Strona 1 Na warsztacie PRAKTYCZNY SZKOŁA KURS cz. 23 ELEKTRONIKI Poziom tekstu: średnio trudny Oto dwudziesta trzecia 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 grudnia 2014 r., to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie stycznia Uwaga Szkoły 2015 r., wraz z lutowym 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 23 Uniwersalny timer oraz theremin Fotografia wstępna pokazuje uniwersalny układ czasowy. Może się wydawać, że taki uniwersalny timer to temat banalny i niepraktyczny. W rzeczywistości każdy elektronik wcześniej czy później potrzebuje układu czasowego, za pomocą którego albo uruchomi jakieś inne urządzenie na pewien czas, albo też o pewien czas opóźni jego włączenie. Nasz uniwersalny układ czasowy ma nieskomplikowaną budo- wę, a realizuje dodatkowe pożyteczne funkcje. Zawiera linijkę diod LED, która pokazuje upływ czasu, co w wielu zastosowaniach jest bardzo pożądane. Po pierwsze, do wyboru mamy dwa główne tryby pracy: 1 – po naciśnięciu przycisku lub po włączeniu napięcia zasilania układ wytwarza impuls, który włącza przekaźnik na określony czas, 2 – po włączeniu zasilania przekaźnik zostanie włączony z określonym opóźnieniem. Po drugie mamy do wyboru wersje: A – z możliwością dowolnego przedłużania czasu za pomocą przycisku. B – bez możliwości przedłużania czasu. W wersji podstawowej czasy opóźnienia mogą sięgać do kilku minut, natomiast w wersji z dodatko- wym licznikiem czasy mogą sięgać wielu godzin. generator 12 X 1 11 VCC VCC 3 D 1 13 + A R9 2,2k 2 14 CL U2=4017 U1= 15 licznik R1 =4093 MR BC558 T2 1M 13 C4 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 R2 100k EN 2 LED10 10µF C1 3 2 4 7 10 1 5 6 9 11 1µF 8 A B 10 VCC 9 C D1 LED5 LED1 LED2 LED3 LED4 R3 T1 VCC REL U1= 1N4148 47k R8 10k VCC C2 =4093 5 X R7 4 R4 BC B 6 558 100n R10 47k 1k C3 R11 lub 2,2k + 2,2k 10k R5 100k R6 47k S1 10µF A 99 Strona 3 Na warsztacie Opis układu dla „zaawansowanych” SZKOŁA Schemat uniwersalnego timera pokazany jest na rysunku A. Elementy R5, C2 zerują licznik po włączeniu zasilania, co jest bardzo ważne, żeby układ zaczynał pracę zawsze od „punk- tu zerowego”. Gdy licznik zostaje wyzerowany, zaświe- ca się zielona dioda LED1. Na wyjściu Q9 (nóżka 11) panuje stan niski, a w punkcie X stan wysoki, co otwiera T2 i uruchamia prze- kaźnik i diodę LED10 oraz umożliwia pracę Poziom tekstu: średnio trudny generatora na bramce U1B i pulsowanie diody LED1, a potem następnych diod. Stan wysoki w punkcie X umożliwia też pracę 1 głównego generatora z bramkami U1A, U1D, przez co licznik U2 zlicza kolejne impulsy i zaświeca kolejne diody. Gdy stan wysoki pojawi się na wyjściu Q9 (n. 11), generatory przestają pracować, a przekaźnik REL zostaje wyłączony – jest to stan spoczynku i układ nie pobiera prądu. Naciśnięcie przycisku S1 rozpo- cznie kolejny cykl pracy. Dołączenie emitera T1 do punktu A powoduje, że podczas odliczania czasu każde naciśnięcie przy- cisku S1 zeruje licznik U2 i przedłuża zliczanie. Dołączenie do punktu B daje układ bez możliwości przedłużania czasu, jak w modelu z fotografii tytułowej. W spoczynku układ nie pobiera prądu i kondensator filtrujący C4 nie może się rozładować. Gdy układ ma być uruchamiany przez podanie napięcia zasilania, równolegle do kondensatora C4 należy dołączyć zaznaczony szarym kolorem rezystor R11, który zapewni jego rozładowanie do zera, co po ponownym włączeniu zasilania pozwoli obwodowi R5, C2 prawidłowo wyzerować układ. W Elportalu (elportal.pl/pke) można znaleźć dwa filmiki, pokazujące pracę wersji wytwarzającej impuls z możliwością przedłużania czasu i bez tej możliwości. Poznajemy elementy i układy elektroniczne W układzie tytułowym wykorzystaliśmy popularny generator dwubramkowy. Trzeba też wiedzieć, że istnieją specjalizowane układy scalone generatorów i przerzutników monostabilnych, w tym najpopularniejszy 555. W rodzinie cyfrowych układów CMOS 4000 mamy uniwersalny timer 4047 oraz kilka podwójnych uniwibratorów: 4098, 4528, 4538, 4548 o bardzo podobnej konstrukcji. We wszystkich odmierzany czas (częstotliwość) wyznacza obwód RC, więc dla uzyskania sensownej dokładności oraz stabilności długoczasowej i termicznej należy użyć kondensatora stałego (folio- wego lub ceramicznego C0G), a nie elektrolitycznego. Z uwagi na ograniczoną pojemność konden- satorów stałych, praktycznie nie jest możliwe odmierzanie w ten sposób długich czasów (powyżej minuty). Odmierzany czas można dowolnie zwiększyć, stosując liczniki (dzielniki). W rodzinie CMOS 4000 mamy do dziś popularny układ 4541 – specjalizowany uniwersalny timer z licznikiem do odmierzania nawet bardzo długich czasów. W wielu przypadkach można wykorzystać popular- ne liczniki dwójkowe: 4020, 4040, a najchętniej stosowany jest 4060, który ma dodatkowy obwód oscylatora. Jeden z tych liczników można byłoby zwykły inwerter wykorzystać w układzie tytułowego timera, by uzyskać dowolnie długie czasy, nawet dni. Gdy potrzebna jest większa dokładność, wykorzystuje się rezonato- X1 ry kwarcowe, zwane potocznie kwarcami – fotografia 1. Bardzo często C2 C1 stosowany generator kwarcowy na bramce lub inwerterze pokazany jest rezonator na rysunku 2. kwarcowy 2 Bramki złożone. Oprócz absolutnie podstawowych NOT, AND, OR, NAND, EX - OR EX - OR EX - OR A NOR, pożyteczna bywa też bramka X A AB X realizująca funkcję XOR, inaczej EXOR B 4 x NAND (EXclusive OR). Łatwo zapamiętać, X 0 0 0 że dwuwejściowa bramka EXOR jest A EX - NOR 0 1 1 X 1 0 1 podobna do bramki OR, tylko przy stanie B B 1 1 0 wysokim na obu wejściach, wyjście ma 3 100 m.technik - www.mt.com.pl Strona 4 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI FUNCTION VSS=8 3 STATE stan zero (w wielowejściowych bramkach EXOR stan VDD=16 Ka Kb Kc Kd CONTROL wysoki na wyjściu występuje wtedy, gdy na nieparzystej 10 7 9 2 liczbie wejść panuje stan wysoki). Dostępne są też bramki A 14 EXNOR (XNOR) z dodatkowym negatorem na wyjściu. CMOS B 13 Rysunek 3 pokazuje symbole bramek EXOR i EXNOR oraz Multifunction C 12 Expandable sposób realizacji EXOR z czterech bramek NAND. W ro- D 11 8 Input Gate dzinach CMOS 4000 i 74HC dostępne są liczne bramki, IN E 6 J w tym XOR (XNOR). Ciekawostką jest układ CMOS 4048, F 5 1 OUTPUT zawierający 8-wejściową bramkę, której funkcję logicz- G 4 ną można zmieniać za pomocą trzech wyprowadzeń H 3 EXPAND – rysunek 4. 4 15 CD4048 W rodzinach 4000 i 74 mamy też wiele różnego rodzaju dekoderów i enkoderów. Rysunek 5 pokazuje budowę 4028 0 3 dekodera kodu dwójkowego (BCD) na kod 1 z 10 z kostki CMOS 4028. Na rysunku 6 masz schemat wewnętrzny A 1 bardzo popularnego niegdyś dekodera 7447 kodu BCD 10 14 na kod sterowania wyświetlaczy 7-segmentowych. Na fo- 2 tografii 7 pokazane są 7-segmentowe wyświetlacze LED 2 i LCD. 3 Bardzo pożyteczne okazują się multipleksery i de- B 15 13 multipleksery, czyli swego rodzaju przełączniki. Proste 4 przykłady pokazuje rysunek 8. Mamy tu dwa wejścia 1 adresowe A1...A0, na które podawana jest liczba dwójko- C 5 wa z zakresu 0...3 uruchamiająca jedno z wejść/wyjść. 12 6 Dużo bardziej uniwersalne są tego rodzaju układy z tak 6 zwanymi bramkami transmisyjnymi według rysunku 9. 7 Bramka transmisyjna jest odpowiednikiem sterowanego 7 wyłącznika, elektronicznego przekaźnika. W technologii 4 D CMOS można je zrealizować bardzo łatwo, uzyskując 11 8 przy okazji klucz analogowy załącz/wyłącz, mogący prze- 9 kazywać sygnały w obu kierunkach. Podstawą budowy 9 prostego klucza analogowego są dwa komplementarne 5 tranzystory MOS połączone „równolegle”. Rysunek 10 5 pokazuje schemat budowy klucza analogowego z kost- dekoder ki 4016 (zastąpionej przez znacznie ulepszony układ 7447 a 4066). Gdy na wejściu sterującym CONTROL jest stan niski, oba tranzystory klucza (n i p) są zatkane i bramka nie przewodzi wejście - liczba dwójkowa – rezystancja między punktami IM/OUT jest ogromna, rzędu A b wielu megaomów. Stan wysoki na wejściu CONTROL otwiera oba tranzystory – prądy mogą płynąć między punktami IN/OUT B w obu kierunkach. Jednak taki otwarty klucz nie jest doskonały – ma pewną rezystancję szeregową, rzędu kilkudziesięciu do kil- c kuset omów. C Kostki CMOS 4016 i 4066 zawierają cztery niezależne klucze D analogowe. Dostępne są też (de)multipleksery z kluczami ana- d logowymi: szesnastokanałowy 4067, ośmiokanałowy 4051, dwa czterokanałowe 4052 i trzy dwukanałowe w kostce 4053. Te klu- cze i multipleksery analogowe zasadniczo należą do układów BI/RBO e cyfrowych, ale przewidziane są do pracy z sygnałami analogowy- mi (np. audio). Dlatego kostki 4051, 4052, 4053, oprócz końcó- wek plusa zasilania (VDD, nóżka 16) i masy (VSS, nóżka 8), mają f jeszcze dodatkową końcówkę ujemnego napięcia zasilania (VEE, nóżka 7), którą można albo podłączyć do masy (VSS), albo podać na nią ujemne napięcie zasilania, by multiplekser mógł pracować LT g z sygnałami zmiennymi, także ujemnymi względem masy. RBI Opracowano wiele innych interesujących układów scalonych. Ponieważ mamy do czynienia z liczbami przedstawionymi w syste- mie dwójkowym, przydatne są układy, które przeprowadzą na licz- 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 bach operacje czysto matematyczne. I tak istnieją komparatory, 101 Strona 5 Na warsztacie czyli układy porównujące SZKOŁA dwie liczby dwójkowe. Rysunek 11 pokazuje przykładowy schemat prościutkiego kompa- ratora, sprawdzającego, czy dwie czterobitowe liczby są jednakowe. Scalone komparatory, np. CMOS 4585, dodatkowo określają, która liczba jest większa. Istnieją też Poziom tekstu: średnio trudny układy scalone, które są najprawdziwszymi 7 sumatorami. Ale nie sumatorami logicznymi OR, a) multiplekser Q wyjście b) demultiplekser OR tylko prawdziwymi układami 4x wyjścia dodającymi dwie liczby dwój- NAND kowe. W rodzinie CMOS4000 Q0 Q1 Q2 Q3 mamy 4-bitowy sumator liczb BCD (dziesiętny) 4560 I0 oraz 4-bitowy sumator wejścia I1 wejście binarny 4008 o schemacie I2 I z rysunku 12. I3 Jeżeli wewnętrzny układ “0” “1” “2” “3” “0” “1” “2” “3” byłby jeszcze bardziej skom- plikowany, możemy uzyskać uniwersalny układ arytme- wejścia adresowe wejścia adresowe tyczny (ALU – Arithmetic A1 A1 Logic Unit) według idei z rysunku 13. Zależnie od stanu wejść sterujących, A0 A0 układ może przeprowadzać na liczbach wejściowych dekoder 1 z 4 dekoder 1 z 4 8 dodawanie, odejmowanie, mnożenie, funkcje logiczne AND, OR, XOR, NOT, a także je porównywać. Schemat wewnętrzny ALU z kostki CMOS40181 jest pokazany na rysunku 14. W każdym razie bardziej złożone układy mogą realizować operacje na liczbach. I oto masz też odpo- wiedź, dlaczego używamy określenia: układy cyfrowe. Do tej pory mówiliśmy o kodzie dwójkowym, który zasadniczo I0(0) I0(0) może reprezentować tylko liczby naturalne (0, 1, 2, 3, 4, …). Można też przedstawiać liczby ujemne, np. traktując jeden bit jako znak (minus), co dałoby kod zwany znak-moduł. I0(1) I0(1) Jednak w praktyce liczby ujemne lepiej jest przedstawić nieco inaczej, w tak zwanym kodzie uzupełnienia do jedynki I0(2) I0(2) albo uzupełnienia do dwóch. Ciąg bitów może też reprezen- tować liczby ułamkowe. Oprócz różnych kodów liczbowych, często wykorzystywane są też inne kody. I0(3) I0(3) W praktyce prawie nigdy nie interesuje nas, jaką we- wnętrzną budowę mają układy scalone – ważna jest tylko “0” “1” “2” “3” pełniona funkcja i wymagania dotyczące wejść i wyjść. Dlaczego więc przedstawiałem Ci liczne schematy wewnętrzne? Otóż chcę pokazać, że z prostych bramek można zbudo- wejścia adresowe A1 wać układy cyfrowe, pełniące dowolnie skomplikowane funkcje. Naprawdę popularne układy logiczne w postaci układów A0 scalonych z rodziny 74 pojawiły się w roku 1964 – pierwsza była kostka 7400, zawierająca cztery dwuwejściowe bramki dekoder 1 z 4 9 102 m.technik - www.mt.com.pl Strona 6 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI NAND. W ciągu kilkudziesięciu lat opracowano set- ki bardziej skomplikowanych układów cyfrowych. Pojęcie o układach z rodziny 74 oraz CMOS400 dają listy na stronach: / Wd7gFi. Istnieje więc mnóstwo „pojedynczych” układów scalonych realizujących wymienione tu funkcje przerzutników, liczników, rejestrów, dekoderów, multiplekserów. Dawniej były wykorzystywane do realizacji złożonych systemów cyfrowych, w tym także komputerów. Dziś są używane coraz rzadziej, - ponieważ postęp techniczny