ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ (занятие №4)

На прошлом занятии вы познакомились с мультивибра­тором на логических элементах, устройством, которое вырабаты­вает прямоугольные импульсы, следующие друг за другом с определенной частотой. Кроме мультивибраторов, вырабаты­вающих импульсы постоянно, пока они работают, существуют еще и ждущие мульти­вибраторы, или как их чаще называют, — одновибраторы.

   Отличие от мультивибратора в том что одновибратор имеет вход на который подается короткий импульс произвольной формы и длительности, например полученный при помощи кнопки, а на его выходе получается всего один импульс, но имеющий строго определенные параметры. Можно сказать, что одновибратор это устройство, которое преобразует какие-то разные входные импульсы в одинаковые импульсы имеющие строго определенные параметры.

  По прежнему объектом эксперементов остается микросхема К561ЛА7 (или К176ЛА7, что в принципе одно и тоже). Принципиальная схема одновибратора показа­на на рисунке 1.

 В нем, как и в мультивибрато­ре имеется всего два логических элемента, первый из них используется по своему прямому назначению как элемент "И-НЕ", а входы второго соединены вместе и он работает как элемент "НЕ" (инвертор). Кнопка S1 выполняет функции источника запускающих импульсов. Чтобы получить импульс нужно на нее кратковременно нажать и отпустить. Чтобы можно было наблюдать за импульсами, которые будут получаться на выходе одно- вибратора, к выходу его элемента D1.2 подключен вольтметр со шкалой 0-1ОВ (лучше простой стрелочный прибор - тестер, но можно и цифровой мультиметр).

На схеме номиналы конденсаторов и резисторов даны в виде интервала, чтобы проще было найти необходимые детали. Например "R1 10-100К" обозначает, что сопротивление R1 может быть от 10 до 100 кОм, например 68 К или ЗЗК или 12К и т.д. А конденсатор С1 должен иметь емкость в пределах 10-30 мКф, например 22 мКф. Нужно иметь ввиду, что чем больше будет емкость С1 и больше сопротивление R2 тем более длительные импульсы будут получаться на выходе одновибратора и тем проще их будет регистрировать при помощи вольтметра.

Для питания используем батарею на 9 В, составленную из двух "плоских" батарей на 4,5В, включенных последовательно, или от одной батареи на 9В типа "Крона".

Собрав схему, показанную на рисунке 1, включите питание и сразу измерьте напряжение на выводе 4 микросхемы. Напряжение должно быть на уровне логической единицы (7-9В). Затем измерьте напряжение на соединенных вместе выводах 5 и 6, здесь должен быть логический нуль (0-2В). На выводе 3 микросхемы тоже будет нуль. Следовательно в ждущем режиме первый элемент одновибратора находится в состоянии логического нуля на выходе, а второй в состоянии единицы на выходе.

Теперь подключите вольтметр обратно, к выводу 4 микросхемы и наблюдая за его стрелкой кратковременно нажмите и отпустите кнопку S1 (если кнопку найти не удалось можно просто подключить два оголенных провода, которые замыкать друг с другом, в этом случает кратковременно прикоснитесь одним проводом к другому). В этот момент на выходе элемента D1.2 уровень упадет до нулевого (следите за стрелкой вольтметра), а затем, через некоторое время, уровень снова подскочит до единичного. И так будет повторяться каждый раз когда вы будите нажимать и отпускать кнопку. Попробуйте нажать на кнопку быстро несколько раз подряд (но так чтобы уложиться во время 1-2 секунды). Несмотря на то сколько раз подряд вы успели нажать или на сколько быстро вы сделали одно нажатие, все равно, на выводе 4 микросхемы будет формироваться один импульс с одной и той же длительностью.

Длительность импульса на выходе элемента D1.2 всецело зависит от емкости конденсатора С1 и сопротивления резистора R2. Можно попробовать последовательно с R2 включить переменный резистор сопротивлением 200-500 кОм и поворачивая его движок изменять время в течении которого стрелка прибора будет падать до нулевого уровня после нажатия на кнопку. И таким образом регулировать длительность выходного импульса.

Разобраться в принципе действия одновибратора помогут временные диаграммы, показанные на рисунке 2. В исходном положении, когда на входе 2 элемента D1.1 единица (диаграмма 1D1) на выходе этого элемента ноль (диаграмма 3D1), на входе второго элемента также ноль (5.6D1) и на его выходе единица (4D1). Теперь посмотрим что происходит при нажатии на кнопку S1. В этот момент уровень на входе 2 D1.1 падает до нуля, поскольку в этот момент на вывод 1 этого элемента поступает единица с выхода элемента D1.2, то элемент, действуя по правилу элемента "И-НЕ" переводит свой выход в единичное состояние (диаграмма 3D1). Конденсатор С1 начинает заряжаться через R2 и в первый же момент начала его зарядки его зарядный ток устанавливает единичный уровень на входах элемента D1.2 (диаграмма 5.6D1). В этот момент уровень на выхода этого элемента (по закону инвертора) становится нулевым (диаграмма 4D1), этот нуль поступает на вывод 1 элемента D1.1. Поскольку D1.1 элемент "И-НЕ", он принудительно удерживается этим уровнем в состоянии единицы на выходе, и не реагирует на изменение уровня на его втором входе, выводе 2 (можно сколь угодно продолжать нажимать кнопку, элемент на это не реагирует).

А тем времени конденсатор С1 продолжает заряжаться через R2, и скорость его заряда зависит от сопротивления R2 и емкости С1. Постепенно напряжение на R2 падает (по мере зарядки конденсатора) и в какой-то момент оно становится равным порогу перехода элемента D1.2 с единичного на нулевой уровень. В этот момент уровень на выводах 5 и 6 D1.2 становится нулевым и на выходе D1.2 устанавливается логическая единица. Эта единица поступает на вывод 1 D1.1 и этот элемент снова готов принять импульс, поступающий от кнопки.

Следующее логическое устройство, которое можно собрать на двух элементах микросхемы К561ЛА7 (К176ЛА7) — RS-триггер (рисунок 3). Чтобы понять что такое RS-триггер вспомним прошлогодние эксперименты с тиристором. Когда мы подавали на управляющий электрод тиристора небольшой ток, он открывался и зажигал лампочку, и оставался в таком открытом состоянии даже после того как мы прекращали подачу тока на его управляющий электрод. Примерно так работает и RS-триггер, но у него есть два входа, один из которых служит для его включения, а другой для выключения.

Принципиальная схема RS-триггера показана на рисунке 3. Вместо вольтметров на выходах элементов включены светодиоды, которые загораются тогда когда на выходе элемента логический нуль, но можно подключить два вольтметра, или поочередно подключать вольтметр то к выходу одного элемента, то к выходу другого.

После того как вы собрали схему нажмите на кнопку S1 и отпустите её. В этот момент загорится светодиод VD2 и будет гореть сколь угодно долго и после отпускания кнопки S1 (нужно учитывать, что в момент включения питания триггер может установиться в любое положение, при котором горит VD1 или при котором горит VD2, так что если VD2 загорелся сразу после включения в этом нет ничего удивительного).

Теперь кратковременно нажмите на кнопку S2, при этом светодиод VD2 по­гаснет но загорится VD1. И будет гореть и после отпускания кнопки. Таким образом RS-триггер пред­ставляет собой свое­образный "квазисенсорный" переключатель этих двух светодиодов, примерно та­кой как в цветных теле­визорах для переключения программ (кстати, пере­ключатели программ этих телевизоров построенны как раз на основе RS-триггеров).

Разберемся в работе RS-триггера. Пред­положим в исходном состоянии у нас горит светодиод VD1. Это значит, что на выходе элемента D1.1 логический нуль, а светодиод VD2 не горит, так как на выходе D1.2 логическая единица. Значит на вывод 2 D1.1 с выхода D1.2 поступает единица. Что произойдет если нажать на кнопку S1 ?

Пока S1 не нажата на вывод 1 D1.1 через резистор R1 поступает высокий логический уровень (от плюса питания), на вывод 2 D1.1 при этом также (с выхода D1.2) поступает единица. Если на обеих входах элемента "И- НЕ" единицы, то нет ничего удивительно в том, что на его выходе ноль и светодиод VD1 горит. Теперь, когда мы нажимаем кнопку S1 уровень на выводе 2 D1.1 падает до нуля, и по логике действия элемента "И-НЕ" на его выходе должна установиться единица. Так оно и будет. Но как получается так, что на его выходе останется единица и после отпускания кнопки S1? Дело в том, что эта единица (с выхода D1.1 поступит на один вход (вывод 5) элемента D1.2, на второй вход которого и без того поступает единица через резистор R2. В этот момент, по логике действия элемента "И-НЕ", на выходе D1.2 установится логический нуль, который поступит на вывод 2 D1.1 и будет удерживать элемент D1.1 в состоянии единицы на выходе (если на один из входов элемента И-НЕ поступает нуль, на его выходе всегда будет единица, независимо от того какой уровень на втором входе). Таким образом RS- триггер перейдет в противоположное устойчивое положение, при котором на выходе элемента D1.2 будет ноль и будет гореть светодиод VD2, а на выходе D1.1 будет единица и светодиод VD1 погаснет.

Почему RS-триггер так называется ? Дело в том, что R — значит "Reset", выключение, сброс, a S — "Set", включение. Предположим что у нас имеется только один светодиод VD1, при этом за состояние "S" примем зажигание этого светодиода, а за "R" его выключение. Тогда кнопка S2 — будет вход "S" триггера, поскольку при нажатии на нее светодиод включится, а кнопка S1 — будет вход "R", потому что при нажатии на нее триггер "сбрасывается" и светодиод VD1 выключается. Второй выход — светодиод VD2, если мы его подключим, в данном случае он (этот выход) будет инверсным, это значит, что его состояние полностью противоположно состоя­нию светодиода VD1, который мы приняли за прямой выход.

И так что нужно знать о RS-триггере. У него есть два входа R и S и два выхода прямой и инверсный. Если триггер сделан на элементах И-НЕ, то при подаче отрицательного импульса на его вход S включается его прямой выход и выключается инверсный, а при подаче импульса на вход R включается инверсный выход, и прямой выключается. Если RS-триггер установился в какое то положение он будет оставаться в нем до тех пор пока не поступит импульс переключения его в противоположное положение.