Материал: МРБ 1105.(1987).[doc]

Рис. 6. Простейший блок питания микросхем серии KISS

работает как самостоятельная микросхема. Выделить элементы нетрудно по номерам выводов, представленным на схематическом изображении микросхемы. Так, входные выводы 1, 2 и выходной вывод 3 относятся к одному из ее эле-- ментов, входные выводы 4, 5 и выходной 6-ко второму элементу и т. д. Не обозначенные на схематическом изображении микросхемы выводы 7 и 14 служат для подачи питания на все элементы. Эти выводы не принято обозначать на схемах потому, что элементы обычно изображают не слитно, как на рис. 5, б, а раздельно в разных участках принципиальной электрической схемы устройства. Цепи же питания элементов остаются общими, причем для микросхемы К155ЛАЗ вывод 14 должен соединяться с ,положитель-ным, а вывод 7 - с отрицательным полюсами источника питания.

Микросхема К155ЛАЗ, как и,другие микросхемы этой серии, рассчитана на питание от источника постоянного тока напряжением 5 В. Можно использовать и батарею гальванических элементов с меньшим на 0,5 В напряжением, например батарею 3336Л. Но во время опытов ее напряжение будет еще более снижаться, что, естественно, скажется на режиме работы микросхемы, а при определенной разрядке батареи микросхема вообще перестанет работать. Поэтому желательно использовать блок питания, обеспечивающий стабильное напряжение 5 В. Такой блок питания можно собрать, например, по приведенной на рис. 6 схеме. В нем источником постоянного тока GB1 служат две батареи 3336Л, соединенные последовательно. Питание на микросхему подается через стабилизатор напряжения, образованный стабилитроном VD1, балластным резистором R3 и регу лирующим транзистором VT1. Емкость электролитического конденсатора С1 может быть 20...50 мкФ, а керамического или слюдяного конденсатора С2- 0,033...0,047 мкФ.

Рис. 7. Макетная панель для опытной проверки работы микросхем

Как работает стабилизатор напряжения такого блока питания микросхемы? Резистор R3 и стабилитрон VD1 образуют делитель напряжения батареи GB1. Напряжение, действующее на стабилитроне, равно em напряжению стабилизации (для стабилитрона КС 168А оно составляет 5,6 В). Напряжение, снимаемое со стабилизатора, через подстроечный резистор R2 подается на базу регулирующего транзистора VT1 и открывает его. Чем больше напряжение на базе этого транзистора, тем больше он открывается, тем больше напряжение на выходе стабилизатора и ток в его нагрузке.

Напряжение на выходе блока, равное 5 В, устанавливайте по контрольному вольтметру постоянного тока подстроеч-ным (или переменным) резистором R2. Такое напряжение на нагрузке будет поддерживаться практически неизменным при снижении напряжения батареи до 7...7,5 В.

Конденсатор С 1 блокирует цепь питания микросхемы по низшим частотам, а С 2-по высшим частотам электрических колебаний, что защищает микросхему от влияния на ее работу различных -электрических помех. Резистор R1 необходим для тощ, чтобы и при отключенной нагрузке регулирующий транзистор стабилизатора работал как усилитель тока.

Макетную панель (рис. 7,в), необходимую для проведения опытов, проверки работоспособности простых приборов и устройств, можно сделать из стеклотекстолита, гетинакса или другого листового изоляционного материала толщиной 1,5...2 мм. В крайнем случае подойдут хорошо проклеенная фанера, оргалит и даже картов. Ориентировочные размеры панели 80x120 мм. Вдоль длинных ее сторон укрепите предварительно облу-женные медные проводники толщиной 1,2...1,5 мм-они будут выполнять роль токонесущих шин источника питания. По всей оставшейся-площади через каждые 10 мм насверлите отверстия Диаметром 0,8...! мм, в которые по мере надобности будете вставлять узкие полоски жести, изогнутые наподобие петель,- они будут временными опорными точками выводов резисторов, конденсаторов, монтажных проводников. Снизу по углам панели прикрепите невысокие ножки и приступайте к опытам.

Рис. 8. Опыт с логическим элементом 2И-НЕ

Микросхему разместите в любом месте макетной панели выводами вниз, предварительно отогнув их узкие концы так, чтобы они плотно прилегали к панели. Отрезками монтажного провода вывод 14 микросхемы соедините с плюсовой, а вывод 7-с минусовой ("заземленной") шинами питания (рис. 7, б). Мощность пальяника не должна превышать 40 Вт, а продолжительность пайки-2 с. , Проверив надежность и правильность пайки, а также убедившись в отсутствии замыкания между выводами микросхемы, подключите к шинам источник хпитания. Вольтметром постоянного тока X относительным входным сопротивление не менее 5 кОм/В измерьте напряжений на всех логических выводах элементов. Для этого отрицательный щуп вольтметра соедините с общей ("заземленной") шиной, а положительным поочередно коснитесь входных выводов 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13, а затем выходных выводов 3, 6, 8, 11. При напряжении источника питания 5 В вольтметр должен показать на входных выводах элементов около 1,4 В, а на выходных выводах - около 0,3 В. Если это не так, значит микросхема неисправна.

Опытную проверку логики действия элементов 2И-НЕ можно проводить в любом порядке. Предположим, решили начать с первого элемента (с выводами 1-3). Тогда сначала один из входных выводов, например вывод 2, соедините с общей минусовой шиной источника питания, а вывод 1-с плюсовой, но через резистор сопротивлением 1...1.5 кОм (на рис. 8, а-R1). К выходному выводу 3 элемента подключите вольтметр PU. Что показывает стрелка вольтметра, выполняющего в данном случае роль индикатора? Напряжение, равное примерно 3,5...4 В, т. е. соответствующее высокому уровню напряжения.

Затем измерьте вольтметром напряжение на входном выводе 1. И здесь, как увидите, тоже высокий уровень напряжения. Отсюда вывод: когда на одном из входов элемента 2И-НЕ высокий уровень напряжения, а на другом низкий, на выходе будет высокий уровень напряжения. Иначе говоря, элемент находится в единичном состоянии.

Теперь и входной вьюод 2 элемента соедините через резистор сопротивлением Г...1,5 кОм с плюсовой шиной, а проволочной перемычкой-с общей (рис. 8, б). Измерьте напряжение на вы-ходном выводе. На нем, как и в предыдущем случае, будет высокий уровень напряжения. Следя за стрелкой индикатора, удалите проволочную перемычку, чтобы и на втором входе элемента появился высокий уровень напряжения. Что фиксирует вольтметр на выходе элемента? Напряжение около 0,3 В, т. е. соответствующее низкому уровню. Элемент, следовательно, из единичного состояния переключился в нулевое.

Той же проволочной перемычкой замкните первый вход на обшую шину источника питания. На выходе при этом сразу появится высокий уровень напряжения. А если любой из входных выводов периодически замыкать на обшую шину питания, как бы имитируя подачу на него напряжения низкого уровня? С такой же частотой следования на выходе элемента будут появляться электрические импульсы и колебаться стрелка подключенного к нему вольтметра. Проверьте это опытным путем.

О чем говорят проведенные опыты? Они подтверждают логику действия элемента И-НЕ, проверенную ранее на его электрическом аналоге: при подаче напряжения высокого уровня на оба входа на выходе элемента появляется напряжение низкого уровня или, говоря иначе, элемент из единичного состояния переключается в нулевое.

Еще один опыт: отключите оба входных вывода элемента от других деталей и проводников. Что теперь на выходе? Низкий уровень напряжения. Так и должно быть, потому что неподключение входных выводов равнозначно подаче на них высокого уровня напряжения и, следовательно, установке элемента в нулевое состояние. Не забывайте об этой особенности логических элементов.

Следующий опыт-проверка действия того же логического элемента 2И-НЕ при включении его инвертором, т. е. как элемент НЕ. Замкните между собой оба входных вывода и через резистор сопротивлением 1...1,5 кОм соедините их с плюсовой шиной источника питания (рис. 8, в). Что показывает вольтметр, подключенный к выходу элемента? Низкий уровень напряжения. Не отключая резистора от этой шины, замкните объединенный вход на минусовую шину (показано штриховой линией) и одновременно проследите за реакцией стрелки вольтметра. Она покажет высокий уровень напряжения. Таким образом, вы убедитесь, что сигнал на выходе инвертора всегда противоположен входному.

Проведите подобные опыты с другими логическими элементами микросхемы К155ЛАЗ и сделайте соответствующие выводы.

Прервем на некоторое время опыты, чтобы ответить на вопрос: что внутри логического элемента 2И-НЕ?

До сих пор мы рассматривали этот логический элемент как некий "черный ящик" с двумя входами и одним выходом,, Теперь заглянем внутрь элемента и познакомимся с его электронной "начинкой" (рис. 9). Он состоит из четырех транзисторов структуры п-р-п, трех диодов и пяти резисторов.. Связь между транзисторами непосредственная. Резистор RH. показанный штриховыми линиями, символизирует нагрузку, подключенную к выходу элемента. Подобные электронные устройства цифровой техники называют микросхемами транзисторно-транзисторной логики или, сокращено, ТТЛ. Потому что входная логика осуществляется транзистором (первая буква Т), а усиление и инверсия-также транзисторами (вторая буква Т).

Входной транзистор VT1, включенный по схеме с общей базой, двухэмит-терный, причем эмиттеры соединены с общим проводом питания через диоды VD1, VD2- они защищают транзистор от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Транзистор VT2 образует усилительный каскад с двумя нагрузками: эмиттерной (резистор R3) и коллекторной (резистор R2). Снимаемые с них противофазные сигналы (противоположные по уровню- если на коллекторе высокий уровень напряжения, на эмиттере - низкий) поступают на базы транзисторов VT3 и VT4 выходного каскада. Таким образом, выходные транзисторы во время работы всегда находятся в противоположных состояниях- один закрыт, а второй в это время открыт. Этому способствует и диод VD3.

Рис. 9. Схема логического элемента 2И-НЕ микросхемы К155ЛАЗ

При наличии на одном или обоих входах элемента напряжения низкого уровня (например, при соединении их с общим проводом источника питания), транзистор VT1 открыт и насыщен, транзисторы VT2 и VT4 закрыты, а транзистор VT3 выходного каскада открыт и через него, диод VD3 и нагрузку Re течет ток. В том же случае, когда на оба входа будет подан высокий уровень напряжения, транзистор VT1 закроется, а транзисторы VT2 и VT4 откроются и тем самым закроют транзистор VT3. При этом ток через нагрузку практически прекратится, так как элемент примет нулевое состояние.

Низкий уровень напряжения на выходе логического элемента равен напряжению на коллекторе открытого транзистора VT4 и не превышает 0,4 В. Высокий же уровень напряжения на выходе логического элемента (когда транзистор VT4 закрыт) отличается от напряжения источника питания на значение падения напряжения на транзисторе VT3 и диоде VD3 и составляет не менее 2,4 В. Фактически же логические уровни низкого и высокого напряжений на выходе элемента зависят от сопротивления нагрузки и могут быть в пределах 0,1...0,15 и 3,5...3,9 В соответственно.

Переход элемента из единичного состояния в нулевое происходит скачкообразно при подаче на его входы напряжения около 1,2 В, называемого пороговым.

Продолжим опыты с микросхемой К155ЛАЗ.

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Схема возможного варианта автоколебательного мультивибратора приведена на рис. 10, а. Она должна напомнить вам общеизвестную схему симметричного мультивибратора на двух транзисторах. Но здесь функцию активных элементов мультивибратора выполняют логические элементы 2И-НЕ, включенные инверторами. Благодаря положительным обратным связям между выходом элемента DD1.2 и входом DD1.1, а также выходом элемента DD1.1 и входом DD1.2, создаваемыми конденсаторами С1 и С2, устройство возбуждается и генерирует электрические импульсы. Частота следования генерируемых импульсов зависит от номиналов указанных конденсаторов и резисторов R1 и R2.

Рис. 10. Опыт с автоколебательным мультивибратором на логических элементах 2И-НЕ

Чтобы смонтировать такой мультивибратор на макетной панели, надо лишь подключить к соответствующим выводам микросхемы эти конденсаторы и резисторы (см. рис. 1, б). Проверьте монтаж - нет ли ошибок - и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов. Подключите к макетной панели источник питания, а к выходу второго логического элемента - вольтметр. Что показывает стрелка вольтметра? Напряжение постоянного тока, периодически, примерно 30 раз в минуту, возрастающее до высокого уровня и так же резко уменьшающееся до напряжения низкого уровня. Мультивибратор, следовательно, генерирует импульсы с частотой следования около 0,5 Гц.

Затем подключите вольтметр параллельно выходу первого элемента. Он будет фиксировать переходы логического элемента из нулевого состояния в единичное, и наоборот, с той же частотой, что и в предыдущем случае. Значит, и с этого выхода можно снимать электрические импульсы, но по отношению к импульсам на выходе второго элемента они будут сдвинуты по фазе на 180°.

Какие эксперименты можно провести с опытным мультивибратором такого варианта? Прежде всего попробуйте одновременно увеличить емкости обоих конденсаторов, например в два раза, подключая параллельно им такие же конденсаторы, а затем заменить их конденсаторами емкостью по 100...200 мкФ. В первом случае частота следования импульсов должна уменьшаться, во втором- увеличиваться.

Можно изменять емкость лишь одного конденсатора, например С1. Это изменит не только частоту, но и соотношение длительности импульсов и пауз между ними-мультивибратор станет несимметричным.

Конденсаторы могут быть емкостью по 1...5 мкФ. Тогда частота генерируемых импульсов возрастет примерно до 500.-.. 1000 Гц. Это уже звуковая частота, и стрелка вольтметра из-за своей инерционности не сможет среагировать на нее. Чтобы в этом случае убедиться в работе мультивибратора, к его выходу нужно подключить через конденсатор емкостью 0,01....0,015 мкФ головные телефоны - в них услышите звук средней тональности. Заменив теперь "дин из постоянных резисторов переменным такого же номинала, вы сможете в некоторых пределах плавно изменять частоту генерируемых импульсов, а значит и тональность звука в телефонах.

Не исключено, что собранный вами опытный мультивибратор работает неустойчиво, не возбуждается после замены деталей при пониженном напряжении источника питания. Причина тому - некоторая критичность номиналов резисторов на входе логических элементов из-за особенностей эмиттерного входа микросхем ТТЛ.

Суть этих особенностей заключается в следующем. Резистор на входе логического элемента, образующего одно из плеч мультивибратора, оказывается включенным в эмиттерную цепь входного транзистора элемента микросхемы. Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, закрывающее этот транзистор. При сравнительно большом сопротивлении входного резистора (более 2,2...2,5 кОм) падение напряжения на нем столь значительно, что транзистор практически не реагирует на входной сигнал. И наоборот, при малом сопротивлении резистора (не более 600...700 Ом) входной транзистор элемента все время открыт и насыщен и, следовательно, оказывается неуправляемым входными сигналами.

Таким образом, для надежной работы мультивибратора такого варианта сопротивления входных резисторов логических элементов должны быть в пределах 800 Ом...2,2 кОм. Соответствующим подбором этих резисторов можно добиться устойчивой работы,, мультивибратора. Кроме того, нужно помнить, что на работу мультивибратора влияют разброс параметров микросхем, нестабильность напряжения источника питания, значительные изменения температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе мультивибратор на трех логических элементах без резисторов на их входах, собранный, например, по схеме, приведенной на рис. 11, а. Все его элементы включены инверторами и соединены между собой последовательно. Времязадающую цепочку, определяющую частоту генерации, образуют конденсатор С1 и резистор R1.

Детали такого варианта автоколебательного мультивибратора смонтируйте на макетной панели (рис. 11 б). На ней же разместите и детали, индикатора работы мультивибратора, показанные на панели справа. Транзистор VT1 индикатора (рис. 11, в), питающийся от того же источника, что и микросхема, работает в режиме переключения как электронный ключ. Когда элемент DD1.3 мультивибратора находится в единичном состоянии (напряжение на его выходе соответствует высокому уровню), транзистор открыт и пампа накаливания HL1 в его коллекторной цепи горит. При переходе элемента в аулевое состояние лампа гаснет. По све-№нию сигнальной лампы будете судить о истоте и длительности генерируемых шпульсов. Впрочем, индицировать состояние любого из элементов мультивиб ратора можно и с помощью вольтметра постоянного тока, как это делали в опытах с первым мультивибратором.

Проверив монтаж, включите питание. Мультивибратор сразу же начнет генерировать электрические импульсы, о чем будет свидетельствовать периодически вспыхивающая сигнальная лампа. Подсчитайте, сколько будет вспышек за минуту. Должно быть примерно 60. Если это так, значит, частота следования импульсов мультивибратора равна 1 Гц.

Подключите параллельно конденсатору С1 второй конденсатор такой же емкости. Частота импульсов должна уменьшиться примерно вдвое. Такого же изменения частоты импульсов можно добиться увеличением сопротивления резистора. Проверьте это, а затем замените резистор переменным с номинальным сопротивлением 1,5... 1,8 кОм. Теперь, пользуясь только этим резистором, вы сможете плавно изменять частоту мультивибратора в пределах 0,5...20 Гц. Наибольшая частота будет в том случае, когда сопротивление резистора окажется полностью выведено, т. е. выводы 8 и 1, 2 почти накоротко замкнутыми,

А если емкость конденсатора будет 1 мкФ? В таком случае только переменным резистором удастся изменять частоту мультивибратора примерно от 300 Гц до 10 кГц. Чтобы убедиться в работоспособности мультивибратора, световой индикатор теперь придется заменить акустическим- головными телефонами или капсюлем от них.

Каков принцип работы такого варианта автоколебательного мультивибратора? Вернемся к его принципиальной схеме (см. рис. 11, а). После включения питания какой-то из логических элементов первым примет одно из двух возможных состояний и тем самым повлияет на состояние других элементов. Предположим, что это будет элемент DD1.2-он первым оказался в единичном состоянии. Сигнал высокого уровня через незаряженный конденсатор передается с его выхода на вход элемента DD1.1, в результате чего этот элемент перейдет в нулевое состояние. В таком же состоянии оказывается и элемент DD1.3, поскольку на его входах высокий уровень напряжения. Такое положение неустойчиво, так как на выходе элемента DD1.3 в это время высокий уровень напряжения, который постепенно уменьшается за счет зарядки конденсатора С1 через резистор R1 и выходной каскад элемента DD1.3. Как только оно станет равным пороговому, этот элемент переключится в единичное состояние, а элемент DD1.2-в нулевое. Теперь конденсатор начнет перезаряжаться через элемент DD1.3 (на его выходе в это время напряжение высокого уровня), резистор R1 и элемент DD1.2. Вскоре напряжение на входе первого элемента превысит пороговое, и все элементы переключатся в противоположные состояния.