PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI cz. 23

Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
Na warsztacie
PRAKTYCZNY
KURS
cz. 23
ELEKTRONIKI
Oto dwudziesta trzecia część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się
umożliwić Czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszystkich
dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować.
Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest
zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi Czytelnicy mogli zapoznać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY!
Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie
byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalna
okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika
„Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „Młodym
Techniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początkujących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcentem na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektu
i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt to konkretny
układ elektroniczny samodzielnie montowany i uruchamiany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie,
ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicy
ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie!
Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie
układy będą montowane na płytce stykowej, do której
wkłada się „nóżki” elementów na wcisk.
I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przygotowało zestaw EdW09, zawierający płytkę stykową
i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania
kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw
EdW09 można kupić w sklepie internetowym
www.sklep.avt.pl lub w sklepie firmowym AVT
(Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł.
Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zestaw
za darmo, jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz
wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres:
[email protected] dwa zdania:
„Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny
zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................”
Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 grudnia
2014 r., to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie stycznia
2015 r., wraz z lutowym numerem MT.
Uwaga uczniowie!
Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne
PS EdW09, zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy
z nich zawiera komplet elementów z płytką stykową),
skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnej
cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z rabatem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09,
którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy
Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły
ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują
MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo
Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom
informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promocyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09
do ćwiczeń praktycznych.
98
m.technik - www.mt.com.pl
Zestaw EdW09 zawiera następujące
elementy (specyfikacja rodzajowa):
1. Diody prostownicze
4 szt.
2. Układy scalone
4 szt.
3. Tranzystory
8 szt.
4. Fotorezystor
1 szt.
5. Przekaźnik
1 szt.
6. Kondensatory
22 szt.
7. Mikrofon
1 szt.
8. Diody LED
11 szt.
9. Przewód
1m
10. Mikroswitch
2 szt.
11. Piezo z generatorem 1 szt.
12. Rezystory
64 szt.
13. Srebrzanka
1 odcinek
14. Zatrzask do baterii 9V
1 szt.
15. Płytka stykowa prototypowa
840 pól stykowych
1 szt.
Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto
(www.sklep.avt.pl)
Uwaga Szkoły
Tylko dla szkół prenumerujących
„Młodego Technika”
przygotowano Pakiety Szkolne
zawierające
10 zestawów EdW09
(PS EdW09) w promocyjnej
cenie 280 zł brutto,
tj. z rabatem 40%.
Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr
Górecki, redaktor naczelny kultowego w świecie
hobbystów – elektroników miesięcznika „Elektronika
dla Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułów
i książek uczących elektroniki od podstaw.
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
Projekt 23
Uniwersalny timer
oraz theremin
Fotografia wstępna pokazuje uniwersalny układ czasowy. Może się wydawać, że taki uniwersalny timer
to temat banalny i niepraktyczny. W rzeczywistości każdy elektronik wcześniej czy później potrzebuje
układu czasowego, za pomocą którego albo uruchomi jakieś inne urządzenie na pewien czas, albo też
o pewien czas opóźni jego włączenie. Nasz uniwersalny układ czasowy ma nieskomplikowaną budowę, a realizuje dodatkowe pożyteczne funkcje. Zawiera linijkę diod LED, która pokazuje upływ czasu,
co w wielu zastosowaniach jest bardzo pożądane.
Po pierwsze, do wyboru mamy dwa główne tryby pracy:
1 – po naciśnięciu przycisku lub po włączeniu napięcia zasilania układ wytwarza impuls, który włącza
przekaźnik na określony czas,
2 – po włączeniu zasilania przekaźnik zostanie włączony z określonym opóźnieniem.
Po drugie mamy do wyboru wersje:
A – z możliwością dowolnego przedłużania czasu za pomocą przycisku.
B – bez możliwości przedłużania czasu.
W wersji podstawowej czasy opóźnienia mogą sięgać do kilku minut, natomiast w wersji z dodatkowym licznikiem czasy mogą sięgać wielu godzin.
R11
10k
A
1
5
6
9 11
BC
558
C2
R5
100k
100n
LED5
R4
47k
VCC
LED4
T1
2
8
9
R8 10k
R7
1k
lub 2,2k
U1=
=4093
4
B
LED10
D1
X
5
6
C3
+
R6 47k
C4
10µF
10
C
1N4148
10
VCC
R9 2,2k
BC558 T2
Q9
7
Q8
4
Q7
2
Q6
Q3
3
VCC
licznik
Q5
Q2
EN
U2=4017
B
A
R3
47k
S1
MR
Q0
R2 100k
CL
LED3
VCC
15
13
1
Q1
1µF
14
U1=
=4093
LED2
C1
13
LED1
2
R1
1M
VCC
D
+
A
X
12
1 11
3
Q4
generator
REL
R10
2,2k
10µF
99
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
Na warsztacie
Opis układu dla
„zaawansowanych”
Schemat uniwersalnego timera pokazany jest
na rysunku A. Elementy R5, C2 zerują licznik
po włączeniu zasilania, co jest bardzo ważne,
żeby układ zaczynał pracę zawsze od „punktu zerowego”.
Gdy licznik zostaje wyzerowany, zaświeca się zielona dioda LED1. Na wyjściu Q9
(nóżka 11) panuje stan niski, a w punkcie X
stan wysoki, co otwiera T2 i uruchamia przekaźnik i diodę LED10 oraz umożliwia pracę
generatora na bramce U1B i pulsowanie
diody LED1, a potem następnych diod. Stan
wysoki w punkcie X umożliwia też pracę
głównego generatora z bramkami U1A, U1D,
przez co licznik U2 zlicza kolejne impulsy
i zaświeca kolejne diody.
Gdy stan wysoki pojawi się na wyjściu Q9 (n. 11), generatory przestają pracować, a przekaźnik REL
zostaje wyłączony – jest to stan spoczynku i układ nie pobiera prądu. Naciśnięcie przycisku S1 rozpocznie kolejny cykl pracy.
Dołączenie emitera T1 do punktu A powoduje, że podczas odliczania czasu każde naciśnięcie przycisku S1 zeruje licznik U2 i przedłuża zliczanie. Dołączenie do punktu B daje układ bez możliwości
przedłużania czasu, jak w modelu z fotografii tytułowej.
W spoczynku układ nie pobiera prądu i kondensator filtrujący C4 nie może się rozładować.
Gdy układ ma być uruchamiany przez podanie napięcia zasilania, równolegle do kondensatora C4
należy dołączyć zaznaczony szarym kolorem rezystor R11, który zapewni jego rozładowanie do zera,
co po ponownym włączeniu zasilania pozwoli obwodowi R5, C2 prawidłowo wyzerować układ.
W Elportalu (elportal.pl/pke) można znaleźć dwa filmiki, pokazujące pracę wersji wytwarzającej
impuls z możliwością przedłużania czasu i bez tej możliwości.
1
Poznajemy elementy i układy elektroniczne
W układzie tytułowym wykorzystaliśmy popularny generator dwubramkowy. Trzeba też wiedzieć,
że istnieją specjalizowane układy scalone generatorów i przerzutników monostabilnych, w tym
najpopularniejszy 555. W rodzinie cyfrowych układów CMOS 4000 mamy uniwersalny timer 4047
oraz kilka podwójnych uniwibratorów: 4098, 4528, 4538, 4548 o bardzo podobnej konstrukcji. We
wszystkich odmierzany czas (częstotliwość) wyznacza obwód RC, więc dla uzyskania sensownej
dokładności oraz stabilności długoczasowej i termicznej należy użyć kondensatora stałego (foliowego lub ceramicznego C0G), a nie elektrolitycznego. Z uwagi na ograniczoną pojemność kondensatorów stałych, praktycznie nie jest możliwe odmierzanie w ten sposób długich czasów (powyżej
minuty). Odmierzany czas można dowolnie zwiększyć, stosując liczniki (dzielniki). W rodzinie
CMOS 4000 mamy do dziś popularny układ 4541 – specjalizowany uniwersalny timer z licznikiem
do odmierzania nawet bardzo długich czasów. W wielu przypadkach można wykorzystać popularne liczniki dwójkowe: 4020, 4040, a najchętniej stosowany jest 4060, który
ma dodatkowy obwód oscylatora. Jeden z tych liczników można byłoby
zwykły inwerter
wykorzystać w układzie tytułowego timera, by uzyskać dowolnie długie
czasy, nawet dni.
Gdy potrzebna jest większa dokładność, wykorzystuje się rezonatoX1
ry kwarcowe, zwane potocznie kwarcami – fotografia 1. Bardzo często
C2
C1
stosowany generator kwarcowy na bramce lub inwerterze pokazany jest
rezonator
kwarcowy
na rysunku 2.
Bramki złożone. Oprócz absolutnie
podstawowych NOT, AND, OR, NAND,
EX - OR
EX - OR
EX - OR
A
NOR, pożyteczna bywa też bramka
X A
AB X
B
4 x NAND
realizująca funkcję XOR, inaczej EXOR
(EXclusive OR). Łatwo zapamiętać,
X 0 0 0
0 1 1
A EX - NOR
że dwuwejściowa bramka EXOR jest
1 0 1
X
podobna do bramki OR, tylko przy stanie
1 1 0
B
B
wysokim na obu wejściach, wyjście ma
100
m.technik - www.mt.com.pl
2
3
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
FUNCTION
VSS=8
VDD=16
A
B
C
D
IN E
F
G
H
EXPAND
4
Ka
14
13
12
11
6
5
4
3
10
15
3 STATE
CONTROL
Kb Kc Kd
7
9
2
CMOS
Multifunction
Expandable
8 Input Gate
1
CD4048
4028
A
10
B
13
C
12
D
11
dekoder
7447
A
a
b
B
C
D
BI/RBO
wejście - liczba dwójkowa
5
c
d
e
f
LT
RBI
6
g
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
stan zero (w wielowejściowych bramkach EXOR stan
wysoki na wyjściu występuje wtedy, gdy na nieparzystej
liczbie wejść panuje stan wysoki). Dostępne są też bramki
EXNOR (XNOR) z dodatkowym negatorem na wyjściu.
Rysunek 3 pokazuje symbole bramek EXOR i EXNOR oraz
sposób realizacji EXOR z czterech bramek NAND. W rodzinach CMOS 4000 i 74HC dostępne są liczne bramki,
J
w tym XOR (XNOR). Ciekawostką jest układ CMOS 4048,
OUTPUT
zawierający 8-wejściową bramkę, której funkcję logiczną można zmieniać za pomocą trzech wyprowadzeń
– rysunek 4.
W rodzinach 4000 i 74 mamy też wiele różnego rodzaju
dekoderów i enkoderów. Rysunek 5 pokazuje budowę
0
dekodera kodu dwójkowego (BCD) na kod 1 z 10 z kostki
3
CMOS 4028. Na rysunku 6 masz schemat wewnętrzny
1
bardzo popularnego niegdyś dekodera 7447 kodu BCD
14
na kod sterowania wyświetlaczy 7-segmentowych. Na fo2
tografii 7 pokazane są 7-segmentowe wyświetlacze LED
2
i LCD.
