Jak oni to zrobili?

Na poprzedniej wyprawie wykonaliśmy przerzut−
nik Schmitta z dwóch inwerterów (bramek)
i dwóch rezystorów. Teraz w ćwiczeniach wyko−
rzystujemy gotowe bramki z wejściem Schmitta
(4093, 40106). Znajomość ich budowy wewnętrz−
nej nie jest dla Ciebie ważna. Zapamiętaj tylko, że
nie są to dwie „zwykłe” bramki plus dwa rezysto−
ry. Histerezę (i dodatnie sprzężenie zwrotne) reali−
zuje się w inny sposób.

Niektóre bardziej złożone układy CMOS też

mają niektóre wejścia wyposażone w obwody rea−
lizujące histerezę. Przykładem może być używany
w tej wyprawie układ 4538, gdzie wejście wyzwa−
lające A ma obwód histerezy. Za pomocą tego wej−

ścia można wyzwalać uniwibrator przebiegami o
dowolnie łagodnych zboczach.

Co to znaczy „jak najszybciej”?

Bramki i w ogóle wszelkie układy cyfrowe są ele−
mentami bardzo szybkimi, ale ich szybkość też jest
ograniczona. Gdyby na wejściu bramki wystąpiła
nieskończenie szybka zmiana stanu, zmiana na
wyjściu pojawi się z pewnym niewielkim opóźnie−
niem. Poza tym napięcie na wyjściu nie może zmie−
niać się nieskończenie szybko. Przebieg wyjściowy
ma więc zbocza o ograniczonej stromości. Ilustruje
to rysunek A, pokazujący idealny przebieg na wej−
ściu (zielony) i nieco opóźniony wyjściu odwraca−
jacej bramki (fioletowy). Czas, w którym napięcie

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

Czerwiec 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

T

E

C

H
N

I

K
A

L

I

A

Napięcia progowe
wejścia „ze szmitem”

W przypadku wejścia „ze szmitem” sprawa
napięć progowych jest bardziej złożona. Jeśli
napięcie wejściowe inwertera z wejściem
Schmitta z kostki 40106 przy napięciu zasila−
nia 15V rośnie, charakterystyka wygląda jak na
rysunku V. Wygląda na to, że napięcie progo−
we wynosi 8,5V, a charakterystyka jest piono−

wa, co świadczy o bardzo dużym wzmocnie−
niu. Jeśli jednak napięcie wejściowe zmniejsza
się, charakterystyka przebiega nieco inaczej,
jak na rysunku VI i napięcie progowe wynosi
6,5V. Rysunek VII pokazuje kompletną cha−
rakterystykę przejściową. Niewątpliwie mamy
tu dwa progi przełączania: dolny i górny. Rysu−
nek VIII pokazuje, jak taki inwerter reaguje na
wolnozmienny i na „zaśmiecony” sygnał wej−
ściowy. Jak widać, jeśli tylko zakłócenia nie są
zbyt duże, mniejsze niż wielkość histerezy,
wejście Schmitta dosłownie czyści sygnał ze
„śmieci”. Sygnał wolnozmienny jest zamienia−
ny na prostokątny o bardzo ostrych zboczach.
I to są najważniejsze zalety takich wejść.

Generatory sterowane z bramkami NA−
ND z kostki 4093 są wykorzystywane
bardzo często, o ile tylko nie jest wyma−
gana dobra stałość częstotliwości. Chęt−
nie wykorzystywane są też układy z
dwoma generatorami, z których jeden
steruje pracą drugiego. Rysunek 8 poka−
zuje schemat i przebiegi. Oczywiście w
spoczynku układ w ogóle nie pobiera
prądu. Konieczna jest tu dodatkowa
bramka pośrednicząca U1B (inwerter).
Układ uproszczony według rysunku 8c
jest błędny. Czy wiesz, dlaczego?

Jeśli nie, zbuduj taki układ i zbadaj je−

go zachowanie.

Czasem, bardzo rzadko, wykorzysty−

wany jest układ według rysunku 9. Nie
polecam go, ma istotną wadę – w stanie
spoczynku na wyjściu B występuje stan
niski, natomiast później, w czasie pracy w
przerwach między impulsami pojawia się tam
stan wysoki, co w niektórych przypadkach
spowoduje błędną pracę następnych stopni.

Ośla łączka

A6

113

10

15

5

0

5

10

15

Napięcie wejściowe [V]

N

a

p

ię

c

ie

w

y

jś

c

io

w

e

[

V

]

Rys. V

U

we

U

wy

czas

(nanosekundy)

czas

(nanosekundy)

t

PHL

t

f

t

PLH

t

r

10ns

10ns

100ns

100ns

10% U

zas

50% U

zas

100% U

zas

90% U

zas

a)

b)

c)

D

+

A

U1A

U1B

U1C

U1D

C

B

A

A

Rys. 8

10

15

0

5

10

15

Napięcie wejściowe [V]

N

a

p

ię

c

ie

w

y

jś

c

io

w

e

[

V

]

5

Rys. VI

Rys. A

F

F

o

o

t

t

.

.

3

3

Ćwiczenie 4

Optyczno−akustyczny

symulator alarmu

+

−

12V

+

+

+12V

100

F

10 F

1 F

470nF

470nF

piezo
z gen.
12V

470

2,2k

40106

1k

1M

1M

1M

1M

+12V

+12V

Nieco inny przykład wykorzystania bufo−
rów masz na rysunku 12. Pracują tu trzy
generatory i trzy bufory, sterujące w niety−

powy sposób pracą sześciu diod LED, a
całość jest zasilana z baterii 9V. Diody po−
winny być ustawione w jednym rządku,

wyjściowe rośnie z 10% do 90% końcowej warto−
ści nazywany czasem narastania (ang. rise time)i
oznaczamy t

r

. Czas, w którym napięcie wyjściowe

opada z 90% do 10% nazywamy czasem opadania
(ang. fall time) i oznaczamy t

f

. Przebieg wyjścio−

wy jest „odwrócony” i opóźniony względem wej−
ściowego. To opóźnienie, mierzone na poziomie
50% napięcia zasilania, nazywany czasem propa−
gacji i oznaczamy t

PHL

oraz T

PLH

. Zwróć uwagę, że

są to czasy rzędu nanosekund. W układach CMOS
czym wyższe napięcie zasilające, tym krótsze są te
czasy.

W układach „czysto cyfrowych” bardzo rzadko

zwracamy uwagę na stromość zboczy. Nie mamy
zresztą na to wpływu. Może uważasz, że czasy rzę−

du kilkunastu czy kilkudziesięciu nanosekund (mi−
liardowych części sekundy) są pomijalnie małe. Jak
więc przyjmiesz wiadomość, że układy rodziny
CMOS4000 słusznie uważane są za.... najwolniejsze
ze wszystkich współczesnych układów cyfrowych?

Tak jest, ale niech Ci to nie przeszkadza. Układy

CMOS rodziny 4000 śmiało mogą pracować przy
częstotliwościach sygnałów do 1MHz (milion drgań
na sekundę). W zasadzie mogłyby pracować przy je−
szcze większych częstotliwościach, ale ze względu
na rosnący pobór prądu warto wtedy wykorzystać in−
ne, szybsze i nowocześniejsze rodziny układów
cyfrowych, na przykład 74HCXX oraz 74HCTXX
czy jeszcze szybsze 74ACXX i 74ACTXX, które
też są układami CMOS, ale należą do rodziny wy−

wodzącej się z serii TTL 74XX. Są też jeszcze now−
sze rodziny. Ale to już historia z zupełnie innej bajki.

W zależności od okoliczności...

