НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Логические микросхемы предназначаются главным образом для аппаратуры обработки логических сигналов и цифровой информации в вычислительной технике, например в ЭВМ, электронной автоматике. Отсюда и название микросхем этого класса: логические или цифровые. К ним относятся различные генераторы, триггеры, счетчики импульсов, делители частоты, шифраторы и дешифраторы, запоминающие устройства и многие другие микросхемы функционального назначения. Но в этой части беседы я познакомлю тебя лишь с наиболее простыми логическими микросхемами, на базе которых можно выполнить различные электронные устройства.

У радиолюбителей, интересующихся цифровой техникой, наибольшей популярностью пользуются микросхемы серии , являющиеся основой для построения современных ЭВМ. Составной частью многих из них, и не только микросхем этой серии, служит логический элемент , графическое изображение которого ты видишь на рис. 303, а. Его условным символом является знак внутри прямоугольника (заменяющий союз в английском языке). У такого логического элемента может быть два и больше входов, обозначаемых слева, и один выход - справа. Небольшой кружок, которым начинается выходная линия связи, символизирует логическое отрицание «НЕ» на выходе элемента. На языке цифровой техники «НЕ» означаем что логический элемент является инвертором, т.е. электронным устройством, уровень ходного сигнала которого противоположен входному.

Электрическое состояние логического элемента характеризуют электрическими сигналами на его входах и выходе. В соответствии с двоичной системой счисления, принятой в цифровой технике, сигнал небольшого (или нулевого) уровня, напряжение которого не превышает , называют логическим нулем (0), а сигнал более высокого уровня (по сравнению с логическим 0), уровень которого может быть - логической единицей (1). Если, например, говорят, что на выходе элемента логическая 1 (на входе, следовательно, логический 0), это значит, что в данном случае на выходе элемента действует сигнал, напряжение которого соответствует уровню логической 1.

Действие такого элемента как инвертора можно сравнить с работой кремниевого n-р-n транзистора в режиме переключения. Если его базу соединить с эмиттером или подавать на нее положительное напряжение смещения, не превышающее , транзистор будет находиться в открытом состоянии и напряжение на его коллекторе будет близко к напряжению питания. При таком состоянии транзистора входное напряжение низкого уровня можно принять за логический 0, а выходное напряжение более высокого уровня - за логическую 1. Если затем на базу подать такое положительное напряжение смещения, при котором транзистор откроется, то напряжение на его коллекторе упадет почти до нуля. Такое состояние транзистора будет в нашем примере соответствовать выходному напряжению низкого уровня и входному высокого уровня. При подаче на базу пульсирующего напряжения транзистор с частотой и полярностью следования импульсов будет переключаться из открытого состояния в закрытое и, наоборот, из закрытого состояния в открытое, имитируя работу инвертора.

Но у элемента (рис. 303, а), с которого я начал знакомить тебя с логическими микросхемами, два входа. Поэтому и принцип его действия несколько отличается от свойств одного транзистора, работающего в режиме переключения. Сущность действия такого элемента заключается в том, что при подаче на один из его входов напряжения низкого уровня, а на второй вход напряжения высокого уровня, на выходе появляется напряжение высокого уровня, которое исчезает при подаче на оба входа сигналов, соответствующих напряжению высокого уровня. В этом и заключается логика элемента . Если все входы такого элемента соединить вместе, т.е. сделать его одновходовым, он будет работать как инвертор.

Напряжение на входе логического элемента, при котором он переходит из одного устойчивого состояния в другое, т. е. переключается из открытого состояния в закрытое, называют пороговым. Для микросхем серии пороговое напряжение составляет примерно 1,15 В.

Для твоих опытных конструкций потребуется, прежде всего, микросхема , условное обозначение которой показано на рис. 303,б. Конструктивно она выглядит так же, как микросхемы серии , но в ее корпусе четыре логических элемента . Каждый из них имеет свои входы и выход и работает как самостоятельный элемент. Источник постоянного тока напряжением не более 5 В, питающий все элементы микросхемы, подключают к ее выводам . Но эти выводы не принято указывать на условных изображениях цифровых микросхем, потому что на принципиальных электрических схемах тех или иных устройств элементы, составляющие микросхемы, в подавляющем большинстве случаев чертят раздельно.

Схема первого опытного устройства на цифровой микросхеме, которую я предлагаю тебе для закрепления в памяти принципа работы логического элемента , показана на рис. 304. Из четырех элементов микросхемы в нем работают только два (любых) а два других не используются. В целом это устройство представляет собой генератор световых импульсов, который можно использовать, например, для модели маяка.

Рис. 304. Схема генератора световых импульсов с использованием логических элементов 2И-НЕ

Элементы , включенные инверторами, соединены между собой последовательно, образуя как бы двухкаскадный транзисторный усилитель с непосредственной связью. Конденсатор С1, включенный между выходом элемента и входом элемента , создает между выходом и входом такого усилителя положительную обратную связь, благодаря которой он возбуждается, начинает генерировать электрические колебания.

Догадываешься, что представляет собой эта часть электронного устройства? Совершенно верно: мультивибратор, генерирующий импульсы напряжения, близкие по форме к прямоугольным. Частота импульсов зависит от емкости конденсатора и сопротивления резистора. . При емкости конденсатора , указанной на схеме, только переменным резистором частоту импульсов можно изменять примерно от 60 до 120 в 1 мин (1-2 Гц).

С вывода 6 элемента , являющегося выходом мультивибратора, скачкообразно изменяющееся напряжение подается на базу транзистора V1 и управляет его работой. В те моменты времени, когда на выводе 6 этого элемента напряжение низкого уровня, транзистор V1 закрыт. Когда же на этом выводе напряжение высокого уровня, транзистор открывается и лампочка Н в его коллекторной цепи загорается. Таким образом, транзистор, управляемый перепадами напряжения на выходе элемента , работает в режиме переключения, а частота световых вспышек лампочки определяется частотой импульсов, генерируемых мультивибратором.

Все детали генератора световых импульсов, кроме источника питания, можно смонтировать на картонной плате размерами примерно мм. Микросхему , электролитический конденсатор (типа ), транзистор V1, лампочку накаливания и резисторы размещай с одной стороны платы, а соединения между ними делай с другой стороны. Выводы микросхемы пропусти через проколы в плате до упора корпуса, отогни немного в стороны и тут же пронумеруй, чтобы исключить ошибки в соединении ее элементов.

Источником питания может быть сетевой блок питания, батарея или батарея, составленная из трех элементов 332. Проводник положительного полюса источника тока (желательно в изоляции красного цвета) подключай к выводу 14, а проводник отрицательного полюса - к выводу 7 микросхемы.

Прежде чем включить питание, движок резистора поставь в положение наибольшего введенного сопротивления (по схеме - в крейнее правое), а между общим заземленным проводником и выходом мультивибратора (вывод 6 элемента ) включи вольтметр постоянного тока. Если ошибок в монтаже нет, то после включения питания стрелка вольтметра должна периодически, с частотой мультивибратора, отклоняться от нулевой отметки шкалы и с такой же частотой вспыхивать лампочка в коллекторной цепи транзистора. Попробуй уменьшать введенное сопротивление переменного резистора - частота колебаний стрелки вольтметра и вспышек лампочки накаливания должна плавно увеличиваться.

Подключи параллельно конденсатору второй конденсатор такой же или большей емкости. Что изменилось? Частота световых вспышек, регулируемая резистором , уменьшилась примерно вдвое. Емкость этого конденсатора можно уменьшить примерно до . Но тогда при минимальном сопротивлении резистора частота импульсов, генерируемых мультивибратором, будет столь значительной, что стрелка вольтметра и нить накала лампочки из-за инерционности уже не смогут на них реагировать. На такую частоту будут реагировать только головные телефоны, подключенные к выходу мультивибратора.

Такой генератор ты можешь также использовать в рчестве «мигалки» - указателя поворотов при езде на велосипеде. В этом случае резистор может быть постоянным, но подобранным такого номинала, чтобы лампочка вспыхивала не более 50-60 раз в 1 мин. Источник питания - батарея . Для коммутации цепей питания используй трехпозиционный двухсекционный тумблер со средним нейтральным положением. В среднем положении ручки тумблера генератор и лампочки накаливания, находящиеся слева и справа от сидения велосипеда, обесточены. В левом положении ручки тумблера будут включаться одновременно сам генератор и левая лампочка, а при правом положении ручки тумблера - тоже генератор и правая лампочка указателя поворотов.

Составить схему такой коммутации цепей питания ты, надеюсь, сможешь и без моей помощи.

Схему еще одного устройства на микросхеме , в котором работают все составляющие ее элементы , ты видишь на рис. 305. Это тоже генератор, но он низкочастотный. Сам генератор образуют последовательно соединенные элементы . Конденсатор создает между выходом второго элемента и входом первого элемента положительную обратную связь, обеспечивающую автоколебательный процесс, а резистор стабилизирует режим возбуждения генератора.