3
Bardzo pożyteczne okazują się multipleksery i de15
multipleksery, czyli swego rodzaju przełączniki. Proste
4
przykłady pokazuje rysunek 8. Mamy tu dwa wejścia
1
adresowe A1...A0, na które podawana jest liczba dwójko5
wa z zakresu 0...3 uruchamiająca jedno z wejść/wyjść.
6
Dużo bardziej uniwersalne są tego rodzaju układy z tak
6
zwanymi bramkami transmisyjnymi według rysunku 9.
7
Bramka transmisyjna jest odpowiednikiem sterowanego
7
wyłącznika, elektronicznego przekaźnika. W technologii
4
CMOS można je zrealizować bardzo łatwo, uzyskując
8
przy okazji klucz analogowy załącz/wyłącz, mogący prze9
kazywać sygnały w obu kierunkach. Podstawą budowy
9
prostego klucza analogowego są dwa komplementarne
5
tranzystory MOS połączone „równolegle”. Rysunek 10
pokazuje schemat budowy klucza analogowego z kostki 4016 (zastąpionej przez znacznie ulepszony układ
4066). Gdy na wejściu sterującym CONTROL jest stan niski, oba
tranzystory klucza (n i p) są zatkane i bramka nie przewodzi
– rezystancja między punktami IM/OUT jest ogromna, rzędu
wielu megaomów. Stan wysoki na wejściu CONTROL otwiera
oba tranzystory – prądy mogą płynąć między punktami IN/OUT
w obu kierunkach. Jednak taki otwarty klucz nie jest doskonały
– ma pewną rezystancję szeregową, rzędu kilkudziesięciu do kilkuset omów.
Kostki CMOS 4016 i 4066 zawierają cztery niezależne klucze
analogowe. Dostępne są też (de)multipleksery z kluczami analogowymi: szesnastokanałowy 4067, ośmiokanałowy 4051, dwa
czterokanałowe 4052 i trzy dwukanałowe w kostce 4053. Te klucze i multipleksery analogowe zasadniczo należą do układów
cyfrowych, ale przewidziane są do pracy z sygnałami analogowymi (np. audio). Dlatego kostki 4051, 4052, 4053, oprócz końcówek plusa zasilania (VDD, nóżka 16) i masy (VSS, nóżka 8), mają
jeszcze dodatkową końcówkę ujemnego napięcia zasilania (VEE,
nóżka 7), którą można albo podłączyć do masy (VSS), albo podać
na nią ujemne napięcie zasilania, by multiplekser mógł pracować
z sygnałami zmiennymi, także ujemnymi względem masy.
Opracowano wiele innych interesujących układów scalonych.
Ponieważ mamy do czynienia z liczbami przedstawionymi w systemie dwójkowym, przydatne są układy, które przeprowadzą na liczbach operacje czysto matematyczne. I tak istnieją komparatory,
101
wejścia adresowe
wejścia adresowe
102
m.technik - www.mt.com.pl
7
wejście
wejścia
czyli układy porównujące
dwie liczby dwójkowe.
Rysunek 11 pokazuje
przykładowy schemat
prościutkiego komparatora, sprawdzającego,
czy dwie czterobitowe
liczby są jednakowe.
Scalone komparatory, np.
CMOS 4585, dodatkowo
określają, która liczba
jest większa. Istnieją też
układy scalone, które
są najprawdziwszymi
sumatorami. Ale nie
Q wyjście
a) multiplekser
b) demultiplekser
sumatorami logicznymi OR,
OR
tylko prawdziwymi układami
4x
wyjścia
dodającymi dwie liczby dwójNAND
Q0
Q1
Q2
Q3
kowe. W rodzinie CMOS4000
mamy 4-bitowy sumator
liczb BCD (dziesiętny) 4560
I0
oraz 4-bitowy sumator
I1
I2
binarny 4008 o schemacie
I
I3
z rysunku 12.
Jeżeli wewnętrzny układ
“0”
“1”
“2”
“3”
“0”
“1”
“2”
“3”
byłby jeszcze bardziej skomplikowany, możemy uzyskać
uniwersalny układ arytmetyczny (ALU – Arithmetic
A1
A1
Logic Unit) według idei
z rysunku 13. Zależnie
od stanu wejść sterujących,
A0
A0
układ może przeprowadzać
dekoder 1 z 4
dekoder 1 z 4
na liczbach wejściowych
dodawanie, odejmowanie,
mnożenie, funkcje logiczne AND, OR, XOR, NOT, a także je porównywać. Schemat wewnętrzny ALU
z kostki CMOS40181 jest pokazany na rysunku 14.
W każdym razie bardziej złożone układy mogą realizować operacje na liczbach. I oto masz też odpowiedź, dlaczego używamy określenia: układy cyfrowe. Do tej
pory mówiliśmy o kodzie dwójkowym, który zasadniczo
I0(0)
I0(0)
może reprezentować tylko liczby naturalne (0, 1, 2, 3, 4, …).
Można też przedstawiać liczby ujemne, np. traktując jeden
bit jako znak (minus), co dałoby kod zwany znak-moduł.
I0(1)
I0(1)
Jednak w praktyce liczby ujemne lepiej jest przedstawić
nieco inaczej, w tak zwanym kodzie uzupełnienia do jedynki
I0(2)
I0(2)
albo uzupełnienia do dwóch. Ciąg bitów może też reprezentować liczby ułamkowe. Oprócz różnych kodów liczbowych,
I0(3)
I0(3)
często wykorzystywane są też inne kody.
W praktyce prawie nigdy nie interesuje nas, jaką wewnętrzną budowę mają układy scalone – ważna jest tylko
“0”
“1”
“2”
“3”
pełniona funkcja i wymagania dotyczące wejść i wyjść.
Dlaczego więc przedstawiałem Ci liczne schematy
wewnętrzne?
Otóż chcę pokazać, że z prostych bramek można zbudoA1
wać układy cyfrowe, pełniące dowolnie skomplikowane
funkcje.
Naprawdę popularne układy logiczne w postaci układów
A0
scalonych z rodziny 74 pojawiły się w roku 1964 – pierwsza
dekoder 1 z 4
była kostka 7400, zawierająca cztery dwuwejściowe bramki
wejścia adresowe
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
Na warsztacie
8
9
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
-
!
NAND. W ciągu kilkudziesięciu lat opracowano setki bardziej skomplikowanych układów cyfrowych.
Pojęcie o układach z rodziny 74 oraz CMOS400 dają
listy na stronach: http://goo.gl/IjvyPx, http://goo.gl/
Wd7gFi.
Istnieje więc mnóstwo „pojedynczych” układów
scalonych realizujących wymienione tu funkcje
przerzutników, liczników, rejestrów, dekoderów,
multiplekserów. Dawniej były wykorzystywane
do realizacji złożonych systemów cyfrowych, w tym
także komputerów. Dziś są używane coraz rzadziej,
ponieważ postęp techniczny umożliwił umieszczeA0
nie w jednym układzie scalonym już nie tysięcy, czy
EXOR
milionów, ale miliardów tranzystorów, co pozwala stworzyć miliardy
B0
bramek oraz miliony liczników i rejestrów w jednej małej kostce.
A1
Wytworzenie dowolnych struktur pełniących dowolne funkcje logiczne (cyfrowe, obliczeniowe) nie jest dziś żadnym problemem.
B1
A=B
Problem natomiast w tym, że każdy odbiorca ma inne potrzeby
A2
i potrzebuje układów o innych funkcjach. Duży odbiorca, potrzebujący wielu tysięcy egzemplarzy, może zamówić u producenta układ scaB2
lony „szyty na miarę”, dokładnie realizujący indywidualne potrzeby
A3
odbiorcy, tzw. ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Jednak
mniejsi odbiorcy, potrzebujący małych serii lub nawet pojedynczych
B3
egzemplarzy układów o określonych
funkcjach, nie mieliby szans z uwagi
na koszty opracowania. Tymczasem
Cin
Cout zapotrzebowanie na układy „szyte
na miarę” było i jest ogromne.
Producenci od dawna starali
się dostosować do takich potrzeb.
Aktualnie dostępne są mniej i bardziej
skomplikowane układy scalone, które
są w pewnym sensie „półproduktaB4
mi”. Mają ogromne możliwości, ale
S4 użytkownik musi je zaprogramować
A4
do pełnienia potrzebnej mu funkcji.
Rozwój poszedł w dwóch głównych
B3
kierunkach, dlatego trzeba wspomnieć
o dwóch głównych grupach:
S3
• programowalnych układach
A3
logicznych PLD – Programmable
Logic Device (PAL, GAL,CPLD,
B2
FPGA)
S2 • mikroprocesorach.
A2
W największym uproszczeniu można
powiedzieć, że w układzie PLD możemy
samodzielnie stworzyć (zaprogramować)
B1
dowolny układ logiczny/cyfrowy o możS1 liwościach zależnych tylko od liczby
A1
dostępnych w nim elementarnych
bramek i przerzutników. Programowanie
układów PLD to w sumie jednorazowa
konfiguracja elementarnych składników
do pełnienia potrzebnej funkcji. Dawniej możliwe było jednorazowe, nieodwracalne skonfigurowanie przez
przepalenie niepotrzebnych połączeń i pozostawienie pożądanych. Dziś konfiguracja przebiega na drodze
elektronicznej i wykorzystywane są układy PLD, w których raz zapamiętaną konfigurację można później
wielokrotnie zmieniać.
Układy PLD mogą zawierać przerzutniki, liczniki, rejestry i inne składniki „pamiętające”, jednak
w pierwszym zgrubnym przybliżeniu można sobie wyobrażać, że jest to konfigurowana przez użytkownika sieć mnóstwa bramek.
4008
@
103
Na warsztacie
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
FUNCTION SELECT
104
INPUTS
W ramach kursu PKE nawet
VDD = 24
nie dotkniemy układów PLD,
VSS = 12
S0 S1 S2 S3
które są niezbyt popularne wśród
6
5
4
3
hobbystów. Spróbuj tylko zapamięA0
2
9
F0
tać: programowanie układów PLD
oznacza, że użytkownik konfiguruje
A1 23
10
F1
WORD
OUTPUT
sprzęt: realizuje połączenia między
A
FUNCTION
A2 21
11
F2
zawartymi w układzie bramkami,
A3 19
13
F3
przerzutnikami, rejestrami, licznikami i innymi blokami, by układ
14 A = B COMPARE
B0
1
ALU
wykonywał potrzebne funkcje.
OUT
B1 22
W uproszczeniu można powieWORD
16 Cn+4 RIPPLE
B2 20
B
dzieć, że użytkownik tworzy speCARRY OUT
cjalizowany układ scalony według
B3 18
swoich potrzeb. Ułatwiają to spe17
G
LOOK AHEAD
Cn
7
cjalne programy komputerowe.
CARRY IN
CARRY
15
P
Zupełnie czym innym jest
M
8
MODE
(40181)
OUTPUTS
programowanie mikroprocesorów.
