05_04.pdf
(
349 KB
)
Pobierz
154439189 UNPDF
Klocki elektroniczne
System
projektowania
modułowego
część 5
W piątej części “Systemu
projektowania modułowego”
omówimy moduły wejściowe,
procesorowe i wyjściowe,
potrzebne do systemu zdalnego
sterowania podczerwienią
dowolnego z modułów wyjściowych
całej serii.
Moduł wejściowy
:
odbiornik
podczerwieni
z przedwzmacniaczem;
Moduły procesorowe
: koder−
dekoder, przerzutniki typu D, typu T
i typu J−K;
Moduł wyjściowy
: nadajnik
podczerwieni z impulsowym
stopniem wyjściowym Darlingtona
dużej mocy.
System sterujący zdalnego
włączania i wyłączania, zestawiony
z tych modułów, jest opisany
w projekcie “Strzelnica świetlna”,
układzie do sprawdzania
umiejętności celowania,
zamieszczonym w tym numerze
EdW.
Zasilanie
Zastosowane w tym urządzeniu
układy scalone mają różne wymagania
odnośnie napięcia zasilania. Koder−de−
koder (UM5750) może działać pod na−
pięciem od 3V do maksimum 11V. Ukła−
dy CMOS, używane jako przerzutniki,
można zasilać napięciem od 3V do 15V.
Jednakże maksymalne napięcie zasila−
nia przedwzmacniacza sygnałów pod−
czerwieni (TBA2800) wynosi 5,5V.
W rezultacie, do zasilania wszystkich
modułów opisanych w tej części musi
zostać zastosowane napięcie 5V (4,5V).
Odbiornik podczerwieni
i wzmacniacz
Istnieje cały szereg układów do od−
bioru sygnałów podczerwieni, ale oma−
wianie różnych rozwiązań nie mieści się
w ramach niniejszego artykułu. W wie−
lu katalogach podzespołów elektronicz−
nych można jednak znaleźć zamienniki
dla proponowanej kombinacji fotodiody
podczerwieni TIL100 i przedwzmacnia−
cza TBA2800.
Natężenie sygnałów wyjściowych
z fotodiod podczerwieni jest bardzo
małe, w sygnałach tych mogą się więc
znaleźć niepożądane zakłócenia, pocho−
dzące z innych źródeł promieniowania,
jak lampy, czy światło słoneczne. Przed−
wzmacniacz musi być zatem tak zapro−
jektowany, aby eliminował te zakłócenia,
zachowując jednakże duże wzmocnie−
nie.
Układ TBA2800 został specjalnie za−
projektowany do współpracy z czujni−
kiem podczerwieni, składa się z trzech
stopni wzmacniających i jest wyposa−
żony w automatyczną regulację
wzmocnienia. Jest to skomplikowany
układ w małej taniej obudowie.
Cały schemat układu modułu wejścio−
wego sygnałów podczerwieni jest przed−
stawiony na
rys. 5.1
. W pierwszej chwi−
li wydaje się on skomplikowany, ale po−
trzeba tylko sześciu elementów oprócz
układu scalonego, którego producent
zadbał o resztę. Kropkowaną ramką
wyróżniono wewnętrzny schemat
TBA2800 w formie schematu blokowe−
go. Wzdłuż ramki są rozmieszczone nu−
mery wyprowadzeń układu scalonego.
Ma on dwa wyjścia, standardowe
przez końcówkę 7 i odwrócone przez
8. Pojemności kondensatorów zostały
dobrane do przetwarzanego sygnału.
W przypadku innego rodzaju sygnałów
pojemności trzeba dobrać eksperymen−
talnie.
Rezystor R1 izoluje w pewnym stop−
niu wzmacniacz od reszty układu. Wraz
z kondensatorem C1 wygładza on do−
datkowo napięcie zasilające. Wszystkie
18
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96
Klocki elektroniczne
Rys. 5.1. Schemat modułu wejściowego sygnałów podczerwieni, w którym zastosowano układ scalony TBA2800.
niewykorzystane wyprowadzenia powin−
no się pozostawić wolne. Moduł ten łą−
czy się z opisanym dalej dekoderem
przez wyjście odwracające 8.
