37. Самоделки на основе электронного счетчика

Из типовых функциональных узлов цифровой техники нетрудно собрать электронный счетчик-секундомер, аналогичный тем, которые выпускаются для школьных физических кабинетов. В этих приборах используется счетно-импульсный метод измерения времени, который состоит в том, что измеряется число импульсов, период повторения которых известен. Подобные приборы содержат следующие основные узлы: генератор счетных импульсов, схему управления (в простейшем случае ее роль выполняет кнопка «Пуск»), двоично-десятичный счетчик, дешифраторы и индикаторы. Последние три узла образуют пересчетную декаду, моделирующую один десятичный разряд. Нужно заметить, что измерение времени счетно-импульсным методом сопровождается неизбежной ошибкой, равной единице счета. Связано это с тем, что прибор зафиксирует одинаковое число импульсов и, следовательно, покажет одинаковое время, если счет прекращен сразу же после поступления последнего импульса или перед самым поступлением предыдущего импульса. В этом случае ошибка примет наибольшее значение, равное времени между двумя соседними

Рис. 172. Пересчетная декада

импульсами. Если уменьшить период повторения импульсов и ввести дополнительные разряды счетчика, то можно в нужное число раз повысить точность измерения.

Одна декада счетчика-секундомера показана на рисунке 172. Она состоит из двоично-десятичного счетчика на дешифратора на и индикатора на неоновой лампе Для питания индикатора нужно высокое напряжение , поэтому по правилам техники безопасности прибором должен пользоваться руководитель. В схеме используется дешифратор, специально предназначенный для работы с высоковольтным индикатором. Вместо лампы можно использовать лампы других типов: рассчитанные на напряжение питания 200 В и силу тока индикации Микросхема состоит из триггера со счетным входом (вход и триггерного делителя на 5 (вход При соединении выхода счетного триггера (выхрд 1) с входом делителя образуется двоично-десятичный счетчик. Он реагирует на задний фронт положительного импульса или на отрицательный скачок напряжения, поданного на вход . В условных обозначениях счетный фронт иногда показывается в виде стрелки, направленной к Микросхеме, если она реагирует на положительный скачок напряжения, или стрелки, направленной от микросхемы, если она реагирует на отрицательный перепад напряжения.

Для управления работой счетной декады используется три кнопки и переключатель. Перед началом счета декада

устанавливается в нулевое состояние кнопкой «Уст. О», при этом на входы счетчика подается логическая 1. Затем переключателем выбирается источник счетных импульсов — им может быть или триггер, или мультивибратор. В режиме «счет механических замыканий» при последовательном нажатии и отпускании кнопки происходит двоично-десятичный счет и на индикаторе последовательно загораются цифры 1, 2, 3 и т. д. до цифры 9, затем загорается цифра 0 и счет повторяется. В режиме счета импульсов на вход счетчика поступают импульсы мультивибратора, собранного по уже известной схеме на рис. 168). Для измерения времени в секундах частота импульсов должна равняться 1 Гц. Она устанавливается переменным резистором и емкостью равной

Для получения многоразрядного двоично-десятичного счетчика включаются последовательно, т.е. выход первого соединяется со входом второго, выход второго соединяется со входом третьего и т. д. Для установки многоразрядного счетчика в нулевое состояние входы объединяются и подключаются к кнопке «Уст. 0».

Если, например, прибор предполагается использовать на уроках физики, то время нужно измерять в довольно широком диапазоне — от 0,001 до 100 с. Для этого генератор должен иметь частоту а счетчик должен состоять из пяти десятичных разрядов. При этом показания цифрового индикатора будут иметь следующий вид: 00,000; 00,001; 00,002 и т.д. до 99,999 с.

Область применения учебного счетчика-секундомера можно значительно расширить, если ввести в него два дополнительных устройства — блок бесконтактного управления и блок выдержек времени. Первый блок должен обеспечивать автоматическое и безинерционное включение и отключение прибора. Для этого можно использовать уже известную схему фотореле (рис. 76), выбрав нужную чувствительность и согласовав напряжения источников питания. В схеме управления должно быть два фотодатчика — один используется для включения, а другой для выключения счетчика-секундомера в моменты пересечения лучей движущимся телом. Зная расстояние между фотодатчиками и показания секундомера, легко вычислить скорость движения тела. В блоке-приставке используются два усилителя фототока. Их выходные сигналы управляют работой счетного триггера, один из выходов которого через транзисторный ключ соединен со входом секундомера.

Можно привести также другие примеры использования электронных счетчиков. Например, автомат, моделирующий игру «в кости», состоит уже рассмотренной декады на

и неоновой лампы управляемой импульсами мультивибратора (см. рис. 168, 172). Игроки поочередно нажимают кнопку прерывающую счет. Выигрывает тот, у кого индикатор покажет большее число. Момент остановки счетчика, как и момент остановки подбрасываемого кубика с точками от 1 до 6, определяется случайными причинами, поэтому счетная декада вместе с мультивибратором являются электронным датчиком случайных чисел. Приведем еще примеры ее использования в различных игровых ситуациях.

При проверке скорости реакции игроков резистором устанавливается определенная частота работы мультивибратора и скорость смены цифр индикатора (см. рис. 168 и 172). Участникам игры предлагается нажимать на кнопку мультивибратора каждый раз, как индикатор покажет определенную, заранее выбранную цифру. Выполнить поставленное условие тем сложнее, чем выше частота переключения. Первыми выбывают из игры наиболее медлительные, победителем становится игрок, обла дающий лучшей реакцией. В другом, более сложном варианте игры нужно продолжать нажатия кнопки в установленном судьей темпе после того, как исчезают показания индикатора. Для этого его закрывают механической шторкой или отключают кнопкой

Счетную декаду вместе с мультивибратором особенно удобно использовать в играх, если ее питание сделать автономным, т. е. не связанным с сетью. В этом случае используют семисегментный светодиодный индикатор управляемый дешифратором интегральной схемы . С этой микросхемой и индикатором мы уже знакомы (рис. 150, 163). Схемы мультивибратора и счетчика остаются неизменными. Схема датчика случайных чисел, работающего от источника с напряжением 5 В, показана на рисунке 173.

Примером более сложного устройства, работающего на основе электрического счетчика, является блок выдержки времени, или таймер. На рисунке 174 показана принципиальная схема таймера, позволяющего включать различную нагрузку на время от 0 до 999 с. Он состоит из трехразрядного десятичного счетчика, собранного на микросхеме трех дешифраторов на микросхеме мультивибратора и схемы управления на микросхеме а также микросхеме Источником счетных импульсов является мультивибратор, настроенный на частоту 1 Гц. Его импульсы подаются на вход трехразрядного десятичного счетчика. Двоичные коды с каждого разряда подаются на дешифраторы На их выходах последовательно пояезляются нулевые сигналы по мере поступления на входы

Рис. 173. Пересчетная декада со светодиодным индикатором

соответствующих двоичных кодов. Установка нужной выдержки времени осуществляется переключателями соединяющими выходы дешифраторов с элементами микросхемы Входы элементов И попарно соединены для получения элемента Переключателем устанавливаются единицы секунд, переключателем десятки секунд и переключателем сотни секунд. Если, например, переключатели соединяются с выводами 2, 3 и 7 дешифраторов, то на входах элемента ИЛИ-НЕ будут три 0 только в момент, когда счетчик зафиксирует 237 импульсов или пройдет промежуток времени, равный 237 секундам с момента начала счета. При этом на выходе элемента ИЛИ-НЕ появится сигнал 1. До этого момента при всех двоичных кодах счетчика на выходе логического элемента был нулевой сигнал.

Схема управления таймера работает следующим образом. Предварительно нажимается кнопка «Стоп», в результате RS-триггер, собранный по микросхеме устанавливается в нулевое состояние. С прямого выхода нулевой уровень напряжения подается на транзистор 1/77, в эмиттерную цепь которого включена обмотка электромагнитного реле. Транзистор и реле находятся в выключенном состоянии. Одновременно с этим на инверсном выходе 6 появляется высокий уровень, который служит сигналом сброса для счетчика. При нажатии кнопки «Пуск» RS-триггер переходит в единичное состояние, на прямом выходе 3 появляется. высокий уровень напряжения, достаточный для открывания транзистора 1/77 и срабатывания реле. Его контакты замыкают цепь питания нагрузки. Одновременно с этим

(кликните для просмотра скана)

нулевой уровень напряжения, снимаемый с инверсного выхода триггера, «открывает» счетчик. Счетчик работает до тех пор, пока на выходах дешифратора не появятся выходные сигналы, соответствующие набранному числу. В. этом случае, как уже говорилось, на выходе возникает единичный сигнал, который через инвертер подается на вход -триггера. Происходит его установка в нулевое состояние и, соответственно, выключение транзистора, электромагнитного реле и нагрузки. Счетчик устанавливается в нулевое состояние.

Таймер будет показывать текущее время в секундах, если к выходам дешифраторов подключить светодиоды. Отсчет времени станет более удобным, если двоично-десятичные коды счетчиков подать на дешифраторы работающие совместно с семи-сегментными индикаторами