background image

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

background image

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

...1M

). 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

background image

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

, 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

background image

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

...1M

.

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