Sprawdzanie układu
Zgodnie z doświadczeniem autora,
testowanie układów sterujących pod−
czerwienią jest jedną z najbardziej frus−
trujących dziedzin elektroniki. Pomocne
mogą być przy tym poniższe uwagi, je−
żeli jest dostępny oscyloskop. (W razie
braku oscyloskopu lepiej odłożyć spraw−
dzanie tego układu do czasu uruchomie−
nia nadajnika podczerwieni.)
1.Wziąć do prób pilota do sterowania
magnetowidu lub telewizora.
2.Połączyć masę oscyloskopu z 0V
testowanego układu.
3.Połączyć sondę oscyloskopu z ano−
dą fotodiody podczerwieni, połączonej
z końcówką 14 układu scalonego.
4.Nacelować pilota na płaską część fo−
todiody i przycisnąć dowolny przy−
cisk. Na ekranie oscyloskopu powinien
pojawić się sygnał.
5.Jeżeli nie, sprawdzić czy fotodioda jest
połączona we właściwy sposób
z układem (zob. rys. 1.14 w części
1).
6.Wzmocniony sygnał powinien pojawić
się na wyprowadzeniach 5 i 7 ukła−
du.
7.Znacznie wzmocniony sygnał powi−
nien być widoczny na wyprowadzeniu
7, a odwrócony na 8.
Kodowanie i dekodowanie
W wyniku odebrania każdej trans−
misji w podczerwieni na wyjściu odbior−
nika−wzmacniacza TBA2800 pojawia się
sygnał wyjściowy. Jednakże większość
z nas posiada jeden, a często kilka pi−
lotów podczerwieni. Do ich rozróżniania
jest więc konieczny proces kodowania
i dekodowania sygnału. Kodowanie ma
jeszcze tę zaletę, że układ można zapro−
gramować na odbiór konkretnego syg−
nału, nawet jeżeli jest on znacznie słab−
szy od innych źródeł podczerwieni, na
przykład światła dziennego.
Istnieje wiele specjalnych układów
scalonych do kodowania i do dekodo−
wania dla różnych systemów sterowania
podczerwienią. W tym wypadku wybra−
no układ UM3750, który wykonuje oba te
zadania. Może on być używany w wielu
rodzajach systemów, posługujących się
podczerwienią, światłem widzialnym, fa−
lami radiowymi lub ultradźwiękowymi.
Układ ten służy do wysyłania kodu, defi−
niowanego zwarciem z masą lub roz−
warciem dwunastu jego wyprowadzeń.
Możliwych kombinacji jest zatem 4096.
Drugi układ UM3750 nastawia się na tę
samą kombinację i generuje sygnał wy−
jściowy tylko wtedy, gdy odbierze ten
sam kod.
Układ jest zaprogramowany na jeden
tylko sygnał, służący na przykład do ot−
warcia drzwi do garażu lub do zasunię−
cia firanek. Można dostosować go do
systemu wielokanałowego, takiego jak
do sterowania magnetowidem, ale wy−
magałoby to zastosowania innych ukła−
dów scalonych.
Niezależnie od systemu przesyłania
sygnału sterującego, do którego taka pa−
ra układów może być użyta, istotna jest
identyczność kodu sygnału w obu ukła−
dach.
Układ kodujący
Jedna z metod kodowania jest
przedstawiona na
rys. 5.2
. S1...S12 mo−
gą być zwykłymi, dwurzędowymi (DIL)
przełącznikami do druku albo po prostu
wlutowanymi zworkami, których pozycje
tworzą określony kod. W celu wysłania
tego kodu trzeba nacisnąć przycisk S13.
W czasie eksperymentowania wszyst−
kie wyprowadzenia 1...12 można zosta−
wić wolne (nie połączone). Jedyną przy−
czyną zwarcia niektórych do masy mog−
łaby być potrzeba uniemożliwienia inne−
mu systemowi zdalnego sterowania (z
takim samym układem) przypadkowego
uruchomienia testowanego urządzenia.
Rys. 5.2. Schemat modułu kodera.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96
19
Klocki elektroniczne
Rys. 5.3. Schemat modułu dekodera.
rys. 5.5
, ignoruje stan wejścia D, dopóki
napięcie wejścia zegarowego nie zosta−
nie przerzucone ze stanu niskiego do
wysokiego. Dla uproszczenia stan wy−
jścia Q\ nie będzie już wspominany, po−
nieważ zawsze jest odwrotny niż Q.
Załóżmy, że początkowo wyjście Q
jest w stanie niskim (0V), podobnie jak
wejście zegarowe CP. Jeżeli stan we−
jścia danych D zmieni się ze stanu nis−
kiego do wysokiego lub na odwrót, to
stan wyjścia nie zmieni się. Gdy wejście
danych D będzie w stanie wysokim
i w tym samym czasie wejście zegaro−
we CP zostanie przerzucone ze stanu
niskiego do wysokiego, to wyjście Q sko−
piuje wejście D, czyli przejdzie w stan
wysoki. Zmiana ta nastąpi dokładnie
w momencie przerzucania się wejścia
CP ze stanu niskiego w wysoki.
Jeżeli wejście D zostanie przerzuco−
ne z powrotem do stanu niskiego, to
wyjścia nie zmienią stanu, nawet jeżeli
wejście zegarowe będzie jeszcze
w stanie wysokim. Jeżeli wejście zega−
rowe powróci do stanu niskiego, to wy−
jścia i teraz nie zmienią stanu. Jednak−
że jeżeli wejście zegarowe zostanie zno−
wu przełączone do stanu wysokiego, to
Q skopiuje stan wejścia D i przerzuci
się w stan niski.
Rekapitulując, na wyjście Q wpisuje
się stan wejścia D w momencie zmiany
stanu na wejściu zegarowym z niskiego
na wysoki. Wejścia SET i RESET mogą
być używane normalnie i kontrolują
stan przerzutnika niezależnie od wejść D
i CP, podobnie jak w przerzutniku RS.
Dodanie przycisków
Na
rys. 5.6
pokazano, jak można
sprawdzać przerzutnik typu D za pomo−
cą przycisków czynnych (normalnie roz−
wartych). Każde z wejść jest utrzymy−
wane przez rezystor na poziomie 0V, do−
póki naciśnięcie przycisku nie wymusi
stanu wysokiego. Ta metoda przełącza−
nia i polaryzacji została już pokazana
w poprzednich częściach serii.
Obwód R1−C1 wyznacza częstotli−
wość kodowanego sygnału. Zależnie od
użytego systemu nadawania i odbioru,
R1 i lub C1 mogą wymagać zmiany.
Jest bardzo ważne, aby identycznej
zmiany dokonać w układzie dekodera.
Dekoder
Układ dekodera, bardzo podobny do
układu kodera, jest pokazany na
rys.
5.3
. Do testowania układów wyjście ko−
dera (rys. 5.2) można połączyć z we−
jściem dekodera (rys. 5.3). Wyjście de−
kodera w okresie spoczynkowym pozo−
staje w stanie wysokim. Gdy zostanie
odebrany poprawny kod wyjście to prze−
chodzi na krótko (około 0,1s) w stan
niski. W rzeczywistości dekoder czeka
na odbiór krótkiej serii czterech właści−
wych kodów, co eliminuje możliwość
błędnego wyzwalania.
Obwód wyjściowy ma wydajność do
2mA w stanie niskim (aktywnym). Wy−
jście to można bezpośrednio wykorzys−
tać do sterowania LED za pośrednict−
wem tranzystora, ale krótki czas trwania
impulsu wyjściowego skłania do posłu−
żenia się przerzutnikiem monostabilnym
(opisanym w części 2, rys. 2.8 i rys.
2.9), przedłużającym ten czas albo pros−
tym układem zatrzaskowym (część 3,
rys. 3.8, 3.10 i 3.11).
Wyzwalany krótkim impulsem prze−
rzutnik monostabilny generuje impuls
wyjściowy o wymaganej długości.
Układ przerzutnikowy natomiast umożli−
wia za pomocą krótkiego impulsu we−
jściowego przełączenie urządzenia wy−
jściowego na nieograniczony czas.
Oczywiście w praktyce jest potrzebny
jakiś sposób otwierania (kasowania)
przerzutnika w odpowiednim momen−
cie. Zostanie więc krótko opisane kilka
bardziej złożonych przerzutników bista−
bilnych. Są one ustawiane pierwszym
odebranym impulsem a kasowane na−
stępnym itd.
Przerzutniki bistabilne
W części 3 został omówiony prze−
rzutnik bistabilny zestawiony z dwóch
bramek NOR (rys. 3. 11) i jego zastoso−
wanie w formie zatrzasku. Przerzutnik
taki jest to układ charakteryzujący się
dwoma stabilnymi stanami. Graficzny
sposób jego przedstawiania pokazuje
rys. 5.4
.
Jeżeli założyć, że początkowo we−
jścia SET (ustawiające) i RESET (kasu−
jące) są w stanie niskim, po czym SET
na moment zostanie przerzucone
w stan wysoki, to wyjście Q zatrzaskuje
się w stanie wysokim, a wyjście Q\
(nie−Q) w stanie niskim. Gdy na mo−
ment wejście RESET zostanie wprowa−
dzone w stan wysoki, to wyjście Q zo−
stanie zatrzaśnięte w stanie niskim,
a Q\ w wysokim.
W przerzutniku typu D stosuje się
dwa dodatkowe wejścia, impulsów zega−
rowych CP (clock pulse) i danych D
(data). Przerzutnik taki, pokazany na
Rys. 5.4. Sposób przedstawiania przerzutnika bistabilnego.
Rys. 5.5. Symbol przerzutnika typu D.
20
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96
Klocki elektroniczne
Uwaga praktyczna
Jeżeli używa się przerzutnika typu D, takiego jak CMOS 4013B, dodatnie na−
pięcie zasilające doprowadza się do końcówki 14, a 0V do 7. Wszystkie wejścia
muszą być w jakiś sposób połączone, czyli nie mogą być pozostawione wolne.
W zależności od potrzeby łączy się je albo do 0V albo do +U. Na przykład układ
CMOS typu 4013B zawiera dwa przerzutniki typu D. Jeżeli jeden z nich nie jest
potrzebny, to wszystkie jego wejścia można połączyć z 0V. Natomiast wyjścia
należy pozostawić nie połączone.
garowy wywołuje przerzut Q do stanu
wysokiego ... itd.
Należy zwrócić uwagę na fakt, że
Q przerzuca się ze stanu niskiego do
wysokiego z częstotliwością dwukrot−
nie niższą od częstotliwości impulsów
zegarowych. Z tej przyczyny układ ten
jest czasem nazywany dzielnikiem częs−
totliwości.
Dwa przebiegi, pokazane na
rys. 5.8
,
ilustrują zależność stanów na wyjściu
Q od stanów na wejściu zegarowym
CP. Współczynnik wypełnienia (stosu−
nek szerokości impulsów do przerw)
sygnału zegarowego może być, ale nie
musi równy jedności, natomiast na wy−
jściu Q współczynnik ten zawsze wyno−
si 1, jeżeli tylko częstotliwość zegarowa
jest stabilna.
Takie przełączanie jest bardzo uży−
teczne. Można je na przykład wykorzys−
tać w prostym systemie sterującym, do
zdalnego włączenia światła jednym syg−
nałem i do wyłączenia następnym.
Moduły te można łączyć ze sobą kas−
kadowo (kilka modułów łączyć jeden za
drugim) i używać do dzielenia częstotli−
wości, każdy bowiem stopień dzieli
częstotliwość przez dwa. Połączone
kaskadowo przerzutniki typu T są poka−
zane na
rys. 5.9
. Na tej zasadzie są
zbudowane liczniki dwójkowe. Na sche−
macie przedstawiono trzy przerzutniki,
ale w ten sposób moniżnaczyć dowol−
ną ich liczbę. Wyjście Q\ każdego prze−
rzutnika jest połączone z własnym we−
jściem D i równocześnie z wejściem
zegarowym następnego stopnia. Jeżeli
pomiędzy każdym wyjściem Q a masą
(0V) zostanie włączona LED (z odpo−
wiednim rezystorem szeregowym), to
można obserwować zachowanie całego
systemu. Funkcje SET i RESET mogą
być używane tak jak dotychczas.
Rys. 5.6. Schemat układu do testowania przerzutnika typu D.
W praktyce ten sposób połączenia
wejść danych i zegarowego jest rzadko
stosowany, ale jest użyteczny dla wejść
SET i RESET i jest doskonałym spo−
sobem eksperymentowania. Do monito−
rowania stanów wyjścia Q można uży−
wać woltomierza. Alternatywnym wskaź−
nikiem może być LED z szeregowym
rezystorem około 330
W
, połączona po−
między wyjściem a 0V.
Zastosowania przerzutników typu
D mogą nie wydawać się oczywiste, ale
przerzutniki te są podstawowymi skład−
nikami niemal wszystkich urządzeń li−
czących i komputerowych, a przede
wszystkim dają się łatwo przekształcić
w bardzo użyteczne przerzutniki typu T.
Przerzutnik typu T
Przerzutnik typu T działa podobnie
jak wciskowy przełącznik włączania−wy−
łączania, typu często stosowanego
w telewizorach i innych urządzeniach.
Pierwsze naciśnięcie zatrzaskuje prze−
łącznik a drugie go zwalnia. Przerzutnik
typu T dokonuje tego elektronicznie,
i jak widać na
rys. 5.7
może zostać łat−
wo utworzony z przerzutnika typu D.
Odwrócone wyjście Q\ jest połączone
z wejściem D. Dzięki temu połączeniu
wyjście Q zmienia stan za każdym
przejściem wejścia zegarowego ze sta−
nu niskiego do wysokiego. A oto jak on
działa.
Zaczynając od stanu początkowego,
w którym Q jest w stanie wysokim,
a Q\ w niskim, gdy wejście zegarowe
przechodzi ze stanu niskiego do wyso−
kiego, to stan wysoki z wejścia D (Q\
jest w stanie wysokim) zostaje skopio−
wany do wyjścia Q. Pomimo że wejście
zegarowe pozostaje w stanie wysokim,
wyjścia będą stabilne w nowym stanie,
ponieważ dane są kopiowane do Q tyl−
ko w momencie gdy wejście zegarowe
zmienia stan z niskiego na wysoki.
Wyjście Q\, a zatem i wejście D, są
teraz w stanie niskim. Nic się nie stanie,
gdy wejście zegarowe powróci do stanu
niskiego. Jednakże gdy wejście zegaro−
we znowu przejdzie w stan wysoki, to
stan wejścia D zostanie skopiowany do
Q, którego stan przejdzie w niski, a za−
tem Q\ w stan wysoki.
Reasumując, działanie przerzutnika
typu T jest następujące:
Pierwszy impuls zegarowy wywołuje
przerzut Q do stanu wysokiego. Drugi
impuls zegarowy wywołuje przerzut
Q do stanu niskiego. Trzeci impuls ze−
Rys. 5.7. Zastosowanie przerzutnika
typu D jako przerzutnika typu T.
Rys. 5.8. Przebiegi przedstawiające
zależność stanów wyjścia od stanów
wejścia w przerzutniku typu T.
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96
21
Klocki elektroniczne
Rys. 5.9. Kaskadowe połączenie przerzutników typu T.
Na początku cyklu w stanie wysokim jest
wyjście STOP, a wyjścia OPEN i CLOSE
w stanie niskim. Po naciśnięciu przycis−
ku w stan niski przechodzi STOP, a OPEN
w stan wysoki. Po następnym naciśnię−
ciu przycisku wyjście OPEN przechodzi
w stan niski, a STOP w wysoki. Dalsze
naciśnięcie przycisku wprowadza STOP
w stan niski, a CLOSE w wysoki. Następ−
ne naciśnięcie doprowadza moduł z po−
wrotem do stanu pierwotnego.
Podsumowując, sekwencja sterowa−
na układem z rys. 5.11 przebiega na−
stępująco:
STOP − OPEN − STOP − CLOSE −
STOP
Taka powtarzalna sekwencja jest bar−
dzo użyteczna do zdalnego sterowania
takich mechanizmów jak drzwi do gara−
żu, zasłony itp.
W celu zrozumienia działania tego
układu trzeba najpierw przypomnieć so−
bie logikę tabeli prawdy bramki NOR,
w której stan wysoki jest oznaczony
przez 1 a stan niski przez 0:
Tab. 5.1.
Wejście J
Wejście K
Wyjście Q
niski
niski
bez zmian
wysoki
niski
przerzut do stanu wysokiego
niski
wysoki
przerzut do stanu niskiego
wysoki
wysoki
przerzut za każdym impulsem zegarowym
w 16−stykowej dwurzędowej (DIL) obu−
dowie.
Sterowanie logiczne
Czasami jest niezbędne wykonywa−
nie sekwencji poleceń, kolejno urucha−
mianych impulsami zegarowymi. Jako
przykład może posłużyć
rys. 5.11
.
Przedstawia on dwa przerzutniki typu
D z dwoma bramkami NOR w ukła−
dzie sterowania sekwencją trzech pole−
ceń, OPEN (otwórz), CLOSE (zamknij)
i STOP (zatrzymaj).
Sekwencją tą steruje się sygnałem
doprowadzonym do wejścia zegarowego
CP. Sygnał ten może zostać wzięty z in−
nego układu, albo może być generowa−
ny ręcznie przez naciskanie przycisku.
Wejście A
Wejście B Wyjście
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
Rys. 5.10. Symbol przerzutnika typu
J−K.
Odnosząc tę tabelę do IC2a, można
przyjąć, że wejście 8 jest wejściem A,
wejście 9 wejściem B, a wyjście 10 wy−
jściem. W IC2b są to odpowiednio we−
jścia 12 i 13 oraz wyjście 11.
W schemacie na rys. 5.11 impulsy
zegarowe są doprowadzone do wejścia
Jak już wspomniano, wejścia nie mo−
gą być pozostawione wolne. Muszą zo−
stać połączone z 0V bezpośrednio albo
przez rezystory, jak na rys. 5.6, jeżeli po−
trzebne są przełączniki do ich kasowa−
nia i ustawiania.
Przerzutnik J−K
Przerzutnik J−K jest układem jeszcze
bardziej uniwersalnym. Jego symbol jest
pokazany na
rys. 5.10
. Wejścia SET
i RESET działają w ten sam sposób
jak w przerzutniku typu D. Oznacza to,
że są niezależne i mają pierszeństwo
przed wejściami J, K i CP.
Wejścia J i K wpływają na stan
wyjść, ale tylko w momencie przerzutu
wejścia zegarowego ze stanu niskiego
do wysokiego (
tab. 5.1
). Innymi słowy,
przerzutnik J−K działa tak jak przerzutnik
T, gdy stan wejść J i K jest wysoki.
Przerzutnik typu J−K jest bardziej
uniwersalny od standardowego prze−
rzutnika typu D, jest jednak nieco od
niego droższy i ma więcej wyprowa−
dzeń.
Typowym przykładem podwójnego
przerzutnika J−K jest CMOS 4027B
Rys. 5.11. Układ sterujący sekwencją 3 poleceń.
Tabela 5.2. Tabela logiczna układu z rys. 5.11.
Uwarunkowanie IC1
IC1
IC1
IC1 IC2 IC2 Stan
wyjście
1
2
13
12
10
11
reset
0
1
0
1
0
0
stop
1−szy impuls
1
0
0
1
1
0
open
2−gi impuls
0
1
1
0
0
0
stop
3−ci impuls
1
0
1
0
0
1
close
4−ty impuls
0
1
0
1
0
0
stop
22
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96
Plik z chomika:
OLSEN5522
Inne pliki z tego folderu:
01_03.pdf
(4145 KB)
02_06.pdf
(237 KB)
03_06.pdf
(285 KB)
04_06.pdf
(335 KB)
05_04.pdf
(349 KB)
Inne foldery tego chomika:
• Wielka baza układów scalonych
[FileTracker.pl] Charles Platt - Elektronika. Od praktyki do teorii [PL] [pdf]
▨ ŚWIAT RADIO
0070=Mikrofony Bezprzewodowe (romio777)
1001 CIEKAWYCH UKŁADÓW ELEKTOR ANGIELSKI
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin