Pierwsze kroki w cyfrówce – część 7

W poprzednim odcinku przedstawiłem ci różnego rodzaju sztuczki, które pozwalały realizować różne nietypowe bramki. Również zaprezentowałem jak w prosty sposób można uzyskać większą obciążalność wyjść funktorów cyfrowych. W tym odcinku przyjrzymy się bliżej podstawowym układom czasowym zrealizowanych na podstawowych bramkach.

Umawiamy się, że odtąd, jeśli tylko nie będzie przeciwwskazań, zamiast „zwykłych inwerterów” będziesz stosował wersję „ze szmitem”. Gwarantuję ci, że w wielu wypadkach znakomicie uprości ci to konstrukcję układów.

Dobrze ci radzę: zaprzyjaźnij się z kostkami 4093 i 40106 – spośród wszystkich bramek, właśnie one są najbardziej pożyteczne dla konstruktora. W dalszej części artykułu przekonasz się, jak te układy umożliwią ci zrealizowanie w najprostszy sposób generatorów, układów opóźnienia itp.

Wykorzystanie bramek z wejściem Schmitta pozwala „wyostrzać” nawet bardzo wolno rosnące zbocza sygnałów. Radykalnie i niezawodnie zlikwiduje to problem drgań styków w każdej sytuacji. Najprostszy praktyczny układ znajdziesz na rysunku 1.

Zastosowane wartości elementów nie są krytyczne, możesz śmiało zwiększać rezystancje i pojemność (ale nie zmniejszaj stałej czasowej RC poniżej 10 ms). Dla zlikwidowania drgań zestyków, w literaturze spotyka się również propozycję wykorzystania przerzutnika RS, na przykład takiego, jak pokazano na rysunku 2.

Jest to typowy „książkowy” układ – działa, ale nie warto go stosować, bo wymaga użycia styku przełącznego i dwóch bramek. Zdecydowanie cię namawiam do wykorzystywania bramek „ze szmitem” według rysunku 1. Natomiast użycie przerzutnika jest uzasadnione, ale tylko w przypadku współpracy z dwoma przyciskami w układzie załącz/wyłącz. Dwa przykłady zobaczysz na rysunku 3.

Zwłaszcza nietypowa wersja z rysunku 3b przydaje się w praktyce, gdy stosujemy tylko inwertery. Obie wersje mogą być stosowane do przełączania dotykowego, przez dotknięcie palcem – w takim wypadku trzeba zwiększyć rezystancje do 10…22 MΩ i dla zmniejszenia czułości na zakłócenia, równolegle do kontaktów dotykowych włączyć kondensatory (10…47 nF).

Innymi przykładami współpracy styków z przerzutnikami zajmiemy się za jakiś czas.

Układy opóźniające

W układach elektronicznych trzeba często opóźnić sygnał. Najprostszym sposobem opóźnienia jest włączenie w szereg kilku bramek lub inwerterów. Wiadomo, że każda bramka opóźnia sygnał o pewien krótki czas, zwany czasem propagacji. Przebiegi zobaczysz na rysunku 4.

Czas propagacji jednej bramki (inwertera) dla układów CMOS wynosi kilkadziesiąt do ponad stu nanosekund, zależnie od napięcia zasilającego i obciążenia wyjścia. Dla bramek 74HC(T) i 74LS czas propagacji jest rzędu kilkunastu nanosekund. W niektórych wypadkach tak małe opóźnienie (rzędu miliardowych części sekundy) też ma znaczenie praktyczne.

Jednak zazwyczaj potrzebne są znacznie dłuższe czasy opóźnienia. Należy wtedy zastosować układ z rysunku 5.

Jeśli stała czasowa nie jest większa niż 1…5 μs, można zastosować zwykłe bramki (rysunek 5a). Jeśli czas opóźnienia miałby być dłuższy, koniecznie należy wykorzystać bramki Schmitta, na przykład: 4093, 4016, czy 74HC14 (rysunek 5b). Zastosowanie bramek Schmitta pozwala stosować dowolne czasy opóźnienia, nawet rzędu sekund i minut (przy użyciu kondensatorów elektrolitycznych). Jak pokazuje rysunek 4, bramka (a także prosty układ RC z rysunku 5) opóźnia jednakowo, lub prawie jednakowo, zarówno zbocze rosnące, jak i malejące. Bardzo często trzeba zróżnicować czasy opóźnienia obu zboczy. W takim przypadku należy zastosować diodę lub dwie diody, jak pokazano to na rysunku 6.

Zauważ, że niektóre rezystory mogą mieć wartość 0, a wtedy czas opóźnienia będzie mały, wyznaczony przez rezystancję wyjściową bramki i pojemność C1 (porównaj rysunek 1 w poprzedniej części).

Przeanalizuj dokładnie rysunek 6a. Co będzie się działo, jeśli czas impulsu na wejściu A będzie krótszy niż czas opóźnienia wyznaczony przez stałą czasową R2C1? Na wyjściu D nic się nie będzie działo! Uzyskałeś więc w prosty sposób detektor długości impulsu. Impulsy krótsze, niż czas wyznaczony przez elementy R2, C1 nie będą mieć żadnego wpływu na działanie układu. Natomiast impulsy o czasie dłuższym niż wyznaczone minimum przejdą do dalszych części układu.

Podobne układy zastosujesz, jeśli po zmianie stanu logicznego chcesz wygenerować stosunkowo krótki impuls – spójrz na rysunki 7a, 7b.

Stosując kondensatory elektrolityczne możesz uzyskać dowolnie długie czasy impulsu wyjściowego, ale zawsze czasy te będą krótsze lub co najwyżej równe impulsowi wejściowemu. Zauważ jeszcze, jak narysowałem przebieg napięcia w punkcie B. Dlaczego część narysowana jest czerwoną linią przerywaną? Dlaczego na schemacie czerwoną linią narysowałem dodatkowe rezystory? Jaki sens ma umieszczanie rezystorów w obwodzie wejściowym bramki, gdzie z założenia nie płyną żadne prądy, a jedynie prąd przeładowania pojemności wejściowej? Spróbuj odpowiedzieć na to pytanie samodzielnie.

Nie wiesz?

Jeśli w układach 7a i 7b nie byłoby inwertera, a tylko obwód R1C1, wtedy przebiegi napięcia w punkcie B wyglądałyby dokładnie tak, jak pokazuje czerwona linia przerywana. Jeśli jednak dołączysz bramkę (ale bez rezystora R2) to… przebieg będzie wyglądał tak, jak pokazuje linia ciągła. Dlaczego? Zapomniałeś kolego o obwodach zabezpieczających. Zajrzyj do tej części i spójrz na rysunki: 4…8. Jeśli chcesz być prawdziwym elektronikiem to nie możesz zapominać o takich właśnie „drobiazgach”. Tłumaczyłem ci, że w rzeczywistości obwody te zawierają jeszcze bardziej złożone struktury, które przy przepływie nadmiernego prądu zachowują się jak tyrystor – raz włączone zwierają obie szyny zasilania i aby przywrócić normalny stan trzeba na chwilę odłączyć zasilanie. Współczesne kostki reagują tak przy prądach płynących przez końcówki wejściowe rzędu 20…40 mA. Jeśli więc punkt A będzie sterowany ze źródła o dużej wydajności prądowej to dla zabezpieczenia się przed takim zjawiskiem „tyrystorowym” trzeba włączyć rezystor R2, ograniczający taki prąd. Rezystor ten może mieć wartość: 1…10 kΩ. W praktyce takie rezystory stosuje się rzadko, zwłaszcza przy kostkach CMOS rodziny 4000 przy zasilaniu napięciem poniżej 10 V. Wtedy rezystancja wyjściowa poprzedniej bramki ogranicza prąd do bezpiecznej wartości (porównaj rysunek 1 w tym odcinku).

Przedstawiłem ci tu ważną sprawę praktyczną. Kwestię przepływu prądu przez obwody zabezpieczające musisz dokładnie rozumieć, bowiem ma to często duże znaczenie praktyczne.

Zwróć jeszcze uwagę, że układy z rysunku 7a i 7b generują na wyjściu impuls tylko przy jednym określonym zboczu. Czasem potrzebny jest układ, który generuje impulsy przy obu zboczach. Proszę bardzo – taki układ poka− zany jest na rysunku 47c. Przeanalizuj działanie tego układu – musisz umieć wytłumaczyć dla− czego impulsy pojawiają się przy obydwu zboczach. Czy potrafisz odpowiedzieć, dlaczego narysowałem takie wąskie szpilki? Czy mogą one mieć dowolnie dłuższy czas trwania?

Pomyśl chwilę!

W układzie z rysunku 7c czas ten nie powinien być dłuższy niż 1…5 μs, ponieważ bramka EX−OR lub EX−NOR nie ma na wejściu układu Schmitta z histerezą i przy dłuższych czasach narastania napięcia na kondensatorze mogłyby się pojawić dodatkowe drgania w przebiegu wyjściowym. Jeślibyś chciał uzyskać dłuższe impulsy, powinieneś zastosować dodatkową bramkę z wejściem Schmitta, tak jak jest to pokazane w dolnej części rysunku 7c.

Jeśli już to zrozumiałeś, mam dla ciebie przyjemną wiadomość: układy z rysunku 7c są… podwajaczem częstotliwości! Zapamiętaj to, bo zapewne kiedyś ci się przyda ten prosty układ, na wyjściu którego częstotliwość jest dwa razy większa niż częstotliwość na wejściu.

A kolejny odcinek cyklu znajdziesz tutaj.

Piotr Górecki