Pierwsze kroki w cyfrówce – część 9

W poprzednim odcinku zajmowaliśmy się różnymi wariantami przerzutników monostabilnych. W tym odcinku przyjrzymy się generatorom zbudowanym z bramek CMOS.

Generatory CMOS

Poniższy materiał dotyczy bramek CMOS, zarówno serii: 4000, jak i 74HC, 74HCT. Nie wszystkie układy będą poprawnie pracować z bipolarnymi bramkami: 74LS, 74F, czy 74.

Nie muszę cię przekonywać, jak wiele generatorów stosujemy w projektowanych układach. Musisz znać różne sposoby wytwarzania fali prostokątnej oraz impulsów.

Z obowiązku przypomnę ci prosty układ generatora zbudowany z nieparzystej ilości bramek odwracających (inwerterów) – zobaczysz go na rysunku 1.

Częstotliwość generowanego przebiegu zależy od ilości bramek i opóźnienia wprowadzanego przez każdą bramkę. Ponieważ opóźnienia są rzędu nanosekund, częstotliwości są rzędu megaherców, od kilku do kilkudziesięciu MHz, zależnie od rodziny bramek i napięcia zasilającego. Jest to typowy schemat książkowy – nie przypominam sobie, bym widział gdziekolwiek praktyczne wykorzystanie tego potworka. Dlatego nie zawracaj sobie nim głowy.

Kolejny coraz mniej używany układ generatora znajdziesz na rysunku 2.

Są to trzy wersje układu, który był bardzo często stosowany po pojawieniu się pierwszych CMOSów. Ja przyzwyczaiłem się do niego przez kilka lat, gdy niepodzielnie królowały na naszym rynku wyroby CEMI. Ty znasz go może z „Klocków elektronicznych”. Powinieneś znać ten układ, zapewne czasem go zastosujesz. Ale bez przesady. Nie powinien to być podstawowy układ generatora, jaki będziesz stosował w swoich konstrukcjach.

W każdym razie powinieneś wiedzieć, jak działa.

Bierzemy pod lupę układ z rysunku 2c. Na rysunku 2d pokazano poziomy napięć w poszczególnych punktach tego układu.

Gdy na wejściu sterującym A występuje stan niski, to na wyjściu bramki I na pewno występuje stan wysoki, bo przecież jest to bramka NAND. Na wyjściu drugiej bramki występuje stan niski. Ponieważ na wyjściu bramki I występuje stan wysoki, taki sam stan występuje na drugim wejściu tej bramki. Przez rezystory R1 i R2 oczywiście nie płynie prąd, a kondensator C1 jest naładowany. Generator nie pracuje.

W chwili zmiany na wejściu A stanu z niskiego na wysoki generator zaczyna pracować. Ponieważ w punkcie E był stan wysoki, więc na wyjściu bramki I pojawia się stan niski. Powoduje to pojawienie się stanu wysokiego na wyjściu generatora, czyli w punkcie D. Tu zaczyna się cała zabawa. Do tej pory kondensator C1 był naładowany. Teraz zmiana stanu z niskiego na wysoki na wyjściu D „podrzuca w górę” ten naładowany kondensator. To znaczy, że przez chwilę napięcie w punkcie C będzie dokładnie dwa razy większe, niż napięcie zasilania układu. Napięcie to od razu zacznie spadać, ponieważ kondensator C1 będzie się rozładowywał przez rezystor R1 (na razie pomijamy wpływ rezystora R2). Napięcie w punkcie C będzie dążyć do potencjału masy. W pewnym momencie (na rysunku 2d jest to chwila t1) napięcie w punkcie C będzie równe napięciu zasilającemu – w tej chwili kondensator będzie całkowicie rozładowany. Ponieważ w punkcie D występuje stan wysoki, a w punkcie B – niski, przez rezystor R1 będzie nadal płynął prąd i napięcie w punkcie C nadal będzie spadać – kondensator zacznie się więc ładować i wystąpi na nim napięcie o polaryzacji przeciwnej, niż w stanie spoczynku.

Ponieważ wejścia bramki CMOS nie pobierają prądu, więc napięcie w punkcie E powinno być takie same, jak napięcie w punkcie C.

W chwili oznaczonej t2 na rysunku 2d, napięcie w punkcie C, a tym samym w punkcie E, przekroczy próg przełączania bramki I. Tym samym na wyjściu bramki I napięcie zacznie rosnąć, a na wyjściu bramki II – opadać. Rosnące napięcie w punkcie B przyspieszy ten proces – można powiedzieć o istnieniu dodatniego sprzężenia zwrotnego przez kondensator C1. W każdym razie w czasie od t1 do t2, kondensator C1 zdąży się naładować, ale nie do pełnego napięcia zasilającego, tylko do mniej więcej połowy tego napięcia.

Opadające napięcie w punkcie D „ściągnie” punkt C do napięcia niższego, niż poziom masy. Napięcie to oczywiście zacznie rosnąć, bo przez rezystor będzie teraz płynął prąd od punktu B. Kondensator najpierw rozładuje się do zera, a potem zacznie się ładować w przeciwnym kierunku. Gdy napięcie w punkcie C (a tym samym w punkcie E) wzrośnie aż do napięcia progu przełączania bramki I (a stanie się to w chwili t3), obie bramki znów zmienią stany na swych wyjściach.

Częściowo naładowany kondensator C1 znów zostanie „wypchnięty w górę” i napięcie w punkcie C zacznie opadać.

Cykl będzie się powtarzał.

Na uwagę zasługuje tu kilka spraw.
Trzeba o nich pamiętać.

Po pierwsze, kondensator C1 na przemian ładuje się napięciem dodatnim i ujemnym. To jest jeden z powodów, że nie można tu stosować kondensatorów elektrolitycznych: ani zwykłych, ani tantalowych. Pamiętasz też na pewno, że w układach wymagających w miarę stabilnej częstotliwości nie stosuje się kondensatorów ceramicznych ferroelektrycznych.

Po drugie, należy pamiętać, że pierwszy wytworzony impuls jest dłuższy niż następne – to zresztą jest cechą spotykaną w wielu innych układach generatorów wyzwalanych.

Po trzecie – zbocza generowanego przebiegu w punkcie B nie są zbyt ostre, zwłaszcza przy małych częstotliwościach pracy. Dlatego w niektórych przypadkach, gdy wymagane są ostre zbocza, nie zaleca się wykorzystywać przebiegu z punktu B, tylko dołączyć jeszcze jedną bramkę (inwerter) do punktu D.

Wreszcie po czwarte trzeba odpowiedzieć na pytanie, po co w układzie jest rezystor R2. Bez niego generator też będzie pracował – w literaturze spotyka się zresztą czasem układ takiego generatora, gdzie R2 jest zwarty. Otóż rezystor R2 w zasadzie nie jest konieczny. Ale przy omawianiu budowy wewnętrznej bramek CMOS okazało się, że między wszystkimi wejściami a obiema szynami zasilającymi umieszczone są tam diody zabezpieczające (porównaj rysunki: 5 i 6 w tym odcinku). Przy podaniu na wejścia napięć wykraczających poza zakres napięcia zasilającego, w obwodach wejść pojawi się prąd, płynący przez struktury reprezentowane przez te diody zabezpieczające. Gdy prąd ten będzie większy niż 20…30 mA, może wystąpić zjawisko zatrzaśnięcia (latch up) i obie szyny zasilania zostaną zwarte ze sobą przez pasożytnicze struktury tyrystorowe obecne w kostce CMOS. Rezystor R2 stosuje się właśnie po to by wykluczyć taką przykrą ewentualność. Ze względu na niewielką wydajność prądową wyjść kostek CMOS 4000, przy napięciach zasilania nie większych niż 7 V, rezystora R2 można nie stosować (zastąpić go zworą).

A teraz zadanie domowe.

Przeanalizuj samodzielnie, jakie będą napięcia na wyjściach bramek NOR w układzie z rysunku 2b w stanie spoczynku, czyli przy podaniu na wejście sterujące stanu wysokiego.

W tym miejscu chciałbym ci coś wyjaśnić. W literaturze amatorskiej spotyka się kilka innych schematów generatorów z bramkami CMOS. Znaczna część z nich nigdy nie jest stosowana przez prawdziwych konstruktorów. Mało tego, niektórzy autorzy „przemycają” w swoich konstrukcjach sporo niepotrzebnych lub niezdrowych „chwytów”.

Przykładowo niektórzy twierdzą, że w pewnych przypadkach generator z rysunku 2 mógłby się nie wzbudzić i dlatego trzeba zastosować dodatkowy „obwód rozruchowy” według rysunku 3.

Jest to naprawdę niepotrzebne, dlatego przekreśliłem ten rysunek na czerwono. Teoretycznie rzeczywiście, układ mógłby nie wystartować. Ale taka sytuacja byłaby możliwa tylko wtedy, jeśli bramki miałyby zdecydowanie różne progi przełączania. W praktyce zawsze są to bramki z tej samej kostki, mają podobne napięcia progowe i problemu naprawdę nie ma!

Teraz drugi błąd. Na rysunku 4a i 4b znajdziesz kolejne układy generatorów bramkowanych. Rzeczywiście, można sterować pracą generatora wykorzystując układy z rysunku 4. Niektórzy tak robią.

Masz bojowe zadanie! Wytłumacz, dlaczego przekreśliłem ten schemat?

Pomyśl uważnie!

Podstawową zaletą układów CMOS jest zerowy pobór prądu w spoczynku. A jak zachowa się bramka II z rysunku 4a, gdy na wejście zezwalające będzie podany stan niski? Oczywiście na jej wyjściu będzie wymuszany stan wysoki i generator nie będzie pracował. Ale co z bramką I?

Połączenie wejścia z wyjściem przez rezystor jest równoznaczne z zamknięciem pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. Przeanalizuj to i przekonaj się, że na wejściu i wyjściu tej bramki będzie takie same napięcie, równe napięciu progowemu bramki, zbliżone do połowy napięcia zasilającego. Zajrzyj teraz do tej części i spójrz na rysunek 3. Zweryfikuj, czy bramka w takim stanie nie pobiera prądu? Ależ oczywiście, pobiera!

Czyli tak zablokowany generator będzie pobierał prąd – i to znaczny, jak na układy CMOS.

Widzisz, przez taki drobny błąd niepotrzebnie zwiększyliśmy pobór prądu. Jeśli już rzeczywiście musisz zastosować sterowanie w obwodzie bramki II, koniecznie zastosuj układ z rysunku 4c. Zapamiętaj ten sposób, a wcześniej przeanalizuj, czym będą się różnić spoczynkowe poziomy na wyjściach generatorów z rysunków 2c i 4c?

Na rysunku 5 znajdziesz kolejny „książkowy” układ, którego nikt nigdzie nie stosuje.

To co stosować?

Wśród niektórych elektroników wielką popularnością cieszy się wciąż nieśmiertelna kostka 555. Ja osobiście, jeśli mnie pamięć nie myli, „popełniłem” przed wielu laty jeden jedyny układ z użyciem tej kostki.

Chyba cię już przekonałem w poprzednich odcinkach, że układy opóźnienia, skracania i wydłużania prościej wykonasz z użyciem inwerterów lub bramek „ze szmitem”. Teraz chcę cię przekonać, że również generator wykonasz znacznie prościej używając bramki Schmitta.

Zachęcam cię, żeby podstawowym układem generatora przebiegu prostokątnego stał się układ z inwerterem 40106 lub 74HC14. Schemat znajdziesz na rysunku 6. Jak działa taki układ?

Jeśli potrzebne są ci generatory bramkowane, wykorzystaj jeden ze schematów z rysunku 7.

Mając jedną kostkę 40106 możesz wykonać sześć niezależnych generatorów. Jeśli potrzebujesz je uzależnić (bramkować) dołącz diody. Co prawda w tym przypadku wzrośnie pobór prądu, bo przez rezystory i diody będzie płynął prąd. Ale przy rezystancjach 100 kΩ…2,2 MΩ (takie możesz śmiało stosować) prąd ten będzie rzędu mikroamperów. Zauważ, że diodę możesz włączyć w dowolnym kierunku.

Jeśli układ w spoczynku ma zupełnie nie pobierać prądu, wykorzystaj bramki NAND „ze szmitem” (4093 lub 74HC132). Przy wykorzystaniu bramek NAND w generatorze bramkowanym, występuje pewna niewielka niedogodność. Mianowicie generator taki jest zablokowany przy podaniu na wejście bramkujące stanu niskiego. Tymczasem wstanie spoczynku, na wyjściu występuje stan wysoki. Przy bramkowaniu kolejnego generatora poprzednim, często trzeba włączyć bramkę pośrednią, odwracającą sygnał . Pomimo tej niedogodności układ z bramkami 4093 (74HC132) jest godny polecenia, bowiem pozwala przy użyciu jednej kostki zrealizować przynajmniej dwa bramkowane generatory, a dodatkowo pozostanie wolna bramka do dowolnego wykorzystania. Od tej niedogodności wolne są układy wykorzystujące inwertery Schmitta i diody. Diody można włączać w dowolnym kierunku i tym samym wykonać układ generatora bramkowanego stanem wysokim albo niskim.

Nie muszę ci chyba tłumaczyć, że częstotliwość drgań wszystkich przedstawionych generatorów jest wyznaczona przez stałą czasową R1C1. Zauważ jednak, że ciągle piszę „wyznaczona”, a nie „równa”. Ani czas opóźnienia w przedstawianych wcześniej układach, ani częstotliwość drgań generatorów nie odpowiada dokładnie stałej czasowej RC.

Wzory, podawane w podręcznikach pozwalają określić częstotliwość pracy jedynie z grubsza. Częstotliwość zależy od układu generatora, od napięcia zasilającego, od temperatury, oraz od rozrzutu napięć progowych kostek. Do tego dochodzi znaczna tolerancja (do 20%) pojemności kondensatorów stałych.

Dlatego jeśli chcesz dokładnie ustalić częstotliwość, powinieneś zastosować potencjometr i wyregulować układ przy pomocy częstościomierza.

A do sprawy stabilności częstotliwości w funkcji napięcia zasilającego i temperatury, jeszcze w przyszłości powrócimy.

A jeśli masz dostęp do częstościomierza, to już teraz zachęcam cię, żebyś sprawdził praktycznie, na ile zmienia się częstotliwość pracy przy zmianach napięcia zasilania w granicach ±20% i zmianach temperatury w zakresie +10…+30 C. Do tego ostatniego wykorzystaj termometr, lodówkę i suszarkę do włosów. Zastosuj kondensatory foliowe, a przekonasz się, że stałość częstotliwości jest zupełnie dobra, i jedynie w rzadkich przypadkach trzeba stosować bardziej stabilne źródła przebiegów.

W następnym odcinku zajmiemy się innymi układami generatorów.

Piotr Górecki