Как проектировать электронные схемы

В настоящее время оба типа микросхем широко распространены, и нередко возникает необходимость сочетания в одном устройстве двух интегральных схем (ИС) различных типов. Это не вызывает трудностей, если их напряжения питания совпадают. В противном случае между выходом одной микросхемы и входом другой нужно добавить согласующий каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.1). Следует помнить, что такой каскад инвертирует логические сигналы, и для восстановления полярности выходных импульсов после него потребуется включить дополнительный инвертор.

Напомним также, что неиспользуемый логический вход (ТТЛ или КМОП элементов) никогда не должен оставаться свободным. Его следует подключить через резистор к напряжению Vcc, Vss (в зависимости от типа вентиля) или к точке с подходящим потенциалом, выбрав наиболее простой вариант соединения для данного рисунка печатной платы.

ИСТОЧНИК АВАРИЙНОГО ПИТАНИЯ

Иногда необходимо поддерживать питание устройства в течение некоторого времени, даже если напряжение сети отключается. Это важно, например, для цифровых часов, которые должны вести непрерывный счет времени.

В случае кратковременного прерывания питания можно подключить к источнику напряжения конденсатор большой емкости, соблюдая при этом необходимые меры предосторожности (см. раздел «Выходной конденсатор»). Гораздо надежнее другой вариант, не требующий больших затрат: использование батарейки и диода, предотвращающего протекание тока в обратном направлении (рис. 2.2).

Такое решение не потребует большого дополнительного места. Установка аккумулятора (вместо батарейки) оправдана лишь в редких случаях, например для питания микроконтроллера.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Присоединение неиспользуемых входов

Иногда один из операционных усилителей (ОУ) микросхемы, в корпусе которой размещаются два или четыре ОУ, не применяется. Подчас это делается преднамеренно, как, например, при использовании микросхемы LM324 (счетверенный ОУ), которая обычно дешевле, чем сдвоенный аналог LM358. В этом случае возникают проблемы паразитных колебаний и избыточного потребления. Для их разрешения неиспользуемые входы следует соединить по схеме повторителя напряжения, то есть вход «+» с общей точкой, а вход с выходом (рис. 2.3).

Уровни выходного сигнала

Операционный усилитель может с одинаковым успехом использоваться как в аналоговых приложениях (в усилителях и генераторах гармонических сигналов), так и в цифровых. В технической документации, прилагаемой к этому компоненту, среди прочих характеристик указывают максимальный уровень выходного сигнала по отношению к напряжению питания. Известная микросхема LM324, например, имеет типичный уровень сигнала -1,5 В. Таким образом, при питании 5 В напряжение на ее выходе никогда не превысит 3,5 В. Это может мешать запуску логической схемы, порог переключения которой не адаптирован к такому уровню, или обеспечению питания нагрузки, требующей более высокого напряжения (хотя LM324 может обеспечить достаточный ток). В этом случае включение реле DIP 5 В становится ненадежным.

В зависимости от того, к какому источнику подключен светодиод (к Vcc или Vss), он либо никогда полностью не погаснет, либо будет гореть с меньшей интенсивностью. В подобных случаях на выходе операционного усилителя рекомендуется поставить буферный каскад на транзисторе.

Объединение выходов операционных усилителей

Иногда при использовании ОУ в качестве компараторов напряжения возникает необходимость объединения их выходов. Разумеется, такую операцию нельзя проводить с моделями, для которых подобный вид соединения не предусмотрен (например, LM324). Микросхема LM389 имеет на выходе каскад на транзисторе n-p-n типа с открытым коллектором (см. раздел «Каскады с открытым коллектором») и допускает такое соединение. Типичное применение такой схемы — отслеживание аналоговой величины (например, напряжения батареи) и выдача сигнала в случае ее выхода за пределы заданного диапазона (рис. 2.4). Оба усилителя включены по схеме компаратора, один для верхнего порога, другой — для нижнего.

Когда контролируемое напряжение находится в допустимых пределах, на выходе каждого компаратора имеется состояние логической единицы (выходной транзистор выключен). Когда же напряжение выходит за заданные рамки, логическое состояние на выходе изменяется на противоположное.

Объединение выходов применяется также в устройствах, в которых аналого-цифровое преобразование выполняется путем сравнения напряжений, где один и тот же бит (выход всех компараторов) служит для считывания результатов многих преобразований. Во всех случаях не следует забывать о подключении нагрузочного резистора, общего для всех компараторов, к положительному выводу источника питания.

СВЕТОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Буквенная индикация

Семисегментный индикатор позволяет отображать не только цифры, но и некоторые другие знаки и символы. Если творчески отнестись к поставленной задаче, можно обойтись без 16-сегментной модели или точечной матрицы, которые намного дороже и сложнее в применении. При этом вид отображаемой информации будет в большей степени зависеть от возможностей индикатора, чем от реальной необходимости. На рис. 2.5 представлены некоторые примеры того, что может отображать индикатор. Управление различными сегментами осуществляется при помощи специализированной логической схемы, как и в большинстве случаев применения символьной индикации.

Алфавитно-цифровые индикаторы на жидких кристаллах

Кроме классических семисегментных индикаторов имеется семейство так называемых «разумных» индикаторов. Они могут отображать не только цифры, но также буквы и некоторые другие символы на одной или двух строках из 8 или 16 знаков с фоновой подсветкой или без нее. Такие модули снабжены довольно сложной электроникой, они получают информацию от микроконтроллера через стандартный параллельный интерфейс в сочетании с тремя дополнительными управляющими вводами (рис. 2.6).

Два ввода постоянно используются при работе, а третий (R/W), служащий при необходимости для считывания содержимого внутренней памяти, может быть заземлен через резистор.

Наиболее распространенные управляющие программы описаны в главе 5. Пока же достаточно отметить, что индикатором можно управлять с помощью четырех битов вместо восьми. В этом случае, как ни странно, многие модели со строкой из 16 знаков начинают функционировать как двустрочные индикаторы, содержащие по восемь знаков на строку. Иначе говоря, после отправления восьмого знака необходимо выдать команду перехода на другую строку, чтобы получить возможность написать девятый знак.

Индикаторные модули позволяют регулировать контрастность изображения с помощью внешнего переменного резистора. Такое устройство необходимо, поскольку подключение соответствующего контакта к фиксированному напряжению (Vss или Vcc) не позволяет получить оптимальную контрастность. При подборе яркости фоновой подсветки, которую дают размещенные за индикатором светодиоды, лучше определить величину ограничивающего резистора экспериментальным путем, не полагаясь на инструкции производителя.

Подсветка потребляет много энергии, поэтому желательно выбрать максимально допустимую величину резистора, обеспечивающую достаточное освещение при любых условиях.

Мультиплексирование многоразрядного индикатора Как правило, семисегментным индикатором управляют посредством специализированной микросхемы декодирования (например, CD4511), включающей в себя четырехбитный дешифратор, защелку и несколько буферных каскадов для запуска каждого светодиода.

Если для индикации необходимо использовать ряд цифр, задача существенно усложняется, ведь при этом нужны схемы декодирования для всех цифр, а каждой из этих схем должна также управлять довольно сложная логическая схема (рис. 2.7а).

В таком случае рисунок печатной платы принимает вид головоломки, поскольку индикатор может иметь самое различное размещение компонентов. Кроме того, резко увеличивается общий расход тока, поскольку токи, потребляемые каждым освещенным сегментом, суммируются.

Другой подход состоит в мультиплексировании индикации, когда нужные цифры отображаются одна за другой с частотой, при которой создается впечатление, что все они светятся постоянно.

Если частота повторения слишком высока, яркость свечения снижается, при слишком низкой частоте появляется заметное мелькание. Подобная техника существенным образом упрощает электрические соединения и сокращает общее потребление энергии, поскольку в каждый момент времени горит только один индикатор.

На схеме, показанной на рис. 2.7б, осуществляется поочередное подключение общего электрода каждого из индикаторов (анода или катода). Когда некоторые сегменты активированы, загорается только тот индикатор, общий электрод которого также активирован, а остальные индикаторы погашены. Сначала управляющий сигнал поступает на общий электрод светодиодов первого индикатора, активируя его на определенный промежуток времени. По истечении этого интервала сигнал получает следующий индикатор и т. д. При этом необходимо точно соблюдать последовательность подачи управляющих сигналов на общий электрод и на соответствующие сегменты, что успешно выполняется некоторыми специализированными интегральными схемами (например, ICL7107). Вместо этого можно использовать микроконтроллер с соответствующим программным обеспечением.

Температурный дрейф подстроенных резисторов

У всех резисторов, в особенности у подстроенных, номиналы могут изменяться в зависимости от температуры. Необходимо учитывать это явление как при разработке, так и при изготовлении схемы. По обе стороны от подстроенного резистора следует поместить постоянные резисторы (рис. 2.8), а также расположить подстроенный резистор как можно дальше от всех источников тепла.

Желательно удалить на максимальное расстояние охлаждающие радиаторы, стабилизаторы, мощные резисторы и трансформаторы. Дополнительные резисторы позволяют свести диапазон регулировки сопротивления к минимуму Кстати, к этой мере рекомендуется прибегать всегда, даже когда нет опасности перегрева. Как правило, после тестирования схемы необходимо уточнить рассчитанные параметры.

ТРИГГЕРЫ И СЧЕТЧИКИ

Триггеры (логические элементы с двумя устойчивыми состояниями, подобные выключателю) могут быть выполнены как в ТТЛ (7413, 7414 и т. д.), так и в КМОП (CD4013) базисе. В одном корпусе содержится как минимум два триггера. При их монтаже необходимо соединить между собой некоторые выводы, что усложняет рисунок печатной платы. Вместо этих компонентов можно взять любой двоичный счетчик (рис. 2.9) и использовать в качестве выходного сигнала состояние бита с наименьшим весом (Q0 или Q1, в зависимости от изготовителя). Начальное состояние триггера можно выставить, подавая сигнал сброса на соответствующий вход счетчика.

Для решения рассмотренной задачи могут использоваться различные типы счетчиков, например CD4020, CD4040 или CD4060. В зависимости от модели можно выбрать запуск по переднему или заднему фронту. Для уточнения этого вопроса следует обратиться к технической документации.

БУФЕРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Микросхема CD4050 содержит шесть буферных усилителей, функция которых состоит в повышении мощности слабых сигналов до той величины, что необходима для управления компонентами с высоким потреблением тока (например, светодиодами). Ряд усилителей можно без всяких проблем соединить параллельно — для того чтобы увеличить выходной ток или не оставлять свободными входы одного или нескольких усилителей. Такая схема часто используется для управления мощными МОП транзисторами или источниками звуковых сигналов (рис. 2.10).

Аналогичным образом можно включать инверторы (микросхема CD4049). У этих микросхем есть одна особенность: их положительный вывод питания (Vcc) обозначен номером 1 (у большинства микросхем это номер 16).

ПОДАЧА ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ

Существует много различных зуммеров, или звуковых преобразователей. Эти устройства можно разделить на два семейства: простые зуммеры и зуммеры со встроенным генератором. Последние использовать проще, поскольку, чтобы они зазвучали, им достаточно обеспечить питание. Зуммеры со встроенным генератором потребляют мало энергии при очень широком диапазоне напряжений питания, но их цена довольно высока. Для работы простого зуммера нужен внешний генератор, но часто вместо него можно использовать источник сигнала, уже имеющийся в схеме. Таким источником может быть, например, неиспользуемый (или используемый) выход счетчика или тактового генератора.

Когда для управления применяется микроконтроллер, нетрудно создать генератор, введя в программу логический цикл. В этом случае легко управлять частотой сигнала и появляется возможность регулировать тональность звучания.

С точки зрения схемотехники зуммер можно считать емкостной нагрузкой, поэтому во многих случаях параллельно ему следует подключить резистор (рис. 2.11).

ДАТЧИК ОСВЕЩЕННОСТИ

Классические полупроводниковые датчики освещенности, например фотодиоды и фототранзисторы, представляют собой диоды и транзисторы, у которых одна сторона корпуса пропускает свет. Чтобы в этом убедиться, попробуйте аккуратно спилить верхнюю часть металлического корпуса транзистора, например типа 2N2222 или 2N1711. Затем подключите к нему напряжение, не присоединяя базу, и вы сможете констатировать, что протекающий по цепи коллектор-эмиттер ток реагирует на источник света, направленный на прибор (рис. 2.12). Аналогичный эксперимент можно провести и со светодиодом.

ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Для определения уровня жидкости часто используются свойства проводимости этой жидкости. Во избежание появления коррозии измерение ограничивают во времени, включая схему только на промежуток считывания или используя импульсный сигнал. Собственно датчик уровня может иметь металлические контактные пластины различной формы, закрепленные на стенке сосуда или просто погружаемые в жидкость. Базовая точка измерений всегда должна находиться на дне сосуда в постоянном контакте с жидкостью независимо от ее уровня. Датчик в виде отрезка многожильного ленточного кабеля, провода которого обрезаны до различной длины, а затем оголены и облужены, представляет собой оригинальное и не лишенное изящества решение (рис. 2.13).

Электрическое подключение к схеме существенно упрощается за счет применения одного из многочисленных соединительных элементов, разработанных для кабелей такого типа. Одна жила ленточного кабеля (самая длинная) резервируется для фиксации базового уровня и при необходимости снабжается кабельным наконечником.

Для механической сборки датчика можно применять специальные хомутики или отрезки клейкой ленты. По мере увеличения уровня жидкости все большее количество проводов датчика соединяется с заземленной базовой точкой через сопротивление жидкости, что легко зафиксировать по изменению потенциалов на выходах.

Следует учитывать, что жидкость (в частности, вода) может иметь высокое удельное сопротивление, поэтому иногда приходится обрабатывать выходные сигналы с помощью операционных усилителей.

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ

Существует большое количество датчиков температуры: к ним относится и широко распространенный прибор типа CTN, обладающий скромными возможностями, и калиброванные приборы, например SAX1000, и высококачественная микросхема типа DS1620. Последняя принадлежит к новому поколению специализированных схем, выполняющих широкий диапазон функций. Она размещена в простом корпусе типа DIP8. Для работы с микросхемой требуется микроконтроллер. При этом на базе DS1620 можно создать термостат с двумя заданными порогами регулировки температуры (верхним и нижним). Микросхема может работать в режиме термометра в интервале температур от -55 до +125 °C. Результат измерения представляется в виде девятибитного сигнала с точностью 0,5°С.

Для связи с микроконтроллером требуется три линии. Одна из них должна быть двунаправленной. Последнее требование выполняется редко. Чтобы его обойти, можно использовать простой каскад на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 2.14).