CONTROL
Mikroprocesor ma fabrycznie
3
ustaloną, niezmienną wewnętrzną
S3
4
40181
strukturę i zawiera pewne kluS2
czowe bloki funkcjonalne, w tym
17
5
pamięć. Programowanie polega
S1
G
6
na wpisaniu do pamięci rozkazów
S0
16
określających, co i kiedy poszcze18
Cn+4
B3
gólne bloki mikroprocesora mają
15
P
robić. Program to w sumie „przepis
13
na działanie procesora”, składająF3
19
cy się z mnóstwa elementarnych
A3
rozkazów.
20
Jest to zupełnie inna koncepB2
cja niż w przypadku rozwiązań
wykorzystanych w PLD oraz
w ćwiczeniach cyklu PKE, gdzie
11
21
realizowaliśmy i realizujemy różne
F2
A2
rozwiązania sprzętowe. My w ra22
mach elementarnego kursu PKE
14
B1
doszliśmy wprawdzie do mikroA=B
procesora, ale nie mamy takowego
10
w zestawie EdW09, więc go nie
23
F1
wykorzystamy. W tym i następnym
A1
wykładzie zbadamy natomiast
1
niektóre tzw. układy peryferyjne,
B0
stosowane w mikroprocesorach.
9
F0
Oto kilka ćwiczeń praktycznych.
2
Przypomnijmy, że prosty obwód
A0
różniczkujący RC pozwala skracać
7
impulsy. W układzie według
n
8
rysunku 15, dzięki obecności
M
diody D1 i rezystora R2, w punkcie A występuje przebieg prostokątny o jakiejś częstotliwości f
i wypełnieniu ponad 95%. Przebieg taki jest podawany na obwód Rx, Cx, a na wyjściu C otrzymujemy
przebieg prostokątny również o częstotliwości f, ale o wypełnieniu zależnym od stałej czasowej RxCx.
Wstawiając fotorezystor w miejsce rezystora Rx, otrzymujemy możliwość płynnej regulacji współczynnika wypełnienia, a tym samym możemy impulsowo regulować jasność diody LED, bo dzięki dużej
częstotliwości pracy i bezwładności ludzkiego oka uzyskujemy płynne zmiany jasności diody.
Można uniezależnić się od rozrzutu parametrów fotorezystora w układzie według rysunku 16. Mój
model pokazany jest na fotografii 17. Kluczową rolę odgrywa tu tranzystor T1, który jest sterowanym
m.technik - www.mt.com.pl
#
$
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
D1
źródłem prądowym. Tranzystor T2 i rezystor
R7 tworzą zwykły wtórnik. Gdy w punkcie S
napięcie jest równe zeru, na emiterze T2 występuje napięcie około 0,7V, ale dzięki obecności rezystora R5 tranzystor T1 jest całkowicie
R1 100k
RX
LED1
zatkany. Wtedy po wystąpieniu dodatniego
C
wypełnienie >95%
impulsu w punkcie A kondensator C2 ładuje
się tylko przez rezystor R4 – stała czasowa
A
ładowania jest duża, równa R4C2 i układ bez
zmian przepuszcza przebieg: na wyjściu C
B
występuje przebieg taki sam, jak w punkcie A.
W chwili wystąpienia ujemnego, opadającego
zbocza w punkcie A kondensator C2 szybko
C
rozładowuje się przez diody
ochronne na wejściu bramki
LED1
R7
12
13
10
U1C (przez co dioda D2 nie
C 8
9
22k
11
470Ω
jest konieczna). Gdy tranzyU1F
U1E
U1D
R9
stor T1 przewodzi, ładowanie
U1A
C3
R3
kondensatora C2 jest szybsze
2 3
1
B
4
5
100
R8
i impulsy w punkcie C
6
nF
A
*
1k
R2 4,7k
U1C
C2
są krótsze niż w punkcie A.
1M
U1B
T1
10nF
BC548
Słabiej świeci dioda LED1.
S
D1
D2
Gdy tranzystor T1 przewodzi
R4
R5 2,2k
T2
C1 R1 100k
znaczny prąd, może skrócić
1M
BC558
R6
czas impulsów aż do zera
10nF
FR
220Ω
(skutek obecności rezystancji wyjściowej bramki U1B
i rezystora R3). Rezystor R8
pozwala dostosować czułość do użytego fotorezystora. W Elportalu umieszczony jest filmik, pokazujący
prace modelu z fotografii 17.
Właśnie zbudowaliśmy (dość prymitywny) modulator szerokości impulsów, czyli modulator PWM
– Pulse Width Modulation. Przetwarza on wartość analogową (napięcie) na współczynnik wypełnienia
przebiegu prostokątnego, co można łatwo zmierzyć metodami cyfrowymi. Przebieg prostokątny o stałej
częstotliwości i zmiennym wypełnieniu można wytworzyć w różny sposób. Rysunek 18a pokazuje ideę
rozwiązania analogowego: Przebieg z generatora przebiegu piłokształtnego o częstotliwości fa jest porównywany przez komparator
z napięciem stałym, podanym na wejście
L1. Na wyjściu X otrzymujemy przebieg
prostokątny o częstotliwości fa i wypełnieniu
wprost proporcjonalnym do napięcia UA.
Czysto cyfrowa wersja takiego modulatora PWM pokazana jest na rysunku 18b,
gdzie rolę generatora „piły” odgrywa
licznik dwójkowy z generatorem zegarowym, a komparator jest cyfrowy. Mający
16 stanów 4-bitowy licznik dwójkowy stale
zlicza impulsy zegarowe o częstotliwości
fc, więc kolejno pojawiają się w nim liczby
0, 1,… 14,15, 0, 1,... 14, 15, 0, 1... Cyfrowy
komparator na bieżąco porównuje aktualny
stan licznika z czterobitową liczbą dwójkową L1, podaną z zewnątrz. Na wyjściu
X stan wysoki pojawia się wtedy, gdy stan
licznika jest większy od liczby dwójkowej
L. Otrzymujemy tam przebieg prostokątny
o częstotliwości fa = fc/16, którego wypełnienie i czas trwania impulsów można zmieniać,
zmieniając wartość dwójkowej liczby L1.
R2 4,7k
%
^
&
A
CX
B
C
R3
105
Na warsztacie
a) (napięcie UA)
Przy liczniku i komparatorze 4-bitowym mamy wybór
A
jednej z 16 wartości wypełnienia, przy 8 bitach mamy
wyjście PWM
X
256 możliwości, a przy 10 bitach – 1024 możliwości.
fa
+
Dziś w mikroprocesorach powszechnie stosowane
komparator
są 8- i 10-bitowe układy PWM.
f
a
Co bardzo ważne, cyfrowy sygnał PWM można
w dziecinnie łatwy sposób przetworzyć w sygnał
generator
analogowy – wystarczy prosty obwód uśredniający RC
przebiegu piłokształtnego
według rysunku 19. W punkcie Y otrzymujemy napięcie stałe o wartości dokładnie odpowiadającej współwejście cyfrowe
b) (liczba
dwójkowa)
czynnikowi wypełnienia. Przetworniki PWM z filtrem
RC są powszechnie wykorzystywane jako przetworB
D
C
A
liczba dwójkowa L1
niki cyfrowo-analogowe. Są to przetworniki o małej
wyjście PWM
komparator
szybkości z uwagi na konieczną znaczną stałą czasową
L2>L1
cyfrowy
fa = fc/16
liczba dwójkowa L2
obwodu filtrującego RYCY. W następnym wykładzie
zrealizujemy zdecydowanie szybszy przetwornik
D Q3 C Q2 B Q1 A Q0
cyfrowo-analogowy.
Q
Q
Q
Q
A na razie wspomnijmy, że modulator PWM można
fc
CL
CL
CL
CL
też zbudować według rysunku 20. Układ U1 pracuje
Q
Q
Q
Q
jako generator i na kondensatorze C1 otrzymujemy
licznik dwójkowy
generator
przebieg zbliżony do trójkątnego. Komparator U2
porównuje chwilową wartość tego napięcia trójkątnego
z napięciem stałym podanym na wejście A. Wypełnienie
przebiegu na wyjściu X możemy regulować od zera
układ
do 100%.
Y
cyfrowy
W klasycznej modulacji PWM częstotliwość jest stała,
(np.
RY
mikroprocesor)
a zmienia się tylko wypełnienie. W praktyce wykorzystuje
napięcie
(sygnał
cyfrowy CY
się pokrewne metody, gdzie częstotliwość nie jest stała.
analogowy)
sygnał PWM
Rysunek 21 pokazuje taki generator. Gdy tranzystor T1
jest zatkany, kondensator C1 rozładowuje się tylko przez
R1, a ładuje przez R1 i R2, więc czas trwania na wyjściu stanu wysokiego jest krótki. Wytwarzany
przebieg ma współczynnik wypełnienia około 5%. Gdy tranzystor przewodzi, to po pierwsze zmniejsza
czas rozładowania kondensatora. Przyspiesza rozładowanie, a więc skraca czas trwania stanu niskiego. Po drugie, jeśli T1 przewodzi stale, to opóźnia też ładowanie kondensatora, bo „zabiera” część
prądu płynącego przez R1, R2, przez co zmiany częstotliwości
są stosunkowo małe. Napięcie Uster zmienia współczynnik
+UZAS
wypełnienia.
generator
R2
Wykorzystajmy taki układ w impulsowej przetwornicy
podwyższającej z obwodem stabilizacji według rysunku 22.
R3
Indukcyjność L1 to cewka przekaźnika. Gdy T2, T3 nie przeU1
kompawodzą, tranzystor T1 przewodzi przez większościowy okres
R1
+ rator
i w cewce gromadzi się energia. W chwili zatkania T1 cewka,
U2
która „nie lubi zmian prądu”, wytwarza impuls napięcia saA
X
moindukcji i prąd dalej płynie przez diodę D2, C2, R6 i LED1,
wyjście
wejście
PWM
co zwiększa napięcie wyjściowe Ux. Nadmierny wzrost Ux
R4
otworzy T1, T2, a to zmniejszy współczynnik wypełnienia imC1
pulsów sterujących T1, a więc ustabilizuje napięcie wyjściowe
na wartości wyznaczonej przez dzielnik R4, R5.
Z uwagi na dużą rezystancję drutu cewki (bardzo małą doR2
broć), wydajność prądowa przetwornicy jest niewielka. Niemniej
5k
D1
w takim układzie można byłoby uzyskać napięcie wyjściowe ponad 100 V,
R1 100k
jednak z uwagi na dopuszczalne napięcie tranzystora T1, diody D2 i kondensatora C2 musi być ono mniejsze. Jak pokazuje fotografia 23, w moim
modelu przy zasilaniu z baterii 9 V wynosi ono 22,1 V.
C1
Jeżeli w układzie z rysunku 22 usuniemy R1 i sensownie dobierzemy
Uster
R2 i C1, to uzyskamy układ, w którym zmiany napięcia sterującego Us
T1
powodują duże zmiany częstotliwości. Uzyskamy generator przestraR3
jany napięciem, inaczej mówiąc VCO – Voltage Controlled Oscillator.
W rodzinie CMOS4000 mamy kostkę 4046, która zawiera generator VCO
+UZAS
Poziom tekstu: średnio trudny
UA
SZKOŁA
wejście
*
(
UA
+
106
m.technik - www.mt.com.pl
)
q
PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI
2
T2
C1 T3
1nF
w
8
9
R1 100k
U1A
10
U1E
R2
10k
D1
1
VCC
13
11
U1F
U1D
4
3
T1-T3 = BC548
D1, D2
= 1N4148
5
L1
D2
T1
U1B R3 2,2k
US
+
12
6
U1C
R4
2,2M
R5
100k
C3
100µ
UX
R6
47k
C2
1µF
LED
1
(a także tak zwane komparatory fazy, bo jest
kompletnym układem tzw. pętli fazowej PLL
– Phase Locked Loop). Nie mając w zestawie
EdW09 bardzo pożytecznej kostki 4046,
możemy zbudować sterowany dotykowo VCO
według rysunku 24 i fotografii 25. Dotykając
jednocześnie punktu A i jednego z punktów
P, N, ładujesz lub rozładowujesz kondensator
C1 i zwiększasz lub zmniejszasz częstotliwość
generowanego przebiegu w szerokim zakresie.
Działanie pokazane jest na filmiku, dostępnym w Elportalu. Elementy R2, R3, D1, R4
e
+
dopasowują wielkość sygnału sterującego – napięcie w punkcie C nie powinno być mniejsze od 0,6 V
ani większe od 1/3 napięcia zasilającego. Sam generator VCO wytwarza w punkcie D wąskie impulsy
szpilkowe, dlatego dodany jest dzielnik częstotliwości przez 2 z kostką 4017, co daje w punktach E i F
przebieg o częstotliwości o połowę
Vcc
C3 10µF 16
R7
D2
mniejszej, ale
układ
R1
10k
4017
sterujący
R6 2,2k
za to głośny,
2
10k
F
Q1
14
4
bo o wypełnieniu
CL
R2
P
LED1
3
13
2 D
Q0
100k
C
50%. Podając
E
EN
B
4
U1A
15
A
Q2
na punkt A lub
MR
C2
punkt C odpoR5
8
R3
100n
100k
wiednio dobrany
10k
Y1
N
przebieg trójkątny,
C1
przerzutnik
„toggle”
R4
D1
uzyskalibyśmy
1µF
dzielnik częstotliwości
100k generator VCO
syrenę policyjną.
r
A na koniec tajemniczy
i intrygujący...
t
Theremin. Jest to tajemniczy instrument
muzyczny, na którym gra się, zbliżając ręce
do dwóch anten. Wynalazcą jest rosyjski
uczony Lew Sergiejewicz Termen, znany też
jako Leon Theremin. W roku 1920 zaprezentował on lampowe urządzenie, w którym
zbliżenie ręki do jednej anteny zmieniało częstotliwość dźwięku, a do drugiej – głośność.
Z technicznego punktu widzenia urządzenie
zawiera dwa generatory o dużej, ponadakustycznej częstotliwości. Częstotliwość jednego jest płynnie przestrajana przez zmianę
pojemności, jaka tworzy się między anteną
107
C3 100nF
C5 1000µF
14
3
5
4
7
C2
100pF
B
R3 10k
C4
1nF
R2
20k
C7
100µF
bramka EXOR
6
+
C4 100nF
C8
X 100µF
R4 1k
R5
10k
4 x NAND
C2
1
14
2
10
12
13
11
3
7
9
8
5
4
R2
220k
y
VCC
C6 1000µF
R1A
wy
C3 1µF
U1 40106
R1
220k
C1
EXOR
C1
100pF
8
11
2
simple Theremin
A
R3 1k
10 9
12
13
1
+
R1 15k
antena
+
a ciałem człowieka i ziemią. Nieliniowy układ (mieszacz)
wytwarza przebieg o małej częstotliwości, będący różnicą
częstotliwości tych dwóch generatorów. Podobną zasadę
powszechnie wykorzystuje się w odbiornikach radiowych
i telewizyjnych (tzw. superheterodynowych). W roli
mieszacza można wykorzystać różne elementy, które mają
nieliniową charakterystykę. Funkcję mieszacza (a nawet
tak zwanego detektora fazy) może też pełnić bramka EXOR
(EXNOR). W Internecie można znaleźć zaskakującą propozycję układową bardzo uproszczonego pojemnościowego
+
Poziom tekstu: średnio trudny
SZKOŁA
Na warsztacie
U3 4093
Y
C9
1n
sł.
6
U2 40106
R2A
u
instrumentu theremin według rysunku 26. W praktyce trudno jest zbudować prawidłowo działający
instrument, jeżeli inwertery A i B wchodzą w skład tej samej kostki. Problemem jest to, że w instrumencie dwa generatory przebiegu prostokątnego muszą pracować na dwóch częstotliwościach, bardzo niewiele się różniących. A jeżeli częstotliwości są podobne, to następuje wzajemny wpływ i synchronizacja obu generatorów wskutek oddziaływania pojemnościowego i przez obwody zasilania, przez co oba
generatory dostrajają się do tej samej częstotliwości. Aby zmniejszyć wzajemny wpływ, należałoby
wykorzystać generatory na inwerterach z oddzielnych układów scalonych. W zestawie EdW09 jest tylko jedna kostka 40106, więc szanse na budowę funkcjonującego theremina według rysunku 26 są małe,
ale jak chcesz, możesz spróbować. Jeżeli jednak posiadasz dwa zestawy elementów i dwie kostki 40106,
i
108
m.technik - www.mt.com.pl
e-suplement
o
możesz zbudować układ według
rysunku 27 i fotografii 28. Ważną
częścią układu są filtry zasilania
R3, C3, C5 oraz R4, C4, C6, które
separują obwody zasilania kostek
U1, U2. Bramka EXOR zbudowana jest z czterech bramek NAND
kostki U3 (porównaj rysunek 3)
i jest zasilana „przed filtrami”.
Jako element wykonawczy włączone są jakiekolwiek słuchawki,
w których występuje głośny sygnał, będący różnicą częstotliwości
obu generatorów. Zbliżenie ręki
zmienia pojemność w znikomym
stopniu (poniżej 1 pikofarada),
dlatego aby zmiany częstotliwości
były znaczące, pojemności C1, C2
muszą być bardzo małe, co najwyżej do 100 pF. Dlatego nie stosujemy kondensatorów, tylko w każdym z generatorów wykorzystujemy
niewielką pojemność między blaszkami płytki stykowej, stąd na niej tyle zwór i taki dziwnie narysowany schemat z „grzebieniowymi” pojemnościami C1, C2.
W moim modelu częstotliwości pracy obu generatorów wynoszą około 122 kHz. Najlepiej byłoby,
gdyby w takim urządzeniu pracowały dwa układy 40106 tego samego wytwórcy z jednej serii produkcyjnej, bo wtedy przy jednakowych elementach RC częstotliwości powinny być zbliżone. Nawet
wtedy zapewne trzeba będzie skorygować częstotliwość jednego z generatorów tak, aby w spoczynku
w słuchawkach występował dźwięk o możliwie małej częstotliwości. Uruchomienie bez przyrządów
pomiarowych jest możliwe, wymaga jednak trochę cierpliwości. Najpierw trzeba uzyskać jakikolwiek wyraźny pisk w słuchawkach, a potem dołączając równolegle do R1 albo do R2 rezystory o jak
największej rezystancji, trzeba zmniejszyć częstotliwość „wyższego” generatora, by różnicowa częstotliwość w słuchawkach była jak najniższa. U mnie, jak pokazuje fotografia, trzeba było do rezystora
R1=220 kW dołączyć równolegle 10-megaomowy rezystor. Wtedy w słuchawkach wystąpił przebieg
o stosunkowo niskiej częstotliwości różnicowej. Rysunek 29 pokazuje (niebieski) przebieg w punkcie
X za bramką EXOR oraz (czerwony) odfiltrowany przebieg o częstotliwości różnicowej, występujący
w punkcie Y.
Zbliżenie ręki do którejkolwiek anteny (C1, C2) powoduje niewielką procentową zmianę częstotliwości jednego z generatorów, ale różnica ich częstotliwości zmienia się znacznie, co wyraźnie słychać
w słuchawkach. Pracę mojego modelu możesz zobaczyć i posłuchać na filmiku, dostępnym w Elportalu
(www.elportal.pl/pke). 
Piotr Górecki
Nie przegap!
Szkoła Konstruktorów – Urządzenie elektroniczne związane z survivalem
i
CENA 12zł
(w tym 5% VAT)
• NAKŁAD: 14 990 egz.
www.elportal.pl
INDEKS 333 62X
ISSN 1425-1698
12 /2014 GRUDZIEŃ •
więcej na www.mt.com.pl/e-suplement
www.elportal.pl
W grudniowym wydaniu
Elektroniki dla Wszystkich:
Cyfrowy zegar... „słoneczny”
Niezwykły cyfrowy zegar z jedną wskazówką,
wyświetlający czas w sposób analogowy, za
pomocą... cieni. Przykład oraz źródło inspiracji
do tworzenia podobnych niezwykłych konstrukcji.
Fazowy regulator obrotów silników AC
z izolacją galwaniczną
Zapoznaj się ze zrealizowanym przez praktyka interesującym projektem regulatora obrotów, gdzie
obwody sieci 230V są skutecznie oddzielone galwanicznie od systemu mikroprocesorowego.
Praktyczny Kurs Elektroniki –
Uniwersalny timer oraz theremin
W tym odcinku cyklu realizujemy kolejne ciekawe układy oraz omawiamy coraz bardziej złożone
układy logiczne i cyfrowe, prowadzące do... PLD.
Moje eksperymenty z przetwornicą ZVS
Flyback Driver
Bardzo popularny i zaskakująco prosty układ
przetwornicy impulsowej zbudowanej na dwóch
tranzystorach umożliwi także i Tobie przeprowadzenie szeregu interesujących eksperymentów.
Katalogowe parametry diod LED
W ostatnim odcinku cyklu dotyczącego nowoczesnych diod LED i oświetlenia, omawiamy
zalety i wady sterowania impulsowego.
Ponadto w numerze:
n Układ miękkiego startu (softstart)
n Podzespoły stosowane w odbiornikach lampowych. Kondensatory o zmiennej pojemności
n Mikroukłady Dziadka Piotra.
Układ 3 – Stykówki, lutówki, pająki
n Szkoła Konstruktorów – Zaproponuj urządzenie elektroniczne związane z survivalem
lub ze skutkami gwałtownych zjawisk pogodowych, wszelkich katastrof bądź innych
zdarzeń ekstremalnych.
n Szkoła Konstruktorów – Przedstaw swoją
elektroniczną pracownię lub zaproponuj jej
dowolne ulepszenie.
EdW możesz zamówić
na stronie Ulubionego Kiosku: www.ulubionykiosk.pl
telefonicznie 22 257 84 50, fax: 22 257 84 55,
listownie lub za pomocą e-maila: [email protected].
Do kupienia także w Empikach
i wszystkich większych kioskach z prasą.
Na wszelkie pytania czeka także Dział Prenumeraty
tel. 22 257 84 22, [email protected]
109