Strona 1 Na warsztacie PRAKTYCZNY SZKOŁA KURS cz. 22 ELEKTRONIKI Poziom tekstu: średnio trudny Oto dwudziesta druga część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i bę- dziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się umożliwić Czytelnikom dołączenie do niego w dowolnym momencie. Wszystkie poprzednie części są dla wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub sobie je wydrukować. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi Czytelnicy mogli zapo- znać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY! Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się niepowtarzalna Zestaw EdW09 zawiera następujące okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcznika elementy (specyfikacja rodzajowa): „Elektronika dla Wszystkich” publikujemy w „Młodym Techniku” cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początku- 1. Diody prostownicze 4 szt. jących. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcen- 2. Układy scalone 4 szt. tem na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektu 3. Tranzystory 8 szt. i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt to konkretny układ elektroniczny samodzielnie montowany i urucha- 4. Fotorezystor 1 szt. miany przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie, 5. Przekaźnik 1 szt. ale jak ja mam montować układy, nie mając lutownicy 6. Kondensatory 22 szt. ani żadnych części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie! Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie 7. Mikrofon 1 szt. układy będą montowane na płytce stykowej, do której 8. Diody LED 11 szt. wkłada się „nóżki” elementów na wcisk. 9. Przewód 1m I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przy- 10. Mikroswitch 2 szt. gotowało zestaw EdW09, zawierający płytkę stykową i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania 11. Piezo z generatorem 1 szt. kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw 12. Rezystory 64 szt. EdW09 można kupić w sklepie internetowym 13. Srebrzanka 1 odcinek www.sklep.avt.pl lub w sklepie firmowym AVT (Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł. 14. Zatrzask do baterii 9V 1 szt. Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zestaw 15. Płytka stykowa prototypowa za darmo, jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz 840 pól stykowych 1 szt. wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres: [email protected] dwa zdania: Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto „Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny (www.sklep.avt.pl) zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................” Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 28 listopada 2014 r., to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie grudnia Uwaga Szkoły 2014 r., wraz ze styczniowym numerem MT. Tylko dla szkół prenumerujących Uwaga uczniowie! „Młodego Technika” Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne przygotowano Pakiety Szkolne PS EdW09, zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy zawierające z nich zawiera komplet elementów z płytką stykową), skalkulowane na zasadach non profit w promocyjnej 10 zestawów EdW09 cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra- (PS EdW09) w promocyjnej batem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09, cenie 280 zł brutto, którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły tj. z rabatem 40%. ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom Górecki, redaktor naczelny kultowego w świecie informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo- hobbystów – elektroników miesięcznika „Elektronika cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09 dla Wszystkich”, autor legendarnych cykli artykułów do ćwiczeń praktycznych. i książek uczących elektroniki od podstaw. 98 m.technik - www.mt.com.pl Strona 2 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI Projekt 22 Elektroniczna świeczka Fotografia tytułowa pokazuje dwa modele elektronicznej świeczki. W obu pracuje żółta dioda LED, która naśladuje płomień klasycznej świeczki: w nieregularnym rytmie przygasa i rozświetla się. Schematy dwóch wersji elektronicznej świeczki pokazane są na rysunku A oraz rysunku B. Pierwsza, prostsza, przeznaczona jest do zasilania napięciem 7...15 V, druga może też prawidłowo pracować przy znacznie niższych napięciach, zależnie od wartości rezystora R10. W Elportalu (www.elportal.pl/pke) dostępny jest filmik, pokazujący pracę obu wersji przy na- pięciu zasilania 9 V (w układzie z rysunku B zwiększona jest wartość R10 do 220 Ω). Udowadniają one, że za pomocą garstki elementów można zrealizować układ elektroniczny dający efekt podobny do płomienia prawdziwej świecy. U1A C1 1 3 A R5 10k VDD +7_15V Opis układu dla + 2 + „zaawansowanych” UZAS C5 W wersji prostszej z rysunku A i z lewej strony foto- R1 470k 100nF _ 10µF RC=4,7s VSS grafii tytułowej dioda LED1 sterowana jest bezpo- 5 U1B R6 10k średnio sumą sygnałów prostokątnych z punktów A, C2 4 B B, C, D. Te sygnały prostokątne są wytwarzane przez 6 + VDD cztery niezależne generatory na czterech bramkach 10µF R2 220k E kostki U1. Kondensatory C3, C4 zostały dołączone RC=2,2s 4093 R9 do plusa zasilania tylko po to, by uprościć montaż VDD 8 U1C 4,7k C3 10 C R7 10k modelu. Równie dobrze mogłyby być dołączone 9 do masy. R3 1M R10 Wprawdzie nominalne stałe czasowe R2C2 oraz 1µF 1k RC=1s R4C4 są jednakowe – 2,2 sekundy, jednak z uwagi VDD 12 U1D na rozrzut (tolerancję) elementów najprawdopo- + R8 10k C4 11 D LED1 dobniej także te dwa generatory nie będą ze sobą 13 C6 zsynchronizowane. R4 2,2M 100µF 1µF Wszystkie generatory pracują z małymi częstotli- A RC=2,2s wościami, rzędu 1 Hz i mniej. Jednak z uwagi na to, 99 Strona 3 Na warsztacie R1 100k V DD VDD V DD że nie są one zsynchronizowane, w wypadko- R7 SZKOŁA wym przebiegu zmiany mogą występować i wy- C1 U1F 22k U1A R4 stępują dużo częściej niż co sekundę. Rysunek 1 2 12 C pokazuje przebieg w punkcie E (skala czasu + 13 22k R9 wynosi 1 s/działkę), gdy odłączone są rezystor 10µF 4,7k R2 220k R9 i dioda LED1. Rezystor R9 powoduje, że dioda rzadziej C2 U1B U1E zmniejsza swoją jasność do zera, co bardziej re- 3 4 10 R5 LED1 + alistycznie symuluje płomień świecy. W wersji 11 22k podstawowej, bez elementów C6, R10, dioda 10µF R3 470k T2 LED1 zasilana jest przebiegiem „schodkowym”. C5 Można dodać kondensator C6 o pojemności C3 U1C U1D 100µF Poziom tekstu: średnio trudny 5 6 8 R6 A 100 mF i rezystor R10 = 1 kΩ, co „złagodzi + T1 9 schodki”. Na rysunku D pokazane są w powięk- 22k 10µF 40106 + R10 szeniu (10 mV/dz) przebiegi na diodzie LED bez R8 47Ω C6 i R10 oraz z C6 = 100 mF, R10 = 1 kΩ. 1k B T1 = BC558 T2 = BC548 W układzie tym możesz śmiało zmieniać war- tości elementów C1...C4 i rezystorów R1...R4. Zachęcam do eksperymentów i zmiany. Najlepszą symulację świeczki uzyskuje się wtedy, gdy stałe czasowe RC generatorów wynoszą 1...5 sekund, ale Ty z powodzeniem możesz wypróbować inne wartości. W układzie z rysunku A możesz też zmieniać wartości rezystorów R5...R8 w zakresie 2,2 kΩ … 22 kΩ, przy czym nie muszą być one równe. Gdybyś chciał praktycznie wykorzystać taką elektroniczną świeczkę i gdyby miała ona świecić jak najdłużej, należałoby ją zasilać nie z baterii 9 V, tylko z trzech ogniw AA (R6), czyli napięciem około C 4,5 V albo z trzech akumulatorków NiMH napię- D ciem 3,6 V lub z jednego akumulatora litowego (3,7 V). Przy takich niskich napięciach zasilania wydajność prądowa wyjść układów CMOS jest mała i trudno z nich wysterować bezpośrednio diody LED. Problem w tym, że przy niskim napięciu zasilania trzeba zmniejszać wartość szeregowych rezystorów, tymczasem przy niskim napięciu zasila- nia rośnie rezystancja wyjściowa bramek. Pojawia się ryzyko, że nadmiernie obciążona bramka przestanie pracować jako generator. Aby po- zbyć się problemu i zmniejszyć straty w rezystorach „sumujących”, zrealizowaliśmy według rysunku B drugą wersję świeczki, która będzie prawidłowo E 100 m.technik - www.mt.com.pl Strona 4 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI pracować także przy niskich napięciach zasilania. Tutaj podobnie sumujemy sygnały z wyjść gene- ratorów za pomocą rezystorów R4, R5, R6. Rezystor R7 zapobiega całkowitemu wygaszaniu diody LED. Z kolei rezystor R8 o niewielkiej wartości 1 kΩ powoduje, że w punkcie A przebieg zmienny ma niewielką wartość. Rysunek E pokazuje przebieg w punkcie A przy zasilaniu układu napięciem 4,0 V. Napięcie z rezystora R8 doprowadzone jest do bazy T1, czyli do wejścia sterowanego źródła prądowego z tranzystorami T1, T2. Mój model, pokazany z prawej strony fotografii tytułowej, za- czynał pracę (lekkie świecenie diody LED1) już przy napięciu zasilania 2,1 V. Poznajemy elementy i układy elektroniczne W poprzednim wykładzie poznaliśmy przerzutniki synchroniczne D, T oraz JK. Przerzutniki te po- zwalają realizować kolejne nad wyraz pożyteczne układy. Rejestry Przerzutnik D jest bodaj najprostszą pamię- a) PIPO QA wyjścia równoległe QB QN cią: aktywne zbocze powoduje zapamiętanie w przerzutniku stanu wejścia D. Łącząc kilka D Q D Q D Q przerzutników D, by miały wspólny syg- nał zegarowy, można uzyskać tzw. rejestry. CL Q CL Q CL Q CL Rysunek 1a pokazuje rejestr „równoległy” (zwany PIPO – Parallel Input Parallel Output), A B N wejścia równoległe który zapamiętuje na wyjściach stany wejść, b) SISO QA występujące tam w chwili wystąpienia aktyw- A D Q D Q D Q D Q nego zbocza impulsu zegarowego. Jest to swego wejście wyjście szere- szere- rodzaju bufor pamiętający. W praktyce najpo- gowe CL Q CL Q CL Q CL Q gowe pularniejsze okazują się rejestry z ośmioma CL przerzutnikami, czyli tzw. ośmiobitowe. Rysunek 1b pokazuje rejestr szeregowy (zwa- wyjścia równoległe c) SIPO QA QB QC QN ny SISO – Serial Input Serial Output) z jednym A wejściem i jednym wyjściem. Na pierwszy rzut D Q D Q D Q D Q wejście oka mogłoby wyglądać, że zawartość wejścia szere- gowe A natychmiast „przeleci” przez cały rejestr. Tak CL Q CL Q CL Q CL Q CL byłoby z omawianymi wcześniej przerzutni- 1 kami D-latch, które są „przezroczyste”, gdy na wejściu zegarowym jest poziom a) PISO wejścia równoległe aktywny (wysoki). Natomiast „prawdzi- A B C N wy” przerzutnik D jest wyzwalany zbo- Load czem i stan jego wyjść może zmienić się tylko pod wpływem i tylko w chwili Q występowania aktywnego zbocza, a po- D S Q D S Q D S Q D S Q nadto w układach logicznych między wyjście wejściem a wyjściem zawsze występują CL Q CL Q CL Q CL Q Reset R R R R niewielkie opóźnienia (rzędu nano- sekund). I właśnie te opóźnienia oraz CL fakt, że przerzutnik D reaguje tylko na zbocze, powodują, że w rejestrze b) PISO wejścia równoległe SISO zawartość wejścia nie „przele- A B C N ci” przez całą długość rejestru. Każde Ctrl aktywne zbocze sygnału zegarowego H- niejako przesuwa zawartość rejestru Shift L- „w prawo” tylko o jeden stopień, przy Load czym do pierwszego przerzutnika wpisywana jest zawartość wejścia A, a zawartość ostatniego przerzutnika jest tracona. Q Przykład takiego rejestru szeregowe- D Q D Q D Q D Q go podkreśla też konieczność stoso- wyjście szere- wania sygnału zegarowego o ostrych CL Q CL Q CL Q CL Q gowe CL zboczach. W realnych układach 2 występują pewne rozrzuty parametrów 101 Strona 5 Na warsztacie system szeregowej transmisji danych poszczególnych przerzutni- sygnał zegarowy odebrane dane SZKOŁA ków, między innymi progów QA QB QC QA QB QN QG QH przełączania. Gdyby więc CL PISO dane wspólny sygnał zegarowy CL A SIPO miał łagodne zbocza, reakcje CL poszczególnych przerzutni- masa A B C D E F G H ków mogłyby nastąpić nie dane do przesłania w jednej chwili, tylko z pew- 3 nym opóźnieniem, co spowo- dowałoby błędną, nieprzewidywalną pracę rejestru. Dlatego w katalogach podany jest maksymalny czas narastania aktywnego zbocza sygnału zegarowego. Omawiany rejestr SISO jest rodzajem pamięci szeregowej i cyfrowym układem opóźniającym. Poziom tekstu: średnio trudny Wersja z rysunku 1c to prosty rejestr zwany SIPO z pojedynczym wejściem i wieloma wyjściami. Pozwala on w takt zegara zapamiętywać stan wejścia A, przy czym wcześniejsze stany są przesuwa- ne w prawo i pojawiają się na kolejnych wyjściach. Idąc krok dalej, moglibyśmy analogicznie narysować schemat rejestru PISO z równoległymi wejściami i pojedynczym wyjściem. Tylko taki rejestr byłby mało użyteczny. Aby był użyteczny, powinien to być rodzaj rejestru szeregowego, do którego wstępnie jednorazowo można byłoby wpisać stan wejść równoległych, a w takt zegara przesunąć zawartość w prawo do wyjścia. Takie wstępne wpisywanie można zrealizować na różne sposoby. Można byłoby wykorzystać rejestr SISO i wstępnie wpisywać zawartość wejść równoległych asynchronicznie, czyli niezależnie od sygnału zegarowego, wykorzystując asynchroniczne wejścia Set i Reset, jakie istnieją w wielu przerzutni- kach. Prosty przykład masz na rysunku 2a. Krótki impuls na wejściu Load powoduje załadowanie do (wcześniej wyzerowanych) przerzutników stanów z równoległych wejść A, B, C,... Następnie impulsy zegarowe CL powodują przesuwanie zawartości w prawo i na wyjściu Q kolejno pojawiają się stany wejść. Ładowanie zawartości wejść może się też odbywać synchronicznie. Rysunek 2b pokazuje przy- kład takiego rozwiązania. Gdy na wejściu Ctrl panuje stan niski, wtedy każde aktywne zbocze sygnału zegarowego synchronicznie wpisuje stany wejść A, B, C,... do przerzutników. Gdy na wej- ściu Ctrl panuje stan wysoki, każdy impuls zegarowy powoduje przesunięcie zawartości rejestru w prawo, do wyjścia (a do pierwszego przerzutnika wpisywany jest stan wejścia A, co nie ma istotnego znaczenia). Rejestry PISO i SIPO często współpracują ze sobą przy tzw. szeregowym przesyłaniu danych. Mocno uproszczony rysunek 3 pokazuje ideę systemu transmisji szeregowej, gdzie za pomocą trzech przewodów można przesyłać dane w takt impulsów zegarowych. Na rysunku 3 pokazana jest tylko podstawowa idea. Szeregowe przesyłanie danych jest ogromnie popularne (tak pracują popu- larne łącza szeregowe, jak USB, RS-232 i inne), zaś w praktyce wykorzystuje się dodatkowo różne sprytne pomysły, a obwody nadawczo-odbiorcze są znacznie bardziej rozbudowane. wejścia równoległe 19 A 18 B 17 C 14 D 13 Mode S0 Control 20 Inputs S1 1 10 SR SL SER SER ‘194 1S 1S 1S 1S C1 C1 C1 C1 1R 1R 1R 1R R R R R 11 CLK 12 CLR QA 2 QB 3 QC 8 QD 9 wyjścia równoległe 4 102 m.technik - www.mt.com.pl Strona 6 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI SN54ALS299, SN74ALS299 Przerzutniki tworzące S0 rejestry (które nie muszą shift left być typu D-flipflop) moż- S1 serial input na wzbogacić w obwody SR SL pomocnicze, pozwalające shift right serial input Sześć zerować i ustawiać stan identy- przerzutników. Przez cznych dodanie do każdego prze- bloków rzutnika kilku bramek CLK i wejścia sterującego 1D 1D kierunkiem, można zrea- C1 C1 lizować rejestry, przesu- R R wające zawartość w obie QH’ QA’ strony. Niektóre rejestry CLR mają dodatkowe bufory w postaci przerzutników OE1 D-latch, niektóre mają OE2 A /QA H /QH wyjścia trójstanowe (tri- 5 state outputs) i dodatko- we wejście sterujące OE (Output Enable). Rysunek 4 pokazuje schemat wewnętrzny 4-bitowego dwukierunkowego rejestru uniwersalnego, odpowiednika kostki 74194 (40194), a rysunek 5 – uniwersalnego 8-bitowego reje- stru 74LS299. Zasadniczo wszystkie rejestry są swego rodzaju pamięciami. Warto wspomnieć, że mając zestaw rejestrów dwukierunkowych, można zbudować tzw. stos, który jest specyficznym rodzajem nie- wielkiej pamięci, stosowanym w mikroprocesorach. Trzeba jednak wiedzieć, że pamięci o większej pojemności, powszechnie stosowane w technice komputerowej, trudno byłoby nazwać rejestrami. Pamięci komputerowe realizowane są inaczej. To odrębne zagadnienie, do którego jeszcze wrócimy w ostatnim wykładzie. A teraz pora na... A B C N Dzielniki i liczniki Na bazie rejestru SIPO można byłoby zreali- S zować licznik pierścieniowy (ring counter). D Q D Q D Q D Q Wystarczy połączyć wyjście z wejściem według rysunku 6, a potem jeden z przerzut- CL Q CL Q CL Q CL Q ników ustawić w stan 1, wszystkie pozostałe CL R R R wyzerować, a następnie podać taktujący sygnał zegarowy, który spowoduje, że w ta- 6 CLR (RST) kim pierścieniu będzie krążyć jedynka. Uzyskujemy wtedy CP1 4017 13 5-stopniowy licznik Johnsona licznik z wyjściem zwanym CP0 14 Q5-9 1 z N. Częstotliwość sygnału MR dekoder i stopnie wyjściowe 12 15 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 na (dowolnym) wyjściu będzie 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 N razy mniejsza od częstotli- wości sygnału wejściowego. 4017 X Y Takie rozwiązania są wy- korzystane bardzo rzadko. CP1 Pożyteczniejsza jest wersja D Q D Q D Q D Q D Q 1 2 3 4 5 licznika pierścieniowego zwa- CP0 CP Q CP Q CP Q CP Q CP Q na licznikiem Johnsona (czyt. MR RD RD RD RD RD dżonsona), gdzie na wejście podawany jest zanegowany sygnał z wyjścia. W zestawie EdW09 masz licznik 4017, który ma taką budowę – rysu- nek 7. Dodatkowe bramki X, Y przywracają prawidłową pracę po ewentualnym błędnym 7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q5-9 ustawieniu przerzutników. 103 Strona 7 Na warsztacie Oprócz samego licznika Johnsona, układ ten a) stan L 13 SZKOŁA CP1 ma też dekodujące obwody wyjściowe typu 1 wejście 14 CP0 4017 Q5-9 12 z 10, gdzie tylko na jednym z wyjść wystę- 15 MR Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 puje stan wysoki. Kolejne impulsy zegarowe 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 powodują przesuwanie się stanu wysokiego na kolejne wyjścia. Kostka ma obwód resetu, asynchronicznego zerowania (MR) oraz b) 13 CP1 dwa wejścia, z których jedno jest wejściem 12 wejście 14 CP0 4017 Q5-9 bramującym, a drugie zliczającym. Stan 15 MR Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 licznika zmieniają dodatnie, rosnące zbocza 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 na wejściu CP0, oznaczanym też CL (przy jednostki (0...9) CP1\ = L) i ujemne, opadające zbocza na „za- Poziom tekstu: średnio trudny 13 CP1 negowanym” wejściu CP1\ (przy CP0 = H). 14 4017 Q5-9 12 CP0 Na wejściu CP0 (nóżka 14) kostek praktycz- 15 MR Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 nie wszystkich producentów umieszczone 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 są obwody z histerezą (wejście Schmitta), dziesiątki (00...90) dzięki czemu może ono pracować prawid- 13 CP1 łowo także z sygnałami o małej stromości 12 14 CP0 4017 Q5-9 zboczy. Bardzo łatwe jest skracanie cyklu 15 MR zliczania: wystarczy połączyć jedno z wyjść Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 Q2...Q9 z wejściem zerującym setki (000...900) 8 MR. Przykład na rysunku 8a pokazuje zliczanie do pięciu, a) przerzutnik T (toggle) f/ przerzutnik D przerzutnik JK a ściślej od zera do czterech. 2 f/2 stan H f/2 Gdy stan wysoki pojawi się f Q f D Q f J Q CL CL CL na wyjściu Q5 i na wejściu Q Q K Q MR, nastąpi błyskawiczne ze- rowanie i zliczanie zacznie się od zera. Licznik 4017 ma też b) Q f/2 Q f/4 Q f/8 Q f/16 dodatkowe wyjście (nóżka 12) f CL CL CL CL przydatne przy kaskadowym Q Q Q Q łączeniu kilku liczników cztery przerzutniki T (toggle) 9 w celu zwiększenia pojemno- zawartość licznika - dwójkowo ści – rysunek 8b. Licznik 4017 wygląda na dość skomplikowany. 3 0 0 1 1 19 2 0 0 1 0 Najprostszym przykładem licznika jest przerzutnik 18 toggle, czyli dwójka licząca, która dzieli częstotliwość 1 0 0 0 1 17 0 0 0 0 0 sygnału zegarowego przez dwa – rysunek 9a. Możemy 16 15 1 1 1 1 według rysunku 9b połączyć „w szereg” kilka przerzut- 15 14 1 1 1 0 ników T, żeby każdy dzielił przez dwa częstotliwość 14 zawartość licznika dziesiętnie 13 1 1 0 1 sygnału z poprzedniego dzielnika. 13 12 1 1 0 0 I nie jest to tylko dzielnik... Otóż wiemy już, że prze- 12 11 1 0 1 1 rzutnik może mieć aktywne zbocze dodatnie (rosnące) 11 10 1 0 1 0 albo ujemne (opadające). Rysunek 10 pokazuje układ 10 9 1 0 0 1 z czterema przerzutnikami T ze zboczem aktywnym zliczane impulsy - czas 9 8 1 0 0 0 ujemnym (co sygnalizuje kółeczko na wejściu CL), gdzie 8 7 0 1 1 1 stan wyjść zmienia się podczas ujemnego, opadające- 7 6 0 1 1 0 go zbocza sygnału zegarowego (co pokazują czerwone 6 5 0 1 0 1 strzałki) oraz stany wejścia i wyjść. Celowo narysowałem 5 4 0 1 0 0 wejście z prawej strony. Zwróć uwagę na zera i jedynki 4 3 0 0 1 1 pojawiające się na wyjściach D, C, B, A. Kto choć trochę 3 2 0 0 1 0 miał do czynienia z kodem dwójkowym czyli binarnym, 2 1 0 0 0 1 zauważy, że w takim liczniku pojawiają się... kolejne licz- 1 0 0 0 0 0 by dwójkowe. Układ zlicza impulsy, podawane na wej- D Q3 C Q2 B Q1 A Q0 ście, a wynik podaje w kodzie dwójkowym. Q Q Q Q System binarny też jest systemem pozycyjnym o za- CL CL CL CL sadach identycznych jak system dziesiętny. W systemie Q Q Q Q wejście dziesiętnym mamy dziesięć cyfr (0...9), a o wartości cyfry cztery przerzutniki T (toggle) decyduje jej pozycja. W systemie dziesiętnym mamy z aktywnym zboczem ujemnym - opadającym - 104 m.technik - www.mt.com.pl Strona 8 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI liczby zapisane w systemie dwójkowym jednostki, dziesiątki, setki, tysiące, dziesiątki tysięcy, 2 1 = 1 0 1 0 1 = 1 5 i tak dalej, czyli kolejne potęgi liczby 10. Analogicznie 2 0 = 1 0 1 0 0 = 1 4 jest w systemie dwójkowym: zgodnie z nazwą, mamy liczby zapisane w systemie szesnastkowym (heksadecymalnym) 1 9 = 1 0 0 1 1 = 1 3 tylko dwie cyfry: 0 i 1, którym w układach elektronicz- 1 8 = 1 0 0 1 0 = 1 2 nych odpowiadają stany L, H, czyli brak oraz obecność 1 7 = 1 0 0 0 1 = 1 1 napięcia. Tu też wartość danej cyfry zależy od jej pozycji: 1 6 = 1 0 0 0 0 = 1 0 mamy jednostki, dwójki, czwórki, ósemki, szesnastki, 1 5 = 0 1 1 1 1 = 0 F czyli kolejne potęgi liczby 2. Ilustruje to rysunek 11. liczby zapisane w systemie dziesiętnym 1 4 = 0 1 1 1 0 = 0 E Licznik zawierający jeden przerzutnik toggle jest 1 3 0 1 1 0 1 licznikiem dwójkowym jednobitowym i ma dwa (21) = = 0 D możliwe stany 0, 1. Licznik dwubitowy zawiera dwa 1 2 = 0 1 1 0 0 = 0 C przerzutniki T, ma cztery (22) stany i zlicza w zakresie 1 1 = 0 1 0 1 1 = 0 B 0...3 (dwójkowo 00...11), licznik czterobitowy ma szesna- 1 0 = 0 1 0 1 0 = 0 A ście (24) stanów 0....15 (dwójkowo 0000...1111), a licznik 0 9 = 0 1 0 0 1 = 0 9 8-bitowy – 256 stanów (28). W technice cyfrowej bardzo 0 8 = 0 1 0 0 0 = 0 8 popularne są systemy ośmiobitowe, i to nie tylko liczniki, 0 7 = 0 0 1 1 1 = 0 7 ale też rejestry i inne układy oraz tzw. szyny danych 0 6 = 0 0 1 1 0 = 0 6 (zawierające osiem linii – przewodów/ścieżek). Liczbę 0 5 = 0 0 1 0 1 = 0 5 ośmiobitową powszechnie nazywa się bajtem. W technice 0 4 = 0 0 1 0 0 = 0 4 komputerowej często wykorzystuje się też system szes- nastkowy (heksadecymalny), gdzie mamy szesnaście cyfr: 0 3 = 0 0 0 1 1 = 0 3 oprócz 0...9 mamy dodatkowo cyfry, A=10, B=11, C=12, 0 2 = 0 0 0 1 0 = 0 2 D=13, E=14 i F=15. 0 1 = 0 0 0 0 1 = 0 1 Jeżeli chodzi o oznaczenia wejść i wyjść liczników, 0 0 = 0 0 0 0 0 = 0 0 to oznacza się je różnie: albo literami A, B, C, D..., co nie szesnastki dziesiątki ma żadnego związku z systemem szesnastkowym, albo jedności jedności szesnastki czwórki ósemki dwójki jedności z wykorzystaniem indeksów liczbowych, zaczynających się zazwyczaj od zera, a nie od jedności: Q0, Q1, Q2, 10 1 16 8 4 2 1 Q3... Indeksy te są równe potęgom liczby dwa w systemie 101 100 24 23 22 21 20 16 1 dwójkowym – porównaj rysunki 10 i 11. Podobnie bywa Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 161 160 w rejestrach oraz w innych układach i systemach wielo- ! 11 CLR 4040 12-bitowy licznik dwójkowy (0...4095) R R R R R R R R R R R R 10 T T T T T T T T T T T T CLK QA 9 QB 7 QC 6 QD 5 QE 3 QF 2 QG 4 QH 13 QI 12 QJ 14 QK 15 QL 1 @ przerzutniki T z aktywnym zboczem ujemnym A Q0 B Q1 C Q2 D Q3 E Q4 F Q5 a) Q Q Q Q Q Q bitowych – często numeracja oznaczeń CL CL CL CL CL CL wejście Q Q Q Q Q Q wejść i wyjść zaczyna licznik liczący w górę się od zera, wskazując na kolejne potęgi licz- A Q0 B Q1 C Q2 D Q3 E Q4 F Q5 by dwa, co ma ścisły b) Q Q Q Q Q Q związek z kodem CL CL CL CL CL CL wejście Q Q Q Q Q Q dwójkowym. Ale nie licznik liczący w dół zdziw się, jeśli napot- kasz też numerację c) A Q0 B Q1 C Q2 D Q3 zaczynającą się od je- Q Q Q Q dynki, a nie od zera. CL CL CL CL A wracając do licz- wejście Q Q Q Q ników: rysunek 12 pokazuje schemat we- kierunek # prosty licznik dwukierunkowy wnętrzny 12-bitowego 105 Strona 9 Na warsztacie A Q0 B Q1 C Q2 D Q3 licznika CMOS4040. Na wyjściach (QL...QA) licznik liczący do 10 (0....9) SZKOŁA pojawiają się liczby dwójkowe w zakresie 8 Q Q Q Q 0…4095 (dwójkowo 0…111111111111). CL CL CL CL Omawiane liczniki zliczają od zera w górę. wejście R Q R Q R Q R Q Natomiast licznik z rysunku 9b z przerzutnika- a) mi T z aktywnym zboczem dodatnim rosnącym A Q0 B Q1 C Q2 D Q3 zlicza... w dół, od maksymalnej pojemności licznik liczący do 12 (0....11) 4 licznika do zera. Kierunek zliczania w liczniku 8 Q Q Q Q z rysunku 10 można łatwo zmienić, podając CL CL CL CL wejście na wejścia zegarowe sygnał z wyjść zanego- R Q R Q R Q R Q wanych (Q\), jak pokazuje rysunek 13a i 13b. b) Można też zbudować liczniki dwukierunkowe Poziom tekstu: średnio trudny A Q0 B Q1 C Q2 D Q3 licznik liczący – prosty przykład masz na rysunku 13c. do 13 (0....12) 1 4 Takie liczniki zliczają w naturalnym kodzie 8 Q Q Q Q dwójkowym, a ich pojemność jest potęgą liczby CL CL CL CL wejście dwa. Można w prosty sposób uzyskać liczniki R Q R Q R Q R Q dwójkowe o krótszym cyklu, zerując wszyst- c) $ kie przerzutniki licznika, gdy dojdzie on do okre- 4518 ślonej liczby. Wystarczy synchroniczny licznik dziesiętny do tego jedna bramka. Rysunek 14 pokazuje przykłady skracania cyklu. Na rysunku 14a mamy licznik binarny zliczający w górę do dziesięciu (0...9), X Y nazywany licznikiem BCD % (Binary Coded Decimal). Gdy w liczniku pojawi się liczba 10 (dwójkowo 1010), bramka AND błyskawicznie wyzeruje przerzutniki i liczenie zacznie się od zera. Liczniki takie (a także licznik 4017) możemy łączyć kaskadowo, czyli „szeregowo”, by zliczać jednostki, dziesiątki, setki... Liczniki można realizować na mnóstwo sposobów, a nie tylko w oparciu o proste przerzutniki T, gdzie sygnałem zegarowym dla następnego przerzutnika jest sygnał z wyjścia przerzutnika po- przedniego. Można zrealizować liczniki z wykorzystaniem (wielowejściowych) przerzutników JK i podawać sygnał zegarowy na wejścia wszystkich przerzutników licznika. Uzyskamy wtedy tzw. liczniki synchroniczne. BINARY/ DECADE 4 J1 12 J2 13 J3 3 J4 9 PRESET ENABLE 1 CARRY IN PE J PE J PE J PE J 5 TE1 Q1 TE2 Q2 TE3 Q3 TE4 Q4 7 F/F1 F/F2 F/F3 F/F4 CARRY CLOCK Q1 Q2 Q3 Q4 OUT ENABLE CL CL CL CL UP/DOWN 10 CL CLOCK 15 4029 6 Q1 11 Q2 14 Q3 2 Q4 CONTROL LOGIC TRUTH FUNCTION INPUT LEVEL ACTION CLOCK TE PE J Q Q TABLE TABLE 1 Binary Count (B/D) 0 Decade Count 0 1 X 1 Up Count (U/D) 0 Down Count 1 1 X Q Q NC 1 Jam In (PE) 0 No Jam X 1 X Q Q NC CARRY IN (CI) 1 No Counter Advance X = Don’t Care (CLOCK ENABLE) 0 Advance Counter ^ 106 m.technik - www.mt.com.pl Strona 10 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI 4093 VDD VDD VDD VDD VDD U1D 13 R8 10Ω Ale po co komplikować proste i eleganckie liczniki 11 12 100k 10Ω asynchroniczne? R12 R4 10k C4 Y 4,7k Otóż sensowna komplikacja okazuje się korzystna, bo- 10nF R10 22k wiem daje możliwość optymalizacji pod różnymi wzglę- VDD R9 U1C 8 + 22k dami, głównie minimalizacji opóźnień. To kolejne bardzo 10 9 LED1 obszerne zagadnienie – możesz w pierwszym uproszczeniu R1 22k C1 X T2 T4 przyjąć, że liczniki synchroniczne mogą być znacząco R5 T1 Z 100µF 470k T3 szybsze od asynchronicznych i mają mniej wad. U1A 1 Rysunek 15 pokazuje schemat wewnętrzny licznika R11 3 2 R6 470k 10k R13 synchronicznego z kostki 4518, gdzie bramki X, Y skracają 47Ω cykl liczenia (0...9). + R2 69k T1, T2, T3 = BC558 C2 10µF T4 = BC548 Można też dodać obwody, dzięki którym licznik będzie U1B 5 mógł zliczać w dół, także na przykład od 9 do zera. Istnieją VDD 4 6 R7 470k + też różne liczniki dwukierunkowe – mają albo dodatkowe C6 _ wejście, które określa kierunek zliczania, albo dwa wej- + R3 47k C3 100nF ścia: „dodające” i „odejmujące”. Niektóre mają możli- & 10µF wość wstępnego wpisywania do licznika (Preset) liczby i zliczania od tej wpisanej liczby (w górę lub w dół). Rysunek 16 pokazuje budowę popularnego licznika 4029, który jest czterobitowym licznikiem dwukierun- kowym, do wyboru binarnym lub dziesiętnym (deka- dowym), z możliwością synchronicznego wpisywania czterobitowej liczby z wejść J1...J4 i synchronicznego zerowania. Sprytna budowa pozwala łączyć je, by uzyskać liczniki dwójkowe lub dziesiętne (dekadowe) o dowolnie dużej pojemności. W postaci układów scalonych rodziny CMOS4000 oraz różnych wersji rodziny 74 dostępnych jest mnó- stwo różnych liczników dwójkowych i dziesiętnych, a także różnych dzielników. W praktyce dla użytkow- nika nie ma znaczenia, jaka jest wewnętrzna budowa * licznika. Istotne są tylko pełnione funkcje oraz maksy- malna częstotliwość pracy. A teraz kilka interesujących układów do realizacji W ramach projektu tytułowego zrealizowaliśmy dwie wersje elektronicznej świeczki, gdzie do sterowania żółtej diody LED wykorzystaliśmy przebiegi prostokątne z generatorów. Podobny układ można zrealizować, wy- korzystując przebiegi zbliżone do trójkąta, występujące na kondensatorach generatorów. Można to zrealizować ( na przykład według rysunku 17 i fotografii 18. Tym razem do modulacji + U1 = 40106 100nF ceram słuchawki 10µF S1 jasności diody LED1 wykorzystu- 9-12V BAT VDD VDD + jemy przebiegi „trójkątopodob- VDD ne” z trzech generatorów U1C, U1A, U1B. Są one sumowane U1D (2,2k+2,2k) U1E (2,2k+2,2k) R12 4,7k R10 4,4k R11 4,4k R9 4,7k R8 4,7k R7 4,7k w punkcie X za pomocą trzech rezystorów R5, R6, R7. W punk- R6 32k (22k+10k) cie X otrzymujemy nieregularny, (220k||470k) U1C U1B U1A 12 (47k||220k) 10 U1F pseudoprzypadkowy przebieg, R4 100k R5 150k R1 39k 8 6 4 2 R2 22k R3 47k którego wartość średnia jest zbliżona do połowy napięcia 3,2ms 13 1,5ms 4,7ms 2,2ms 3,9ms 11 zasilania, ale co jest niekorzystne, 9 5 3 1 1ms wielkość składowej zmiennej za- 100nF 100nF 100nF 100nF 10nF 10nF C6 C5 C4 C3 C2 C1 leży od szerokości pętli histerezy VDD VDD VDD ) użytego egzemplarza układu 107 Strona 11 Na warsztacie 4093. Z uwagi na rozrzuty SZKOŁA parametrów, a także zależ- ność od napięcia zasilające- go, trudno byłoby uzyskać powtarzalne parametry. Aby poprawić właściwości, w układzie wykorzystany został prosty wzmacniacz różnicowy na tranzystorach T1, T2. Na jedno wejście podawany jest sygnał zmien- ny z punktu X, a na drugie Poziom tekstu: średnio trudny podawane jest napięcie stałe z punktu Y. Aby średnie war- tości napięć (składowa stała) q były jednakowe, napięcie VDD VDD VDD U2 4017 stałe w puncie Y jest uzyskiwane przez Q0 3 13 1 + odfiltrowanie za pomocą R8, C5 składowej 11 2 12 D Q1 2 zmiennej z przebiegu z czwartego genera- C3 4 tora U1D. Z uwagi na rozrzuty szerokości 10µF Q2 3 8 R4 10k 10 histerezy, przewidziany jest rezystor R9, 9 C Q3 7 4 który zmniejsza amplitudę sygnału zmien- S1 U1 10 1 4093 Q4 5 nego z punktu X. W punkcie Z uzyskuje się 3 14 1 R5 1k sygnał zawierający składową stałą i zmien- 2 A CL Q5 6 13 CE 5 ną i sygnał ten steruje znanym już nam C1 R2 Q6 10n sterowanym źródłem prądowym z tranzysto- 2,2k Q7 6 R3 R1 1k rami T3, T4, gdzie rezystor R13 wyznacza 5 4 9 1M Q8 czułość przetwarzania napięcia w punkcie C2 6 B 15 11 Z na prąd diody LED1. Dzięki obecności 1n MR Q9 masa X wtórnika T3 wejście źródła prądowego ma w dużą rezystancję. Rysunek 19 poka- zuje napięcie w punkcie Z. Jak widać, maksymalna wartość napięcia na R11 wynosi około 0,55 V, a średnia około 0,35 V, co przy wartości R13 = 47 Ω daje szczytowy prąd diody LED1 około 12 mA, a średni około 7,5 mA. W tym układzie wielkość zmian jasności diody LED można zmieniać za pomocą R9 (4,7 kΩ … 100 kΩ), a średnią jasność za pomocą R13 (10 Ω … 220 Ω). Pseudoprzypadkowe przebiegi z kilku niezależnych generatorów można też wykorzystać do budowy elektronicznej wersji gwizdka lokomotywy parowej. Schemat może wyglądać jak na rysun- e ku 20. Mój model jest pokazany na fo- tografii 21. Wartości elementów nie są krytyczne – łączyłem rezystory szeregowo (R6, R10, R11) i równolegle (R1, R5) z uwagi na ograniczenia zawartości zestawu EdW09 i ze względu na wygodę montażu. Ty możesz zastosować inne wartości. Zasada jest bardzo prosta – mamy sześć niezsynchronizowa- nych generatorów o częstotliwościach wyznaczonych S1 + C2 przez stałe czasowe (od największej do najmniejszej): 10µ R1 U1 4017 R3*C3 = 4,7 ms 10M 14 3 R1*C1 = 3,9 ms CL Q0 R6*C6 = 3,2 ms C1 10n 15 MR Q1 2 R2*C2 = 2,2 ms 13 4 R5*C5 = 1,5 ms EN Q2 R4*C4 = 1 ms r 108 m.technik - www.mt.com.pl Strona 12 e-suplement więcej na www.mt.com.pl/e-suplement S1 C2 REL C3 + Wartości elementów + 10µF(10µF-1000µF) 10µF U1 4017 D3 nie są krytyczne, często- 14 CL Q0 3 tliwość maksymalna jest R1 R3 1M 2 LED1 większa od minimalnej 10M 15 MR Q1 R4 2,2k około 5-krotnie, a pozostałe 13 4 LED2 są w miarę równo rozłożone EN Q2 T1 C1 R2 D2 BC548 pomiędzy nimi. Zmieszanie 10n D1 1M D1-D3 = 1N4148 R5 2,2k tych częstotliwości za t pomocą rezystorów R7... R12 daje w słuchawkach dźwięk gwizdka lokomotywy parowej. Kto chciałby uzyskać wyższy, bardziej przenikliwy dźwięk, może zastosować o połowę mniejsze wartości R1...R6. Wykorzystajmy też licznik 4017. Rysunek 22 pokazuje „maszynę losu- jącą”. S1 może być przyciskiem lub czujnikiem dotykowym. Jego zwarcie uruchomi generator U1A o dość dużej częstotliwości (około 300 kHz). Licznik U2 zacznie szybko liczyć impulsy, co da wrażenie świecenia wszystkich diod LED. Zwolnienie przycisku S y zatrzyma zliczanie i tylko jedna dioda będzie świecić, pokazując wylosowaną C3 liczbę. Z uwagi na różny czas naciskania + + S1 C2 10µF S1 każda próba da inną liczbę wygenerowanych impulsów. 10µ U1 4017 14 3 Gdy punkt X jest dołączony do masy, układ zlicza do dzie- CL Q0 R1 sięciu, czyli losujemy jeden z dziesięciu (wtedy diody 10M C1 15 MR Q1 2 LED powinny być dołączone do każdego z wyjść Q0...Q9). 10n R2 13 Dołączenie punktu X do jednego z wyjść Q2...Q9 pozwala EN R3 1M skrócić cykl zliczania. Dołączenie do wyjścia Q2 (nóżka 4) 4,7k D1 daje losowanie „orzeł czy reszka”, natomiast dołączenie u punktu X do wyjścia Q6 (nóżka 5) daje wynik losowania „jeden z sześciu”, czyli otrzymujemy nietypową elektroniczną wersję popularnej sześciennej kostki do gry. Fotografia 23 pokazuje właśnie taką wersję. Rezystory R4, R5 obniżają jasność diod niebieskiej i białej. Rysunek 24 pokazuje prosty przełącz- nik dotykowy załącz/wyłącz. S1 może być przyciskiem albo sensorem dotyko- wym. Kondensator C1 likwiduje wpływ ewentualnych drgań styku, co prowa- dziłoby do zliczania wielu impulsów przy jednym naciśnięciu przycisku. Układ 4017 nie boi się łagodnych zboczy i z kondensatora C1, ponieważ na wej- ściu zegarowym (nóżka 14) ma obwody histerezy. Rysunek 25 i fotografia 26 pokazują znacznie ulepszony, inteligentny wyłącznik schodowy. Każde naciśnięcie przycisku (dotknięcie sensora) powoduje zmianę stanu przekaźnika. Co ważne, obwód z kondensatorem C2 po włączeniu zasilania wyzeruje licznik oraz automatycznie wyłączy załączony przekaźnik po upływie czasu wyznaczonego przez R2C2 (około 10 sekund). Czas ten można zmieniać, stosując inne wartości C2 w zakresie 10 mF...1000 mF i R2 w zakresie 100 kΩ do 10 MΩ. Z kolei rysunek 27 i fotografia 28 pokazują wersję prostego układu czasowego, gdzie jedno- lub wielokrotne naciśnięcie S1 włączy przekaźnik na czas wyznaczony przez R2C2. Zdecydowanie bardziej uniwersalny układ czasowy będzie głównym projektem w następnym wykładzie.  Piotr Górecki 109