/
Author: Димитрова М.И. Пунджев В.П.
Tags: электротехника электроника микросхемы транзисторы цифровые устройства
ISBN: 5-283-04548-X
Year: 1990
Text
М.ДИМИТРОВА
В.ПУНДЖЕВ
НА
ТРИГГЕРАХ
М.ДИМИТРОВА
В.ПУНДЖЕВ
CHEiYibl
НА
ТРИГГЕРАХ
Перевод с болгарского
Е. А. Зельдина
[»
Ленинград
ЭН1 РГОАТОМИЗДАТ
Ленинградское отделение
1990
ББК 32.859
Д46
УДК 621.382.049.77
Димитрова М. И., Пунджев В. П.
Д46 33 схемы на триггерах: Пер. с болг.— Л.: Энергоатом-
издат. Ленингр. отд-ние, 1990.— 96 с.: ил.
ISBN 5-283-04548-Х
В доходчивой форме описаны устройство и функциональные осо-
бенности триггеров на транзисторах, операционных усилителях, логи-
ческих элементах. Рассмотрены триггеры — микросхемы ТТЛ и КМОП,
применение триггеров в запоминающих устройствах, средствах индика-
ции, формирователях, счетчиках, регистрах и др. Описаны вспомога-
тельные устройства и средства контроля.
Для любителей, занимающихся практической электроникой, же-
лающих изучать и применять триггеры.
„ 2302030000—119
А 051(01)—90 186-90
ББК 32.859
Научно-популярное издание
ДИМИТРОВА МАРИЯ ИЛИЕВА
ПУНДЖЕВ ВЛАДИМИР ПЕТРОВ
33 схемы
на
триггерах
Научный редактор Е. А. Зельдин
Редактор С. С. Полигнотова
Художник обложки В. В. Беляков
Художественный редактор Т. Ю. Теплицкая
Технический редактор Н. А. Минеева
Корректор Н. Б. Чу кутина
ИБ № 2862
Сдано в набор 25.10.89. Подписано в печать 16.03.90. Формат 60X88’/ie- Бумага офсетная
№ 2. Гарнитура литературная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 5,88. Усл. кр.-отт. 10,04.
Уч.-изд. л. 6,69. Тираж 90 000 экз. Заказ Ns 1969. Цена 50 к.
Энергоатомиздат. Ленинградское отделение.
191065 Ленинград. Марсово поле, 1.
Ленинградская типография Ns 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского,
объединения <Техническая книга» им. Евгении Соколовой Государственного комитета
СССР по печати. 191126. Ленинград, Социалистическая ул., 14.
ISBN 5-283-04548-Х
© Държавно издателство <Техника>,
София, 1987
© Перевод на русский язык; преди-
словие переводчика, приложение и
примечания. Энергоатомиздат, 1990
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие переводчика .............................. . 4
Предисловие авторов ..................................... —
глава ПЕРВАЯ. ТРИГГЕРЫ - ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТИПЫ,
ВАЖНЕЙШИЕ ПАРАМЕТРЫ...................................... 5
ГЛАВА ВТОРАЯ СХЕМЫ ТРИГГЕРОВ.............................1!
2.1. Симметричный триггер с коллекторно-базовыми связями и внеш-
ним смешением.— 2.2. Симметричный триггер с коллекторно-базо-
выми связями и автоматическим смещением.— 2.3. Симметричный
транзисторный триггер повышенного быстродействия.— 2.4. Симмет-
ричный транзисторный триггер с облегченным запуском.— 2.5. RS-
триггер на логических элементах И—НЕ.— 2.6. AS-триггер на логи-
ческих элементах И—НЕ.— 2.7. AS-триггер на логических элемен-
тах ИЛИ—НЕ.— 2.8. D-триггер на логических элементах И—НЕ.—
2.9. Т-триггер на логических элементах И—НЕ.— 2.10. /A-триггер на
логических элементах И—НЕ.— 2.11. Триггер на операционном уси-
лителе.— 2.12. D-триггер ТТЛ.— 2.13. D-триггер КМОП.— 2.14.
/A-триггер ТТЛ.— 2.15. /A-триггер КМОП,—2.16. О-триггеры в роли
триггеров другого типа.— 2.17. //(-триггеры в роли триггеров другого
типа.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРИГГЕРОВ...................40
3.1. Формирование электрических сигналов от механических контак-
тов.— 3.2. Индикация изменения уровня сигнала.— 3.3. Синхрони-
зация с последовательностью импульсов.— 3.4. Генерация импульса
длительностью, равной периоду тактовых импульсов.— 3.5. Полу-
чение двух взаимно инверсных последовательностей импульсов.—
3.6. Получение двух последовательностей импульсов со сдвигом на
четверть периода относительно друг друга.— 3.7. Получение после-
довательности импульсов с коэффициентом заполнения 0,5.— 3.8.
Триггер в роли ждущего мультивибратора.— 3.9. Формирование им-
пульса от сенсорных контактов.— 3.10. Двоичные счетчики.— 3.11.
Десятичные счетчики.— 3.12. Счетчики в роли делителей частоты.—
3.13. Регистры сдвига.— 3.14. Кольцевые счетчики.— 3.15. Счетчики
Джонсона.— 3.16. Проектирование реального устройства с тригге-
рами.
ГЛАВА четвертая ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ
РАБОТЫ С ТРИГГЕРАМИ .........................................63
4.1. Общие сведения.— 4.2. Источники питания.— 4.3. Генераторы
импульсов.— 4.4. Приборы для контроля работы устройств.— 4.5.
Пробники логических уровней.
Список литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
Эта книга представляет собой популярное пособие по триг-
герам и триггерным системам. В ней рассмотрены практиче-
ские вопросы, касающиеся организации, принципа действия и
применения триггеров разного типа. Описаны также способы
соединения триггеров в более сложные приборы — счетчики, ре-
гистры. Значительная часть книги посвящена вспомогательным
устройствам, генераторам импульсов, пробникам уровня напря-
жения.
По содержанию и стилю книга примыкает к работе тех же
авторов «33 схемы с логическими элементами И—НЕ» и адре-
сована тому же контингенту читателей — учащимся школ и
ПТУ, студентам, радиолюбителям. При переводе книги вне-
сены изменения и дополнения, необходимые для советского чи-
тателя. Терминология и иллюстративный материал приведены
в соответствие с действующими в нашей стране стандартами
и нормалями. Наряду с зарубежными наименованиями элект-
ронных приборов указаны отечественные аналоги. Список ли-
тературы несколько расширен — добавлены книги на русском
языке [25... 32]. К ним читатель может обратиться, если за-
хочет углубить свои знания.
Отзывы о книге, замечания и пожелания просьба посылать
по адресу: 191065 Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское
отделение Энергоатомиздата.
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Наша книга «33 схемы с логическими элементами И—НЕ»,
выпущенная издательством «Техника» (г. София), была адре-
сована преимущественно радиолюбителям, которые делают
свои первые шаги в освоении импульсной техники, точнее —
схемотехники на основе цифровых микросхем транзисторно-
транзисторной логики (ТТЛ). Благожелательный прием, ока-
занный книге, а также отзывы читателей показали, что доста-
точно полезно и удобно пользоваться одной книгой и для
изучения предмета и для приобретения опыта работы с микро-
схемами определенного вида (например, с логическими элемен-
тами). Это побудило нас написать новую книгу — с популярным
изложением основ схемотехники триггерных устройств.
Главы 1, 2, 3 и п. 4.3 написаны ст. науч, сотр., канд. физл
мат. наук, инж. М. Димитровой, а глава 4 (кроме п. 4.3) —
инж. В. Пунджевым.
Выражаем благодарность рецензентам — ст. научным со-
трудникам канд. техн, наук Кирилу Конову и Ивану Доцин-
скому, которые помогли своевременно устранить некоторые
упущения.
София, июль 1986 г.
4
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ТРИГГЕРЫ — ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ,
ТИПЫ, ВАЖНЕЙШИЕ ПАРАМЕТРЫ
Триггер — один из важнейших узлов сложного электронного
устройства. Триггеры могут быть собраны на транзисторах,
на логических элементах в интегральном исполнении, а также
выпускаются как готовые изделия в виде микросхем (один или
несколько триггеров в общем корпусе).
Независимо от того из каких компонентов составлен триг-
гер, его можно представить в виде «черного ящика», имеющего
входы и выходы (рис. 1.1) [1, 2, 4]. Термин «черный ящик» по
отношению к какому-либо устройству подразумевает, что нас
интересует не его схема и электрические параметры, а только
взаимное соответствие входных и выходных сигналов. Поэтому
на первом этапе знакомства с триггерами не будем касаться
схемных вопросов, а обратим внимание преимущественно на их
общие свойства.
Входы триггера а, б и в представляют собой выводы, на
которые могут подаваться внешние сигналы. В зависимости от
выполняемой роли входы подразделяются на следующие:
установочные а — для установки начального состояния
триггера;
информационные б — для ввода информации (установки
триггера в определенное состояние);
исполнительные в — для задания момента срабатывания
триггера *.
Выходы триггера принято обозначать Q и Q (в дальнейшем
теми же буквами будем обозначать и сигналы на этих выво-
дах). Выходные сигналы могут иметь уровень логической еди-
ницы (1) либо нуля (0). Уровни сигналов на обоих выходах
всегда противоположны. При этом, если Q = 0, a Q=l, счита-
ется, что триггер находится в нулевом состоянии, если Q=l,
a Q = 0 — в единичном состоянии.
Здесь мы применили некоторые необъясненные термины —
«логический уровень», «состояние триггера», «установка триг-
гера».
1 В оригинале книги отсутствуют.— Прим, перев.
5
Рис. 1.1. Представление триггера в виде «чер-
ного ящика»
В цифровых устройствах выходное
напряжение зависит от входного и
может иметь только одно из двух зна-
чений: равное (или почти равное)
напряжению питания 1 схемы и равное (или почти равное)
напряжению на общей шине — нулевому. Эти уровни называют-
ся соответственно «логическая 1» и «логический О».
В действительности за логический нуль принимаются следу-
ющие уровни напряжения:
0<С7°<0,4 В для интегральных микросхем ТТЛ при напря-
жении питания 1/п = 5 В;
0<{/°<2,5 В для микросхем КМОП при (/п = 5 В;
0<U°<5 В для микросхем КМОП при [/П=Ю В;
0<С7°<7,5 В для микросхем КМОП при t/n=15 В.
За логическую единицу принимаются следующие уровни на-
пряжения:
2,4 В<(7*<5 В для микросхем ТТЛ при Un = 5 В;
2,5 В<(Л<5 В для микросхем КМОП при Un — 5 В;
5 В<£7Х< 10 В для микросхем КМОП .при t/n=10 В;
7,5 В<17,< 15 В — для микросхем КМОП при (7П=15 В.
Прилагательное «логический» применительно к термину
«уровень» отражает тот факт, что выходной уровень связан ка-
кой-то логической функцией с входным уровнем. Символическая
запись Q=1 означает, например, что у триггера на выходе Q
действует уровень логической 1. Часто говорят не «логическая
1» или «логический 0», а просто 1 или 0.
Понятие «состояние триггера» характеризует сущность «чер-
ного ящика» и одно из важнейших функциональных свойств
триггера: иметь на выходе определенный уровень Q=1 (Q = 0)
или Q = 0 (Q=l), т. е. триггер представляет собой электронное
устройство, которое может сохранять одно из двух возможных
состояний. В зависимости от воздействия входных сигналов и
от исходного состояния триггер можно установить в одно из
состояний: 1 или 0. Если на входы никакие сигналы не посту-
пают, триггер сохраняет состояние, полученное в предыдущем
такте, неограниченно долгое время. В сущности, это «неогра-
ниченное» время продолжается, пока есть питающее напряже-
ние и нет внешнего воздействия. Смену состояний триггера ча-
сто называют переключением.
’ Для микросхем ТТЛ напряжение питания Un — 5 В, для современных
микросхем КМОП — от 3 до 15 В (кроме серии KI76, для которой Ua =
= 9 В).— Прим, перев.
6
Существуют различные классификации триггеров [2, 3, 27].
Об элементной базе триггеров мы уже упоминали. Разумеется,
здесь мы ограничимся только теми видами электронных ком-
понентов, которые доступны радиолюбителям.
В зависимости от того, как воздействуют сигналы, посту-
пающие на информационные входы, триггеры подразделяются
на следующие:
асинхронные—когда входные сигналы действуют в момент
их поступления;
синхронные — когда входные сигналы действуют только при
наличии специального исполнительного (тактового) импульса;
возможны три варианта переключения — в течение длительно-
сти импульса, по фронту или по срезу импульса.
Синхронные триггеры могут быть с непосредственным воз-
действием тактового импульса или со структурой ведущий — ве-
домый, при которой сначала изменяется состояние так называ-
емого ведущего триггера, а после этого оно передается на ве-
домый [27].
Тут мы будем ограничиваться только конкретными схемами
указанных видов триггеров.
С учетом воздействия входных сигналов на информацион-
ные входы различаются RS (или /?S)-, D-, JK-, Т-триггеры и др.
/?5-триггеры. У триггеров этого типа поочередное поступ-
ление импульсов на информационные входы (/? и S) ведет
к смене состояния триггера. Если после подачи импульса на
вход R импульс на вход S не поступит, а на вход R придет еще
один импульс (на рис. 1.2 третий импульс на входе /?), то на
этот повторный импульс триггер не отреагирует и состояние
его не изменится. Сказанное относится и ко входу 5 (четвертый
импульс на входе S).
Одновременное поступление импульсов на входы R и S (на
рисунке второй импульс показан штрихами) не разрешается.
Здесь требуется пояснить смысл предупреждения «не разреша-
ется», которое будет встречаться в дальнейшем. Рекомендация
избегать определенной комбинации входных сигналов связана
не с опасностью повреждения интегральной микросхемы,
а с возможностью прихода в так называемое неопределенное
состояние, которое заранее нельзя предсказать (1 или 0), т. е.
устройство уже не будет действовать как истинный триггер
с двумя строго определенными взаимно инверсными выход-
ными уровнями (Q и Q).
D-триггеры. В триггерах этого типа на выходе Q устанав-
ливается тот же уровень напряжения, что и на информацион-
ном входе D, но не сразу, а после того как на тактовый вход
С поступит синхронизирующий импульс, т. е. с некоторой за-
держкой (рис. 1.3). На рисунке показаны два дополнительных
7
Рис. 1.2. /?5-триггер: а — временная диаграмма асинхронного триггера;
б, в и г — условное графическое обозначение синхронного триггера с записью
информации по фронту тактового импульса в болгарской, американской и
советской литературе; д — условное графическое обозначение асинхронного
триггера в советской литературе
входа (S и R либо Рг и С/), которые служат для установки
начального (исходного) состояния триггера.
На практике в основном используются синхронные ^-триг-
геры.
/^триггеры. Действие //(-триггера поясняет рис. 1.4. Эти
триггеры могут быть синхронными или асинхронными ’. Из вре-
менных диаграмм работы асинхронного //(-триггера следует,
что при поочередном поступлении импульсов на входы / и К
этот триггер действует подобно /?5-триггеру (см. рис. 1.2, а),
но отличается от него при одновременной подаче импульсов на
оба входа: выходное состояние меняется на противоположное
предшествующему. На рис. 1.4, а это относится к импульсам,
помеченным стрелкой.
Т-триггеры. Эти триггеры — асинхронные, имеют только
один информационный вход, и каждый импульс, поступающий
на него, ведет к смене выходного состояния (рис. 1.5).
Часто для иллюстрации действия триггеров пользуются не
временными диаграммами, а таблицами состояний (табл. 1.1...
’ Все //(-триггеры в микросхемном исполнении — синхронные.— Прим,
перев.
8
Рис. 1.3. D-триггер: a — временная
диаграмма; б, в и г — условное гра-
фическое обозначение триггера с за-
писью информации по фронту такто-
вого импульса в болгарской, амери-
канской и советской литературе
Входы S и R (Рг и С1)—установочные
Рис. 1.4. //(-триггер: а — временная
диаграмма; б, в и г — условное гра-
фическое обозначение триггера с за-
писью информации по фронту такто-
вого импульса в болгарской, амери-
канской и советской литературе
Входы S и R (Рг и С1) — установочные
ц
1.4). В таблицах индексом п обозначено состояние триггера до
момента воздействия сигнала на информационном входе, а ин-
дексом пЧ- 1 — после этого момента.
У всех рассмотренных триггеров смена состояний происхо-
дит по фронту импульса. Существуют триггеры, для которых
Таблица 1.1. Состояния
PS-триггера
S R ^л + 1
0 1 0 1 0 0 1 1 Qn 1 0 0*
* Не разрешается.
Таблица 1.2.
Состояния
D-триггера
D ^л + l
0 1 0 1
2—1969
9
a)
Г
Q
Рис. 1.5. Г-триггер: а —временная диаграмма; б, в и г, д — условное графи-
ческое обозначение в болгарской, американской и советской литературе
активным может быть срез (спад) импульса. В дальнейшем эти
случаи будут специально оговариваться.
Таблица 1.3. Состояния
УК-триггера
J к Qn+i
0 1 0 1 0 0 1 1 Qn 1 0 Qn
Таблица 1.4.
Состояния
Т-триггера
т ®п + 1
0 i а а
Установочные входы служат для предварительной установки
триггера в одно определенное состояние. Это состояние может
быть как нулевым, так и единичным. Поэтому обычно триг-
геры имеют два установочных входа, чтобы обеспечить обе
возможности.
Каждый триггер, независимо от его элементной базы и
переключательных свойств, оценивается рядом параметров.
Быстродействие триггера характеризуется максимальной ча-
стотой переключений /таХ (в режиме Т-триггера), при которой
он в состоянии нормально работать, т.'е. изменять выходное
состояние вслед за поступлением очередного входного им-
пульса. Для нормальной работы триггеров необходимо обеспе-
10
Рис. 1.6. Временная диаграмма и пара-
метры О-триггера
чивать определенное временное со-
отношение между импульсами, по-
ступающими на разные входы. На
рис. 1.6 показаны временные зави-
симости для D-триггера в инте-
гральном исполнении. Здесь /оп —
время, на которое сигнал на входе
D должен опережать тактовый им-
пульс; /пер — время переключения
триггера; /3—время задержки — время, на которое импульс на
входе D должен задержаться после завершения импульса на
тактовом входе. Между максимальной частотой и временем пе-
реключения, характеризующим быстродействие активных элемен-
тов триггера, существует зависимость fmax=l//nep- Часто в спра-
вочниках указывают частоту f,max<fmax с учетом реальной до-
пустимой нагрузки.
Триггер представляет собой электронное устройство, имею-
щее входы разного назначения и два взаимно инверсных вы-
хода Q и Q.
Триггер может сохранять одно из двух состояний, которые
принято называть по уровню напряжения на выходе Q,— еди-
ничное или нулевое. Смена этих состояний в заданный момент
tn+\ происходит в зависимости от состояния триггера в пред-
шествующий момент tn и от сочетания сигналов на его входах.
Действие триггера удобно описывать таблицей состояний.
ГЛАВА ВТОРАЯ
СХЕМЫ ТРИГГЕРОВ
2.1. Симметричный триггер с коллекторно-базовыми свя-
зями и внешним смещением. Одна из тенденций современной
радиоэлектроники состоит в замене транзисторных схем инте-
Тральными микросхемами. Тем не менее нам представляется, что
рассмотрение некоторых транзисторных схем, получивших наи-
большее применение в любительской и профессиональной ап-
паратуре, не будет лишним. Мы исходим из тех соображений,
что интегральные микросхемы пока еще не вполне доступны
радиолюбителям (хотя надеемся, что положение скоро изме-
нится) и, с другой стороны, в литературе для любителей опи-
2* 11
Рис. 2.1. Симметричный транзистор-
ный триггер с коллекторно-базовыми
связями и внешним смещением
сано большое число транзис-
торных схем, которые с успе-
хом можно использовать в раз-
ных устройствах.
Все рассмотренные далее
схемы триггеров на транзис-
торах реализуются с приборами п—р—n-типа. Не составит труда
выполнить их и на транзисторах р—п—р-типа. Единственное,
что потребуется в этом случае, — сменить полярность напряже-
ния питания и базового (смещения): + £/п на —U„, а —(7б на
+ Ue. Предоставляем читателю проделать это самостоятельно.
На рис. 2.1 приведена одна из наиболее распространенных
схем транзисторного триггера — симметричный триггер с кол-
лекторно-базовыми связями и внешним смещением. Симмет-
ричным он назван потому ’, что здесь наблюдаются соотноше-
ния
Як1 = £к2=£к; ^б1=/?б2 = ^б; r1 = r2-_=r- С1 — С2 = С.
Триггер этот представляет собой двухкаскадный усилитель
постоянного тока, причем выход его соединен со входом, т. е.
усилитель охвачен положительной обратной связью через де-
литель R—R6 (конденсаторы С1 и С2 не должны смущать чи-
тателя, так как из дальнейшего станет ясно, что они служат
только для ускорения процесса переключения триггера).
Чтобы триггер пребывал в устойчивом состоянии, требуется
обеспечить следующие условия:
Uq^IkoRq — условие запирания транзистора (например,
VT/);
^б.нас>/к.нас/Л21э^^п//?к— условие. насыщения • другого
транзистора (например VT2).
Здесь: /к0— начальный коллекторный ток транзистора
VT1-, /б.нас — ток базы, при котором происходит насыщение?
транзистора VT2; /к.нас — коллекторный ток насыщения тран-
зистора VT2\ h2\3 — статический коэффициент передачи тока
в схеме с общим эмиттером (транзистор VT2).
Если оба условия соблюдены, триггер находится в одном
из двух возможных состояний (например, Q = 0, и Q=l). Он
сохраняет это состояние, пока на вход не будет подан внеш-
1 Предполагается также, что оба транзистора одного типа и близки по
параметрам.— Прим, перев.
12 •
ний запускающий импульс (способы подачи пусковых импуль-
сов на транзисторные триггеры приведены в табл. 2.1). При
этом транзистор VT1 за счет напряжения смещения —Uf> от
внешнего источника (через параллельно включенные резисторы
/?6i и /?б2) поддерживается в, запертом состоянии и напряже-
ние на его выходе Q равно +Un. Одновременно на базе тран-
зистора VT2 действует положительное напряжение (за счет
делителя R1—R^), которое обеспечивает насыщенное состоя-
ние этого транзистора, вследствие чего на выходе Q напряже-
ние равно нулю.
Внешний запускающий импульс запирает насыщенный тран-
зистор VT2 и открывает запертый транзистор VT1. При этом
напряжение на выходе Q возрастает. Через делитель R2—/?б1
и главным образом за счет ускоряющего конденсатора С2 оно
передается на базу VT1, что поведет к его отпиранию. В резуль-
тате уровень напряжения на выходе Q понизится. Через дели-
тель RI—R()i (а в основном через конденсатор С1) перепад
напряжения подастся на базу транзистора VT2 и дополнительно
запирает его и т. д. Развивается лавинообразный процесс,
в ходе которого откроется транзистор VT1, a VT2 окажется
запертым, т. е. состояние триггера сменится: было Q = 0 и
Q=l, стало Q=1 и Q = 0. Триггер действовал бы подобным
образом и без конденсатора. Этот конденсатор только ускоряет
лавинообразный процесс. Емкость его обычно выбирают в пре-
делах 100 ... 300 пФ.
Для схемы на рис. 2.1 предельная частота переключений
находится как
Алах «(0,3 . . . 0,5) fa,
где fa — это частота, при которой коэффициент усиления по
току транзистора уменьшается на 3 дБ сравнительно с его
значением на низких частотах. Этот параметр характеризует
частотные свойства транзисторов. Конкретные его значения
для разных типов транзисторов приводятся в справочниках.
В зависимости от способа запуска различаются триггеры
/?5-типа, когда входные импульсы поочередно подаются на два
входа, и Г-типа — с одним входом, подключенным так, что
с приходом каждого пускового импульса происходит очередное
переключение триггера (см. табл. 2.1).
Длительность фронта и среза импульса на выходах Q и Q
зависит от значений RK и С: для фронта (перепада от низкого
уровня к высокому) т0;1~/?кС'; среза (перепада от высокого
уровня к низкому) т1:0~2,3 RKC.
Способы установки исходного состояния транзисторных триг-
геров см. в табл. 2.2.
13
Таблица 2.1. Способы запуска транзисторных триггеров
Схема
Характеристика
Запуск положительными импульсами, которые подаются на эмиттер-
ныи резистор. Они воздействуют на открытый транзистор, запирая
его.
Достоинство-, сравнительная простота схемы
Недостаток-, ток запуска должен быть значительным (требуется
мощный импульс)
Запуск отрицательными импульсами, которые подаются на базовые
резисторы. Действует как асинхронный /?5-триггер. При соединении,
показанном штрихами, с разрывом цепи (помечено крестиком), дей-
ствует как асинхронный Т-триггер. Внешние импульсы запирают от-
крытые транзисторы.
Достоинство-, сравнительно малая амплитуда пусковых импульсов
Недостаток-, чувствительность к изменениям амплитуды пуско-
вых импульсов
П родолжение табл. 2.1
Схема
Характеристика
Запуск отрицательными импульсами, которые подаются на коллек-
торные резисторы. Они воздействуют на базу открытого транзистора
через резистор /?. Пусковые импульсы должны иметь большую ам-
плитуду. Диоды VD1 и VD2 — разделительные. Резистор Rx обе-
спечивает такой потенциал точки А , что диоды VD1 и VD2 отпирают-
ся только при наличии пусковых импульсов. Диод VD' способствует
быстрому разряду конденсатора С.
Достоинство: надежный запуск при высоком быстродействии
Недостаток: относительная сложность цепи запуска
Комбинированный (смешанный) способ запуска. Каждый отрица-
тельный пусковой импульс подается только на базу открытого
транзистора через диод VD1 или VD2, управляемый напряжением
на коллекторах через резисторы Rx или /?2. Для повышения быстро-
действия эти резисторы можно шунтировать диодами (VD\ и VD2).
Достоинство: большое быстродействие, высокая чувствительность
Недостаток: относительная сложность цепи запуска
Таблица 2.2. Способы установки исходного состояния
транзисторных триггеров
Схема
Характеристика
Подача отпирающего напряже-
ния от внешнего источника на один
из транзисторов с помощью кноп-
ки SB.
Достоинство: простота схемы
Подача запирающего напряже-
ния на один из транзисторов. Для
запирания используется напря-
жение смещения — Uq
Достоинство: простота схемы
Подача запирающего импульса
на один из транзисторов. Нужная
форма импульса на базе транзи-
стора обеспечивается входной це-
пью С' — R’ — VD’.
Достоинство: схема удобна для
начальной установки триггера в
нулевое состояние
Симметричный транзисторный триггер с внешним смеще-
нием имеет следующие соотношения между компонентами:
Rk1~ Rki~ Rk\ R&\~ Rf>2~ Re', R1 = R2 = R',
C1 = C2 = C= 100 ... 300 пФ.
Такой триггер может быть использован как RS-либо как Т-
триггер. Зависит это от исполнения входной цепи.
2.2. Симметричный триггер с коллекторно-базовыми свя-
зями и автоматическим смещением (рис. 2.2). Эта часто при-
16
Рис. 2.2. Симметричный транзи-
сторный триггер с коллекторно-
базовыми связями и автоматиче-
ским смещением
меняемая схема отличается
от схемы на рис. 2.1 сле-
дующим: исключен внеш-
ний источник напряжения
смещения — [Д; резисторы
сопротивлением R6) = /?б2 =
= /?б подключены к общей
шине; добавлены резистор
R3 и конденсатор Сэ.
Вместо внешнего источника напряжения смещения (—Ut>)
здесь используется падение напряжения на резисторе R3 за
счет протекающего тока открытого транзистора. Назначение
шунтирующего конденсатора С3 (обычно емкостью 1...5 нФ) —
не допустить броска тока и напряжения при переключениях
транзисторов, особенно если они различаются по параметрам.
Вследствие изменений в схеме для обеспечения устойчивого
состояния необходимо соблюдать следующие условия:
U R
IkoRgC -----°-2— —условие запирания одного транзистора
(например, VT1)-,
/б.нас5>/к.нас//г21э — условие насыщения другого транзистора
(VT2).
Здесь /?э= ^э//к.нас, Уэ — напряжение запирания транзи-
стора.
Триггер по схеме с автоматическим смещением действует
точно так же, как и триггер с внешним смещением. Поэтому
предоставляем любознательным читателям самим объяснить
механизм развития лавинообразного процесса и разобраться со
значениями напряжения в разных точках схемы при устойчи-
вом состоянии (единичном или нулевом).
Все, что выше говорилось о длительности фронта и среза
и о быстродействии транзисторного триггера с внешним сме-
щением, сохраняет силу и для транзисторного триггера с авто-
матическим смещением.
Симметричный транзисторный триггер с автоматическим
смещением имеет следующие соотношения компонентов:
Rki = Rkz ~ RkI Rei= Rc2 = Re't R/ = R2 = R;
С/ = С2 = С=100 ... 300 пФ;
Сэ = 1 ... 5 нФ; /?э = С/э/Лснас-
Этот триггер может быть использован как асинхронный RS-
триггер и как Т-триггер. Вид триггера определяется исполне-
нием входной цепи.
3—1969
17
2.3. Симметричный транзисторный триггер повышенного
быстродействия. На рис. 2.3 приведена схема симметричного
транзисторного триггера повышенного быстродействия с внеш-
ним смещением. Этот триггер может быть реализован и как
симметричный с автоматическим смещением, если в схему вне-
сти изменения, описанные выше. Рекомендуем читателю проде-
лать это самостоятельно, предварительно еще раз сопоставив
схемы на рис. 2.1 и 2.2.
Повышенное быстродействие достигается за счет эмиттер-
ных повторителей (транзисторы VT3 и VT4). Известно, что
Рис. 2.3. Симметричный транзисторный триггер повышенного быстродействия
эмиттерные повторители характеризуются очень низким вы-
ходным сопротивлением. Заряд конденсаторов емкостью С1 =
= С2=С производится именно через эмиттерные повторители,
а не через коллекторные резисторы RK, как у триггеров на
рис. 2.1 и 2.2. Благодаря этому время заряда конденсаторов су-
щественно уменьшается, и в результате повышается быстро-
действие триггера.
Транзисторный триггер с эмиттерными повторителями имеет
высокое быстродействие, так как в этом случае ускоряющие
конденсаторы заряжаются через низкое выходное сопротивление
эмиттерных повторителей.
К недостаткам подобного триггера следует отнести необхо-
димость в двух добавочных транзисторах.
2.4. Симметричный транзисторный триггер с облегченным
запуском. На рис. 2.4 представлена схема симметричного тран-
зисторного триггера с внешним смещением, в которой приняты
меры для облегчения запуска. Достигается это особым режи-
мом транзисторов VT1 и VT2: в открытом состоянии они не
доводятся до глубокого насыщения. Насыщению препятствуют
диоды VD1 и VD2, связанные через резисторы R6\ и R62 с ис-
точником напряжения смещения. По этой причине запирающее
18
с внешним смещением мо-
Рис. 2.4. Симметричный транзистор-
ный триггер с облегченным запуском
L
напряжение на базах транзис- ут1
торов фиксируется на уровне,
равном постоянному прямому
напряжению диода Unp, т. е.
0,1 ...0,2 В для германиевых
диодов или 0,6... 0,7 В для
кремниевых.
Запуск симметричного триггера
жно облегчить, фиксируя напряжение запирания транзисторов
на определенном пониженном уровне с помощью двух парал-
лельно включенных диодов. Уровень фиксируемого напряже-
ния можно поднять последовательным включением этих ди-
одов. ____
2.5. /?5-триггер на логических элементах И —НЕ. Наибо-
лее распространенный вид логических элементов в интеграль-
ном исполнении — это элементы И—НЕ. Как пример микро-
схем ТТЛ на биполярных транзисторах можно назвать микро-
схемы К155ЛАЗ и К555ЛАЗ, а микросхем КМОП на полевых
транзисторах—К176ЛА7, К561ЛА7, 564ЛА7 [2, 4, 19]. На ос-
нове всех этих микросхем легко построить триггеры.
На рис. 2.5 приведена схема и временная диаграмма про-
стейшего асинхронного /?5-триггера. Он содержит только два
логических элемента И—НЕ. Один его вход обозначен S и слу-
жит для установки триггера в состояние 1, другой — R и слу-
жит для возвращения в состояние 0. Штрихи над обозначени-
ями входов показывают, что управление осуществляется сиг-
налами в момент их перехода от высокого уровня к низкому.
Как следует из рисунка, когда на входы R и S не посту-
пают внешние сигналы (низкого уровня. — Прим, перев.), триг-
гер сохраняет свое состояние: неподключенный (открытый)
вход микросхем ТТЛ «ведет» себя так, как если бы на нем был
сигнал высокого уровня. Для микросхем КМОП входы откры-
тыми оставлять нельзя. Неиспользуемые входы обязательно
следует подключать к проводу питания или общему проводу
в зависимости от конкретной реализуемой логической функции
[3, 19, 27].
Если, например, Q=1 и Q = 0, т. е. триггер в единичном со-
стоянии (на выходе Q — напряжение высокого уровня, и на
выходе Q — низкого. — Прим, перев.), то вследствие соедине-
ния выхода элемента DD1 с одним из входов DD2 и выхода
DD2 с одним из входов DD1 на обоих входах элемента DD2
3*
19
действует напряжение высокого уровня, а на его выходе — низ-
кого, что соответствует Q = 0. В это же время на одном из вхо-
дов элемента DD1 напряжение низкого уровня (с выхода
DD2.— Прим, перев.), что достаточно для обеспечения на вы-
ходе DD1 напряжения высокого уровня (Q=l).
Если в этом состоянии триггера на вход S поступит сигнал
указанной на диаграмме полярности
триггера не изменится. Поступление
сигнала на второй вход DD1 только
временно изменит сочетание сигналов
на обоих входах (было высокое и низ-
кое напряжение, а стало низкое и низ-
кое), но при этом уровень выходного
напряжения остается неизменным.
Если, однако, сигнал поступит на
вход R (момент /2), то на одном входе
DD2 будет высокий уровень, а на
другом — низкий, уровень напряжения
Рис. 2.5. /?5-триггер на логических
на выходе изменится и станет высоким. С этого момента на
обоих входах DD1 окажется напряжение высокого уровня и на
выходе состояние изменится с высокого уровня на низкое, т. е.
триггер скачком перейдет в другое состояние, при котором Q = 0
и Q=_l. Поэтому только при чередовании сигналов на входах
S и R возможна смена состояний триггера.
При одновременном поступлении импульсов низкого уровня
на оба входа 5 и R устройство теряет триггерные свойства и
на обоих выходах возникает напряжение высокого уровня;
с прекращением входных импульсов состояние триггера стано-
20
вится неопределенным !. Поэтому одновременная подача им-
пульсов на оба входа (S и R) не разрешается. Это ограничение
не связано с опасностью повреждения интегральной микро-
схемы, а только служит отражением того факта, что состояние
триггера становится неопределенным и схема утрачивает свой-
ства триггера. Исполнение логических элементов И—НЕ (ТТЛ
или КМОП) не влияет на способ их включения в схеме триг-
гера и на временные диаграммы, но читателю всегда следует
иметь в виду различие обоих видов интегральных микросхем и
особенности их использования.
Таблица состояний /?5-триггера имеет следующий вид:
^п+1 ^л+1
1 1 Qn Qn
1 0 1 0
0 1 0 1
0 0 1* 1*
* Не разрешается.
/?5-триггер реализуется на двух логических элементах И—
НЕ. Смена состояния /?5-триггера происходит при поступлении
на входы сигналов низкого уровня qLT . Триггер реагирует
на первый импульс_в последовательности импульсов, поступаю-
щих на вход R или S.
Напомним, что входные сигналы, обозначенные Rn и 5П, от-
носятся к одному_ интервалу времени (такту) tn, а выходные
сигналы On+t и Qn+i — к другому интервалу времени (такту)
/п+ь следующему после /п.
_2.6. /?$-триггер на логических элементах И—НЕ. Как и
^S-триггер (см. рис. 2.5), /?5-триггер «запоминает» своим вы-
ходным состоянием, на какой из двух входов (R или S) посту-
пил последний импульс: если на вход R, триггер принимает ну-
левое состояние (0 = 0 и Q=l), а если на вход 5,— единичное
состояние (0=1 и 0=0).
На рис. 2.6 приведена схема /?5-триггера на логических
элементах И—НЕ. Она повторяет схему 7?5-триггера (логиче-
ские элементы DD1 и DD2 на рис. 2.5) — с той разницей, что
1 Неопределенное состояние триггера наступает при одновременном пре-
кращении подачи управляющих сигналов на оба входа. В этом случае триг-
гер с_равной вероятностью может перейти в состояние Q=l, Q=0 либо Q =
=*0, Q=l.— Прим, перев.
21
к каждому входу добавлено по инвертору (DD3 и DD4), кото-
рые только меняют уровень входных сигналов: переключаю-
щим вместо сигнала < становится сигнал . Действие
триггера поясняет временная диаграмма. Изменение уровней
входных сигналов от низкого к высокому
стояния триггера (моменты времени 1\,
t2t t3 и t5; в момент t< переключения не
происходит, так как триггер уже установ-
лен в единичное состояние в предшест-
вующий момент /3).
Все сказанное о ^S-триггере остается
в силе и для /^S-триггера. Единственное
различие касается уровней входных сиг-
налов: R вместо R и S вместо S.
Рис. 2.6. /?5-триггер на логических элементах И—НЕ
приводит к смене со-
Поведение /?5-триггера отображает следующая таблица:
*л sn ^л+i <?л+1
0 0 Qn Qn
0 1 1 0
1 0 0 1
1 1 0* 0*
* Не разрешается.
Одновременная подача сигналов высокого уровня на оба
входа не разрешается.
Триггер меняет свое состояние при чередовании на входах
импульсов вида JfL . Он реагирует на первый (из последо-
вательности) импульс, поступающий на вход R или S.
22
2.7. /?5-триггер на логических элементах ИЛИ—НЕ Из ло-
гических элементов ИЛИ—НЕ наибольшее распространение
имеют следующие типы: К155ЛЕ1, К555ЛЕ1 (интегральные
микросхемы ТТЛ) и К176ЛЕ5, К561ЛЕ5, 564ЛЕ5 (интеграль-
ные микросхемы КМОП). В корпусе каждой из упомянутых
микросхем содержится четыре независимых двухвходовых эле-
мента, связанных общим питанием. /?5-триггер, схема и вре-
менная диаграмма которого приведены на рис. 2.7, собран из
таких элементов. Состояние этого триггера определяется сиг-
налами, поступающими на входы R и S. Если R = S = 0, триггер
сохраняет свое состояние, так как выходные уровни обоих ло-
гических элементов не изменяются. При 5=1 и /?=0 уровень
выходного напряжения логического элемента DD2 становится
низким, т. е. Q=0, независимо от значения сигнала на втором
входе этого элемента. Поскольку на обоих входах логического
элемента DD1 в данный момент действуют сигналы низкого уро-
вня, на его выходе будет сигнал высокого уровня и, следова-
тельно, Q=l. Это напряжение обеспечит сохранение состояния
Q = 0 и в том случае, когда напряжение на входе 5 снова станет
низкого уровня (5=0). Подобным же образом при 5=0 и /?=1
на выходе будет Q=0 и Q=l, т. е. триггер установится в дру-
гое устойчивое состояние.
23
При одновременном появлении на входах сигналов 3 = ₽=1
напряжение на обоих выходах станет низкого уровня (Q = Q =
= 0), и если после этого входные сигналы одновременно изме-
нятся на 3 = /? = 0, то выходное состояние триггера с равной ве-
роятностью может стать Q=1 и Q = 0 либо Q = 0 и Q=l. По
этой причине сочетание входных сигналов 3 = /?=1 считается
запрещенным. Однако подчеркнем еще раз, что это ограничение
не связано с опасностью для самой схемы. Оно лишь отражает
тот факт, что при подаче такой комбинации сигналов на входы
схема утрачивает триггерные свойства.
Все, что сказано о /?3-триггере в резюме предыдущей руб-
рики, относится целиком и к рассматриваемой схеме.
2.8. D-триггер на логических элементах И—НЕ. На рис. 2.8
показано, что можно создать D-триггер, используя только логи-
ческие элементы И—НЕ. Это интегральные схемы К155ЛАЗ,
К555ЛАЗ (ТТЛ) либо К176ЛА7, К561ЛА7, 564ЛА7 (КМОП).
Схема D-триггера содержит четыре логических элемента И—
НЕ. Здесь элементы DD1 и DD2 образуют знакомый /?3-триггер
(ср. с рис. 2.5). Дополнительные элементы DD3 и DD4 обра-
щают его в D-триггер. Действует этот триггер следующим обра-
зом. Если D=l, то при наличии на входе С тактового сигнала
С=1 на выходе DD3 формируется
сигнал, вид которого представлен на
временной диаграмме и который дей-
ствует подобно сигналу 3 на входе
/?3-триггера (см. рис. 2.5), в резуль-
тате чего на выходе Q установится
напряжение высокого уровня (Q=l,
a Q=0). В этом случае на выходе
DD4 — напряжение высокого уровня,
поскольку в отсутствие тактового
им-
Рис. 2.8. D-триггер на логических элементах И—НЕ
24
пульса на входе А будет напряжение высокого и на входе В —
низкого уровня. С приходом тактового импульса (С=1) на
входе А возникает напряжение низкого, а входе В — высокого
уровня.
Если на вход D подано напряжение низкого уровня, на вы-
ходе DD3 будет напряжение высокого уровня, а тактовый им-
пульс (показан на рисунке штрихами), инвертированный логи-
ческим элементом DD4, действует подобно сигналу R. Вследст-
вие этого триггер примет состояние Q = 0 и Q = 1.
D-триггер имеет следующую таблицу состояний:
С Dn Qn + 1 ^л+1
0 0 1 0 }<?„ Qn
1 1 1 0 1 0 0 i
Выход Q у D-триггера принимает то же состояние, что и на
входе D, в момент появления тактового импульса на входе С.
D-триггер можно собрать из четырех элементов И—НЕ.
2.9. Т-триггер на логических элементах И—НЕ. Из уже упо-
минавшихся логических элементов в интегральном исполнении
типа К155ЛАЗ, К555ЛАЗ (ТТЛ) либо типа К176ЛА7, К561ЛА7
(КМОП) легко собрать 7-триггер. Для этого потребуется четыре
логических элемента И—НЕ. Схема приведена на рис. 2.9, а.
В отличие от D-триггера (см. рис. 2.8) вход А логического
элемента DD3 постоянно соединен с выходом Q. Действие этого
триггера легко понять. Когда Q=l, на другом выходе Q=0.
Так как вход А соединен с выходом Q, то и /1=0. После поступ-
ления тактового импульса на вход Т на выходах установится
Q = 0 и Q=l. На выходе А при поступлении следующего такто-
вого импульса уже будет напряжение высокого уровня и про-
изойдет очередная смена состояния ’.
’ Триггер, собранный по схеме на рис. 2,9, а, будет устойчиво работать,
если длительность импульса на входе Т меньше времени задержки распро-
странения сигналов в элементах, образующих триггер. В противном случае,
когда на входе Т действует напряжение высокого уровня, происходит само-
возбуждение на высокой частоте, так как после каждого переключения
триггерной ячейки DD1, DD2 сигналы на ее входах (S) и (/?) за счет сое-
динения выхода Q со входом А меняют свое значение, что приводит к но-
вому переключению. (Сказанное относится и к схеме //(-триггера на рис.
2.10.) Триггер, собранный по схеме на рис. 2.9,6 (в оригинале книги эта
схема отсутствует), свободен от указанного недостатка: благодаря диффе-
ренцирующим 7?С-цепочкам воздействие входного сигнала здесь весьма
кратковременно.— Прим, перев.
4—1969
25
Рис. 2.9. Т-триггер на логических элементах И—НЕ: а — на четырех элемен-
тах; б — на двух элементах с /?С-цепочками
Работа Т-триггера характеризуется следующей таблицей со-
стояний:
т ^л+1 ^л+1
0 Qn Qn
1 Qn Qn
Смена состояния Т-триггера происходит после поступления
на вход очередного импульса.
Т-триггер можно собрать из логических элементов И—НЕ.
2.10. J/Г-триггер на логических элементах И — НЕ.С помощью
логических элементов И—НЕ К155ЛАЗ, К555ЛАЗ (ТТЛ) или
26
К561ЛА7 (КМОП) нетрудно организовать /К-триггер. Для
этого потребуется четыре логических элемента. Схема //(-триг-
гера (рис. 2.10) отличается от схемы /?5-триггера только тем,
что элементы DD3 и DD4 используются по прямому назначению
И—НЕ, а не как инверторы. Вход АЗ соединен с выходом Q,
а вход В4 — с выходом Q. Действие его поясняют временные
диаграммы. Если /К-триггер пребывает в нулевом состоянии
(Q=0 и Q=l, время до момента /() и на вход / поступит сиг-
нал указанной на диаграмме полярно-
сти, то за счет связи между выходом
Q и входом АЗ сигнал на выходе
элемента DD3 будет иметь вид
и действовать подобно сигналу S на
Рис. 2.10. /К-триггер на логических элементах И—НЕ
входе KS-триггера, образованного элементами DD1 и DD2, т. е.
вызовет смену состояния триггера. (В это время на входе К
напряжение низкого уровня, на входе В4, связанном с выходом
Q, тоже низкий уровень, в результате чего на выходе DD4 на-
пряжение высокого уровня.) Если УК-триггер находится в еди-
ничном состоянии (Q=l и Q=0 — до момента Л) и сигнал по-
ступит на вход К, то, рассуждая аналогичным образом, можно
убедиться, что на выходе DD4 появится сигнал низкого уровня
(на схеме показан штрихами), который действует как сигнал
R, т. е. состояние триггера изменится снова. (При этом на вы-
ходе DD3 напряжение высокого уровня.) Когда одновременно
на обоих входах — / и К напряжение низкого уровня, состояние
/К-триггера сохраняется.
4*
27
Как видим, до сих пор действие JK- и /?5-триггеров пол-
ностью совпадало. При этом вход J соответствовал входу S,
а К — входу R.
Когда на обоих входах — J и К одновременно появляется
напряжение высокого уровня, то в зависимости от предшеству-
ющего состояния триггера возможны два случая.
1. /К-триггер был в единичном состоянии (Q=l и Q = 0 —
после момента /3). Поскольку на входе АЗ действует сигнал
Q = 0, на выходе DD3 сохраняется напряжение высокого уровня,
независимо от того что на входе ВЗ элемента DD3 возникло на-
пряжение высокого уровня J—\. При этом на выходе логиче-
ского элемента DD4, который действует как И—НЕ, за счет
соединения входа В4 с выходом Q (Q=l) появится сигнал R
и триггер /?£-типа, образованный элементами DD1 и DD2, из-
менит свое состояние. Уровень напряжения на выходе Q станет
низким, а на выходе Q — высоким (начиная с момента /4).
2. УК-триггер был в нулевом состоянии (Q = 0 и ф=1 — по-
сле момента /4). Рассуждая аналогичным образом, нетрудно
убедиться, что на выходе DD4 сохраняется напряжение высокого
уровня, а на выходе DD3^— низкого, которое действует как сиг-
нал S, переключающий /?5-триггер (напряжение на выходе Q
станет высоким, а на выходе Q — низким — после момента /5).
Таким образом, в обоих случаях /К-триггер меняет свое со-
стояние. В этом как раз и состоит различие между УК- и 7?S-
триггерами.
Работа /К-триггера определяется следующей таблйцей со-
стояний:
J к ^л+1 «л+1
0 0 Qn Qn
1 0 1 0
0 1 0 1
1 1 <?» Qn
Триггер можно собрать из логических элементов И—НЕ.
2.11. Триггер на операционном усилителе. Для реализации
подобных триггеров годится любой тип операционных усилите-
лей общего применения — индивидуальные особенности здесь не
играют роли. Можно рекомендовать, например, следующие
типы: болгарские—1УО709, 1УО741; чехословацкие — МАА501,
МАА741С; советские 1 — К140УД1, К140УД6, К140УД7, 153УД2,
153УДЗ, К544УД2, К553УД2.
1 В оригинале книги приведены устаревшие типы.— Прим перев.
28
На рис. 2.11 приведена схема и временная диаграмма такого
триггера. Характерная особенность триггера — возможность уп-
равления с помощью разнополярных импульсов, которые пода-
ются на входы R и S. На рисунке показано, что это можно
осуществить, подав входные сигналы на дифференцирующие
/?С-цепочки и ограничив диодами лишние импульсы. Потреб-
ность в дополнительных формирующих компонентах является
Рис. 2.11. Триггер на операци-
онном усилителе
опр- деленным недостатком триггера на операционном усили-
теле.
Действует триггер следующим образом. За счет делителя
напряжения (резисторы R1 и R2) между выходом операцион-
ного усилителя и неинвертирующим входом существует положи-
тельная обратная связь. При этом, если на выходе напряжение
высокого уровня (Q~ + i/ni), за счет делителя напряжения R1,
R2 на неинвертирующий вход поступает напряжение
UA = UnlRl/(Rl + R2)
той же полярности и в отсутствие входного сигнала (резисторы
R3 и R4 связаны с общей шиной) триггер сохраняет указанное
состояние.
Если при этом на инвертирующий вход (через формирую-
щую цепь С/, R3 и ограничивающий диод VD1) поступит крат-
29
ковременный импульс положительной полярности с амплитудой,
превышающей (/Л, произойдет переключение операционного уси-
лителя и на выводе его наступит состояние, при котором Q —
«—иП2- В результате этого на неинвертирующем входе в точке
А напряжение получит новое значение —
U a = -Un2Rl/(Rl + R2)
и триггер останется в этом состоянии, пока на его инвертирую-
щий вход (через формирующую цепь С2, R4 и ограничивающий
диод VD2) не поступит импульс отрицательной полярности
с амплитудой, превышающей напряжение Ua.
Очевидно, что реализация триггера на операционном усили-
теле связана с рядом особенностей: требуется два источника
напряжения питания ( + £7ni и —Un?)', триггер имеет только
один выход Q; смена выходного состояния происходит под дей-
ствием разнополярных входных импульсов. Если к этому доба-
вить сравнительно малое быстродействие, то станет ясно, что
применение таких триггеров имеет смысл только в устройствах,
целиком выполненных на операционных усилителях.
Триггер на операционном усилителе относится к /?5-типу.
Он имеет только один выход Q. Единичному выходному состоя-
нию соответствует + а нулевому — —Un2. Выход-
ные состояния чередуются_по мере поступления разнополярных
импульсов на входы R и S. К недостаткам следует отнести не-
обходимость в дополнительных компонента^ для формирования
входных импульсов, а также надобность в двух источниках пи-
тания для операционного усилителя и сравнительно м^лое бы-
стродействие.
2.12. D-триггер ТТЛ. В большинстве случаев в практических
условиях предпочитают применять триггеры-микросхемы, вместо
того чтобы собирать их из отдельных компонентов. Причины
этого очевидны: с одной стороны, массовый выпуск интеграль-
ных микросхем разного типа, в том числе триггеров, а следова-
тельно, их доступность, и с другой — существенные преимуще-
ства интегральных микросхем перед дискретными элементами,
а именно компактность, высокая надежность, малая мощ-
ность потребления. Напомним, что триггер-микросхему можно
рассматривать как «черный ящик» (см. гл. 1). Для конкретного
применения «черного ящика» самое важное — знать, что сле-
дует подавать на входы, что можно получить на выходах и при
каких условиях гарантируется безотказная работа. Именно
в этом свете мы и будем знакомиться с триггерами в интеграль-
ном исполнении. При этом ограничимся только наиболее рас-
пространенными и доступными триггерами D- и ^Я-типа.
К числу наиболее часто применяемых интегральных микро-
схем относятся D-триггеры. В семействе ТТЛ производится не-
30
сколько их разновидностей: по два триггера в одном корпусе
типа 7474 (отечественный аналог — К1555ТМ2 и К555ТМ2.—
Прим, перев.), а также по четыре, шесть или восемь триггеров
в одном корпусе типа 74173 и 74175 (К155ИР15 и К155ТМ8.—
Прим, перев.) и 74273, 74364, 74375, 74378, 74379. Мы ограни-
чимся одной из них — 7474. Корпус этой микросхемы имеет 14
выводов. В корпусе два одинаковых D-триггера, связанных об-
щим питанием (рис. 2.12). В табл. 2.3 представлены состояния
одного триггера.
Каждый триггер имеет следующие входы: информационный
(вход данных) — D, тактовый вход С, два установочных входа R
Рис. 2.12 Назначение выводов D-триггера ТТЛ типа 7474 (К155ТМ2)
и S (иногда их обозначают соответственно С1 и Рг). На вывод
14 микросхемы подается напряжение питания Un = 5 В±5 %,
вывод 7 — общий. При монтаже микросхем желательно на каж-
Таблица 2.3. Состояния О-триггера типа 7474
(К155ТМ2, К555ТМ2)
S R с D ^n+1
0 1 X 1
1 0 X X 0
0 0 X X 1*
1 1» t 1 1
1 1 t 0 0
1 1 0 X Qn
* Не разрешается.
X —безразлично (1 или 0); | - перепад на-
пряжения от 0 к 1.
31
дне два корпуса (а по возможности — на каждый) между вы-
водами 14 и 7 включить фильтрующий конденсатор емкостью
0,1 мкФ для защиты от помех в цепи питания.
Ток потребления одного триггера /Потр = 8,5 мА для К155ТМ2
и /потр = 4 мА для К555ТМ2. Напряжение на входах D, С, R и S
не должно превышать 5 В, максимальный входной ток (при
Уровне DBX = 0) max= 1,6 мА ДЛЯ К155ТМ2 И /вхтах = 0»4 мА
для К555ТМ2. Максимальная частота переключений fmax =
= 25 МГц. Время задержки сигнала от входа С до выхода Q
(или Q) равно 15...20 нс (серия К155) и 10...25 нс (серия
К555)1. Выходные цепи представляют собой двухтактный слож-
ный инвертор. Уровни выходных сигналов характеризуются сле-
дующими значениями:
Логическая 1 2,4 ых<5 В;
Логический 0 0<(7^ых<:0,4 В.
К выходам микросхем допускается подключать до 10 входов
микросхем той же серии.
Из таблицы состояний триггера следует, что входы R и S
имеют приоритет по отношению к остальным. Черточка над
символом означает, что для установки триггера в надлежащее
состояние на каждый из входов следует подавать импульс ну-
левого (низкого) уровня. Для нормальной работы по входам
D и С следует обеспечивать /?=1 и S=l. Минимальная дли-
тельность импульсов на этих входах 30 нс.
По перепаду напряжения на входе С от низкого к высокому
уровню на выходе Q появляется (или повторяется) уровень на-
пряжения, который действует на входе D. Время прохождения
этого сигнала около 20 нс, причем сигнал на входе D должен
установиться по меньшей мере за 5 нс до появления тактового
импульса на входе С. Импульсы на входе С должны иметь дли-
тельность не менее 30 нс, стандартные логические уровни и до-
статочную крутизну фронта. Если эти условия не соблюдаются,
необходимо предварительное формирование импульса.
2.13. D-триггер КМОП. Инте! ральные микросхемы типа 4013
(отечественные аналоги — К176ТМ2, К561ТМ2, 564ТМ2.—
Прим, перев.) содержат в корпусе по два одинаковых D-триг-
гера. Назначение выводов показано на рис. 2.13, а, состояния
одного триггера представлены в табл. 2.4.
По установочным входам S и R триггер приводится соответ-
ственно в состояние логической единицы и логического нуля.
Эти входы имеют приоритет по отношению к остальным: по-
1 Здесь и ниже приведены усредненные данные разных фирм-изготови-
телей.— Прим, перев.
32
е)
Рис. 2.13. D триггер КМОП типа
4013 (К176ТМ2, К561ТМ2): а —
назначение выводов микросхемы;
б — временная диаграмма; в —
зависимость потребляемой мощ-
ности от частоты переключения
Сн — емкость нагрузки
дача установочного импульса на
вход 5 или R обеспечивает
требуемое переключение незави-
симо от сочетания сигналов на
остальных входах. Минималь-
ная длительность импульсов на
этих входах 150 нс при t7n = 5 В и 50 нс при С7П= Ю В^Время
задержки сигналов от входов R и S до выхода Q или Q равно
примерно 50 и 100 нс для Un = 10 В и £/п = 5 В соответственно.
Вход D — информационный (вход данных), вход С — такто-
вый. Уровень сигнала, действующий на входе D (высокий или
низкий), с подачей тактового импульса устанавливается на вы-
5—1969
33
ходе Q (рис, 2.13, о). Сигналы на этом входе должны опережать
тактовые хотя бы на 20...40 нс и длиться не менее 15 нс. Триг-
гер срабатывает по фронту тактовых импульсов (перепаду от
низкого уровня к высокому), поступающих на вход С. Их дли-
тельность должна быть не менее 100 нс при Un = 5 В и 50 нс
при Un= 10 В.
Таблица 2.4. Состояния D-триггера типа 4013
(К176ТМ2, К561ТМ2, 564ТМ2)
S R с о ^л+1
0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 X X X 0 1 X X X X 0 1 <2л 1 0 1*
* Не разрешается.
X — безразлично (1 или 0); f — перепад напря-
жения от 0 к 1; | — перепад’напряжения от 1 к 0.
Питающее напряжение +Un подают на вывод 14 микро-
схемы, вывод 7 — общий. Допустимое напряжение питания1 —
от 3 до 15 В, что является одним из преимуществ интеграль-
ных микросхем КМОП-структуры [2, 19, 27]. Мощность потреб-
ления очень мала — около 10 мВт и зависит от частоты пере-
ключений, как это следует из рис. 2.13, в. Максимальная ча-
стота переключения fmax = 4 МГц при Г/п=5 В и fmax~ 10 МГц
при Vn= 10 В.
2.14. .УК-триггер ТТЛ. К наиболее распространенным УК-
триггерам семейства ТТЛ следует отнести тип 7472 (один триг-
гер в одном корпусе с 14 выводами, отечественный аналог —
К155ТВ1) и тип 74112 (два триггера в одном корпусе2 с 16 вы-
водами, отечественный аналог—К555ТВ9). На рис. 2.14 пока-
заны соединения элементов триггера-микросхемы 7472 с выво-
дами корпуса, а на рис. 2.15—то же для микросхемы 74112.
Их состояния даны соответственно в табл. 2.5 и 2.6.
Оба рассматриваемых триггера имеют установочные входы
S и R. Все ранее сказанное об установочных входах £)-триггера
(см. п. 2.12) сохраняет силу и для УК-триггера. То же относится
и к режиму питания.
1 Для микросхемы К176ТМ2 напряжение питания 9 В.— Прим, перев.
2 В оригинале книги дана другая, близкая по параметрам, микросхема
типа 7476, но она не имеет аналога среди изделий отечественной промыш-
ленности.— Прим, перев.
34
Рис. 2.14. Назначение выводов //(-триггера ТТЛ типа 7472 (К155ТВ1)
К = KI f\K2f\K3\ J = JIf\J2[\J3\ X — безразлично
(1 или 0); j — перепад напряжения от 1 к 0.
35
Таблица 2.6. Состояния //(-триггера типа 74112 (К555ТВ9)
S Я с J к ^л+1
0 1 X X X 1
1 0 X X X 0
0 0 X • X X 1*
1 1 0 0 Qn
1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 1 1 Qn
* Не разрешается.
X —безразлично (1 или 0); } — перепад напряжения от
1 к 0.
Микросхема типа 7472 имеет по три информационных входа
/ и К. Каждая группа входов объединена операцией И, и на
входах собственно триггера действуют результирующие сиг-
налы / =J1 /\J2/\J3 и К=К1/\К2/\КЗ, как показано в таблице
состояний (табл. 2.5). В остальном действие информационных
входов микросхем типа 7472 и 74112 целиком совпадает. Сра-
батывание триггеров обоих типов происходит по срезу тактовых
импульсов (по перепаду от высокого уровня к низкому). На-
грузочная способность взаимно инверсных входов Q и Q — та-
кая же, как и для P-триггера. Максимальная частота переклю-
чения fmax = 20 МГц для микросхемы 7472, а для микросхемы
74112 fmax = 30 МГц.
2.15. J/Г-триггер КМОП. Из JK-триггеров КМОП рассмотрим
один тип 4027 (отечественные аналоги — микросхемы К176ТВ1,
К561ТВ1, 564ТВ1. — Прим, перев.). В корпусе этой микро-
схемы содержится два /К-триггера. Назначение выводов на кор-
пусе микросхемы показано на рис. 2.16, таблица состояний
Рис. 2.16. Назначение выводов УК-триггера КМОП типа 4027 (K561TBI)
36
(табл. 2.7), характеризует действие одного из триггеров. Входы
S и R— установочные, J и К — информационные и С — такто-
вые. Все сказанное выше касательно установочных и тактового
входа /Э-триггера КМОП сохраняет силу и для микросхемы
типа 4027. Напряжение питания1 ((/п = 3...15 В), а также по-
требляемая мощность в статическом состоянии и при разных
частотах переключения — подобны данным, приведенным для
микросхемы типа 4013. Максимальная частота переключений
fmax = 3 МГц при (7П = 5 В И /max = 8 МГц При (Л1=10 В.
Таблица 2.7. Состояния .//(-триггера типа 4027 (К176ТВ1,
К561ТВ1, К564ТВ1)
с j к S R ^п+1
0 0 0 0 Qn
1 0 0 0 1
0 1 0 0 0
1 1 0 0 Qn
X X 0 0 Qn
X X X 1 0 1
X X X 0 1 0
X X X 1 1 1*
* Не разрешается.
X — безразлично (1 или 0); f — перепад напряже-
ния от 0 к I; | — перепад напряжения от 1 к 0.
2.16. D-триггеры в роли триггеров другого типа. Триггер D-
типа, если того требуют обстоятельства, можно использовать
как RS- или как JK-, или как /'-триггер. Это легко осуществить
с помощью дополнительных связей между входами и выходами
или добавлением логических элементов. На рис. 2.17 показано2,
как D-триггер можно использовать в качестве асинхронного
/?5-триггера, но при непременном условии, что микросхема
имеет установочные входы R и S, а импульсы на них поступают
в разные моменты времени. На рис. 2.18 показано, как следует
1 Для отечественной микросхемы К561ТВ1 допустимый диапазон напря-
жения питания 3. 15 В, для микросхемы К176ТВ1—9 В±5 %.— Прим,
перев.
2 Рис. 2.17,6 в оригинале книги отсутствует. Обратите внимание на то,
что в микросхемах ТТЛ срабатывание по входам Я и 5 осуществляется
импульсами низкого уровня, т. е. как у £5-триггера на элементах И—НЕ
(см. рис. 2.5), а у микросхем КМОП — высокого, т. е. как у /?5-триггера на
элементах ИЛИ—НЕ (см. рис. 2.7). При работе в синхронном режиме на
входах и 5 микросхем ТТЛ следует устанавливать напряжение высокого
уровня, а у микросхем КМОП, наоборот,— низкого. Сказанное касается как
D-, так и //(-триггеров.— Прим, перев.
37
Рис. 2.17. D-триггер ТТЛ в роли /25-триггера (а) и D-триггер КМОП в роли
/?5-триггера (б)
Входы R и S — установочные
включить два дополнительных логических элемента DD1 и DD2,
чтобы преобразовать D-триггер в синхронный /?5-триггер. На
рис. 2.19 показана организация JK-триггера на основе D-триг-
гера, а на рис. 2.20 — схема преобразования D-триггера в Т-
триггер.
Схемы, приведенные на рис. 2.18...2.20, в равной мере при-
менимы к D-триггерам ТТЛ и КМОП.
За счет дополнительных соединений или добавления логиче-
ских элементов на основе описанных микросхем D-триггеров
можно создать RS-, JK- или Т-триггеры.
2.17. JK-триггеры в роли триггеров другого типа. Очень часто
при наличии /К-триггера возникает необходимость использова-
ния его в другом качестве: как
/?S , D- или Т-триггер. Это лег-
ко обеспечить за счет допол-
нительных связей между вхо-
дами и выходами или добав-
Рис. 2.18. Схема преобразования D-
триггера в синхронный /25-триггер
На входах S и R поддерживается уро-
вень напряжения согласно виду логики
микросхемы: высокий для ТТЛ и низкий
для КМОП
Рис. 2.19- Схема преобразования D-трнггера в //(-триггер
38
лением логических элементов. На рис. 2.21 показано, как
УК-триггер используется в роли KS-триггера. Таблицы со-
стояний обоих триггеров совпадают (см. гл. 1). На рис. 2.22
показан способ использования УК-триггера в качестве D-триг-
В т
L
0_
Q
э с к т
Рис. 2.20. Схема преоб-
разования D-триггера
в Г-триггер
Рис. 2.22. Схема преобразования //(-триг-
Рис. 2.21. /К-триггер
в роли PS-триггера
гера в D-триггер
гера, а на рис. 2.23, а, б — схемы Г-триггера на основе УК-триг-
гера.
Схемы, приведенные на рис. 2.21...2.23, сохраняют силу
независимо от того, к какому виду логики (ТТЛ и КМОП) от-
носится УК-триггер.
Рис. 2.23. Схемы преобразования //(-триггера в Т-триггер
За счет дополнительных связей или добавления логически >.
элементов УК-триггер можно использовать как RS-, D- или /
триггер.
39
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТРИГГЕРОВ
3.1. Формирование электрических сигналов от механических
контактов. Известно, что действие механических контактов
(кнопки, педали и т. п.) сопровождается механической вибра-
цией контактных пластин, которая служит причиной многократ-
ных включений и выключений (с частотой 10 ... 1000 Гц). В ряде
случаев это недопустимо, так как устройства, подключенные
к контактам (например, выполненные на триггерах), могут реа-
гировать на некоторые из импульсов и состояние этих устройств
окажется неопределенным. На рис. 3.1 показана смена уровней
напряжения в идеальном и реальном случае.
На рис. 3.2 приведена одна из наиболее часто применяемых
схем, с помощью которой решается указанная проблема: кон-
такты управляют /?£-триггером, одно из свойств которого —
реагировать только на первый импульс последовательности, по-
ступающей на вход или S (см. рис. 1.2). Триггер собран на
логических элементах И—НЕ. Действует устройство следующим
образом. Исходное состояние — нулевое (Q = 0 и Q=l). С на-
чалом переключения кнопки на ранее заземленном входе
А2 оказывается напряжение высокого уровня. Это не влияет на
состояние триггера, поскольку на другом входе В2 того же эле-
мента DD2 действует напряжение низкого уровня за счет связи
с выходом Q = 0. Но когда подвижный контакт перейдет в верх-
нее положение и на входе А1 станет действовать напряжение
низкого уровня (Л/ = 0), триггер переключится и последующие
импульсы на этом входе, обусловленные вибрацией контактов,
уже не повлияют на состояние триггера (Q=l и Q = 0). Триг-
гер вернется в исходное состояние (Q = 0 и Q=l) только после
очередного переключения кнопки S4. Длительность импульса на
выходах /?5-триггера определяется временем пребывания по-
движного контакта в верхнем положении.
Схема применима только к тем случаям, когда подвижный
контакт работает на переключение.
3.2. Индикация изменения уровня сигнала. Часто изменение
значения определенной величины (электрической или неэлект-
рической) можно отобразить как изменение заданного уровня
напряжения. Если иметь в виду основное свойство триггера —
изменять выходное состояние при определенных условиях под
воздействием внешних сигналов и сохранять его в течение не-
ограниченного времени, то становится ясно, что использование
триггеров для сигнализации о наступившем изменении значения
наблюдаемой величины потребует подходящего включения эле-
ментов индикации к выходу (или выходам) триггера. Это мо-
жно реализовать многими способами. На рис. 3.3 приведены не-
40
°)
Момент включения
Рис. 3.1. Переходные процессы
в цепи с механическими контак-
тами при включении нагрузки:
а — идеальный контакт; б —
реальный контакт
Рис. 3.2. Формирователь импульса от
механических контактов
которые возможные решения. Предполагается, что триггеры мо-
жно предварительно устанавливать в определенное состояние,
которое принимается за исходное (обычно Q = 0 и Q=l). На
рис. 3.3, а дана схема с подключением светодиода к выходу D-
триггера. В схеме на рис. 3.3, б показано, как выходным сигна-
лом триггера можно управлять ключевым транзистором, когда
конкретный элемент нагрузки (реле,
ности и др.) нельзя непосредственно
(или Q). Приведен также вариант
(рис. 3.3, в) с составным транзи-
сторным ключом — для тех случаев,
когда требуется повышенный вы-
ходной ток, а значит, косвенным
образом и базовый ток. Это так
называемая схема Дарлингтона.
У составного транзистора коэф-
фициент усиления по току Л21Э су-
лампа повышенной мощ-
подключать к выходу Q
°)
1)1 DD1
-н-С
q R1
УМ
Л ' р
Фронт, по
которому I л
сраОаты - I L
бает триггер
(включение)
100
Bi включение
светодиода
Рис. 3.3. Схемы индикации уровня сигнала
6—1969
41
щественно выше, чем у каждого из транзисторов в отдельности:
^218= ^2101^2132-
3.3. Синхронизация с последовательностью импульсов. Это
тоже достаточно распространенный практический случай: слу-
чайно распределенные во времени входные сигналы А требу-
ется синхронизировать с последовательностью тактовых им-
пульсов В. При этом выходной сигнал должен быть синхронным
с последовательностью при Д = 1. Эта задача легко решается
с помощью D-триггера, как показано на рис. 3.4. Длительность
Рис. 3.4. Синхронизация входных сигналов с последовательностью импульсов
импульса на выходе триггера Q (или Q) кратна периоду после-
довательности тактовых импульсов Т (см. временную диа-
грамму, Т1 = Г, Т2 = 27').
3.4. Генерация импульса длительностью, равной периоду
тактовых импульсов. Схема устройства, решающего подобную
задачу, приведена на рис. 3.5. Она содержит два D-триггера
типа 4013 (отечественный аналог — К176ТМ2, К561ТМ2). Раз-
личие между схемами на рис. 3.4 и 3.5 состоит в том, что дли-
тельность ти выходных импульсов Q2 всегда равна Т — незави-
симо от продолжительности входного сигнала А, поступающего
на тактовый вход первого триггера. На входе D первого триг-
гера всегда действует напряжение высокого уровня (D/ = l),
и поэтому по нарастающему фронту сигнала А (вход С1) на
его выходе будет сигнал высокого уровня (Q/ = l). Так как
D2 = Q1, то с подачей очередного тактового импульса на вход
С2 триггера DD2 (на временной диаграмме — это второй им-
пульс последовательности) на выходе Q2 установится напряже-
ние высокого уровня (Q2=l). Одновременно с этим за счет
42
обратной связи (Q2 = R1) первый триггер возвратится в нуле-
вое состояние (Q/ = 0), поскольку вход R для установки вы-
ходного состояния имеет приоритет по отношению к входам D
и С. Следующий тактовый импульс (третий на рисунке) воз-
вратит второй триггер в исходное состояние (Q2 = 0), так как
к моменту его поступления на входе D триггера DD2 действует
сигнал D2 = Q1 = 0.
3.5. Получение двух взаимно инверсных последовательностей
импульсов. Сам принцип действия 7-триггера дает возможность
Рис. 3.5. Формирование им-
пульса длительностью, равной
периоду следования тактовых
импульсов
Стрелка от одного фронта к дру-
гому показывает последователь-
ность переключений. — Прим, пе-
рев.
получить две взаимно инверсные последовательности импульсов.
Это показано на рис. 3.6. Использован D-триггер, включенный
как Т-триггер. Из временной диаграммы видно, что период сле-
дования выходных импульсов (Q и Q) в два раза продолжи-
тельней периода следования входных импульсов.
3.6. Получение двух последовательностей импульсов со сдви-
гом на четверть периода относительно друг друга. Для этой
цели используют два D-триггера (рис. 3.7), тактовые входы ко-
торых соединены между собой (С1 = С2 = В). Сдвиг импульсов
на четверть периода достигается за счет соединения входов и
выходов обоих триггеров следующим образом: D1 = Q2 и D2 =
= Q1. По временной диаграмме нетрудно проследить работу
схемы. Отметим, что выходами служат выходы Q обоих триг-
геров (Q1 и Q2). Если Tpe6yefcn обеспечить определенный пе-
6* 43
Рис. 3.6. Получение взаимно инверсных последовательностей импульсов
риод следования выходных импульсов, период входных импуль-
сов должен удовлетворять условию ТВХ=1/4ТЪЫХ.
3.7. Получение последовательности импульсов с коэффици-
ентом заполнения 0,5. Напомним, что коэффициентом заполне-
ния 1 в импульсной последовательности называют отношение
К=тм/Г (рис. 3.8).
В генераторах импульсов коэффициент заполнения К=0,5
обеспечивается путем точного подбора компонентов либо за
Q2
Titir =^Ttx
Рис. 3.7. Получение двух последовательностей импульсов со сдвигом на
четверть -периода
’ В отечественной литературе обычно пользуются обратной величиной,
так называемой скважностью Q=\/K=T/xu.— Прим, перев.
44
Рис. 3.8. Параметры импульсной после-
довательности
счет усложнения схемы [4]. Сравнительно простое решение —
в том случае, если период колебаний мультивибратора равен
Твых/2 (рис. 3.9). Пояснения к работе схемы излишни.
3.8. Триггер в роли ждущего мультивибратора. Использова-
ние D-триггера в роли ждущего мультивибратора, выдающего
импульсы заданной длительности, независимые от длительно-
сти входных импульсов, требует дополнительных компонентов:
резистора R1, конденсатора С1 и диода VD1 (рис. 3.10). Дей-
ствует такой ждущий мультивибратор следующим образом (см.
временную диаграмму). В исходном состоянии на выходах
триггера Q = 0 и Q=l. Фронтом импульса (переходом от низ-
кого уровня к высокому), поступающего на вход С, триггер пе-
реключается, после чего наступает новое состояние: Q=1 и
Q = 0, поскольку D=l. Конденсатор С1, до того момента разря-
женный, будет заряжаться через резистор R1, и когда напря-
жение на нем достигнет порогового значения (^с = ^пор)*, про-
изойдет новое переключение за счет напряжения на входе R,
1 Для микросхем КМОП t/nop~0,5 UB.
45
в результате чего триггер возвратится в исходное состояние:
Q=0 и Q=l. Длительность импульса на выходах Q и Q
ти ~
Для того чтобы от следующего входного импульса ждущий
мультивибратор запустился и выдал новый импульс длитель-
ностью Ти, требуется, чтобы конденсатор С1 был полностью раз-
ряжен. Если конденсатор не разрядится до конца, длительность
следующего выходного импульса будет меньше, чем у предыду-
щего. Именно диод VD1 обеспечивает быстрый разряд конден-
сатора С1 (так называемое время восстановления tB).
Такой ждущий мультивибратор работает нормально, когда
Т>ти + ?в. Другое ограничительное условие состоит в том, что
пусковые импульсы (последовательность на входе С) должны
быть низкого уровня и кратковременными, как показано на
временной диаграмме ’.
3.9. Формирование импульса от сенсорных контактов. Сен-
сорными контактами принято называть две металлические пла-
стины, прикосновение к которым пальцем создает условия для
прохождения тока за счет электропроводности кожи. Формиро-
вание импульса от сенсорных контактов возможно только при
1 Обычно катод диода VD1 соединяют не с входом С, а с выходом Q,
как показано штрихами. При этом конденсатор С1 разряжается через диод
и открытые выходные транзисторы триггера, и ограничительные требования
к уровню и длительности входных импульсов отпадают. Если период сле-
дования пусковых импульсов существенно превышает длительность выход-
ных (Г^Зтж), то диод VD1 вообще не нужен: после возвращения триггера
в исходное состояние (Q=0) конденсатор С1 успеет разрядиться через ре-
зистор R1 и выход Q триггера.— Прим, перев.
46
Рис. 3.11. Триггер в роли фор-
мирователя импульса от сен-
сорных контактов
использовании интеграль-
ных микросхем КМОП-
структуры, поскольку
лишь они имеют исклю-
чительно высокое вход-
ное сопротивление— 109... 1014 Ом [2, 19]. Сопротивление кожи
пальца гораздо ниже (5... 10 кОм), поэтому при касании паль-
цем пластин 1 и 2 (рис. 3.11) на входе S триггера появится
напряжение высокого уровня, за счет чего триггер устанавлива-
ется в состояние Q=l, Q=0. С этого момента, однако, начина-
ется заряд конденсатора С1 через резистор R1 (подобно про-
цессу в ждущем мультивибраторе в схеме на рис. 3.10), и когда
напряжение на конденсаторе Uc достигнет порогового значения
((7с = ^пор), триггер вернется в исходное состояние, поскольку
управляющее напряжение подается на вход R. Когда контакты
1 и 2 изолированы друг от друга, на входе S — напряжение низ-
кого уровня, так как резистор R4 соединен с общим проводом.
Длительность выходного импульса1 * * * ти~0,8 R\Ci.
3.10. Двоичные счетчики. Действие счетчиков импульсов ос-
новано на двух главных свойствах триггеров: способности изме-
нять свое выходное состояние (в соответствии с таблицей со-
стояний, определяемой типом триггера) и сохранять полученное
состояние до нового внешнего воздействия.
Теперь поясним понятия двоичного счета и счетчика. Двоич-
ный счет осуществляется двоичными триггерными счетчиками.
Они представляют собой цепочку триггеров (обычно Т-тригге-
ров), соединенных определенным образом. Выход Q предшест-
вующего триггера соединен с входом Т последующего (рис. 3.12).
В качестве Т-триггера можно использовать надлежащим обра-
зом включенные D- или J/(-триггеры. На рис. 3.13 приведена
схема трехразрядного триггерного двоичного счетчика, собран-
ного из /)-триггеров, которые включены как Т-триггеры.
В двоичной системе счисления каждое число представляется
только двумя символами: 1 и 0, совокупность которых назы-
вается битом. Термин «символы», а не «цифры», применен по-
тому, что 1 здесь означает наличие, а 0 — отсутствие двоичной
единицы. Вес каждого разряда бита зависит от занимаемого
им места. Например, вес самого младшего разряда равен 2° =
= 1. Вес второго разряда, слева от младшего, равен 2* = 2,
1 Касание пальцем сенсорных контактов должно быть кратковремен-
ным— короче выходного импульса, чтобы напряжение высокого уровня на
входе S не помешало переключению триггера в момент, когда напряжение
на входе R достигнет напряжения переключения UaOi>.— Прим, перев.
47
стояния
третьего — 22 = 4 и т. д. В табл. 3.1 представлены десятичные
числа от 0 до 15 и их эквиваленты в двоичном коде. Нетрудно
видеть, что каждое десятичное число можно представить как
сумму чисел 1, 2, 4, 8 и так далее, представляющих собой сте-
пени числа 2.
Таблица 3.1. Представление десятичных чисел
в двоичном коде
Десятич- ное число Двоичное число Десятич- ное число Двоичное число
0 0 0 0 0 8 10 0 0
1 0 0 0 1 9 10 0 1
2 0 0 10 10 10 10
3 0 0 11 И 10 11
4 0 10 0 12 110 0
5 0 10 1 13 110 1
6 0 110 14 1110
7 0 111 15 1111
В качестве примера приведем структуру десятичного числа
13 в двоичном коде:
Цепочкой из Т-триггеров (рис. 3.12)
1310 —8+ 44-0+1-> 1 1 0 12
Старший Младший
разряд разряд
осуществляется счет и регистрация импульсов в двоичном коде.
Это видно на временной диаграмме. Выход первого триггера
устанавливается в единичное состояние после каждого второго
входного импульса, выход второго триггера — после каждого
четвертого импульса, выход третьего триггера — после каждого
восьмого импульса и т. д. Триггеры DD1, DD2, DD3 делят вход-
ные импульсы соответственно на 2, на 4, на 8, после чего состо-
яния триггеров повторяются. На рисунке показано, что актив-
ный (переключающий) перепад входных импульсов — отрица-
тельный: от высокого уровня к низкому. Из последних трех
эпюр временной диаграммы видно, что состояния триггеров от-
вечают в двоичном коде порядковому номеру воздействующего
импульса. Так, например, после третьего входного импульса
(стрелка а на рисунке) состояние, или содержимое, счетчика
таково: Q/=l; Q2=l; Q3=0, т. е. число, записанное счетчи-
ком, равно 011. Здесь первый триггер соответствует младшему
разряду числа, а последний — старшему. После пятого вход-
ного импульса (стрелка б на рисунке) содержимое счетчика бу-
дет 101.
На основе рассмотренных схем (рис. 3.12 и 3.13) можно со-
ставить двоичный счетчик с произвольным пределом счета. Не-
обходимо только набрать цепочку триггеров. Число триггеров
легко определить, если воспользоваться табл. 3.2. Состояния
двоичного счетчика даны в табл. 3.3.
До сих пор мы полагали, что связь
между триггерами осуществляется со-
единением выхода Q предшествующе-
го триггера с входом Т последующего.
В этом случае состояния триггеров
чередуются в направлении сверху
вниз (табл. 3.3) и, как следует из таб-
лицы, каждый новый импульс на вхо-
де увеличивает содержимое счетчика
на 1. Такие счетчики называют сум-
мирующими. Если вход Т триггера со-
единен с выходом Q предшествую-
щего, то поступление каждого оче-
редного входного импульса уменьшает
Таблица 3.2. Зависимость
между числом триггеров и
ЧИСЛОМ возможных состояний
двоичного счетчика
Число триггеров Предел счета
1 2
2 4
3 8
4 16
п 2п
49
на 1 содержимое счетчика: состояния триггеров череду-
ются в направлении снизу вверх (табл. 3.3). Такой счетчик на-
зывают вычитающим. Рекомендуем читателям самим начертить
схему вычитающего счетчика и его временную диаграмму.
Таблица 3.3. Состояния двоичного триггерного счетчика
Номер входного импульса Qn Qn—1 Q3 Q2 Ql
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 1
2 0 0 0 1 0
3 0 0 0 1 1
4 0 0 1 0 0
2п-1 6’ i ’ i i i
2П 1 0 0 0 0
Для обоих видов счетчиков (суммирующих и вычитающих),
составленных из триггеров, предел счета, т. е. число возмож-
ных состояний, равен 2П. Далее, если на вход поступают новые
импульсы, цикл счета повторяется. Это следует и из временной
диаграммы.
3.11. Десятичные счетчики. Очень часто результат счета
импульсов требуется представлять в общепринятой и широко
используемой десятичной системе счисления (0, 1, 2, ..., 9).
Это можно обеспечить счетчиком из четырех, определенным об-
разом соединенных триггеров, но, как было сказано выше, для
такого триггерного счетчика возможны 24=16 выходных со-
стояний. Однако из 16 состояний триггерного счетчика несложно
исключить лишние 6 введением обратных связей. Тогда эти че-
тыре триггера будут иметь 10 выходных состояний, что и тре-
буется от десятичного счетчика.
Одна из схем подобного рода приведена на рис. 3.14. Она
содержит четыре Т-триггера (в транзисторном исполнении, либо
из логических элементов, либо преобразованных из D- или JK-
триггеров-микросхем). Дополнительно используются два логи-
ческих элемента И (DD5t DD7) и элемент ИЛИ (DD6). Состо-
яния счетчика показаны в табл. 3.4 и на временной диаграмме.
Для девяти входных импульсов счетчик ведет себя подобно дво-
ичному (ср. с табл. 3.3). Но десятый импульс, вместо того
чтобы установить состояние 1010 (как это происходит у двоич-
ных счетчиков), через дополнительные элементы и обратные
связи возвращает четвертый триггер в нулевое состояние (Q4 =
=0) и препятствует установке второго триггера в единичное
состояние, сохраняя нулевое (Q2=0). В результате после деся-
50
с
123^5678901 23k
Рис. 3.14. Десятичный счетчик с Т-триггерами и логическими элементами
того входного импульса состояние десятичного триггерного
счетчика — Q4=0, Q3=0, Q2=0, Q/ = 0, как и до начала счета.
Это обеспечивается, с одной стороны, блокированием второго,
а значит и третьего, триггера (за счет связи входа элемента
DD5 с выходом Q4) и с другой — переключением четвертого
триггера отрицательным перепадом с выхода Q/ через логиче-
ские элементы DD7 и DD6 (на втором входе элемента DD7
в это время действует разрешающий сигнал с выхода Q4).
Этот десятичный триггерный счетчик причисляют к типу
«8+2», поскольку выход Q4 сохраняет нулевое состояние в про-
должение первых восьми входных импульсов и переключается
в единичное на время действия двух последних импульсов.
51
К подобному типу относится и счетчик, схема которого пред-
ставлена на рис. 3.15. Кстати, это схема десятичного счетчика
типа 7490 (К155ИЕ2), выпускаемого как самостоятельное из-
делие в микросхемном исполнении. Счетчик допускает пред-
варительную установку всех триггеров в нулевое состояние че-
рез логический элемент DD6 (а также через DD7 и DD8 соот-
ветственно для триггеров DD2 и DD3) путем воздействия на
входы R триггеров либо в состояние 9 (1001)—путем воздей-
ствия на входы S триггеров через логический элемент DD5.
Рис. 3.15. Десятичный триггерный счетчик — микросхема ТТЛ типа 7490
(К155ИЕ2)
Таблица 3.4. Состояния десятичного триггерного
счетчика
Номер входного импульса Q4 Q3 Q2 Q1
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
2 0 0 1 0
3 0 0 1 1
4 0 1 0 0
5 0 1 0 1
6 0 1 1 0
7 0 1 1 1
8 1 0 0 0
9 1 0 0 1
10 0 0 0 0
3.12. Счетчики в роли делителей частоты. Тот факт, что на
выходе последнего триггера счетчика возникает только один
импульс после 2П входных импульсов (для двоичных счетчи-
ков) или после 10 (для десятичных), позволяет использовать
52
счетчики как делители частоты. Действительно, если коэффи-
циент счета равен N, а входная частота /вх, то частота следо-
вания выходных импульсов
/вЫХ —fblfon
— для двоичных счетчиков и
/вых-/вх/Ю
— для десятичных.
В практических условиях часто требуется коэффициент де-
ления N, отличный от 2п и от 10. Тогда используются триггер-
ные счетчики, которые называют счетчиками с произвольным
коэффициентом деления. Нетрудно сообразить, что если ис-
пользуется счетчик из п триггеров на 2п возможных состояний,
то за счет обратных связей (с добавлением логических элемен-
тов или без них) можно исключить часть этих состояний, с тем
чтобы получить желаемый коэффициент N<2n. На рис. 3.16...
3.19 приведены схемы делителей, элементной базой для которых
служат /К-триггеры ТТЛ, а также D- и УК-триггеры КМОП.
Все делители построены по единому принципу, суть которого
в том, что 1) обеспечивается условие 2n>N и 2) введены обрат-
ные связи, чтобы исключить лишние 271—N состояний счетчика.
3.13. Регистры сдвига. Триггерным регистром обычно на-
зывают совокупность триггеров с определенными связями ме-
жду ними, благодаря чему они действуют как единое устрой-
ство. Триггерный регистр сдвига представляет собой группу
триггеров с такой организацией связей, что при подаче такто-
вого импульса, общего для всех триггеров, выходное состояние
каждого триггера передается (сдвигается) в соседний. При
этом, если после тактового импульса получается, что Q2-*-Q/;
Q<?->Q2; ...; Qn~^Qn-i, то такая передача называется сдвигом
влево, а если Q/-+Q2; Q2-+Q3\ Q3-+Q4\ ..Qn-i->Qn,— сдви-
гом вправо.
Классифицировать регистры сдвига можно не только по
направлению сдвига информации, но и по способам ее ввода
в регистр, а также вывода из
регистра (см., например, рабо-
ты [2, 19]).
Здесь будет рассмотрен
только один тип сдвигающих
регистров — со сдвигом вправо
и последовательным вводом
Рис. 3.16. Счетчик-делитель частоты
на /К-триггерах ТТЛ или КМОП
53
и выводом (рис. 3.20). Схема выполнена* на /?5-триггерах, но
применяются и D- или //(-триггеры в интегральном исполнении.
Кроме триггеров использовано также несколько логических
Рис. 3.17. Счетчики-делители частоты на /К-триггерах ТТЛ
элементов И—НЕ (DD1'... DD3'). Регистр сдвига рассматри-
ваемого типа организован так, что каждый выход Q триггера
соединен с входом S, а каждый выход Q — с входом R после-
1 В настоящее время регистры различных типов выпускаются в виде
микросхем.— Прим, перев.
54
дующего. Тактовые входы всех триггеров соединены и запуск
по этим входам осуществляется одновременно одним общим
импульсом через логический элемент DD3'. Состояние первого
Рис. 3.18. Счетчики-делители частоты на JK-триггерах КМОП
Таблица 3.5. Состояния регистра сдвига
Номер входного импульса Q1 Q2 Q3 Q4 ®п-1
0 1 0 0 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0
2 0 0 1 0 0 0
3 0 0 0 1 0 0
п—2 о’ 6' ' 6 6 1 6
п— 1 0 0 0 0 0 1
п 0 0 0 0 0 0
55
триггера определяется входными сигналами на входах Л и В
логического элемента DD1' (Q1 =А/\В). Элемент DD1' имеет
два входа: на один подается информация, которую желательно
записать в первый триггер (Q1=A)-, второй использован для
управления (В=1 — ввод разрешен, В = 0 — запрещен).
Из таблицы состояний (табл. 3.5) видно, что единичное со-
стояние (Q=l) перемещается от выхода Q1 к выходу Qn. Дру-
гое важное свойство сдвигающего регистра, следующее из таб-
лицы: номер триггера, который в настоящий момент пребывает
Рис. 3.19. Счетчики-делители частоты на
D-триггерах КМОП
в единичном состоянии,
равен номеру очередного
тактового импульса плюс
единица (это еще один
способ счета импульсов,
хотя и неэкономичный).
Регистр сдвига по схе-
ме на рис. 3.20 обладает
следующими особенно-
стями: 1) необходима
предварительная уста-
новка исходного состоя-
ния и ввод единицы
в первый триггер (Ql =
= 1); 2) для регистра, со-
стоящего из п триггеров,
после поступления п
входных тактовых им-
пульсов первоначально
введенная единица выво-
дится, вследствие чего
Рис. 3.20. Регистр сдвига с последовательным вводом и выводом инфор-
мации
56
прямые выходы Q всех триггеров оказываются в нулевом со-
стоянии.
3.14. Кольцевые счетчики. Если вторую особенность реги-
стра сдвига, рассмотренного выше, оценивать как «недостаток»,
то схема, представленная на рис. 3.21, свободна от него. Здесь
после импульса с номером п за счет соединения входов А и В
с выходом Qn последнего триггера (А = B = Qn) первый триг-
гер снова устанавливается в единичное состояние (Ql—i). Та-
кие регистры сдвига носят название кольцевых счетчиков, по-
тому что «движущаяся единица» повторяется на выходах всех
триггеров. Кольцевые счетчики — прекрасное средство для соз-
Рис. 3.21. Кольцевой счетчик
Дания световых эффектов типа «бегущие огни», если выходы
триггеров соединить с подходящими индикаторными элемен-
тами, например светодиодами.
Таблица состояний кольцевого счетчика (табл. 3.6) в целом
повторяет таблицу для регистра сдвига, отличаясь только по-
следней строкой. Тем не менее и в кольцевом счетчике необхо-
дима установка триггеров в исходное состояние (Ql = 1; Q2 = 0;...
Таблица 3.6. Состояния кольцевого счетчика
Номер входного импульса Qi Q2 Q3 Q4 ®п—1 Qn
0 1 0 • 0 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0
2 0 0 1 0 . . . 0 0
3 0 0 0 1 0 0
п-2 0 ' 6 6' 0 1 6’
п-1 0 0 0 0 0 1
п 1 0 0 0 0 0
57
...; Qn=O). Этого можно достичь, если предварительно на один
из входов (Д или В) подать напряжение нулевого уровня и за-
тем на тактовый вход подать серию п импульсов. После этого
на оба входа подается напряжение единичного уровня, а на
тактовый вход — только один импульс. Таким образом, в пер-
вый триггер записывается единица, а в остальных сохраня-
ются нули. Очевидно, что эта процедура требует времени и ее
желательно упростить. В кольцевом счетчике по схеме на
рис. 3.22 независимо от того, в каком состоянии после вклю-
чения окажутся триггеры, после четырех входных тактовых им-
пульсов установится требуемое выходное состояние (1 0 0 0).
Рис. 3.22. Кольцевой счетчик с автоматической коррекцией состояния
3.15. Счетчики Джонсона. Счетчики Джонсона представляют
собой разновидность кольцевых счетчиков (рис. 3.23). Они
также строятся на 7?5-триггерах, но цепочка из п триггеров
имеет не п, а 2п состояний. Это следует и из таблицы состояний
(табл. 3.7). Единственное различие между кольцевым счетчи-
ком и счетчиком Джонсона состоит в том, что вход регистра
сдвига соединен не с выходом Q последнего триггера, а с вы-
ходом Q (ср. рис. 3.21 и 3.23). Это, естественно, приводит
к различию в действии обоих устройств:
1. Вместо «перескакивания» с каждым тактовым импульсом
единицы из триггера в триггер здесь единичное состояние при-
нимает очередной триггер, и так — в течение первых п импуль-
сов.
2. По достижении единичного состояния всеми триггерами
счетчика Джонсона в течение следующих п тактовых импуль-
сов будет происходить «заполнение» триггеров нулями. По до-
стижении всеми триггерами нулевого состояния описанный цикл
работы счетчика повторяется.
С помощью счетчиков Джонсона также возможно создание
многочисленных устройств со световыми эффектами, необхо-
димо только к выходам триггеров Q и Q подключать подходя-
щие элементы индикации.
58
Рис. 3.23. Счетчик Джонсона
3.16. Проектирование реального устройства с триггерами.
Описание этого устройства включено в книгу с целью не столько
дать новые сведения о схемах с триггерами, сколько показать
те общие пути, которые конструктор проходит при создании
устройства и, что не менее интересно,— поиск вариантов реа-
лизации конкретных узлов.
Таблица 3.7. Состояния счетчика Джонсона
Номер входного импульса Q1 Q2 Q3 Q4 <?н-1
0 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0 0
2 1 1 1 0 0 0
3 1 1 1 1 0 0
п— 1 1 1 i 1 1 о’
п 1 1 1 1 1 1
л+1 0 1 1 1 1 1
2л—1 6 6' 6 6 6 !
2л 0 0 0 0 0 0
2л+1 1 0 0 0 0 0
В качестве примера рассмотрим программирующее устрой-
ство с двумя независимыми каналами, с возможностью выбора
длительности импульсов, пауз генерируемой программы и крат-
ности ее повторения. На практике подобные устройства необ-
ходимы всякий раз, когда требуется задействовать исполнитель-
ный механизм, работающий по заданной программе (управле-
ние комплексом аппаратуры, агрегатов и т. п.). Программа
может быть сложной, но в данном примере сознательно при-
нята совсем простая, чтобы облегчить читателю понимание
схемы, которая обеспечивает ее генерацию. Программа пред-
ставляет собой две последовательности импульсов (Tj и Г3
с паузой Т2 между ними, рис. 3.24), с указанным распределе-
59
нием во времени и предварительно заданным числом повторе-
ний (например 7 раз).
Схема, решающая поставленную задачу, содержит задаю-
щий генератор G, четыре десятичных счетчика DD3, DD6, DD9,
DD18, четыре дешифратора DD4, DD7, DD10, DD19, четыре
/?£-триггера DDll, DD12, DD14, DD16 и несколько логических
элементов И, ИЛИ. Генератор можно собрать по одной из
схем, приведенных в гл. 4. Дешифраторы представляют собой
Рис. 3.24. Схема двухканального
программатора
электронные узлы, у которых в зависимости от состояния п
входов может быть выходной сигнал определенного уровня
только на одном из возможных 2П выходов. Более подробно
о дешифраторах можно прочесть в литературе по импульсной
и цифровой технике (см., например, работы [2, 19, 25]).
Действует устройство следующим образом. После началь-
ной установки нуля в триггерах и счетчиках посредством кнопки
Сброс и формирователя F1 (см., например, рис. 3.2)1 все триг-
геры и счетчики возвращаются в исходное состояние. У логи-
ческого элемента И (DD1) на одном из входов (АО) запрещаю-
щий сигнал низкого уровня (Q = 0) и импульсы от генератора
G, поступающие на другой вход этого элемента, не про-
1 Здесь можно обойтись без формирователя, поскольку триггеры DD11,
DD12, DD14, DD16 и триггеры счетчиков DD3, DD6, DD9, DD18 нечувстви-
тельны к дребезгу контактов.— Прим, перев.
60
ходят к последующим (DD2, DD5, DD8). После подачи опера-
тором пускового сигнала (нажатием на кнопку Пуск, причем
формирователь F2 здесь играет ту же роль, что и формирова-
тель F1) на выходе триггера DD11 устанавливается напряже-
ние высокого уровня (Q=l), которое поступает на вход АО
логического элемента DD1, разрешая прохождение импульсов
от генератора на вход счетчика DD3. На нижнем (по схеме)
входе логического элемента И (DD2) действует разрешающий
сигнал с выхода триггера DD12, установленного в состояние
Q=1 тем же стартовым импульсом.
Счетчик DD3 после каждого входного импульса меняет свое
выходное состояние, вследствие чего появляются импульсы на
выходах дешифратора DD4. Смотря по тому, в каком положе-
нии находится ползунок переключателя SA1, один из этих им-
пульсов через логический элемент ИЛИ (DD21) поступит на
вход R триггера и возвратит его в исходное, нулевое, состоя-
ние. Таким образом, генерируется первый импульс Т\ про-
граммы. С возвращением триггера DD12 в состояние Q = 0 триг-
гер DD14 устанавливается в состояние Q=l, разрешая тем са-
мым поступление импульсов генератора на вход счетчика DD6
через логический элемент И (DD5) и одновременно устанавли-
вая нуль в счетчике DD3 через логический элемент ИЛИ
(DD13). Узлы, вырабатывающие второй интервал времени
(DD5...DD7, DD15, DD22) и третий (DD8...DD10, DD17,
DD23), действуют аналогичным образом. Предоставляем чита-
телю самостоятельно убедиться в этом.
Интервалы времени, в течение которых триггеры DD12 и
DD16 находятся в единичном состоянии, представляют собой,
в сущности, импульсы Т\ и Т3 программы (см. временную диа-
грамму). Кратность повторения программы обеспечивается се-
меричным счетчиком DD18 (способ составления схемы подоб-
ного счетчика дается ниже в этой рубрике), дешифратором
DD19, связью между выходом триггера DD1& и входом счет-
чика DD18, а также тем, какой из выходов дешифратора соеди-
нен с одним из входов элемента И (DD20). Таким образом,
после семикратного повторения программы на выбранном вы-
ходе дешифратора DD19 появится импульс, который возвратит
триггер DD11 в исходное, нулевое, состояние и снова через ло-
гический элемент И (DD1) запретит поступление импульсов
от генератора на входы счетчика. Этим завершается цикл ра-
боты программирующего устройства. Новый цикл генерации
программы начнется только после нажатия оператором кнопки
Пуск
В схеме на рис. 3.24 сознательно опущены многие детали.
Она дает только одно из возможных решений поставленной за-
дачи. При построении принципиальной схемы устройства необ-
ходимо составить перечень типов используемых интегральных
61
микросхем и таблицы их состояний. Только тогда можно будет
проверить правильность прохождения сигналов от входов до вы-
ходов (по требуемым уровням напряжения или по фронтам им-
пульсов). В некоторых случаях необходимо вводить дополни-
тельные узлы, например инверторы или триггеры Шмитта с ин-
версией выходного сигнала [2, 3, 27]. Кроме уточнения постав-
ленной задачи и составления принципиальной схемы хорошие
конструкторы делают кое-что еще: например, оценивают воз-
можность решения с точки зрения экономичности и техниче-
ского совершенства, а также стоимость устройства с учетом
производственных затрат, ччсла и стоимости компонентов.
Здесь же говорится о тех случаях, когда по необходимости при-
ходится употреблять только наличные материалы и детали.
Существует много вариантов решения поставленной задачи.
Последовательность из трех импульсов с плавно регулируемой
длительностью (Гь Тъ Т3 на рис. 3.24), очевидно, проще всего
обеспечить с помощью трех ждущих мультивибраторов, если
выход третьего связать со входом первого (рис. 3.25). Для этой
цели годятся ждущие мультивибраторы на транзисторах, в виде
интегральных микросхем, на таймерах и др. [2, 3, 25, 32].
Кратность повторения программы обеспечивается тем же спо
собом, как и в схеме на рис. 3.24. Естественно, что точность
задания интервалов времени (7\ и Т3) и паузы между ними
(Т2) при использовании ждущих мультивибраторов существенно
ниже, чем в предыдущем случае с цифровыми микросхемами.
Однако в зависимости от конкретных условий и назначения
программатора и эта точность может оказаться доста-
точной.
Другой вариант технического решения состоит в замене уз-
лов счетчик — дешифратор регистрами сдвига. На основе полу-
Рис. 3.25. Вариант схемы двухканального программатора (рис. 3.24)
62
ченных выше сведений о регистрах сдвига уже можно само-
стоятельно составить схему такого варианта.
Кроме перечисленных, возможны и другие пути решения.
Более подробно эти вопросы рассмотрены в специальной лите-
ратуре (см., например, работы [2, 3, 19, 25]).
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ РАБОТЫ С ТРИГГЕРАМИ
4.1. Общие сведения. Для проверки собранных устройств,
в том числе и тех, схемы которых были описаны в предыду-
щих главах, необходимо иметь источник питания, прибор для
проверки действия устройства и генератор сигналов.
В общем случае проверка производится по схеме, приве-
денной на рис. 4.1. Выводы от корпусов отдельных блоков
(точки А, В, С и D) обязательно должны быть соединены ме-
жду собой, лучше всего в одной точке. Источник питания обес-
печивает необходимое напряжение и ток для исследуемого
устройства. Прибор для проверки действия контролирует на-
пряжение в различных точках схемы. Выходное напряжение
генератора сигналов должно соответствовать необходимому
уровню для транзисторных схем или принятому уровню высо-
кого и низкого напряжения для микросхем ТТЛ и КМОП. При
испытаниях устройств с самовозбуждением генератор сигна-
лов не требуется.
4.2. Источники питания. Транзисторные устройства могут ра-
ботать при разных значениях напряжения питания — от одного
вольта до нескольких вольт. Максимальное значение этого
Рис. 4.1 Схема соединений для исследования устройства
63
напряжения Un max определяется на основе приводимых в ката-
логах данных о максимальном допустимом постоянном напря-
жении коллектор — эмиттер и коллектор — база: t/к-этах и
Uк-б max-
Напряжение питания микросхем ТТЛ t7n = 5 В±5 %, т. е.
следует обеспечивать 4,75 Вс(7пс5,25 В. Не рекомендуется
применять напряжение питания ниже 4,75 В (хотя некоторые
интегральные микросхемы ТТЛ с ЛЭ И—НЕ сохраняют рабо-
тоспособность и при напряжении 4,0... 4,5 В), чтобы не ухуд-
шить эксплуатационные параметры, в частности быстродействие
микросхемы. Это особенно важно для формирующих и генера-
торных схем. Напряжение питания не должно также превышать
5,5 В, так как существует опасность пробоя между эмиттерами
у многоэмиттерного транзистора на входе интегральной микро-
схемы.
Интегральные микросхемы КМОП работают в широких пре-
делах напряжения питания — от 3 до 15 В. Выводы Un микро-
схем соединяют с положительной клеммой источника питания;
отрицательные клеммы служат общим выводом и соединяются
обычно с корпусом.
Источник питания должен обеспечивать помимо напряжения
и необходимый ток потребления — ток нагрузки. Для транзис-
торных схем этот ток определяется как типом транзисторов,
так и конкретной схемой реализации и параметрами пассив-
ных компонентов. Для устройств, выполненных на микросхемах
ТТЛ и КМОП, ток нагрузки определяется типом и числом ис-
пользуемых микросхем и является суммой токов потребления
всех микросхем (этот параметр приводится в справочниках).
Для микросхем КМОП ток потребления существенно возрастает
с повышением частоты переключений. До начала разработки
источника питания радиолюбителям рекомендуется определить
ток в нагрузке с помощью выпрямителя. Следует также учиты-
вать, что с повышением температуры ток потребления возра-
стает.
Источником питания может быть выпрямитель самодельный
или промышленного производства. Для питания микросхем
КМОП применяют батареи и аккумуляторы, так как потребляе-
мая мощность у этих микросхем в статическом состоянии во
много раз меньше сравнительно с изделиями ТТЛ.
На практике чаще всего работают с выпрямителями про-
мышленного изготовления, которые обычно снабжены стрелоч-
ными приборами для измерения напряжения и тока, потребляе-
мого нагрузкой. В табл. 4.1 и 4.2 приведены основные пара-
метры некоторых типов выпрямительных устройств ’.
1 В табл. 4.1, 4.2, 4.4 и 4.5 указаны изделия отечественного производ-
ства вместо зарубежных, приведенных в оригинале книги.— Прим, перев.
64
Таблица 4.1. Источники питания стабилизированные
(лабораторные)
Тип Выходное напряжение. В Ток нагрузки, А Потребляемая мощность, Вт Регулировка
Б5-7 2 . . .30 0 . . . 3 — Ступенчато- плавная
Б5 8 2 50 0 . .2 —
Б5-29 2 . . 30 0 .2 200 Плавная
Б5-30 2,5 . 50 0 . . . 1,2 200
Б5-43 0,01 . . 9,99 0,01 ... 1,99 150 Программная
Б5-46 0,01 . . 9,99 0,01 . . . 4.99 400
Примечание. 1. Выходные цепи защищены от перегрузок и коротких
замыканий. 2. Приборы стабилизированы по напряжению, а типа Б5-43, Б5-46 —
и по току.
Таблица 4.2. Блоки питания встраиваемые
Тип Выходное напряжение, В ’ Ток нагрузки, А
591-85 6 0,4
591-86 6 1.0
591-87 6 1,6
591-88 6 2,5
Примечание В приборах имеется потенциометр для подстройки вы-
ходного напряжения в пределах 4 ... 7 В.
Помимо заводских выпрямителей со стабилизированным вы-
ходным напряжением в качестве источника питания читатель
может применять и более простой прибор собственной конст-
рукции, состоящий из силового трансформатора, выпрямителя
и стабилизатора напряжения.
В зависимости от напряжения и тока во вторичной обмотке
можно подобрать трансформатор с сердечником из Ш-образных
пластин стандартного размера (рис. 4.2) с помощью табл. 4.3
[21], где /г — ток, протекающий
по вторичной обмотке транс-
форматора (ток нагрузки); (72—
напряжение на вторичной об-
мотке; di и d2— диаметр прово-
да первичной и вторичной об-
Рис. 4.2 Броневой сердечник трансфор-
матора
65
Таблица 4.3. Рекомендуемые параметры трансформаторов
и:, в /•. А 1 X Ь. мм di, мм dj. мм It',.
0,1 14 X 14 0,06 0,25 5500 250
0,2 14 < 14 0,08 0,36 4700 230
0,3 16X16 0.10 0,44 4000 200
0,4 18x18 0,12 0,50 3400 165
0,5 20 X 20 0.14 0,56 3000 148
0,6 20X20 0,15 0.62 2640 132
0,7 20Х 20 0,16 0,68 2500 125
10 0,8 20X20 0.17 0.72 2350 118
0,9 24X24 0.18 0.75 2260 113
1.0 24X24 0,19 0,80 2160 107
1.5 24X24 0,23 0,98 1820 90
2,0 28X28 0,27 1,15 1610 80
2,5 28X28 0,30 1,30 1480 74
3,0 28X28 0,33 1,40 1370 68
0,2 18Х 18 0,10 0,36 4000 297
0,4 20x20 0,15 0,50 2640 198
0,6 24X24 0,18 0,62 2260 170
15 0,8 24X24 0,20 0,72 2000 148
1.0 18X36 0,22 0,80 1820 135
2,0 28X28 0,29 1,15 1370 102
3,0 32 X 32 0,35 1,40 1150 84
0,2 18Х 18 0,12 0,36 3400 330
0,4 20X20 0,17 0,50 2350 235
20 0,6 24X24 0.20 0,62 2000 264
0,8 18X36 0,22 0,72 1770 176
1,0 28X28 0,24 0,80 1610 160
2,0 32X32 0,32 1,15 1200 120
0,5 18X36 0,22 0,56 1820 272
30 1,0 28X28 0,29 0,80 1360 205
2,0 24X48 0,39 1,15 1010 152
.Примечание. Типоразмеры сердечников отечественного производства
129] практически совпадают с приведенными. Сетевой трансформатор можно изго-
товить и с другим сердечником, рассчитав его по известным методикам (см. на-
пример, работы [28, 31]). — Прим перев.
мотки; wt и ш2 — число витков первичной и вторичной обмотки;
lXb — площадь поперечного сечения сердечника.
Для выпрямления обычно используют однофазный мостовой
выпрямитель, так называемую схему Греца (рис. 4.3). Выпря-
мительные диоды также выбирают в зависимости от тока в на-
грузке. Данные о некоторых подходящих типах диодов приве-
дены в табл. 4.4 и 4.5. Когда выпрямленный ток близок
66
Рис. 4.3. Однофазный мостовой выпрямитель: а — схема: б — условное гра-
фическое обозначение
к максимальному допустимому, диоды следует крепить на ради-
аторах. В цепь первичной обмотки включают предохранители и
(желательно) индикаторную неоновую лампу, как показано на
рис. 4.4.
Ниже описываются схемы нескольких простых в изготовле-
нии источников питания.
Применение стабилизаторов напряжения — интегральных
микросхем — значительно облегчает реализацию источников
питания. На рис. 4.4 показана простейшая и наиболее часто
используемая схема выпрямителя, который обеспечивает фикси-
рованное значение питающего напряжения при токе нагрузки
до 1,5 А. Выходной ток можно повысить, если стабилизатор
Таблица 4.4. Диоды выпрямительные
Тип Полупро- водник Максималь- ный допусти- мый прямой ток, А
КДЮ5Б . . . КДЮ5Г Si 0,3
МД226А, МД226Е Si 0,3
КД209Б, КД209В Si 0,5
КД209А Si 0,7
Д302 Ge 1,0
КД208А Si 1,5
Д214Б, Д215Б Si 2,0
ДЗОЗ Ge 3,0
КД202А, КД2О2В, КД202Д, КД202Ж, КД202К. КД202М, КД202Р Si 5,0
Д231В, Д232Б, Д233Б, Д234Б Si 5,0
Д242Б, Д243Б, Д245Б, Д246Б, Д247Б, Д248Б Si 5,0
Д304 Ge 5,0
КД210А, КД210В, КД2ЮГ Si 5,0
КД210Б Si 10,0
Примечание. Все диоды выдерживают напряжение, требуемое для
питания микросхем.
67
Рис. 4.4. Выпрямитель с интегральной микросхемой в качестве стабилиза-
тора напряжения
укрепить на охлаждающем радиаторе. Площадь поверхности
радиатора должна быть пропорциональна потребляемому току.
В стабилизаторе-микросхеме предусмотрена защита выходного
транзистора от перегрузки. Третий вывод (общий) интеграль-
ной микросхемы связан с металлическим корпусом. Конден-
саторы С1 и С2 применять необязательно. Конденсатор С1 не-
обходим, если фильтр нагрузки и стабилизатор пространст-
венно разнесены. Конденсатор С2 служит для улучшения пере-
ходной характеристики стабилизатора.
Таблица 4.5. Блоки выпрямительные
Тип Максимальный допустимый прямой ток, А
КЦ407А 0,5
КЦ402Д, КЦ402Е 1.0
КЦ405Д, КЦ405Е 1,0
КЦ412А . . . КЦ412В 1.0
КЦ410А . . . КЦ412В 3,0
КЦ409Е 3,0
КЦ409И 6,0
На рис. 4.5 изображена схема стабилизатора напряжения
ла основе интегральной микросхемы типа 723 (отечественный
аналог—КР142ЕН1А.— Прим, перев.) [20]. Он допускает
плавное регулирование выходного напряжения в пределах от 2
до 24 В потенциометром R3, т. е. выпрямитель с таким стаби-
лизатором может питать все устройства, описанные в настоя-
щей книге. Максимальный выходной ток 1 А. Транзисторы
VT1 и VT2 включены по схеме Дарлингтона. Применять ее не-
обязательно, но при таком включении легко обеспечивается вы-
сокий коэффициент передачи тока у транзистора VT2, а также
нет необходимости контролировать выходной ток микросхемы,
который не должен превышать 0,15 А. Транзистор VT2 монти-
руется на радиаторе, а резистор Ro (сопротивлением примерно
68
0,6 Ом)—проволочный, изготовляется вручную. Этот резистор
обеспечивает срабатывание защиты, когда выходной ток до-
стигает примерно 1,1 А.
Большинство описанных триггерных схем питается напря-
жением + 5 В, и здесь специально рассмотрены источники пи-
тания именно на это напряжение. Сказанное можно распрост-
ранить и на другие значения питающего напряжения.
Если читатель не располагает микросхемой 142ЕН5А, источ-
ник питания можно изготовить по схеме со стабилизатором на-
Рис. 4.5. Стабилизатор напряжения с интегральной микросхемой .ипа цА723
пряжения 4-5 В, выполненным на распространенных транзисто-
рах (рис. 4.6).
Действие стабилизатора основано на том, что
^ВЫХ == ^ВХ К-Э1-
Падение напряжения (7к-э i на транзисторе VT1 определя-
ется разностью между опорным напряжением на стабилитроне
VD1 (и эмиттере транзистора VT3) и напряжением
R3 4~ R5
на базе транзистора VT3. Эта разность напряжений, усиленная
транзистором VT3, управляет базовым током транзистора VT2.
При изменении напряжения (7ВХ изменяется и UK.31 — таким
образом, что напряжение t/вых постоянно.
Транзисторы VT2 и VT1 включены как составной транзистор
(схема Дарлингтона). Такое включение обеспечивает высокий
коэффициент передачи тока й21э, а следовательно, компенса-
цию колебаний тока нагрузки. Повышая значения h2i3, можно
получить и больший выходной ток, а также пропорционально
увеличить и сопротивление резистора R1 благодаря чему
уменьшится воздействие нестабильного входного напряжения
69
на стабилитрон VD1. В результате улучшается стабилизация
выходного напряжения.
Для стабилизатора, собранного по схеме на рис. 4.6. /121э~
— 2000, максимальный выходной ток — около 2 А. Если исктю-
чить мощный транзистор VT1, не меняя остальных компонен-
тов, стабилизатор будет обеспечивать выходной ток до 250 мА;
транзистор VT2 при этом надо поставить на радиатор. В таком
случае, конечно, трансформатор и выпрямитель выбираются
меньшей мощности.
Основной недостаток рассмотренного стабилизатора — опас-
ность повреждения мощного регулирующего транзистора при
Рис. 4 6. Транзисторный стабилизатор напряжения
перегрузке или коротком замыкании на выходе. Этот транзи-
стор обязательно надо крепить на радиаторе, имеющем тепло-
вой контакт с шасси стабилизатора. Так как у мощных тран-
зисторов коллектор электрически соединен с корпусом, прибор
необходимо электрически изолировать от радиатора ’, приме-
нив, например, тонкую слюдяную пластинку. Для улучшения
теплового контакта обе стороны пластинки предварительно
смазывают силиконовой пастой.
До подключения исследуемого устройства к источнику пита-
ния следует проверить подаваемое напряжение. Недопустимы
ошибки с полярностью, т. е. соединение выхода 4- Un источника
питания с обшей шиной потребителя, а общей шины источ-
ника—с шиной 4- Un потребителя.
Часто, если существует опасность превышения питающего
напряжения, применяется способ защиты со стабилитроном
(рис. 4.7). Когда напряжение питания превысит напряжение
1 Можно также изолировать радиатор от шасси. В этом случае изоля-
ция транзистора не требуется.— Прим, перев.
70
Рис. 4.7. Подключение стабилитрона
к исследуемому электронному устрой-
ству для защиты от превышения на-
пряжения
стабилизации стабилитрона, последний откроется, чем вызовет
перегорание предохранителей источника питания.
Здесь рассматривается снижение напряжения до 5 В, так
как требования к напряжению питания микросхем ТТЛ наибо-
лее строги. Для схемы на рис. 4.8, а действительны следующие
зависимости:
С\>5В; £/2=£/ст = 5В; R= Ul~Ucr-,
/ст + /н
где /Ст — ток через стабилитрон; /„— ток нагрузки.
В табл. 4.6 приведены характеристики наиболее распростра-
ненных стабилитронов.
Таблица 4.6. Стабилитроны для цепей
питания интегральных микросхем ТТЛ
Тип / м X ' ст min* 1 \т max' мА ст’ в ртах’ Вт
КС 147 А 3 58 4,2 . . 5,2 0,3
КС156А 3 55 5.0 . . 6,2 0.3
КС447А 3 159 4.0 . . 5,3 1.0
КС456А 3 139 4.8 . . . 6,2 1,0
Часто применяется и схема, приведенная на рис. 4.8, б. До-
полнительный германиевый диод VD2 включен в прямом на-
правлении. Выбирается он из условия пропускания тока /ст.
Если применен стабилитрон типа КС 147, то
^2=^CT“|_^VD2 = ^»,^_b0,3 = 5 В,
т. е Uz—Un.HOM’
Рис. 4.8. Включение стабилитрона для стабилизации напряжения питания:
а — типовая схема: б — схема с дополнительным германиевым диодом для
температурной стабилизации
71
Дополнительный диод повышает температурную стабиль-
ность, что является важным достоинством схемы. При темпе-
ратурных колебаниях напряжения (7СТ и UVdz изменяются
с различными знаками, так как температурный коэффициент
стабилитрона положителен, а германиевого диода — отрицате-
лен. В схеме на рис. 4.8, б могут быть использованы диоды
Д7А, Д7Б, Д7В, Д7Г, Д310, Д311, Д18, Д9А, Д9Б, ДЭВ, Д9Г.
Схемы, приведенные на рис. 4.8, необходимы, когда источ-
ником питания служит батарея или аккумулятор, так как галь-
ванические элементы или аккумуляторы на 5 В не произво-
дятся. Логические элементы ТТЛ потребляют значительно
больший ток по сравнению с элементами других видов логики
(например, МОП, КМОП). По этой причине для их питания
батареи или аккумуляторы применяют редко — лишь тогда,
когда устройство-потребитель содержит одну-две интегральные
схемы и нуждается в небольшом токе (20...30 мА), а опера-
тор не располагает другим источником питания ’.
Из батарей широкого применения для этой цели наиболее
подходят плоские1 2 — типа 3R12 на 4,5 В, имеющие сравни-
тельно большую емкость. Емкость батареи и аккумулятора
является важным электрическим параметром, характеризую-
щим электрический ток, который батарея может давать в тече-
ние определенного времени. Батареи 3R12 могут работать
100 ч (по 4 ч в день) на нагрузку 225 Ом, т. е. давать в на-
чале разряда ток около 20 мА, и допускать разряд до предель-
ного напряжения 2,7 В. Сохранность — 6 мес.
Чтобы получить напряжение Un = 5 В, нужное для питания
микросхем ТТЛ, необходимы две батареи 3R12. Их соединяют
последовательно (плюс одной с минусом другой), при этом по-
лучается 9 В. Когда используются схемы, приведенные на
рис. 4.8, то при хорошо подобранном стабилитроне и правильно
рассчитанном сопротивлении резистора на выходе будет U? =
= 5 В. Важно помнить, что напряжение Ui не стабильно, а по-
степенно и медленно убывает. Поэтому ясно, что для обеспе-
чения в течение длительного времени нужного тока сопротивле-
ние R необходимо уменьшать по мере снижения напряжения U\.
На'рис. 4.9 приведена схема питания устройств ТТЛ от батарей.
Если /н=15 мА, а /Ст=Ю мА, то согласно формуле для вычис-
ления сопротивления начальное значение R должно быть около
160 Ом. При расчете сопротивления следует принимать ток че-
рез стабилитрон 7Ст>/стт1п. Для правильного подбора сопро-
1 В составе семейства микросхем ТТЛ есть, например, отечественные
микросхемы серии 134 (К134, КР134), К158, а также маломощные ТТЛШ
(Шотки)—серии К555, которые потребляют в 5... 10 раз меньшую мощ-
ность, чем рассматриваемые микросхемы универсальной (стандартной) се-
рии К155.— Прим, перев.
2 Отечественные батареи-аналоги — тип 3336.— Прим, перев.
72
тивления требуется периодически контролировать Ui или 7СТ.
Если этого не делать, стабилитрон может выйти из режима
стабилизации (ток 7СТ станет меньше 7CTmin) и напряжение
U2 превысит 5,5 В. Этого нельзя допускать во избежание
пробоя.
Можно воспользоваться и автомобильным аккумулятором.
Здесь снова подходят схемы, приведенные на рис. 4.8. По-
скольку такой аккумулятор имеет большую емкость, обуслов-
ленную его назначением,— от 40 до 100 А«ч (ампер-часов),
от него можно питать и более сложные устройства. Но и
в этом случае необходим контроль за напряжением U\ или
током 7ст- Особенно важно проверить, выдержит ли стабилитрон
ток 7Ст+7н, который протекает через него при отключении
устройства на микросхемах ТТЛ.
До сих пор говорилось о питании от батарей только микро-
схем ТТЛ. В сущности, питание от батарей больше подходит
для микросхем КМОП, поскольку в статическом состоянии они
потребляют ничтожную мощность, а изменение в широких пре-
делах напряжения питания не влияет на работоспособность.
Обычно устройства с микросхемами КМОП питаются от бата-
рей напрямую. Этот же принцип используется для питания
транзисторных схем.
Контроль напряжений и токов легче всего производить по-
средством комбинированных измерительных приборов. Специа-
листы часто пользуются цифровыми приборами, любителю до-
статочно иметь прибор со стрелочным отсчетом.
Схема визуального контроля напряжения питания микро-
схем ТТЛ (рис. 4.10) может быть применена, если отсутствует
подходящий измерительной прибор. Когда 7/п>5,25 В, на
движке потенциометра 7?7 напряжение высокого, а на выходе
логического элемента DD1 — низкого уровня. В этом случае
светится только светоизлучающий диод HL1. Когда (7П<4,75В,
на движке потенциометра R2 напряжение низкого уровня, на
выходе элемента DD3 — также низкого уровня и светится
только диод HL3. Если 4,75 В<7/п<5,25 В, на обоих входах
73
элемента DD2 действует напряжение высокого, а на выходе —
низкого уровня, поэтому светится только диод HL2. Настройка
производится потенциометрами R1 и R2 при поочередной по-
даче на шину питания предельных значений питающего на-
пряжения. Недостаток этого устройства — сравнительно боль-
шая потребляемая мощность, поэтому оно не годится для конт-
роля напряжения при батарейном питании [11].
Контроль напряжений можно также осуществлять с по-
мощью осциллографа и пробников логических уровней, рассмот-
ренных ниже.
Рис. 4.10. Устройство для визуального контроля напряжения питания интег-
ральных микросхем ТТЛ
4.3. Генераторы импульсов. При рассмотрении различных
триггерных устройств отмечалось, что триггеры срабатывают
после поступления на входы внешних импульсов. Поэтому ва-
жен также выбор генератора импульсов. Безусловно, наиболее
подходящим для этой цели будет генератор заводского произ-
водства с возможностью управления параметрами импульсов:
амплитудой, полярностью, длительностью, частотой следова-
ния, а в некоторых случаях — фронтом и срезом (рис. 4.11).
Подобные приборы, к сожалению, не всегда доступны любите-
лям. Выход из положения: самому разработать и изготовить
простой генератор импульсов, который и будет использован
для запуска, настройки или проверки триггерных устройств.
А так как триггеры могут быть различными (на основе тран-
зисторов, операционных усилителей, микросхем ТТЛ или КМОП
либо как самостоятельные изделия — микросхемы), при разра-
ботке генератора необходимо учитывать условия его использО’
74
Рис. 4.11. Параметры импульса и после-
довательности импульсов
А — амплитуда; Т — период следования; ти —дли-
те пььость импульса; Тф — длительность фронта;
тс — длительность среза
вания. Ниже вкратце описаны не-
которые генераторы, изготовление
которых не составит трудностей.
Схемы генераторов подбирались,
с одной стороны, по признаку про-
стоты настройки и безотказности
в работе и с другой — по доступ-
ности компонентов.
Генераторы на транзисторах. На рис. 4.12 приведены три
наиболее распространенные транзисторные схемы мультиви-
браторов— генераторов последовательности импульсов. Все
они выполнены по классической схеме транзисторного мульти-
вибратора с коллекторно-базовыми связями [7, 25]. В некото-
рые внесены усовершенствования, например, с целью улучше-
ния формы выходных импульсов (рис. 4.12, б), получения
импульсов очень большой длительности (рис. 4.12, в). Представ-
ляют интерес схемы, позволяющие изменять коэффициент за-
полнения, не влияя на период следования импульсов (рис.4.13),
и управлять частотой генерации (схема с выноской, см.
рис. 4.12, а,— для плавной перестройки; схема на рис. 4.14 —
для ступенчатой перестройки).
Период следования импульсов у транзисторного мультивиб-
ратора, выполненного по схеме на рис. 4.12, можно вычислить
по формуле
Т л; 0,7 (/?kiCj /?к2С2).
Чтобы обеспечить устойчивую генерацию, необходимо соблю-
дать условия
^?61<^Л21э1^?к1 И /?б2^^21Э2^?К2»
где А2(э — коэффициент передачи тока транзисторами в схеме
с общим эмиттером.
Для схемы с фиксирующими диодами (рис. 4.12, б) в рас-
четную формулу вместо RKi и Rk2 следует вводить
_ RKRK
Як+
— сопротивление двух параллельно соединенных резисторов
Я/ и /?/'.
75
Рис. 4.12. Схемы мультиви-
браторов на транзисторах:
а — основная с коллекторно-
базовыми связями и постоян-
ной или регулируемой (вы-
носка АВ) частотой генера-
ции; б — с ограничивающими
диодами для улучшения формы
выходных импульсов; в —
с транзисторами, включенными
по схеме Дарлингтона
Генераторы на операционных усилителях. Схема генератора
импульсов на основе операционного усилителя показана на
рис. 4.15 [2, 7, 19, 25]. Период генерируемых импульсов для
этой схемы
Т &2НС\п(1+2К2/1Ы
Обычно значения Ri и /?2 выбирают из условия 7?j = 10/?2.
76
Рис. 4.13. Схема мультивибратора,
позволяющая изменять коэффициент
заполнения без изменения частоты
генерации
Рис. 4.14. Схема для ступен-
чатого изменения частоты ге-
нерации
На рис. 4.15 с помощью выноски показано, как можно обес-
печить плавное изменение частоты выходных импульсов, а на
рис. 4.16 — ступенчатое и плавное. Добавление диодов в цепь
отрицательной обратной связи (рис. 4.17) обеспечивает различ-
ные значения постоянной времени при заряде и разряде время-
задающего конденсатора С и как результат—коэффициент за-
полнения, отличный от 0,5. Нетрудно придумать и способ плав-
ной регулировки этого коэффициента. Рекомендуем читателю
самостоятельно начертить схему для этого случая.
Рис. 4.15. Генератор импульсов на операционном усилителе с постоянной и
регулируемой (выноска АВ) частотой генерации
Коэффициент заполнения 0,5
77
Генераторы на логических элементах И—НЕ. Схемы гене-
раторов импульсов на логических элементах одинаковы для
микросхем ТТЛ и КМОП (рис. 4.18) [4, 19, 25]. Различие,
обусловленное особенностями этих двух основных видов интег-
Рис. 4.16. Генератор импульсов на опе-
рационном усилителе с перекрытием
частот от 2 Гц до 20 кГц: а — схема со
ступенчатой и плавной регулировкой
частоты; б — принципиальная схема
с двусторонним (в) и односторонним
(г) ограничением амплитуды выходных
импульсов
Г>Л1 — микросхема типа 709 (К553УД1) или
741 (КР140УД7)
Установка диапазона
частот
напряжения
Выход
Р1
78
ральных схем, состоит только в выборе допустимых значений
дополнительных пассивных компонентов (/? и С), определяю-
щих период генерации импульсов:
1) для схемы ТТЛ (серии К155. — Прим, перев.) 240 Ом<
<7?<470 Ом; для микросхем КМОП ограничений в сторону
больших сопротивлений нет — значение R может составлять
даже десятки мегом *;
2) для микросхем ТТЛ 100 пФ<С<1500 пФ; для микросхем
КМОП желательна минимальная
емкость конденсатора С, чтобы
уменьшить потребляемую мощ-
ность в динамическом режиме
[2, 3, 19].
Период генерации импуль-
сов в схеме на рис. 4.18: Т=
= 2,3 RC для микросхем ТТЛ;
Рис. 4.17. Генератор импуль-
сов на операционном усили-
теле с коэффициентом запол-
нения, отличным от 0,5
Рис. 4.18. Генератор импульсов на
логических элементах И—НЕ
Т'=1,4 RC для микросхем КМОП (сопротивление — в килоомах;
емкость — в пикофарадах; период — в наносекундах).
Генератор может быть реализован на следующих микросхе-
мах— логических элементах: ТТЛ — тип 7400, 7410 или 7430
(К155ЛАЗ, К155ЛА4, К155ЛА2); КМОП —тип 4011, 4025, 4002
или 4000 (К176ЛА7, К561ЛА7, К176ЛА8, К561ЛА8 и т. п.).
Из схемы видно, что логические элементы И—НЕ ис-
пользуются как инверторы1 2; Это позволяет реализовать гене-
раторы на интегральных схемах ТТЛ типа 7404 (К155ЛН1) или
КМОП типа 4049, 4069 (К561ЛН1, К561ЛН2).
1 В сторону малых сопротивлений ограничение есть: Rmin = 10...
20 кОм — в зависимости от типа микросхемы и напряжения питания.—
Прим, перев.
2 В роли инверторов путем соединения входов можно использовать и
логические элементы ИЛИ—НЕ, например К155ЛЕ1 (ТТЛ) либо К561ЛЕ5
(КМОП).— Прим, перев.
79
Выход
Рис. 4.19. Генератор импульсов на триг-
гере Шмитта с инверсией выходного сиг-
нала
Генераторы на микросхемах — триг-
герах Шмитта ’. Для этой цели годят-
ся микросхемы ТТЛ типа 7413 или
74132 (отечественные аналоги —
К155ТЛ1, К155ТЛ2, К155ТЛЗ. — Прим.
перев.) и микросхемы КМОП типа 4093, 40193 (К561ТЛ1.—
Прим, перев.). Схема импульсного генератора одинакова для
микросхем как ТТЛ, так и КМОП (рис. 4.19). Различие — только
в допустимом значении сопротивления резистора R: для микро-
схем ТТЛ 240 Ом</?<600 Ом (для микросхем КМОП 20 кОм<
</?<5 МОм. — Прим, перев).
Генераторы на основе микросхем — ждущих мультивибрато-
ров. Структурная схема такого генератора приведена на
рис. 4.20: два ждущих мультивибратора соединены так, что вы-
ход первого подключен ко входу второго, а выход второго — ко
входу первого. Удобно для этой цели использовать микросхемы
ТТЛ типа 74121 или 74123 (отечественные аналоги — тип
К155АГ1 и тип К155АГЗ соответственно) либо КМОП типа
4528 (К561АГ1). На рис. 4.21 изображена схема широкополос-
ного генератора, содержащего две микросхемы типа 74121
(К155АГ1) [2].
Период следования выходных импульсов
Т — ~Ьги2,
где Ти1 и Ти2 — длительность импульсов, генерируемых первым
и вторым ждущим мультивибратором (табл. 4.7).
Генераторы на таймерах. К этой группе генераторов отно-
сятся устройства на основе популярной микросхемы типа 555
(отечественный аналог—КР1006ВИ1.— Прим, перев.), либо
типа 556 — два таймера 555 в общем корпусе. Эти микросхемы
Рис. 4.20. Структурная схема генератора импульсов на двух ждущих муль-
тивибраторах
1 Правильнее: сна триггерах Шмитта с инверсией выходного сигнала».—
Прим, перев.
80
Выход 2
Диапазон частот Ги1 ’ Тч2
1 ЮОнс ...1мкс
2 1мкс... Юмкс
3 10мкс...100мкс
Ц ЮОмкс... 1мс
5 1мс ...10 мс
6 Юме... 100 мс
7 100 мс... 1с
8 1с... Юс
Выход 1
Рис. 4.21. Принципиальная схема генератора импульсов со ступенчатой и
частоты
DDl, DD2 — микросхемы типа 74121 (К155АГ1)
плавной регулировкой
RZ
Cl
0,1 мк
Рис. 4.22. Генератор импульсов на интеграль-
ной микросхеме — таймере типа 555
Выход
выполнены на биполярных транзисто-
рах. Таймер типа 7555 подобен тай-
меру типа 555, но имеет структуру
КМОП. На рис. 4.22 приведена типо-
вая схема генератора импульсов на
таймере типа 555. Период следования
импульсов можно вычислить по фор-
муле
Т — Ти + тп = 0,7 (7?! -f-27?2) Ci>
где тп — длительность паузы.
Ограничительные условия по выбору компонентов время-
задающей цепи: 1 кОм</?<10 МОм (/? = T?i + /?2); 1000 пФ<
<С< 100 мкФ.
Таблица 4.7. Формулы расчета длительности импульсов (рис. 4.21)
Тип микросхемы Расчетная формула Примечание
74121 М и к р о С X 0.7RC е м ы ТТЛ 2 кОм ^ /? ^ 40 кОм
(К155АП) 74123 kRC (1 + 0,7//?) 10 пФ < С < 10 мкФ*
(К155АГЗ) k = 0,28 при С 1000 пФ;
74LS123 0,45/?С k = 0,25 при С 1000 пФ 5 кОм ^ /? <^ 260 кОм
(К555АГЗ) 4528 (К561АГ1) М и к’ р о с X 0,2/?С In Un 0,32/?С 0,46/?С 0,54/?С г м ы КМОП Un = 5 В (/п = ю В Un =-- 15 В
* При использовании электролитических конденсаторов компоненты вре-
мязадающей цепи подключаются к выводам микросхемы через кремниевый диод
17].
Для микросхемы типа 555 диапазон допустимых напряжений
питания (7П=4... 18 В.
На рис. 4.23, а, б и в даны варианты схемы — с регулиров-
кой частоты генерации и коэффициента заполнения. Конденса-
тор С2 — фильтрующий. Подавая напряжение на вывод 4 или
снимая напряжение с него (рис. 4.23, г), можно включать или
выключать генератор.
4.4. Приборы для контроля работы устройств. Исправность
82
каждого собранного устройства можно установить, контроли-
руя напряжение в разных точках схемы с помощью измеритель-
ного прибора, осциллографа или пробника логических уровней.
Все упомянутые приборы обладают, как правило, высоким
входным сопротивлением, благодаря чему непосредственное их
подключение к контрольным точкам не создает дополнитель-
ной нагрузки и не влияет на точность измерений. Единственное
Рис. 4.23. Варианты схемы генератора импульсов на таймере типа 555: а —
с плавной регулировкой частоты; б — с плавной регулировкой частоты и
коэффициента заполнения; в — с постоянной частотой генерации и плавной
регулировкой коэффициента заполнения; г — с включением и выключением
генератора
неудобство — возможность случайного замыкания соседних вы-
водов на корпусе микросхемы, что недопустимо. Поэтому из-
мерения предпочтительно производить с помощью игольчатых
щупов.
Следить за логическими уровнями по стрелочному прибору
можно только в статическом режиме либо когда смена этих
уровней происходит с малой частотой (до 2 Гц). Это ограни-
чение обусловлено инерцией подвижной системы, из-за чего
стрелка .не успевает за быстрым изменением напряжения. Мо-
жно использовать и цифровой измерительный прибор со свето-
вой индикацией, но только для проверки неизменных логи-
ческих уровней.
83
Следить за работой микросхем удобнее всего с помощью
осциллографа, который позволяет зрительно наблюдать за фор-
мой импульсов и отсчитывать их амплитуду. Основной узел ос-
циллографа— электронная трубка, в которой сфокусирован-
ный поток электронов управляется электростатическим полем
с напряженностью, пропорциональной напряжению развертки
и исследуемого сигнала. Поток электронов движется с огром-
ной скоростью. Попадание электронов на люминофор экрана
вызывает его свечение. Когда измеряемое напряжение изменя-
ется периодически, на экране осциллографа можно получить
кривую, которая воспринимается зрительно как непрерывная и
неподвижная. Это очень удобно для контроля периодически из-
меняющихся логических уровней. Для получения стабильного
и неподвижного изображения на экране осциллограф должен
быть правильно подключен к схеме, скорость развертки хорошо
подобрана и осуществлена синхронизация.
На рис. 4.24 показано правильное подключение осцилло-
графа к исследуемому устройству. Зажим «корпус» осцилло-
графа соединяется с шасси устройства. Вход усилителя верти-
кального отклонения (У) подключают к контролируемым точ-
кам схемы. При работе с микросхемами ТТЛ подбирают такое
усиление по вертикали, чтобы одно деление на экране соответ-
ствовало 5 либо 2, а иногда и 1 В. При работе с микросхемами
КМОП или транзисторными схемами, питающимися напряже-
нием 10 или 15 В, усилитель вертикального отклонения осцил-
лографа чаще всего настраивают так, чтобы одному делению
соответствовало 5 В.
Под скоростью развертки понимается скорость прямого хода
луча. (Прямой ход — это движение луча по экрану слева на-
право, вдоль горизонтальной оси Х\ оно может наблюдаться
глазом. Движение луча справа налево — обратный ход. На это
время луч погашен и не
виден.) Время прямого
хода, непосредственно за-
висящее от скорости раз-
вертки, подбирается
в ходе работы *. Время
обратного хода гораздо
Рис. 4.24. Подключение осцил-
лографа к исследуемому уст-
ройству
1 У многих типов осциллографов переключатель скорости развертки
снабжен масштабной ^шкалой, характеризующей время перемещения луча по
горизонтали (ось X),— обычно в милли- или микросекундах на сантиметр
Зная временные параметры развертки, по изображению на экране легко оп-
ределить длительность и период следования импульсов.— Прим, перев.
84
Рис 4.25 Идеальный прямоугольный импульс (а) и а)
возможные искажения формы импульса (б, в, г)
вследствие неправильной настройки осциллографа
меньше и не может регулироваться. Гори-
зонтальное перемещение луча происходит <
под действием так называемого напряже-
ния развертки, которое обычно имеет пило-
образную форму.
Для синхронизации осциллографа необ- -------- < ’
ходимо, чтобы периоды напряжения раз-
вертки и следования контролируемых им- в) __
пульсов были кратными. Тогда начало пря- (
мого хода луча всегда совпадает с одной
и той же фазой исследуемого сигнала и
изображение на экране неподвижно. Гене- —— ----
ратор развертки можно синхронизировать
с фронтом, или срезом, или заданным уров- п _________
нем контролируемого сигнала.
Важно знать, что не все виды сигналов
можно наблюдать на осциллографе. На-
пример, очень короткие остроконечные им- —J -----------
пульсы («иглы» или «пики», как их назы-
вают) не просматриваются на экране, если осциллограф не об-
ладает достаточно большим быстродействием. Кроме того, ос-
циллограмма не всегда отражает точную форму контролируемого
сигнала. Это происходит по ряду причин: при ненадежном кон-
такте, за счет паразитных емкостей на входе осциллографа,
а также при возникновении ударных затухающих колебаний
в паразитном («звенящем») контуре, образованном распреде-
ленными емкостями и индуктивностями входного щупа.
Большинство осциллографов снабжено входными щупами,
за счет которых уменьшается паразитная входная емкость,
нагружающая исследуемое устройство, и повышается входное
сопротивление осциллографа.
На рис. 4.25, а показана идеальная форма прямоугольного
импульса. На рис. 4.25, бив приведены осциллограммы того
же импульса, искаженного из-за несогласованных параметров
щупа, а на рис. 4.25, г — осциллограмма, снятая при колеба-
тельных явлениях, так называемом звоне, который может воз-
никнуть, если экран щупа не заземлен.
Существуют также многолучевые осциллографы, на экране
которых можно одновременно наблюдать два или более вза-
имно связанных синхронизированных сигналов. При работе
с таким осциллографом генератор развертки синхронизируется
с самой низкой частотой исследуемых сигналов.
85
Современные осциллографы обладают большими возможно-
стями. Для эффективной работы с конкретным типом осцил-
лографа требуется знание технических характеристик прибора
и правил пользования им.
Отметим некоторые особенности работы с микросхемами
КМОП. Вследствие высокого входного сопротивления и малой
входной емкости эти микросхемы подвержены действию стати-
ческих зарядов, поэтому необходимо соблюдать определенные
правила:
хранить микросхемы в металлической упаковке или с зако-
роченными выводами;
во время работы гибким проводником соединять руку или
ногу с шиной заземления помещения (во избежание случайных
электрических травм — через резистор 0,5... 1,0 МОм. — Прим,
перев.) \
работать только заземленным паяльником;
устанавливать микросхемы на печатной плате последними,
после монтажа всех других компонентов;
первоначально паять общий вывод, затем — вывод питания;
щупы различных измерительных приборов, особенно с низ-
коомным входом, подключать к выводам микросхем только по-
сле подачи питающего напряжения.
4.5. Пробники логических уровней. Пробники логических
уровней, или, как их еще называют, логические пробники,
удобны для исследования устройств с интегральными микро-
схемами и дают достаточное представление о работе проверяе-
мой аппаратуры. Такой пробник легко и быстро собрать, он не
требует настройки, компактен (малый объем), экономичен (ма-
лая потребляемая мощность), питается от одного источника
с проверяемым устройством. Показания пробника наглядны,
точны и надежны. Применение логических пробников особенно
целесообразно в таких конструкциях, когда при наладке логиче-
ской схемы или поиске неисправности требуются не столько
точные данные о длительности импульсов, сколько уверенность
в правильности их действия, о чем судят по чередованию высокого
и низкого уровня в определенных точках. С некоторыми видами
логических пробников легче обнаружить единичные импульсы
(паразитные сигналы — «иглы»), чем с осциллографом.
Принцип действия всех логических пробников основан на
различии значений напряжения. Напомним, что для семейства
интегральных микросхем семейства ТТЛ 2,4 В<£/<5,0 В —
высокий, 0<£/<0,4 В — низкий уровень.
Возможно особое состояние микросхемы, которое в дальней-
шем будем называть неопределенным (промежуточным), ко-
гда выходное напряжение оказывается вне границ низкого и
высокого уровня, а именно 0,4 В<£7<2,4 В. Довольно часто
подобное случается, когда интегральная микросхема повреж-
86
дена или между ее выводами существуют недопустимые связи.
Схемы, выполненные на транзисторах, не имеют неопреде-
ленного состояния. То же можно сказать и о микросхемах
КМОП. Логические уровни микросхем КМОП для разных на-
пряжений питания таковы:
1/п. В Уровень
высокий низкий
5 2.5 В < и< 5 В 0 < Z и < 2,5 В
10 5 В <и< 10 В 0< Z U< 5 В
15 7,5 В <и< 15 В 0< Z U <7,5 В
Чаще всего в логических пробниках применяется световая
индикация. При этом следует, с одной стороны, иметь в виду,
что некоторые источники света, например лампа накаливания,
обладают инерционностью, а с другой — учитывать инерцион-
ность человеческого глаза при восприятии светового сигнала
(вспышки короче 50... 100 мс не воспринимаются).
Реже используется звуковая индикация. Хорошим решением
является выбор двух различных частот соответственно на два
логических уровня.
Печатную плату логического пробника лучше делать длин-
ной и узкой, чтобы поместить в пустой корпус, например от
фломастера. Такой пробник будет иметь вид авторучки с ост-
рым металлическим щупом на конце — входом пробника.
Ниже приведено описание некоторых схем пробников раз-
личной степени сложности. Во всех случаях уделено внимание
обеспечению высокого входного сопротивления. В некоторых
пробниках продолжительность индикации низкого и высокого
уровня не зависит от длительности импульса, что является пре-
имуществом.
Пробники по схемам на рис. 4.26...4.32 предназначены для
контроля микросхем ТТЛ, а по схемам на рис. 4.33...4.35 —
могут быть использованы для изделий как ТТЛ, так и КМОП.
У пробника на рис. 4.26 резисторы R2, R3, R7, R8 образуют
мост, в диагональ которого АВ включены транзисторы VT1,
VT2 и VT3. Если входной сигнал высокого уровня, транзистор
VT1 открыт, a VT2 закрыт, светодиод HL2 светится, a HL1 —
нет. При низком уровне входного сигнала транзисторы VT2 и
VT3 открыты, VT1 закрыт, светодиод HL1 светится, a HL2 —
нет. При 0,4 B<t/Bx<2,4 В все три транзистора заперты, вслед-
ствие чего оба светодиода остаются темными [10]. Достоин-
ство: индикация как высокого, так и низкого уровня, а также
87
неопределенного состояния. Недостаток: продолжительность
свечения определяется длительностью входного импульса.
Пробник на рис. 4.27 содержит управляемый генератор им-
пульсов, выполненный на операционном усилителе DA1 (тип
140УД1А, старое обозначение—1УТ401А.— Прим, перев.). Ко-
гда на входе напряжение низкого уровня, генератор бездейст-
вует, а на выходе операционного усилителя (точка М) будет
Рис. 4.26. Логический пробник с независимой индикацией высокого и низ-
кого уровня входного напряжения
напряжение высокого уровня £Ли~^п; транзистор VT1 заперт,
лампа HL1 не горит. При входном напряжении высокого уровня
генерация также отсутствует. Выходное напряжение операцион-
ного усилителя в этом случае [7м~0. Транзистор VT1 открыт,
лампа HL1 горит. Когда 0,4 В<(/вх<2,4 В, генератор рабо-
тает, выдавая импульсы с частотой 2...3 Гц. Лампа HL1 мер-
цает с этой частотой. Если входной сигнал представляет собой
последовательность импульсов с частотой f>20 Гц, мерцание
лампы HL1 не различается человеческим глазом, и свет ее ка-
жется непрерывным, но яркость зависит от частоты [15].
Особенности схемы: посредством резистора R3 регулируется
пороговое напряжение низкого уровня, посредством резистора
R8— напряжение высокого уровня. Диод VD2 предохраняет
операционный усилитель DA1 в случае неверного включения
питающего напряжения. Достоинство: сравнительная простота.
Недостаток: пробник не реагирует на кратковременные им-
пульсы— по индикатору трудно отличить постоянное входное
88
Рис. 4.27. Логический проб-
ник с операционным усили-
телем
напряжение высокого уровня
от последовательности им-
пульсов высокой частоты.
В пробнике с цифровым
индикатором (рис. 4.28) тран-
зисторы VT1...VT5 управ-
ляют сегментами (полосками)
а.. .f семисегментного инди-
катора HG1. Транзистор VT4
работает в ключевом режиме,
управляя поступлением напря-
жения питания Un на общий
анод А индикатора. Транзи-
стор VT5 также действует
в ключевом режиме, и в за-
висимости от его состояния
сегменты — катоды a, f, е и d
соединены общей шиной или
с — постоянно подключены к об-
нет Сегменты — катоды b и
щей шине через резистор R5. Напряжение в точке М за счет
делителя R2, R3 равно 1,8 В. Поэтому, когда на входе напря-
жение высокого уровня, транзистор VT3 открыт и своим кол-
лекторным током открывает транзистор VT4. На анод А инди-
катора HG1 поступает напряжение Unt вызывающее свечение
сегментов b и с, т. е. индицируется цифра 1. Если входное на-
пряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT2 откры-
ваются и их коллекторные токи отпирают транзисторы VT4 и
VT5. Анод А индикатора при этом подключается к шине Un,
а сегменты a, f, е и d— к общей шине. Светятся все сегменты,
кроме g, и индицируется цифра 0. При 0,4 B<t/Bx<2,4 В тран-
зистор VT4 остается запертым, а значит, все сегменты — тем-
ными [12].
Особенности схемы: транзисторы VT1 и VT2 подбираются
с одинаковым коэффициентом передачи тока /izia, VT4 и VT5 —
с возможно большим значением этого коэффициента, и тогда
89
порог свечения фиксируется более четко. Подбором сопротив-
лений R4 и R5 регулируется яркость свечения. Достоинства:
наглядность индикации, отдельная индикация для низкого и вы-
Рис. 4.28. Логический пробник с цифровой индикацией
сокого уровня, а также для неопределенного состояния. Недо-
статок: нечувствительность к кратковременным импульсам.
Логический пробник с цифровой индикацией, схема кото-
рого дана на рис. 4.29, обладает большими возможностями.
Рис. 4.29. Усовершенствованный логический пробник с цифровой индикацией
При входном напряжении высокого уровня транзистор VT1 от-
перт, a VT2 заперт, на выходах элементов DD1.1, DD1.3 и
DD1.4 будет напряжение низкого, а на выходе DD1.2— высо-
90
кого уровня. При этом светятся сегменты b и с индикатора HG1,
образуя цифру 1. Когда на входе пробника напряжение низкого
уровня, на выходах элементов DD1.2, DD1.3 и DD1.4 появится
напряжение высокого уровня, обеспечивающее свечение сегмен-
тов о, Ь, с, d, е, f, т. е. индицируется цифра 0. При 0,4 В<
<[7Вх<2,4 В транзисторы VT1 и VT2 заперты, на выходах
элементов DD1.2, DDt.3 и DD1.4 напряжение низкого уровня
и все сегменты индикатора HG1 темны. При поступлении на
вход пробника импульсов с частотой /<20 Гц чередование цифр
0 и 1 различимо глазом. На более высоких частотах начинает
сказываться влияние конденсатора С1. В итоге яркость свече-
ния сегмента d резко уменьшается и индицируется буква П
(последовательность импульсов). Свечение сегмента h (точки)
служит индикатором напряжения питания +5 В [13]. Диоды
VD1 и VD2 — любые универсальные кремниевые диоды. Они
повышают четкость срабатывания. Преимущество указанного
пробника по сравнению с предыдущим — возможность индика-
ции последовательности импульсов. Недостатки — те же самые.
В пробнике на рис. 4.30 при низком уровне входного сиг-
нала транзистор VT1 открыт и насыщен, на выходе элемента
DD1.1 напряжение высокого уровня. Светодиод HL1 светится,
HL2 — нет. Когда на входе напряжение высокого уровня, то
транзистор VT2 открыт и насыщен, на выходе элемента DD1.4
также высокий уровень. Светодиод HL2 светится, HL1 — нет.
Если 0,4 В<£/вх<2,4 В, транзисторы VT1 и VT2 заперты, на
выходах элементов DD1.1 и DD1.4 будет напряжение низкого
уровня, светодиоды HL1 и HL2 остаются темными. При появле-
нии на входе короткого импульса низкого уровня ждущий
мультивибратор, образованный элементами DD1.1 и DD1.2, ге-
нерирует импульс длительностью около 100 мс и на это время
вспыхивает светодиод HL1, а светодиод HL2 светится непре-
рывно.'При подаче коротких импульсов высокого уровня дейст-
вует другой мультивибратор (DD1.3 и DD1.4). Светодиод HL2
вспыхивает примерно на 100 мс, a HL1 светится непрерывно.
Если входные сигналы представляют собой последовательность
импульсов с частотой f>10 Гц, светодиоды HL1 и HL2 горят
постоянно, а если /<10 Гц, то они поочередно вспыхивают и
гаснут с этой же частотой [16].
Особенности схемы: подбором сопротивления резисторов
/?2 и R3 устанавливается порог срабатывания пробника; диод
VD3 не допускает глубокого насыщения транзистора VT2, бла-
годаря чему быстродействие пробника не уменьшается. Досто-
инство: при сравнительно простой схеме пробник позволяет ре-
гистрировать пики напряжения — «иглы». (Недостатки схемы
авторами не отмечены. — Прим, перев.)
В схеме на рис. 4.31 транзисторы VT2 и VT3 включены как
эмиттерчые повторители и служат для разделения сигналов
91
Ум
R1
22к
Ж
’•68
215606
£4-
VD2
Ъ1Ё)560Б
И27/
VT2
2T36D4
R4
Юк
3
&
+M#
ПОИ
К155ЛАЗ
1_
2
юор
SD1.2
АЛ102А
R7
Юк
+ П1#________
wop
2?27ЛЗ
10 *~
1D1A
*ти
13
э-
LJz?Z7
\ KL2
'АЛ102А
^5В
± &
5
6
П&
Рис. 4.30. Логический пробник с двумя светодиодами
высокого и низкого уровня. Если на входе напряжение высокого
уровня, на выходах элементов DD1.1 и DD2.2— низкого и сег-
мент d индикатора HG1 светится, индицируя цифру 1 (индика-
тор повернут на 90° относительно обычного положения). При
входном напряжении низкого уровня на выходе элемента DD2.1
тоже напряжение низкого уровня, в этом случае светится сег-
мент f, а также сегменты а, b и g (ток протекает через диод
VD3 и резистор R11)—индикатор фиксирует цифру 0. Если
0,4 В<(/вх<2,4 В, на выходах элементов DD2.1 и DD2.2 дейст-
вует напряжение высокого уровня, а на выходе DD2.3—низ-
кого. Светятся сегменты a, b, g, образуя букву П.
При смене уровня на входе (фронт или срез импульса),
в момент переключения элементов DD2.1 и DD2.2, на выходе
DD2.3 возникает короткий импульс низкого уровня, который
92
запускает ждущий мультивибратор (элементы DD1.4, DD2.4,
С5 и R13). Мультивибратор генерирует импульс, вызывающий
вспышки точки h. Мерцание точки h заметно, если на вход по-
дается последовательность сигналов с коэффициентом заполне-
ния у—0,5, а смена уровней происходит с частотой /<20 Гц.
При этом различимо чередование цифр 0 и 1. Если у~1 или
у—О, то соответственно индицируется только 1 или только О,
а точка h мерцает с частотой 2f. Когда />20 Гц, точка h све-
тится непрерывно, цифры 0 и 1 индицируются одновременно
и, если у~0,5, яркость цифр одинакова; при у~1 или у~0 ин-
। н4 VJ}4
VT1
АЛЗОМ
мок _Lej
VU2^
СЗ
51
330
VT2\
КТ315А
,ж.з
tew
,ШИА
Той
Рис. 4.31. Логический пробник с индикацией последовательности импульсов
дицируется только I, или только 0, а точка h светится непре-
рывно [14].
Особенности схемы: диоды VD1 и VD2 предохраняют тран-
зистор VT1 от больших входных напряжений, а диод VD4 за-
щищает интегральные схемы в случае подачи обратного пита-
ющего напряжения; конденсаторы С2 и СЗ предохраняют
логические элементы от самовозбуждения. Достоинства: отчет-
ливая индикация разных входных сигналов. Недостаток: слож-
ность схемы. \
На рис. 4.32 представлена схема пробника? со звуковой
и световой сигнализацией. Имеются отдельные каналы для двух
логических уровней.
Оконечной ступенью каналов звуковой сигнализации служит
смесительно-усилительный каскад — транзистор VT7 с капсю-
лем НА1 (ДЭМШ) в качестве нагрузки. При входном напряже-
нии низкого уровня диод VD4, а также транзистор VT6 откры-
ваются. Загорается светодиод HL2 и раздается звук (частотой
Рис. 4.32. Логический пробник со звуковой и световой индикацией
U^5B
600 Гц) за счет возбуждения транзистора VT7 мультивибра-
тором (элементы DD1.1, DD1.2, R16, R18 и С4). Мультивибра-
тор запускается напряжением высокого уровня на входе 1 ло-
гического элемента DD1.1, снимаемым в данном случае с эмит-
терной нагрузки транзистора VT6.
Когда на входе пробника действует сигнал высокого уровня,
работает второй канал, подобный рассмотренному. В этом слу-
чае светится диод HL1 и слышится звук частотой 3 кГц. При
0»4 В<£/Вх<2,4 В оба канала бездействуют: светодиоды оста-
ются темными, звуковые генераторы не функционируют. Если
входной сигнал представляет собой последовательность им-
пульсов, интегрирующие конденсаторы Ci и С2 «запоминают»
высокий логический уровень, в результате чего оба звуковых
генератора работают одновременно и звук принимает харак-
терную окраску. Светодиоды HL1 и HL2 светятся [9].
Особенности схемы: диоды VD1, VD2 и транзистор VT8 иг-
рают соответственно роли диодов VD1, VD2 и VD4 в схеме на
рис. 4.31. Достоинство: двойная сигнализация. Недостаток: не-
чувствительность к кратковременным импульсам.
Пробник по схеме на рис. 4.33 может быть использован для
контроля микросхем как ТТЛ, так и КМОП [23]. Транзистор
VT1 работает в ключевом режиме. При входном напряжении
высокого уровня светодиод горит, при напряжении низкого уро-
вня— гаснет. Повторитель DD1 КМОП-структуры обеспечи-
вает высокое входное сопротивление пробника. Если использо-
вать и остальные элементы микросхемы типа 4050 (отечест-
венный аналог — К561ПУ4. — Прим, перев.)1, пробник будет
пригоден для одновременной проверки уровней напряжения
в шести разных точках. Указанный на схеме тип транзистора
может быть заменен советским — типа КТ315 (А, Б, ...) или
аналогичным. В качестве индикатора годится отечественный
светодиод типа АЛ 102. Досто-
инство схемы: простота и ма-
лая потребляемая мощность.
Недостатки: не индицируются
последовательности импуль-
сов, а также «иглы».
Рис. 4.33. Пробник со световой ин-
дикацией для проверки логических
уровней микросхем ТТЛ и КМОП
DD1 — один из шести элементов микро-
схемы 4050 (К561ПУ4)
’ Входы микросхем КМОП нельзя оставлять открытыми, поэтому не-
обходим резистор утечки — на рис. 4.33 показан штрихами. Входы свобод-
ных элементов следует соединить либо с общей шиной либо с шиной пита-
ния.— Прим, перев.
95
Пробник, схема которого дана на рис. 4.34, пригоден для
работы с микросхемами ТТЛ и КМОП. При напряжении высо-
кого уровня на входе компаратора DA1 на его выходе — также
сигнал высокого уровня, который является разрешающим для
логического элемента И—НЕ (DD1.3), на второй вход которого
поступают импульсы от мультивибратора (DD1.1 и DD1.2). Эти
Рис. 4.34. Пробник со звуковой индикацией для проверки логических уров-
ней микросхем ТТЛ и КМОП
импульсы усиливаются, и звуковая головка НА1 издает специ-
фический звук. Когда на входе пробника напряжение низкого
уровня, логический элемент DD1.3 заперт и головка не звучит.
Потенциометр R1 служит для установки порога срабатывания
компаратора, а потенциометр R9— громкости звука. Транзи-
сторы VT1 и VT2 могут быть заменены советскими типа
КТ315Б(Г), a VT3 — типом КТ603А(Б) или КТ608А(Б), или
аналогичными. Логический элемент DD1— микросхема типа
4011 (отечественные аналоги — К176ЛА7 либо К561ЛА7.—
Прим, перев.). Все диоды — типа 1N41.48. Их можно заменить
любыми маломощными импульсными диодами, например
КД521 или КД522 (А, Б). Стабилитрон на напряжение стаби-
лизации 4... 5 В следует выбрать из табл. 4.4. Операционный
усилитель типа МО746 можно заменить на тип 741 (отечест-
венный аналог— 140УД7. — Прим, перев.).
Достоинство: малая потребляемая мощность, удобная ин-
дикация. Недостаток: отсутствует индикация остроконечных
импульсов — «игл» [24].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1980^ ^елчев Д- Електроннн токозахранваши устройства София: Техника.
2. Димитрова М.. Вайков И. Импулсни схеми и устройства. София: Тех-
ника, 1982
3 Димитрова М., Вайков И CMOS интегрални схеми. София: Техника,
1987. Ч. 1 1989. Ч. 2
4. Димитрова М., Пунджев В. 33 схемы с логическими элементами И—
НЕ. Л.: Энергоатомиздат. 1988.
(9765ц^°НОВ К- Щерев А. Интегрални схеми в практиката София: Техника.
6 Конов К. Електронна индикация София: Техника. 1977.
7. Конов К., Димитрова М., Попов А Импулсни схеми. София: Техника.
1984.
8. Тестер «Интересни схеми»//Радио. телевизия. електроннка. 1978. № 11,
9. Градннарски Д. Пробник за логически нива със звукова индикация//
Радио, телевизия, електроннка. 1979. № 4
10. Коларов М. Пробник за логически схеми//Радир, телевизия. елек-
троника. 1975. № 7.
11 Савенов С. Схема за визуален контрол на захранването на ТТЛ
ИС//Радио, телевизия, електроннка 1978. № 10.
12. Кашталай И. Логические пробники//Радио. 1977. .V? 5.
13 Пастушенко Н, Жнжченко А. Логические пробники//Радио. 1980
№ 3.
14 Коиилов В. Логические пробникн/уРадно 1980 №3
15. Бакланов В., Захаров С. Логические пробники//Радио. 1977 № 5.
16. Новаков Е. Пробник за логически ннвау/Млад конструктор. 1981.
№ 8.
17. Шишков А. Полупроводникова техника. София: Техника, 1982. Ч. 2.
18 Ковалев В. Г, Ламекни В. Ф. Радиолюбителю о микросхемах. М,
Изд-во ДОСААФ, 1975
19. Микросхемы и их применение, В А Батушев, В. В Вениаминов.
В. Г. Ковалев и др. М Радио и связь. 1983
20 Франтов Г. Стабилизатор на постоянно напрежение//Радио, теле-
визия, електроннка. 1981. № 1
21. Русев F Таблици за изчисляване на мрежови трансформатори//
Радио, телевизия, електроннка. 1979. № 7.
22. Каралеев И. Пробник за съпротивление//Радио. телевизия. електро-
ннка. 1981 №9.
23. Toute 1’Electronlque mars. 1975. Indicateur d'etats logiques.
24. Toute I’Electronique juin, 1977, Indicateur de niveau logique.
25. Браммер Ю. А., Пащук И. H. Импульсная техника. М.: Высшая
школа, 1985.
26. Жеребцов И. П. Основы электроники. Л Энергоатомиздат, 1985.
27. Зельдин Е. А. Триггеры. М.: Энергоатомиздат, 1983.
28. Малинин Р. М Упрощенный расчет трансформаторов питания//Ра-
дио. 1980. № 10 С 62 63.
29. Новые условные обозначения броневых пластинчатых магнитопрово-
дов/ /Радио. 1985. № 8 С. 61 62.
30. Осторожно! Электрический ток!// Радио. 1983 № 8 С 55
31. Справочник радиолюбителя конструктора М Радио и связь, 1983
32. Трейстер Р- Радиолюбительские схемы на ИС типа 555 Пер с англ.
М Мир, 1988