Работает устройство следующим образом. Сразу после включения питания (выключателем ) конденсатор начинает заряжаться через резистор . Предположим, что в этот момент времени на выходе элемента будет напряжение высокого уровня (около 4 В), тогда на выходе элемента будет напряжение низкого уровня (примерно 0,4 В). Как только напряжение на левой (по схеме) обкладке конденсатора , а значит, и на входе элемента станет ниже порогового , состояние всех элементов изменится на обратное. Теперь конденсатор начинает разряжаться через резистор и элемент , а затем, когда элементы переключатся в первоначальное состояние, будет вновь заряжаться и т.д. В результате на выводе 6 элемента , являющегося выходом генератора, будут непрерывно, пока включено питание, формироваться импульсы напряжения прямоугольной формы. Точно такие же импульсы, но сдвинутые по фазе на 180°, будут и на выводе 11 элемента , выполняющего функцию инвертора.

Рис. 305. Схема генератора колебаний звуковой частоты

С выхода элемента сигнал генератора подается на переменный резистор , а с его движка на вход усилителя ЗЧ, работу которого надо проверить. Этот резистор, таким образом, выполняет роль регулятора уровня выходного сигнала генератора.

Частоту генерируемых импульсов плавно регулируют переменным резистором . С уменьшением его сопротивления частота генератора повышается, а с увеличением, наоборот, снижается. При емкости конденсатора , равной , наибольшая частота генератора составляет , а наименьшая примерно 500 Гц.

Смонтировать и проверить работоспособность генератора можно на той же картонной плате, на которой ты монтировал первый генератор, с использованием той же микросхемы. Конденсатор - МБМ или БМ, резисторы любых типов. Источником питания может быть выпрямитель с выходным напряжением 5 В или батарея .

Тщательно проверь все соединения по принципиальной схеме. Если ошибок в монтаже нет, то подключи к. выходу генератора головные телефоны и включи питание - в телефонах услышишь звук, тональность которого можно изменять переменным резистором , а громкость - переменным резистором .

Определенный практический интерес представляет двухтональный генератор который можно использовать, например, в качестве квартирного звонка.

Такой звуковой автомат (рис. 306) состоит из трех генераторов, включаемых вызывной кнопкой . В первом из них работают элементы , во втором - , в третьем - . Элемент , таким образом, является общим для второго и третьего генераторов, которые, в свою очередь, управляются первым генератором.

Принцип работы всех генераторов аналогичен действию предыдущих, но частота пульсаций первого генератора составляет Гц, частота второго около 600 Гц, третьего примерно 1000 Гц. Частота импульсов первого генератора, выполняющего функцию электронного переключателя, определяется в основном емкостью конденсатора , а частоты второго и третьего генераторов, являющихся тональными, емкостями соответствующих им конденсаторов С2 и С3 и резисторов R2 и R3.

Рис. 306. Схема двухтональной сирены

Когда нажата вызывная кнопка . подано напряжение питания на микросхемы, импульсы переключающего генератора включают (со сдвигом фазы на 180°) тональные генераторы. При этом на выводе 6 элемента периодически, с частотой переключающего генератора, появляются колебания то второго, то третьего тональных генераторов. Эти колебания усиливаются транзистором V1 и динамической головкой преобразуются в как бы переливающийся и изменяющий свою тональность звук. Резистор ограничивает ток базы транзистора V1.

Детали звонка можно печатным или навесным методом смонтировать на плате размерами мм (рис. 307) и вместе с источником питания (четыре аккумулятора или батарея ) разместить в пластмассовой коробке. Все электролитические конденсаторы типа . Конденсатор С3 составлен из двух, соединенных последовательно конденсаторов емкостью по , но он может быть бумажным емкостью 0,5 или . Резисторы - MЛT. Динамическая головка мощностью со звуковой катушкой сопротивлением 8-10 Ом.

Если детали исправны и нет ошибок в монтаже, звонок начинает работать сразу же после нажатия вызывной кнопки, включающей питание. Установить желательную тональность звучания можно подбором конденсаторов и резисторов тональных генераторов. Чтобы при подборе этих деталей удлинить интервалы времени включения тональных генераторов, параллельно конденсатору переключающего генератора можно подключить конденсатор емкостью в несколько тысяч микрофарад.

Если двухтональный генератор будет использоваться в электронных играх или игрушках с длительной подачей звуковых сигналов, то транзистор усилителя мощности следует заменить кремниевым транзистором средней мощности, например или с любым буквенным индексом.

Рис. 307. Монтажная плата двухтональной сирены

Во всех устройствах, о которых я рассказал тебе в этой части беседы, микросхему можно заменить микросхемой из серии или из серии . При этом никаких изменений в схеме делать не надо, так как эти микросхемы как и , содержат по четыре элемента с таким же расположением выводов.