113 A6 Ośla łączka
Napięcia progowe
wejścia  ze szmitem
W przypadku wejścia  ze szmitem sprawa
napięć progowych jest bardziej złożona. Jeśli
napięcie wejściowe inwertera z wejściem
Ćwiczenie 4 Optyczno-akustyczny Schmitta z kostki 40106 przy napięciu zasila-
nia 15V rośnie, charakterystyka wygląda jak na
rysunku V. Wygląda na to, że napięcie progo-
symulator alarmu
we wynosi 8,5V, a charakterystyka jest piono-
wa, co świadczy o bardzo dużym wzmocnie-
Generatory sterowane z bramkami NA- a)
B C
U1B U1D
D niu. Jeśli jednak napięcie wejściowe zmniejsza
ND z kostki 4093 sÄ… wykorzystywane U1A
U1C
siÄ™, charakterystyka przebiega nieco inaczej,
bardzo często, o ile tylko nie jest wyma-
jak na rysunku VI i napięcie progowe wynosi
gana dobra stałość częstotliwości. Chęt-
6,5V. Rysunek VII pokazuje kompletnÄ… cha-
nie wykorzystywane są też układy z
rakterystykę przejściową. Niewątpliwie mamy
dwoma generatorami, z których jeden
tu dwa progi przełączania: dolny i górny. Rysu-
steruje pracÄ… drugiego. Rysunek 8 poka-
nek VIII pokazuje, jak taki inwerter reaguje na
zuje schemat i przebiegi. Oczywiście w
b)
wolnozmienny i na  zaśmiecony sygnał wej-
spoczynku układ w ogóle nie pobiera
ściowy. Jak widać, jeśli tylko zakłócenia nie są
prÄ…du. Konieczna jest tu dodatkowa
zbyt duże, mniejsze niż wielkość histerezy,
bramka pośrednicząca U1B (inwerter).
wejście Schmitta dosłownie czyści sygnał ze
Układ uproszczony według rysunku 8c
 śmieci . Sygnał wolnozmienny jest zamienia-
jest błędny. Czy wiesz, dlaczego?
ny na prostokÄ…tny o bardzo ostrych zboczach.
Jeśli nie, zbuduj taki układ i zbadaj je-
I to są najważniejsze zalety takich wejść.
go zachowanie.
Czasem, bardzo rzadko, wykorzysty-
c)
Rys. V
wany jest układ według rysunku 9. Nie
15
polecam go, ma istotnÄ… wadÄ™  w stanie
spoczynku na wyjściu B występuje stan
niski, natomiast póz
niej, w czasie pracy w
10
przerwach między impulsami pojawia się tam
stan wysoki, co w niektórych przypadkach
spowoduje błędną pracę następnych stopni.
5
Rys. 8
5 10 15
0
Napięcie wejściowe [V]
Rys. VI
15
10
5
5 10 15
0
Fot. 3
Fot. 3
Napięcie wejściowe [V]
ścia można wyzwalać uniwibrator przebiegami o
Jak oni to zrobili?
Rys. A
Uwe
dowolnie Å‚agodnych zboczach.
Na poprzedniej wyprawie wykonaliśmy przerzut-
nik Schmitta z dwóch inwerterów (bramek)
i dwóch rezystorów. Teraz w ćwiczeniach wyko-
Co to znaczy  jak najszybciej ?
rzystujemy gotowe bramki z wejściem Schmitta
Bramki i w ogóle wszelkie układy cyfrowe są ele-
(4093, 40106). Znajomość ich budowy wewnętrz-
10ns 100ns
czas
mentami bardzo szybkimi, ale ich szybkość też jest
nej nie jest dla Ciebie ważna. Zapamiętaj tylko, że
tPLH (nanosekundy)
tPHL
ograniczona. Gdyby na wejściu bramki wystąpiła
nie są to dwie  zwykłe bramki plus dwa rezysto-
nieskończenie szybka zmiana stanu, zmiana na
ry. Histerezę (i dodatnie sprzężenie zwrotne) reali-
100% Uzas
wyjściu pojawi się z pewnym niewielkim opóz
nie-
zuje się w inny sposób.
Uwy
90% Uzas
niem. Poza tym napięcie na wyjściu nie może zmie-
Niektóre bardziej złożone układy CMOS też
50% Uzas
niać się nieskończenie szybko. Przebieg wyjściowy
mają niektóre wejścia wyposażone w obwody rea-
ma więc zbocza o ograniczonej stromości. Ilustruje 10% Uzas
lizujące histerezę. Przykładem może być używany
to rysunek A, pokazujÄ…cy idealny przebieg na wej-
w tej wyprawie układ 4538, gdzie wejście wyzwa- 10ns 100ns
czas
ściu (zielony) i nieco opóz
niony wyjściu odwraca-
lające A ma obwód histerezy. Za pomocą tego wej-
tf tr (nanosekundy)
jacej bramki (fioletowy). Czas, w którym napięcie
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 39
ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz
T E C H N I K A L I A
+
Napięcie wyjściowe [V]
Napięcie wyjściowe [V]
A
A
A
Ośla łączka A6 114
Generatory bramkowane możesz też Korzystając ze
Rys. VII Rys. 9
zrealizować z pomocą inwerterów i diod zdobytych in-
15
według rysunku 10. Mogą być urucha- formacji mo-
miane poziomem wysokim (10a) lub ni- żesz zmodyfi- B
A
skim (10b), zależnie od kierunku włą- kować układ
10
czenia diody. Drobną wadą jest fakt, że połączeń i
w spoczynku pobierają niewielki prąd, uzyskać do-
5 płynący przez diodę i rezystor. Czym wolny, odpo-
większa wartość rezystora, tym mniejszy wiadający Ci
ten prÄ…d spoczynkowy. efekt. ZachÄ™-
Rysunek 11 pokazuje schemat zaa- cam do eksperymentów. Po uzyskaniu
5 10 15
0
Napięcie wejściowe [V] wansowanego symulatora alarmu samo- odpowiadającego Ci działania możesz
chodowego. Jeśli masz brzęczyk zmontować taki układ na płytce uniwer-
Rys. VIII piezo z generatorem i diodÄ™ salnej albo nawet jako solidny  pajÄ…k i
dwukolorową z poprzednich wy- wykorzystać w samochodzie. Wtedy ze
15
praw, wykonaj taki symulator. względu na wilgoć musisz go starannie
10
Układ nie tylko zmienia kolor zaizolować, na przykład zalać siliko-
świecenia dwukolorowej diody nem.
5
LED, ale też wydaje w odstę-
t
pach kilkunastosekun-
a) b)
czas
dowych krótkie piski
15
A
A
świadczące, że  alarm
10
czuwa.
Fotografia 3 poka-
5
zuje model zbudowany
C - 1nF...1000 F
t
na płytce stykowej. R - 4,7k ...10M
czas
Rys. 10
40106
+12V
Czyszczenie sygnałów
PoczÄ…tkujÄ…cy elektronicy nie doceniajÄ… pro-
470nF
blemu zbyt małej szybkości zmian napięcia
1M +12V 1M
na wejściach. W rezultacie pojawiają się
1M
10 F 1M
trudne do wykrycia błędy w działaniu ich
1 F
układów. Tymczasem trzeba brać pod uwagę,
470nF
że w niektórych przypadkach napięcia na
+12V
wejściach będą się zmieniać wyjątkowo wol-
+
2,2k
no. Na poprzedniej wyprawie przy analizie 1k
12V
470
podstawowych właściwości bramek zupełnie
100
-
pominęliśmy tę sprawę i rozważaliśmy stany
F
ustalone. Tymczasem napięcia na wejściach piezo
z gen.
w niektórych zastosowaniach będą zmieniać
12V
siÄ™ bardzo powoli, a do tego wystÄ…piÄ… tam
Rys. 11
przebiegi zakłócające.
Problem w tym, iż każda bramka tak na-
prawdę jest wzmacniaczem o dużym wzmoc-
Patchwork, czyli
Ćwiczenie 5
nieniu i na dodatek bardzo szybkim. Ten
wzmacniacz normalnie pracuje w jednym
(widmowa) makatka
z dwóch stanów nasycenia, czyli w  czystych
stanach logicznych. Wtedy praktycznie nie
Nieco inny przykład wykorzystania bufo- powy sposób pracą sześciu diod LED, a
pobiera prądu i nie ma z nią kłopotów. Nie-
rów masz na rysunku 12. Pracują tu trzy całość jest zasilana z baterii 9V. Diody po-
trudno się jednak domyślić, że w  okolicach
generatory i trzy bufory, sterujące w niety- winny być ustawione w jednym rządku,
wyjściowe rośnie z 10% do 90% końcowej warto- du kilkunastu czy kilkudziesięciu nanosekund (mi- wodzącej się z serii TTL 74XX. Są też jeszcze now-
ści nazywany czasem narastania (ang. rise time)i liardowych części sekundy) są pomijalnie małe. Jak sze rodziny. Ale to już historia z zupełnie innej bajki.
oznaczamy t . Czas, w którym napięcie wyjściowe więc przyjmiesz wiadomość, że układy rodziny
r
opada z 90% do 10% nazywamy czasem opadania CMOS4000 słusznie uważane są za.... najwolniejsze
W zależności od okoliczności...
(ang. fall time) i oznaczamy t . Przebieg wyjścio- ze wszystkich współczesnych układów cyfrowych?
f
Szybkość wszelkich układów CMOS zależy od na-
wy jest  odwrócony i opóz
niony względem wej- Tak jest, ale niech Ci to nie przeszkadza. Układy
pięcia zasilającego  czym wyższe napięcie, tym
ściowego. To opóz
nienie, mierzone na poziomie CMOS rodziny 4000 śmiało mogą pracować przy
szybciej zmieniają się stany na wyjściach. Tabela
50% napięcia zasilania, nazywany czasem propa- częstotliwościach sygnałów do 1MHz (milion drgań
poniżej, zawiera informacje o czasach propagacji,
gacji i oznaczamy t oraz T . Zwróć uwagę, że na sekundę). W zasadzie mogłyby pracować przy je-
PHL PLH
są to czasy rzędu nanosekund. W układach CMOS szcze większych częstotliwościach, ale ze względu
Czas propagacji
czym wyższe napięcie zasilające, tym krótsze są te na rosnący pobór prądu warto wtedy wykorzystać in-
4011
typ. max
czasy. ne, szybsze i nowocześniejsze rodziny układów
125ns 250ns
W układach  czysto cyfrowych bardzo rzadko cyfrowych, na przykład 74HCXX oraz 74HCTXX 5V
zwracamy uwagę na stromość zboczy. Nie mamy czy jeszcze szybsze 74ACXX i 74ACTXX, które
50ns 100ns
10V
zresztą na to wpływu. Może uważasz, że czasy rzę- też są układami CMOS, ale należą do rodziny wy-
40ns 80ns
15V
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
40 Czerwiec 2002
ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz
T E C H N I K A L I A
+
Napięcie wyjściowe [V]
Napięcie wyjściowe
Napięcie wejściowe
+
+
115 A6 Ośla łączka
progu przełączania zachowuje się jak naj-
Rys. 12
+9V
a ich kolory nie sÄ… istotne.
prawdziwszy liniowy wzmacniacz o dużym
Gdy model jest nieruchomy,
+9V
wzmocnieniu  patrz rysunek I. Chętnie
+
nie widać nic szczególnego 
C4
R1 wzmacnia wtedy wszelkie  elektroniczne
9V 100
świecą wszystkie diody. Po-
1k
śmieci  w tym wszechobecne szumy i za-
-
machaj jednak nim energicz-
1 2 13 12
kłócenia. Przekonaliśmy się o tym na po-
nie w ciemności, a przekonasz
przedniej wyprawie. Przy powolnej zmianie
R2
się, dlaczego w tytule jest sło-
+9V napięcia w  okolicach progu przełączania
1k
wo makatka. Nie muszÄ™ chy-
R7
pod wpływem nawet bardzo niewielkich
ba dodawać, że  długość pa- C1
 śmieci , na przykład przydz
więku sieci
100n
sków możesz zmieniać w R3
40106
i zakłóceń radiowych, wyjście zwykłej
1k
szerokim zakresie zmieniajÄ…c
bramki nie zostanie jednoznacznie i natych-
3 4 11 10
wartości rezystorów R7...R9
miastowo przełączone z jednego stanu do
w zakresie 47k&!...1M&!.
drugiego, tylko mogą się pojawić i często
R4
Widok w ciemności jest 1k
pojawiajÄ… siÄ™ drgania.
+9V
R8
naprawdÄ™ fantastyczny i war-
Trzeba też pamiętać, że wzmacniacze
to wypróbować ten atrakcyj-
C2
o dużym wzmocnieniu często wykazują
ny efekt świetlny. Na foto-
R5
chęć do samowzbudzenia, czyli stają się ge-
40106 1k
grafii pokazany jest model
neratorami. Podobnie może być ze  zwy-
VDD
5 6 9 8
próbny na płytce stykowej.
14 13 12 11 10 9 8 kłą bramką  gdy na wejściu pojawi się na-
+
W ciemności diody będą
pięcie bliskie napięciu progowemu, to na-
R6
znakomicie widoczne nawet
1k wet przy braku jakichkolwiek przychodzÄ…-
R9
gdybyś znacznie zwiększył
cych z zewnątrz  śmieci , ze względu na
1 2 3 4 5 6 7
wartość rezystorów R1...R6. VSS
pasożytnicze pojemności montażowe, in-
C3
W ramach eksperymentów, dukcyjności i rezystancje ścieżek, na wyj-
przy napięciu zasilania ściu samorzutnie mogą pojawić się drgania
Fot. 4
Fot. 4
9V możesz zmniejszyć war- o wysokiej częstotliwości.
Lojalnie przyznaję, że takie szkodliwe
tość tych rezystorów i prze-
zjawiska nie zawsze dają o sobie znać. Zale-
konać się, przy jakiej ich
ży to między innymi od właściwości obwo-
wartości diody nie są całko-
dów zasilania, zwłaszcza obecności konden-
wicie wygaszane.
satorów odsprzęgających. Niestety, trzeba
Jeśli podoba Ci się nasza
brać pod uwagę najgorszy przypadek, że ta-
makatka, możesz zbudować
kie drgania zakłócą, a nawet uniemożliwią
wersjÄ™ Jumbo z dwunastoma,
pracę układu.
czy osiemnastoma różnokolo-
Dlatego, nie zważając na poglądy wielu
rowymi diodami sterowanymi
amatorów, nie dbających o takie  drobiazgi ,
przez kilka generatorów, nie-
nigdy nie podawaj przebiegów wolnozmien-
zależnych lub sprzężonych jak
nych na wejścia  zwykłych układów cyfro-
choćby na rysunkach 8a, 10,
wych. Aby pozbyć się wszelkich śmieci i za-
11. Możesz też wykorzystać
pobiec powstawaniu drgań w.cz., stosuj
diody dwukolorowe. W ra-
bramki z histerezÄ… z obwodem RC na wej-
mach ćwiczeń samodzielnie zaprojektuj niecznie użyj baterii alkalicznej, która
ściu. Typowe przykłady omawialiśmy w ćwi-
układ z bramkowanymi generatorami, co może być obciążona większym prądem.
czeniu 2. Zapamiętaj raz na zawsze, że bram-
da specyficzny wzór makatki. Diody LED Zbuduj też układ według rysunku 13a.
ki z wejściami Schmitta służą nie tylko do
powinny być ustawione jedna obok dru- Wprost do wyjścia generatora dołącz na
budowy prostych (i niezbyt doskonałych) ge-
giej, w jednej linii. W takim wypadku ko- razie tylko brzęczyk piezo. Jego terkot
neratorów, ale przede wszystkim pozwalają
świadczy, że generator z bramką
Rys. 13
 wyczyścić sygnały podawane do układu
Schmitta pracuje prawidłowo. Gdy zbyt
a)
z zewnÄ…trz.
membrana VDD
silnie obciążysz wyjście generatora,
PCA-100
Y1
n.14
+
przestanie on pracować. Jeśli na przy-
12V
narastania i opadania bramek układu CMOS 4011
kład do wyjścia generatora dołączysz
n.7 -
przy różnych wartościach napięcia zasilającego.
 na żywca diodę LED według rysun-
Związane jest to z wydajnością prądową wyjść
VSS
ku 13b, generator na pewno przestanie
(rezystancjami wyjściowymi). Na wyprawie A05
pracować. Jeśli w szereg z diodą włą- sprawdziliśmy, że rezystancja wyjściowa bramki,
b)
a tym samym maksymalny prąd wyjściowy zależą
czysz rezystor według rysunku 13c,
także od napięcia zasilającego. Wartość rezystancji
działanie układu będzie zależeć od war-
wyjściowej przy napięciach zasilających 3...5V
tości tego rezystora i od
wynosi kilkaset omów do nawet dwóch kiloomów.
VDD Rys. 14
wielkości napięcia zasila-
Przy napięciach zasilających 15...18V spada nawet
nia. Sprawdz
, przy jakich do 50 omów. Tym samym pojemności struktur
i pojemności montażowe są szybciej przeładowy-
c) wartościach rezystancji
wane, stąd wzrost szybkości. Nie będziemy wgłę-
RW Rx układ jeszcze pracuje.
biać się w szczegóły, na przykład w sprawy obcią-
Sprawdz
to przy różnych
Rx
żenia pojemnościowego wyjść. To, co jest najważ-
*
wartościach napięcia za- niejsze dla praktyka już wiesz, a na razie nie jest Ci
RL
potrzebna szersza wiedza dotyczący szybkości
silania. Czy częstotliwość
układów.
zależy od wartości Rx?
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 45
ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz ELEMENTarz
T E C H N I K A L I A
Ośla łączka A6 116
Możesz przeprowadzić takie testy przy śli to możliwe, stosuj bufory w postaci nia. Jak pokazuje rysunek 14, rezystan-
różnych napięciach zasilania. bramek lub inwerterów, jak robiliśmy to cja wyjściowa bramki Rw tworzy z ze-
Wnioski są oczywiste: nigdy nie dołą- w poprzednich układach. Oczywiście wnętrzną rezystancją obciążenia R
L
czaj znacznego obciążenia wprost do kluczowym czynnikiem jest tu wydaj- dzielnik napięcia, przez co napięcia na
wyjścia generatora. W ostateczności do- ność prądowa wyjścia, inaczej mówiąc - wyjściu nie są już  czystymi stanami
bierz wartość rezystora ograniczającego rezystancja wyjściowa bramki, która jak logicznymi. Pamiętaj o tym i nie obcią-
Rx, stosownie do napięcia zasilania. Je- wiesz, silnie zależy od napięcia zasila- żaj wyjść generatorów.
Turbodopalacz do budzika (dla śpiochów)
Ćwiczenie 6
Są osoby, które z różnych powodów ma- one kondensator C1 i rozpoczną cykl Fotografia 5 pokazuje model zmonto-
ją duże kłopoty z porannym wstawaniem pracy. Obwód opóz
niający R7C3 gwa- wany prowizorycznie na płytce stykowej.
z łóżka. Niektórzy po prostu nie słyszą rantuje między innymi, że krótki przy- Natomiast fotografia 6 pokazuje model
budzika. Dawniej, gdy królowały zegary padkowy sygnał dz
więkowy nie wywoła zbudowany na płytce drukowanej. Pro-
mechaniczne, niektórzy mieli głośne bu- reakcji urządzenia. Dopiero dłuższy sy- jekt płytki znajdziesz na rysunku 16 oraz
dziki z dwiema metalowymi czaszami gnał z budzika poda na generator U2 za- na wkładce w środku numeru. Układ ten
i dodatkowo dla zwiększenia głośności silanie przez tranzystor T3 i membrana został też bliżej opisany w artykule na
stawiali je na noc na talerzu lub misce. stanie siÄ™ z
ródłem bardzo głośnego stronie 54 niniejszego wydania EdW.
Gorzej z budzikami kwarcowymi. Sy- dz
więku na czas wyznaczony przez
gnały elektronicznych brzęczyków we R8C4. Piotr Górecki
współczesnych budzikach niewątpliwie Co bardzo ważne, układ w spoczynku Ciąg dalszy w kolejnym numerze EdW.
do najgÅ‚oÅ›niejszych nie należą. prawie nie pobiera prÄ…du (poniżej 2µA
Fot. 6
Fot. 6
Jeśli Ty, lub ktoś z bliskich ma kłopo- przy 9V zasilania), nie wymaga więc
ty z usłyszeniem budzika, spróbuj wyko- żadnego wyłącznika i cały czas jest go-
nać rewelacyjny układ  turbodopalacza towy do pracy. Po umieszczeniu go wraz
według rysunku 15. Nawet jeżeli nie z 9-woltową baterią w jakiejś obudowie
masz kłopotów z budzeniem się, wyko- jak najbardziej nadaje się do praktyczne-
naj ten interesujący układ. Znajdzie on go wykorzystania. Tak wykonany turbo-
inne ciekawe zastosowania. Zauważ, że dopalacz powinien być umieszczony jak
taki turbodopalacz nie wymaga żadnej najbliżej budzika. Przetwornik Y1 nie
ingerencji we wnętrze budzika. Zasada powinien być oddalony więcej niż o 5cm
działania jest w sumie łatwe do zrozu- od budzika.
mienia. Układ scalony U1 jest zasilany
P
przez cały czas, natomiast U2 pracuje
R1 C3 C4 P1
R4
10M 330k...470k 10u 100u
tylko wtedy, gdy przewodzi tranzystor
U1A
C2
U1B U1C
T2
T3. Membrana piezo Y1 (PCA-100) w 14 10...100u
R2 1M
R7 1M R9
2 3 4 5 6 O
T1 T3
spoczynku pełni rolę mikrofonu. Tran-
1
10k
7
czas czas
D1
zystor T1 jest polaryzowany przez ob- X
opóz
nienia alarmu
LED G
R8
R5
wód D1, R1 i przewodzi, ale ze względu 1M
C7
R3 1M
U1 40106
100n
C8 C1 R6 Y
na ogromne wartości rezystorów R1, R5 10k...22k 4,7M
100n 470n
pobór prądu jest znikomy, rzędu 1,7...1,8
U1F
B
U2 4049
4 5 13 12
mikroampera. Spadek napięcia na R4 jest U2F 1
U2E
D2
U2A
11
15 14 12
6 7 2 3
mały i T2 nie przewodzi. Duża rezystan-
Y1 U1E
U2B
11 10
PCA100
1N4148 R13 R14
cja wejściowa T1 i duża wartość R2 za- R11
U2C 8
R12
U2D 470k
A 100k 100k
100k
pewniają potrzebną czułość. Gdy pojawi
10 9 C6 U1D
9 8
470n
C5 1n
siÄ™ dz
więk o odpowiedniej głośności,
R10
przetwornik Y1 zamieni go na zmienny 10k...22k
sygnał elektryczny (w przybliżeniu sinu-
Rys. 15
soidalny). Szczyty tego przebiegu
zmiennego będą na króciutki czas otwie-
rać tranzystor T1, a także T2. Naładują
Rys. 16
Fot. 5
Fot. 5
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
46 Czerwiec 2002
+