umożliwił umieszcze- A0 EXOR nie w jednym układzie scalonym już nie tysięcy, czy milionów, ale miliardów tranzystorów, co pozwala stworzyć miliardy B0 bramek oraz miliony liczników i rejestrów w jednej małej kostce. A1 Wytworzenie dowolnych struktur pełniących dowolne funkcje logicz- B1 ne (cyfrowe, obliczeniowe) nie jest dziś żadnym problemem. A=B Problem natomiast w tym, że każdy odbiorca ma inne potrzeby A2 i potrzebuje układów o innych funkcjach. Duży odbiorca, potrzebują- B2 cy wielu tysięcy egzemplarzy, może zamówić u producenta układ sca- lony „szyty na miarę”, dokładnie realizujący indywidualne potrzeby A3 odbiorcy, tzw. ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Jednak B3 mniejsi odbiorcy, potrzebujący małych serii lub nawet pojedynczych ! egzemplarzy układów o określonych funkcjach, nie mieliby szans z uwagi Cin na koszty opracowania. Tymczasem Cout zapotrzebowanie na układy „szyte na miarę” było i jest ogromne. Producenci od dawna starali się dostosować do takich potrzeb. 4008 Aktualnie dostępne są mniej i bardziej skomplikowane układy scalone, które B4 są w pewnym sensie „półprodukta- mi”. Mają ogromne możliwości, ale S4 użytkownik musi je zaprogramować A4 do pełnienia potrzebnej mu funkcji. Rozwój poszedł w dwóch głównych B3 kierunkach, dlatego trzeba wspomnieć o dwóch głównych grupach: S3 A3 • programowalnych układach logicznych PLD – Programmable Logic Device (PAL, GAL,CPLD, B2 FPGA) S2 • mikroprocesorach. A2 W największym uproszczeniu można powiedzieć, że w układzie PLD możemy B1 samodzielnie stworzyć (zaprogramować) dowolny układ logiczny/cyfrowy o moż- S1 liwościach zależnych tylko od liczby A1 dostępnych w nim elementarnych bramek i przerzutników. Programowanie @ układów PLD to w sumie jednorazowa konfiguracja elementarnych składników do pełnienia potrzebnej funkcji. Dawniej możliwe było jednorazowe, nieodwracalne skonfigurowanie przez przepalenie niepotrzebnych połączeń i pozostawienie pożądanych. Dziś konfiguracja przebiega na drodze elektronicznej i wykorzystywane są układy PLD, w których raz zapamiętaną konfigurację można później wielokrotnie zmieniać. Układy PLD mogą zawierać przerzutniki, liczniki, rejestry i inne składniki „pamiętające”, jednak w pierwszym zgrubnym przybliżeniu można sobie wyobrażać, że jest to konfigurowana przez użytkow- nika sieć mnóstwa bramek. 103 Strona 7 Na warsztacie FUNCTION SELECT W ramach kursu PKE nawet INPUTS VDD = 24 SZKOŁA nie dotkniemy układów PLD, VSS = 12 S0 S1 S2 S3 które są niezbyt popularne wśród 6 5 4 3 hobbystów. Spróbuj tylko zapamię- tać: programowanie układów PLD A0 2 9 F0 oznacza, że użytkownik konfiguruje A1 23 10 F1 WORD OUTPUT sprzęt: realizuje połączenia między A A2 21 11 F2 FUNCTION zawartymi w układzie bramkami, A3 19 13 F3 przerzutnikami, rejestrami, liczni- kami i innymi blokami, by układ wykonywał potrzebne funkcje. B0 1 ALU 14 A = B COMPARE OUT B1 22 W uproszczeniu można powie- Poziom tekstu: średnio trudny WORD dzieć, że użytkownik tworzy spe- B B2 20 16 Cn+4 RIPPLE cjalizowany układ scalony według B3 18 CARRY OUT swoich potrzeb. Ułatwiają to spe- cjalne programy komputerowe. Cn 7 17 G LOOK AHEAD CARRY IN CARRY Zupełnie czym innym jest M 8 15 P MODE (40181) OUTPUTS programowanie mikroprocesorów. CONTROL # Mikroprocesor ma fabrycznie 3 ustaloną, niezmienną wewnętrzną S3 strukturę i zawiera pewne klu- 4 40181 S2 czowe bloki funkcjonalne, w tym 5 17 pamięć. Programowanie polega S1 G 6 na wpisaniu do pamięci rozkazów S0 16 określających, co i kiedy poszcze- 18 Cn+4 gólne bloki mikroprocesora mają B3 15 robić. Program to w sumie „przepis P 13 na działanie procesora”, składają- F3 cy się z mnóstwa elementarnych 19 rozkazów. A3 20 Jest to zupełnie inna koncep- B2 cja niż w przypadku rozwiązań wykorzystanych w PLD oraz w ćwiczeniach cyklu PKE, gdzie 21 11 realizowaliśmy i realizujemy różne A2 F2 rozwiązania sprzętowe. My w ra- 22 mach elementarnego kursu PKE B1 14 doszliśmy wprawdzie do mikro- A=B procesora, ale nie mamy takowego w zestawie EdW09, więc go nie 23 10 wykorzystamy. W tym i następnym A1 F1 wykładzie zbadamy natomiast 1 niektóre tzw. układy peryferyjne, B0 stosowane w mikroprocesorach. 9 Oto kilka ćwiczeń praktycznych. F0 Przypomnijmy, że prosty obwód 2 różniczkujący RC pozwala skracać A0 7 impulsy. W układzie według n rysunku 15, dzięki obecności 8 diody D1 i rezystora R2, w punk- M $ cie A występuje przebieg pro- stokątny o jakiejś częstotliwości f i wypełnieniu ponad 95%. Przebieg taki jest podawany na obwód Rx, Cx, a na wyjściu C otrzymujemy przebieg prostokątny również o częstotliwości f, ale o wypełnieniu zależnym od stałej czasowej RxCx. Wstawiając fotorezystor w miejsce rezystora Rx, otrzymujemy możliwość płynnej regulacji współczyn- nika wypełnienia, a tym samym możemy impulsowo regulować jasność diody LED, bo dzięki dużej częstotliwości pracy i bezwładności ludzkiego oka uzyskujemy płynne zmiany jasności diody. Można uniezależnić się od rozrzutu parametrów fotorezystora w układzie według rysunku 16. Mój model pokazany jest na fotografii 17. Kluczową rolę odgrywa tu tranzystor T1, który jest sterowanym 104 m.technik - www.mt.com.pl Strona 8 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI D1 R2 4,7k CX źródłem prądowym. Tranzystor T2 i rezystor B C R3 R7 tworzą zwykły wtórnik. Gdy w punkcie S A napięcie jest równe zeru, na emiterze T2 wy- stępuje napięcie około 0,7V, ale dzięki obecno- R1 100k RX ści rezystora R5 tranzystor T1 jest całkowicie LED1 C zatkany. Wtedy po wystąpieniu dodatniego wypełnienie >95% impulsu w punkcie A kondensator C2 ładuje A się tylko przez rezystor R4 – stała czasowa ładowania jest duża, równa R4C2 i układ bez B zmian przepuszcza przebieg: na wyjściu C występuje przebieg taki sam, jak w punkcie A. W chwili wystąpienia ujemnego, opadającego C zbocza w punkcie A kondensator C2 szybko % rozładowuje się przez diody ochronne na wejściu bramki 13 12 10 C 8 LED1 R7 U1C (przez co dioda D2 nie 9 22k 11 470Ω jest konieczna). Gdy tranzy- U1F U1E U1D R9 stor T1 przewodzi, ładowanie U1A R3 C3 1 2 3 4 B 5 kondensatora C2 jest szybsze R8 100 A 6 * nF i impulsy w punkcie C R2 4,7k 1k C2 U1C 1M są krótsze niż w punkcie A. U1B T1 10nF BC548 D1 S Słabiej świeci dioda LED1. D2 Gdy tranzystor T1 przewodzi C1 R1 100k R4 R5 2,2k T2 1M znaczny prąd, może skrócić BC558 R6 czas impulsów aż do zera 10nF 220Ω FR ^ (skutek obecności rezystan- cji wyjściowej bramki U1B i rezystora R3). Rezystor R8 pozwala dostosować czułość do użytego fotorezystora. W Elportalu umieszczony jest filmik, pokazujący prace modelu z fotografii 17. Właśnie zbudowaliśmy (dość prymitywny) modulator szerokości impulsów, czyli modulator PWM – Pulse Width Modulation. Przetwarza on wartość analogową (napięcie) na współczynnik wypełnienia przebiegu prostokątnego, co można łatwo zmierzyć metodami cyfrowymi. Przebieg prostokątny o stałej częstotliwości i zmiennym wypełnieniu można wytworzyć w różny sposób. Rysunek 18a pokazuje ideę rozwiązania analogowego: Przebieg z gene- ratora przebiegu piłokształtnego o częstotli- wości fa jest porównywany przez komparator z napięciem stałym, podanym na wejście L1. Na wyjściu X otrzymujemy przebieg prostokątny o częstotliwości fa i wypełnieniu wprost proporcjonalnym do napięcia UA. Czysto cyfrowa wersja takiego modula- tora PWM pokazana jest na rysunku 18b, gdzie rolę generatora „piły” odgrywa licznik dwójkowy z generatorem zegaro- wym, a komparator jest cyfrowy. Mający 16 stanów 4-bitowy licznik dwójkowy stale zlicza impulsy zegarowe o częstotliwości fc, więc kolejno pojawiają się w nim liczby 0, 1,… 14,15, 0, 1,... 14, 15, 0, 1... Cyfrowy komparator na bieżąco porównuje aktualny stan licznika z czterobitową liczbą dwój- kową L1, podaną z zewnątrz. Na wyjściu X stan wysoki pojawia się wtedy, gdy stan licznika jest większy od liczby dwójkowej L. Otrzymujemy tam przebieg prostokątny o częstotliwości fa = fc/16, którego wypełnie- nie i czas trwania impulsów można zmieniać, & zmieniając wartość dwójkowej liczby L1. 105 Strona 9 Na warsztacie Przy liczniku i komparatorze 4-bitowym mamy wybór a) (napięcie UA) wejście +UZAS SZKOŁA jednej z 16 wartości wypełnienia, przy 8 bitach mamy A wyjście PWM 256 możliwości, a przy 10 bitach – 1024 możliwości. X + fa Dziś w mikroprocesorach powszechnie stosowane UA są 8- i 10-bitowe układy PWM. komparator Co bardzo ważne, cyfrowy sygnał PWM można f a w dziecinnie łatwy sposób przetworzyć w sygnał generator analogowy – wystarczy prosty obwód uśredniający RC przebiegu piłokształtnego według rysunku 19. W punkcie Y otrzymujemy napię- cie stałe o wartości dokładnie odpowiadającej współ- b) (liczba wejście cyfrowe dwójkowa) czynnikowi wypełnienia. Przetworniki PWM z filtrem RC są powszechnie wykorzystywane jako przetwor- Poziom tekstu: średnio trudny D C B A niki cyfrowo-analogowe. Są to przetworniki o małej liczba dwójkowa L1 komparator wyjście PWM szybkości z uwagi na konieczną znaczną stałą czasową cyfrowy L2>L1 obwodu filtrującego RYCY. W następnym wykładzie liczba dwójkowa L2 fa = fc/16 zrealizujemy zdecydowanie szybszy przetwornik D Q3 C Q2 B Q1 A Q0 cyfrowo-analogowy. A na razie wspomnijmy, że modulator PWM można Q Q Q Q fc też zbudować według rysunku 20. Układ U1 pracuje CL CL CL CL Q Q Q Q jako generator i na kondensatorze C1 otrzymujemy przebieg zbliżony do trójkątnego. Komparator U2 licznik dwójkowy generator * porównuje chwilową wartość tego napięcia trójkątnego z napięciem stałym podanym na wejście A. Wypełnienie przebiegu na wyjściu X możemy regulować od zera układ do 100%. cyfrowy Y W klasycznej modulacji PWM częstotliwość jest stała, (np. RY a zmienia się tylko wypełnienie. W praktyce wykorzystuje mikroprocesor) napięcie się pokrewne metody, gdzie częstotliwość nie jest stała. cyfrowy CY (sygnał sygnał PWM analogowy) ( Rysunek 21 pokazuje taki generator. Gdy tranzystor T1 jest zatkany, kondensator C1 rozładowuje się tylko przez R1, a ładuje przez R1 i R2, więc czas trwania na wyjściu stanu wysokiego jest krótki. Wytwarzany przebieg ma współczynnik wypełnienia około 5%. Gdy tranzystor przewodzi, to po pierwsze zmniejsza czas rozładowania kondensatora. Przyspiesza rozładowanie, a więc skraca czas trwania stanu niskie- go. Po drugie, jeśli T1 przewodzi stale, to opóźnia też ładowanie kondensatora, bo „zabiera” część prądu płynącego przez R1, R2, przez co zmiany częstotliwości są stosunkowo małe. Napięcie Uster zmienia współczynnik +UZAS wypełnienia. Wykorzystajmy taki układ w impulsowej przetwornicy generator R2 podwyższającej z obwodem stabilizacji według rysunku 22. R3 Indukcyjność L1 to cewka przekaźnika. Gdy T2, T3 nie prze- + wodzą, tranzystor T1 przewodzi przez większościowy okres U1 kompa- i w cewce gromadzi się energia. W chwili zatkania T1 cewka, R1 + rator która „nie lubi zmian prądu”, wytwarza impuls napięcia sa- U2 A X moindukcji i prąd dalej płynie przez diodę D2, C2, R6 i LED1, wyjście wejście co zwiększa napięcie wyjściowe Ux. Nadmierny wzrost Ux PWM otworzy T1, T2, a to zmniejszy współczynnik wypełnienia im- R4 UA pulsów sterujących T1, a więc ustabilizuje napięcie wyjściowe C1 na wartości wyznaczonej przez dzielnik R4, R5. ) Z uwagi na dużą rezystancję drutu cewki (bardzo małą do- R2 broć), wydajność prądowa przetwornicy jest niewielka. Niemniej 5k D1 w takim układzie można byłoby uzyskać napięcie wyjściowe ponad 100 V, R1 100k jednak z uwagi na dopuszczalne napięcie tranzystora T1, diody D2 i kon- densatora C2 musi być ono mniejsze. Jak pokazuje fotografia 23, w moim modelu przy zasilaniu z baterii 9 V wynosi ono 22,1 V. C1 Jeżeli w układzie z rysunku 22 usuniemy R1 i sensownie dobierzemy Uster R2 i C1, to uzyskamy układ, w którym zmiany napięcia sterującego Us T1 powodują duże zmiany częstotliwości. Uzyskamy generator przestra- jany napięciem, inaczej mówiąc VCO – Voltage Controlled Oscillator. R3 W rodzinie CMOS4000 mamy kostkę 4046, która zawiera generator VCO q 106 m.technik - www.mt.com.pl Strona 10 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI U1F VCC 12 13 11 10 (a także tak zwane komparatory fazy, bo jest + C3 U1E L1 100µ kompletnym układem tzw. pętli fazowej PLL R2 8 – Phase Locked Loop). Nie mając w zestawie D1 10k 9 D2 EdW09 bardzo pożytecznej kostki 4046, U1D UX R1 100k możemy zbudować sterowany dotykowo VCO 1 4 T1 R6 według rysunku 24 i fotografii 25. Dotykając 2 3 U1A U1B R3 2,2k R4 47k jednocześnie punktu A i jednego z punktów 2,2M C2 P, N, ładujesz lub rozładowujesz kondensator T2 T1-T3 = BC548 US C1 i zwiększasz lub zmniejszasz częstotliwość C1 T3 1µF 5 6 R5 generowanego przebiegu w szerokim zakresie. 100k LED Działanie pokazane jest na filmiku, dostęp- 1nF D1, D2 U1C 1 nym w Elportalu. Elementy R2, R3, D1, R4 = 1N4148 w e dopasowują wielkość sygnału sterującego – napięcie w punkcie C nie powinno być mniejsze od 0,6 V ani większe od 1/3 napięcia zasilającego. Sam generator VCO wytwarza w punkcie D wąskie impulsy szpilkowe, dlatego dodany jest dzielnik częstotliwości przez 2 z kostką 4017, co daje w punktach E i F przebieg o często- Vcc tliwości o połowę C3 10µF 16 R7 + układ D2 mniejszej, ale R1 4017 10k 10k sterujący R6 2,2k 2 za to głośny, 4 14 Q1 F P R2 CL 3 LED1 bo o wypełnieniu 100k C 2 D 13 Q0 B EN 4 E 50%. Podając A U1A 15 MR Q2 na punkt A lub R5 C2 punkt C odpo- R3 100n 8 100k wiednio dobrany N 10k Y1 C1 R4 przerzutnik „toggle” przebieg trójkątny, D1 1µF 100k generator VCO dzielnik częstotliwości uzyskalibyśmy r syrenę policyjną. A na koniec tajemniczy i intrygujący... Theremin. Jest to tajemniczy instrument muzyczny, na którym gra się, zbliżając ręce do dwóch anten. Wynalazcą jest rosyjski uczony Lew Sergiejewicz Termen, znany też jako Leon Theremin. W roku 1920 zaprezen- tował on lampowe urządzenie, w którym zbliżenie ręki do jednej anteny zmieniało czę- stotliwość dźwięku, a do drugiej – głośność. Z technicznego punktu widzenia urządzenie zawiera dwa generatory o dużej, ponadaku- stycznej częstotliwości. Częstotliwość jed- nego jest płynnie przestrajana przez zmianę t pojemności, jaka tworzy się między anteną 107 Strona 11 Na warsztacie a ciałem człowieka i ziemią. Nieliniowy układ (mieszacz) antena R1 15k SZKOŁA wytwarza przebieg o małej częstotliwości, będący różnicą simple Theremin częstotliwości tych dwóch generatorów. Podobną zasadę A powszechnie wykorzystuje się w odbiornikach radiowych EXOR i telewizyjnych (tzw. superheterodynowych). W roli C1 R3 10k wy mieszacza można wykorzystać różne elementy, które mają 100pF nieliniową charakterystykę. Funkcję mieszacza (a nawet B C3 1µF tak zwanego detektora fazy) może też pełnić bramka EXOR C4 (EXNOR). W Internecie można znaleźć zaskakującą propo- C2 R2 1nF 100pF 20k zycję układową bardzo uproszczonego pojemnościowego y C3 100nF Poziom tekstu: średnio trudny C5 1000µF + R3 1k VCC C7 + 13 12 10 9 8 100µF 11 14 1 2 3 5 bramka EXOR 7 4 6 R1 U1 40106 C8 220k X 100µF C6 1000µF + R1A + C1 C4 100nF R4 1k R5 10k 4 x NAND Y C2 13 12 10 9 8 U3 4093 11 C9 14 1n 1 2 3 5 sł. 7 4 6 R2 U2 40106 220k R2A u instrumentu theremin według rysunku 26. W praktyce trudno jest zbudować prawidłowo działający instrument, jeżeli inwertery A i B wchodzą w skład tej samej kostki. Problemem jest to, że w instrumen- cie dwa generatory przebiegu prostokątnego muszą pracować na dwóch częstotliwościach, bardzo nie- wiele się różniących. A jeżeli częstotliwości są podobne, to następuje wzajemny wpływ i synchroniza- cja obu generatorów wskutek oddziaływania pojemnościowego i przez obwody zasilania, przez co oba generatory dostrajają się do tej samej częstotliwości. Aby zmniejszyć wzajemny wpływ, należałoby wykorzystać generatory na inwerterach z oddzielnych układów scalonych. W zestawie EdW09 jest tyl- ko jedna kostka 40106, więc szanse na budowę funkcjonującego theremina według rysunku 26 są małe, ale jak chcesz, możesz spróbować. Jeżeli jednak posiadasz dwa zestawy elementów i dwie kostki 40106, i 108 m.technik - www.mt.com.pl Strona 12 e-suplement więcej na www.mt.com.pl/e-suplement możesz zbudować układ według rysunku 27 i fotografii 28. Ważną częścią układu są filtry zasilania R3, C3, C5 oraz R4, C4, C6, które separują obwody zasilania kostek U1, U2. Bramka EXOR zbudowa- na jest z czterech bramek NAND kostki U3 (porównaj rysunek 3) i jest zasilana „przed filtrami”. Jako element wykonawczy włą- czone są jakiekolwiek słuchawki, w których występuje głośny syg- nał, będący różnicą częstotliwości obu generatorów. Zbliżenie ręki zmienia pojemność w znikomym stopniu (poniżej 1 pikofarada), o dlatego aby zmiany częstotliwości były znaczące, pojemności C1, C2 muszą być bardzo małe, co najwy- żej do 100 pF. Dlatego nie stosujemy kondensatorów, tylko w każdym z generatorów wykorzystujemy niewielką pojemność między blaszkami płytki stykowej, stąd na niej tyle zwór i taki dziwnie narysowa- ny schemat z „grzebieniowymi” pojemnościami C1, C2. W moim modelu częstotliwości pracy obu generatorów wynoszą około 122 kHz. Najlepiej byłoby, gdyby w takim urządzeniu pracowały dwa układy 40106 tego samego wytwórcy z jednej serii pro- dukcyjnej, bo wtedy przy jednakowych elementach RC częstotliwości powinny być zbliżone. Nawet wtedy zapewne trzeba będzie skorygować częstotliwość jednego z generatorów tak, aby w spoczynku w słuchawkach występował dźwięk o możliwie małej częstotliwości. Uruchomienie bez przyrządów pomiarowych jest możliwe, wymaga jednak trochę cierpliwości. Najpierw trzeba uzyskać jakikol- wiek wyraźny pisk w słuchawkach, a potem dołączając równolegle do R1 albo do R2 rezystory o jak największej rezystancji, trzeba zmniejszyć częstotliwość „wyższego” generatora, by różnicowa często- tliwość w słuchawkach była jak najniższa. U mnie, jak pokazuje fotografia, trzeba było do rezystora R1=220 kW dołączyć równolegle 10-megaomowy rezystor. Wtedy w słuchawkach wystąpił przebieg o stosunkowo niskiej częstotliwości różnicowej. Rysunek 29 pokazuje (niebieski) przebieg w punkcie X za bramką EXOR oraz (czerwony) odfiltrowany przebieg o częstotliwości różnicowej, występujący w punkcie Y. Zbliżenie ręki do którejkolwiek anteny (C1, C2) powoduje niewielką procentową zmianę częstotli- wości jednego z generatorów, ale różnica ich częstotliwości zmienia się znacznie, co wyraźnie słychać w słuchawkach. Pracę mojego modelu możesz zobaczyć i posłuchać na filmiku, dostępnym w Elportalu (www.elportal.pl/pke).  Piotr Górecki Nie przegap! W grudniowym wydaniu Elektroniki dla Wszystkich: Ponadto w numerze: Szkoła Konstruktorów – Urządzenie elektroniczne związane z survivalem Cyfrowy zegar... „słoneczny” n Układ miękkiego startu (softstart) Niezwykły cyfrowy zegar z jedną wskazówką, n Podzespoły stosowane w odbiornikach lam- wyświetlający czas w sposób analogowy, za pomocą... cieni. Przykład oraz źródło inspiracji powych. Kondensatory o zmiennej pojemności n Mikroukłady Dziadka Piotra. do tworzenia podobnych niezwykłych konstrukcji. Fazowy regulator obrotów silników AC Układ 3 – Stykówki, lutówki, pająki i 12 /2014 GRUDZIEŃ • CENA 12zł (w tym 5% VAT) • NAKŁAD: 14 990 egz. www.elportal.pl z izolacją galwaniczną n Szkoła Konstruktorów – Zaproponuj urzą- Zapoznaj się ze zrealizowanym przez praktyka inte- dzenie elektroniczne związane z survivalem resującym projektem regulatora obrotów, gdzie lub ze skutkami gwałtownych zjawisk pogo- obwody sieci 230V są skutecznie oddzielone galwa- dowych, wszelkich katastrof bądź innych nicznie od systemu mikroprocesorowego. zdarzeń ekstremalnych. Praktyczny Kurs Elektroniki – n Szkoła Konstruktorów – Przedstaw swoją Uniwersalny timer oraz theremin elektroniczną pracownię lub zaproponuj jej W tym odcinku cyklu realizujemy kolejne cieka- dowolne ulepszenie. we układy oraz omawiamy coraz bardziej złożone układy logiczne i cyfrowe, prowadzące do... PLD. Moje eksperymenty z przetwornicą ZVS EdW możesz zamówić Flyback Driver na stronie Ulubionego Kiosku: www.ulubionykiosk.pl Bardzo popularny i zaskakująco prosty układ przetwornicy impulsowej zbudowanej na dwóch telefonicznie 22 257 84 50, fax: 22 257 84 55, ISSN 1425-1698 tranzystorach umożliwi także i Tobie przeprowa- listownie lub za pomocą e-maila: [email protected]. dzenie szeregu interesujących eksperymentów. INDEKS 333 62X Do kupienia także w Empikach Katalogowe parametry diod LED i wszystkich większych kioskach z prasą. W ostatnim odcinku cyklu dotyczącego nowo- Na wszelkie pytania czeka także Dział Prenumeraty 109 www.elportal.pl czesnych diod LED i oświetlenia, omawiamy zalety i wady sterowania impulsowego. tel. 22 257 84 22, [email protected]