Wspólnie projektujemy: Częstościomierz, część 5

Rozwiązanie wejściowego układu formującego impulsy do zliczania rzutuje na możliwości finalnego urządzenia. W poprzedniej części rozważane było rozwiązanie oparte na wzmacniaczach operacyjnych. Dosyć ciekawy wariant zaproponował Czytelnik.Opisane w poprzedniej części rozważania dotyczące układu formującego sygnał wejściowy tak, by część cyfrowa bez problemów mogła go przetwarzać bazowała na wzmacniaczach operacyjnych. Tego typu komponenty są na tyle uniwersalne, że posłużyły do przedstawienia występującej problematyki, gdyż trudno mówić choćby o takich zjawiskach jak eliminacja składowej stałej w świecie układów cyfrowych – tu coś takiego jest elementem całkowicie obcym. Nie jest to jedyne możliwe rozwiązanie. Jeden z Czytelników przysłał mi swoją wizję rozwiązania, w której główną intencją jest optymalizacja kosztów. Pozwolę sobie zacytować treść otrzymanego listu:

Przeprowadziłem wstępne testy z LS04. Przy wzmocnieniu około 10 (100 R i 1 k) max amplituda sygnału wejściowego to około 200 mV, wyjściowego 2 V. Po przekroczeniu tych wartości przebieg jest odkształcony, ale to nie problem w częstościomierzu.

Wygląda na to, że da się zrobić na tym tani wzmacniacz do częstościomierza. Moja koncepcja jest taka jak widać na poniższym rysunku.

Aby była jasność, nie jest to najlepsze rozwiązanie ale tanie.

Pozdrawiam

Sławomir S.

 

Rzeczywiście, jest to rozwiązanie trochę dziwne, gdyż bramki logiczne pracują w nietypowej konfiguracji, jednak całość jest warta rozpatrzenia.

Układy cyfrowe z liniowym sprzężeniem zwrotnym

Zapewne niektórych Czytelników może zastanowić fakt zastosowania rezystorów w sprzężeniu zwrotnym funktorów logicznych (konkretnie negatorów). Taki wariant jest możliwy i w literaturze określany jest jako linearyzowane bramki. Zachowanie się układów jest uzależnione od technologii wykonania, do tego najlepiej nadają są układy bipolarne (przykładowo o oznaczeniu 74LSxx). W takiej konfiguracji często były budowane generatory kwarcowe (jak na rysunku 1), gdzie obecnie występują jako gotowe komponenty i wytwarzają sygnał o ściśle określonej częstotliwości.

Taka bramka (z rezystorem łączącym wyjście bramki z wejściem) może być w dużym uproszczeniu traktowana jako wzmacniacz operacyjny. Oczywiście, aby to sprzężenie zwrotne miało charakter sprzężenia ujemnego, zastosowana bramka musi być negująca. W przypadku wzmacniacza operacyjnego występuje jeszcze rezystor w torze wejściowym, jak pokazuje rysunek 2, i w takim przypadku wzmocnienie układu jest zależne od stosunku wartości rezystorów. Na schemacie kolegi Sławomira widać, że zaproponował on wartości elementów, gdzie wzmocnienie, jak sam napisał, wynosi 10.

Badania układu

Jak wcześniej napisałem, rozwiązanie jest warte uwagi, toteż postanowiłem sprawdzić jego działanie. Niezbędny układ negatorów bez problemu znalazłem w szufladzie. Gorzej jest z występującymi tranzystorami BF245. Wiem, że takie posiadam, ale gdzieś mi się zapodziały i nie mogłem zrealizować eksperymentów w pełnym wariancie, jednak obiecuję, że takie badania wykonam w szerszym zakresie i podzielę się ich wynikami. Obecnie układ badawczy został okrojony do wariantu przedstawionego na rysunku 3, gdzie występuje jedynie tor linearyzowanych bramek.

Na jego wejście podany jest sygnał z generatora, a wynik obserwowany na ekranie oscyloskopu (fotografia 4 i 5).

Wstępnie sprawdziłem reakcję układu na kilka sygnałów wymuszających. Generator wytwarzał przebieg o dodatnich wartościach napięcia, które maksymalnie wynosiło około 1 V. Na wyjściu występował sygnał cyfrowy o parametrach charakterystycznych dla układów wykonanych w technologii 74LSxx (stan zera około 0,2 V, oraz jedynki logicznej troszkę powyżej 4 V). Zmieniana była częstotliwość w szerokim zakresie: zaczynając od góry – około 1,5 MHz (rysunek 6), 500 kHz (rysunek 7) do 5 kHz (rysunek 8).

Sprawdziłem również działanie dla innych kształtów sygnału wejściowego: trójkąta o częstotliwości 500 Hz (rysunek 9) oraz prostokątnego o tej samej częstotliwości (rysunek 10).

Wstępnie badania rozwiązania są obiecujące. Jak już wspomniałem, są to jedynie pobieżne weryfikacje układowe i do tematu jeszcze wrócimy. Pozwoliłem sobie również na eksperymenty z układem wykonanym w technologii CMOS (konkretnie 74HCT04AP). Jednak efekty działania układów bipolarnych na ekranie oscyloskopu prezentowały się lepiej, tutaj dla małych częstotliwości pojawiały się szumy – generowały się „nieautoryzowane” impulsy na wyjściu cyfrowym. Być może ma to jakiś związek ze środowiskiem badawczym, gdyż płytkom stykowym często daleko jest to ideału. Jednak wariant z wykorzystaniem układów w wersji CMOS może okazać się przydatny, gdyż te mogą mieć zasilanie o większych wartościach napięcia. Patrząc na schemat układu badawczego można dostrzec, że wzmocnienie każdego stopnia powinno wynosić 10, natomiast ze zrzutów z oscyloskopu wynika, że sygnał wejściowy mający około 1 V daje na wyjściu niewiele ponad 4 V. Zadziałało tu ograniczenie wynikające z napięcia zasilającego.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl