Логические микросхемы. Часть 5 — одновибратор
Схема одновибратора и принцип его работы согласно временной диаграмме.
В предыдущей части статьи было рассказано о мультивибраторах, выполненных на логической микросхеме К155ЛА3. Этот рассказ был бы неполным, если не упомянуть еще об одной разновидности мультивибратора, так называемом одновибраторе.
Одновибратор
Одновибратором называют генератор одиночных импульсов. Логика его работы состоит в следующем: если на вход одновибратора подать короткий импульс, то на его выходе формируется импульс, длительность которого задана RC цепочкой.
После того, как этот импульс закончится, одновибратор переходит в состояние ожидания следующего запускающего импульса. В силу этого одновибратор часто называют ждущим мультивибратором. Самая простая схема одновибратора показана на рисунке 1. На практике кроме этой схемы применяется несколько десятков разновидностей одновибраторов.
Рисунок 1. Простейший одновибратор.
На рисунке 1а показана схема одновибратора, а на рисунке 1б его временные диаграммы. Одновибратор содержит два логических элемента: первый из них используется в качестве элемента 2И-НЕ, в то время как второй включен по схеме инвертора.
Запуск одновибратора осуществляется при помощи кнопки SB1, правда это только для учебных целей. Реально на этот вход может быть подан сигнал от других микросхем. Для индикации состояния к выходу также подключен светодиодный индикатор, также показанный на схеме. Конечно же он не является деталью одновибратора, поэтому его можно и не ставить.
Конденсатор С1 выбран большой емкости. Это сделано для того, чтобы импульс имел длительность достаточную для индикации с помощью стрелочного прибора, имеющего большую инерцию. Минимальная емкость конденсатора при которой еще можно обнаружить импульс стрелочным прибором 50 мкФ, сопротивление резистора R1 в пределах 1…1,5 кОм.
В целях упрощения схемы можно было бы обойтись без кнопки SB1, замыкая вывод 1 микросхемы на общий провод. Но при таком решении иногда будут возникать сбои в работе одновибратора, обусловленные дребезгом контактов. Подробное рассмотрение этого явления и методы борьбы с ним мы разберем чуть позже при описании счетчиков и частотомера.
После того, как одновибратор собран, и питание подано, измерим напряжение на входах и выходах обоих элементов. На выводе 2 элемента DD1.1 и выходе 8 элемента DD1.2 должен быть высокий уровень, а на выходе элемента DD1.1 — низкий. Поэтому можно сказать, что в ждущем режиме второй элемент, выходной, находится в единичном состоянии, а первый в нулевом.
Теперь подключим вольтметр на выход элемента DD1.2 – вольтметр покажет высокий уровень. После чего, наблюдая за стрелкой прибора, кратковременно нажмем на кнопку SB1. стрелка быстро отклонится почти до нуля.
Приблизительно секунды через 2 также резко вернется в исходное положение. Это говорит о том, что стрелочный прибор показал импульс низкого уровня. При этом через выход элемента DD1.2 также зажжется светодиод. Если повторить этот опыт несколько раз, то результаты должны быть одинаковыми.
Если к конденсатору подключить параллельно еще один – емкостью 1000 мкФ длительность импульса на выходе увеличится втрое.
Если резистор R1 заменить переменным номиналом около 2 Ком, то его вращением можно в некоторых пределах изменять длительность выходного импульса. Если же выкрутить резистор настолько, что его сопротивление станет менее 100 Ом, то одновибратор просто перестает генерировать импульсы.
Из проделанных опытов можно сделать такие выводы: чем больше сопротивление резистора и емкость конденсатора, тем больше время генерируемого одновибратором импульса. В данном случае резистор R1 и конденсатор C1 являются времязадающей RC цепочкой, от которой зависит длительность генерируемого импульса.
Если емкость конденсатора и сопротивление резистора значительно уменьшить, например, поставить конденсатор емкостью 0,01 мкФ, то индикаторами в виде вольтметра и даже светодиода обнаружить импульсы просто не удастся, поскольку они получатся очень короткими.
На рисунке 1б показаны временные диаграммы работы одновибратора. Они помогут разобраться в его работе.
В исходном, ждущем, состоянии вход 1 элемента DD1.1 никуда не подключен, так как контакты кнопки пока разомкнуты. Такое состояние, как было написано в предыдущих частях нашей статьи, есть не что иное, как единица. Чаще такой вход не оставляют «висеть» в воздухе, а через резистор сопротивлением 1 КОм подключают к цепи питания +5В. Такое подключение ослабляет воздействие входных помех.
На входе элемента DD1.2 уровень напряжения низкий, что обусловлено подключенным к нему резистором R1. поэтому на выходе элемента DD1.2 будет соответственно высокий уровень, который поступает на верхний по схеме вход элемента DD1.1. Поэтому на обоих входах DD1.1 высокий уровень, который дает на его выходе низкий уровень, и конденсатор С1 почти полностью разряжен.
При нажатии кнопки, на вход 1 элемента DD1.1 подается импульс запуска низкого уровня, показанный на верхнем графике. Поэтому элемент DD1.1 переходит в единичное состояние. В этот момент на его выходе появляется положительный фронт, который через конденсатор С1 передается на вход элемента DD1.2, отчего последний переходит из единицы в нуль. Этот же нуль присутствует и на входе 2 элемента DD1.1, поэтому он останется в единичном же состоянии после размыкания кнопки SB1, то есть даже при окончании запускающего импульса.
Положительный перепад напряжения на выходе элемента DD1.1 через резистор R1 заряжает конденсатор С1, отчего напряжение на резисторе R1 уменьшается. При снижении этого напряжения до порогового, происходит переход элемента DD1.2 в состояние единицы, а DD1.1 переключается в нуль.
При таком состоянии логических элементов конденсатор будет разряжен через вход элемента DD1.2 и выход DD1.1. Таким образом одновибратор вернется в режим ожидании следующего запускающего импульса или просто в ждущий режим.
Однако, при проведении опытов с одновибратором не следует забывать, что длительность запускающего импульса должна быть обязательно меньше выходного. Если кнопку просто удерживать в нажатом состоянии, то никаких импульсов на выходе дождаться будет невозможно.
Борис Аладышкин
Продолжение статьи: Логические микросхемы. Часть 6
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Факультет Интернет вещей
Вы сможете:
-
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
-
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
-
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды…
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Подробнее здесь:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы