Chips de lógica. Parte 4

Após a reunião em partes anteriores do artigo com o chip K155LA3, vamos tentar descobrir exemplos de sua aplicação prática.

Parece que o que pode ser feito com um chip? Claro, nada de extraordinário. No entanto, você deve tentar montar algum nó funcional com base nele. Isso ajudará a entender visualmente o princípio de sua operação e configurações. Um desses nós, frequentemente usado na prática, é um multivibrador auto-oscilante.

O circuito do multivibrador é mostrado na Figura 1a. Este circuito na aparência é muito semelhante ao circuito multivibrador clássico com transistores. Somente aqui como elementos ativos são aplicados elementos lógicos microchips incluídos pelos inversores. Para isso, os pinos de entrada do microcircuito são conectados juntos. Capacitores C1 e C2 formam dois circuitos de feedback positivo. Um circuito é a entrada do elemento DD1.1 - capacitor C1 - a saída do elemento DD1.2. O outro da entrada do elemento DD1.2 através do capacitor C2 até a saída do elemento DD1.1.

Graças a essas conexões, o circuito é auto-excitado, o que leva à geração de pulsos. O período de repetição do pulso depende das classificações dos capacitores nos circuitos de feedback, bem como da resistência dos resistores R1 e R2.

Na Fig. 1b, o mesmo circuito é desenhado de tal maneira que é ainda mais semelhante à versão multivibradora clássica com transistores.

Fig. 1 multivibrador auto-oscilante

Impulsos elétricos e suas características

Até agora, quando nos familiarizamos com o microcircuito, estávamos lidando com corrente contínua, porque os sinais de entrada durante os experimentos eram fornecidos manualmente usando um jumper. Como resultado, uma tensão constante de nível baixo ou alto foi obtida na saída do circuito. Esse sinal era de natureza aleatória.

No circuito multivibrador que montamos, a tensão de saída será pulsada, ou seja, mudando com uma certa frequência gradualmente de um nível baixo para um alto e vice-versa. Esse sinal na engenharia de rádio é chamado de sequência de pulsos ou simplesmente uma sequência de pulsos. A Figura 2 mostra algumas variedades de pulsos elétricos e seus parâmetros.

As seções da sequência de pulsos em que a tensão atinge um nível alto são chamadas pulsos de alto nível, e a tensão de baixo nível é a pausa entre os pulsos de alto nível. Embora, de fato, tudo seja relativo: podemos assumir que os pulsos são baixos, o que incluirá, por exemplo, qualquer atuador. Então, uma pausa entre pulsos será considerada apenas um nível alto.

Figura 2. Sequências de pulso.

Um dos casos especiais da forma do pulso é o meandro. Nesse caso, a duração do pulso é igual à duração da pausa. Para avaliar a proporção da duração do pulso, use um parâmetro chamado ciclo de serviço. A taxa de serviço mostra quantas vezes o período de repetição do pulso é maior que a duração do pulso.

Na Figura 2, o período de repetição do pulso é indicado, como em outros lugares, pela letra T, e a duração do pulso e o tempo de pausa são ti e tp, respectivamente. Na forma de uma fórmula matemática, o ciclo de serviço será expresso da seguinte forma: S = T / ti.

Devido a essa relação, o ciclo de trabalho dos pulsos "meandros" é igual a dois. O termo meandro, neste caso, é emprestado de construção e arquitetura: este é um dos métodos de alvenaria, o padrão de alvenaria se assemelha à seqüência indicada de pulsos. A sequência do pulso do meandro é mostrada na Figura 2a.

O recíproco do ciclo de serviço é chamado fator de preenchimento e é indicado pela letra D do ciclo de serviço inglês. De acordo com o acima exposto, D = 1 / S.

Conhecendo o período de repetição do pulso, é possível determinar a taxa de repetição, que é calculada pela fórmula F = 1 / T.

O início do impulso é chamado de frente e o fim, respectivamente, de declínio. A Figura 2b mostra um impulso positivo com um ciclo de trabalho de 4. Sua frente parte de um nível baixo e passa para um nível alto. Tal frente é chamada positiva ou ascendente. Consequentemente, o declínio desse impulso, como pode ser visto na figura, será negativo, caindo.

Por um impulso de baixo nível, a frente cairá e a recessão aumentará. Esta situação é mostrada na Figura 2c.

Após um pouco de preparação teórica, você pode começar a experimentar. Para montar o multivibrador mostrado na Figura 1, basta soldar dois capacitores e dois resistores no microcircuito já instalado na placa de ensaio. Para estudar os sinais de saída, você pode usar apenas um voltímetro, de preferência um ponteiro, em vez de um digital. Isso já foi mencionado na parte anterior do artigo.

Obviamente, antes de ligar o circuito montado, é necessário verificar se há curtos-circuitos e a montagem correta de acordo com o circuito. Com as classificações de capacitores e resistores indicadas no diagrama, a tensão na saída do multivibrador mudará de baixa para alta, não mais que trinta vezes por minuto. Assim, uma agulha voltímetro conectada, por exemplo, à saída do primeiro elemento, irá oscilar de zero a quase cinco volts.

O mesmo pode ser visto se você conectar um voltímetro a outra saída: a amplitude e a frequência dos desvios das setas serão as mesmas do primeiro caso. Não é em vão que um multivibrador desse tipo seja chamado de simétrico.

Se agora você não está com preguiça e conecta outro capacitor da mesma capacidade em paralelo com os capacitores, pode ver que a seta começou a oscilar duas vezes mais devagar. A frequência de oscilação diminuiu pela metade.

Se agora, em vez de capacitores, como indicado no diagrama, soldar capacitores de menor capacidade, por exemplo, 100 microfarads, será possível notar apenas um aumento na frequência. A flecha do dispositivo irá flutuar muito mais rápido, mas ainda assim seus movimentos ainda são bastante visíveis.

E o que acontece se você alterar a capacidade de apenas um capacitor? Por exemplo, deixe um dos capacitores com capacidade de 500 microfarads e substitua o outro por 100 microfarads. O aumento na frequência será notável e, além disso, a seta do dispositivo mostrará que a taxa de tempo de pulsos e pausas mudou. Embora neste caso, de acordo com o esquema, o multivibrador ainda permanecesse simétrico.

Agora vamos tentar reduzir a capacitância dos capacitores, por exemplo, 1 a 5 microfarads. Nesse caso, o multivibrador gerará uma frequência de áudio da ordem de 500 ... 1000 Hz. A seta do dispositivo não poderá responder a essa frequência. Simplesmente estará em algum lugar no meio da escala, mostrando o nível médio do sinal.

Simplesmente não está claro aqui se os pulsos de uma frequência suficientemente alta realmente vão, ou o nível "cinza" na saída do microcircuito. Para distinguir esse sinal, é necessário um osciloscópio, que nem todo mundo possui. Portanto, para verificar a operação do circuito, é possível conectar os fones de ouvido através de um capacitor de 0,1 μF e ouvir esse sinal.

Você pode tentar substituir qualquer um dos resistores por uma variável aproximadamente do mesmo valor. Então, durante sua rotação, a frequência varia dentro de certos limites, o que torna possível ajustá-la. Em alguns casos, isso é necessário.

No entanto, ao contrário do que foi dito, acontece que o multivibrador é instável ou não inicia. A razão para esse fenômeno está no fato de que a entrada do emissor de microcircuitos TTL é muito crítica para os valores dos resistores instalados em seu circuito. Esse recurso da entrada do emissor deve-se aos seguintes motivos.

O resistor de entrada faz parte de um dos braços do multivibrador.Devido à corrente do emissor, é criada uma tensão neste resistor que fecha o transistor. Se a resistência desse resistor for feita dentro de 2 ... 2,5 Kom, a queda de tensão será tão grande que o transistor simplesmente pára de responder ao sinal de entrada.

Se, pelo contrário, tomarmos a resistência desse resistor dentro de 500 ... 700 Ohms, o transistor estará aberto o tempo todo e não será controlado pelos sinais de entrada. Portanto, esses resistores devem ser selecionados com base nessas considerações na faixa de 800 ... 2200 Ohms. Essa é a única maneira de obter a operação estável do multivibrador montado de acordo com este esquema.

No entanto, esse multivibrador é afetado por fatores como temperatura, instabilidade da fonte de alimentação e até variações nos parâmetros dos microcircuitos. Microchips de diferentes fabricantes geralmente diferem bastante significativamente. Isso se aplica não apenas à série 155, mas também a outras. Portanto, um multivibrador montado de acordo com esse esquema é praticamente raramente usado.

Multivibrador de três elementos

Um circuito multivibrador mais estável é mostrado na Figura 3a. É composto por três elementos lógicos, incluídos, como no anterior, por inversores. Como pode ser visto no diagrama, nos circuitos emissores dos elementos lógicos que acabamos de mencionar, os resistores não são. A frequência de oscilação é especificada por apenas uma cadeia RC.

Figura 3. Multivibrador em três elementos lógicos.

A operação desta versão do multivibrador também pode ser observada usando um dispositivo apontador, mas para maior clareza, você pode montar a cascata de indicadores no LED na mesma placa. Para fazer isso, você precisa de um transistor KT315, dois resistores e um LED. O diagrama do indicador é mostrado na Figura 3b. Também pode ser soldado em uma tábua de pão junto com um multivibrador.

Após ligar a energia, o multivibrador começará a oscilar, como evidenciado pelo flash do LED. Com os valores da cadeia de temporização indicados no diagrama, a frequência de oscilação é de cerca de 1 Hz. Para verificar isso, basta calcular o número de oscilações em 1 minuto: deve haver cerca de sessenta, o que corresponde a 1 oscilação por segundo. Por definição, isso é precisamente 1Hz.

Existem duas maneiras de alterar a frequência desse multivibrador. Primeiro, conecte outro capacitor da mesma capacidade paralelo ao capacitor. Os flashes de LED tornaram-se cerca da metade dos raros, o que indica uma diminuição na frequência pela metade.

Outra maneira de alterar a frequência é alterar a resistência do resistor. A maneira mais fácil é instalar um resistor variável com um valor nominal de 1,5 ... 1,8 Com em seu lugar. Quando esse resistor gira, a frequência de oscilação varia entre 0,5 ... 20 Hz. A frequência máxima é obtida na posição do resistor variável quando as conclusões do microcircuito 1 e 8 são fechadas.

Se você trocar o capacitor, por exemplo, com uma capacidade de 1 microfarad, usando o mesmo resistor variável, é possível ajustar a frequência entre 300 ... 10 000 Hz. Essa já é a faixa de frequência da faixa de som; portanto, o indicador brilha continuamente, é impossível dizer se há pulsos. Portanto, como no caso anterior, você deve usar os fones de ouvido conectados à saída através do capacitor de 0,1 μF. É melhor se os fones de ouvido forem de alta resistência.

Para considerar o princípio de operação de um multivibrador com três elementos, voltemos ao seu esquema. Depois que a energia é ligada, os elementos lógicos assumem um estado não ao mesmo tempo, que só pode ser assumido. Suponha que DD1.2 seja o primeiro a estar em um estado de alto nível na saída. A partir da sua saída através de um capacitor não carregado C1, uma tensão de alto nível é transmitida para a entrada do elemento DD1.1, que será definido como zero. Na entrada do elemento DD1.3 há um nível alto, portanto também é definido como zero.

Mas esse estado do dispositivo é instável: o capacitor C1 é gradualmente carregado através da saída do elemento DD1.3 e do resistor R1, o que leva a uma diminuição gradual da tensão na entrada DD1.1. Quando a tensão na entrada DD1.1 se aproxima do limite, ela muda para a unidade e, consequentemente, o elemento DD1.2 para zero.

Nesse estado, o capacitor C1 através do resistor R1 e a saída do elemento DD1.2 (neste momento a saída é baixa) começa a recarregar a partir da saída do elemento DD1.3. Assim que o capacitor estiver carregando, a tensão na entrada do elemento DD1.1 excederá o nível limite, todos os elementos mudarão para estados opostos. Assim, na saída 8 do elemento DD1.3, que é a saída do multivibrador, pulsos elétricos são formados. Além disso, os pulsos podem ser removidos do pino 6 do elemento DD1.2.

Depois de descobrirmos como obter pulsos em um multivibrador de três elementos, podemos tentar criar um circuito de dois elementos, que é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Multivibrador em dois elementos lógicos.

Para isso, a saída do resistor R1, diretamente no circuito, é suficiente para dessoldar o pino 8 e soldar o pino 1 do elemento DD1.1. a saída do dispositivo será a saída 6 do elemento DD1.2. o elemento DD1.3 não é mais necessário e pode ser desativado, por exemplo, para uso em outros circuitos.

O princípio de operação de um gerador de pulso desse tipo difere pouco do que acabamos de considerar. Suponha que a saída do elemento DD1.1 seja alta, então o elemento DD1.2 esteja no estado zero, o que permite que o capacitor C1 seja carregado através do resistor e a saída do elemento DD1.2. À medida que o capacitor é carregado, a tensão na entrada do elemento DD1.1 atinge o limite, ambos os elementos mudam para o estado oposto. Isso permitirá que o capacitor recarregue através do circuito de saída do segundo elemento, do resistor e do circuito de entrada do primeiro elemento. Quando a tensão na entrada do primeiro elemento é reduzida para um limite, os dois elementos entram no estado oposto.

Como mencionado acima, algumas instâncias de microcircuitos nos circuitos do gerador são instáveis, o que pode depender não apenas de uma instância específica, mas também do fabricante do microcircuito. Portanto, se o gerador não der partida, é possível conectar um resistor com uma resistência de 1,2 ... 2,0 Com entre a entrada do primeiro elemento e o "terra". Ele cria uma tensão de entrada próxima ao limite, o que facilita a partida e a operação real do gerador.

Tais variantes de geradores na tecnologia digital são usadas com muita frequência. Nas partes seguintes do artigo, serão considerados dispositivos relativamente simples montados com base nos geradores considerados. Porém, primeiro, mais uma opção de um multivibrador deve ser considerada - um único vibrador ou um monovibrador de outra maneira. Com a história sobre ele, começamos a próxima parte do artigo.

Boris Aladyshkin

Continuação do artigo: Chips de lógica. Parte 5