моделей, в частности для ППЗУ, изготовленных по КМОП технологии, рекомендуется присоединять шину данных к напряжению Vss через резистор сопротивлением порядка 100 кОм.

Разбиение ППЗУ на несколько областей

Порой в одном ППЗУ полезно иметь несколько программ или версий программы, которые можно выбирать с помощью переключателей.

Это бывает нужно и в том случае, когда устройство памяти содержит некоторые рабочие данные (коды ASCII для индикатора, знакогенератора и т. д.). Для этого достаточно выбрать ППЗУ необходимого объема и разбить его на области, расположенные по определенным адресам. Если для каждого блока данных необходимо 2 Кб памяти, можно создать 4 области одинакового размера в ЗУ емкостью 8 Кб (микросхема 2764) или 16 областей с помощью микросхемы 27256 объемом 32 Кб.

Выбор нужной области производится при помощи переключателя типа DIP, вставных перемычек или реле, управляющих входами АН и А12 (рис. 2.33).

На управляющих входах необходимо наличие высокоомного резистора, подключенного к источнику напряжения Vss. Программа или данные будут размещаться по нужным адресам, например 0000Н для первой области, 0800Н — для второй (при протяженности 2 Кб) и т. д.

Устаревшие типы ППЗУ

Некоторые типы ППЗУ, теперь уже устаревшие, например 2726 (объемом 2 Кб), стали раритетами или стоят дороже, чем другие, значительно более совершенные модели. Тем не менее иногда возникает необходимость их замены, например если перепрограммирование невозможно (старая модель). К счастью, размещение выводов таких ЗУ стандартизировано, что упрощает их замену современными микросхемами.

Прежде всего необходимо определить технологию изготовления исходного запоминающего устройства: если в его маркировке есть буква С (27С32), то речь идет о микросхеме КМОП типа. В таком случае проблем не возникает, поскольку большинство современных моделей принадлежит именно к этому семейству. Если буква С в маркировке отсутствует и выявить тип схемы с помощью проверки не удается, необходимо найти компонент аналогичной модели.

В некоторых случаях потребуется осуществить переход от корпуса с 28 выводами к другому корпусу, имеющему 24 вывода, так как устройства объемом от 8 Кб (начиная с модели 2764) имеют корпус DIP28. Достаточно вставить промежуточный разъем с 28 выводами между исходным разъемом и ЗУ. В качестве примера на рис. 2.34 показано включение микросхемы 2764 вместо 2732.

Некоторые выводы придется обрезать или соединить между собой. При этом нужно проследить, чтобы все дополнительные и неиспользуемые адресные линии были подключены к напряжению Vss.

При записи информации необходимо помнить о том, что часть ячеек памяти (последние по номеру адреса) станет недоступной, и следить за тем, чтобы вначале заполнялись первые адреса.

Незаполненное ППЗУ

Если в ППЗУ еще не занесена информация или она была стерта, ячейки памяти заполнены числами FFH. Многие программисты при

записи информации используют операцию «Пропуск FF». Это означает, что каждый раз, когда требуется внести слово FFH, оно просто игнорируется, поскольку такая запись в ячейке уже есть. За счет этого удается существенно упростить процедуру программирования ЗУ.

При таком подходе программирование состоит в замене некоторых единиц двоичного кода нулями. Поэтому можно перепрограммировать некоторые байты, не стирая полностью всю память. Например, можно заменить 99Н на 89Н, 19Н или 81Н и т. д.

Другая ситуация возникает, когда ППЗУ входит в состав микроконтроллера. Эти устройства в незаполненном состоянии обычно содержат код ООН вместо FFH. В некоторых случаях имеет смысл предварительно заполнить незанятые ячейки ППЗУ кодом ООН, чтобы выиграть время при перепрограммировании микроконтроллера. Предварительная проверка состояния ячеек позволит найти наиболее рациональный способ выполнения данной процедуры.

ЛОГИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

Логическая функция Исключающее ИЛИ (EXOR) используется в схемотехнике довольно редко. Она совпадает с функцией ИЛИ во всех случаях, кроме одного, когда все входы вентиля находятся в состоянии логической единицы. Можно также сказать, что выход вентиля EXOR переходит в состояние логической единицы в том случае, если только на одном из его входов возникает соответствующий сигнал логической единицы.

Условное обозначение вентиля показано на рис. 2.35.

Данный специфический тип вентиля используется в системах фазовой автоподстройки частоты (см. раздел «Фазовая автоподстройка частоты»), где он применяется для определения совпадения во времени двух сигналов, один из которых является эталонным, а другой должен совпадать с ним по частоте. Микросхема CD4070 семейства КМОП содержит четыре вентиля рассмотренного типа, а модель CD4046 — один вентиль и некоторые дополнительные элементы.

ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ФРОНТОМ ИМПУЛЬСА

Многие логические схемы в том числе и КМОП типа реагируют не на состояние входа, а на его изменение. Например, счетчик может срабатывать в тот момент, когда на его тактовом входе возникает перепад напряжения от высокого уровня к низкому. В этом случае говорят о логическом элементе, управляемом фронтом сигнала. Одни схемы реагируют на положительный фронт, то есть на переход от логического нуля к единице (для устройств «положительной логики»), а другие — на отрицательный. Эти характеристики всегда приводятся в технической документации микросхемы. Вход, рассчитанный на управление отрицательным фронтом, имеет в документации название с чертой сверху, обозначающей отрицание, например

В некоторых случаях, в частности для микросхемы CD4042 (счетверенная защелка), пользователь может сам выбрать тип запуска, подключая определенный вход к напряжениям Vss или Vcc. Во избежание возможных ошибок перед разработкой любой схемы необходимо выяснить тип запуска логических элементов. Например, это относится к счетчикам, где неправильное управление может привести к десинхронизации или потере данных. Часто, чтобы получить требуемый результат, приходится включать дополнительную RC-цепочку и использовать снимаемые с ее выхода короткие импульсы нужной полярности. Типичный вариант такого подключения к тактовому входу микросхемы CD4013 (двойной триггер) приведен на рис. 2.36.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

К выбору предохранителя следует отнестись со всей серьезностью, особенно если он находится в цепи питания, соединенной с сетью.

Когда первые испытания схемы проведены, необходимо определить ток, потребляемый устройством, и умножить его на коэффициент, который в значительной степени определяется типом используемого трансформатора. При выборе значения коэффициента следует помнить, что всплеск тока при включении может в 10 раз превышать ток, потребляемый в стационарном рабочем режиме. Сказанное относится к трансформаторам, имеющим значительную мощность.

Если нет уверенности, стоит пожертвовать несколькими предохранителями и провести серию экспериментов по включению устройства, постепенно понижая номинальное значение тока предохранителя до выхода его из строя.

Для защиты низковольтных цепей (например, питающих реле) можно обратиться к предохранителям автомобильного типа, небольшим, недорогим и несложным в монтаже. Подобный предохранитель нетрудно смонтировать на основание в виде вилочной части стандартного двухконтактного разъема, розеточную часть которого можно припаять непосредственно к печатной плате (рис. 2.37).

ГЕНЕРАТОР ТОКА

Генератор тока — это устройство, обеспечивающее нужный ток (по возможности точно задаваемый и стабилизированный) в нагрузке с переменным сопротивлением. Среди областей его применения можно отметить перезаряд батареи, введение тока с медицинскими целями или электролиз химического раствора. В промышленности генераторы тока находят широкое применение для передачи информации, получаемой при измерении различных физических величин.

Аналоговые сигналы характеризуются высокой устойчивостью к помехам любого происхождения. Режим передачи данных с помощью аналоговых сигналов регулируется специальным стандартом.

Для многих датчиков рабочим параметром является сопротивление, которое изменяется в зависимости от определяемой величины. Примером может служить датчик температуры типа РТ100, имеющий сопротивление 100 Ом при температуре 0 °C. Варьирование сопротивления датчика обычно стараются свести к изменению уровня напряжения, которое проще обрабатывать с помощью операционных усилителей (имеется в виду усиление, определение порога, аналого-цифровое преобразование и т.д.). Такая трансформация осуществляется при пропускании через датчик калиброванного тока.

Есть несколько способов построения генератора тока, в том числе с применением специализированных схем. В простых схемах, представленных на рис. 2.38, используются стандартные компоненты (транзистор или операционный усилитель), но качество их работы заслуживает высокой оценки.

При проектировании генератора тока сначала следует определить верхний предел изменения сопротивления нагрузки, от которого зависит требуемое напряжение источника питания. Например, чтобы получить ток 10 мА через резистор 100 Ом, необходимо напряжение не менее 1 В. Если сопротивление увеличивается до 1000 Ом, потребуется уже 10 В и т. д. Генератор, работающий при напряжении питания 24 В, сможет обеспечить ток 10 мА при коротком замыкании на выходе или при подключении резистора с максимальным сопротивлением 2,4 кОм.

ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ДВОИЧНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Иногда в цифровом устройстве нужно получить плавно изменяющееся напряжение, при этом высокая точность не требуется.

Посредством такого напряжения можно, например, управлять устройством, предназначенным для постепенного зажигания ламп, или обеспечить плавное увеличение скорости вращения двигателя до максимального значения.

Получить изменение потенциала в заданных пределах удастся и без помощи цифро-аналогового преобразователя. Простая схема, представленная на рис. 2.39, может выполнить эту функцию.

Принцип работы состоит в управлении зарядом и разрядом конденсатора через резисторы, поочередно подключаемые к нему с помощью двух выключателей. Если верхний выключатель, подключенный к напряжению Vcc, замкнут, конденсатор медленно заряжается через резистор R1. Если этот выключатель разомкнут, конденсатор будет поддерживать на своих выводах напряжение, до которого он был заряжен (при условии незначительного саморазряда).

Когда замкнут нижний выключатель, конденсатор разряжается через резистор R2. Скоростью нарастания и снижения напряжения можно управлять, изменяя величины R1 и R2. Напряжение с конденсатора обычно подается на буферный каскад с высоким входным сопротивлением, который содержит операционный усилитель, включенный по схеме повторителя напряжения. Затем при необходимости напряжение дополнительно усиливается и используется для выполнения требуемой функции. Остается выбрать тип выключателей: речь может идти о контактах реле, дискретных транзисторах (р-n-р типа вверху и n-р-n типа внизу на рисунке) или выключателях, входящих в состав микросхемы (например, удобно взять микросхему CD4016, которая содержит четыре выключателя). Сигналы управления могут поступать от логических вентилей, счетчиков или от микроконтроллера.

ВЫСОКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Возможность получения особо высокого сопротивления играет важную роль как в аналоговой, так и в цифровой электронике. В первом случае речь чаще всего идет о входном сопротивлении операционного усилителя. Во втором случае обычно имеется в виду высокоомное состояние выхода логического устройства (одно из трех возможных состояний). Об этом уже упоминалось выше, когда речь шла о выходах схем с открытым коллектором.

Использование высокоомного состояния лежит в основе принципа передачи цифровой информации по шине, связывающей несколько различных компонентов, которые взаимодействуют друг с другом (рис. 2.40).

Каждый разряд на выходе логических элементов, подключенных к общей шине, может принимать три состояния: логический нуль, логическая единица и высокоомное состояние, сравнимое с физическим отключением (его часто называют Z-состоянием). Без этого третьего состояния было бы невозможно объединить нескольких выходов. Поэтому для подключения к общей шине (с параллельной или последовательной передачей данных) можно использовать ТТЛ схемы с открытым коллектором на выходе, предназначенные для такого соединения, или КМОП схемы с Z-состоянием выхода.

Аналоговые устройства с высоким входным сопротивлением необходимы для работы с некоторыми специфическими элементами, в частности с датчиками физических величин. Примером может служить датчик с электродами для измерения показателя pH жидкости, имеющий сопротивление порядка 10¹² Ом. К счастью, существует ряд операционных усилителей, входное сопротивление которых согласуется с такой величиной (в частности, усилитель типа TL062).

Разработчику схемы необходимо соблюдать определенные правила размещения элементов. Соединительный кабель и особенно соединительный элемент должны выбираться и монтироваться очень тщательно. От этого в большой степени зависит качество работы всей схемы. Обычно имеет смысл приобрести соединительный кабель со специальным разъемом для присоединения ко входу усилителя.

ГИСТЕРЕЗИС В ЭЛЕКТРОНИКЕ

Термин «гистерезис» происходит от греческого слова «запаздывание» и означает появление задержки в развитии одного физического явления по отношению к другому. Гистерезис играет большую роль в технике и, в частности, в электронике. Он проявляется каждый раз, когда выполняется операция сравнения двух величин с некоторой точностью.

Суть данного явления можно пояснить на примере работы термостата, независимо от наличия или отсутствия электронного регулятора. Рассмотрим термостат, настроенный на поддержание температуры 20 °C с помощью электрического нагревателя. Если бы управляющая нагревателем биметаллическая пластина, деформирующаяся при изменении температуры, не обладала гистерезисом, нагреватель включался бы и выключался очень часто, что привело бы к быстрому износу контактов. В действительности регулятор включается при 19 °C, а выключается примерно при 21 °C. При этом механическая инерционность биметаллической пластины и тепловая инерционность нагревателя порождают явление гистерезиса, переключение режимов происходит с небольшой частотой, а температура в термостате колеблется в некотором интервале вблизи заданного значения (рис. 2.41а).

В электронике все процессы развиваются гораздо быстрее, и нередко приходится искусственно создавать задержку для снижения частоты переключения. В качестве примера на рис. 2.41б приведена схема компаратора на базе операционного усилителя.

Устройство сравнивает регулируемое напряжение с опорным, которое задается с помощью батарейки. Результат сравнения выводится на светодиодный индикатор. Чтобы усилить проявление гистерезиса и снизить частоту мигания индикатора, используют резистор, через который часть выходного сигнала передается на вход операционного усилителя. При этом снижается коэффициент усиления каскада и задерживается включение и выключение индикатора.

ИНТЕГРИРУЮЩАЯ ЦЕПОЧКА

Интегрирующая цепочка весьма важна для практики электронных схем. Одна из ее функций заключается в преобразовании частоты импульсной последовательности в постоянное напряжение, уровень которого пропорционален частоте. Для получения такого соотношения длительность импульсов не должна зависеть от частоты следования.

В простейшем случае интегрирующая цепочка содержит только два компонента: резистор и конденсатор (рис. 2.42). Их номиналы выбираются в зависимости от минимальной частоты сигнала. Обычно задают такое произведение RC, чтобы оно было не меньше максимального периода следования импульсов. Например, цепочка 10 кОм/1 нФ вполне подойдет для частоты сигнала, превышающей 100 кГц. Если взять более низкое значение RC, на постоянное выходное напряжение будут накладываться заметные колебания пилообразной формы, искажающие преобразованный сигнал.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Принцип действия

Кроме компьютеров, манипулирующих двоичными словами размером 16 или 32 бит, существует много типов микропроцессоров и микроконтроллеров, большинство которых оперирует байтами, то есть словами из 8 бит. С байтами «работает» и разнообразное периферийное оборудование: запоминающие устройства, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также многие другие компоненты. Обмен информацией между этими устройствами связан с поиском компромисса между скоростью передачи и числом соединительных линий.

Наибольшее быстродействие обеспечивает параллельное соединение, по которому одновременно передаются все разряды двоичного слова (рис. 2.43а). Такой тип интерфейса соединяет компьютер с принтером. Его недостатком является значительное число проводов (для стандартного разъема «Centronics» их количество равно 36), а также ограничение длины кабеля из-за риска возникновения помех, весьма опасных при низком уровне используемого напряжения (5 В).

От подобных трудностей свободен последовательный интерфейс, в простейшем варианте для его осуществления достаточно двух проводов (рис. 2.43б). Один провод обычно заземлен, другой служит для передачи информации.

Принцип работы интерфейса заключается в последовательной отправке восьмибитного слова в соответствии с определенным протоколом, например в порядке возрастания веса разрядов (от бита 0 к биту 7). Подобный тип передачи данных требует точной синхронизации работы передатчика и приемника, каждый из которых должен иметь стабильный тактовый генератор с кварцевым резонатором.

Поскольку сигнал передачи данных может принимать только два состояния, необходимо точно определить моменты отправки и считывания разрядов. Если два соседних бита находятся в одинаковом состоянии, сигнал в линии сохраняется до следующего изменения.

Если все разряды имеют значение логической единицы (передается число FFH), сигнал останется в соответствующем состоянии на протяжении всей передачи. Чтобы исключить возможность сбоев, к передаваемому слову добавляют несколько служебных битов, отправляемых в начале и конце цикла передачи. Порядок передачи и считывания сигналов показан на рис. 2.43в.

Первый бит, называемый Start, служит для фиксации момента начала передачи. Один или два последних бита называются Stop. Они обозначают конец цикла и дают приемнику время проанализировать полученное слово.

В некоторых случаях дополнительно отправляется бит подтверждения, который называется битом четности. Его состояние изменяется в зависимости от того, четным или нечетным является передаваемое число.

Длительность цикла передачи зависит от количества передаваемых битов и от времени передачи одного бита. Скорость передачи цифровой информации выражается в битах в секунду (бодах). Используемые значения скорости стандартизированы и, как правило, находятся в диапазоне от 300 до 38400 бит/с. Наиболее часто выбирается скорость передачи 9600 бит/с. При этом достигается удачный компромисс между требуемыми частотными характеристиками компонентов и качеством передачи. Параметры последовательного интерфейса описываются с помощью условной записи типа 9600, N, 8, 2. Это означает, что скорость передачи равна 9600 бит/с, бит четности отсутствует, слово данных содержит 8 бит, передается 2 бита Stop. Цикл передачи слова требует отправления 11 бит (1 бит Start, 8 бит данных и 2 бита Stop). При скорости 9600 бит/с каждый передаваемый бит занимает приблизительно 104 мкс. Таким образом, полный цикл передачи длится 11x104 мкс, то есть 1,14 мс. Это время может показаться коротким, но оно во много раз превышает длительность параллельной передачи информации эквивалентного объема. Оправка файла объемом 4800 байт (60 печатных строк, каждая из которых содержит по 80 знаков) занимает 5,5 с.

Второй проблемой является выбор уровней передаваемых сигналов с учетом возможных помех и потерь в линии. Для линий небольшой длины можно использовать традиционное напряжение 5 В.

При передаче на значительные расстояния (приблизительно 25 метров и больше) используют два противофазных напряжения по 12 В. Низкий уровень сигнала или состояние логического нуля соответствует напряжению -12 В, а состояние логической единицы — напряжению + 12 В.

Рассмотренное сочетание протокола передачи и уровней сигнала (-12 В/+12 В) отвечает требованиям общепринятого стандарта информационных технологий RS232. Этот стандарт определяет и размещение выводов соединительных элементов типа DB9 и DB25 (см. также раздел «Использование стандартных соединительных элементов»).

Наконец, следует отметить возможность выполнения двустороннего соединения устройств при использовании дополнительной линии передачи (в сумме для такого соединения потребуется три провода).

Согласование ТТЛ схемы с сигналом стандарта RS232

Как было сказано в предыдущем разделе, стандарт RS232 предполагает использование двух источников напряжения: -12 В и +12 В.

Однако для работы многих процессоров и периферийных устройств такое напряжение питания не требуется. В большинстве случаев допустимым можно считать диапазон напряжений от -12/+12 до -3/+3 В. При этом крайне редко возникает необходимость в отрицательном напряжении питания для цифровых схем.

Наибольшее число классических устройств питается от источников положительного напряжения 5 В. Проблема согласования уровней сигналов возникает каждый раз при использовании последовательного интерфейса. Для решения задачи выработано несколько подходов, требующих применения схем различного уровня сложности и стоимости. Чаще всего используется специализированная микросхема типа МАХ232 или один из ее аналогов, содержащих в обозначении цифры 232. Эта схема согласует уровни сигналов, передаваемых в двух направлениях по двум различным каналам. При ее использовании требуется подключение четырех внешних конденсаторов.

Простая схема для согласования ТТЛ устройств (с уровнями сигналов 0/5 В) со стандартом RS232 показана на рис. 2.44. Она содержит оптопару с двумя присоединенными к ней резисторами и обеспечивает полную гальваническую развязку между входом и выходом. Оптопара выполняет роль управляемого выключателя, который при зажигании светодиода входным сигналом соединяет последовательный вход интерфейса с источником напряжения 12 В, подключенным к одному из неиспользованных контактов разъема DB9 или DB25.

Согласование сигнала стандарта RS232 с ТТЛ схемой

Обсудив в предыдущем разделе преобразование сигнала ТТЛ устройств к уровню -12/+12 В, перейдем к рассмотрению обратной операции. В данном случае задача также может выполнятся специализированной микросхемой, к которой добавлено небольшое число внешних компонентов. Более простая схема, содержащая транзистор и два резистора, приведена на рис. 2.45.

Информация, снимаемая со стандартного соединительного элемента, подводится к транзистору n-р-n типа, включенному по схеме с общим коллектором. В состоянии логического нуля, когда линия имеет отрицательное напряжение, транзистор закрыт, а напряжение на эмиттере близко к нулю. При передаче по линии сигнала логической единицы транзистор насыщается и соединяет выход с источником питания, имеющим напряжение 5 В. В случае необходимости выходной сигнал согласующего устройства может быть подан на инвертор.

Генерирование импульса, совместимого со стандартом RS232

Нередко возникает необходимость передать условное сообщение от электронной схемы к микропроцессору. Примеры таких ситуаций: определение временного интервала, разделяющего два события, выполнение счета на заданном промежутке времени. Зачастую проще и быстрее написать небольшую программу (например, на языке Basic), которая обеспечивает получение входных данных, более или менее сложные вычисления и хранение результатов в специальном файле, чем построить электронную схему для выполнения тех же задач. Рассмотренное ниже устройство состоит из простых компонентов и позволяет имитировать двоичное слово, совместимое по длительности со стандартом RS232.

По условию задачи на последовательный порт микрокомпьютера требуется отправить импульс, задаваемый с невысокой точностью, причем длительность этого импульса лежит в нужном интервале. Микропроцессор должен находиться в состоянии ожидания слова произвольного значения, поступление которого служит сигналом для запуска процесса измерений, вычислений или счета. Хронология передачи должна быть совместима со стандартом RS232. Например, при скорости передачи 9600 бод сигнал одного бита длится около 100 мкс. В этом случае любой импульс длительностью от 100 мкс до 9x100 мкс будет интерпретироваться как передача байта диапазона 00Н- FFH.

Тот же принцип можно применить и к другим скоростям передачи при соответствующих длительностях импульсов. Если имеется сигнал, отвечающий этому критерию, достаточно преобразовать его в соответствии со стандартом RS232 и передать по линии. В противном случае для задания требуемой длительности импульса можно использовать одновибратор, состоящий из двух логических вентилей (рис. 2.46).

Одновибратор запускается в нужный момент импульсным сигналом или замыканием управляющего контакта. При выборе параметров схемы, определяющих длительность импульса, не следует ориентироваться на время, близкое к максимальному, так как появляется риск наложения сигнала данных на сигналы Stop, что вызовет ошибку передачи.

Использование стандартных соединительных элементов

При передаче данных в соответствии со стандартом RS232 нужны только две линии для однонаправленного соединения и три линии для двунаправленного. Однако фактически существует несколько дополнительных управляющих сигналов, которые редко используются на практике. При отсутствии этих сигналов соответствующие линии нельзя оставлять неподключенными, так как это может привести к появлению ошибочных сигналов. В таком случае нужно соединить между собой несколько выводов стандартного соединительного элемента последовательного интерфейса.

На схемах, представленных на рис. 2.47, показаны некоторые соединения, которые необходимы при использовании разъема DB9 и его более старого аналога DB25.

Соединения выполняются по-разному в зависимости от того, предназначен ли интерфейс для связи двух компьютеров или для связи компьютера с нестандартной схемой. В последнем случае возможны различные варианты подключения, но всегда нужно следить за тем, чтобы вход одного устройства подключался к выходу другого.

ИЗМЕНЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ

Важное достоинство двигателей на постоянном токе заключается в том, что они могут вращаться в обоих направлениях — в зависимости от полярности питающего напряжения. Благодаря этому радиоуправляемые модели и игрушечные машины могут двигаться вперед или назад, а электрические гайковерты, питаемые от аккумуляторов, завинчивают и отвинчивают гайки.

Управление двигателем осуществляется с помощью специального трехпозиционного переключателя или двух реле (рис. 2.48).

Первое реле с одним контактом обеспечивает включение и остановку двигателя. Второе реле, имеющее два контакта, позволяет изменять полярность подаваемого на двигатель напряжения и направление его вращения. Управление реле осуществляется с помощью двух логических сигналов. Отметим, что любители радиоуправляемых моделей все чаще применяют электронные вариаторы, выполняющие аналогичные операции без помощи реле и позволяющие регулировать скорость вращения двигателя.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ

Подключение к сети 220 В

Светодиоды давно начали использовать в качестве световых индикаторов вместо миниатюрных лампочек накаливания. Как известно, они обладают рядом преимуществ: низким потреблением тока, практически неограниченным сроком службы, малыми размерами.

Для питания светодиодов требуется источник небольшого постоянного напряжения. Кроме этого, необходимо ограничивать потребляемый ими ток до нескольких миллиампер. В противном случае они могут выйти из строя.

Светодиоды часто используются для индикации включения устройства или наличия напряжения в определенной точке схемы. Обеспечить им питание нетрудно, если устройство, в котором они применяются, имеет источник постоянного напряжения. Дело обстоит сложнее, когда источником питания является сеть переменного тока. В этом случае можно воспользоваться простой схемой (рис. 2.49), представляющей собой упрощенный вариант источника питания, в котором для понижения напряжения используется неполярный конденсатор.

Стабилитрон обеспечивает на своих зажимах напряжение 5,6 В, а резистор ограничивает ток до величины, приемлемой для светодиода. Отсутствие фильтрации приводит к появлению колебаний излучения, как правило, не воспринимаемых глазом.

При необходимости можно использовать стабилитроны с другим рабочим напряжением, если сопротивление балластного резистора будет изменено соответствующим образом. Чтобы рассчитать значение этого напряжения, нужно из номинального напряжения стабилитрона вычесть 2 В и разделить результат на требуемый ток. При работе с такой схемой необходимо соблюдать те же правила безопасности, что и для любого устройства, непосредственно соединенного с сетью (не прикасаться к схеме, когда она включена, использовать пластмассовый корпус и т. д.).

Подбор яркости свечения

Прежде чем фиксировать величину резистора, ограничивающего ток в цепи питания светодиода, желательно испытать диод, который будет использоваться, при различных токах (не допуская превышения предельного значения тока для данного прибора). Иногда яркость свечения, обеспечиваемая при сравнительно небольшом токе, может оказаться достаточной для предполагаемого применения. Выбор пониженного тока позволяет оптимизировать общее потребление энергии схемой, что особенно важно, когда источником питания является батарейка или аккумулятор.

Определение полярности выводов

Светодиоды, как и все полупроводниковые диоды, имеют различающиеся выводы (анод и катод), требующие определенной полярности рабочего напряжения. Но в некоторых случаях установить расположение выводов непросто из-за отсутствия единого стандарта на маркировку. Например, не всегда можно полагаться на разные длины выводов или на их внешний вид. Попытки определить тип электродов, рассматривая внутренность прозрачного корпуса светодиода, также не всегда приводят к успеху.

Для определения полярности выводов следует использовать мультиметр в режиме измерения сопротивления. Прежде всего нужно сопоставить цвет используемых проводов с полярностью напряжения на выходных гнездах прибора. При инверсном подключении мультиметр не даст никаких показаний: сопротивление диода слишком велико. При правильной полярности поданного напряжения (отрицательный полюс источника соединен с катодом) обычно индицируется значение 1600 или 1800 Ом и наблюдается слабое свечение. Когда применяются однотипные светодиоды, достаточно установить полярность выводов для одного из них.

Наконец, при отсутствии мультиметра можно изготовить импровизированный тестер, используя батарейку и резистор, который подбирается так, чтобы обеспечить надежное зажигание светодиода при правильной полярности подключения без превышения допустимого тока (рис. 2.50).

Применение светодиодов в источниках тока

Светодиоды имеют весьма стабильные электрические характеристики и используются не только в качестве световых индикаторов.

Например, они могут применяться в прецизионных усилителях для стабилизации тока смещения каскадов. В этом случае используется стабильность прямого напряжения на светодиоде. В зависимости от типа диода и тока смещения величина этого напряжения находится в диапазоне от 1,4 до 2 В с высокой степенью повторяемости в пределах одного семейства. При этом температурный дрейф напряжения сравним с аналогичной характеристикой для маломощного транзистора n-p-n типа. В сочетании со специально подобранным резистором светодиод может успешно заменить стабилитрон, используемый обычно на входе транзистора для формирования генератора тока.

МАТРИЦИРОВАНИЕ УПРАВЛЯЮЩИХ СИГНАЛОВ

Матрицирование представляет собой размещение линий управляющих сигналов (битов) по строкам и столбцам, которое направлено на считывание числа состояний, равного произведению числа строк на число столбцов. Например, 8 бит, размещенные обычным способом, позволяют считывать состояния только восьми различных входов. Если же их расположить в виде матрицы из четырех строк и четырех столбцов, можно будет считывать состояния 16 входов.

Данный метод требует объединения некоторого числа битов (например, равного числу столбцов) по выходу, а не по входу. Для опроса всех состояний нужно последовательно проходить по каждому из столбцов, подавая на них сигнал логической единицы и считывая возможное изменение состояния на выходе. Данный принцип использован в клавиатуре компьютера и кнопках телефонного аппарата.

На рис. 2.51 представлен пример «телефонной клавиатуры» из 12 клавиш, размещенных по трем строкам и четырем столбцам.

Каждая клавиша находится на пересечении строки и столбца. Положения клавиш определяются по сигналам на линиях строк, где исходно установлены состояния логического нуля благодаря наличию трех резисторов, соединенных с общей точкой. Таким образом исключается риск считывания ошибочных значений без нажатия клавиш. Если нужно узнать, нажата ли клавиша 5, достаточно подать сигнал логической единицы на третий столбец и определить состояние второй строки. Если включение состоялось, на этой строке появится высокий потенциал.

Матрицирование требует соблюдения точной хронологии подачи управляющих сигналов. Эту задачу обычно выполняют специализированные ИС. В частности, в телефонии часто используется микросхема ТСМ5089. Также допустимо применение микроконтроллера в сочетании с относительно простой программой. В некоторых случаях сигналы опроса, поступающие на столбцы, можно использовать для подачи на другие периферийные устройства, например на светодиодный индикатор, который часто сопрягается с клавиатурой.

АНАЛОГОВЫЙ ОБЩИЙ

Операционные усилители иногда используют для усиления переменных сигналов в устройствах, где отсутствует отрицательное напряжение питания. Однако, чтобы усилить каждую полуволну, нужно иметь дополнительный опорный уровень напряжения (помимо общей заземленной точки и напряжения питания). Такой опорный уровень, равный Vcc/2, формируют с помощью резистивного делителя в сочетании с фильтрующим конденсатором (рис. 2.52а). Этот потенциал может использоваться несколькими усилителями. Если их число велико или же требуется высокая стабильность опорного уровня, разумно построить небольшой источник питания, стабилизированный при помощи дополнительного операционного усилителя (рис. 2.52б). Такой искусственный опорный уровень часто называют «аналоговый общий» (общая заземленная точка для цифровых элементов схемы называется «цифровой общий»).

Следует помнить о том, что усиливаемый аналоговый сигнал на самом деле наложен не на нулевой уровень, а на некоторое постоянное напряжение, которое обычно необходимо исключить перед подачей сигнала на следующий каскад. Для этой цели в конце усилительной цепи ставят разделительный конденсатор, устраняющий постоянную составляющую напряжения.

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) заключается в генерировании последовательности прямоугольных импульсов постоянной амплитуды, длительность которых в каждый момент времени пропорциональна аналоговому сигналу. Принцип модуляции основан на изменении среднего значения прямоугольного напряжения в соответствии с мгновенным значением преобразуемого сигнала (рис. 2.53а).

Если взять прямоугольный сигнал в форме меандра, для которого длительность импульса равна длительности паузы, то его среднее значение составит половину амплитуды. Если длительность импульса равна трети общей длительности периода, то среднее значение напряжения также составит 0,33 от амплитуды импульсов и т. д. Подобное преобразование широко применяется для управления скоростью вращения двигателя, для синтезирования звуковых сигналов, для построения импульсного источника питания и др.

Замена аналогового напряжения импульсным обеспечивает резкое сокращение мощности, рассеиваемой в выходных каскадах, поскольку они работают в режиме переключения. В добавление к этому появляется возможность передавать сигнал сложной формы при помощи одного бита информации. Основная трудность при использовании ШИМ сигнала заключается в необходимости фильтрации восстановленного напряжения для подавления наложенного на него сигнала с частотой дискретизации.

Существует множество путей создания ШИМ сигнала, основанных на использовании специализированных ИС и схем на дискретных компонентах. В любом случае происходит сравнение исходного сигнала с опорным напряжением треугольной формы. Частота последнего должна быть максимально высокой, чтобы обеспечить достаточное разрешение устройства преобразования. Обычно периоды разделяют минимальной паузой, препятствующей наложению двух соседних импульсов при максимальном уровне входного сигнала. На рис. 2.53б показан пример схемы на операционных усилителях, реализующей широтно-импульсную модуляцию.

МОЩНЫЕ МОП ТРАНЗИСТОРЫ

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП транзисторы) отличаются по характеристикам от биполярных транзисторов.

Как правило, они используются в качестве переключателей, хотя МОП транзисторы можно применять и в аналоговой электронике, о чем свидетельствуют многочисленные ИС усилителей на этих приборах. МОП транзистор в состоянии проводимости можно сравнить с замкнутым выключателем: он имеет остаточное сопротивление около 2 Ом для маломощных приборов и порядка 0,1 Ом для самых мощных. При высоких токах, которые способны пропускать данные компоненты, такие величины сопротивлений могут вызывать заметное падение напряжения. Например, резистор 0,1 Ом, через который проходит ток 10 А, имеет падение напряжения 1 В. При высоких рабочих напряжениях этой величиной можно пренебречь. Иначе обстоит дело при управлении вариатором скорости вращения двигателя, получающего питание от батарейки или аккумулятора напряжением 6 В (например, в радиоуправляемых моделях).

Для снижения остаточного сопротивления МОП транзисторы можно соединять параллельно. Два параллельно включенных идентичных транзистора с остаточным сопротивлением по 0,1 Ом составят один прибор с сопротивлением 0,05 Ом, который может пропускать удвоенный ток. Теоретически допустимо соединять подобным образом любое число транзисторов, но на практике обычно ограничиваются несколькими приборами (не более четырех).

В справочниках представлены мощные МОП транзисторы, которые могут коммутировать токи до 100 и даже до 150 А. Однако необходимо тщательно изучить техническую документацию, где представлены параметры транзисторов, прежде чем включать их в схему.

Как правило, приборы могут выдержать максимально допустимые токи лишь в течение очень короткого времени. Например, транзистор IRF540 (в корпусе Т0220) имеет максимальный ток 28 А при напряжении 100 В. Однако из анализа его характеристик следует, что такой ток допустим лишь в импульсном режиме, когда длительность импульсов не превышает 100 мкс. При ее увеличении до 10 мс приходится довольствоваться током 4 А. Превышение указанных значений сопряжено с риском вывода из строя самого транзистора или соединенного с ним защитного диода.

Ограничения по току распространяются и на случай параллельного включения транзисторов. Если учесть разброс параметров приборов, становится очевидным, что два параллельно включенных МОП транзистора никогда не имеют идентичные сопротивления в открытом состоянии. Вследствие этого через них будут проходить неравные токи, и риск превышения допустимых значений увеличивается. Наконец, следует отметить, что МОП транзисторы, как правило, менее надежны, чем биполярные. Кроме того, редко удается заранее выявить признаки возможного выхода прибора из строя.

Одно из несомненных достоинств полевых транзисторов — простота управления при малом токе, потребляемом от источника сигнала. Поданный на вход импульс напряжения 5 В, генерируемый логическим вентилем, позволяет коммутировать высокие токи в выходной цепи. Именно в этом и заключается основное преимущество полевых транзисторов по сравнению с биполярными, при использовании которых для достижения аналогичных выходных мощностей требуется каскадное соединение нескольких приборов.

Обычно МОП транзистор начинает проводить ток при управляющем напряжении 4 В. Однако для полного открывания на его вход нужно подать напряжение 10 или 12 В (последнее значение соответствует стандарту RS232). Управляющий электрод (аналогичный базе биполярного транзистора) называется затвором, аналогом эмиттера является исток, а коллектора — сток. Для наиболее распространенной схемы включения с общим истоком управляющим напряжением является Vgs, а выходным напряжением — Vds (рис. 2.54а). Между источником входного сигнала и затвором, как правило, включается низкоомный резистор. Одно и то же управляющее напряжение может подаваться на несколько параллельно включенных полевых транзисторов.

В этом случае на каждый транзистор требуется по затворному резистору (рис. 2.54б). Примеры управления МОП транзистором с помощью логического инвертора и каскада на биполярных транзисторах показаны на рис. 2.54в, г.

Аналогично существованию биполярных транзисторов n-р-n и p-n-p типов имеются полевые транзисторы с каналом n-типа и p-типа. Транзисторы с p-каналом редко применяются в виде дискретных элементов. Объединение МОП транзисторов обоих типов позволило создать комплементарные интегральные схемы, характеризующиеся исключительно низкой потребляемой мощностью. Тестирование МОП транзистора при помощи мультиметра затруднено, поскольку затворный электрод фактически изолирован от двух других. Можно лишь получить информацию о состоянии защитного диода, включенного между стоком и истоком, и проверить отсутствие короткого замыкания между выводами.

Следует помнить, что входной электрод МОП транзистора, как и вход логического вентиля КМОП типа, не должен оставаться свободным. Под воздействием наводок потенциал электрода способен принимать любое значение, что, в частности, может вызвать открывание транзистора и протекание высокого тока в выходной цепи при отсутствии входного сигнала. Поэтому во всех режимах, в том числе и на этапе тестирования, между затвором и общей точкой должно быть включено сопротивление утечки (обычно порядка 1 МОм).

ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Быстрое развитие электроники позволяет непрерывно совершенствовать основные параметры современных компьютеров: скорость вычислений, объем памяти, качество отображения информации на мониторе и др. Наряду с этим работа компьютеров все еще в значительной степени зависит от характеристик такого классического компонента, как электродвигатель. Вращение дискет, компакт-дисков и жесткого диска осуществляют двигатели постоянного тока, скорость вращения которых должна выдерживаться с максимальной точностью.

Для перемещения считывающих и печатающих головок применяются шаговые двигатели. Они имеют ротор в виде постоянного магнита и несколько обмоток, для питания которых используются четыре, шесть или восемь выводов. Переключение обмоток в определенном порядке вызывает угловое перемещение ротора на точно заданную величину, минимальный угол поворота ротора называется шагом. Шаговый двигатель может выполнять до 48 шагов за полный оборот, что обеспечивает угловое перемещение 7,5° за каждый шаг. Чтобы ротор вращался непрерывно, необходимо переключать питание обмоток в соответствии с определенной повторяющейся последовательностью. При изменении этой последовательности на противоположную двигатель начинает вращаться в обратном направлении. Скорость вращения зависит от частоты переключений и может достигать высоких значений. Если прервать последовательность управляющих сигналов, двигатель быстро останавливается в положении, соответствующем заданному соединению обмоток.

При этом на его оси сохраняется достаточный вращающий момент, гарантирующий высокую точность углового положения ротора. Хорошее представление о впечатляющих возможностях этих двигателей, не требующих специальных систем регулирования скорости вращения, дает наблюдение за перемещениями печатающей каретки принтера.

Шаговыми двигателями достаточно просто управлять с помощью специальных схем или путем программирования некоторого числа управляющих сигналов. На рис. 2.55 показана упрощенная схема питания обмоток двигателя посредством транзисторов, а также приведен пример последовательности управляющих сигналов.

Существуют также специализированные микросхемы для управления шаговыми двигателями, например SAA1027 и L297. На их входы подают два импульсных сигнала для выбора направления вращения и для подачи команды перехода к следующему шагу (последовательность переключения обмоток задается при этом автоматически).

Прежде чем подключать двигатель, следует внимательно изучить его параметры (напряжение питания, маркировку обмоток и т.д.).

При работе необходимо следить за тем, чтобы ось двигателя не перегружалась. Для увеличения вращающего момента можно применить редуктор, при этом соответственно увеличится число шагов за один оборот. На практике используются редукторы с фрикционной (для жестких дисков) и зубчатой передачей (для перемещения печатающей каретки).

ШИФРАТОР С ДВОИЧНЫМ КОДОМ

Некоторые логические функции удастся построить, не используя специализированные микросхемы. Устройство на дискретных элементах обычно оказывается дешевле и упрощает топологию печатной платы.

На рис. 2.56 показан шифратор с четырьмя входами и двумя двоичными выходами.

Такой компонент может служить полезным дополнением к переключателю, расположенному на лицевой панели. При этом каждому положению переключателя соответствует двоичное слово на выходе шифратора. Данное устройство может использоваться, например, для светодиодной индикации состояния переключателя. К нему не предъявляют специальных требований в отношении быстродействия и качества генерируемых сигналов, поэтому его схема предельно проста.

Переключатель может быть выполнен в виде двухрядного соединительного элемента с перемещаемой перемычкой. Весь набор компонентов размещается непосредственно на печатной плате и занимает немного места.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТОПАР

Оптопары обеспечивают полную электрическую изоляцию между частями схемы, получающими питание от разных источников. Как и транзисторы, они применяются в устройствах коммутации (в частности, при передаче данных с использованием оптоэлектронных систем) или в аналоговых схемах (например, в стабилизаторах напряжения).

Оптопары характеризуются значительным разбросом параметров от одного экземпляра к другому. Для проверки их характеристик достаточно построить небольшую схему, показанную на рис. 2.57.

Уровень входного напряжения, нужного для переключения выходного транзистора в режим насыщения (низкоомное состояние), может варьироваться на несколько вольт для приборов одного типа. В цифровой электронике этот разброс не играет существенной роли при правильном выборе входного напряжения и сопротивления в цепи светодиода (чтобы переключение на выходе осуществлялось для всех приборов).

В аналоговых схемах дело обстоит иначе, поэтому для обеспечения надежной работы необходимо предусмотреть ручную регулировку входного напряжения в достаточно широких пределах.

Наиболее распространенные оптопары имеют корпус типа DIP6 с шестью выводами. Два первых относятся к светодиоду, а три последних — к транзистору, вывод № 3 не задействован. Имеющийся вывод базы транзистора используется очень редко. Если этот вывод остается свободным, он функционирует подобно антенне и может принимать сигналы различного рода помех, возникающие, например, в импульсных источниках питания. Не всегда легко определить, с какой точкой схемы допустимо соединить этот вывод, не нарушив работу транзистора. В этом случае необходимо провести несколько тестов, не забывая о том, что неправильное подключение может иметь неприятные последствия для каскада, соединенного с выходом транзистора.

Проблемы такого рода не возникают при использовании более простой оптопары в корпусе типа DIP4, не имеющем вывода базы фототранзистора. Следует иметь в виду, что для таких корпусов предусмотрены различные варианты расположения выводов. Некоторые типы оптопар (например, SFH610 и SFH615) существуют в двух вариантах, единственное различие между которыми заключается в инверсном расположении выводов, соответствующих коллектору и эмиттеру фототранзистора.

ФОТОПРИЕМНИК ИК ДИАПАЗОНА

В современных электронных схемах широко используются приборы, выполняющие функции генерации, детектирования или измерения излучения. Повышенное внимание в последние годы уделяется приборам И К диапазона. Это связано с появлением и распространением устройств дистанционного управления, которыми оснащается практически вся аудио- и видеоаппаратура. Кодирование управляющих сигналов в таких устройствах постепенно стандартизируется, что расширяет область их применения.

Для детектирования сигналов ИК диапазона разработаны серийные модули, но радиолюбители могут без труда изготовить приемное устройство самостоятельно. В качестве детектора излучения используется фотодиод ИК диапазона. Такой диод обладает чувствительностью и в видимой части спектра, поэтому искусственное освещение является для него источником помех. Для их подавления детектор должен быть защищен оптическим фильтром (см. главу 1, раздел «Защита фотодиода от помех»). Как правило, корпус фотодиода обеспечивает широкую направленность приема излучения.

С целью ослабления помех от посторонних оптических сигналов следует ограничить угол, в пределах которого излучение может попадать на прибор.

На рис. 2.58 приведена схема усиления сигнала, генерируемого фотодиодом.

На выходе схемы формируется последовательность управляющих импульсов, амплитуда которых достаточно высока для выполнения дальнейшей обработки. Выходной операционный усилитель работает в режиме однополярного сигнала. Поэтому выходные импульсы наложены на постоянную составляющую, которую нетрудно убрать с помощью конденсатора или компаратора.

ПРИМЕНЕНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТОВ

В небольшом плоском пьезоэлементе возбуждаются механические колебания на звуковой частоте, равной частоте поданного на его контакты напряжения. Это позволяет использовать компонент в качестве зуммера. Наблюдается и обратный эффект: под воздействием механического напряжения на контактах пьезоэлемента возникает разность потенциалов, пропорциональная приложенной силе. При значительных усилиях пиковое значение разности потенциалов достигает десятков вольт. В таком режиме пьезоэлемент может использоваться в микрофонах.

Следует иметь в виду, что пьезоэлемент является высокоомным компонентом. Поэтому в большинстве случаев (если по цепи должен протекать хотя бы небольшой ток) параллельно ему необходимо подключить резистор или потенциометр с номиналом порядка 1 МОм.

ФАЗОВАЯ АВТОПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ

Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) представляет собой устройство, позволяющее генерировать цифровой сигнал, по фазе совпадающий с опорным. Область применения ФАПЧ весьма обширна и охватывает радиоприем (настройка на передатчик), частотное детектирование и устройства выборки.

Система ФАПЧ включает в себя два основных элемента (рис. 2.59): фазовый компаратор и генератор, управляемый напряжением (ГУН).

В качестве компаратора используется вентиль, выполняющий логическую функцию исключающее ИЛИ, работа которого была рассмотрена выше. Напомним, что такой вентиль переходит в состояние логического нуля на выходе, когда на его входах появляются идентичные сигналы. Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы, частота которых регулируется путем изменения управляющего напряжения. Сигнал генератора поступает на один из входов вентиля, а на второй вход подается опорный сигнал. В случае их несовпадения на выходе вентиля появляется импульс, передний фронт которого опережает фронт опорного сигнала или отстает от него. После интегрирования импульс преобразуется в управляющее напряжение и подается на вход генератора, что обеспечивает корректировку частоты сигнала на выходе. При синхронизации сигналов выход вентиля находится в состоянии 0. Для индикации режима синхронизации к этому выходу обычно подключают светодиод.

Аналогичный способ применяется для индикации настройки радиоприемника на передающую станцию. Для того чтобы повысить гибкость и точность регулировки, между выходом генератора и входом компаратора включают делитель частоты (двоичный счетчик). Например, если частота опорного сигнала составляет 50 Гц и используется счетчик, включенный по схеме делителя на 128 (7 бит), то генератор будет функционировать на центральной частоте 6400 Гц (128х50). Тогда при работе системы автоподстройки колебания частоты синтезируемого сигнала будут менее резкими.

Микросхема CD4046, выполняющая функцию ФАПЧ, содержит весь набор описанных элементов, за исключением счетчика. Вопрос об использовании счетчика и о выборе его коэффициента деления должен решаться разработчиком концепции устройства.

Рассмотренная схема (операционный усилитель и компаратор) может быть построена на дискретных аналоговых и цифровых элементах или исключительно с применением цифровой техники, что обеспечивает высокую надежность. Систему ФАПЧ в цифровом виде допустимо реализовать при помощи микроконтроллера в сочетании с относительно простой логической схемой (см. ниже).

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Электрический кабель является не единственным средством для передачи аналоговой и цифровой информации. Реже используется оптическое волокно, этот способ передачи информации относительно дорог. Пневматические устройства еще менее популярны, хотя и обладают рядом преимуществ, даже когда просто выполняют роль выключателя. Устройство, аналогичное выключателю с механическим приводом, содержит трубку с датчиком давления на конце. Другой конец трубки в простейшем случае снабжен резиновой грушей (рис. 2.60).

Датчик содержит мембрану, которая, деформируясь при повышении давления воздуха в трубке, замыкает контакт концевого типа.

В моделях, обладающих большей чувствительностью, для замыкания контактов используется небольшой подвижный шарик. Пневматический способ управления часто применяется в системах обеспечения безопасности. Некоторые бассейны оснащены насосом для тренировки в условиях плавания против течения. При этом удобнее управлять насосом, не выходя из воды. В подобных случаях пневматический выключатель незаменим. Пневматические устройства традиционно применяются в различных системах для выявления области пониженного давления. Сверхчувствительные пневматические датчики позволяют контролировать артериальное давление у тяжелых больных. При необходимости включается система оказания помощи.

Нетрудно сделать устройство, в котором для включения управляющего сигнала достаточно подуть в трубку. Для этого нужно подсоединить мундштук к гибкому шлангу подходящего диаметра, соединенному с датчиком давления.

В продаже довольно редко встречаются компоненты, из которых можно создать пневматическую систему управления. Исключением является датчики давления: они используются в некоторых моделях стиральных машин и продаются в числе прочих запасных деталей.

ПОЛНАЯ МОСТОВАЯ СХЕМА

Полная мостовая схема (Н-образный мост) содержит четыре выключателя, соединенных последовательно-параллельно. Широко распространен электронный вариант моста, где обычно используются транзисторы, работающие в режиме переключения. Такая схема часто служит для управления двигателем постоянного тока и позволяет изменять скорость и направление вращения.

Схема, приведенная на рис. 2.61а, иллюстрирует управление двигателем, который можно привести в одно из четырех различных состояний: вращения в одном или в другом направлении, отключения и принудительной остановки (торможения).

Последний вариант осуществляется путем одновременного замыкания двух нижних выключателей. В результате происходит закорачивание обмотки двигателя. Схема часто используется для управления двигателями в радиоуправляемых моделях. Последовательность сигналов должна быть достаточно точной: нужно избежать одновременного замыкания двух переключателей в одной ветви, что привело бы к закорачиванию источника питания. Чтобы выполнить это условие, для формирования управляющих сигналов обычно применяется специальное устройство. Путем периодического прерывания тока в ветвях моста можно изменять среднее значение тока, протекающего через двигатель, а следовательно, и скорость его вращения.

Другим интересным примером использования полной мостовой схемы является генерация импульсного сигнала, у которого полный перепад уровней равен удвоенной величине напряжения источника питания (рис. 2.61б).

Для решения этой задачи периодически чередуют токи в двух противоположных ветвях, выполняя вышеуказанное условие. В зависимости от типа нагрузки, включенной на выходе моста (индуктивной или емкостной), время паузы в подаче сигналов подбирают так, чтобы ток успевал снизиться до прихода сигнала противоположной полярности. Описанная схема может использоваться для подачи сигнала повышенного напряжения на громкоговоритель или в выходных каскадах инвертора.

В качестве переключающих элементов все чаще применяются МОП транзисторы благодаря малому току, потребляемому по цепи управления. Однако переключение мощных транзисторов является непростой задачей, поскольку для этого необходимо располагать управляющим напряжением порядка 10 В относительно истока, который в данном случае является точкой с плавающим потенциалом. Есть несколько возможных решений данной проблемы, в частности подача управляющего сигнала через трансформатор, использование источника питания с незаземленным выходом или применение специализированных схем.

ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Часто возникает необходимость рассчитать схему делителя напряжения, один из резисторов которой является переменным. Такая задача появляется, когда требуется получить опорное напряжение для операционного усилителя с относительно точной регулировкой в узком диапазоне. В этом случае удобно задать ток, потребляемый делителем. Данный параметр часто важен и сам по себе, особенно когда схема работает от батарейки и желательно обеспечить минимальную потребляемую мощность.

На рис. 2.62 представлен делитель с тремя резисторами, один из которых является потенциометром. Допустим, при одном крайнем положении движка резистора нужно получить напряжение 1,5 В, а при другом — напряжение 2,5 В.

Вначале зададим максимальный ток, который будет протекать по делителю. Пусть эта величина составляет 500 мкА при напряжении питания 5 В. Отсюда сразу можно определить номинал потенциометра. Он равен 2 кОм (падение напряжения 1 В на его крайних выводах при токе 500 мкА). Используя тот же ход рассуждений, получаем номиналы остальных резисторов: 3 и 5 кОм. Разумеется, эти значения уточняются в зависимости от выбранной серии резисторов.

МНОГООБОРОТНЫЙ ПОТЕНЦИОМЕТР

Многооборотные потенциометры (полное перемещение движка происходит за десять оборотов регулировочного винта) очень полезны, когда нужно отрегулировать какую-либо величину, например выходное напряжение источника питания, с высокой точностью. К сожалению, цена устройств часто слишком высока для любителей.

В продаже имеются механические переключатели, объединенные с переменными резисторами, позволяющие трансформировать однооборотную модель потенциометра в многооборотную. Такие компоненты также дорого стоят и занимают много места.

Есть простой и эффективный способ, позволяющий достичь точной и плавной регулировки: последовательное включение двух однооборотных переменных резисторов (рис. 2.63).

Один из них имеет требуемое сопротивление (или чуть ниже), а второй, значительно меньший по номиналу, позволяет точно регулировать суммарное сопротивление. Вначале с помощью первого резистора получают приблизительную (грубую) настройку, а окончательный результат обеспечивает тонкая настройка вторым резистором. Такой подход неприменим для потенциометрической схемы регулировки (со средней точкой).

ЛОГИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ ИЛИ

Операция ИЛИ принадлежит к разряду классических логических операций. В электротехнических устройствах она выполняется при помощи серии выключателей или контактов реле, расположенных параллельно. Если хотя бы один из контактов замыкается, то сигнал передается со входа на выход. В электронике вместо контактов используются разнообразные диоды (рис. 2.64).

Такое простое решение часто позволяет сэкономить одну или несколько интегральных схем. Наименьшая величина обратного сопротивления диода при напряжении Vcc составляет около 10 кОм. Быстродействие схемы зависит от выбранного типа диодов. По данному параметру она не уступает другим диодным схемам.

ЛОГИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ И

Логическую операцию И (как и описанную выше операцию ИЛИ) можно выполнить, используя полупроводниковые диоды (рис. 2.65). Такой вариант встречается реже, чем операция ИЛИ, хотя имеет аналогичные характеристики и достоинства.

ЗАЩИТА ПРОТИВ ИНВЕРСИИ ПОЛЯРНОСТИ

Когда какое-либо устройство питается от источника постоянного напряжения и включается лишь на короткое время (например, индикатор момента зажигания, применяющийся для диагностики двигателя внутреннего сгорания), возникает риск инверсии полярности. Последствия этого события нетрудно себе представить, особенно когда для питания используется мощный аккумулятор.

Если между напряжением питания и напряжением, необходимым для работы устройства, имеется существенная разница (не менее 2 В), то на входе схемы можно поставить выпрямительный мост (рис. 2.66). Тогда полярность напряжения на входе не будет играть никакой роли, хотя падение напряжения на диодах моста неизбежно приведет к потерям мощности. Схемы такого рода применяются только для малых мощностей. Как правило, их не используют для автомобильного радиоприемника и тем более для преобразователя 12/220 В.

ДВУХТАКТНЫЙ КАСКАД

Двухтактный каскад — это каскад на двух транзисторах, обычно используемый на выходе быстродействующих цифровых устройств.

Кроме того, он входит в состав многих управляющих схем на МОП транзисторах. Двухтактный каскад включают также на выходе большинства генераторов синусоидального напряжения, работающих на низкоомную нагрузку (обычно 50 Ом). Его применение обеспечивает улучшение согласования генератора с нагрузкой. Базовая схема проста (рис. 2.67): у двух комплементарных транзисторов, включенных по схеме с общим коллектором, соединены эмиттеры и базы.

Транзистор n-р-n типа присоединен к положительному полюсу источника питания, а транзистор р-n-р типа — к отрицательному. Транзисторы открываются поочередно, и напряжение на выходе практически повторяет по форме входной сигнал.

Двухтактный каскад обладает одним недостатком: он не может полностью воспроизвести сигнал, который в отрицательный полупериод опускается до нуля. В таком случае, как показано на рисунке, перепад напряжения на выходе оказывается меньше, чем на входе, из-за конечного остаточного напряжения на открытом транзисторе.

Этот недостаток не играет никакой роли, когда каскад используется для управления схемой на МОП транзисторах, но существенно важен для выходных каскадов. С целью устранения описанной проблемы необходимо обеспечить симметричное питание двухтактного каскада, то есть применить дополнительный источник отрицательного напряжения.

ДИОДНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Чтобы создать источник постоянного напряжения питания, используют однополупериодное или двухполупериодное выпрямление.

Типичные схемы выпрямителей приведены на рис. 2.68.

Первый вариант (с одиночным диодом, рис. 2.68а) применяется редко из-за низкого КПД и высоких пульсаций выходного напряжения. Наиболее популярен двухполупериодный мостовой выпрямитель, содержащий четыре диода (рис. 2.68б).

Многие трансформаторы имеют две вторичные обмотки, которые можно соединить параллельно, чтобы получить максимальную выходную мощность. Схема со средней точкой во вторичной обмотке и двумя диодами (рис. 2.68в) выполняет ту же функцию, что и мостовой выпрямитель. При этом она дешевле и занимает меньше места. На рис. 2.68 г показана форма сигналов в различных точках: до выпрямителя (А), на выходе однополупериодного (В) и двухполупериодного (С) выпрямителя.