Szybkość wszelkich układów CMOS zależy od na−
pięcia zasilającego – czym wyższe napięcie, tym
szybciej zmieniają się stany na wyjściach. Tabela
poniżej, zawiera informacje o czasach propagacji,

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

Czerwiec 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

T

E

C

H
N

I

K
A

L

I

A

Czyszczenie sygnałów

Początkujący elektronicy nie doceniają pro−
blemu zbyt małej szybkości zmian napięcia
na wejściach. W rezultacie pojawiają się
trudne do wykrycia błędy w działaniu ich
układów. Tymczasem trzeba brać pod uwagę,
że w niektórych przypadkach napięcia na
wejściach będą się zmieniać wyjątkowo wol−
no. Na poprzedniej wyprawie przy analizie
podstawowych właściwości bramek zupełnie
pominęliśmy tę sprawę i rozważaliśmy stany
ustalone. Tymczasem napięcia na wejściach
w niektórych zastosowaniach będą zmieniać
się bardzo powoli, a do tego wystąpią tam
przebiegi zakłócające.

Problem w tym, iż każda bramka tak na−

prawdę jest wzmacniaczem o dużym wzmoc−
nieniu i na dodatek bardzo szybkim. Ten
wzmacniacz normalnie pracuje w jednym
z dwóch stanów nasycenia, czyli w „czystych”
stanach logicznych. Wtedy praktycznie nie
pobiera prądu i nie ma z nią kłopotów. Nie−
trudno się jednak domyślić, że w „okolicach”

Generatory bramkowane możesz też

zrealizować z pomocą inwerterów i diod
według rysunku 10. Mogą być urucha−
miane poziomem wysokim (10a) lub ni−
skim (10b), zależnie od kierunku włą−
czenia diody. Drobną wadą jest fakt, że
w spoczynku pobierają niewielki prąd,
płynący przez diodę i rezystor. Czym
większa wartość rezystora, tym mniejszy
ten prąd spoczynkowy.

Rysunek 11 pokazuje schemat zaa−

wansowanego symulatora alarmu samo−

chodowego. Jeśli masz brzęczyk
piezo z generatorem i diodę
dwukolorową z poprzednich wy−
praw, wykonaj taki symulator.
Układ nie tylko zmienia kolor
świecenia dwukolorowej diody
LED, ale też wydaje w odstę−
pach kilkunastosekun−
dowych krótkie piski
świadczące, że „alarm”
czuwa.

Fotografia 3 poka−

zuje model zbudowany
na płytce stykowej.

Korzystając ze
zdobytych in−
formacji mo−
żesz zmodyfi−
kować układ
połączeń

i

uzyskać

do−

wolny, odpo−
wiadający Ci
efekt. Zachę−
cam do eksperymentów. Po uzyskaniu
odpowiadającego Ci działania możesz
zmontować taki układ na płytce uniwer−
salnej albo nawet jako solidny „pająk” i
wykorzystać w samochodzie. Wtedy ze
względu na wilgoć musisz go starannie
zaizolować, na przykład zalać siliko−
nem.

A6

114

Ośla łączka

10

10

15

15

Napięcie wejściowe

Napięcie wyjściowe

5

5

t

czas

t

czas

Rys. VIII

Czas propagacji

4011

typ.

max

5V

125ns

250ns

10V

50ns

100ns

15V

40ns

80ns

A

A

R − 4,7k ...10M

C − 1nF...1000 F

Rys. 10

Rys. 11

A

B

+

Rys. 9

a)

b)

Ćwiczenie 5

Patchwork, czyli

(widmowa) makatka

10

15

0

5

10

15

Napięcie wejściowe [V]

N

a

p

ię

ci

e

w

yj

ści

o

w

e

[

V]

5

Rys. VII

Ośla łączka

A6

115

narastania i opadania bramek układu CMOS 4011
przy różnych wartościach napięcia zasilającego.

Związane jest to z wydajnością prądową wyjść

(rezystancjami wyjściowymi). Na wyprawie A05
sprawdziliśmy, że rezystancja wyjściowa bramki,
a tym samym maksymalny prąd wyjściowy zależą
także od napięcia zasilającego. Wartość rezystancji
wyjściowej przy napięciach zasilających 3...5V
wynosi kilkaset omów do nawet dwóch kiloomów.
Przy napięciach zasilających 15...18V spada nawet
do 50 omów. Tym samym pojemności struktur
i pojemności montażowe są szybciej przeładowy−
wane, stąd wzrost szybkości. Nie będziemy wgłę−
biać się w szczegóły, na przykład w sprawy obcią−
żenia pojemnościowego wyjść. To, co jest najważ−
niejsze dla praktyka już wiesz, a na razie nie jest Ci
potrzebna szersza wiedza dotyczący szybkości
układów.

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

Czerwiec 2002

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

E

L

E

M
E

N

T

a

r

z

T

E

C

H
N

I

K
A

L

I

A

progu przełączania zachowuje się jak naj−
prawdziwszy liniowy wzmacniacz o dużym
wzmocnieniu – patrz rysunek I. Chętnie
wzmacnia wtedy wszelkie „elektroniczne
śmieci” – w tym wszechobecne szumy i za−
kłócenia. Przekonaliśmy się o tym na po−
przedniej wyprawie. Przy powolnej zmianie
napięcia w „okolicach” progu przełączania
pod wpływem nawet bardzo niewielkich
„śmieci”, na przykład przydźwięku sieci
i zakłóceń radiowych, wyjście zwykłej
bramki nie zostanie jednoznacznie i natych−
miastowo przełączone z jednego stanu do
drugiego, tylko mogą się pojawić i często
pojawiają się drgania.

Trzeba też pamiętać, że wzmacniacze

o dużym wzmocnieniu często wykazują
chęć do samowzbudzenia, czyli stają się ge−
neratorami. Podobnie może być ze „zwy−
kłą” bramką – gdy na wejściu pojawi się na−
pięcie bliskie napięciu progowemu, to na−
wet przy braku jakichkolwiek przychodzą−
cych z zewnątrz „śmieci”, ze względu na
pasożytnicze pojemności montażowe, in−
dukcyjności i rezystancje ścieżek, na wyj−
ściu samorzutnie mogą pojawić się drgania
o wysokiej częstotliwości.

Lojalnie przyznaję, że takie szkodliwe

zjawiska nie zawsze dają o sobie znać. Zale−
ży to między innymi od właściwości obwo−
dów zasilania, zwłaszcza obecności konden−
satorów odsprzęgających. Niestety, trzeba
brać pod uwagę najgorszy przypadek, że ta−
kie drgania zakłócą, a nawet uniemożliwią
pracę układu.

Dlatego, nie zważając na poglądy wielu

amatorów, nie dbających o takie „drobiazgi”,
nigdy nie podawaj przebiegów wolnozmien−
nych na wejścia „zwykłych” układów cyfro−
wych. Aby pozbyć się wszelkich śmieci i za−
pobiec powstawaniu drgań w.cz., stosuj
bramki z histerezą z obwodem RC na wej−
ściu. Typowe przykłady omawialiśmy w ćwi−
czeniu 2. Zapamiętaj raz na zawsze, że bram−
ki z wejściami Schmitta służą nie tylko do
budowy prostych (i niezbyt doskonałych) ge−
neratorów, ale przede wszystkim pozwalają
„wyczyścić” sygnały podawane do układu
z zewnątrz.

a ich kolory nie są istotne.
Gdy model jest nieruchomy,
nie widać nic szczególnego –
świecą wszystkie diody. Po−
machaj jednak nim energicz−
nie w ciemności, a przekonasz
się, dlaczego w tytule jest sło−
wo makatka. Nie muszę chy−
ba dodawać, że „długość pa−
sków” możesz zmieniać w
szerokim zakresie zmieniając
wartości rezystorów R7...R9
w zakresie 47kΩ...1MΩ.

Widok w ciemności jest

naprawdę fantastyczny i war−
to wypróbować ten atrakcyj−
ny efekt świetlny. Na foto−
grafii pokazany jest model
próbny na płytce stykowej.
W ciemności diody będą
znakomicie widoczne nawet
gdybyś znacznie zwiększył
wartość rezystorów R1...R6.
W ramach eksperymentów,
przy

napięciu

zasilania

9V możesz zmniejszyć war−
tość tych rezystorów i prze−
konać się, przy jakiej ich
wartości diody nie są całko−
wicie wygaszane.

Jeśli podoba Ci się nasza

makatka, możesz zbudować
wersję Jumbo z dwunastoma,
czy osiemnastoma różnokolo−
rowymi diodami sterowanymi
przez kilka generatorów, nie−
zależnych lub sprzężonych jak
choćby na rysunkach 8a, 10,
11. Możesz też wykorzystać
diody dwukolorowe. W ra−
mach ćwiczeń samodzielnie zaprojektuj
układ z bramkowanymi generatorami, co
da specyficzny wzór makatki. Diody LED
powinny być ustawione jedna obok dru−
giej, w jednej linii. W takim wypadku ko−

niecznie użyj baterii alkalicznej, która
może być obciążona większym prądem.

Zbuduj też układ według rysunku 13a.

Wprost do wyjścia generatora dołącz na
razie tylko brzęczyk piezo. Jego terkot
świadczy, że generator z bramką
Schmitta pracuje prawidłowo. Gdy zbyt
silnie obciążysz wyjście generatora,
przestanie on pracować. Jeśli na przy−
kład do wyjścia generatora dołączysz
„na żywca” diodę LED według rysun−
ku 13b, generator na pewno przestanie
pracować. Jeśli w szereg z diodą włą−
czysz rezystor według rysunku 13c,
działanie układu będzie zależeć od war−

tości tego rezystora i od
wielkości napięcia zasila−
nia. Sprawdź, przy jakich
wartościach rezystancji
Rx układ jeszcze pracuje.
Sprawdź to przy różnych
wartościach napięcia za−
silania. Czy częstotliwość
zależy od wartości Rx?

C1
100n

+

9V

+

−

+9V

C4
100

+9V

R1
1k

R2

1k

12

13

2

1

R7

C2

C3

+9V

+9V

R3

R5

1k

1k

R4

R6

1k

1k

10

8

11

9

4

6

3

5

R8

R9

40106

40106

14

1

2

3

4

5

6

7

13

12

11

10

9

8

VDD

VSS

+

+

−

12V

a)

VDD

VSS

n.14

n.7

c)

b)

Y1

membrana

PCA−100

Rx
*

R

L

VDD

R

W

Rys. 12

F

F

o

o

t

t

.

.

4

4

Rys. 13

Rys. 14

A6

116

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

Czerwiec 2002

Możesz przeprowadzić takie testy przy
różnych napięciach zasilania.

Wnioski są oczywiste: nigdy nie dołą−

czaj znacznego obciążenia wprost do
wyjścia generatora. W ostateczności do−
bierz wartość rezystora ograniczającego
Rx, stosownie do napięcia zasilania. Je−

śli to możliwe, stosuj bufory w postaci
bramek lub inwerterów, jak robiliśmy to
w poprzednich układach. Oczywiście
kluczowym czynnikiem jest tu wydaj−
ność prądowa wyjścia, inaczej mówiąc −
rezystancja wyjściowa bramki, która jak
wiesz, silnie zależy od napięcia zasila−

nia. Jak pokazuje rysunek 14, rezystan−
cja wyjściowa bramki Rw tworzy z ze−
wnętrzną rezystancją obciążenia R

L

dzielnik napięcia, przez co napięcia na
wyjściu nie są już „czystymi” stanami
logicznymi. Pamiętaj o tym i nie obcią−
żaj wyjść generatorów.

Są osoby, które z różnych powodów ma−
ją duże kłopoty z porannym wstawaniem
z łóżka. Niektórzy po prostu nie słyszą
budzika. Dawniej, gdy królowały zegary
mechaniczne, niektórzy mieli głośne bu−
dziki z dwiema metalowymi czaszami
i dodatkowo dla zwiększenia głośności
stawiali je na noc na talerzu lub misce.
Gorzej z budzikami kwarcowymi. Sy−
gnały elektronicznych brzęczyków we
współczesnych budzikach niewątpliwie
do najgłośniejszych nie należą.

Jeśli Ty, lub ktoś z bliskich ma kłopo−

ty z usłyszeniem budzika, spróbuj wyko−
nać rewelacyjny układ „turbodopalacza”
według rysunku 15. Nawet jeżeli nie
masz kłopotów z budzeniem się, wyko−
naj ten interesujący układ. Znajdzie on
inne ciekawe zastosowania. Zauważ, że
taki turbodopalacz nie wymaga żadnej
ingerencji we wnętrze budzika. Zasada
działania jest w sumie łatwe do zrozu−
mienia. Układ scalony U1 jest zasilany
przez cały czas, natomiast U2 pracuje
tylko wtedy, gdy przewodzi tranzystor
T3. Membrana piezo Y1 (PCA−100) w
spoczynku pełni rolę mikrofonu. Tran−
zystor T1 jest polaryzowany przez ob−
wód D1, R1 i przewodzi, ale ze względu
na ogromne wartości rezystorów R1, R5
pobór prądu jest znikomy, rzędu 1,7...1,8
mikroampera. Spadek napięcia na R4 jest
mały i T2 nie przewodzi. Duża rezystan−
cja wejściowa T1 i duża wartość R2 za−
pewniają potrzebną czułość. Gdy pojawi
się dźwięk o odpowiedniej głośności,
przetwornik Y1 zamieni go na zmienny
sygnał elektryczny (w przybliżeniu sinu−
soidalny). Szczyty tego przebiegu
zmiennego będą na króciutki czas otwie−
rać tranzystor T1, a także T2. Naładują

one kondensator C1 i rozpoczną cykl
pracy. Obwód opóźniający R7C3 gwa−
rantuje między innymi, że krótki przy−
padkowy sygnał dźwiękowy nie wywoła
reakcji urządzenia. Dopiero dłuższy sy−
gnał z budzika poda na generator U2 za−
silanie przez tranzystor T3 i membrana
stanie się źródłem bardzo głośnego
dźwięku na czas wyznaczony przez
R8C4.

Co bardzo ważne, układ w spoczynku

prawie nie pobiera prądu (poniżej 2µA
przy 9V zasilania), nie wymaga więc
żadnego wyłącznika i cały czas jest go−
towy do pracy. Po umieszczeniu go wraz
z 9−woltową baterią w jakiejś obudowie
jak najbardziej nadaje się do praktyczne−
go wykorzystania. Tak wykonany turbo−
dopalacz powinien być umieszczony jak
najbliżej budzika. Przetwornik Y1 nie
powinien być oddalony więcej niż o 5cm
od budzika.

Fotografia 5 pokazuje model zmonto−

wany prowizorycznie na płytce stykowej.
Natomiast fotografia 6 pokazuje model
zbudowany na płytce drukowanej. Pro−
jekt płytki znajdziesz na rysunku 16 oraz
na wkładce w środku numeru. Układ ten
został też bliżej opisany w artykule na
stronie 54 niniejszego wydania EdW.

Piotr Górecki

Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW.

Ćwiczenie 6

Turbodopalacz do budzika

(dla śpiochów)

R14

14

5

6

U1C

3

4

U1B

1

2

U1A

5

4

U2B

U2A

9

10

U2D

7

6

U2C

3

2

U2 4049

U1 40106

15

U2F

11

12

U2E

R1
10M

R2 1M

R3

10k...22k

10k...22k

R5
1M

R6

4,7M

R4
330k...470k

R7 1M

R8

1M

R9

10k

R10

R11

100k

R12

100k

R13
470k

C1

470n

C5

1n

C6

470n

C7
100n

C3

10u

C4
100u

C2

10...100u

D1

LED G

D2

1N4148

T3

T2

T1

Y1
PCA100

100k

P

P1

O

czas

czas

alarmu

opóźnienia

B

A

C8
100n

X

Y

14

7

1

8

+

+

+

8

9

U1D

10

11

U1E

12

13

U1F

F

F

o

o

t

t

.

.

5

5

F

F

o

o

t

t

.

.

6

6

Rys. 15

Rys. 16