Technika cyfrowa, robotyka – generator impulsów, licznik, dzielnik częstotliwości

Zbudujemy poniższy układ generatora z 3 bramek NOT. Pozostałe bramki wykorzystamy do sterowania diodami:

 

 

W pętli zwrotnej umieszczamy włącznik. Jeśli nie będzie on wciśnięty, to pętla zostanie rozwarta i generator nie będzie generował impulsów. W takim przypadku zawsze będzie zaświecona tylko jedna z diod LED. Gdy naciśniemy przycisk, pętla zwrotna będzie przekazywała stan wyjścia bramki trzeciej na wejście bramki pierwszej. Układ przestanie być stabilny i zacznie wykonywać naprzemienne drgania. Będzie to powodowało naprzemienne zaświecanie diod LED. Jednakże proces ten jest tak szybki, iż oko nie jest w stanie go rozróżnić. Dla nas zaświecą się obie diody naraz. Będzie to właśnie dowodem, że nasz generator podjął pracę.

 

Spis elementów:

 

 

Gdy przycisk nie jest naciśnięty, górna dioda jest zapalona (z dodatkowej bramki NOT), dolna jest zgaszona (wyjście generatora). Gdy naciśniesz przycisk, zapalą się obie diody, jednak będą świeciły mniej intensywnie. Świadczy to o tym, że generator podjął pracę i diody są zaświecane naprzemiennie miliony razy na sekundę. Gdy zwolnisz przycisk, generator przestaje działać i znów zapala się górna dioda.

Aby zbudować generator o niższych częstotliwościach pracy, które da się obserwować okiem, musimy zastosować element zwany kondensatorem.

Zbudowany on jest z dwóch przewodników rozdzielonych od siebie za pomocą tzw. dielektryka, czyli materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego. Gdy do tych przewodników doprowadzimy napięcie elektryczne, to zaczną się na nich gromadzić ładunki elektryczne. Ładunki te wytworzą pomiędzy przewodnikami napięcie elektryczne, które będzie rosnąć wraz z przybywaniem ładunków aż osiągnie wartość napięcia zasilającego. W trakcie ładowania kondensatora płynie przez niego chwilowy prąd do momentu, aż zgromadzone ładunki wytworzą napięcie równe napięciu zasilającemu. Wtedy oba napięcia się zniosą i prąd przestanie płynąć. Kondensator przejdzie w stan nasycenia.

U_Z = U_C + U_R

 

Nie wgłębiając się w szczegóły teoretyczne, powiedzmy, że czas osiągnięcia przez kondensator stanu nasycenia jest proporcjonalny do iloczynu RC, gdzie R to oporność opornika R, a C jest pojemnością kondensatora. Opór wyrażamy w omach, a pojemność w faradach. Im większy opór czy pojemność tym czas ten jest dłuższy.

Jeśli naładowany kondensator zewrzemy poprzez opór, to nastąpi zjawisko odwrotne – rozładowanie kondensatora.

U_C = U_R

Znów popłynie krótki prąd. Rozładowanie powoduje spadek napięcia na kondensatorze w miarę ubywania ładunków elektrycznych. Proces ten zakończy się, gdy kondensator zostanie całkowicie rozładowany. Czas rozładowania również jest proporcjonalny do iloczynu RC. Zwróć uwagę, że przy rozładowywaniu napięcie na oporniku R ma zwrot przeciwny i jest równe co do wartości napięciu na kondensatorze.

 

Rozważmy teraz bardzo prosty generator zbudowany z dwóch bramek NOT, opornika i kondensatora. Podane tutaj wyjaśnienie jest tylko przybliżone (w rzeczywistości należałoby omówić tzw. bramki zlinearyzowane), lecz wystarczające do zrozumienia zasady działania tego generatora.

W bardzo dużym uproszczeniu wyjście bramki NOT możemy potraktować jak przełącznik:

Gdy na wejściu bramki NOT mamy stan 0, to na jej wyjściu pojawia się stan 1. Możemy ten stan potraktować tak, jakby wyjście zostało połączone "przełącznikiem" do napięcia 3,3V.  Gdy na wejściu bramki NOT mamy stan 1, to na jej wyjściu pojawia się stan 0, co odpowiada zwarciu wyjścia do masy (z uwagi na spadki napięć wewnątrz układu napięcie w tym stanie nie jest równe 0V, lecz wynosi około 0,8V).

Wróćmy teraz do naszego generatora. Załóżmy, że kondensator C jest rozładowany i na wejściu pierwszej bramki panuje stan 0. Wtedy na jej wyjściu musi być stan 1, a na wyjściu drugiej bramki musi być stan 0:

 

W takim układzie kondensator zaczyna się ładować poprzez opornik R z wyjścia pierwszej bramki. Napięcie na kondensatorze rośnie. Jednocześnie napięcie to pojawia się na wejściu pierwszej bramki w punkcie A. Przerywaną linią niebieską zaznaczyliśmy na wykresie poziom napięcia, który spowoduje przełączenie pierwszej bramki w stan przeciwny, tzn. na jej wejściu pojawi się stan 1 z kondensatora, na wyjściu pojawi się stan 0, co z kolei wymusi stan 1 na wyjściu drugiej bramki. Układ zmieni konfigurację:

Ponieważ kondensator jest naładowany poprzednią polaryzacją napięcia, to przy przełączeniu bramek napięcie na kondensatorze doda się do napięcia wyjściowego bramki drugiej i w efekcie nastąpi chwilowy skok napięcia w punkcie A. Kondensator zacznie się rozładowywać poprzez opornik R, a następnie będzie się ładował napięciem przeciwnym. Proces ten spowoduje stopniowe obniżanie się napięcia w punkcie A aż do momentu, gdy osiągnie ono poziom przełączania bramki pierwszej, który zaznaczyliśmy na wykresie przerywaną linią niebieską. Układ znów zmieni konfigurację na przeciwną:

Ponieważ w momencie przełączenia kondensator jest naładowany odwrotnym napięciem, to nastąpi chwilowy spadek napięcia w punkcie A poniżej 0V. Teraz kondensator najpierw rozładuje się poprzez opornik R, a następnie zacznie się ładować napięciem wyjściowym bramki pierwszej. Napięcie w punkcie A będzie rosło aż osiągnie poziom przełączania bramki pierwszej. Wtedy cały cykl się powtórzy i generator zacznie generować naprzemiennie stany 0 i 1. Okres generatora zależy od użytych elementów R i C. Nie będziemy go wyliczać, ponieważ jest to dosyć skomplikowane (nasz model jest jedynie uproszczeniem, które pozwala zrozumieć zasadę działania tego generatora, w rzeczywistości diabeł tkwi w szczegółach).

 

Zbudujemy opisany generator wg poniższego schematu:

 

 

Równolegle z kondensatorem umieszczamy włącznik. Gdy będziemy go naciskać, generator będzie generował impulsy, które spowodują mruganie diody.

Spis elementów:

 

    

Licznik jest układem cyfrowym, który zlicza impulsy podawane na jego wejście zegarowe. Wynik zliczania jest oczywiście liczbą binarną. Liczniki konstruuje się z przerzutników flip-flop (przerzutniki typu latch nie nadają się do tego celu). Przemysł elektroniczny produkuje gotowe układy cyfrowe, które zawierają w sobie taki licznik. Układ SN7493 zawiera 4 przerzutniki:

Przerzutniki te są tak ze sobą połączone, iż tworzą licznik 1-bitowy oraz licznik 3-bitowy. Funkcje wejść i wyjść są następujące:

Podział na licznik 1-bitowy oraz 3-bitowy pozwala tworzyć różnego rodzaju liczniki binarne. Jeśli na wejścia R1 i R2 podamy jednocześnie stan wysoki, to wszystkie cztery przerzutniki zostaną wyzerowane. Wejścia te wykorzystuje się do tworzenia liczników zliczających impulsy do pewnej wartości.

Aby utworzyć 4-bitowy licznik binarny, sygnał zegarowy doprowadzamy do wejścia A, natomiast wyjście QA łączymy z wejściem B. Oba wejścia R1 i R2 należy połączyć z masą, aby panował na nich stan niski.

 

Zwróć uwagę, że w układzie scalonym wyjścia QA, QB, QC i QD są w kolejności: QA, QD, QB, QC.

 

Wykorzystamy generator z ćwiczenia nr 3 do utworzenia licznika binarnego, który będzie zliczał impulsy tworzone przez generator. Do sterowania diod użyjemy oporników 220Ω, aby zbytnio nie obciążać wyjść przerzutników. Diody LED wciąż będą świecić jasno, a układ stanie się bardziej stabilny (przy opornikach 120Ω licznik działał nieprawidłowo).

 

Spis elementów:

 

 

Aby zmniejszyć częstotliwość impulsów generatora możemy zastosować również licznik. Gdy zbudujesz układ z ćwiczenia nr 3, to zwróć uwagę, że dioda z wyjścia QA mruga dwa razy wolniej od diody z wyjścia generatora. Z kolei dioda QB mruga dwa razy wolniej od diody QA. Nasz licznik jednocześnie zlicza impulsy generatora i dzieli ich częstotliwość przez 2 (QA), 4 (QB), 8 (QC) i 16 (QD).