Technika cyfrowa - #4 - bramki w roli generatorów

[Treker (Damian Szymański)]

Słusznie - tłumaczenie z "10V" było chyba zbyt pokrętne, ale zostawiam na przyszłość, aby już nie mieszać. Zwiększenie głośności bierze się stąd, że wyginamy się z jednej pozycji skrajnej w drugą, a nie tak jak przy zwykłym sterowaniu z pozycji neutralnej w skrajną

[SOYER]

Mellon stawiam piwo za twoje doprecyzowanie skąd różnica głośności. Za Chiny ludowe nie mogłem skapować skąd te 10V... Dzięki.

Mnie ciekawi co innego, kondensator 100nF, między GND a Vcc. Ja bym go umieścił gdzieś na linii zasilania, a wy widzę po prostu między pinem 13 i 14. Też jest wtedy między "+" a "-" wiem...

Czyli to nie ma znaczenia gdzie on siedzi?

[Treker (Damian Szymański)]

Mnie ciekawi co innego, kondensator 100nF, między GND a Vcc. Ja bym go umieścił gdzieś na linii zasilania, a wy widzę po prostu między pinem 13 i 14. Też jest wtedy między "+" a "-" wiem...

Czyli to nie ma znaczenia gdzie on siedzi?

W tak prostych układach nie ma to wielkiego znaczenia, ale zgodnie ze sztuką powinno się wpinać go blisko wejść układu, aby filtrować wszystkie zakłócenia, które mogą ewentualnie zakłócić jego pracę.

[El_pre]

Hej, mam problem z wyświetleniem tej części kursu na stronie. Pozostałe części wyświetlają się normalnie, a w tej tylko komentarze i to w takim wąskim pasku.

[Treker (Damian Szymański)]

El_pre, u mnie wszystko wygląda poprawnie - z której wersji przeglądarki korzystasz?

Edit: przeładowałem jeszcze cache dla tego kursu - daj znać czy pomogło

[El_pre]

Dzięki, pomogło:)

[rakoo]

Cześć! Świetny artykuł. Udało mi się wszystko podłączyć i działa

Nie rozumiem tylko pewnego zjawiska. W artykule jest napisane, że w pierwszej fazie z bramki US1B wypływa prąd i przez rezystancję ok. 500k ładuje kondensator aż do napięcia ok. 3V. Zrobiłem sobie symulację bez użycia bramek. W takim połączeniu prawie całe napięcie odkłada się na rezystorze 500k. Na kondensatorze odkłada się tylko ok. 100mV i nigdy nie naładuje się on aż do ok. 3V, żeby przestawić bramkę US1B z 1 na 0.

Link do mojej symulacji na falstad:

http://tinyurl.com/y8jlmcoh

[marek1707]

No ale właśnie bez bramki to zupełnie inny układ. Zauważ, że punkt (węzeł) połączenia kondensatora z opornikiem i dalej diodą LED nie jest sterowany przez prąd kondensatora tylko przez wyjście bramki. A tam w środku są dwa tranzystory z których zawsze jeden jest włączony zwierając ten punkt albo do masy albo do plusa zasilania. Jeżeli chcesz symulować takie uproszczone przypadki to nie wycinaj bramek tak po prostu, tylko ich wyjścia zastępuj zwarciem do masy lub do Vcc - zależy co jest na jej wejściu (i wtedy to odwróć bo bramka tu użyta musi być inwerterem). Ukłądy ze sprzężeniem zwrotnym są trudne do takiej symulacji uproszczonej, bo w pewnych momentach następują szybkie przerzuty więc np. napięcia w węzłach rosną tylko do pewnych granic a potem następuje gwałtowna zmiana stanu. Na szczęście wejścia bramek CMOS możesz pomijać bo nie pobierają prądu więc są jakby "woltomierzami" nie wpływającymi na rozpływ prądów.

[Treker (Damian Szymański)]

@rakoo, witam na forum Widzę, że to Twoje pierwsze kroki na Forbocie, oto najważniejsze informacje na start:

• Chcesz przywitać się z innymi członkami naszej społeczności? Skorzystaj z tematu powitania użytkowników.
• Opis najciekawszych funkcji, które ułatwiają korzystanie z forum znajdziesz w temacie instrukcja korzystania z forum - co warto wiedzieć?
• Poszczególne posty możesz oceniać (pozytywnie i negatywnie) za pomocą reakcji - ikona serca w prawym dolnym rogu każdej wiadomości.

5 godzin temu, rakoo napisał:

Cześć! Świetny artykuł. Udało mi się wszystko podłączyć i działa

Super, że kursy są pomocne! Mam nadzieję, że Marek już rozwiał Twoje wątpliwości co do działania układu

[rakoo]

Dziękuje za miłe przyjęcia na forum i wyjaśnienie.

Kondensator już się ładuje: http://tinyurl.com/y8abowx6

Próba zamodelowania pełnego układu z kursu zawiesiła przeglądarkowy symulator, lecz na LTSpice wszystko działa.

Mam jeszcze pytanie - skąd wziął się wzór na częstotliwość f = 1 / (2.2*C*R) ?

 

Edytowano Grudzień 14, 2018 przez rakoo

[marek1707]

"Wzór" to w tym przypadku słowo trochę na wyrost. Częstotliwość drgań to odwrotność okresu a w układach opornikowo kondensatorowych (RC) czas jest istotnym parametrem wiążącym rezystancję i pojemność wprost proporcjonalnie. I dlatego w mianowniku jest coś co jest związane z okresem drgań. Człon R*C to tzw. stała czasowa, oznaczana literą tau (nie umiem tu jej napisać). Jeśli weźmiesz dowolny opornik i dowolny kondensator, podłączysz jedno z drugim i podłączysz do napięcia U to po czasie tau = RC kondensator naładuje się do ok 63% napięcia U, np. obwód 10k/1uF daje tau=0.01s.  Są na to oczywiście wzory i jasne wytłumaczenie dlaczego akurat tyle, poszukaj sam. W tym układzie kondensator ani nie ładuje się od zera do tych 63% napięcia zasilania ani nie rozładowuje się w podobnych okolicznościach przyrody, bo górny i dolny poziom między którymi waha się jego napięcie jest określony przez progi tych konkretnie bramek jakie zostały użyte. Masz zatem sytuację w której przez opornik R ładuje się C od napięcia X% do napięcia Y% zasilania i z powrotem. Ani X% ani Y% nie muszą być równoodległe od masy i Vcc więc przebieg tej "piły" może być niesymetryczny. Można to policzyć, ale można też po prostu zmierzyć, że np. dla R=10k i C=1uF okres wyniósł tyle a tyle czasu. Potem już tylko proste przekształcenie i otrzymujesz magiczny współczynnik 2.2 wiążący R*C z prawdziwym okresem tego konkretnego generatora. Jak łatwo się domyślić, gdybyś zrobił układ w którym kondensator byłby ładowany od zera do 63% zasilania (czyli do 3.15V przy Vcc=5V) a potem znów rozładowywany do zera to okres takiego generatora wyrażałby się wzorem T = 2*R*C. Dwa, bo przecież pełny okres to suma dwóch procesów: ładowania i rozładowania, zatem częstotliwość byłaby wtedy f = 1 / (2*R*C). Tutaj pewnie wyszło, że czas przelotu napięcia kondensatora od jednego poziomu przełączania bramki do drugiego wynosi 1.1*tau i stąd okres 2.2*R*C.

Z generatorami na brameczkach trzeba uważać: progi przełączania wejść są określane przez producentów tylko w przybliżeniu i mogą zmieniać się w szerokich granicach np. od sztuki do sztuki, od partii scalaków do partii czy choćby z temperaturą. Nie mówiąc już o zmianie typu/rodziny scalaka. A jak łatwo się domyślić zmiana "odległości" jaką musi pokonać napięcie kondensatora by dotrzeć do przeciwnego progu będzie wpływała na czas tego procesu więc i na okres generatora. Można nim pomrugać diodą, ale muzyk miałby już uzasadnione pretensje gdybyś chciał coś na tym zagrać i zrobił dwa "identyczne" urządzenia albo włączył takie organki po roku nieużywnaia. Nie mówiąc już o zegarkach itp. To raczej taka ciekawostka elektroniczna niż praktycznie wykorzystywany układ, bo przecież też same elementy RC (C w szczególności) "płyną" w czasie,w temperaturze itd. No i dlatego wynaleziono rezonatory kwarcowe :)

[rakoo]

Trochę się rozjaśniło

W moim przypadku bramka to HEF4069UB. Przeglądając jej dokumentację natrafiłem na takie parametry jak czas propagacji. Przy zasilaniu 5V czas propagacji LOW->HIGH to typowo 40ns, a maksymalnie 80ns. Podobnie z przejściem HIGH->LOW. Rozstrzał jest spory. Czyli dobrze rozumiem, że na jeden okres bramka potrzebuje typowo 2x40 do 2x80 ns? Czyli maksymalna częstotliwość jaką będę w stanie uzyskać na takim generatorze to typowo 12.50Mhz, a w skrajnym przypadku jedynie 6.25Mhz? Oczywiście pomijając wpływ pozostałych czynników, o których wspomniałeś. 

Widzę w dokumentacji też przykład aplikacji z kwarcem 2Mhz, lecz bramka występuje tutaj chyba jako wzmacniacz.

Stosunkowo niedawno zainteresowała mnie elektronika, a następnie elektronika analogowa i generatory. Czy możesz polecić jakąś ciekawą literaturę? 

 

Edytowano Grudzień 14, 2018 przez rakoo

[marek1707]

Czas propagacji elementu aktywnego to oczywiste ograniczenie górne w układzie ze sprzężeniem zwrotnym a generator takim właśnie jest. Pamiętaj jednak, że w układzie z obwodem RC takim jak tu omawiany masz jeszcze inne spowalniacze. Po pierwsze kondensator jest ładowany prądem wyjściowym bramki a ten jest ograniczony i nie może być dowolnie duży. A seria 4000 ma ten prąd wręcz znikomo mały. Ograniczeniem są słabiutkie tranzystory wyjściowe bramki, których rezystancje przewodzących kanałów są duże. To w prosty sposób dodaje się do rezystancji opornika obwodu RC i nawet jeśli dasz swoje R = 0 omów to i tak na wyjściu bramki domyślnie jest "wstawiony" np. 1k. Słabo, prawda? Po drugie gdy zaczynasz myśleć o MHz to automatycznie schodzisz do pojemności liczonych w nF lub pF a przecież oprócz rzeczywistego kondensatora C w obwodzie masz jeszcze elementy pasożytnicze, choćby pojemności ścieżek, kabelków no i samo wejście kolejnej bramki. Co więcej, te elementy są niestabilne i w pewnym stopniu nieprzewidywalne więc robienie na takich bramkach generatora RC powyżej 100kHz jest raczej bez sensu.

W przypadku generatorów kwarcowych (lub LC - bo kwarc to taki mechniczny obwód LC tylko energię zamiast w polu magnetycznym dławika gromadzi w mechanicznych odkształceniach kryształu) bramkę linearyzujesz opornikami i - masz rację - dostajesz wzmacniacz. Tutaj - w odróznieniu od wielkosygnałowej, przesterowanejh pracy inwertera w generaotrze RC - dostajesz tryb pracy małosygnałowej a to diametralnie poprawia pasmo wzmacniacza. Dlatego kwarcowe 2MHz na bramce 4000 daje się zrobić a przy wyższym napięciu (pracując do 15V i są coraz szybsze) to i więcej.

Literatura? Skoro jesteś początkujący, to może zacznij od czegoś o 555? To typowy generator RC wymyślony kilkadziesiąt lat temu, ale na tyle poprawnie, że dziś jest używany i stał się kanonem. Zastosowano w nim ciekawe rozwiązanie, które uniezależnia okres drgań od poziomu zasilania (kolejna wada bramek) poprzez uzależnienie obu progów przełączania od Vcc. Do tego dwa komparatory napięcia i przerzutnik. Z resztą co ja będę gadał:

https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-ii-wstep-do-ukladu-ne555-id8202

https://wydawnictwo.btc.pl/elektronika/197418-100-projektow-na-555-e-book.html

https://elportal.pl/pdf/k01/19_11.pdf

http://yadda.icm.edu.pl/yadda/element/bwmeta1.element.baztech-article-BPG8-0063-0029/c/30_2011__art19_Niesamowity_.pdf

http://www.555-timer-circuits.com/

A jeśli coś poważniejszego (nie wiem ile masz lat) to.. zaraz coś wyciagnę z półki.. o mam,  choćby "Układy impulsowe" Nowakowskiego - takie niebieskie w kropki, stare, ale podstawy przecież się nie zmieniają  Masz tu przegląd podstawowych układów przerzutnikowych i generacyjnych od inwertera npn, przez Eccles-Jordana, Schmitta, Bowesa, aż do bramek cyfrowych TTL, wszystko na tranzystorach, wykresy, wzory, zasady działania, wady, zalety, samo mięcho.

Do tego w uzupełnieniu coś o CMOS-ach,może "Układy scalone CMOS" Łakomy/Zabrodzki? Od tranzystorów i inwerterów, poprzez bramki, układy generatorów, przerzutników, komórki pamięci RAM, przetworniki A/C i C/A, zahaczają o filtry z przełączanymi pojemnościami ana koniec trochę niespodziankowy rozdział, który polecam każdemu "sprzętowcowi" czyli "Przesyłanie sygnałów cyfrowych" - wiele rzeczy się wyjaśnia gdy pojęcie impedancji linii długiej i jej dopasowania przestaje być bajką o żelaznym wilku. Pozycja dużo cieńsza i lżejsza niż poprzednia więc strawna także dla początkujących elektroników, no - może nie tak całkiem.

[rakoo]

Przepraszam za opóźnioną odpowiedź. Przygotowania do świąt idą pełną parą.

555 przez chwilę się bawiłem. To gotowe urządzenie. Wystarczyło odpowiednio dobrać wartości rezystorów i kondensatora, po czym wszystko działało tak, jak oczekiwałem - przez to wydał mi trochę nudny  Chociaż z drugiej strony patrzę teraz na spis treści w "100 projektów na 555" i niektóre z projektów wydają się bardzo interesujące. Np. ciekawe jak działa zagłuszacz GSM, skoro z tego co pamiętam, to 555 potrafi wygenerować tylko ok 500kHz.

Co do książek "Układy impulsowe" oraz "Układy scalone CMOS" Łakomy" to nie udało mi się jeszcze namierzyć wersji cyfrowych. Chyba będę musiał spróbować dorwać jakieś "analogi".

Bardzo dziękuję za wyczerpujące odpowiedzi. 

[Treker (Damian Szymański)]

@rakoo, witam na forum Widzę, że to Twoje pierwsze kroki na Forbocie, oto najważniejsze informacje na start:

• Chcesz przywitać się z innymi członkami naszej społeczności? Skorzystaj z tematu powitania użytkowników.
• Opis najciekawszych funkcji, które ułatwiają korzystanie z forum znajdziesz w temacie instrukcja korzystania z forum - co warto wiedzieć?
• Poszczególne posty możesz oceniać (pozytywnie i negatywnie) za pomocą reakcji - ikona serca w prawym dolnym rogu każdej wiadomości.

13 minut temu, rakoo napisał:

Bardzo dziękuję za wyczerpujące odpowiedzi. 

Pamiętaj, że pomocne posty możesz oceniać za pomocą reakcji - do czego gorąco zachęcam. Instrukcja powyżej