Ośla łączka

A6

125

Biblioteczka Praktyka

39

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Wrzesień 2002

Na rysunku 1 pokazany jest układ wy−
prowadzeń bramek CMOS z wejściami
Schmitta, w tym kostek 40106, 4584 i
74HC14 o identycznym układzie wy−
prowadzeń. Podstawowe parametry
układów CMOS podane były w Biblio−
teczce Praktyka na poprzedniej wypra−
wie – patrz EdW 12/2001.

Skracanie, wydłużanie
i opóźnianie impulsów

Na poprzednich wyprawach zdobyliśmy
sporo wiedzy na temat różnych układów
impulsowych. Uporządkujmy tę wiedzę
w ramach ćwiczenia, wykorzystując
bramki „ze szmitem”. Właśnie bramki z
wejściem Schmitta doskonale nadają się
do różnorodnej „obróbki” impulsów.

Na pewno potrafisz skrócić impuls –

możesz wykorzystać obwód różniczku−
jący, poznany na wyprawie 2 (EdW
12/2000 i 1/2001). Przykłady masz na

rysunku 2. Łatwo też
opóźnić długi impuls za
pomocą obwodu całkują−
cego według rysunku 3.
Zauważ, że tu czas pier−
wotnego impulsu musi
być większy niż czas
opóźnienia, w przeciw−

nym wypadku im−
puls ten „zginie”.
Gdybyśmy chcieli
usunąć tę wadę,
musielibyśmy za−
stosować szereg
układów opóźniających o krót−
szych czasach opóźnienia we−
dług rysunku 4.

Możesz różnie opóźniać każde

ze zboczy w obwodach pokaza−
nych na rysunku 5. Aby wydłu−
żyć impuls, możemy wykorzy−
stać jeden z układów według ry−
sunku 5a, b. Zwykle lepiej jest

jednak zastosować układ według rysun−

ku 6, gdzie można wy−
korzystać „zwykłe elek−
trolity”. Aby w stanie
spoczynku pozostawały
pod napięciem, można je
włączyć według rysun−
ków 6b, 6d. W praktyce,
projektując tego typu
układy, trzeba zwrócić
uwagę, jak zachowają
się one tuż po włączeniu
zasilania – czy konden−
satory muszą się nałado−
wać, czy nie, i czy spo−
woduje to jakieś niepo−
żądane zjawiska w ukła−
dzie właśnie podczas
włączania zasilania.

W układach według

rysunku 6 impuls wyj−
ściowy zawsze będzie

dłuższy niż wejściowy – całkowity czas
będzie sumą czasu impulsu wejściowe−
go i czasu wyznaczonego przez obwód
RC. Jeśli natomiast impuls wyjściowy
ma mieć stałą wartość, niezależną od
impulsu wejściowego, można wykorzy−
stać klasyczne uniwibratory według ry−
sunku 7, które są wyzwalane zboczem
(rosnącym w układzie z bramkami
4001, opadającym − z bramkami 4011).

Rys. 1

Rys. 2

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 5

Informacje dotyczące zestawu EdW−A06 do „Oślej łączki” znajdują się na stronie z Ofertą AVT.

Rys. 6

BIBLIOTECZKA

PRAKTYKA

BIBLIOTECZKA

PRAKTYKA

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

A6

126

Ośla łączka

Ze względu na silne dodatnie sprzężenie
zwrotne można tu wykorzystać zwykłe
bramki NAND lub NOR. Ponieważ w
spoczynku kondensator pozostaje tu bez
napięcia, więc raczej nie powinien to
być „zwykły elektrolit”. Warto zwrócić
uwagę, że kolejne impulsy (zbocza)
przychodzące w czasie trwania impulsu
wyjściowego nie wywołują reakcji
układu. Inaczej mówiąc, nie przedłużają
czasu trwania impulsu.

Dedykowane układy scalone 4047,

4538, zależnie od układu połączeń, po−
zwalają zrealizować zarówno takie uni−
wibratory bez możliwości przedłużania,
jak i uniwibratory mające możliwość
przedłużania (z tzw. funkcją retrigger).

4047

Uniwersalny, precyzyjny układ czaso−
wy 4047, który poznałeś w ćwiczeniu
10, znakomicie nadaje się do wytwarza−
nia impulsów o czasach od pojedyn−
czych mikrosekund do kilku sekund.
Obwody współpracujące z elementami
RC zbudowane są podobnie, jak kla−
syczny generator dwubramkowy, jed−
nak dzięki specyficznym rozwiązaniom
nie jest potrzebny rezystor ograniczają−
cy prąd (RS), stosowany w klasycznym
rozwiązaniu. Z kostką 4047 mogą
współpracować tylko kondensatory nie−
biegunowe – nie można wykorzystać
„elektrolitów” ani zwykłych, ani tanta−
lowych. Aby uzyskać dobrą stabilność
temperaturową, koniecznie należy sto−
sować kondensatory i rezystory o wyso−
kich parametrach. W praktyce wystar−
czą popularne kondensatory foliowe
MKT i metalizowane rezystory, najle−
piej o 1−procentowej tolerancji. Rezy−
story o takiej tolerancji na pewno są me−
talizowane (a nie węglowe) i mają mały

współczynnik cieplny. Uzyskasz wtedy
stałość częstotliwości przy niezbyt du−
żych zmianach temperatury i napięcia
zasilania lepszą niż ±2%.

Kostka 4047 może pełnić rolę genera−

tora (przerzutnika astabilnego) albo uni−
wibratora (przerzutnika astabilnego).
Ma wiele wejść, które umożliwiają róż−
ne sposoby działania i wyzwalania.
Ważną cechą układu 4047 jest obecność
dzielnika wyjściowego i aż trzech wyjść.

Połączenia przy pracy w roli uniwi−

bratora pokazane są na rysunku 8. Nie
wykorzystujemy wtedy wyjścia OSC,
czyli nóżki 13, gdzie pojawiają się dwa
impulsy. Zawsze pobieramy sygnał z
wyjść Q i Q\, czyli nóżek 10, 11. Czas
trwania impulsu na tych wyjściach wy−
nosi: T = 2,48 RC

Podstawowe przykłady wykorzysta−

nia kostki 4047 w roli generatora poka−
zane są na rysunku 9. Można wtedy
wykorzystać wyjście oscylatora (OSC)
– nóżkę 13, gdzie generowany przebieg
ma okres: T = 2,2 RC

Na wyjściach Q i Q\ (n. 10, 11) dzię−

ki podzieleniu częstotliwości przez dwa
uzyskuje się przebieg prostokątny o
okresie: T = 4,4 RC przy czym współ−
czynnik wypełnienia wynosi idealnie
50% (wypełnienie na wyjściu OSC mo−
że nieco różnić się od 50%). Dla ścisło−

ści należy dodać, że pierwszy impuls
pojawiający się na wyjściach OSC i Q,
Q\ jest trochę dłuższy od pozostałych,
co nie ma zwykle praktycznego znacze−
nia.

4538

Na rysunku 10 znajdziesz rozkład wy−
prowadzeń i podstawowe układy pracy
kostki 4538, zawierającej dwa jednako−
we uniwibratory. W nawiasach podana
jest numeracja wyprowadzeń drugiego
uniwibratora. Nóżki 1 i 15 związane z
obwodem (szybkiego) rozładowywania
kondensatora mają być dołączone do
masy (nóżki 8). Warto wiedzieć, że w
spoczynku kondensator C jest w pełni
naładowany. Po wyzwoleniu jest szyb−
ko rozładowywany, a następnie ładuje
się

powoli

przez

rezystor

Rx

(4,7k

Ω

...1M

Ω

). Oznacza to, że w ukła−

dzie można śmiało stosować kondensa−
tory stałe (1nF...1

µ

F), a także elektroli−

tyczne. W przypadku zwykłych, czyli
aluminiowych „elektrolitów” trzeba li−
czyć się z możliwością znacznych
zmian pojemności z czasem (efekt prze−
formowania i starzenia).

Wejście A pozwala wyzwalać uniwi−

brator zboczem dodatnim, przy czym na
wejściu B musi być przy tym stan wyso−
ki. Dzięki obwodowi Schmitta układ
zostanie poprawnie wyzwolony nawet
gdy przebieg na wejściu A rośnie bar−
dzo pomału. Uniwibrator można też wy−
zwolić zboczem ujemnym na wejściu B,
gdy na wejściu A panuje stan niski.

Czas impulsu wyjściowego wynosi

około T = RC.

40

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Wrzesień 2002

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

Rys. 7

Rys. 8

Rys. 9

Ośla łączka

A6

127

Impuls wyjściowy można skrócić.

Przerzutnik zostaje doprowadzony do
stanu spoczynkowego przez podanie
stanu niskiego na wejście zerujące RST
(nózki 3, 13). Podczas normalnej pracy
wejścia RST są dołączone do plusa za−
silania.

W układzie z rysunku 10 kolejne im−

pulsy wyzwalające przedłużają czas im−
pulsu wyjściowego. Odpowiednie połą−
czenie jednego wyjścia z wejściem daje
uniwibrator bez możliwości przedłuża−
nia impulsu – połączenia i przebiegi po−
kazane są na rysunku 11.

Zalecany zakres czasów impulsu wy−

nosi od 10us do 10s (1M

Ω

, 10

µ

F). Gdy

potrzebny jest długi impuls o ściśle
określonym czasie trwania, należy wy−
korzystać kondensatory tantalowe albo
zastosować uniwibrator z kostką 4541.
Jeśli pojemność kondensatora C prze−
kracza 10

µ

F, warto zastosować diodę

chroniącą układ
w czasie wyłącza−
nia napięcia zasi−
lania, gdy C jest
naładowany. Spo−
sób

włączenia

diody pokazany
jest na rysunku
12. Przy zaleca−
nych

pojemno−

ściach w zakresie
1nF...10

µ

F dioda

taka nie jest po−
trzebna.

Oprócz kostki 4538 produkowane są

też kostki 4528, 4089 pełniące taką sa−
mą funkcję i mające identyczny rozkład
wyprowadzeń. Różnią się one budową
wewnętrzną i zakresem czasów impul−
su. Choć często mogą być stosowane
wymiennie, najczęściej wykorzystuje−
my właśnie układ 4538.

4541

Układ scalony 4541 może pełnić funk−
cję generatora albo uniwibratora, wy−
twarzającego pojedyncze impulsy.

Uproszczony schemat wewnętrzny

i przykładowe przebiegi pokazane są na
rysunku 13. Bramki wejściowe związa−
ne z nóżkami 1, 2, 3 tworzą klasyczny
generator dwubramkowy, który jest
źródłem sygnału dla następnych stopni.
Współpracuje z nimi kondensator stały,
nie elektrolityczny. Kostka zawiera pro−
gramowany dzielnik, przez co łatwo
można uzyskać impulsy o długich i bar−
dzo długich czasach, w praktyce od 1 se−
kundy do kilkudziesięciu godzin.

Układ może zliczać impulsy z zewnę−

trznego generatora – należy je podać na
nóżkę 3, a nóżki 1 i 2 pozostawić nie−
podłączone.

Jeśli wejście AR − Auto Reset (nóż−

ka 5) jest zwarte do masy, po włączeniu
zasilania układ na pewno zostanie wyze−
rowany i rozpocznie prawidłowy cykl
pracy, o ile napięcie zasilania nie jest
mniejsze niż 7,5V (należy się jednak li−
czyć ze zwiększonym poborem prądu).
Dla napięć zasilania 3...7,5V układ auto−
zerowania może nie działać poprawnie.
W ogromnej większości przypadków
wejście AR jest dołączone do plusa za−
silania i wtedy układ pracuje w pełnym
zakresie napięć zasilania (3...18V), a po−
bór prądu jest minimalny.

Wejście SEL (nóżka 9) określa stan

wyjścia Q w czasie zerowania i po wyze−
rowaniu. W trybie uniwibratora pozwala
uzyskać impulsy wyjściowe dodatnie
lub ujemne, a w trybie sterowanego ge−
neratora określa stan spoczynkowy wyj−
ścia w czasie zerowania. Wejścia A, B
(nóżki 12, 13) określają stopień podziału
wewnętrznego licznika. Wejście MODE
(nóżka 10) wyznacza tryb pracy: genera−
tor/uniwibrator.

Choć układ wygląda na skomplikowa−

ny, zasada pracy jest prosta: podanie sta−
nu wysokiego na wejście MR zatrzymuje
oscylator i zeruje liczniki. Na wyjściu po−
jawia się stan taki, jak na wejściu SEL.
Pojawienie się stanu niskiego na wejściu
MR rozpoczyna pracę. W trybie generato−
ra (MODE=H) na wyjściu Q pojawia się
przebieg prostokątny o częstotliwości
określonej przez elementy RC oscylatora
i współczynnik podziału licznika, jak poka−
zuje rysunek 13b. W trybie uniwibratora

45

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Wrzesień 2002

BIBLIOTECZKA

PRAKTYKA

BIBLIOTECZKA

PRAKTYKA

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

Rys. 10

Rys. 11

Rys. 12

A6

128

Ośla łączka

46

E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h

Wrzesień 2002

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

P

RAKTYKA

BIBLIOTECZKA

(MODE=L) na wyjściu pojawia się poje−
dynczy impuls. Jego czas trwania, inaczej
niż w poprzednio omawianych uniwibra−
torach, jest sumą czasu trwania impulsu
zerującego i czasu potrzebnego na zlicze−
nie wyznaczonej liczby impulsów oscyla−
tora, jak pokazuje rysunek 13c.

Okres jednego przebiegu oscylatora

jest wyznaczony głównie przez wartość
R

T

i C (dołączonych do nóżek 1, 2)

i wynosi około T = 2,3 R

T

C

Współczynnik podziału dzielnika

wyznaczają stany na wejściach A, B
(nóżki 12, 13):

W trybie generatora

okres przebiegu wyj−
ściowego jest równy
iloczynowi

okresu

oscylatora i podanego
współczynnika. Uwa−
ga, czas trwania impulsu w trybie uni−
wibratora jest równy połowie okresu
przebiegu wyjściowego w trybie gene−
ratora. Praktyczne sposoby wykorzy−
stania tego układu 4541 zostały przed−
stawione w ćwiczeniu 11.

4046

W rodzinie CMOS
4000 znajdziesz nad
wyraz interesującą kostkę, zawierającą
generator – układ 4046.

W zasadzie jest to tak zwana pętla fa−

zowa – dość skomplikowany układ sto−
sowany kiedyś w obwodach syntezy
częstotliwości. Blokowy schemat ukła−
du 4046 pokazany jest na rysunku 14a.

Na razie możemy zachowywać się

jak profani. Nie bacząc na szczytne
przeznaczenie układu 4046, będziemy
wykorzystywać tylko jego część – gene−
rator przestrajany napięciem, oznaczany
VCO od angielskiego określenia Volta−
ge Controlled Oscillator.

Jak wskazuje rysunek 14b, stan wy−

soki podany na wejście INH (inhibit −

wstrzymanie) pozwala zatrzymać genera−
tor VCO. Stan niski umożliwia pracę. Na−
pięcie na wejściu sterującym VCO IN
(nóżka 9) wyznacza aktualną częstotli−
wość. Czym wyższe napięcie, tym wyższa
częstotliwość. Napięcie sterujące może
zmieniać się od zera (masa) do pełnego na−
pięcia zasilania. Gdy brak R2 (nóżka 12
niepodłączona), częstotliwość można
zmieniać od zera do tak obliczonej często−
tliwości maksymalnej. Maksymalną czę−
stotliwość generatora wyznaczają wtedy
kondensator C i rezystor R1. Częstotli−
wość ta wynosi około f

1

= 1 / (R1*C).

Rezystor R2 pozwala zmniejszyć za−

kres zmian częstotliwości – wyznacza
częstotliwość minimalną wynoszącą
około fmin = 1 / (R2*C)

Obecność R2 ma też wpływ na czę−

stotliwość maksymalną. Częstotliwość
maksymalna z rezystorem R2 wynosi
fmax = fmin + f

1

Podane wzory są orientacyjne – ze

względu na specyfikę układu obliczone
wartości częstotliwości mogą się znacz−
nie różnić od rzeczywistych.

W układzie należy zastosować kon−

densator stały. Zalecany zakres wartości
elementów to C – 100pF...1uF, R1,R2 –
10k

Ω

...1M

Ω

.

Pozostałe obwody kostki 4046,

w tym dioda Zenera, nie są zwykle
wykorzystywane. Nie musisz rozu−
mieć ich działania. Aby jednak nie
zwiększać poboru prądu, koniecznie
musimy dołączyć nieużywane wejścia
3 i 14 do masy albo do plusa zasilania.
Nieużywane wyjścia trzeba pozosta−
wić niepodłączone (nóżki 1, 2, 10, 13
i 15).

W razie potrzeby można wykorzy−

stać jeden z zawartych w kostce detek−
torów fazy, który w istocie jest tak zwa−
ną bramką EX−OR. Wejściami są nóżki
3, 14, wyjściem − nóżka 2. Wykorzysta−
liśmy to w ćwiczeniu 13, gdzie dzięki
dołączeniu nóżki 14 do plusa zasilania
bramka EX−OR pełni rolę negatora
(nóżki 3 − 2).

Piotr Górecki

Rys. 13

A B podział

0 0 8192

0 1 1024
1 0

256

1 1 65536

Rys. 14