Справочное пособие по цифровой электронике

2.3. Логический пробник

Логический пробник очень удобен для индикации логических состояний в цифровых КМОП- и ТТЛ-схемах.

Описание схемы. Электрическая схема логического пробника показана на рис. П2.4.

Рис. П2.4. Принципиальная электрическая схема логического пробника

Сдвоенный компаратор IC1 определяет уровень напряжения на зонде, сравнивая его с напряжениями от резисторных делителей R1—R4. При стандартном питании +5 В напряжение в точке между R1 и R2 составляет примерно 2,5 В, а в точке между R3 и R4 — около 1,2 В. При отсутствии входного напряжения (зонд «плавает» в воздухе) напряжение на инвертирующем входе IC1b и неинвертирующем входе IC1a будет таким же, как и в точке между R2 и R3, т. е. равным примерно половине напряжения питания.

Входы IC1 включены так, что на выходе 1а (контакт 1) появляется низкий уровень, если зонд пробника воспринимает логический 0, а на выходе IC1b формируется низкий уровень, когда зонд воспринимает логическую 1. В любом случае будет светиться соответствующий светодиод D2 или D1, показывая логическое состояние, воспринимаемое зондом. В отсутствие логических 0 и 1 (неопределенное или высокоуровневое состояние, а также разомкнутая цепь) на обоих выходах IC1 действуют высокие уровни и ни один из светодиодов не светится.

Микросхема 1С2 представляет собой таймер 555, работающий н моностабильном режиме (см. гл. 4) и обеспечивающий необходимое расширение импульсов. Запускающий импульс формируется с помощью конденсаторов С1 или С2 и резисторов R9 или R10. Спадающий фронт образуется при переходе любого выхода микросхемы 1С1 с высокого на низкий уровень.

Длительность импульса таймера (и время свечения D3) определяется времязадающими элементами R11 и СЗ. Конденсатор С4 служит для сглаживания питания, а диод D4 защищает пробник от случайного неправильного подключения питания.

Монтаж. Все компоненты логического пробника монтируются на плате с девятью полосками, имеющими по 37 отверстий. Эту плату можно отрезать от стандартной платы Veroboard (24 полоски по 37 отверстий), сохранив ее часть для логического пульсатора.

Монтажная схема логического пробника на плате Veroboard показана на рис. П2.5.

Рис. П2.5. Монтажная схема логического пробника

Из рисунка видно, что нужно сделать 23 разрыва печатных проводников.

Рекомендуется следующая последовательность монтажа логического пробника: гнезда микросхем, пистоны, перемычки, резисторы, диоды, конденсаторы и светодиоды (выводы последних должны иметь такую длину, чтобы светодиоды были видны в верхней части корпуса). После этого можно подключить провода питания, обратив внимание на правильную полярность (для напряжения +5 В берется красный провод с зажимом «крокодил»).

Прежде чем вставлять микросхемы в гнезда и закреплять печатную плату, тщательно проверьте все компоненты, перемычки и разрывы печатных проводников. Целесообразно обратить особое внимание на подключения полярных компонентов, включая светодиоды, электролитические конденсаторы и диоды. Проверьте надежность соединений и отсутствие выплесков припоя и замыканий между печатными проводниками.

После проверки печатной платы можно вставить в гнезда микросхемы, обратив внимание на их правильную ориентацию. Затем плата монтируется в корпусе пробника; не требуется никаких дополнительных приспособлений, так как плата плотно зажимается при соединении двух половин корпуса. Зонд пробника закрепляется в держателе и соединяется со входом пробника.

Проверка. Логический пробник необходимо проверить, пользуясь блоком питания с ограничением по току. Подключите провода питания пробника к блоку, соблюдая правильную полярность. При свободном зонде пробника ни один из светодиодов не должен светиться.

Теперь коснитесь точки с нулевым потенциалом. Светодиод D3 (импульс) должен вспыхнуть 1 раз, показав изменение логического состояния, а светодиод D2 (логический 0) должен светиться постоянно. Наконец, коснитесь зондом пробника линии +5 В. При этом светодиод D3 также должен вспыхнуть 1 раз, а светодиод D1 (логическая 1) должен светиться постоянно. Если логический пробник не реагирует подобным образом, нужно вынуть печатную плату из корпуса и тщательно проверить ее, обратив особое внимание на ориентацию полярных компонентов (светодиодов, микросхем, диодов, электролитических конденсаторов) и правильность перемычек и разрывов.

Модификации. Мы говорили о том, что логические уровни в TTЛ-схемах отличаются от уровней в КМОП-схемах. Следовательно, используемые в логическом пробнике пороговые уровни должны быть компромиссными. Но, если пробник предназначается только для одного вида схем, рекомендуется изменить параметры компонентов, приведенных в табл. П2.1.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %); R1 = 15 кОм; R2 = R3 = R8 = R9 = 4,7 кОм; R4 = R12 = 10 кОм; R5 = 470 кОм; R6 = R7 = R11 = 270 Ом; R10 = 22 кОм; конденсаторы: С1 = С2 = 0,1 мкФ; С3 = 4,7 мкФ (танталовый, 16 В); С4 = 10 мкФ (электролитический, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1 — LM393; IС2 — 555; D1—D3 — красный светодиод (диаметр 3 мм); D4 — 1N4001.

Дополнительные детали: 8-контактное гнездо для 1C (2 шт.); корпус пробника с размерами 140x30x20 мм; односторонние пистоны (3 шт.); печатная плата типа Veroboard с размерами около 95x63 мм.

Спецификации

Входное сопротивление зонда пробника, кОм … ~ 400

Пороговые напряжения:

логическая 1 (ТТЛ) … 2,5 В (универсальный вариант); 2,4 В (только для ТТЛ)

логический 0 (ТТЛ) … 1,2 В (универсальный вариант); 1,2 В (только для ТТЛ)

логическая 1 (КМОП) … 60 % напряжения питания (универсальный вариант); 70 % напряжения питания (только для КМОП)

логический 0 (КМОП) … 30 % напряжения питания (универсальный вариант); 30 % напряжения питания (вариант только для КМОП)

Длительность расширения импульса, мс … 200

Минимальная длительность импульса, нс … 500

Максимальная частота входного сигнала (ТТЛ), МГц … 10

Требования к питанию:

ТТЛ … 4,5–5,5 В, ток не более 30 мА

КМОП … 3—15 В, ток не более 60 мА

2.4. Логический пульсатор

Обычно логический пульсатор применяется совместно с логическим пробником, но может использоваться и автономно для изменения логического состояния цифровой схемы без привлечения паяльника. Пульсатор предназначен для ТТЛ- и КМОП-схем.

Описание схемы. Электрическая схема логического пульсатора приведена на рис. П2.6.

Рис. П2.6. Принципиальная электрическая схема логического пульсатора.

Таймер 555 (IC1) включен как моностабильный генератор импульсов (см. гл. 4). На выходе таймера (контакт 3) при нажатии кнопки S2 действует напряжение высокого уровня, продолжительность которого определяется цепочкой R2—C2. Для указанных параметров элементов длительность импульса составляет около 5 мс.

Полярность импульса коммутируется тумблером S1. Транзистор TR1 работает в режиме инвертора, а транзисторы TR2 и TR3 являются насыщенными ключами и обеспечивают достаточную нагрузочную способность. Выходной ток ограничивается резисторами R7 и R8.

При стандартном питании +5 В пиковый отдаваемый ток ограничивается для короткозамкнутой цепи несколькими сотнями миллиампер.

Когда выходного импульса нет, транзистор TR1 включен, но оба транзистора TR2 и TR3 находятся в непроводящем (выключенном) состоянии. Следовательно, зонд пульсатора находится в высокоимпедансном состоянии.

Как и в логическом пробнике (см. рис. П2.4), диод D1 обеспечивает защиту от неправильного подключения питания.

Монтаж. Все компоненты логического пульсатора монтируются на печатной плате (9 полосок с 37 отверстиями). Ее можно отрезать от стандартной платы Veroboard (24 полоски с 37 отверстиями) или использовать ту часть платы, которая осталась при монтаже логического пробника.

На рис. П2.7 показана монтажная схема логического пульсатора для платы типа Veroboard.

Рис. П2.7. Монтажная схема логического пульсатора

Рекомендуется следующая последовательность монтажа компонентов: кнопка, переключатель, гнездо IС, пистоны, перемычки, транзисторы, резисторы, диод и конденсаторы. Последними монтируются держатель зонда и провода питания (ее забывайте о правильной полярности — для +5 В берется красный провод с зажимом типа «крокодил»). Всего необходимо сделать 18 разрывов печатных проводников. С обратной стороны платы расположены три перемычки, показанные на рис. П2.7 пунктирной линией.

Прежде чем вставить микросхему в гнездо и закрепить плату в корпусе, тщательно проверьте компоненты, перемычки и разрывы печатных проводников; обратите внимание на ориентацию полярных компонентов (транзисторов, диода и электролитических конденсаторов) и отсутствие замыканий из-за выплесков припоя.

После проверки платы нужно вставить в гнездо микросхему, обратив внимание на ее ориентацию. Затем плату временно вставляют в корпус пульсатора. При этом не требуется никаких дополнительных приспособлений, так как плата плотно зажимается при соединении двух половин корпуса. В верхней части корпуса размечаются отверстия под кнопки S1 и S2. Для S2 требуется прямоугольное отверстие с размерами 8x3 мм. Необходимо сначала просверлить несколько маленьких отверстий, а затем обработать прорезь надфилем. Обе половины корпуса скрепляются винтами с потайной головкой, а зонд монтируется в держателе.

Проверка. Для проверки пульсатора требуется блок питания с ограничением тока и логический пробник. Подключите провода питания пробника и пульсатора к блоку питания, соблюдая правильную полярность, а затем соедините их зонды коротким изолированным проводом с зажимами типа «крокодил».

Установите переключатель S1 на генерирование положительного импульса. Не касаясь кнопки S2, убедитесь, что выход пульсатора находится в высокоимпедансном состоянии, т. е, ни один из светодиодов пробника не светится. В противном случае отключите пульсатор, разберите его и вновь проверьте печатную плату.

При правильной работе пульсатора в статическом состоянии, нажмите кнопку S2 для генерирования импульса и одновременно наблюдайте за поведением светодиодов пробника. Пробник должен зафиксировать положительный импульс. Если импульс не наблюдается или пульсатор формирует на выходе неизменное напряжение низкого или высокого уровней, его придется разобрать и вновь тщательно проверить монтаж платы. Затем следует повторить предыдущую процедуру, но переключатель S1 установите при этом на генерирование отрицательного выходного импульса.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R2 = R3 = 10 кОм; R4 = R5 = R6 = 4,7 кОм; R7 = R8 =10 Ом; конденсаторы: С1 = 4700 пкФ; С2 = 0,47 мкФ (танталовый, 35 В); С3 = 10 мкФ (танталовый, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1 — 555; D1 — 1 N4001; TR1, TR2 — 2N3703; TR3 — 2N3705.

Дополнительные детали: S1 — плоская клавишная кнопка, монтируемая на печатной плате; S2 — сверхминиатюрный скользящий двухполюсный переключатель на два положения; 8-контактное гнездо для микросхем; корпус пульсатора с размерами 140x30x20 мм, односторонние пистоны (3 шт.); часть платы Veroboard с размерами 95x63 мм.

Спецификации

Длительность выходного импульса, мс … 5,2

Полярность импульса … Положительная или отрицательная (задается)

Пиковый выходной ток (короткозамкнутая цепь), мА … ~ 200

Пиковый выходной ток (короткозамкнутая цепь), мА… >= 200

Напряжение питания, В … 4,5—15

Потребляемый средний ток, мА … =< 15

2.5. Генератор импульсов

Генератор формирует разнообразные импульсные сигналы, которые можно использовать с любыми цифровыми схемами. Период импульсов регулируется от 14 мкс до 1,4 с в пяти десятичных диапазонах, ширина импульсов варьируется от 7 мкс до 0,7 с также в пяти десятичных диапазонах. Генератор имеет два независимых выхода: сигнал на одном из них TTЛ-совместим (пиковый выход 5 В), а на другом амплитуда импульсов регулируется в диапазоне от 0 до 8 В и работает от сети 240 В. Он собран из дешевых недефицитных элементов. Монтируется генератор на стандартной плате Veroboard и в стандартном корпусе Verobox.

Описание схемы. Электрическая схема генератора импульсов приведена на рис. П2.8.

Рис. П2.8. Принципиальная электрическая схема генератора импульсов.

Сетевой трансформатор Т1 подает напряжение 9 В на мостовой выпрямитель D1—D4. На конденсаторе С1 образуется выходное постоянное напряжение, примерно равное 13 В. Транзистор TR1 действует в качестве простого последовательного стабилизатора. Стабилитрон D5 обеспечивает эталонное напряжение 10 В, а светодиод D6 сигнализирует о включенном питании.

Микросхема IC1 — это стандартный таймер 555, работающий в астабильном режиме. Потенциометр VR1 предназначается для регулировки частоты повторения импульсов, а с помощью переключателя S2 выбирается один из пяти времязадающих конденсаторов.

Выход IC1 (примерно симметричные прямоугольные импульсы) по дается па вход запуска микросхемы IC2 через формирующую цепочку С15, R6 и D7.

Второй таймер 555 (IC2) работает в моностабильном режиме, и длительность его выходных импульсов регулируется потенциометром VR2. С помощью переключателя S3 осуществляется декадный выбор времязадающего конденсатора. Выходной сигнал IC2, представляющий собой импульсную последовательность с регулируемым коэффициентом заполнения, подается на потенциометр VR3, определяющий амплитуду импульсов на выходе SK3. Транзистор TR2 инвертирует выходной сигнал таймера и формирует ТТЛ-совместимый сигнал на выходе SK1.

Монтаж и проверка. Все компоненты генератора, за исключением силового трансформатора, гнезда предохранителя и органов управления монтируются на стандартной плате (24 полоски с 37 отверстиями). Монтажная схема генератора на плате Veroboard показана на рис. П2.9.

Рис. П2.9. Монтажная схема генератора импульсов.

На плате необходимо сделать 15 разрывов. Рекомендуется следующая последовательность монтажа: гнезда, перемычки, конденсаторы, резисторы, мостовой выпрямитель и выходные пистоны. До окончательного закрепления платы проверьте размещение компонентов, перемычки и разрывы, убедитесь в правильной ориентации электролитических конденсаторов и мостового выпрямителя, а также в отсутствии замыканий печатных проводников из-за выплесков припоя.

После того как плата тщательно проверена, ее закрепляют в корпусе Verobox с помощью трех коротких изолирующих стоек. Затем можно вставить в гнезда микросхемы, соблюдая, конечно, их правильную ориентацию.

Органы управления, переключатели, индикаторы и выходные гнезда монтируются на лицевой панели в соответствии с рис. П2.10.

Рис. П2.10. Трафареты для разметки лицевой панели.

Такой рисунок можно вырезать и наклеить на лицевую панель. Соединения с компонентами, находящимися на лицевой панели, прокладываются короткими изолированными проводами согласно схеме, приведенной на рис. П2.11.

Рис. П2.11. Монтажная схема лицевом панели.