Текст книги "Справочное пособие по цифровой электронике"
Автор книги: Майк Тули
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 8 страниц)
Этот автономный прибор позволяет производить разнообразные временные и частотные измерения как цифровых, так и аналоговых сигналов. Его устройство наиболее сложное по сравнению с конструкциями всех рассмотренных ранее приборов, поэтому рекомендуем приступать к его изготовлению только после того, как вы уже сделаете два-три более простых прибора.
Описание схемы. Основу цифрового счетчика-частотомера составляет популярная микросхема 7216А, представляющая собой универсальный счетчик. В микросхему встроены высокочастотный генератор, декадный счетчик, 8-декадный счетчик данных и защелка, дешифратор для 7-сегментных индикаторов и восемь усилителей (драйверов) для управления светодиодными индикаторами. Максимальная входная частота прибора равна 10 МГц в режиме измерения частоты и числа импульсов и 2,5 МГц в остальных режимах.
Микросхема 7216А может работать как частотомер, измеритель периода, измеритель отношения частот, измеритель временных интервалов или как накапливающий счетчик. Для построения многофункционального прибора требуется минимум внешних схем (рис. П2.26).
Рис. П2.26. Принципиальная электрическая схема цифрового счетчика-частотомера.
Поскольку оба сигнальных входа микросхемы 7216А (вход А – контакт 28 и вход В – контакт 2) являются цифровыми, причем порог переключения при питании +5 В составляет 2 В, необходимы цепи формирования внешних входных сигналов. Они представлены двумя широкополосными усилителями на транзисторах TR1 и TR2 для входа A и на транзисторах TR3 и TR4 для входа В. Усилители абсолютно одинаковы и обеспечивают формирование прямоугольного выходного сигнала с амплитудой 5 В при подаче на вход синусоидального напряжения со средним значением 100 мВ (при этом входные селекторы S1 и S2 находятся в положении переменного тока).
С помощью S1 и S2 можно подавать также входные сигналы постоянного тока (что важно при использовании устройств низкой частоты и счета событий) и сигналы с большой амплитудой. Кнопки S3 и S4 предназначены для фиксации и сброса индикатора, а с помощью переключателей S5 и S6 выбирают диапазон и род работы.
Для уменьшения объема монтажных работ, в цифровом счетчике-частотомере используются два 4-разрядных мультиплексированных 7-сегментных индикатора D11 и D12. Разводка контактов индикаторов показана на рис. П2.27.
Рис. П2.27. Разводка контактов 7-сегментного индикатора.
Конденсаторы С6—С9 обеспечивают развязку по питанию, а диод D3 понижает напряжение питания при работе от сухих батарей, а не от аккумуляторов. В случае применения аккумуляторов диод D3 просто закорачивается перемычкой.
Когда прибор работает от никель-кадмиевых аккумуляторов, последние можно подзаряжать в нерабочее время, подключая SK3 и SK4 к источнику постоянного напряжения 12 В (например, к сетевому блоку питания или автомобильному аккумулятору). Диод D2 защищает прибор от неправильного подключения, а светодиод D1 сигнализирует о процессе заряда. Зарядный ток ограничивается на уровне примерно 250 мА с помощью резистора R20, который должен рассеивать мощность не менее 2,5 Вт. Продолжительность заряда при полностью разряженных аккумуляторах составляет примерно 12 ч.
Монтаж. Все компоненты прибора, за исключением находящихся на лицевой панели и держателя для батарей, монтируются на печатной плате с размерами 110x110 мм (40 полосок с 40 отверстиями). Монтажная схема платы представлена на рис. П2.28.
Рис. П2.28. Монтажная схема платы.
Всего необходимо сделать на плате 45 разрывов печатных проводников.
Рекомендуется следующая последовательность монтажа: гнезда для микросхем, пистоны, индикаторы, перемычки, резисторы, диоды и конденсаторы. После тщательной проверки платы можно вставить в гнездо микросхему. Монтажная схема компонентов на лицевой панели показана на рис. П2.29.
Рис. П2.29. Монтажная схема лицевой панели.
Отверстие с размерами 100x20 мм для индикатора следует тщательно разметить и аккуратно вырезать надфилем, а затем его края обработать тонкой шкуркой.
Сзади к лицевой панели эпоксидной смолой прикрепляется красный поляризованный фильтр. Постарайтесь, чтобы смола не выступала на видимую часть фильтра и весь индикатор имел аккуратный вид.
Закончив монтаж лицевой панели, прикрепите печатную плату с помощью четырех стоек длиной 28 мм к основанию корпуса. Затем соедините кусочком плоского кабеля лицевую панель с печатной платой. Желательно, чтобы соединения были прямыми и по возможности короткими. Несоблюдение этой рекомендации может привести к помехам, вызывающим хаотические показания индикаторов при работе от батарей с пониженным напряжением.
С помощью болтов М3 и гаек к основанию корпуса крепится футляр батарей, а на задней стороне корпуса монтируются зарядные гнезда SK3 и SK4. На рис. П2.30 показаны надписи, которые наносятся на лицевой панели прибора.
Рис. П2.30. Внешний вид лицевой панели.
Проверка. При работе прибора от сухих батарей убедитесь, что перемычка отсутствует (см. рис. П2.28), а затем вставьте четыре батареи типа С напряжением 1,5 В каждая в футляр. Если прибор будет работать от аккумуляторов, необходимо проверить наличие перемычки и вставить в футляр четыре заряженных никель-кадмиевых аккумуляторов типа С. Затем поставьте S5 во включенное положение и измерьте постоянное напряжение питания на конденсаторе С7. Оно должно находиться в диапазоне от 4,5 до 5,5 В, в противном случае проверьте монтаж S7.
Теперь поставьте переключатель в положение Контроль, а переключатель диапазона – в положение «0,1 с/1 Гц». Исправный прибор должен индицировать число 10000.0, что соответствует частоте внутренней синхронизации 10 000 кГц. Если на индикаторе такого показания нет, проверьте монтаж IC1, D11, D12, S5 и S6. Когда индикатор вообще ничего не показывает, т. е. ни один из сегментов не светится, следует сначала проверить напряжение питания на контакте 18 микросхемы IC1, а затем монтаж кварца XI, R15, ТС1 и С3. Получив на индикаторе показание 10000.0, при прежних положениях переключателей функции и диапазона нажмите кнопку S4. При нажатой кнопке S4 на индикаторе должен высвечиваться 0.
Отметим, что старшие нули, т. е. нули слева от десятичной точки, не индицируются. Затем отпустите кнопку S4 и нажмите кнопку фиксации S3. Показания индикатора 10000.0 при нажатой кнопке S3 не должны изменяться. После этого отпустите кнопку S3 и проверьте показания прибора на различных диапазонах измерения согласно данным табл. П2.4.
Отметим, что в последнем случае старшая цифра (1) переполняет индикатор слева и для смены показаний индикатора требуется 10 с.
Теперь вернитесь на диапазон «0,01 с/1 Гц» и поочередно при различных положениях переключателя функции убедитесь в том, что показания прибора полностью соответствуют данным, приведенным в табл. П2.5.
Если прибор ничего не индицирует, нужно тщательно проверить правильность монтажа переключателей S5 и S6.
Наконец, цифровой счетчик-частотомер следует проверить от реального источника TTЛ-сигналов, например от генератора импульсов, описанного в табл. П2.5. Подайте на вход прибора прямоугольный сигнал частотой 500 Гц с коэффициентом заполнения 0,5. Затем установите переключатели функции в положении Частота и диапазон «1 с/100 Гц». Проверьте, высвечивается ли на индикаторе число 500 при каждом положении переключателя S1, а затем верните его в положение ТТЛ. После этого убедитесь в том, что прибор индицирует в зависимости от положения переключателя функции показания согласно данным табл. П2.6.
На этом проверка прибора заканчивается, и он считается готовым к работе. Батарей хватает примерно на 8—12 ч работы. Прибор сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания примерно до 4,5 В. Если напряжение будет еще снижаться, то будет ухудшаться свечение индикатора и прибор начнет индицировать хаотические показания.
Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R3 = R9 = R14 = 1 кОм; R2 = R4 = R17 = R18 = 10 кОм; R5 = R10 = R8 = R13 = 47 кОм; R6 = R11 = 100 Ом; R7 = R12= 220 Ом; R15 (0,5 Вт) = 10 МОм; R16 = 22 кОм; R19 = 270 Ом; R20 (2,5 Вт) = 27 Ом; конденсаторы: С1 = С2 = 0,47 мкФ (полистироловый, 100 В); 7 пкФ (полистироловый); С4 = С5 = 68 пкФ (керамический); С6 = 100 мкФ (электролитический, 16 В); С7 = 10 мкФ (электролитический, 25 В); С8 = С9 = 0,1 мкФ (полистироловый); VC1 = 5,5÷65 пкФ (миниатюрный триммер); полупроводниковые приборы: IC1 – 7216А; D1 – красный светодиод (с линзой); D2, D3 —1 N4001; D11, D12 – 4-разрядный индикатор с общим анодом; TR1—TR4 – ВС548.
Дополнительные детали: S1, S2 – миниатюрный однополюсный тумблер со средним положением; S3, S4 – миниатюрная кнопка, нормально разомкнутая; S5 – поворотный однополюсный переключатель на 12 положений (упор зафиксирован на четыре положения); S6 – поворотный однополюсный переключатель на 12 положений (упор зафиксирован на шесть положений); S7 – миниатюрный двухполюсный тумблер на два положения; 28-контактное гнездо для микросхемы; корпус типа Verobox с размерами 205x140x75 мм (номер детали 202-21035F), необязательная подставка для фиксации наклонного положения прибора; односторонние пистоны диаметром 1 мм (23 шт.); кусок платы типа Veroboard; болты, гайки, стойки (по 4 шт.); гнездо типа BNC с креплением на шасси (2 шт.); гнездо диаметром 2 мм с креплением на шасси (2 шт.); ручка (2 шт.); футляр для четырех батарей типа С; кварц (X1) 10 МГц, типа HC18/U; красный поляризованный фильтр для индикатора с размерами 100X35X0,76 мм.
3. Осциллограф
Без сомнения, читателям уже знаком этот универсальный прибор, предназначенный для наблюдения цифровых и аналоговых сигналов. Поэтому нижеприведенные сведения рассчитаны на новичков и тех читателей, которые захотят приобрести осциллограф.
За последние 10–15 лет стоимость осциллографов значительно снизилась. Разрабатывать же самодельный осциллограф новичку не под силу, тем более что основные его компоненты (электронно-лучевая трубка и блок питания) довольно дороги. Затрудняет разработку осциллографа еще и необходимость точной калибровки.
Применения. Основное применение осциллографа – наблюдение сигналов в электронных схемах. Следует иметь в виду, что дешевые осциллографы не хранят входные сигналы и показывают только периодические сигналы. К сожалению, большинство цифровых сигналов не периодические. Например, сигнал в последовательной линии связи RS-232C будет периодическим только в том случае, если по линии все время передается один символ или последовательность символов. Аналогичная ситуация, возникает и с сигналами на линиях микропроцессорной системы. Для получения устойчивого изображения необходим периодический сигнал.
По-видимому, осциллограф оказывается одним из самых дорогих приборов в большинстве лабораторий и домашних мастерских, поэтому использовать, его нужно максимально эффективно. Приведем некоторые соображения, которые, возможно, неизвестны или малоизвестны читателю.
При наличии на экране сетки и с учетом соответствующих положений переключателей диапазонов можно довольно точно измерить напряжение и время. Конечно, прежде чем. производить измерение, нужно откалибровать сетку, переведя органы управления в положение CAL (калибровка). Несоблюдение этого простого правила может привести к получению неточных и просто неверных результатов.
Во всех современных осциллографах усилитель вертикального отклонения имеет вход по постоянному току, поэтому изменение уровня входного сигнала вызывает сдвиги изображения по вертикали. В реальных схемах переменный сигнал часто накладывается на постоянный уровень. Убрать этот уровень можно с помощью входного конденсатора, который подсоединяется к входу переключателем «Переменный ток – Земля – Постоянный ток». В положении «Переменный ток» конденсатор подключен, а в положении «Постоянный ток» – закорочен. В положении «Земля» на вход вертикального усилителя подается нулевой потенциал (конечно, при этом собственно вход отключается). Для измерения постоянного уровня входного сигнала переключатель «Переменный ток – Земля – Постоянный ток» вначале переводится в положение «Земля» и развертка смещается на центральную горизонтальную ось. Затем переключатель переводится в положение «Постоянный ток» и по вертикальному отклонению развертки измеряется уровень.
В двухлучевых осциллографах с «расщеплением» луча предусматриваются два режима работы. В режиме коммутации развертка показывает небольшую часть сигнала по одному вертикальному каналу, а затем – такую же часть по другому каналу. Благодаря высокой частоте коммутации на экране видны как бы две непрерывные развертки. Такой режим удобен для наблюдения сравнительно низкочастотных сигналов (ниже частоты коммутации), так как сохраняются точные фазовые соотношения между индицируемыми сигналами. Во втором режиме (режиме «чередования») каждому каналу отводится развертка на весь экран попеременно. Это удобно для наблюдения высокочастотных сигналов, хотя фазовый сдвиг между ними воспроизводится неточно.
В большинстве современных осциллографов предусматриваются несколько запускающих сигналов: внутренний сигнал, сформированный в тракте вертикального отклонения, сигнал 50 Гц от сети и внешний сигнал со входа запуска.
Выбор осциллографа. При покупке осциллографа нужно учитывать не только его стоимость. Желательно, чтобы выбранный Вами прибор прослужил как можно дольше.
Двухлучевые осциллографы ненамного дороже однолучевых, поэтому целесообразно выбрать именно двухлучевой прибор. Рекомендуется, чтобы прибор обладал широкой полосой пропускания и максимальной чувствительностью по вертикали. Для хорошего и сравнительно дешевого осциллографа полоса пропускания должна составлять не менее 25 МГц, а чувствительность по вертикали – не менее 10 мВ/см.
Необходимо обратить внимание на четкость и ясность маркировки органов управления. Сетка на экране должна быть видна отчетливо и не должна затруднять восприятие изображения (в хороших осциллографах обычно предусматривается подсветка сетки). По возможности проверьте качество изображения, вращая ручки яркости и фокусировки. Важно убедиться в том, что сфокусированная развертка по всему экрану получается при максимальной яркости.
Некоторые осциллографы оснащаются также внутренними калибраторами и тестерами. Если вы располагаете достаточными средствами, целесообразно подумать о приобретении осциллографа с цифровой памятью. Такой прибор может зафиксировать достаточно быстрые непериодические и однократные сигналы и очень полезен при работе с более сложными цифровыми схемами.
Спецификации универсального осциллографа:
Чувствительность по вертикали … 10 мВ/см – 10 В/см
Полоса пропускания тракта усиления по вертикали … Постоянный ток – 25 МГц (=) 10 Гц – 30 МГц (~)
Время размаха по вертикали … 12,5 нс
«Расщепление» луча … Коммутация/поочередность
Скорость развертки … 10 мкс/см —1 с/см
Чувствительность запуска … Лучше 10 мВ в диапазоне 10 Гц-10 МГц
Размер экрана … 8x10 см
Пробник осциллографа. Важнейшее требование, предъявляемое к осциллографу, – это правильно воспроизводить короткие импульсы и не вносить большую емкостную нагрузку в проверяемый узел.
К сожалению, входная емкость осциллографа, варьируемая в диапазоне от 20 до 30 пкФ, включается параллельно емкости коаксиального кабеля, превышающей 150 пкФ, поэтому общая шунтирующая емкость для проверяемого узла составляет примерно 200 пкФ. На низких частотах этой емкостью можно пренебречь, но на частотах в несколько десятков килогерц и выше ее влияние уже начинает сказываться и импульсы с крутыми фронтами значительно искажаются. Эта проблема полностью снимается, если имеется компенсирующий пробник. Самый распространенный пробник дает десятикратное ослабление и обычно маркируется символами «Х10». Благодаря наличию пробника входное сопротивление увеличивается примерно в 10 раз, а входная емкость примерно во столько же раз уменьшается. Обычный пробник «Х10» обладает входным сопротивлением 10 МОм, входной емкостью 15 пкФ и дополняется множеством насадок для подключения в различных схемах.
4. Таблица обозначений основных логических элементов
5. Указатель зарубежных изделий электронной техники и их отечественных аналогов
6. Функциональное назначение зарубежных изделий электронной техники
Микромощные логические ИМС КМОП-типа
CD4001 – четыре логических элемента 2ИЛИ – НЕ
CD4002 – два логических элемента 4ИЛИ – НЕ
CD4012 – два логических элемента 4И – НЕ
CD4013 – два D-триггера
CD4020 – 14-разрядный двоичный счетчик-делитель
CD4023 – три трехвходовых элемента И – НЕ
CD4025 – три трехвходовых элемента И – НЕ
CD4027 – два JK-триггера
CD4049 – шесть логических элементов НЕ
CD4050 – шесть преобразователей уровня
CD4069 – шесть инверторов
CD4070 – четыре логических элемента Исключающее ИЛИ
CD4081 – четыре логических элемента 2И
CD4076 – четыре D-триггера с тремя состояниями на выходе
Логические ИМС ТТЛ– и ТТЛШ-типа
SN7400 – четыре логических элемента 2И – НЕ
SN7401 – четыре логических элемента 2И – НЕ с открытым коллекторным выводом
SN7402 – четыре логических элемента 2ИЛИ – НЕ
SN7403 – четыре логических элемента 2ИЛИ – НЕ с открытым коллекторным выводом
SN7404 – шесть логических элементов НЕ (инверторов)
SN7405 – шесть логических элементов НЕ с открытым коллекторным выводом
SN7406 – шесть буферных инверторов с повышенным выходным напряжением (30 В), с открытым коллекторным выводом
SN7407 – шесть буферных формирователей с повышенным выходным напряжением (30 В), с открытым коллекторным выводом
SN7408 – четыре логических элемента 2И
SN7409 – четыре логических элемента 2И с открытым коллекторным выводом
SN7410 – три логических элемента 3И – НЕ
SN7411 – три логических элемента 3И
SN7412 – три логических элемента 3И – НЕ с открытым коллекторным выводом
SN7413 – два триггера Шмитта с четырьмя логическими элементами
SN7414 – шесть триггеров Шмитта с инвертором
SN7415 – три логических элемента 3И с открытым коллекторным выводом
SN7416 – то же, что SN7406, но с выходным напряжением 15 В
SN7417 – то же, что SN7407, но с выходным напряжением 15 В
SN7420 – два логических элемента 4И – НЕ, один из них расширяемый по ИЛИ
SN7421 – два логических элемента 4И
SN7422 – два логических элемента 4И – НЕ с открытым коллекторным выводом и повышенной нагрузочной способностью
SN7423 – два логических элемента ИЛИ – НЕ со стробированием на одном элементе и возможностью расширения по ИЛИ на другом
SN7425 – два логических элемента 4ИЛИ – НЕ со стробированием
SN7426 – четыре высоковольтных (с выходным напряжением 15 В) логических элемента
SN7427 – 2И – НЕ с открытым коллекторным выводом
SN7428 – три логических элемента ЗИЛИ – НЕ четыре буферных логических элемента 2ИЛИ – НЕ
SN7430 – логический элемент 8И – НЕ
SN7432 – четыре логических элемента 2ИЛИ
SN7433 – четыре логических элемента ИЛИ – НЕ с повышенной помехостойкостыо с открытым коллекторным выводом
SN7437 – четыре логических элемента 2И – НЕ с повышенной нагрузочной способностью
SN7438 – четыре буферных логических элемента 2И – НЕ с открытым коллекторным выводом
SN7440 – два логических элемента 4И – НЕ с большим коэффициентом разветвления
SN7442 – дешифратор 4 на 10
SN7450 – два логических элемента 2—2И—2ИЛИ – НЕ, один из них расширяемый по ИЛИ
SN7451, SN74LS51 – два логических элемента 4–2—3—2И—4ИЛИ – НЕ
SN7453 – логический элемент 2–2—3И—4ИЛИ – НЕ – с возможностью расширения по ИЛИ
SN7454 – логический элемент 2–3—3—2И—4ИЛИ – НЕ
SN74LS55 – логический элемент 4—4И—2ИЛИ – НЕ с расширением по ИЛИ
SN7460 – два 4-входовых логических расширителя по ИЛИ
SN7475 – четыре D-триггера (защелки данных)
SN7477 – четыре D-триггера
SN7480 – одноразрядный полный сумматор SN7482
SN7483 – двухразрядный полный сумматор
SN7486, SN74LS86 – четырехразрядный двоичный сумматор четыре двухвходовых логических элемента Исключающее ИЛИ
SN7490 – двоично-десятичный четырехразрядный счетчик
SN7491 – 8-разрядный сдвиговый регистр с последовательным входом и выходом
SN7492 – счетчик-делитель на 12
SN7493 – 4-разрядный двоичный счетчик
SN7495 – 4-разрядный сдвигающий регистр
SN7496 – 5-разрядный универсальный сдвигающий регистр
SN74107 – два JK-триггера со сбросом
SN74109 – два JK-триггера
SN74110 – JK-триггер со сбросом и предустановкой
$N74111 – два JK-триггера со сбросом и предустановкой
SN74LS112 – два JK-триггера со сбросом и предустановкой
SN74LS113 – два JK-триггера с предустановкой
SN74LS114 – два JK-триггера с предустановкой и общим сбросом
SN74121 – одновибратор с логическим элементом на выходе
SN74122 – одновибратор с повторным запуском
SN74123 – сдвоенный одновибратор с повторным запуском
SN74124 – сдвоенный генератор, управляемый напряжением
SN74125, SN74126 – четыре буферных усилителя с тремя состояниями
SN74128 – четыре логических элемента 2ИЛИ – НЕ (магистральный усилитель)
SN74132 – четыре триггера Шмитта с логикой 2И – НЕ на входе
SN74136 – четыре двухвходовых логических элемента Исключающее ИЛИ с открытым коллекторным выводом
SN74138 – двоичный дешифратор
SN74139 – два дешифратора-демультиплексора 2 на 4
SN74141 – высоковольтный (60 В) двоично-десятичный дешифратор управления газоразрядными индикаторами
SN74145 – двоично-десятичный дешифратор с выходным напряжением 15 В
SN74150 – селектор-мультиплексор на 16 каналов со стробированием
SN74151 – селектор-мультиплексор на 8 каналов со стробированием
SN74152 – селектор-мультиплексор на 8 каналов
SN74153 – сдвоенный цифровой селектор-мультиплексор 4—1
SN74155 – сдвоенный дешифратор-мультиплексор 2—4
SN74173 – 4-разрядный регистр с тремя состояниями на входе
SN74174 – шесть синхронных D-триггеров
SN74175 – четыре D-триггера
SN74176 – десятичный счетчик с предустановкой
SN74177 – двоичный счетчик с предустановкой
SN74178 – 4-разрядный сдвигающий регистр
SN74179 – 4-разрядный сдвигающий регистр
SN74180 – 8-разрядная схема контроля четности и нечетности
SN74184 – преобразователь двоично-десятичного кода в двоичный
SN74190 – синхронный реверсивный десятичный счетчик
SN74192 – двоично-десятичный реверсивный счетчик
SN74193 – 4-разрядный двоичный реверсивный счетчик
SN74194 – 4-разрядный универсальный регистр сдвига
SN74199 – 8-разрядный сдвигающий регистр
SN74240 – 8-канальный магистральный буферный усилитель с тремя: состояниями и инверсией
SN74241 – 8-канальный магистральный буферный усилитель с тремя состояниями без инверсии
SN74242 – 4-линейный передатчик
SN74243 – 4-линейный передатчик
SN74244 – 8-канальный однонаправленный шинный формирователь
SN74245 – 8-канальный двунаправленный шинный формирователь
SN74LS266 – четыре двухвходовых логических элемента Исключающее ИЛИ с открытым коллектором
SN74273 – 8-разрядный D-триггер со сбросом
SN74279 – четыре RS-григгера
SN74283 – 4-разрядный двоичный полный сумматор с ускоренным переносом
* * *
