Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję
PROMOCJA30% rabatu na wszystkie książki Grupy Helion, kod: FORBOT30 Przejdź na stronę księgarni »

Technika cyfrowa – #4 – bramki w roli generatorów

Elektronika 25.10.2016 Futrzaczek

kurstc_miniaturka_4W poprzednim artykule omówiliśmy zastosowanie bramek w roli funktorów logicznych. Z czasem za ich pomocą możliwe będzie konstruowanie bardzo rozbudowanych układów.

Wiele osób pomija jednak podczas nauki techniki cyfrowej drugie zastosowanie bramek. Układy te można z powodzeniem wykorzystać również w roli prostych generatorów.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Podstawowym elementem techniki cyfrowej jest bramka typu NOT. Jej funkcja jest bardzo prosta: wystawia na wyjściu napięcie odpowiadające przeciwnemu stanowi logicznemu niż to, które jest podane na wejście. Pozornie jest to banalnie prosta i „nudna” funkcja. Całość staje się jednak znacznie ciekawsza, gdy przyjrzymy się działaniu bramki odrobinę dokładniej.

Symbol bramki NOT.

Symbol bramki NOT.

Poniżej przedstawiony jest fragmentowi dokumentacji (noty katalogowej) układu CD4069. Widnieje na nim charakterystyka przejściowa. Wykres ten obrazuje dokładnie zależności między napięciem wejściowym i wyjściowym:

Charakterystyka przejściowa CD4069. Źródło: datasheet Unisonic Technologies

Charakterystyka przejściowa CD4069.
Źródło: datasheet Unisonic Technologies

Wykres ten obrazuje zasadę działania negatora:
napięcie na wyjściu jest „odwracane” w stosunku do wejściowego.

Jak należy go odczytywać? Dysponując napięciem zasilania VDD = 5V i podając na wejście napięcie z przedziału 0-1,5V, na wyjściu zawsze dostaniemy napięcie zbliżone do 5V. Z drugiej strony, jeśli na wejściu napięcie będzie z przedziału 3,5-5V, to na wyjściu utrzyma się potencjał zbliżony do 0V.

Warto zwrócić uwagę na pozornie oczywistą cechę – w szerokim zakresie
napięć wejściowych, napięcie na wyjściu nie ulega jakimkolwiek zmianom.

Na tym wykresie jest jeszcze jeden fragment, który dotychczas pomijałem. Niemal pionowa linia, która jest przejściem pomiędzy stanem niskim, a wysokim. Obrazuje ona  olbrzymie wzmocnienie napięciowe. Bramka jest w rzeczywistości wzmacniaczem, którego wyjście znajduje się trwale tylko w dwóch stanach: albo bliskim napięciu zasilania, albo potencjałowi masy.

Po co nam taka właściwość bramek? Powody są dwa:

  1. Regeneracja sygnału. Jeżeli napięcie wchodzące do bramki jest zakłócone np. impulsami pochodzącymi od innych układów, to wyjście nie przeniesie ich.
  2. Szybkość. W przyrodzie napięcia nie zmieniają się natychmiast, lecz zajmuje im to trochę czasu. Jeżeli na bramkę NOT podamy napięcie np. rosnące od 0 do 5V, to już przy ok. 3V na jej wyjściu ustali się napięcie niemal równe 0V.

Owe wzmocnienie napięciowe jest widoczne w tym, że dla małych zmian napięcia wejściowego, napięcie na wyjściu zmienia się w bardzo szerokim zakresie. Tak można objaśnić rolę pionowego (niemal) odcinka wykresu. Pora przejść więc do praktyki.

Zestaw elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Części pozwalające wykonać ćwiczenia z kursu techniki cyfrowej dostępne są w formie gotowych zestawów! W komplecie m.in. niezbędne układy scalone CMOS, przewody połączeniowe, diody, buzzer, kontaktron, wyświetlacz 7-segmentowy oraz znacznie więcej!


Kup w Botlandzie »

Generator z bramki NOT

Element o takich parametrach można z powodzeniem zastosować jako prosty generator sygnału prostokątnego. Oznacza to, że na wyjściu takiego generatora stan logiczny będzie się cyklicznie zmieniał z 0 na 1 i odwrotnie. Przejścia pomiędzy jednym stanem, a drugim są bardzo szybkie, dlatego kształt tego sygnału przypomina prostokąt.

kurstc_4_1_przebieg_prost_50

Barto prosto można sprawdzić działanie takiego układu w praktyce. W tym celu potrzebne będą następujące elementy:

  • płytka stykowa,
  • przewody połączeniowe,
  • koszyk baterii 4xAA z bateriami,
  • dioda świecąca (LED),
  • 2 rezystory 10 kΩ,
  • rezystor 3,3 kΩ,
  • kondensator 100 nF,
  • kondensator 1 μF,
  • potencjometr 500 kΩ,
  • układ CD4069.

Schemat jest dość prosty. Na dobrą sprawę wykorzystujemy jedynie 2 bramki NOT:

Schemat generatora z diodą LED

Schemat generatora z diodą LED.

Montując układ na płytce stykowej nie zapomnij
o podłączeniu wszystkich niewykorzystanych wejść!

Poniżej widoczny jest przykład zmontowanego prototypu:

Po włączeniu zasilania dioda powinna zacząć migać. Za pomocą potencjometru P1 możliwa jest regulacja częstotliwości zmian. Naprawdę warto zrozumieć jak dokładnie działa ten układ!

Jak działa powyższy generator?

Gdy kondensator jest rozładowany, to na wejściu bramki US1B i wyjściu bramki US1A panuje takie same napięcie. Załóżmy, że wynosi ono ok. 0V. Powoduje to, że na wyjściu US1B, napięcie wynosi ok. 6V. To samo napięcie jest podawane na wejście US1A. Obydwie bramki działają poprawnie.

Pierwszy etap pracy generatora.

Pierwszy etap pracy generatora.

Ten stan nie będzie trwał w nieskończoność, ponieważ przez rezystor R2 i potencjometr P1 płynie prąd. Ten prąd wypływa z wyjścia US1B i ładuje kondensator. Dopóki napięcie na jego okładkach jest dostatecznie niskie (do ok. 3V), w układzie nie dzieje się nic. To napięcie jest zbyt małe, by zostało zinterpretowane jako logiczna 1. Na poniższym rysunku zbyt niskie napięcie oznaczono blado czerwonym kolorem.

Drugi etap pracy generatora.

Drugi etap pracy generatora.

Kiedy kondensator naładuje się dostatecznie, czyli nieco powyżej 3V, bramka US1B wzmocni to napięcie i wystawi na wyjściu logiczne 0. Bramka US1A również się przełączy, na jej wyjściu napięcie wzrośnie do 6V. Dioda LED zacznie świecić.

Trzeci etap pracy generatora.

Trzeci etap pracy generatora.

Dalszy cykl będzie polegał na rozładowywaniu kondensatora C1 przez tę samą rezystancję. Napięcie na kondensatorze będzie malało, ponieważ prąd będzie teraz z niego wypływał.

Ładowanie i rozładowanie odbywa się poprzez tę samą rezystancję,
dlatego czasy trwania stanów 0 i 1 są takie same.

Czwarty etap pracy generatora.

Czwarty etap pracy generatora.

Kiedy rozładuje się dostatecznie, układ ponownie się przełączy – dioda zgaśnie, czyli wrócimy do początku naszego opisu:

Pierwszy etap pracy generatora.

Pierwszy etap pracy generatora.

Jaka jest rola rezystora R1? Pozornie nie robi on nic, ponieważ wejście bramki typu CMOS praktycznie nie pobiera prądu. Warto go jednak wstawić – brak R1 może uszkodzić układ.

W chwili przełączania się wyjścia US1B, potencjał jednej okładki kondensatora wykracza poza napięcie zasilania. Na wejściu bramki cyfrowej znajdują się diody, które zabezpieczają ją przed uszkodzeniem w takiej sytuacji. Nadmiar prądu jest odprowadzany do linii zasilających, przez co napięcie trzymane jest w ryzach. Prąd, jaki może przez nie płynąć, nie jest wysoki, dlatego trzeba go ograniczyć. Najprostszym rozwiązaniem jest włączenie w szereg z wejściem rezystora.


Dla ciekawskich:

Przybliżoną częstotliwość sygnału można obliczyć z poniższego wzoru. Podstawiając wartości naszych elementów otrzymamy (w zależności od ustawień potencjometru) od 0,9 Hz do 45 Hz.

kurstc_4_generator_not_wzor

Przy ok. 20 Hz człowiek przestaje rozróżniać poszczególne błyski,
więc może się wydawać, że dioda świeci jednostajnie, tylko nieco ciemniej.

Poprawne działanie powyższego generatora wygląda następująco:

Generator dźwięków na bramce NOT

Poprzedni układ demonstrował działanie generatora na dwóch bramkach. Można go nieco rozbudować, aby uzyskać sterownik przetwornika piezoelektrycznego. Można powiedzieć, że pełni on funkcję głośnika, chociaż działa nieco inaczej. Od gotowego buzzera opisanego w kursie elektroniki różni się tym, że nie posiada wbudowanego generatora – użyjemy więc własnego.

Blaszka piezo to potoczne określenie przetwornika piezoelektrycznego.

Generowanie dźwięku poprzez odkształcenie.

Generowanie dźwięku poprzez odkształcenie.

Taki przetwornik trzeba zasilić sygnałem o odpowiedniej częstotliwości, aby wydawał z siebie dźwięk. In wyższe napięcie zostanie do niego przyłożone, tym głośniej będzie piszczał. Sama blaszka piezoelektryczna wewnątrz plastikowej obudowy wygląda niepozornie:

Przykładowe blaszki piezoelektryczne.

Więcej o sterowaniu blaszkami piezoelektrycznymi znaleźć można w kursie Arduino.

Tym razem schemat naszego generatora będzie nieznacznie rozbudowany – skorzystamy z trzeciej bramki NOT. Całość należy połączyć zgodnie z poniższym schematem:

Schemat generatora do przetwornika piezo

Schemat generatora do przetwornika piezo.

Potrzebne części:

  • płytka stykowa,
  • przewody połączeniowe,
  • koszyk baterii 4xAA z bateriami,
  • rezystor 10 kΩ,
  • 2 rezystory 3,3 kΩ,
  • 2 kondensatory 100 nF,
  • potencjometr 20 kΩ,
  • przetwornik piezo,
  • układ CD4069.

Po zmontowaniu na płytce stykowej, ten układ może wyglądać następująco:

Generator do buzzera piezoelektrycznego.

Generator do buzzera piezoelektrycznego.

Bramki US1A i US1B tworzą opisany wyżej generator. Częstotliwość jego pracy jest tym razem wyższa – tak, aby był słyszalny dźwięk z blaszki piezo. W zależności od ustawienia potencjometru, układ może generować sygnał o częstotliwości od 200 Hz do 1400 Hz.


Bramka US1C została zaprzęgnięta do pracy jako element sterujący przetwornikiem. Kiedy bramka US1A wystawi na swoim wyjściu stan 0, wtedy US1C neguje go i wystawia 1. Przetwornik „widzi” ruch napięcia między swoimi końcówkami o 6V. Podobnie jest przy wystawieniu stanu 1, ale napięcie na przetworniku zmienia się w przeciwną stronę!

Oznacza to, że w układzie zasilanym napięciem 6V, na przetworniku zachodzą zmiany aż o 12V przy każdym przełączeniu. Taki prosty zabieg pozwala zwiększyć głośność sygnalizatora.

Zmiany napięć na wejściach przetwornika widoczne są na poniższej animacji:

kurstc_4_anim_generator_piezo

W chwili przełączenia przez przetwornik piezo może płynąć duży prąd. Rezystor R3 ogranicza ten prąd, przez co wyjścia bramek są bezpieczne. Zmniejsza się tym samym głośność, ponieważ przeładowanie pojemności przetwornika jest wolniejsze. Z tym kompromisem trzeba się pogodzić.

Poprawne działanie powyższego generatora wygląda (brzmi) następująco:

Podsumowanie

W trakcie wykonywania ćwiczeń z tej części kursu techniki cyfrowej można przekonać się, że bramki mają znacznie więcej zastosowań. Warto o tym pamiętać i nie poprzestawać na traktowaniu ich wyłącznie jako prostych funktorów logicznych.

Generatory takie mają wiele zastosowań i jeszcze nie jeden raz spotkasz się z takimi układami. Dlatego naprawdę warto zrozumieć zasadzę działania opisywanych tutaj układów.

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Autor kursu: Michał Kurzela
Ilustracje: Piotr Adamczyk
Redakcja: Damian Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

daniel7745

12:29, 29.10.2016

#1

Nie bardzo rozumiem w jakim celu jest wykorzystana 3 bramka, w przykładzie z buzzerem. Napisałeś "Bramka US1C została zaprzęgnięta do pracy jako element sterujący przetwornikiem." Czy tym elementem w naszym układzie nie jest kondensator. który ładuje się a następnie rozładowuje, zmieniając tym samym sygnał sterujący bramki? Podłączyłem buzzer do pierwszego przykładu z diodą, również działał. Dlatego chciałbym zrozumieć w jaki celu jest użyty.

Treker
Administrator

20:03, 29.10.2016

#2

daniel7745, a jak dokładnie podłączyłeś buzzer bez dodatkowej bramki?

Elvis

20:27, 29.10.2016

#3

daniel7745, w artykule zostało wyjaśnione do czego służy dodatkowa bramka - jej celem jest zwiększenie głośności buzzera:

Cytat:

Oznacza to, że w układzie zasilanym napięciem 6V, na przetworniku zachodzą zmiany aż o 12V przy każdym przełączeniu. Taki prosty zabieg pozwala zwiększyć głośność sygnalizatora.

Jeśli podłączysz buzzer bezpośrednio, będzie on widział napięcie o amplitudzie 6V, dodanie bramki która i tak jest w układzie zwiększa dwukrotnie amplitudę napięcia i przez to głośność.

daniel7745

23:14, 29.10.2016

#4

Treker zamiast diody podłączyłem buzzer, nic więcej nie zmieniałem. Podłączyłem obydwa układy jeszcze raz i faktycznie jest znaczna różnica w głośności.

Treker
Administrator

23:36, 29.10.2016

#5

daniel7745, ok właśnie do tego zmierzałem, że jeśli podłączyłeś jedno wyprowadzenia buzzera do masy, to na pewno będzie znacznie cichszy efekt :)

daniel7745

10:38, 30.10.2016

#6

Dzięki chłopaki za pomoc!

dejmieno

10:53, 13.06.2017

#7

Proszę pomóc mi rozumieć jeden aspekt związany z pierwszym przykładem z diodą.

Rozumiem, że prąd wypływa z wyjścia US1B i płynie przez rezystor 2R do potencjometru i co następnie? Z prawej nóżki P1 płynie do rezystora R1 czy do kondensatora? Rozumiem, że rezystor R1 stawia opór więc prąd go omija i płynie do kondensatora tak? A gdy kondensator się naładuje to prąd wypływa z niego do R1 i do wejścia US1B?

Treker
Administrator

22:37, 13.06.2017

#8

dejmieno, mniej więcej jest tak jak piszesz (kwestia nazewnictwa itd.) - wszystko zależy od tego jakie napięcie zgromadzone jest na okładkach kondensatora, który ładowany jest przez rezystor o regulowanym oporze (suma R2 + ustawiona wartość na P1). Działanie tego generatora opisane jest krok po kroku w sekcji "Jak działa powyższy generator?". Jeśli jest Ci ciężko zrozumieć to zjawisko z samego opisu, to polecam skorzystać z jakiegoś programu do symulacji obwodów elektronicznych tam będziesz mógł na spokojnie wszystko pomierzyć/narysować wykresy :)

dejmieno

10:04, 14.06.2017

#9

Ogólną zasadę działania już znam tylko zastanawia mnie jeszcze jedno. Prąd z kondensatora płynie przez rezystor do wejścia US1B? Myślałem, że jak rezystor stawia opór to prąd popłynie prędzej do potencjometru?

A jaki byłby efekt gdyby wykorzystać do podłączenia buzzera czwartą bramkę?

Treker
Administrator

11:55, 14.06.2017

#10

dejmieno napisał/a:

Myślałem, że jak rezystor stawia opór to prąd popłynie prędzej do potencjometru?

dejmieno, zwróć uwagę, że rezystor R2 + potencjometr w skrajnym przypadku może stanowić 510k oporu, a R1 ma tylko 10k.

dejmieno napisał/a:

A jaki byłby efekt gdyby wykorzystać do podłączenia buzzera czwartą bramkę?

Buzzer pika głośniej, ponieważ dzięki 3 bramce w układzie zasilanym napięciem 6V, na przetworniku zachodzą zmiany aż o 12V przy każdym przełączeniu. Dodanie kolejnej bramki nie sprawi, że brzęczyk będzie pikał jeszcze głośniej, bo nie sprawi to, że zmiany napięcia będą jeszcze większe. Oczywiście, chyba, że "dodanie 4 bramki" to duży skrót myślowy i chciałeś jakoś znacznie rozbudować ten układ.

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.