Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Сделай сам

В этой статье я хочу продолжить разговор о самоделках из простых, но очень удобных для радиолюбителя деталей – микросхем, с совсем простыми по нынешним меркам составляющими – логическими элементами простой цифровой логики. Я уже рассказал о нескольких устройствах, в которых применяются генераторы импульсов, ждущие генераторы, одновибраторы, формирователи импульсов и широтно-импульсные модуляторы (ШИМ). На самом деле только на этих блоках можно сделать так много разных устройств, что фантазии не хватит.
Здесь я хочу рассказать как мы это делали тогда, а Вы можете продолжить и сейчас.
Представим себе, что нам впервые в истории (только представим), что нужно сделать тревожную сирену. Что для этого нужно? Всего два генератора – один звуковой и второй управляющий его тоном, то есть, частотой. Слышали когда-нибудь звук сирены тревоги? Такой, какой использовали в войну? Например в старых фильмах, где вместе с объявлением "Воздушная тревога" звучал нарастающий и затухающий звук, сразу вызывающий чувство страха и беспокойства.


Представим себе его в виде графика изменения звука по частоте во времени – примерно 5 секунд низкий тон около 150 Гц, потом нарастание частоты в течении 2-3 секунд до 500-550 ГЦ, выдержка этого тона в течении 5-6 секунд и снова понижение до 150 Гц… и так далее.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Итак нам понадобится собрать схему из двух генераторов – один управляющий сверхнизкочастотный с изменяемой скважностью и один звуковой частоты. Первый должен выдавать нам сигнал с частотой 0,1 Гц и скважностью около 30 %. То есть низкий уровень 3 секунды и высокий 7 секунд. Второй с частотой от 12-150 до 500-550 Гц. Сначала разберёмся с управляющим. Задумка такая: этот генератор будет включать уровень "0" на время звучания низкого тона (150 Гц) генератора, а "1" на высокий тон (550 Гц).
Но есть одна очень существенная проблема – сделать генератор, вырабатывающий сигнал с частотой 0,1 Гц такой формы, как на графике (сигнал со скважностью 70/30 % очень трудно, я не знаю, как это сделать. Поэтому попробуем изменить принцип работы этой схемы. Мысль такая – оба генератора будут работать на существенно большей частоте, т.к. их легче сделать… Управляющий будет выдавать сигнал нужной формы и согласно его выходному напряжению изменять частоту основного, а уже готовый комбинированный изменяющийся сигнал мы разделим во столько раз, чтобы в итоге он изменялся в диапазоне от 150 до 500 Гц.
Для этого рассмотрим ещё одно устройство на логических элементах, которое называется триггер, а на его основе делитель частоты на два (F/2). Сам по себе триггер – это устройство на двух инверторах, соединённых входами каждого с выходом другого

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Его особенностью является два устойчивых состояния – если на выходе Q1 – "", то на -Q -"1" и наоборот. И это состояние останется таким, пока включено питание элемента. На этой основе создаются устройства памяти. Но нужны дополнительные входы для записи состояния на выходе Q единицы и для сброса триггера в состояние Q – ноль. Для этого триггер делается из двух элементов 2И-НЕ, в которых вторые входы и используются для этой цели. Один назвали S (Set — установить), второй R (Reset — сбросить). Этот вид триггера назвали асинхронный RS-триггер.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Если на входы R и S подать единицу, то она работает точно так же, как схема на инверторах. Но, если на R "", а на S "1", то на выход Q запишется "", а на -Q – "1". Если на R "1", а на S "", то наоборот (Q – "1", -Q -""). То есть эти входы совершенно одинаковые, только имеют разное название и взаимозаменяемы.
Такой же RS (SR) можно собрать на элементах 2ИЛИ-НЕ. Только управляться он будет противоположными уровнями на входах.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

На основе этих триггеров созданы синхронные триггеры. В рассмотренных ранее асинхронных триггерах есть один существенный недостаток – это неопределённое состояние , которое существует после его включения, пока мы принудительно не изменим его состояние подав нужный уровень на один из входов. В синхронном триггере для этого добавлен вход "С". Он разрешает изменение состояния триггера от первоначального или предыдущего. На него подаются тактовые импульсы высокого уровня (1) только тогда, когда когда нужно изменить состояние всего триггера. При "" он хранит записанную ранее информацию. Это его схема

Читайте также:  Простой, но очень полезный станочек из старых железяк

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Существует много различных схем триггеров для разного их использования. Описывать все я не буду, этой информации много в сети. Приведу лишь таблицу их условных обозначений

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

В данной статье мне понадобится другое устройство на основе триггера – делитель частоты. Для этого используется так называемый D-триггер. Это тот же синхронный RS триггер, в котором с помощью инвертора объединены входы установки S и сброса С –

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Для того, чтобы получился делитель, достаточно соединить инверсный выход -Q c входом D.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

После прохождения первого импульса на вход С, сигнал с инверсного выхода -Q, возвращается на вход D и, с задержкой на время первого импульса, продолжает удерживать высокий уровень сигнала. То же происходит с низким уровнем входного сигнала. С приходом следующего импульса всё повторяется… В итоге длина высокого и низкого уровней импульса увеличивается вдвое, а так же и частота импульсов делится на два. количество таких триггеров в одном корпусе микросхемы может быть любым необходимым для поставленной задачи.
Распространёнными у радиолюбителей являются микросхемы с двумя делителями в одном корпусе, каждый из которых содержит четыре двоичных делителя соединённых последовательно и имеющих по одному выходу на каждый разряд

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Два таких блока входит в состав одной микросхемы К561ИЕ10. Каждый имеет два входа импульсов С – прямой и Е -инверсный, сброс R и четыре выхода Q1 -Q4 разрядов 2 -4 – 8 -16, Т.е. делит входной сигнал на 2,4,8 и 16. Если 16-й разряд первого соединить с входом второго блока, получится делитель с восемью разрядами и максимальным делителем на 256. И всё это умещается в одном корпусе с 16-ю "ножками"

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Для их непрерывной работы сигнал подают на один из входов С или Е, Оставшийся свободным соединяют с минусом питания. Входы сброса R тоже закорачивают на 0. Я собираюсь использовать в схеме сирены именно такую микросхему.
На самом деле существует много разных схем разного коэффициента деления и разрядности. Коэффициент деления указанной микросхемы равен 256 (два по 16 разрядов) частота делится на 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256. Есть микросхемы с коэффициентом деления 5, 10, 12… Есть универсальные, в которых путём соединения перемычек (выводов микросхемы) можно сделать любой нужный коэфф. деления.
Но вернусь к задуманному устройству – сигналу тревоги Сирена. Самое сложное в данном случае – сверхнизкочастотный генератор. Нужен сигнал частотой 0,1 Гц с нужной нам скважностью. В механических сиренах воющий звук производится с помощью лопастей ротора и статора с крыльями и щелями, которые при вращении гонят воздух и издают этот вой, а изменение тональности происходит из-за непостоянства скорости вращения. Нам же придётся сделать это электронными средствами. Цифровыми методами получить плавную сигнал нужной частоты и скважности можно, но это будет сложная схема. Поэтому я задумал пойти другим путём – сделать нашу конструкцию достаточно высокочастотной, а потом понизить частоту готового сигнала до нужного диапазона (изменяющийся звук 150 – 550 ГЦ). У синусоидального сигнала обрежем верхний "горб", который обеспечит длинное звучание высокой составляющей нашего сигнала, а нижняя останется неизменной и ограничит переход от низкой частоты к плавному повышению, то есть частота будет меняться согласно задуманному графику. Этот управляющий сигнал будет не сверхнизкочастотным, а обычным НЧ и он будет плавно изменять ещё более высокочастотный в нужных пределах, а потом мы этот комбинированный, но не слышимый нами сигнал разделим делителями до НЧ, который будет слышать наше ухо. Немного путано, но скоро Вы всё поймёте.
Для демонстрации работы цифровых микросхем я постараюсь сделать это самым трудным путём. Звучать наше устройство должно в диапазоне 150 – 500 Гц., значит и генератор, частоту которого мы будем делить до звуковой должен работать на частоте 600 кГц – 2 МГц. Это предел максимальной частоты работы цифровой логики – 2 мГц (это касается логических микросхем отечественного производства серии К561), на больших частотах будут происходить сбои. Таким образом сирена будет состоять из четырёх блоков:
1. Генератор нужной нам формы управляющего сигнала частотой 400 Гц;
2. Генератор, управляемый по частоте от 0,6 до 2 МГц;
3. 12-ти разрядный делитель частоты:
4. Выходной усилитель НЧ.
Для проверки работы блоков я буду использовать симулятор электронных схем Multisim. Он позволяет "собрать" почти любую схему на мониторе компьютера и проверить её работоспособность без реальных деталей. В её базе есть все необходимые компоненты, которые располагаешь в нужных местах на виртуальной макетной плате, соединяешь их по схеме, и по приборам (а их там на все случаи жизни…) видишь как работает устройство, будто спаял из реальных деталей… Вот и я буду проверять все блоки на этом эмуляторе, а схемы представлю в виде фотостопов (сканов) из этой программы.
Вначале я пробовал сделать генератор формы управляющего сигнала по простой схеме RC-генератора на одном транзисторе с цепью обратной связи по такой схеме

Читайте также:  Копеечная самоделка чтобы безопасно и удобно пилить болгаркой уголки, круглые и профильные трубы.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Здесь нет ничего необычного. После формирования устойчивого сигнала , я обрезал его верхушку стабилитроном D2 и получилась нужная форма, что видно на осциллограмме. Но, как оказалось, понизить частоту до 400 Гц очень проблематично. Ниже 800 Гц генератор отказывается сам запускаться, его амплитуда падает вместе с частотой… Поэтому было решено действовать цифровыми методами. А использую я для этого сдвигающий регистр на 8 разрядов. Его работу представляет диаграмма в следующей галерее –

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

На вход микросхемы подаются тактовые импульсы, которые делятся на восемь и поочерёдно с тактовой частотой появляются на 8-ми выходах (Q0 -Q7) со сдвигом на один такт. Входная частота может быть любой в пределах характеристики м/схемы. Если сложить эти сигналы с помощью сопротивлений, сигнал будет расти до последнего импульса на Q7. Если этот последний импульс инвертировать и подать на подать на вход D управления м/с, отсчёт начнётся сначала, но в обратную сторону – с каждым новым разрядом общий уровень будет падать пока не дойдёт до начального. Потом всё повторяется… Это видно на диаграмме. Для этой цели идеально подходит мс 74HC4094 или русский аналог К561ИР2. В этой м/схеме в одном корпусе два сдвигающих регистра по 4 разряда, и если их соединить последовательно, получится замена нашей 74HC4094 . В эмуляторе Multisim она называется просто 4094. Схема Формирователя управляющего сигнала на ней получилась такая –

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Восемь одинаковых сопротивлений поочерёдно добавляют новый уровень сигнала на обшей шине. Вместе с последним разрядом и добавкой на вход D поступает сигнал переключения и цикл повторяется с убыванием уровня. Затем новое переключение и всё повторяется сначала и т.д. Тактовые импульсы подаются с генератора на счётный вход С. Выходной сигнал получается пилообразный и ступенчатый. Для его сглаживания добавим фильтр НЧ. После него форма сглаживается и становится похожей на синусоиду. Это видно на 2 и 3 скане галереи выше – на "двухлучевом осциллографе" на первый вход подано напряжение с общей шины выхода схемы формирователя (верхняя половинка изображения), а после фильтра – нормальная синусоида (нижняя половинка). Но при детальном рассмотрении перепады ступенек видны. Для улучшения сигнала я добавлю в нашу схему последовательно через специальный выход переноса ещё одну такую же м/схему, чтобы получить более качественную синусоиду. Вход сигнала переключения тоже переносим на последний теперь уже 16-й разряд схемы регистра. Добавляем ещё восемь сопротивлений на общую шину от дополнительных разрядов. Качество выходного сигнала значительно улучшилось –

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Вы видите, что для получения на выходе формирователя частоты синусоиды около 400 Гц, частота сигнала генератора должна быть 13 кГц, т.е. за один полный проход формирователя от начала подъёма уровня до вершины и спуска обратно до нижней точки проходит два по 16 тактов. Значит тактовая частота делится на 32 – 13000 Гц делённое на 32 это 406 Гц (400Гц).
Теперь для получения требующейся нам формы сигнала, придётся немного схитрить. Вместо встроенного в эмулятор генератора мы поставим свой на элементах 2И-НЕ и настроим его на частоту, при которой на выходе будут нужные нам 400 Гц, которые после деления 12-ю разрядами делителя дадут 0,1 Гц. Чтобы ограничить амплитуду нашей синусоиды, т.е. срезать у неё верхушки, я поставил перед фильтром стабилитрон, который не даёт выходному уровню подняться выше напряжения его отсечки. Нижняя часть формы синусоиды останется неизменной. Последовательно со стабилитроном поставлю резистор, что немного смягчит форму линии отсечки. Вот что получилось в итоге –

Читайте также:  По-быстрому связала следки "Ганс" 2 спицами для друга, доволен и забрал с собой!

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Для питания мы используем максимально допустимое напряжение питания м/с – 15 В, чтобы получить амплитуду выходного сигнала, достаточную для управления следующим генератором.
Второй генератор сделаем на логических элементах 2И-НЕ. Они входят в состав одной микросхемы К561ЛА7. Три из них вырабатывают прямоугольные импульсы, четвёртый мы используем в качестве инвертора в схеме формирователя импульсов. Здесь вся "трудность" заключается в подборе частотозадающих конденсатора и сопротивления. Для плавного изменения частоты генератора, служит поставленный параллельно сопротивлению полевой транзистор с изолированным затвором. Он изменяет общее сопротивление цепи в зависимости от поданного на него напряжения. В нашем случае это будет напряжение с выхода первого генератора. Как показало испытание, частота изменяется в нужных пределах при напряжении на затворе транзистора от 4 до 10 вольт. Поэтому выбираем напряжение питания всех частей устройства максимально возможным (до 15 вольт) или подбираем другой полевой транзистор.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Как видно из схемы, частота генератора зависит от конденсатора и сопротивления в фазосдвигающей цепи. Она изменяется сопротивлением между стоком и истоком полевого транзистора с изолированным затвором, установленного параллельно частотозадающего резистора, а конденсатор регулируется до нужного интервала частоты во время настройки. Эта схема прекрасно работает собранной в эмуляторе Multisim. Там же я подал на затвор напряжение от переменного резистора установленного в цепи питания генератора и опытным путём подобрал номиналы деталей так, чтобы при изменении напряжения на затворе транзистора от 4 до 10 вольт, частота менялась от 600 Гц до 2 Мгц. Это видно на сканах в галерее.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Третий блок нашей схемы сделаем из двух описанных ранее микросхем К561ИЕ10. На вход подадим комбинированный сигнал со второго генератора. Выход каждого счётного блока соединим с входом следующего в цепочку, а на выходе третьего, вернее на его выходе Q12 (если считать из 16-ти разрядов всего делителя Q0 – Q15) мы получим НЧ сигнал переменной частоты от 150 до 550 Гц, как и было задумано.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

Электронные самоделки прошлого века. Часть 8. Практический пример разработки схемы на логике.

На скане видно, что импульсы с генератора частотой 2 Мгц на выходе второго делителя (Q8) равна примерно 7,850 кГц. После ещё четырёх разрядов деления, начальная частота уменьшится в 4096 раз и будет около 500 Гц. Точная настройка выполнится на уже работающей схеме после сборки агрегата.
Четвёртый блок – усилитель НЧ я описывать не буду. Это может быть что угодно – один усилитель для одной аккустической системы, мощный усилитель для раздачи сигнала по абонентским точкам, трансляция через систему уличных громкоговорителей или через радиостанцию на обширную территорию…
Все три описанных блока я проверил на симуляторе. Всё работает. К сожалению на нём не получается проверить всё вместе. Симулятор не поддерживает совместную работу даже двух генераторов, они выключаются оба. И в симуляторе нет возможности воспроизвести звуковой сигнал. Но схема просто обязана заработать. Возможно, придётся повозиться с согласованием сигналов первых двух блоков, добавить между ними дополнительный усилитель напряжения для стабильного изменения управляющего напряжения в нужном диапазоне. Но, в качестве примера, этого достаточно.

Наверное, Вы догадываетесь, что на написание этой статьи ушло много сил и времени. Пришлось разбираться в работе эмулятора и перепробовать несколько десятков вариантов схем, пока получилось то, что я описал. Поэтому, не сочтите за труд оставить свои оценки и комментарии. Наверняка найдутся те, кто считает это пустой тратой времени, т.к никому уже не понадобится паять такую схему, а создать нужный сигнал программно на ПК. Я это и сам прекрасно понимаю. Но поверьте, пока занимался этой разработкой, я получил огромное удовольствие, как будто вернулся в молодость. Надеюсь и кому-то ещё эта статья доставит удовольствие. А кто-то узнает, как мы "развлекались"лет 40 – 50 назад.
Спасибо, что дочитали. Не стесняйтесь указывать на ошибки.

С. Андрианов.

Источник

Оцените статью
masterkin.ru
Добавить комментарий