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Повышение выходного напряжения

Интегральные схемы стабилизаторов напряжения с фиксированным выходным напряжением в основном нужны для широко используемых значений. Для промежуточных величин приходится применять регулируемые стабилизаторы, которые не всегда найдешь в нужный момент. Однако можно изменить уровень на выходе стабилизатора постоянного напряжения. Для этого надо сместить потенциал опорного электрода (для Т0220 это положительный вывод, расположенный посередине), присоединив к нему один или нескольких диодов (рис. 2.69а). Добавление каждого диода увеличивает выходное напряжение приблизительно на 0,6 В.

Таким образом, микросхема типа 7812 в сочетании с тремя диодами обеспечит выходное напряжение 13,8 В, необходимое для зарядки свинцового аккумулятора на 12 В.

Того же эффекта можно добиться при подключении делителя к опорному электроду (соответствующая схема и формула для расчета выходного напряжения показаны на рис. 2.69б). Регулировка коэффициента деления с использованием потенциометра дает возможность соответствующим образом изменять напряжение на выходе.

Выходной конденсатор

Хотя в стабилизаторе напряжения есть средства защиты от перегрузок в различных режимах (а также защита от перегрева), он может выйти из строя, если напряжение на выходе превысит напряжение на входе. Конденсатор большой емкости, включенный на выходе для сглаживания пульсаций напряжения, усиливает риск такой ситуации при малом потреблении выходного тока, особенно когда от входного напряжения стабилизатора питается другая часть схемы.

Аналогичный режим возникает, если стабилизатор используется для зарядки аккумуляторной батареи и в конце этого процесса происходит ее перезаряд. Конденсаторы, которые расположены после диодного моста, могут разрядиться прежде, чем это произойдет с конденсатором на выходе стабилизатора. В таком случае устройство может выйти из строя в течение десятых долей секунды. Поэтому на выходе всегда ставится конденсатор меньшей емкости, чем на входе. Для безопасной работы между входом и выходом можно поставить защитный диод, через который от выхода схемы будет отводиться избыточный ток (рис. 2.70).

Стабилизатор напряжения в качестве генератора тока

Простые схемы генератора тока приводились выше. Стабилизатор напряжения также может работать в режиме генератора тока. С этой целью предпочтительнее использовать регулируемую модель, например типа LM317, обладающую небольшим внутренним опорным напряжением высокой стабильности. В данном случае его величина составляет 1,2 В. Для задания тока достаточно включить последовательно с нагрузкой резистор, выбранный по формуле R = 1,2/I (рис. 2.71).

Следует иметь в виду, что в этом резисторе может выделяться значительная мощность. Генератор тока используется в самых разных областях, чаще всего он применяется для зарядки никель-кадмиевого аккумулятора.

Повышенное входное напряжение

Сегодня редко можно увидеть источник питания малой или средней мощности, в котором не использовался бы один из широко представленных на рынке интегральных стабилизаторов. Диапазон их параметров очень велик: модели с положительным и отрицательным выходным напряжением, постоянным или регулируемым, в корпусах типа Т0220 и ТОЗ. Входное напряжение этих достаточно надежных компонентов не должно превышать предельного значения, составляющего, как правило, 40 В для стабилизаторов с выходным напряжением 24 В и 35 В — для других типов.

С учетом рассеиваемой мощности правильнее говорить о допустимой разности напряжений между выходом и входом. Например, микросхема типа 7805, имеющая выходное напряжение 5 В и максимальный ток 1 А, при питании от входного напряжения 9 В рассеивает мощность, равную (9 В — 5 В) х 1 А — 4 Вт. Стабилизатор с входным напряжением 24 В и током 250 мА должен рассеивать мощность, приблизительно равную 4,75 Вт. При этом необходимо позаботиться об охлаждении устройства.

Схема, данная на рис. 2.72, позволяет использовать для питания стабилизатора напряжение, превышающее допустимое максимальное значение, за счет включения на входе дополнительного балластного резистора. При выборе типа резистора следует иметь в виду, что рассеиваемая им мощность также должна достигать значительной величины.

ИМПУЛЬСНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

В последнее время наблюдается значительный прогресс в области импульсной стабилизации напряжения. Новые устройства выгодно отличаются от традиционных (аналоговые схемы с последовательным включением регулирующего элемента). Современные силовые компоненты позволяют использовать весьма высокие рабочие частоты, благодаря чему можно существенно уменьшить размеры, вес и стоимость стабилизаторов при сохранении их основных характеристик. Импульсные источники питания широко применяются в различных радиоэлектронных устройствах и в современных компьютерах.

Принцип импульсной стабилизации используется не только в источниках, питающихся от электрической сети, но и в понижающих или повышающих преобразователях постоянного напряжения. Трансформаторы, работающие на частоте сети 50 Гц, имеют большие размеры и вес, причем эти параметры быстро увеличиваются с возрастанием выходной мощности. Такая же закономерность характерна и для других силовых элементов источника питания. Источник потребляет значительную мощность, поэтому он должен интенсивно охлаждаться. При увеличении рабочей частоты можно в значительной мере преодолеть эти недостатки. Вместо того чтобы управлять высоким выходным током при низком напряжении, гораздо эффективнее использовать импульсное управление более низким током на входе стабилизатора при питании постоянным напряжением от выпрямителя, подключенного к сети. В качестве управляющих элементов успешно используются мощные МОП транзисторы, описанные выше.

На рис. 2.73а представлена блок-схема классического источника питания, а на рис. 2.73б — схема его импульсного аналога.

В последнем случае к сети подключен мостовой выпрямитель с фильтрующим конденсатором, обеспечивающий постоянное напряжение около 310 В. Это напряжение, прерываемое электронным переключателем (МОП транзистором), подводится к понижающему трансформатору, во вторичную обмотку которого включен выпрямитель с фильтром. Устройство управления обеспечивает работу транзистора в ключевом режиме на значительной частоте (до нескольких десятков килогерц), что позволяет существенно снизить размеры трансформатора и потребляемую им мощность. Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем изменения длительности импульсов, поступающих на трансформатор. При разработке схемы необходимо добиться согласования потенциалов в различных ее частях. Кроме того, для подавления значительных импульсных помех устройство следует экранировать.

Импульсная техника используется не только для создания источников питания, работающих от сети. Часто необходимо понизить относительно высокое постоянное напряжение до заданного стабилизированного значения. Если для выполнения такой задачи используется серийный аналоговый стабилизатор, то неизбежно встает проблема рассеяния значительной мощности. Схема, данная на рис. 2.73в, представляет собой оригинальный вариант использования классической микросхемы LM723. Она управляет импульсным источником питания, способным обеспечить в нагрузке максимальный ток 2 А при напряжении 5 В. При этом напряжение на входе может достигать 28 В. Рабочая частота составляет около 20 кГц, остаточные колебания выходного напряжения не превышают 40 мВ.

При значительной разнице напряжений между входом и выходом мощность, рассеиваемая силовым регулирующим элементом (транзистор Дарлингтона р-n-р типа), намного ниже, чем в традиционных схемах.

На рис. 2.73 г показан пример использования специализированной микросхемы типа TL497. Здесь представлен преобразователь с входным напряжением 12 В, который может обеспечить на выходе до 28 В при максимальном токе 3 А.

Важную роль в работе устройства играет дроссель, накапливающий энергию и в нужный момент отдающий ее в нагрузку. Модель TL497 отличается от других аналогичных микросхем принципом генерации сигналов. Стабилизация производится не за счет варьирования длительности импульсов, а в связи с изменения частоты их следования. Если источник питания нагружен слабо или не нагружен совсем, импульсы следуют с частотой порядка 1 Гц. В таком режиме можно слышать легкие щелчки, исходящие от дросселя, частота которых при работе регулирующего устройства изменяется в соответствии с частотой следования импульсов.

СТАБИЛИЗАТОРЫ НА ДИСКРЕТНЫХ КОМПОНЕНТАХ

При разработке источника питания, как правило, используют одну из специализированных серийных микросхем стабилизаторов. Наряду с этим можно построить простую схему стабилизатора на дискретных компонентах. Схема, представленная на рис. 2.74а, позволяет получить на выходе высокостабильное регулируемое напряжение.

При необходимости переменный резистор можно вынести за пределы устройства для удобства регулировки. Тип балластного транзистора выбирается в соответствии с требуемым током. Если он не превышает 200 мА, можно использовать транзистор ВС547, при более высоких токах (вплоть до 1 А) потребуется составной транзистор Дарлингтона типа TIP 122. Мощность, рассеиваемая транзистором, определяется разностью входного (на коллекторе) и выходного (на эмиттере) напряжений, а также потребляемым током. При значительной величине рассеиваемой мощности требуется принять меры для охлаждения транзистора.

Вторая схема (рис. 2.74б) дополнительно обеспечивает ограничение выходного тока. Уровень ограничения определяется сопротивлением резистора, включенного последовательно с нагрузкой. Как только напряжение на его выводах достигает порога открывания третьего транзистора (около 0,6 В), по коллекторной цепи начинает протекать ток. Это приводит к уменьшению проводимости балластного транзистора и к снижению выходного напряжения стабилизатора. При выборе типа резистора необходимо, как обычно, оценить рассеиваемую им мощность.

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА

Сегодня ассортимент интегральных импульсных стабилизаторов напряжения весьма широк. Для их использования в устройствах с небольшим потребляемым током, как правило, достаточно добавить несколько резисторов, конденсаторов, дроссель и быстродействующий диод. К этому же семейству принадлежат и некоторые микросхемы стабилизаторов тока, в основном предназначенные для зарядки аккумуляторов. Они также работают при весьма ограниченных токах.

Для стабилизации и регулировки более значительных токов можно использовать устройства на базе стабилизатора напряжения. В данном случае задача состоит в том, чтобы преобразовать ток в соответствующее ему напряжение и приложить его к тому входу стабилизатора, который обычно используется для измерения выходного напряжения. Для получения нужного напряжения в цепь потребляемого тока включаются один или несколько резисторов (рис. 2.75).

Иногда возникает необходимость усилить это напряжение, чтобы довести его до уровня, требуемого стабилизатору.

Основой устройства является популярная микросхема импульсного стабилизатора типа SG3524 (или LM3524). Эта схема может работать непосредственно на сравнительно маломощную нагрузку или, как показано на рисунке, управлять коммутатором повышенной мощности (в том числе переключателем на МОП транзисторах). Стабилизация основана на модуляции длительности импульсов, следующих с постоянной частотой. Имеющийся в микросхеме дифференциальный усилитель постоянно сравнивает сигнал, в данном случае пропорциональный регулируемому току (на выводе 1), с установленным опорным уровнем (на выводе 2), который должен находиться в диапазоне 1–4 В. В этом же диапазоне находится и напряжение, пропорциональное току. Следует выбирать измерительные резисторы с учетом рассеиваемой ими мощности, которая иногда достигает значительной величины.

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЛЕ

Защита управляющего транзистора

Для управления реле обычно используются дискретные транзисторы или компоненты микросхемы, содержащей матрицу транзисторов (см. раздел «Транзисторные матрицы»). Параллельно обмотке реле всегда включается защитный диод (рис. 2.76).

При протекании тока управления через обмотку в ней накапливается энергия, которая препятствует прекращению тока при выключении транзистора.

Если не принять меры предосторожности, это явление может вызвать импульс напряжения, опасный для управляющего транзистора. Диод обеспечивает путь протекания индуктивного тока при выключении реле, что предохраняет транзистор от перегрузки.

Реле с самоблокировкой

В электротехнике широко используется реле с самоблокировкой, у которого питание обмотки осуществляется через один из контактов. Такая схема имеет ряд достоинств. В частности, она позволяет избежать ситуации, когда управляемое устройство, отключившееся из-за снятия напряжения питания, неожиданно включается снова при возобновлении питания. Также имеется возможность выполнять включение и выключение с помощью двух независимых кнопок. Для этого требуется реле, имеющее по крайней мере два нормально разомкнутых контакта.

На схемах, приведенных на рис, 2.77а, б, показаны два упомянутых варианта применения реле с самоблокировкой. Кроме этого, представлена схема включения индикатора отсутствия напряжения сети (рис. 2.77в).

Индикаторный светодиод подключен к батарейке или аккумулятору через нормально замкнутый контакт реле, катушка которого питается сетевым напряжением 220 В. Нажатие на кнопку (она должна быть рассчитана на напряжение сети) вызывает срабатывание реле, которое остается включенным после отпускания кнопки благодаря наличию параллельного ей замкнутого контакта. Одновременно разрывается цепь питания светодиода. Если напряжение сети отключается, реле возвращается в исходное состояние и светодиод зажигается. Когда напряжение сети восстанавливается, требуется повторное нажатие на кнопку, чтобы индикатор сбоя погас. При желании светодиод можно заменить зуммером.

РЕЗИСТОРНЫЕ МАТРИЦЫ

Резисторная матрица содержит несколько одинаковых резисторов. Любители используют эти компоненты сравнительно редко. Однако у таких матриц есть некоторые преимущества по сравнению с эквивалентным набором дискретных резисторов. В частности, они позволяют ускорить сборку схем. Резисторные матрицы удобно использовать в цифровых устройствах для создания делителей, обеспечивающих набор калиброванных напряжений, или для ограничения тока нескольких светодиодов, расположенных близко друг от друга. В аналоговых схемах матрицы могут применяться в сочетании с операционным усилителем, в частности в качестве резисторов в цепи отрицательной обратной связи. В этом случае гарантируется высокая стабильность коэффициента усиления и точность его задания, так как разброс параметров у резисторов матрицы, как правило, незначителен.

Существующие матрицы содержат четыре, семь или восемь резисторов, подключенных к выводам независимо или по схеме с общей точкой (рис. 2.78).

При наличии общего вывода он помечается маркировочной точкой на корпусе. Если есть сомнения по поводу типа матрицы или параметров резисторов, нетрудно проверить микросхему при помощи омметра.

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ

Прецизионные резисторы

дороги, не всегда можно найти нужный номинал, кроме того, они обычно продаются только в наборах.

Наиболее часто такие резисторы применяются для построения прецизионного делителя (например, при калибровке измерительного прибора) или если требуется набор идентичных резисторов, для которых абсолютная величина сопротивления не слишком важна. В последнем случае при помощи цифрового мультиметра можно провести сортировку обычных резисторов одного номинала и отобрать те из них, что имеют одинаковые сопротивления (например, 99,8 кОм при номинальном значении 100 кОм). Однако при этом стабильность параметров во времени, особенно в случае колебаний температуры, не гарантируется. Гарантию стабильности дает только использование прецизионных резисторов.

Параллельное включение резисторов

Определение результирующего сопротивления при параллельном включении нескольких резисторов выполняется с помощью хорошо известной расчетной формулы. Напомним, что полученная величина оказывается меньше, чем минимальное из использованных сопротивлений.

Рассеиваемые мощности

Мощность, рассеиваемая резистором, является важным показателем, о котором при разработке схемы иногда забывают. В этом случае первое включение схемы может вызвать неприятные последствия. Например, нетрудно рассчитать, что резистор 2,2 кОм, предназначенный для ограничения до 20 мА тока, потребляемого светодиодом, при напряжении источника питания 48 В рассеивает мощность около 1 Вт.

Если в схеме использован резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт, через короткое время он выйдет из строя, а более мощный резистор может не поместиться на печатной плате.

При создании схем с мощными резисторами следует быть особенно внимательным. Необходимо учитывать, что допустимые значения мощности, указанные производителями, обычно гарантируются для рабочей температуры 25 °C. Но при работе мощного устройства эта температура может быть существенно выше. Бывает, что резистор с номинальной рабочей мощностью 10 Вт при 25 °C перегревается при рассеивании всего лишь 2,5 Вт, если температура окружающей среды составляет 70 °C. В подобных случаях следует выбирать резисторы в специальном корпусе, оснащенном пластинами для охлаждения, размещать их на радиаторе и обеспечивать адекватную вентиляцию. Отметим, что выбор заведомо более мощного резистора не всегда позволяет избежать перегрева, так как рассеиваемая мощность при этом остается прежней.

Рабочие напряжения

Резистор, как и конденсатор, имеет максимально допустимое рабочее напряжение. Необходимость учитывать этот параметр ярко проявляется при работе со схемами, непосредственно подключенными к электрической сети. Примерами могут служить RC-цепи, служащие для подавления помех, или источники питания без трансформатора.

Классический резистор с номинальной мощностью 0,5 Вт обычно имеет допустимое рабочее напряжение порядка 200 В. В упомянутых выше устройствах при номинальном эффективном напряжении сети 230 В возможны режимы, при которых пиковое значение напряжения на резисторах может достигать 650 В. Даже если требованию по рассеиваемой мощности удовлетворяет один резистор, в данном случае необходимо использовать по меньшей мере три последовательно соединенных компонента, чтобы напряжение на каждом из них всегда оставалось в допустимых пределах. Из этого можно сделать вывод, что, если в схеме, подключенной к сети, есть несколько последовательных резисторов, их нельзя заменять одним резистором соответствующего номинала (рис. 2.79). В противном случае возникает опасность его разрушения.

Переменные цифровые резисторы

Сопряжение цифровой схемы с аналоговой нередко оказывается весьма сложной задачей, особенно если при разработке эти схемы не предназначались для работы друг с другом. Такая ситуация может возникнуть, например когда микропроцессор управляет регулируемым источником постоянного напряжения или генератором синусоидального сигнала. Обычно в системах автоматического регулирования функция считывания выходной величины выполняется проще, чем функция управления.

Часто регулирующие устройства должны имитировать плавно изменяющееся сопротивление, для чего используется цифровой (наборный) резистор, сопротивление которого варьируется в широких пределах с малым шагом в соответствии с заданным цифровым сигналом. Есть программируемые интегральные цифровые потенциометры, которые помогают в решении данной задачи. Однако такие микросхемы сравнительно дороги и не всегда обладают нужными параметрами, поэтому их часто заменяют дискретными компонентами.

Схема, приведенная на рис. 2.80, позволяет имитировать переменный резистор, характеристики которого можно выбирать, исходя из конкретных требований. Переключения выполняются с помощью контактов реле, что обеспечивает полную изоляцию цифровой части устройства от аналоговой.

Принцип работы схемы очень прост. В ней используется набор последовательно включенных резисторов, сопротивления которых при переходе от одного к другому изменяются путем умножения на 2, что соответствует изменению веса разрядов двоичного управляющего сигнала. Параллельно выводам каждого резистора подключен нормально замкнутый контакт реле, на обмотку которого подается цифровой сигнал соответствующего разряда. В состоянии покоя общее сопротивление равно нулю. Появление управляющего сигнала, соответствующего единице младшего разряда, отключает контакт, замыкающий первый резистор. В рассматриваемом примере на выходе появляется сопротивление 500 Ом. Включение второго реле, соответствующего следующему разряду двоичного сигнала (при отключении первого), дает на выходе сопротивление 1000 Ом.

Дальнейшее увеличение двоичного слова на единицу (переход от 2 к 3 в десятичном коде) обеспечивает увеличение выходного сопротивления до 1500 Ом и т. д. Максимальное значение сопротивления составляет 7,5 кОм (все контакты отключены), оно реализуется при подаче двоичного слова 0FH.

Число разрядов и наименьшее сопротивление в наборе могут задаваться с учетом конкретных требований. Управление реле осуществляется с помощью дискретных транзисторов или от микросхем типа ULN2003, ULN2004. Если в наличии нет реле с нормально замкнутыми контактами, в схему управления можно включить логические инверторы. В таком случае необходимо проверить общее потребление тока, поскольку в состоянии покоя все реле должны быть включены. Подобный вариант схемы можно использовать в сочетании с двоичным счетчиком, реализующим счет вперед или назад, или с микроконтроллером. Очевидно, что при управлении с помощью механических реле выходное сопротивление будет изменяться сравнительно медленно.

СЕРВОДВИГАТЕЛЬ В ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ

Серводвигатель — это миниатюрный двигатель, управляемый электронным устройством. Чаще всего это дешевые двигатели, используемые в радиоуправляемых моделях. Они приводятся в движение от источника постоянного напряжения и обычно соединены с механическим редуктором, который имеет большое передаточное отношение и обеспечивает значительный вращающий момент. Серводвигатель нередко используется для вращения потенциометра системы автоматического регулирования. При повороте оси потенциометра с контактов устройства снимается напряжение, пропорциональное угловому положению движка. Оно сравнивается с опорным напряжением, и сигнал, зависящий от их разности, подается на двигатель, который вращается в нужном направлении, пока не достигнет положения, соответствующего заданному опорному сигналу.

Перечисленные функции выполняются, как правило, специализированными схемами. При таком способе управления двигатели хорошо сочетаются с электронными устройствами. В данном случае применяется последовательность импульсов переменной длительности, посылаемых с постоянной частотой. Период импульсов составляет обычно 20 мс. Среднему (нейтральному) положению двигателя соответствует импульс длительностью 1,5 мс, два крайних положения достигаются при изменении этого параметра в пределах ±0,5 мс (рис. 2.81). Частота следования импульсов в данном случае соответствует частоте сети (50 Гц), однако ее изменение в широких пределах не влияет на работу двигателя.

Данный метод позволяет осуществлять управление с помощью любой цифровой схемы или с использованием микроконтроллера в сочетании с несложной программой. Номинальное напряжение источников питания и управления серводвигателем равно 4,8 В (4 аккумулятора по 1,2 В). Для этого хорошо подходит стандартный источник напряжения 5 В при условии, что он может обеспечить достаточный для вращения двигателя ток (приблизительно 500 мА). Если одновременно используется несколько двигателей, разумно предусмотреть для каждого отдельный источник питания, чтобы исключить возможные помехи.

Для подключения серводвигателя применяется малогабаритный соединительный элемент с тремя выводами, к которым подходят общий провод (черный), а также провода для подачи напряжения +5 В (красный) и управляющих импульсов (обычно оранжевый).

СУММАТОР И ВЫЧИТАТЕЛЬ АНАЛОГОВОГО ТИПА

Сумматор и вычитатель напряжений входят в число базовых аналоговых схем на операционных усилителях (рис. 2.82). Они находят широкое применение, особенно для обработки и усиления сигналов, поступающих от датчиков физических величин, например температуры, механической нагрузки или показателя кислотности (pH) воды. Чтобы достичь нужной точности, следует соблюдать идентичность парных резисторов. Это требование играет более важную роль, чем точный подбор абсолютных значений сопротивлений. Соображения, высказанные по поводу резисторных цепей (см. выше), распространяются также и на данные устройства.

СИНХРОНИЗАЦИЯ ОТ СЕТИ

Напряжение электрической сети часто используется в электронных схемах в качестве опорного сигнала для генераторов тактовых импульсов или для синхронизации автоматизированных измерительных приборов. При измерении напряжений, содержащих остаточные пульсации на сетевой частоте, иногда проще произвести замер в определенный момент, чем выполнять тщательную фильтрацию сигнала (рис. 2.83а). При выполнении дискретных измерений через заданные промежутки времени на вход прерывания микроконтроллера часто подают прямоугольный сигнал, синхронизированный с напряжением сети. В этом случае обычно создаются оптимальные условия для снижения погрешностей измерения, связанных с различными помехами и наводками.

Для получения прямоугольных синхроимпульсов используется простая схема на стабилитроне в сочетании с резистором. Она ограничивает сверху переменное напряжение, снятое с любой точки вторичной обмотки трансформатора источника питания (рис. 2.83б).

Величина сопротивления вычисляется на основании максимального потенциала в выбранной точке относительно общей точки схемы, а не на основании эффективного значения напряжения на данной обмотке.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

При измерении температуры высокая точность обычно не требуется, особенно когда речь идет только о фиксации превышения заданного порогового значения. Это относится, в частности, к схемам термической защиты, которыми оснащены устройства определенного класса. Долгое время в таких схемах использовались электромеханические датчики температуры, однако в настоящее время разработчики все чаще применяют электронные компоненты, не обязательно специализированные. Измерить температуру можно и с помощью обычного транзистора, как это сделано в схеме на рис. 2.84.

Собственно датчиком служит переход база-эмиттер первого транзистора, так как при нагревании напряжение на переходе существенно изменяется. Два других транзистора нужны для усиления снимаемого с датчика напряжения и для его преобразования в логический сигнал, который переключается при достижении заданной температуры (обычно 80-100 °C). В данном устройстве необходимо обеспечить хороший тепловой контакт между датчиком и радиатором, как и в случае монтажа охлаждаемых компонентов. Однако на этом контакте должно соблюдаться условие полной электрической изоляции во избежание сбоев логического сигнала.

ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ

Иногда в устройстве необходимо создать отрицательное напряжение относительно общей точки, но по экономическим соображениям или из-за недостатка места нельзя использовать дополнительный источник питания, выполняющий функции выпрямления, фильтрации и стабилизации. Зачастую при этом не нужна высокая точность и стабильность отрицательного напряжения. К таким случаям относятся, например, задача сопряжения цифрового устройства с последовательной цепью стандарта RS232 и необходимость обеспечения симметричного питания операционного усилителя в устройствах обработки аналоговых сигналов (речь, музыка и т. д.).

Простая схема, приведенная на рис. 2.85, вполне подходит для решения данных задач.

На вход подается любой прямоугольный сигнал, например, сигнал с какого-либо делителя или тактового генератора. Можно использовать также регулярную последовательность импульсов, предназначенных для питания индикатора или для управления устройством памяти. Полученное на выходе схемы напряжение по абсолютной величине несколько меньше амплитуды прямоугольного сигнала. В ТТЛ схемах оно составляет приблизительно 4,5 В. Ток, потребляемый нагрузкой, не должен превышать нескольких миллиампер.

СОЕДИНЕНИЕ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

Силовые трансформаторы радиоэлектронных устройств имеют, как правило, две одинаковые вторичные обмотки. В зависимости от предполагаемого применения их можно соединять либо последовательно — для удвоения напряжения, либо параллельно — для удвоения тока. Небольшие трансформаторы, закрепляемые непосредственно на печатной плате, обычно имеют стандартное расположение выводов. Соединение их обмоток выполняется по схеме, приведенной на рис. 2.86.

Для более сложных моделей (например, с тороидальным сердечником) при отсутствии документации необходимо с помощью осциллографа исследовать напряжения на обмотках во избежание соединения их в противофазе. Иначе возникает риск перегрева, а из-за этого может выйти из строя трансформатор и находящиеся рядом детали (не говоря уже об отсутствии напряжения на выходе).

ТРАНЗИСТОРНЫЕ МАТРИЦЫ

Управление несколькими светодиодами или реле осуществляется, как правило, с помощью нескольких одинаковых транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером (см. раздел «Защита управляющего транзистора»). К каждому транзистору обычно добавляют защитный диод, предотвращающий опасный выброс напряжения при отключении индуктивной нагрузки. В подобных случаях удобно воспользоваться одной из многих доступных на сегодняшний день интегральных транзисторных матриц. При этом достигается существенный выигрыш в занимаемой площади и сокращение времени сборки.

Наиболее распространенные микросхемы содержат по 7 транзисторов, включенных по схеме с общим эмиттером (рис. 2.87).

К каждому из транзисторов подключены защитный диод и резистор в цепи базы, позволяющий осуществлять непосредственное управление транзисторным ключом как в ТТЛ схемах (напряжение сигнала 5 В), так и в КМОП схемах (напряжение сигнала 3-18 В).

Расположение выводов микросхемы непривычно, однако в нем есть своя логика: входы (базы) и выходы (коллекторы) расположены друг против друга на противоположных сторонах корпуса. Общая точка (объединяющая все эмиттеры) находится на выводе 8, как в DIP16, точка присоединения всех диодных катодов — на выводе 9.

Последний вывод остается свободным, если диоды не используются (например, при управлении светодиодами). К популярным микросхемам семитранзисторных матриц относятся ULN2003 (ТТЛ) и ULN2004 (КМОП), примеры восьми транзисторных матриц — ULN2803 и ULN2804.

ПРИМЕНЕНИЕ СИМИСТОРОВ

В 80-е годы симистор являлся одним из самых популярных электронных компонентов. На его основе были созданы удобные и эффективные регуляторы света и другие модные устройства, построенные по аналогичному принципу. Симистор популярен и сегодня, однако его управление все чаще выполняется с помощью специализированных схем, которые не только осуществляют регулирование, но и уменьшают вредное воздействие мощных импульсных схем на характеристики электрической сети.

Симистор является мощным компонентом, способным коммутировать высокие токи при питании переменным напряжением (не обязательно равным 220 В) с помощью относительно простой процедуры включения. Управляющий импульс калиброванной амплитуды и длительности переводит симистор в проводящее состояние, которое сохраняется до момента перехода синусоидального напряжения питания через нулевое значение. Таким образом, выключение симистора осуществляется автоматически в конце каждого полупериода при условии окончания к этому моменту управляющего импульса. Запуск симистора может быть легко осуществлен и при помощи постоянного напряжения, но на практике этот способ применяется редко. Эффективные устройства импульсного управления легко построить без обращения к специализированным компонентам.

На рис. 2.88 представлен пример импульсного управляющего устройства, обеспечивающего подключение нагрузки к сети и ее отключение под управлением внешнего логического сигнала. С целью ослабления помех запуск производится в момент перехода напряжения сети через нулевое значение. Такой режим благоприятен и для нагрузки, например для лампочки, поскольку может значительно удлинить срок ее службы.

Одновибратор на двух логических вентилях обеспечивает на выходе калиброванный импульс, синхронизированный с напряжением сети. Этот импульс поступает на симистор через транзисторный ключ, если внешний управляющий сигнал имеет значение логической единицы.

При помощи схемы, показанной на рис. 2.89а, можно изменять среднее напряжение на нагрузке в диапазоне практически от нуля до максимального значения. Здесь, как и в предыдущем случае, используется одновибратор, синхронизированный с напряжением сети. Этот каскад служит источником пилообразного напряжения, период которого равен половине периода сетевого напряжения. Оно подается на вход операционного усилителя и сравнивается с регулируемым опорным напряжением, снимаемым с потенциометра.

В момент пересечения пилообразным напряжением опорного уровня на выходе операционного усилителя, который выполняет функцию компаратора, возникает положительный перепад. Он эквивалентен сигналу логической единицы, который в зависимости от уровня опорного сигнала располагается между началом и концом полупериода сетевого напряжения. По этому сигналу запускается второй одновибратор. На его выходе формируется калиброванный импульс, который проходит через транзисторный ключ и открывает симистор. Таким образом, напряжение сети подключается к нагрузке на часть полупериода, длительность которой регулируется потенциометром (рис. 2.89б).

В подобной схеме следует применять специальные меры безопасности, поскольку между сетью и схемой управления симистором существует гальваническая связь. Такой ситуации можно избежать, если использовать оптопару или оптосимистор. Кроме того, необходимо учитывать нагрев симистора и обеспечить для него требуемое охлаждение.

ТРЕХФАЗНАЯ СЕТЬ

Трехфазная сеть более интересна электрикам, чем любителям электроники. Лишь немногие электронные схемы (например, детекторы чередования фаз) специально предназначены для работы с трехфазной сетью. С другой стороны, имеются преобразователи, имитирующие трехфазную сеть на базе однофазной, и промышленные устройства, которые питаются от такого источника.

В отличие от промышленных помещений в жилых трехфазная сеть всегда имеет нулевой провод (нейтраль), который служит опорной точкой для присоединения всех потребителей, включая лампочки и розетки. Напряжение между любой фазой и нейтралью равно 220 В, а между любыми двумя фазами (линейное напряжение) — 380 или 400 В. Изменение фазных напряжений во времени показано на рис. 2.90.

При отсутствии нулевого провода можно использовать только нагрузки, рассчитанные на линейное напряжение. К таковым относятся многие двигатели и другие силовые устройства, применяемые на промышленных предприятиях.

Если какое-либо устройство рассчитано для работы с трехфазной сетью, ему обычно недостаточно фазного напряжения (220 В). Имеются понижающие разделительные трансформаторы, рассчитанные на выходное напряжения 220 В при входном напряжении 380 В. Однако стандартные трансформаторы, которые бы обеспечивали обратное преобразование, не производятся. При необходимости можно включить понижающий трансформатор в обратном направлении, если потребляемый нагрузкой ток не слишком велик. Но перед этим нужно проверить, рассчитано ли подключаемое устройство на работу с таким напряжением.

ПРИМЕНЕНИЕ ТИРИСТОРОВ

Любителям радиоэлектроники, как правило, хорошо известны симисторы, которые широко используются в схемах, работающих на переменном токе непосредственно от сети (регуляторы света или скорости вращения двигателей). Работать же с тиристорами обычно приходится меньше. Действительно, схемы, в которых коммутирующими элементами служат тиристоры, встречаются довольно редко (за исключением устройств управления мощными двигателями постоянного тока на электрифицированном транспорте). Тиристоры небольшой мощности применяются в цепях постоянного тока в качестве электронного ключа, управляемого внешним сигналом (для выпрямления тока они обычно не используются).

Тиристор, подключенный к источнику питания последовательно с нагрузкой, переходит в проводящее состояние при подаче на управляющий электрод короткого низковольтного импульса и остается в этом состоянии после окончания управляющего импульса.

Устройство выключается либо после снятия напряжения питания, либо при подаче на управляющий электрод импульса обратной полярности. Тиристор удобно использовать для подачи сигнала тревоги и для его поддержания после устранения неисправности до момента принудительного отключения.

Другой вариант использования тиристора — включение питания схем при помощи кнопки. На схеме, приведенной на рис. 2.91, показан пример управления реле с помощью недорогого малогабаритного тиристора типа BRY55. Для включения реле на управляющий электрод устройства подается импульс тока около 5 мА, а выключение выполняется нажатием кнопки.

ГЕНЕРАТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ

Генератор, управляемый напряжением (ГУН), представляет собой устройство, которое вырабатывает сигнал синусоидальной или прямоугольной формы. Частота последнего определяется постоянным управляющим напряжением. Он применяется в различных областях, например в системах ФАПЧ, описанных выше. В классическом RC-генераторе частота варьируется за счет изменения емкости или сопротивления электронным способом или вручную (например, с помощью потенциометра). Автоматическая регулировка на основе цифровой или аналоговой обработки сигнала является довольно сложной задачей. Ее решение облегчается при использовании специализированных микросхем, например CD4046 или NE567.

Два других варианта управляемых генераторов приведены ниже.

На рис. 2.92а представлен классический мультивибратор (см. главу 5, раздел «Классические импульсные устройства»), у которого частота генератора определяется параметрами RC-цепи.

Для регулировки цепи использован фоторезистор, сопротивление которого зависит от освещенности и изменяется путем варьирования напряжения на лампочке. Достоинством устройства является полная развязка цепи управления и генератора.

На рис. 2.92б показан фрагмент схемы ГУН на базе микроконтроллера. На выходе в точке F формируется последовательность стандартных импульсов с частотой, заданной программным способом (как в случае аналого-цифрового преобразователя). Эта последовательность поступает на интегрирующую RC-цепочку, которая преобразует ее в постоянное напряжение, зависящее от частоты. Оно подается на один из входов операционного усилителя и сравнивается с поданным на второй вход управляющим напряжением. Разностный сигнал используется микроконтроллером для задания частоты, соответствующей уровню управляющего сигнала.