Pierwsze kroki w cyfrówce cz9.pdf

(121 KB) Pobierz

1128595 UNPDF

Układy cyfrowe

Generatory CMOS

Poniższy materiał dotyczy bramek

CMOS, zarówno serii 4000, jak i 74HC,

74HCT. Nie wszystkie układy będą popra−

wnie pracować z bipolarnymi bramkami

74LS, 74F, czy 74Standard.

Nie muszę cię przekonywać, jak wiele

generatorów stosujemy w projektowanych

układach. Musisz znać różne sposoby wy−

twarzania fali prostokątnej oraz impulsów.

Z obowiązku przypomnę ci prosty

układ generatora zbudowany z nieparzys−

tej ilości bramek odwracających (inwerte−

rów) – zobaczysz go na rysunku 54. Częs−

totliwość generowanego przebiegu zale−

ży od ilości bramek i opóźnienia wprowa−

dzanego przez każdą bramkę. Ponieważ

opóźnienia są rzędu nanosekund, częs−

totliwości są rzędu megaherców, od kilku

do kilkudziesięciu MHz, zależnie od rodzi−

ny bramek i napięcia zasilającego. Jest to

typowy schemat książkowy – nie przypo−

minam sobie, bym widział gdziekolwiek

praktyczne wykorzystanie tego potworka.

Dlatego nie zawracaj sobie nim głowy.

Kolejny coraz mniej używany układ ge−

neratora znajdziesz na rysunku 55. Są to

trzy wersje układu, który był bardzo częs−

to stosowany po pojawieniu się pierw−

szych CMOSów. Ja przyzwyczaiłem się

do niego przez kilka lat, gdy niepodzielnie

królowały na naszym rynku wyroby CE−

MI. Ty znasz go może z „Klocków elek−

tronicznych”. Powinieneś znać ten układ,

zapewne czasem go zastosujesz. Ale bez

przesady. Nie powinien to być podstawo−

wy układ generatora, jaki będziesz stoso−

wał w swoich konstrukcjach.

W każdym razie powinieneś wiedzieć,

jak działa.

Bierzemy pod lupę układ z rysun−

ku 55c. Na rysunku 55d pokazano pozio−

my napięć w poszczególnych punktach

tego układu.

Gdy na wejściu sterującym A występu−

je stan niski, to na wyjściu bramki I na pew−

no występuje stan wysoki, bo przecież jest

to bramka NAND. Na wyjściu drugiej bram−

ki występuje stan niski. Ponieważ na wy−

jściu bramki I występuje stan wysoki, taki

sam stan występuje na drugim wejściu tej

bramki. Przez rezystory R1 i R2 oczywiście

nie płynie prąd, a kondensator C1 jest nała−

dowany. Generator nie pracuje.

W chwili zmiany na wejściu A stanu

z niskiego na wysoki generator zaczyna

pracować. Ponieważ w punkcie E był stan

w cyfrówce

część 9

niski, więc na wyjściu bramki I pojawia się

stan niski. Powoduje to pojawienie się

stanu wysokiego na wyjściu generatora,

czyli w punkcie D. Tu zaczyna się cała za−

bawa. Do tej pory kondensator C1 był na−

ładowany. Teraz zmiana stanu z niskiego

na wysoki na wyjściu D „podrzuca w gó−

rę” ten naładowany kondensator. To zna−

czy, że przez chwilę napięcie w punkcie

C będzie dokładnie dwa razy większe, niż

napięcie zasilania układu. Napięcie to od

razu zacznie spadać, ponieważ kondensa−

tor C1 będzie się rozładowywał przez re−

zystor R1 (na razie pomijamy wpływ re−

zystora R2). Napięcie w punkcie C będzie

dążyć do potencjału masy. W pewnym

momencie (na rysunku 55d jest to chwila

t1) napięcie w punkcie C będzie równe

napięciu zasilającemu – w tej chwili kon−

densator będzie całkowicie rozładowany.

Ponieważ w punkcie D występuje stan

wysoki, a w punkcie B – niski, przez rezys−

tor R1 będzie nadal płynął prąd i napięcie

w punkcie C nadal będzie spadać – kon−

densator zacznie się więc ładować i wy−

stąpi na nim napięcie o polaryzacji prze−

ciwnej, niż w stanie spoczynku.

Ponieważ wejścia bramki CMOS nie

pobierają prądu, więc napięcie w punkcie

E powinno być takie same, jak napięcie

w punkcie C.

W chwili oznaczonej t2 na rysunku 55d,

napięcie w punkcie C, a tym samym

w punkcie E, przekroczy próg przełączania

bramki I. Tym samym na wyjściu bramki

I napięcie zacznie rosnąć, a na wyjściu

bramki II – opadać. Rosnące napięcie

w punkcie D przyspieszy ten proces –

można powiedzieć o istnieniu dodatniego

sprzężenia zwrotnego przez kondensator

C1. W każdym razie w czasie od t1 do t2,

kondensator C1 zdąży się naładować, ale

nie do pełnego napięcia zasilającego, tylko

do mniej więcej połowy tego napięcia.

Opadające napięcie w punkcie

D „ściągnie” punkt C do napięcia niższe−

go, niż poziom masy. Napięcie to oczy−

wiście zacznie rosnąć, bo przez rezystor

będzie teraz płynął prąd od punktu B.

Kondensator najpierw rozładuje się do ze−

ra, a potem zacznie się ładować w przeci−

wnym kierunku. Gdy napięcie w punkcie

C (a tym samym w punkcie E) wzrośnie

aż do napięcia progu przełączania bramki

I (a stanie się to w chwili t3), obie bramki

znów zmienią stany na swych wyjściach.

Częściowo naładowany kondensator

C1 znów zostanie „wypchnięty w górę”

i napięcie w punkcie C zacznie opadać.

Cykl będzie się powtarzał.

Na uwagę zasługuje tu kilka spraw.

Trzeba o nich pamiętać.

Po pierwsze, kondensator C1 na prze−

mian ładuje się napięciem dodatnim

i ujemnym. To jest jeden z powodów, że

nie można tu stosować kondensatorów

elektrolitycznych: ani zwykłych, ani tanta−

lowych. Pamiętasz też na pewno, że

w układach wymagających w miarę stabil−

nej częstotliwości nie stosuje się konden−

satorów ceramicznych ferroelektrycznych.

a)

b)

c)

d)

Rys. 54.

Rys. 55.

18

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97

Pierwsze kroki

1128595.151.png

1128595.162.png

1128595.173.png

1128595.184.png

1128595.001.png

1128595.012.png

1128595.023.png

1128595.034.png

Układy cyfrowe

Po drugie, należy pamiętać, że pierw−

szy wytworzony impuls jest dłuższy niż

następne – to zresztą jest cechą spotyka−

ną w wielu innych układach generatorów

wyzwalanych.

Po trzecie – zbocza generowanego

przebiegu w punkcie B nie są zbyt ostre,

zwłaszcza przy małych częstotliwościach

pracy. Dlatego w niektórych przypad−

kach, gdy wymagane są ostre zbocza, nie

zaleca się wykorzystywać przebiegu

z punktu B, tylko dołączyć jeszcze jedną

bramkę (inwerter) do punktu D.

Wreszcie po czwarte trzeba odpowie−

dzieć na pytanie, po co w układzie jest re−

zystor R2. Bez niego generator też będzie

pracował – w literaturze spotyka się zresz−

tą czasem układ takiego generatora, gdzie

R2 jest zwarty. Otóż rezystor R2 w zasa−

dzie nie jest konieczny. Ale przy omawia−

niu budowy wewnętrznej bramek CMOS

okazało się, że między wszystkimi we−

jściami a obiema szynami zasilającymi

umieszczone są tam diody zabezpieczają−

ce (porównaj EdW 5/97 str. 66 rysunku 31

i 32). Przy podaniu na wejścia napięć wy−

kraczających poza zakres napięcia zasilają−

cego, w obwodach wejść pojawi się prąd,

płynący przez struktury reprezentowane

przez te diody zabezpieczające. Gdy prąd

ten będzie większy niż 20...30mA, może

wystąpić zjawisko zatrzaśnięcia (latch up)

i obie szyny zasilania zostaną zwarte ze

sobą przez pasożytnicze struktury tyrysto−

rowe obecne w kostce CMOS. Rezystor

R2 stosuje się właśnie po to by wykluczyć

taką przykrą ewentualność. Ze względu

na niewielką wydajność prądową wyjść

kostek CMOS 4000, przy napięciach zasi−

lania nie większych niż 7V, rezystora R2

można nie stosować (zastąpić go zworą).

A teraz zadanie domowe.

Przeanalizuj samodzielnie, jakie będą

napięcia na wyjściach bramek OR w ukła−

dzie z rysunku 55b w stanie spoczynku,

czyli przy podaniu na wejście sterujące

stanu wysokiego.

W tym miejscy chciałbym ci coś wyjaśnić.

W literaturze amatorskiej spotyka się kilka in−

nych schematów generatorów z bramkami

CMOS. Znaczna część z nich nigdy nie jest

stosowana przez prawdziwych konstrukto−

rów. Mało tego, niektórzy autorzy „przemy−

cają” w swoich konstrukcjach sporo niepo−

trzebnych lub niezdrowych „chwytów”.

Przykładowo niektórzy twierdzą, że

w pewnych przypadkach generator z ry−

sunku 55 mógłby się nie wzbudzić i dlate−

go trzeba zastosować dodatkowy „obwód

rozruchowy” według rysunku 56. Jest to

naprawdę niepotrzebne, dlatego przekreś−

liłem ten rysunek na czerwono. Teoretycz−

nie rzeczywiście, układ mógłby nie wystar−

tować. Ale taka sytuacja byłaby możliwa

tylko wtedy, jeśli bramki miałyby zdecydo−

wanie różne progi przełączania. W prakty−

ce zawsze są to bramki z tej samej kostki,

mają podobne napięcia progowe i proble−

mu naprawdę nie ma!

Teraz drugi błąd. Na rysunku 57a i b znaj−

dziesz kolejne układy generatorów bram−

kowanych. Rzeczywiście, można sterować

pracą generatora wykorzystując układy

z rysunku 57. Niektórzy tak robią.

Masz bojowe zadanie! Wytłumacz,

dlaczego przekreśliłem ten schemat?

Pomyśl uważnie!

Podstawową zaletą układów CMOS

jest zerowy pobór prądu w spoczynku.

A jak zachowa się bramka II z rysunku 57a,

gdy na wejście zezwalające będzie podany

stan niski? Oczywiście na jej wyjściu bę−

dzie wymuszany stan wysoki i generator

nie będzie pracował. Ale co z bramką U1A?

Połączenie wejścia z wyjściem przez

rezystor jest równoznaczne z zamknię−

ciem pętli ujemnego sprzężenia zwrotne−

go. Przeanalizuj to i przekonaj się, że na

wejściu i wyjściu tej bramki będzie takie

same napięcie, równe napięciu progowe−

mu bramki, zbliżone do połowy napięcia

zasilającego. Zajrzyj teraz rysunku 29 na

stronie 65 w EdW 5/97 i zobacz, czy

bramka w takim stanie nie pobiera prą−

du? Ależ oczywiście, pobiera!

Czyli tak zablokowany generator bę−

dzie pobierał prąd – i to znaczny, jak na

układy CMOS.

Widzisz, przez taki drobny błąd niepo−

trzebnie zwiększyliśmy pobór prądu. Jeś−

li już rzeczywiście musisz zastosować

sterowanie w obwodzie bramki II, ko−

niecznie zastosuj układ z rysunku 57c. Za−

pamiętaj ten sposób, a wcześniej przea−

nalizuj, czym będą się różnić spoczynko−

we poziomy na wyjściach generatorów

z rysunków 55c i 57c?

Na rysunku 58 znajdziesz kolejny

„książkowy” układ, którego nikt nigdzie

nie stosuje.

To co stosować?

Wśród niektórych elektroników wielką

popularnością cieszy się wciąż nieśmiertel−

na kostka 555. Ja osobiście, jeśli mnie pa−

mięć nie myli, „popełniłem” przed wielu la−

ty jeden jedyny układ z użyciem tej kostki.

a)

b)

c)

Rys. 57.

Chyba cię już przekonałem w poprzed−

nich odcinkach, że układy opóźnienia,

skracania i wydłużania prościej wykonasz

z użyciem inwerterów lub bramek „ze

szmitem”. Teraz chcę cię przekonać, że

również generator wykonasz znacznie

prościej używając bramki Schmitta.

Zachęcam cię, żeby podstawowym ukła−

dem generatora przebiegu prostokątnego stał

się układ z inwerterem 40106 lub 74HC14.

Schemat znajdziesz na rysunku 59.

Jak działa taki układ?

Jeśli potrzebne są ci generatory bram−

kowane, wykorzystaj jeden ze schema−

tów z rysunku 60.

Mając jedną kostkę 40106 możesz wy−

konać sześć niezależnych generatorów.

Jeśli potrzebujesz je uzależnić (bramko−

wać) dołącz diody. Co prawda w tym przy−

padku wzrośnie pobór prądu, bo przez re−

zystory i diody będzie płynął prąd. Ale przy

rezystancjach 100k

...2,2M

a)

b)

Rys. 56.

Rys. 58.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/97

19

(takie mo−

żesz śmiało stosować) prąd ten będzie

rzędu mikroamperów. Zauważ, że diodę

możesz włączyć w dowolnym kierunku.

Jeśli układ w spoczynku ma zupełnie nie

pobierać prądu, wykorzystaj bramki NAND

„ze szmitem” (4093 lub 74HC132). Przy

wykorzystaniu bramek NAND w generato−

rze bramkowanym, występuje pewna nie−

wielka niedogodność. Mianowicie genera−

tor taki jest zablokowany przy podaniu na

wejście bramkujące stanu niskiego. Tym−

czasem w stanie spoczynku, na wyjściu wy−

stępuje stan wysoki. Przy bramkowaniu ko−

lejnego generatora poprzednim, często trze−

ba włączyć bramkę pośrednią, odwracającą

sygnał . Pomimo tej niedogodności układ

z bramkami 4093 (74HC132) jest godny po−

lecenia, bowiem pozwala przy użyciu jednej

1128595.045.png

1128595.054.png

1128595.064.png

1128595.074.png

1128595.084.png

1128595.095.png

1128595.106.png

1128595.114.png

1128595.115.png

1128595.116.png

1128595.117.png

1128595.118.png

1128595.119.png

1128595.120.png

1128595.121.png

1128595.122.png

1128595.123.png

1128595.124.png

1128595.125.png

1128595.126.png

1128595.127.png

1128595.128.png

1128595.129.png

1128595.130.png

1128595.131.png

1128595.132.png

1128595.133.png

1128595.134.png

1128595.135.png

1128595.136.png

1128595.137.png

1128595.138.png

1128595.139.png

1128595.140.png

1128595.141.png

1128595.142.png

1128595.143.png

1128595.144.png

1128595.145.png

1128595.146.png

1128595.147.png

1128595.148.png

1128595.149.png

1128595.150.png

1128595.152.png

1128595.153.png

1128595.154.png

1128595.155.png

1128595.156.png

1128595.157.png

1128595.158.png

1128595.159.png

1128595.160.png

1128595.161.png

1128595.163.png

1128595.164.png

1128595.165.png

1128595.166.png

1128595.167.png

1128595.168.png

1128595.169.png

1128595.170.png

1128595.171.png

1128595.172.png

1128595.174.png

1128595.175.png

1128595.176.png

1128595.177.png

1128595.178.png

1128595.179.png

1128595.180.png

1128595.181.png

1128595.182.png

1128595.183.png

1128595.185.png

1128595.186.png

1128595.187.png

1128595.188.png

1128595.189.png

1128595.190.png

1128595.191.png

1128595.192.png

1128595.193.png

1128595.194.png

1128595.002.png

1128595.003.png

1128595.004.png

1128595.005.png

1128595.006.png

1128595.007.png

1128595.008.png

1128595.009.png

1128595.010.png

1128595.011.png

1128595.013.png

1128595.014.png

1128595.015.png

1128595.016.png

1128595.017.png

1128595.018.png

1128595.019.png

1128595.020.png

1128595.021.png

1128595.022.png

1128595.024.png

1128595.025.png

1128595.026.png

1128595.027.png

1128595.028.png

1128595.029.png

1128595.030.png

1128595.031.png

1128595.032.png

1128595.033.png

1128595.035.png

1128595.036.png

1128595.037.png

1128595.038.png

1128595.039.png

1128595.040.png

1128595.041.png

1128595.042.png

1128595.043.png

1128595.044.png

1128595.046.png

1128595.047.png

1128595.048.png

1128595.049.png

1128595.050.png

1128595.051.png

1128595.052.png

1128595.053.png

1128595.055.png

1128595.056.png

1128595.057.png

1128595.058.png

1128595.059.png

1128595.060.png

1128595.061.png

1128595.062.png

1128595.063.png

1128595.065.png

1128595.066.png

1128595.067.png

1128595.068.png

1128595.069.png

1128595.070.png

1128595.071.png

1128595.072.png

1128595.073.png

1128595.075.png

1128595.076.png

1128595.077.png

1128595.078.png

1128595.079.png

1128595.080.png

1128595.081.png

1128595.082.png

1128595.083.png

1128595.085.png

1128595.086.png

1128595.087.png

1128595.088.png

1128595.089.png

1128595.090.png

1128595.091.png

1128595.092.png

1128595.093.png

1128595.094.png

1128595.096.png

1128595.097.png

1128595.098.png

1128595.099.png

Układy cyfrowe

a)

a)

w przedstawianych wcześniej układach,

ani częstotliwość drgań generatorów nie

odpowiada dokładnie stałej czasowej RC.

Wzory, podawane w podręcznikach

pozwalają określić częstotliwość pracy je−

dynie z grubsza. Częstotliwość zależy od

układu generatora, od napięcia zasilające−

go, od temperatury, oraz od rozrzutu na−

pięć progowych kostek. Do tego docho−

dzi znaczna tolerancja (do 20%) pojem−

ności kondensatorów stałych.

Dlatego jeśli chcesz dokładnie ustalić

częstotliwość, powinieneś zastosować

potencjometr i wyregulować układ przy

pomocy częstościomierza.

A do sprawy stabilności częstotliwoś−

ci w funkcji napięcia zasilającego i tempe−

ratury, jeszcze w przyszłości powrócimy.

A jeśli masz dostęp do częstościomie−

rza, to już teraz zachęcam cię, żebyś spraw−

dził praktycznie, na ile zmienia się częstotli−

wość pracy przy zmianach napięcia zasila−

nia w granicach ±20% i zmianach tempera−

tury w zakresie +10...+30 C. Do tego ostat−

niego wykorzystaj termometr, lodówkę

i suszarkę do włosów. Zastosuj kondensa−

tory foliowe, a przekonasz się, że stałość

częstotliwości jest zupełnie dobra, i jedynie

w rzadkich przypadkach trzeba stosować

bardziej stabilne źródła przebiegów.

W następnym odcinku zajmiemy się

innymi układami generatorów.

Piiotr Góreckii

b)

b)

c)

c)

Rys. 60.

Rys. 59.

kostki zrealizować przynajmniej dwa bram−

kowane generatory, a dodatkowo pozosta−

nie wolna bramka do dowolnego wykorzys−

tania. Od tej niedogodności wolne są układy

wykorzystujące inwertery Schmitta i diody.

Diody można włączać w dowolnym

kierunku i tym samym wykonać układ gen−

eratora bramkowanego stanem wysokim

albo niskim.

Nie muszę ci chyba tłumaczyć, że

częstotliwość drgań wszystkich przed−

stawionych generatorów jest wyznaczo−

na przez stałą czasową R1C1. Zauważ

jednak, że ciągle piszę „wyznaczona”,

a nie „równa”. Ani czas opóźnienia

1128595.100.png

1128595.101.png

1128595.102.png

1128595.103.png

1128595.104.png

1128595.105.png

1128595.107.png

1128595.108.png

1128595.109.png

1128595.110.png

1128595.111.png

1128595.112.png

1128595.113.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Pierwsze kroki w cyfrówce cz19.pdf (333 KB)
Pierwsze kroki w cyfrówce cz17.pdf (225 KB)
Pierwsze kroki w cyfrówce cz16.pdf (270 KB)
Pierwsze kroki w cyfrówce cz15.pdf (382 KB)
Pierwsze kroki w cyfrówce cz14.pdf (92 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin