2001.10_Ośla łączka.pdf

Ośla łączka

Informacje dotyczące zestawu EdW−A05 do „Oślej łączki“

znajdują sie na stronie 80.

Bramki XOR, XNOR

Ćwiczenie 3 Przerzutnik RS

Zbuduj układ według rysunku 5

z bramkami NOR z układu scalonego

4001 (nie zapomnij o końcówkach zasi−

lania). Bramki U1A, U1D (oznaczone

A, D) tworzą tak zwany przerzutnik

RS , dwie pozostałe bramki sterują dio−

dami LED. Zauważ, że bramki B, C peł−

nią funkcję negatorów.

Przerzutnik ten jest elementem pa−

miętającym – zapamiętuje i pokazuje

świeceniem diod LED, który z przyci−

sków został ostatnio naciśnięty.

Jeśli chcesz, układ o takich właściwo−

ściach zbudujesz z bramkami NAND

według rysunku 6 . Tym razem stany

wyjść zmieniamy zwierając wejścia

z masą. W układzie pokazanym na foto−

grafii 6 wolne bramki pełnią rolę nega−

torów i są sterownikami dwóch kontro−

lek LED.

Rysunek 14 pokazuje symbole i działanie

bramek XOR i XNOR (EXOR i EXNOR). Są

wykorzystywane stosunkowo rzadko i nie bę−

dziemy się na razie nimi zajmować. Informu−

ję tylko o ich istnieniu.

Zasady ich działania są takie same, jak po−

danych wcześniej bramek dwuwejściowych.

Rys. 5

Czy wiesz, że...

Określenie CMOS ( Complementary

MOS ) informuje, iż układ scalony jest zbudo−

wany z tranzystorów komplementarnych (dopeł−

niających) MOS, czyli z MOSFET−ów N

i MOSFET−ów P. Bipolarny układ scalony

to układ zawierający zwykłe, czyli

bipolarne tranzystory.

Fot. . . 6

Układy rodziny CMOS 4000

W ramach Oślej łączki wykorzystujemy

układy logiczne (cyfrowe) rodziny CMOS

4000, ponieważ mają bardzo dobre właści−

wości i od ponad trzydziestu lat zasłużenie

cieszą się wielką popularnością wśród prak−

tyków. Oto najważniejsze cechy układów

CMOS 4000, z których większość można

sprawdzić w ćwiczeniach:

1. Mogą być zasilane napięciem stałym

w szerokim zakresie: 3...18V.

2. Ogromnie cenną zaletą jest fakt, że ukła−

dy CMOS w spoczynku nie pobierają prą−

du ze źródła zasilania . Prąd jest pobierany

tylko w krótkich chwilach, gdy na wejściach

i wyjściach zmieniają się stany logiczne.

3. Wejścia mają ogromną rezystancję wej−

ściową. W praktyce oznacza to, że wejścia

nie pobierają prądu − sterowanie odbywa

się na drodze napięciowej.

Dlaczego „cemos”?

Działanie tranzystorów MOSFET omawialiśmy podczas

drugiej wyprawy (A2). Ponieważ są to elementy składo−

we bramek i wszystkich innych układów logicznych

CMOS, warto krótko przypomnieć ich działanie. Pomo−

cą będzie rysunek A . Połączenie dwóch komplementar−

nych tranzystorów MOSFET daje najprostszy element

logiczny – inwerter. Tak właśnie zbudowane są inwertery

układu CMOS 4069. Gdy na wejściu napięcie jest równe

zeru (stan logiczny niski), przewodzi górny tranzystor

MOSFET P i na wyjściu jest stan wysoki. Dolny tranzystor

(MOSFET N) jest za−

tkany. Gdy na wejściu

jest stan wysoki, czyli

napięcie bliskie napię−

ciu zasilania, przewo−

dzi dolny tranzystor,

a górny jest zatkany −

na wyjściu napięcie

jest równe zeru, czyli

utrzymuje się tam stan

niski.

Zwróć uwagę, że w normalnych warunkach pracy,

gdy na wejściu występują „czyste” stany logiczne, zawsze

jeden z tranzystorów jest zatkany, więc spoczynkowy po−

bór prądu jest równy zeru . Dotyczy to wszystkich ukła−

dów CMOS. Jedynie w czasie, gdy napięcie na wejściu

ma wartość zbliżoną do połowy napięcia zasilania −

w praktyce wtedy, gdy napięcie wejściowe się zmienia,

przez krótką chwilę przewodzą oba tranzystory i układ

CMOS pobiera prąd z zasilacza.

Rysunek B pokazuje budowę wewnętrzną dwuwej−

ściowej bramki NAND z kostki 4011 oraz dwuwejściowej

Elektronika dla Wszystkich

Ośla łączka

A5 94

Uwaga! Wejść układów CMOS w żad−

nym wypadku nie można pozostawić nie−

podłączonych, czyli jak mówimy „zawie−

szonych w powietrzu”. Niewykorzystane

wejścia koniecznie trzeba połączyć albo do

masy, albo do plusa zasilania, albo do ja−

kiegoś wyjścia .

4. Pomimo, że „wewnętrzna” bramka

w spoczynku nie pobiera prądu, z jej wyj−

ścia można pobierać prąd. Wartość tego prą−

du jest rzędu kilku...kilkudziesięciu miliam−

perów i zależy od wartości napięcia zasila−

nia. W praktyce obwód wyjściowy bramki

CMOS można traktować jako przełącznik

z wbudowanym rezystorem według rysun−

ku poniżej . Czym wyższe napięcie zasila−

nia, tym większy prąd można pobrać z wyj−

ścia (czyli wartość „rezystora” maleje ze

wzrostem napięcia zasilajacego).

5. Delikatne wejścia układów CMOS mają

wbudowane wewnętrzne obwody zabezpie−

Takie przerzutniki RS

dość często wykorzystu−

jemy w praktyce.

Przeanalizuj samo−

dzielnie, ewentualnie

sprawdź woltomierzem,

jak zmieniają się stany lo−

giczne (napięcia) na wej−

ściach i wyjściach pod−

czas i po naciśnięciu

przycisku S1, a potem S2

w obu układach. Możesz

śmiało naciskać jednocze−

śnie oba przyciski, nic

złego się nie stanie.

Rys. 6

Ćwiczenie 4 Przełącznik sensorowy

i usunąć

S1, S2, a układ zasilany z zasilacza bę−

dzie reagował na dotykanie punktów A,

B. Układ jest mało praktyczny, bo pod

wpływem różnych zakłóceń może nastą−

pić samoczynne przełączenie. Aby

zmniejszyć czułość na zakłócenia, moż−

na dodać na wejściach obwody filtrujące

RC według rysunku 7a . Jeśli jednak

Ω

zdecydowanie zwiększysz stałą czasową

RC, np. zwiększając C1, C2 do 100nF,

układ przestanie reagować na dotknięcie

czujników – obwody RC o dużej stałej

czasowej stłumią przebieg zmienny, in−

dukowany w Twoim ciele.

Przekonaj się, że układ nie będzie

działał przy zasilaniu bateryjnym,

a także przy jednoczesnym dotknięciu

czujników i obwodu masy. Jeśli jednak

dotkniesz jednocześnie do czujnika

i do dodatniej szyny zasilania, układ

według rysunku 7a na pewno zadziała,

nawet z dużymi pojemnościami. W tym

czające. Są to rezystory i diody włączone

zwykle jak na rysunku poniżej . Najczę−

ściej nie ma to żadnego znaczenia dla dzia−

łania układów, ale w niektórych przypad−

kach (np. generatory, układy czasowe) trze−

ba pamiętać o istnieniu tych obwodów

i uwzględniać ich wpływ.

Rys. 7

bramki NOR z kostki 4001. Przeanalizuj te dwa rysunki,

by wiedzieć, jak z grubsza zbudowana jest bramka.

Z grubsza, bo wszystkie układy CMOS mają na wejściach

i wyjściach obwody zabezpieczające, a do tego pewne pa−

sożytnicze struktury.

TTL, MOS, CMOS...

Jak już wiesz, bramki logiczne można zrealizować różnymi

sposobami. Realizowano je z użyciem przekaźników, lamp

elektronowych, diod i tranzystorów. Później pojawiły się

układy scalone.

Pierwsze naprawdę popularne scalone układy cyfrowe

(logiczne) zawierały tranzystory bipolarne . Były to ukła−

dy tak zwanej rodziny TTL (Transistor Transistor Logic),

Elektronika dla Wszystkich

W ćwiczeniu 3 testowaliśmy przerzutnik

RS. Możesz w bardzo prosty sposób

zbudować przełącznik dotykowy (sen−

sorowy) z takim przerzutnikiem. Wy−

starczy w układzie z rysunku 5 zwięk−

szyć wartość R1, R2 do 10M

Ośla łączka

przypadku nie wykorzystujemy „śmie−

ci” indukowanych w ciele, tylko prze−

pływ prądu stałego przez rezystancję

skóry. Wykorzystaliśmy czujnik rezy−

stancyjny . Tym razem jeden czujnik

zawiera dwie elektrody.

W praktyce częściej stosujemy ukła−

dy z czujnikiem rezystancyjnym, gdzie

jedna z elektrod czujnika jest dołączona

nie do plusa zasilania tylko do masy –

przykład pokazany jest na rysunku 7b .

W czujniku rezystancyjnym obwody fil−

trujące R3C1, R4C2 mają dużą stałą cza−

sową i skutecznie eliminują „śmieci” −

przebiegi zmienne.

Fotografia 7 pokazuje model z kon−

trolkami LED, wykorzystujący układ

z poprzedniego ćwiczenia. Elektrodami

są kawałki drutu, zaznaczone na fotogra−

fii czerwonymi literami A, B.

Obwody te, o których istnieniu przekonu−

jemy się w ćwiczeniach 7 i 8, chronią przed

niszczącym działaniem tak zwanych ładun−

ków statycznych.

Fotografia poniżej pokazuje kilka ukła−

dów scalonych rodziny CMOS 4000.

Rys. . . 7

Ćwiczenie 5 Sygnalizator uniwersalny

Detektor wilgoci

W ćwiczeniu 2 w układzie z rysunku

4b stan diody LED zależał od napięcia

stałego na wejściu.

Jeśli zamiast potencjometru zastosu−

jemy rezystor i fototranzystor, termistor,

itp., otrzymamy atrakcyjny czujnik

światła, temperatury, itp.

Pamiętasz chyba jednak, że już na

poprzednich wyprawach natknęliśmy

się na kłopoty, gdy zmiany wielkości

mierzonej były bardzo powolne. Teraz

po próbach z ćwiczenia 2 wiesz, że jed−

Najpopularniejsze kostki

Jak już wiesz, najczęściej wykorzystywane

są inwertery oraz dwuwejściowe bramki

NAND i NOR. W rodzinie CMOS są to ko−

stki o oznaczeniach 4069, 4011 i 4001.

Scalone układy cyfrowe, których bę−

dziesz używać, są umieszczone w tak zwa−

nych obudowach DIL (Dual−in−line). Nie bę−

dziesz mieć trudności z numeracją nóżek –

zasada jest bardzo prosta. Każdy układ ma

wcięcie, punkt lub inny znaczek przy jednym

krótszym boku. Jak patrzymy na układ od

góry, gdy ten znaczek znajduje się z lewej

strony, wtedy dolna nóżka w pobliżu tego

znaczka ma zawsze numer 1, a numeracja

wzrasta w kierunku przeciwnym do ruchu

wskazówek zegara. Ilustruje to fotografia

poniżej .

nym z większych problemów są elek−

tromagnetyczne „śmieci”, przedostają−

ce się na wejścia układów CMOS.

Co prawda można je odfiltrować za

pomocą obwodów RC, jednak to nie

do końca załatwia sprawę. Nieprzypad−

kowo już na wcześniejszych wypra−

wach w różnorodnych sygnalizatorach

stosowaliśmy obwody zapewniające

histerezę. Wykorzystywaliśmy prze−

rzutnik Schmitta, zbudowany z dwóch

tranzystorów.

zasilane napięciem 5V – można je było poznać po pierw−

szych dwóch cyfrach oznaczenia (SN74XX,

UCY74XX...). Rysunek C, znany z niemal wszystkich

podręczników, pokazuje schemat wewnętrzny bramki

NAND z klasycznej kostki 7400 standardowej rodziny

TTL. Trochę później pojawiły się układy scalone z tranzy−

storami unipolarnymi MOS (z tranzystorami polowymi),

a potem ukazały się tak zwane układy CMOS (Comple−

mentary MOS) zawierające, jak wskazuje nazwa, komple−

mentarne tranzystory MOS, czyli zarówno tranzystory

MOSFET z kanałem N, jak i z kanałem P. Ogromną popu−

larność zdobyły i utrzymują do dziś kostki rodziny

CMOS4000 (oznaczenie zaczyna się od cyfry 4). Pełnią

one takie same funkcje, jak układy rodziny TTL, ale mają

odmienny układ wyprowadzeń i różnią się pewnymi istot−

nymi parametrami (np. zakresem dopuszczalnych napięć

zasilania). Co ciekawe, właśnie rodzina CMOS 4000 oka−

zała się tak atrakcyjna, że przetrwała bez większych zmian

trzydzieści lat aż do dziś.

Trzeba jednak lojalnie przyznać, że rodzina TTL

(74XX) ze „zwykłymi” tranzystorami rozwijała się i to

nieporównanie szybciej niż rodzina CMOS4000. Powsta−

wały kolejne, ulepszane generacje: 74HXX, 74SXX,

74LXX, 74LSXX, 74FXX. Co ciekawe, z czasem pojawi−

ły się wersje z tranzystorami polowymi CMOS, w pełni

wymienne z układami 74XX: 74HCTXX, 74ACTXX, itd.

Obecnie układów podstawowej, bipolarnej rodziny TTL

(kostek o oznaczeniach 74, a także 74H, 74L, 74S) nikt

już nie produkuje. Dzisiejsi następcy, pełniący identyczne

funkcje i mający rozkład wyprowadzeń identyczny jak

stare bipolarne kostki 74XX, to też wersje CMOS: 74HC,

74HCT, 74AC, 74ACT. W technice cyfrowej królują obe−

cnie układy CMOS, natomiast układy bipolarne są w zde−

cydowanej mniejszości. Natomiast w technice analogowej

Elektronika dla Wszystkich

Ośla łączka

A5 96

Symbole i rozkład wyprowadzeń najpo−

pularniejszych bramek znajdziesz na sche−

matach. Spróbuj zapamiętać rozkład wypro−

wadzeń inwerterów i bramek dwuwejścio−

wych, żeby za każdym razem nie zaglądać

do katalogu. Właśnie te kostki są zdecydo−

wanie najpopularniejsze i umożliwiają bu−

dowę zadziwiająco wielu ciekawych i przy−

datnych w praktyce układów.

Jeśli więc chcesz wykonać podobny

sygnalizator z bramkami, nie zapomnij

o histerezie. Histerezę zrealizujemy

w bardzo prosty sposób za pomocą

dwóch rezystorów i dwóch negatorów –

zestaw któryś układ według rysunku

8a...8c . Dodaj potencjometr PR1 i diodę

LED według rysunku 8d . W modelu

z fotografii 8a znów wykorzystałem ne−

gatory z kostki 4069. Układ jest podobny,

jak na rysunku 4c. Czy teraz uda Ci się

ustawić PR1, by dioda LED świeciła po−

łową jasności? W żadnym wypadku!

Dzięki obecności rezystorów Rx, R1

układ gwałtownie „przeskakuje” z jedne−

go stanu do drugiego – daje o sobie znać

Rys. 8

W rodzinie CMOS 4000 znajdziesz

bramki trzy−, cztero− i ośmiowejściowe, nie

ma natomiast scalonych bramek pięcio−,

sześcio− czy siedmiowejściowych. Układy

scalone o oznaczeniach 4081 i 4071 zawie−

rają po cztery dwuwejściowe bramki AND

i OR. Układ wyprowadzeń wszystkich bra−

mek rodziny CMOS 4000 znajdziesz w czę−

ści pt. Biblioteczka praktyka w EdW

11/2001.

Uwaga! W przypadku rodziny CMOS

4000 końcówki zasilania umieszczone są

w narożnikach. W omawianych najpopular−

niejszych kostkach 14−nóżkowych są to koń−

cówki o numerach 7 (minus) oraz 14 (plus).

W układach 16−nóżkowych będą to końców−

ki nr 8 i 16, w 24−nóżkowych: 12 i 24.

Rys. . . 8

nadal stosowanych

jest wiele układów bi−

polarnych, jak choćby

poznane wcześniej

stabilizatory. Fotogra−

fia obok pokazuje kil−

ka starszych i now−

szych kostek rodziny

74xx.

Czy chcesz być

kustoszem muzeum?

Prawdopodobnie wpadną Ci w ręce układy starej, standar−

dowej rodziny TTL. Produkowane w Polsce układy bipo−

larnej rodziny TTL miały oznaczenia zaczynające się od

UCY74. Dziś są to układy zdecydowanie przestarzałe i nie

będziemy się nimi zajmować. Jeśli wpadną w Twe ręce

układy serii UCY..., możesz je śmiało traktować jako muze−

alne zabytki. Podobnie wszystkie układy za−

wierające w oznaczeniu 74xx, 74Hxx,

74Sxx, 74Lxx.

czas, tylko podczas zmian stanów. Ilustrują to rysunek D

iE. Rysunek D wskazuje, że prąd pobierany jest tylko wte−

dy, gdy napięcia na wejściach nie są „czystymi” stanami lo−

gicznymi. Największy prąd (w sumie wcale nie tak duży,

mniejszy niż 1mA) jest pobierany, gdy napięcie na wej−

ściu(−ach) jest równe połowie napięcia zasilania. Poza tym,

pobór prądu silnie zależy od napięcia zasilania.

Rysunek E pokazuje, że nawet prosty inwerter popra−

wia stromość zboczy (co wynika z faktu, że jest też

wzmacniaczem), a co ważniejsze, prąd jest pobierany

w sposób impulsowy. Właśnie ze względu na takie impul−

Czy wiesz, że...

Przed laty najpopularniejsze wówczas cy−

frowe układy scalone rodziny TTL zasilane były

napięciem 5V (4,5...5,5V). Ze względu na specy−

ficzną budowę bipolarnych układów TTL jako

poziom logiczny niski traktowane były napię−

cia w zakresie 0...0,8V, natomiast jako po−

ziom wysoki napięcia 1,4V...5V.

Prądożercy?

Wszystkie cyfrowe układy

CMOS podłączone do źródła za−

silania i pozostające w spoczynku

praktycznie nie pobierają prądu.

Prąd jest pobierany tylko wtedy, gdy

w układzie „coś się dzieje”, a i to nie cały

Elektronika dla Wszystkich

Ośla łączka

histereza. Sprawdź za pomocą woltomie−

rza, jak zmienia się wielkość pętli histere−

zy, gdy rezystor Rx ma wartości 10M

. Model z fotografii 9 po−

kazuje sygnalizator zmierzchowy. Wy−

korzystałem tu fototranzystor z poprze−

dnich ćwiczeń. Jeśli takowego nie masz,

możesz zastosować inny czujnik, np. ter−

mistor czy fototranzystor. Możesz wyko−

nać prosty czujnik wilgoci, np. sygnali−

zator suchego kwiatka. Czujnikiem będą

dwa druty wbite w doniczkę. Musisz in−

dywidualnie dobrać wartość rezystora

R1, by sygnalizator odzywał się, gdy

kwiatek będzie wymagał podlania.

Ω

...1M

Ω

Wyjątek stanowią kostki 4049 i 4050 zawie−

rające negatory i bufory o większej wydaj−

ności prądowej.

Pamiętaj, iż na schematach z reguły nie

zaznacza się końcówek zasilania układów

cyfrowych, traktując to jako coś oczywiste−

go. Choć w spoczynku układy CMOS nie

pobierają prądu, końcówki zasilające za−

wsze muszą być podłączone do szyn zasila−

jących.

Ω

i wyciągnij wnioski.

Oczywiście możesz stosować dowolne

rezystory z zakresu 1k

Ω

, 10k

Ω

, 1k

Ω

. Na fo−

tografii 8b zobaczysz podobny układ

z kostką 4011. Pozwoli on zrealizować

uniwersalny sygnalizator. Możesz wy−

korzystać układ z rysunku 9 . Zazwyczaj

wystarczy niewielka histereza, którą

osiągniemy z rezystorem R3 o wartości

Ω

...10M

Ω

Czy wiesz, że...

Układy cyfrowe pobierają prąd

w sposób impulsowy. Głównie dlatego ko−

nieczne jest stosowanie kondensatorów filtrują−

cych (inaczej odsprzęgających). W obwodzie za−

silania każdego urządzenia powinien być włą−

czony przynajmniej jeden kondensator elektro−

lityczny (10...100µF) i przynajmniej po jed−

nym kondensatorze ceramicznym

100nF na każde pięć układów

scalonych.

Rys. 9

Oznaczenia układów

Układy CMOS 4000 (i inne) wytwarzane są

przez wielu producentów. Choć pełnią iden−

tyczne funkcje, różnią się oznaczeniem. Na

obudowie układów scalonych zazwyczaj

znajdziesz znaczek – logo producenta. Dwie

pierwsze cyfry oznaczenia też wskazują pro−

ducenta (licencjodawcę). Nie są one dla Cie−

bie istotne. Układy oznaczone CD4011,

MM4011, V4011, GD4011, TC4011,

HCF4011, HEF4011, MMC4011 to ta sama

kostka 4011 zawierająca cztery dwuwejścio−

we bramki NAND.

Uwaga! Możesz napotkać dwa wyjątki.

Znana firma Motorola dodaje na początku

oznaczenia cyfrę 1, a literki oznaczenia to za−

wsze MC. Stąd MC14011 to też kostka 4011.

Drugi wyjątek to wciąż obecne na rynku kostki

CMOS produkcji nieistniejącej już polskiej fir−

my CEMI. Oznaczone były literami MCY, a do

numeru oznaczenia dodana była początkowa

cyfra 7. Stąd MCY74011 to też układ 4011.

Litery za oznaczeniem, na przykład

41011BP, 4011B, 4011D, 4011BE, 4011BCP

nie mają dla Ciebie żadnego znaczenia – nio−

są one informacje o szczegółach istotnych

dla profesjonalnych konstruktorów.

Rys . . . 9

sy prądu zasilania, w układach cy−

frowych koniecznie należy stoso−

wać kondensatory filtrujące w ob−

wodzie zasilania – producenci za−

lecają jeden „elektrolit“ 100µF

i dodatkowo przynajmniej jeden

ceramiczny 100nF na każde pięć

układów scalonych. Zwróć uwagę,

że zastosowałem je w większości

układów. Ich brak w bardziej

skomplikowanych układach może

spowodować różne przykre nie−

spodzianki. Nie zapominaj więc

o kondensatorach filtrujących na−

pięcie zasilania.

Czy wiesz, że...

Układy rodziny CMOS 4000 mają odmienny rozkład

wyprowadzeń niż pełniące identyczne funkcje

logiczne kostki wywodzące się z rodziny

TTL.

Wyścig z czasem

Cieszymy się, że bramki CMOS w spoczynku nie pobie−

rają prądu. To, że podczas pracy pobierają pewien prąd nie

jest wcale tragedią. Ogólnie biorąc, jedna bramka CMOS

pobiera bardzo mało prądu, nawet przy dużych częstotli−

wościach. Na przykład w generatorze większy wpływ na

Elektronika dla Wszystkich

100k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: