05_04.pdf

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

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

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.

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

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

bez zmian

wysoki

niski

przerzut do stanu wysokiego

niski

wysoki

przerzut do stanu niskiego

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

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 IC2 IC2 Stan

wyjście

reset

stop

1−szy impuls

open

2−gi impuls

stop

3−ci impuls

4−ty impuls

stop

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: