Сегодня даже заядлые любители цифровой техники в своих конструкциях используют в основном микросхемы большой степени интеграции, а то и готовые отлаженные модули. Удобно, конечно, но знаний об азах электроники и алгебре логики такой подход, увы, не прибавляет. Данная статья предназначена тем, кто хочет не просто собрать что-то действующее, но и понять, как конструкция работает.
Таких людей, не работающих под копирку, а следовательно, способных создать что-то новое, становится все меньше. Но если даже несколько человек найдут в этой статье что-то новое и полезное для себя, то можно сказать, что писалась она не зря. Ну а любителям модульных конструкций и людей с менталитетом «да я лучше готовое куплю» советую просто закрыть страничку, если, конечно, нет желания написать в комментариях какую-нибудь гадость.
Что такое 2И-НЕ и как это работает
Для примера мы рассмотрим состав и принцип работы микросхемы К155ЛА3, как типичного и старейшего представителя «мелкой логики». Взглянем на состав этой микросхемы.
Мы видим 4 абсолютно одинаковых узла (логических элемента), никак не связанных между собой. Единственными общими для всех элементов выводами являются выводы питания (7 и 14). Рассмотрим работу одного из них, но прежде определимся с понятиями логической единицы и логического нуля (далее «1» и «0»).
- Логическая единица – сигнал высокого уровня. В цифровой схемотехнике «единицей» считается напряжение равное или близкое к напряжению питания микросхемы относительно общего провода.
- Логическая единица – сигнал низкого уровня. В цифровой схемотехнике «нулем» считается напряжение равное или близкое к потенциалу общего провода (0 В).
В цифровой схемотехнике существует общепринятый диапазон величин логического нуля и единицы. Обычно за «1» принимается напряжение выше 0.8 питающего, а за «0» - ниже 0.1 питающего. Для микросхем серии К155 (Uпит. = +5 В), к примеру, единицей будет уровень выше 4 В, а нулем – ниже 0.5 В. Промежуточные значения различными сериями и типами микросхем могут интерпретироваться по-разному, поэтому выходить из указанных диапазонов не рекомендуется.
А теперь вернемся к нашей микросхеме и рассмотрим работу одного из логических элементов. Пока на входах этого элемента (выводы 1 и 2 для верхнего по схеме) низкий логический уровень, на выходе (вывод 3) присутствует высокий. При подаче «1» только на вывод 1 или 2 не изменит состояния выхода. Но если подать «1» одновременно на выводы 1 и 2, то элемент переключится и на его выходе появится «0». Стоит на один из входов подать «0», как независимо от состояния второго входа на выходе установится «1».
Таблица истинности элемента 2И-НЕ
Рассмотрев табличку, несложно понять, откуда взялось название элемента 2И-НЕ. Когда на двух входах будет высокий уровень («2И»), на выходе установится низкий («НЕ»). О том, что это именно элемент «НЕ» говорит кружочек на выводе выхода, а то, что входы работают по алгоритму «И» можно узнать из значка «&», расположенного на логическом элементе. Ну а теперь перейдем к практическому применению полученных знаний, причем в своих конструкциях мы будем использовать микросхемы разных серий.
Электронная сирена
Начнем с самого простого и соберем имитатор звука сирены, который можно использовать для озвучивания игрушечных автомобилей или в качестве велосипедного звонка. Конструкция собрана на двух микросхемах К155ЛА3.
Схема состоит из трех генераторов, собранных на элементах DD1.1-DD1.2, DD2.1-DD2.2 и DD2.3-DD2.4. Единственное их отличие друг от друга – различная частота переключения, которая зависит от емкости конденсаторов С1, С2 и С3 соответственно. Рассмотрим работу одного из них, собранного на элементах DD1.1-DD1.2.
При подаче питания один из элементов переключается в произвольное положение. Предположим, Это DD1.1, выставивший на своем выходе «1». Эта единичка переключает DD1.2 в низкий уровень. Через цепь R1, выход DD1.1 и выход DD1.2 начинается зарядка конденсатора С1. Скорость его зарядки зависит от номинала резистора и емкости самого конденсатора.
Как только С1 зарядится до определенного значения, на входах DD1.1 появится высокий логический уровень. DD1.1, а за ним и DD1.2 переключатся, и конденсатор начнет перезаряжаться напряжением обратной полярности через те же цепи. По мере его зарядки напряжение на входах DD11 снизится до логического нуля и элементы снова переключатся. Далее процесс повторится.
Генератор, работу которого мы разобрали, переключается с частотой около 1 Гц. Два остальных, собранных на DD2.1-DD2.2 и DD2.3-DD2.4, работают на звуковых частотах 500 и 1000 Гц. Управляет ими наш первый. Он поочередно запускает генераторы – один сигналом с выхода 6, второй тем же сигналом, проинвертированным элементом DD1.3.
При этом остановленный генератор выдает на свой выход «1». Это позволяет использовать элемент DD1.4 в качестве коммутатора. На его выходе первые 0.5 сек присутствует сигнал с частотой 500, а вторые 0.5 сек 1000 Гц. Этот сигнал усиливается транзистором T1 и поступает на громкоговоритель ВА1, который воспроизводит звук изменяющейся тональности.
В конструкции можно применить аналогичные микросхемы серии 133, 555 и 1533. При использовании серии 133 потребление энергии будет максимальным, а серия 1533 самая экономичная. Цоколевка всех серий одинакова. На месте T1 может работать любой маломощный кремниевый транзистор структуры n-p-n. Источник питания – любой напряжением 4.5 – 5 В. Динамическая головка должна иметь сопротивление обмотки 4-8 Ом и мощностью до 1 Вт.
При желании скорость переключения тонов и их частоты можно изменить подбором емкости конденсаторов С1, С2 и С3. Уровень громкости можно изменить подбором номинала резистора R4.
«Живой» мышонок
Эта конструкция позволит оживить игрушечного мышонка или любую другую игрушку. При поднесении к зверьку руки, он начинает попискивать и моргать глазами. В датчике использованы все те же элементы 2И-НЕ, но микросхема выбрана серии 561.
Отличие серии 561 от той же 155 состоит в том, что она собрана не на обычных кремниевых n-p (технология ТТЛ), а на полевых транзисторах с изолированным затвором (технология КМОП). Это не только существенно (до микроампер) снижает ток потребления самой микросхемой, но и обеспечивает высокое (десятки МОм) сопротивление по входам.
Рассмотрим работу схемы. Напряжение, наведенное электромагнитным полем в антенне Ant1, поступает на логический элемент DD1.1 и детектируется цепью D1,D2, С2. Далее сигнал подается на ключ, собранный на элементе DD1.4, нагрузкой которого служат светодиоды LED1 и LED2 (глаза зверька). Этот же сигнал управляет работой генератора звуковой частоты, собранного на элементах DD1.2, DD1.3. Принцип работы такого генератора мы разбирали в предыдущей конструкции, а нагружен он на пьезоэлектрический звонок BQ1.
Таким образом, если подойти близко к антенне, то электромагнитное поле, наведенное в нашем теле домовой проводкой и электроприборами, вызовет срабатывание схемы – «глаза» мышонка начнут помигивать, а пьезозвонок попискивать. Если подойти к антенне совсем близко, то «глаза» будут гореть постоянно и звук в излучателе станет непрерывным.
В конструкции можно использовать любой пъезоэлектрический излучатель и любые индикаторные светодиоды. Микросхему 561ЛА7 можно заменить на аналогичную серий 564 или 176. Во втором случае напряжение питания должно быть не ниже 9 В. Поскольку конструкция в ждущем режиме потребляет минимум энергии, выключателя питания не предусмотрено. Частоту звукового генератора можно изменить подбором емкости конденсатора С3 и номиналом резистора R2.
Если укоротить антенну до нескольких сантиметров, то игрушка может превратиться в прибор для поиска скрытой проводки.
Терменвокс
Несмотря на свою простоту, эта конструкция является самым настоящим музыкальным инструментом, созданным советским изобретателем Л. С. Терменом в далеком 1920 году. Немного попрактиковавшись, на нем можно исполнять достаточно сложные произведения. Взглянем на схему инструмента.
Перед нами уже знакомые нам генераторы, собранные на элементах микросхем DD1.1 – DD1.3 и DD2.1 – DD2.3. Частотозадающими цепями этих генераторов являются С2, R1 и С3, R2, P1. Кроме того, в первый генератор (верхний по схеме) добавлены элементы Ant1 и конденсатор С1. Они являются дополнительной частотозадающей цепью, емкость которой изменяется в зависимости от положения тела исполнителя (обычно руки) относительно антенны.
Сигналы с обоих генераторов поступают на смеситель, выполненный на микросхеме DD3, все элементы которого соединены параллельно для увеличения выходной мощности. Задача смесителя – сравнить частоты генераторов и выделить их разность – так называемую частоту биений. Полученный сигнал через согласующий трансформатор поступает на динамическую головку. Резистор P2 служит для регулировки громкости звука.
Рассмотрим процессы, происходящие в приборе во время его работы. Изначально оба генератора настраиваются на одну и ту же частоту (в нашем случае несколько десятков килогерц) – это делает исполнитель перед выступлением при помощи переменного резистора P1. Поскольку частоты, поступающие на вход смесителя, одинаковы, разность частот на его выходе равна нулю, в громкоговорителе звука нет.
Если теперь поднести руку к антенне Ant1, то частота первого генератора за счет добавленной телом оператора емкости начнет уменьшаться. Чем ближе рука к антенне, тем ниже частота. Второй же генератор продолжает работать в том же режиме, на который был настроен. В результате на выходе смесителя появится частота, соответствующая разности частот генераторов, и лежать она будет в звуковом диапазоне. В динамической головке появится звук определенного тона, который тем выше, чем ближе мы подносим руку к антенне.
Важно! Для того, чтобы генераторы не влияли на работу друг друга по линии питания, их собрали на разных микросхемах, которые запитали каждую от своего развязывающего RC фильтра (цепочки R3, С5 и R4, С6).
В конструкции вместо 176ЛА7 можно использовать 561ЛА7 или 564ЛА7. При этом напряжение питание допустимо снизить до 5 В. Трансформатор Tr1 – выходной трансформатор от транзисторного приемника или абонентского громкоговорителя (можно взять вместе с переменным резистором и динамиком). Антенна Ant1 – металлический штырь длиной 30-40 см или телескопическая антенна от радиоприемника.
Играют на инструменте следующим образом: после включения питания резистором P1 подстраивают частоту второго генератора так, чтобы в громкоговорителе пропал звук (нулевые биения). Подносят правую руку к антенне и извлекают звук нужного тона – чем ближе рука, тем выше нота. При этом левой рукой регулируют громкость звука при помощи потенциометра P2.
Чувствительность антенны терменовокса настолько высока, что изменять высоту ноты можно даже изменением положения пальцев. Это удобно использовать для создания эффекта «вибрато».
Охранная сигнализация
И напоследок конструкция, которая позволит организовать охрану закрытого объекта, к примеру, дачного домика. Интересна эта конструкция тем, что на базе уже знакомых нам элементов 2И-НЕ в ней собран триггер – устройство с двумя устойчивыми состояниями. Взглянем на схему сигнализации.
При подаче питания один из элементов микросхемы переключается в произвольное состояние. Предположим, у DD1.1 на выходе появилась «1» (вывод 3). Этот сигнал поступил на вход элемента DD1.2 (вывод 4). На втором его входе тоже «1», поскольку он «подтянут» к + 5 В резистором R3, а кнопка S2 разомкнута (вывод 5). В результате на выходе DD1.2 появляется «0», схема заняла одно из устойчивых состояний. Если первым в «1» установится элемент DD1.2, то он аналогичным образом переключит DD1.1 в «0».
Для активации режима охраны необходимо кратковременно нажать на кнопку S2 «сброс». При этом элементы DD1.1 и DD1.2 принудительно примут состояние «0» и «1» соответственно, независимо от их предыдущего положения (следим за состоянием входов при нажатии на кнопку сброса).
Если теперь нажать на кнопку S2 «тревога», то на вход первого элемента поступит «0», на его выходе появится «1», которая переключит DD1.2 в противоположное состояние (на выходе «0») и поступит на исполнительное устройство, включающее сигнал тревоги.
Важно! Если отпустить кнопку S1, то состояние логических элементов не изменится и сигнал тревоги снят не будет. Для того, чтобы вернуть схему в исходное состояние, необходимо кратковременно нажать на кнопку S2.
С этим все понятно, но где же этот триггер, о котором шла речь? Элементы DD1.2 и DD1.2, соединенные таким «перекрестным» образом, и есть триггер с двумя устойчивыми состояниями, который называют RS-триггером. На схеме он обозначается так:
А RS-триггер, собранный на элементах 2И-НЕ, будет иметь следующие соответствия:
Таблица же истинности этого узла выглядит следующим образом:
В RS-триггерах в интегральном исполнении вход R (reset, англ. сброс) имеет приоритет. Он сбрасывает триггер (Q = «0», Q инверсный = «1») независимо от состояния входа S.
На месте DD1 могут работать аналогичные микросхемы серий 133, 555, 1533. Кнопка S2 устанавливается в любом удобном месте и, естественно, скрытно. S1 – концевой выключатель, срабатывающий на открытие двери или окна. Если окон много, то кнопку можно продублировать, подключив параллельно S1 необходимое количество дополнительных. В этом случае сигнал тревоги будет подаваться при срабатывании любой из этих кнопок. Конденсатор С1 помехозащитный. Он исключает ложные срабатывания системы из-за электромагнитных наводок на кнопку S1 и ее провод.
На этом обзор устройств, собранных на элементах 2И-НЕ, можно завершить. Теперь мы знаем, как работает этот логический элемент, и можем использовать его в самостоятельных разработках.
