Материал: МРБ 1105.(1987).[doc]

Запомните на будущее: для надежной работы устройств цифровой техники на их платах между проводниками цепи питания необходимо устанавливать по одному блокировочному конденсатору емкостью 0,033...0,047 мкФ на каждые две-три микросхемы, располагая их равномерно среди микросхем.

Источником помехи может стать и неиспользуемый входной вывод микросхемы, так как в нем тоже могут наводиться паразитные электрические импульсы. Такой вход микросхемы целесообразно вообще ни к чему не подключать, оставив его свободным, или на плате подпаять к контактной площадке минимальных размеров, к которой не подключены какие-либо другие проводники. Неиспользуемые J-входы JK-триггеров можно подключать к их инверсным выходам, а К-входы-к прямым выходам. Можно также неиспользуемые входы подключить к выходному выводу неиспользуемого логического элемента И-НЕ, соединив его входы с общим проводом цепи питания. Кроме того, неиспользуемые входы микросхем можно объединять и подключать их к плюсовому проводнику источника питания через резистор сопротивлением 1...10 кОм.

Совершенно недопустимо подключать к входу микросхемы проводник, который во время работы устройства может оказаться неподключенным к выходу источника управляющего сигнала, например в случае управления устройством с помощью тумблера или кнопочного переключателя. Чтобы предотвратить помехи, такие проводники обязательно надо подключать к плюсовому проводнику цепи питания через резистор сопротивлением 1...10 кОм.

Переходим к описанию нескольких простых конструкций, в которых используются знакомые вам микросхемы.

КРАСНЫЙ ИЛИ ЗЕЛЕНЫЙ?

Так условно можно назвать игровой автомат, схема которого приведена на рис. 36. Его образуют генератор прямоугольных импульсов на логических элементах DD1.1 и DD1.2, включенных инверторами, счетный -Ж-грштер DD2 и транзисторы VT1 и VT2 с лампами накаливания HL1 и HL2 в коллекторных цепях. Баллон одной из ламп накаливания окрашен в красный цвет, баллон другой - в зеленый.

Рис. 36. Схема игрового автомата "Красный или зеленый"

Как работает такой автомат и какова задача играющих? Пока контакты кнопки SB1 не замкнуты, генератор выраба* тывает импульсы, частота следования которых определяется в основном конденсатором С1. Его емкость может быть в пределах 1000 пф... 1 мкФ. Импульсы поступают на вход С JK-триггера DD2, и своими спадами изменяют его состояние на противоположное. Частота изменения уровней напряжения на выходах триггера вдвое меньше частоты генератора.

В промежутки времени, когда на прямом выходе триггера (вывод 8) появляется напряжение высокого уровня, то открывается транзистор VT1 и загорается лампа HL1. Транзистор VT2 в это время закрыт, поскольку на его базе низкий уровень напряжения. При напряжении высокого уровня на инверсном выходе (вывод 6) триггера этот транзистор открывается и загорается лампа HL2 в его коллекторной цепи. Транзистор же VT1 в это время закрывается, и лампа HL1 гаснет. И так при каждом периоде импульсов генератора.

При указанной на схеме емкости конденсатора частота открывания транзисторов не менее 1 кГц. Поэтому, нити накала обеих ламп светятся тускло. Но стоит нажать на кнопку SB1 it тем самым замкнуть накоротко конденсатор С1, как генерация импульсов прекратится. При этом одна из ламп накаливания совсем гаснет, а другая, наоборот, светится ярче. Л вот какая из них-красная или зеленая-будет гореть после нажатия на кнопку, заранее сказать нельзя, ведь это зависит от логического состояния, в котором окажется триггер в момент срыва генерации. Можно только гадать, что, собственно, и должны делать играющие перед нажатием кнопки генератора.

Победителем считается тот, кто при равном числе нажатий на кнопку, скажем двадцать, большее число раз угадает цвета горящих, ламп после остановки генератора.

Можно ли JK-триггер такого игрового автомата заменить счетным D-триггером? Конечно, можно, надо только его вход D соединить с инверсным выходом.

МОДЕЛЬ СВЕТОФОРА

Этот автомат (рис. 37, а), который может стать полезным демонстрационным пособием при групповом изучении правил дорожного движения, состоит из генератора импульсов на элементах DD1.1-DDK3, счетного JK-триггера DD2, транзисторов VT1-VT3, работающих в ключевом режиме, и сигнальных ламп накаливания HL1-HL3. Цвет включенного сигнала светофора определяется логическими состояниями промежуточных элементов DD1.4, DD3.1- DD3.3, что можно проследить по таблице, приведенной на рис. 37, б.

Рис. 37. Схема мелели светофора (а) я таблица состояний (б), иллюстрирующая принцип его работы

Предположим, что в момент, с которого мы начинаем анализировать работу автомата, элемент DD1.4 и триггер DD2 находятся в единичном состоянии (верхняя строка таблицы). В это время состояние элемента DD3.3 нулевое, транзистор VT3 открыт и, следовательно, горит лампа HL3 зеленого цвета. Элементы же DD3.1 и DD3.2 находятся в единичном состоянии, транзисторы VT1 я VT2 закрыты я лампы HL1 и HL2 в их коллекторных цепях не горят. По спаду импульса на выходе элемента DD1.4 триггер OD2 переключается в нулевое состояние (вторая строка таблицы). В этот момент на его прямом выходе (вывод 8) появится напряжение низкого уровня || (логический 0), а на инверсном (вывод; 6)-высокого уровня (логическая 1). При этом элемент DD3.3 оказывается !в единичном состоянии, транзистор VT3 закрывается и гаснет лампа HL3, но загорается лампа HL1 красного цвета, так как теперь элемент DD3.1 будет в нулевом состоянии, а транзистор уТ1-в открытом. Лампа HL2 в это время не горит, потому что элемент DD3.2 находится в единичном состоянии. Фронт очередного импульса на выходе элемента DD1.4 не изменяет логических состояний триггера и элементов микросхемы DD3. По спаду же этого импульса триггер переключается в нулевое состояние, элемент DD3.1 тоже в нулевое, а элементы DD3.2 и DD3.3 в единичное (вторая строка таблицы). При этом лампа HL3 зеленого сигнала гаснет и загорается лампа HL1 красного сигнала. По спаду следующего импульса, поступающего от генератора на вход G триггера через инвертор DD1.4, триггер и элементы DD3.1, DD3.2 оказываются в нулевом состоянии, а элемент DD3.3 сохраняет единичное состояние (третья строка таблицы). Теперь загорается лампа HL2 желтого сигнала и продолжает гореть лампа HL1 красного сигнала. По спаду следующего импульса лампы HL1 и HL2 гаснут и вновь загорается лампа HL3 зеленого цвета. Со следующего за ним импульса цикл работы модели светофора повторяется.

Источником питания такого автомата могут быть выпрямитель, батарея 3336Л или три-четыре элемента 343, соединенные последовательно; его транзисторы-серии ГТ402 или ГТ403 с любым буквенным индексом. Функцию электронных ключей могут также выполнять маломощные р-п-р транзисторы серий МП39-МП42, ГТ308, но тогда сигнальные лампы HL1-HL3 должны быть на меньший ток накала, например лампы МН2,5-0,06.

АВТОМАТ СВЕТОВЫХ ЭФФЕКТОВ

В популярной радиотехнической литературе описано немало автоматов на микросхемах, позволяющих создавать различные световые эффекты для украшения новогодних елок, иллюминации декоративных масок, аттракционов. Основа таких автоматов-.те же триггеры, управляемые, как и в модели светофора, импульсами тактовых генераторов. Переключаясь из одного логического состояния в другое, триггеры выходными сигналами управляют цепями питания нескольких ламп накаливания (или гирлянд), которые и создают задуманные световые эффекты.

Предлагаем для опытной проверки простой автомат, создающий эффект "бегущая тень" (рис. 38, а). Он состоит из генератора импульсов на элементах DD1.1 и DD1.2, счетных D-грштеров DD2.1 и DD2.2, логических элементов 2И-НЕ микросхемы DD3 и транзисторов VT1 - VT4 с лампами накаливания HL1-HL4 в коллекторных цепях. Под-строечным (или переменным) резистором R1 можно плавно изменять частоту тактового генератора в пределах 1...2 Гц.

Триггеры микросхемы К155ТМ2 (DD2), соединенные между собой после--довательно, образуют двоичный счетчик импульсов, поступающих на его вход от генератора. В итоге на выходе первого триггера частота импульсов оказывается меньшей вдвое, а на выходе второго - вчетверо. Элементы 2И-НЕ микросхемы DD3, работающие как дешифраторы логических состояний триггеров счетчика, формируют сигналы, включающие в определенном порядке лампы-накаливания. Лампа HL1, например, загорается лишь тогда, когда на выходе элемента DD3.1 (вывод 3) появляется напряжение высокого уровня, которое открывает транзистор VT1. В таком состоянии этот логический элемент может оказаться только при низком уровне напряжения на одном из его входов, т. е. в те промежутки времени, когда один из триггеров находится в нулевом состоянии. Когда же оба триггера находятся в единичном состоянии, на выходе элемента DD3.1 будет напряжение низкого уровня, транзистор VT1 окажется закрытым, а лампа HL1 -погашенной.

Рис. 38. Автомат, создающий эффект "бегущая тень", и графики, поясняющие принцип его действия

Работу автомата в целом проанализируем по графикам, приведенным на рис. 38, б. Считаем, что в начальный момент после включения питания D-триг-геры счетчика оказались в нулевом состоянии. Следовательно, загорались лампы HL1-HL3, потому что в это время на выходных выводах 3, 6 и 8 элементов микросхемы DD3 появились напряжения высокого уровня, которые открыли транзисторы VT1-VT3.

Первый импульс генератора своим фронтом переключил триггер DD2.1 в единичное состояние. Сразу же переключился в аналогичное состояние и триггер DD2.2. Поэтому лампа HL1 погасла (на выводе 3 элемента DD3.1 появился низкий уровень напряжения) и загорелась лампа HL4 (на выводе 11 элемента DD3.4 появился высокий уровень напряжения). Второй импульс переключил триггер DD2.1 в нулевое состояние (триггер DD2.2 остался в единичном). Теперь гаснет лампа HL2, а остальные горят. Третий импульс переключает первый триггер в единичное состояние, а второй-в нулевое. Значит, гаснет лампа HL3,, а остальные горят. При четвертом импульсе оба триггера счетчика оказываются в нулевом состоянии и гаснет лампа HL4. Начиная с пятого (затем с девятого, тринадцатого и т. д.) импульса, появляющегося на входе двоичного счетчика, описанный цикл работы автомата повторяется. И если лампы расположены гирляндой, гаснущие лампы будут создавать эффект "бегущей тени".

С таким автоматом можно получить и эффект "бегущего огня"; если между выходами элементов DD3.1 - DD3.4 и соответствующими им ограничительными резисторами R2- RS включить инверторами элементы еще одной микросхемы К155ЛАЗ (подобно элементу DD1.3). Тогда при каждом цикле работы автомата станет вспыхивать лишь одна лампа и свет будет "бежать" по гирлянде. Скорость перемещения света тем больше, чем выше частота тактового генератора. Эффект "бегущий огонь" можно получить также при использовании в автомате р-п-р транзисторов, например, серии КТ361 или МП42, включив их так же, как в модели светофора (см. рис. 37, а).

СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ

Счетчики импульсов являются неотъемлемыми узлами микропроцессоров, микрокалькуляторов, электронных часов, таймеров, частотомеров и многих других устройств цифровой техники. Основу их составляют триггеры со счетным входом. По логике действия и функциональному назначению счетчики импульсов подразделяют на цифровые счетчики и счетчики-делители. Первые обычно называют просто счетчиками, а вторые - делителями.

Простейшим одноразрядным счетчиком импульсов является JK-триггер или D-триггер, работающий в счетном режиме. Он считает входные имиульсы по модулю 2-каждый импульс переключает триггер в противоположное состояние. Один триггер считает до одного, два последовательно соединенных триггера считают; до трех, и триггеров-до 2П-1 импульсов. Результат счета формируется в заданном коде, который может храниться в памяти счетчика или быть считанным другим устройством цифровой техники-дешифратором.

На рис. 39, а приведена схема трехразрядного двоичного счетчика импульсов. Смонтируйте его на макетной панели и к прямым выходам триггеров подключите светодиодные (или транзисторные- с лампой накаливания) индикаторы, как это делали ранее. Подайте на вход счетчика от испытательного генератора серию импульсов с частотой следования 1...2 Гц и по световым сигналам индикаторов постройте графики работы Счетчика.

Если в начальный момент все триггеры счетчика находились в нулевом состоянии (можно установить кнопочным выключателем SB1 "Уст. О", подавая на R-входы триггеров напряжение низкого уровня), то по спаду первого импульса (рис. 39, 6) триггер DD1 переключится в единичное состояние - на его прямом выходе появится высокий уровень напряжения (рис. 39, в). Второй импульс переключит триггер DD1 в нулевое состояние, а триггер DD2-в единичное (рис. 39, г). По спаду третьего импульса триггеры DD1 и DD2 окажутся в единичном состоянии, а триггер DD3 все еще будет в нулевом. Четвертый импульс переключит первые два триггера в нулевое состояние, а третий-в единичное (рис. 39, д). Восьмой импульс переключит все триггеры в нулевое состояние, начнется следующий цикл работы счетчика импульсов...

Рис. 39. Трехразрядный двоичный счетчик импульсов

Изучая графики, нетрудно заметить, что каждый старший разряд счетчика отличается от младшего удвоенным числом импульсов счета. Так, период импульсов на выходе первого триггера в 2 раза больше периода входных импульсов, на выходе второго триггера - в 4 раза, на выходе третьего триггера-в 8 раз. Говоря языком цифровой техники, такой, счетчик работает в весовом коде 1-2-4. Здесь под термином "вес" имеется в виду объем информации, принятой счетчиком после установки его триггеров в единичное состояние. В устройствах и приборах цифровой техники наибольшее распространение получили четырехразрядные счетчики импульсов, работающие в весовом коде 1-2-4-8.

Счетчики-делители, или, как мы уже говорили, просто делители, считают входные импульсы до некоторого задаваемого коэффициентом счета состояния, а затем формируют сигнал сброса триггеров в нулевое состояние, вновь начинают счет входных импульсов до задаваемого коэффициента счета и т. д.

Для примера на рис. 40 показаны схема и графики работы делителя с коэффициентом счета 5, построенного на JK-триггерах. Здесь уже известный вам трехразрядный двоичный счетчик дополнен логическим элементом 2И-НЕ (DD4.J), который и задает коэффициент счета 5. Происходит это так. При первых четырех входных импульсах (после установки триггеров в нулевое состояние кнопкой SB1 "Уст. О") устройство работает как обычный двоичный счетчик импульсов. При этом на одном или обоих входах элемента действует низкий уровень напряжения, поэтому элемент находится в единичном состоянии. По спаду же пятого импульса на прямых выходах первого и третьего триггеров, а значит, и на входах элемента DD4.1, появляется высокий уройень напряжения, переключающий этот логический элемент в нулевое состояние. В этот момент на выходе элемента формируется короткий импульс отрицательной полярности, который передается на R-вход триггеров и переключает их в исходное нулевое состояние. С этого момента /начинается следующий дикл работы счетчика.

Резистбр R1 и диод VD1, введенные в такой вариант счетчика, необходимы для того, чтобы исключить замыкание выхода элемента DD4.1 на общий провод источника питания.

Рис. 40. Схема и графика работы делителя с коэффициентом счета 5

Рие. 41. Условные графические обозначения счетчиков К155ИЕ1 и К155ИБ2

Действие такого счетчика-делителя можете проверить, подавая на вход С первого его триггера импульсы, следующие с частотой 1...2 Гц и подключив к выводу 8 триггера DD3 световой индикатор.

На практике функции счетчиков и делителей выполняют специально разработанные микросхемы повышенной степени интеграции. В серив К155, например, это счетчики К155ИЕ1, К155ИЕ2, К155ИЕ4 и др.. В радиолюбительских разработках наиболее широко используются счетчики К155ИЕ1 и К155ИЕ2. Условные графические изображения этих счетчиков с нумерацией их выводов показаны на рис. 41.

Микросхема К155ИЕ1 (рис. 41, а) является декадным счетчиком импульсов, т. е. счетчиком до 10. Счетчик образуют, четыре триггера, установку их ; в нулевое состояние осуществляют подачей напряжения высокого уровня одновременно на оба входа R (выводы 1 и 2), объединенные по схеме элемента И (условный символ "&"). Счетные импульсы, которые должны быть отрицательной полярности, можно подавать на соединенные вместе входы С (выводы 8 и 9), также объединенные по схеме элемента И, или на один из них, если в это время на втором входе будет высокий уровень напряжения. При каждом десятом импульсе на выходе счетчика формируется равный ему по длительности импульс отрицательной полярности, характеризующий объем принятой информации.

Микросхема К155ИЕ2 (рис. 41, б) - двоично-десятичный четырехразрядный счетчик. В ней также четыре триггера, но один из них имеет отдельные вход С1 (вывод 14) и прямой выход (вывод 12), а остальные триггеры соединены между собой так, что образуют делитель на 5. При соединении выхода первого триггера со входом С2 (вывод 1) цепочки остальных триггеров микросхема становится делителем на 10, работающим в коде 1-2-4-8, что и символизируют цифры в правой колонке графического изображения микросхемы. Для установки триггеров счетчика в нулевое состояние подают на оба входа R (выводы 6 и 7) сигнал высокого уровня.