Электроника:Эксперименты/Цифровые интегральные схемы/Светодиодный секвенсор

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Светодиодный секвенсор

Оборудование и материалы

• Декадный счётчик/делитель 4017 (каталог Radio Shack №276-2417)
• Таймерная ИС 555 (каталог Radio Shack №276-1723)
• 10-сегментная светодиодная гистограмма (каталог Radio Shack №276-081)
• Один переключатель ОПОХ («однополюсный, одноходовой»)
• Одна батарея 6 вольт
• Резистор 10 кОм
• Резистор 1 МОм
• Конденсатор 0,1 мкФ (каталог Radio Shack №272-135 или аналог)
• Конденсатор связи от 0,047 до 0,001 мкФ
• Десять резисторов по 470 Ом
• Аудиодетектор с наушниками

Осторожно!

Микросхема 4017 представляет собой КМОП-матрицу и поэтому чувствительна к статическому электричеству!

Подойдёт любой однополюсный одноходовой переключатель. Бытовой переключатель света будет работать нормально и его можно купить в любом хозяйственном магазине.

Аудиодетектор будет использоваться для оценки частоты сигнала. Если у вас есть доступ к осциллографу, аудиодетектор не нужен.

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том IV «Цифровая электроника», глава 3: «Логические вентили»
• «Уроки по электрическим цепям», том IV «Цифровая электроника», глава 4: «Переключатели»
• «Уроки по электрическим цепям», том IV «Цифровая электроника», глава 11: «Схемы последовательностей»

Цели эксперимента

• Использование таймерной схемы 555 для выработки «тактовых» импульсов (нестабильный мультивибратор)
• Использование схемы декадного счётчика/делителя 4017 для создания последовательности импульсов
• Использование схемы декадного счётчика/делителя 4017 для частотного деления
• Использование делителя частоты и тактового входа для измерения частоты
• Назначение «подтягивающего» резистора
• Влияние «дребезжания» контактов переключателя на цифровые схемы
• Использование таймерной схемы 555 для «устранения дребезжания» механического переключателя (моностабильный мультивибратор)

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: светодиодный секвенсор.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: светодиодный секвенсор.

Ход эксперимента

Интегральная схема модели 4017 представляет собой КМОП-счётчик с десятью выходными клеммами. Один из этих десяти терминалов будет находиться в «высоком» состоянии в любой момент времени, а все остальные будут в «низком», давая выходную последовательность «один из десяти». Если на клемму «тактового входа» (обозначен на схемах как Clk) 4017 подаются импульсы напряжения от низкого до высокого, он будет увеличивать свой счёт, переводя следующий выход в «высокое» состояние.

С интегральным таймером 555, подключённым как нестабильный мультивибратор (генератор) низкой частоты, модель 4017 будет циклически повторять свою последовательность из десяти отсчётов, зажигая каждый светодиод по одному и «возвращаясь» обратно к первому светодиоду. Результатом является визуально приятная последовательность мигающих огней. Не стесняйтесь экспериментировать с номиналами резисторов и конденсаторов на интегральном таймере 555, чтобы создать разную частоту вспышек.

Попробуйте отсоединить перемычку, ведущую от клеммы «Тактовый вход» модели 4017 (контакт №14) к клемме «Выход» интегрального таймера 555 (контакт № 3), где она подключается к микросхеме таймера 555, и держите её конец в руке. Если вокруг вас наблюдается достаточный «шум» от сети с частотой 60 Гц, модель 4017 обнаружит его как быстрый тактовый сигнал, в результате чего светодиоды начнут очень быстро мерцать.

Две клеммы на микросхеме 4017, «Сброс» и «Разрешение тактового сигнала» (англ. «Clock Enable»), поддерживаются в «низком» состоянии посредством соединения с отрицательным полюсом батареи («землёй»). Это необходимо, если подсчёт должен происходить свободно. Если клемма «Сброс» установлена в «высокий» уровень, выход модели 4017 будет сброшен обратно в «0» (контакт №3 «высокий», все остальные выходные контакты «низкие»). Если для параметра «Разрешение тактового сигнала» установлено значение «высокий», микросхема перестанет реагировать на тактовый сигнал и приостановит свою последовательность подсчёта.

Если терминал «Сброс» модели 4017 подключён к одному из 10-ти выходных терминалов, последовательность счёта будет сокращена. Вы можете поэкспериментировать с этим, отключив клемму «Сброс» от «земли», а затем подключив длинную перемычку к клемме «Сброс» для лёгкого подключения к выходам 10-сегментной светодиодной гистограммы. Обратите внимание, сколько (или насколько мало) светодиодов загорается при подключении «Сброс» к любому из выходов:

Рис. 3. Отключение клеммы «Сброс» от «земли» и подключение перемычки к клемме «Сброс».

Счётчики, такие как 4017, могут использоваться в качестве цифровых делителей частоты для получения тактового сигнала и создания импульса, имеющего некоторый целочисленный коэффициент тактовой частоты. Например, если тактовый сигнал от интегрального таймера 555 составляет 200 Гц, а таймер 4017 настроен на последовательность полного счёта (клемма «Сброс» подключена к «земле», что даёт полный десятишаговый счёт), сигнал с период в десять раз больший (20 Гц) будет присутствовать на любой из выходных клемм модели 4017. Другими словами, каждый выходной терминал будет циклически повторяться один раз за каждые десять циклов тактового сигнала: частота в десять раз медленнее.

Чтобы поэкспериментировать с этим принципом, подключите аудиодетектор между выходом 0 (контакт №3) модели 4017 и «землёй» через очень маленький конденсатор (от 0,047 мкФ до 0,001 мкФ). Конденсатор используется только для «связывания» сигналов переменного тока, чтобы вы могли слышать импульсы, не помещая постоянную (резистивную) нагрузку на выход микросхемы счётчика.

Когда клемма «Сброс» модели 4017 заземлена, у вас будет последовательность полного счёта, и вы будете слышать «щелчок» в наушниках каждый раз, когда загорается светодиод «0», что соответствует 1/10 фактической выходной частоты для 555:

Рис. 4. Клемма «Сброс» модели 4017 заземлена.

Фактически, знание этой математической зависимости между щелчками, слышимыми в наушниках, и тактовой частотой позволяет нам измерить тактовую частоту с достаточной степенью точности. С помощью секундомера или другого хронометра подсчитайте количество щелчков, слышимых за одну полную минуту при подключении к выходу «0» модели 4017. Используя резистор 1 МОм и конденсатор 0,1 мкФ в цепи синхронизации 555 и напряжение питания 13 вольт (вместо 6), я насчитал 79 щелчков за одну минуту в моей схеме.

Ваша схема может дать немного другие результаты. Умножьте количество импульсов, подсчитанных на выходе «0», на 10, чтобы получить количество циклов, произведённых интегральным таймером 555 за это же время (моя схема: 79 × 10 = 790 циклов). Разделите это число на 60, чтобы получить количество циклов таймера, прошедших за каждую секунду (моя схема: 790 / 60 = 13,17). Эта конечная цифра представляет собой тактовую частоту в герцах.

Теперь, оставив один тестовый щуп аудиодетектора подключённым к «земле», возьмите другой щуп (тот, у которого последовательно подключён разделительный конденсатор) и подключите его к выводу №3 таймера 555. Жужжание, которое вы слышите, является неделимой тактовой частотой:

Рис. 5. Один тестовый щуп заземлён, а второй подключён к выводу №3.

Если подключить клемму «Сброс» модели 4017 к одной из выходных клемм, получится усеченная последовательность. Если мы используем 4017 в качестве делителя частоты, это означает, что выходная частота будет отличаться от тактовой частоты в таких пропорциях: 1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1/3 или 1/2, в зависимости от того, к какой выходной клемме мы подключаем перемычку «Сброс».

Снова подключите тестовый щуп аудиодетектора к выходу «0» 4017 (контакт №3) и подключите перемычку терминала «Сброс» к шестому светодиоду слева на гистограмме. Это должно дать коэффициент деления частоты 1/5:

Рис. 6. Тестовый щуп аудиодетектора подключён к выходу «0».

Снова подсчитав количество щелчков, слышимых за одну минуту, вы должны получить число примерно в два раза больше, чем было подсчитано с помощью 4017, настроенного на соотношение 1/10, потому что 1/5 в два раза больше, чем соотношение 1/10.

Если вы не получаете счёт, в два раза превышающий тот, который вы получили раньше, это происходит из-за ошибки, присущей методу подсчёта циклов: согласование вашего слуха с показаниями секундомера или другого устройства для измерения времени.

Попробуйте заменить времязадающий резистор 1 МОм в схеме 555 резистором значительно меньшего номинала, например 10 кОм. Это повысит тактовую частоту чипа 4017. Используйте аудиодетектор, чтобы прослушать разделённую частоту на выводе №3 модели 4017, отмечая разные тона, производимые при перемещении перемычки «Сброс» на разные выходы, создавая разные коэффициенты разделения частоты.

Посмотрите, сможете ли вы получить октавы, разделив исходную частоту на 2, затем на 4, а затем на 8 (каждая нисходящая октава представляет собой половину предыдущей частоты). Октавы легко отличить от других разделённых частот по высоте, схожей с исходным тоном.

Последний урок, который можно извлечь из этой схемы, — это «дребезжание» контактов переключателя. Для этого вам понадобится переключатель для подачи тактовых сигналов на микросхему 4017 вместо таймера 555. Снова подключите перемычку «Сброс» к «земле», чтобы включить полную 10-шаговую последовательность счёта, и отсоедините выход 555 от входной клеммы «Тактовый вход» модели 4017.

Подключите переключатель последовательно с подтягивающим резистором 10 кОм и подключите эту сборку к «Тактовому входу» 4017, как показано на рисунке:

Рис. 7. Схематическая диаграмма: резистор 1 Мом заменили на 10 кОм.

Рис. 8. Иллюстрация: резистор 1 Мом заменили на 10 кОм.

Назначение «подтягивающего» резистора состоит в том, чтобы обеспечить определённое «низкое» логическое состояние, когда контакт переключателя размыкается. Без этого резистора входной провод «Тактовый вход» модели 4017 будет плавать всякий раз, когда контакт переключателя будет размыкаться, оставляя его уязвимым для помех от паразитных статических напряжений или электрических «шумов», которые могут заставить 4017 считать случайным образом.

С подтягивающим резистором «Тактовый вход» модели 4017 будет иметь определённое, хотя и резистивное, соединение с «землёй», обеспечивая стабильное «низкое» логическое состояние, исключающее любые помехи от статического электричества или «шума» от близлежащей проводки цепи переменного тока.

Включите/выключите переключатель, отмечая реакцию светодиодов. При каждом переключении из положения «Выкл.» во «Вкл.» на счётчик 4017 должна происходить разовая инкрементация. Однако вы можете заметить кое-что странное: иногда последовательность светодиодов «пропускает» один или даже несколько шагов при замыкании одного переключателя.

Почему так происходит? Из-за очень быстрого механического «дребезжания» контактов переключателя. Когда два металлических контакта быстро соединяются, как это происходит внутри большинства переключателей, происходит упругое столкновение. Это столкновение приводит к очень быстрому замыканию и размыканию контактов, поскольку они «отскакивают» друг от друга.

Обычно этот «отскок» происходит слишком быстро, чтобы вы могли заметить этот эффект, но в такой цифровой схеме, как эта, где микросхема счётчика способна реагировать на очень быстрые тактовые импульсы, эти «отскоки» интерпретируются как отдельные тактовые сигналы и подсчёт происходит соответственно.

Одним из способов решения этой проблемы является использование схемы синхронизации для создания одного импульса для любого количества входных импульсных сигналов, полученных в течение короткого промежутка времени. Схема называется моностабильным мультивибратором, а любой метод устранения ложных импульсов, вызванных «дребезжанием» контактов переключателя, называется устранением дребезжания. Схема интегрального таймера 555 способна работать как дебаунсер, если вход «Триггер» подключён к переключателю как таковой:

Рис. 9. Схематическая диаграмма: интегральный таймер 555 как дебаунсер.

Рис. 10. Иллюстрация: интегральный таймер 555 как дебаунсер.

Обратите внимание, что, поскольку мы снова используем 555 для подачи тактового сигнала на 4017, мы должны повторно соединить контакт №3 микросхемы 555 с контактом №14 микросхемы 4017! Кроме того, если вы изменили значения резистора или конденсатора в цепи таймера 555, вам следует вернуться к исходным компонентам 1 МОм и 0,1 мкФ.

Снова активируйте переключатель и обратите внимание на поведение счётчика 4017. Больше не должно быть «пропущенных» отсчётов, как это было раньше, потому что таймер 555 выдаёт один чёткий импульс для каждого включения/выключения (обратите здесь внимание на инверсию операции!) переключателя.

Важно, чтобы синхронизация таймерной схемы 555 была соответствующей: время зарядки конденсатора должно быть больше, чем период «установки» переключателя (время, необходимое для прекращения «дребезжания» контактов), но не настолько велико, что таймер «пропускает» быструю последовательность срабатываний переключателей, если они произойдут.