Введение в цифровую технику

ББК 32.847

П 18 УДК 621.3.049.77.037.372

Редакционная коллегия:

Б.Г.Белкин, С.А.Бирюков, В.Г.Борисов, В.М.Бондаренко Е.Н.Геништа, А.В.Гороховский, С.А.Ельяшкевич, И.П.Жеребцов, В.Г.Корольков, В.Т.Поляков, А.Д.Смирнов, Ф.И.Тарасов О.П.Фролов, Ю.Л.Хотунцев, Н.Я.Чистяков

Партин А. С., Борисов В. Г.

П 18 Введение в цифровую технику.- М.: Радио и связь, 1987.- 64 с.: ил.- (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1105)

Через опыты, эксперименты, конструирование генераторов, игровых автоматов и аттракционов, электронных переключателей, измерительных приборов на интегральных микросхемах широкого применения книга знакомит с основами цифровой техники.

Для широкого круга радиолюбителей; может быть полезна руководителям радиотехнических кружков.

2402020000-64 04б(01)-87

-73-87

ББК 32.847

Рецензент канд. техн. наук С. А. Бирюков

ПРЕДИСЛОВИЕ

Микроэлектроника, заявившая о себе в начале 60-х годов, сегодня оказывает решающее влияние на техническое перевооружение всех областей радиоэлектроники. За примерами ходить далеко нет надобности. Аналоговые интегральные микросхемы широко и прочно закрепились в радиовещательной, телевизионной, звукозаписывающей в воспроизводящей аппаратуре, а логические, или цифровые, микросхемы заняли доминирующее положение в больших, мини- и микроЭВМ, в устройствах автоматического управления производственными процессами, движением транспорта, в станках с числовым программным управлением, в аппаратуре сбора, переработки и хранения различной информации, в других устройствах и приборах цифровой техники. Для нас уже стали привычными электронные кассовые аппараты, быстро и точно подсчитывающие стоимость покупок в универсамах, весы с цифровым представлением результата взвешивания продуктов, автоматизированные системы управления продажей авиа- и железнодорожных билетов, наручные электронные часы, микрокалькуляторы, ставшие предметами первой необходимости инженеров и техников, бухгалтеров, многих школьников.

Цифровая техника-самое перспективное направление в современной электронике, в народном хозяйстве. Без нее немыслимы дальнейший научно-технический прогресс, эффективность учебы в общеобразовательных школах, ПТУ, техникумах, институтах и университетах. Врядли нужно доказывать, какие огромные возможности вносит цифровая техника в радиолюбительское творчество.

Цель книги - познакомить ее читателей с цифровыми интегральными микросхемами и использованием их в разных по сложности любительских приборах и устройствах цифровой техники. Предполагается, что читатели уже знакомы с устройством и принципом работы транзисторов, диодов и имеют некоторый опыт конструирования радиоприемной и усилительной аппаратуры, поэтому их описание в книге опущено. Главным же ее содержанием являются опыты, эксперименты, которые, как мы считаем, позволяют лучше освоить практическую сторону применения цифровых микросхем.

При изложении познавательных сведений и сложности практических работ мы опирались на опыт кружков радиоэлектроники Свердловской областной станции юных техников. Этот опыт, надеемся, может быть приемлемым для кружков других внешкольных учреждений и общеобразовательных школ, занимающихся освоением основ цифровой техники.

Отзывы о книге просим направлять по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство "Радио и связь", Массовая радиобиблиотека.

ЧТО ТАКОЕ ЦИФРОВАЯ МИКРОСХЕМА

Современная цифровая интегральная микросхема - это миниатюрный электронный блок, содержащий в своем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие активные и пассивные элементы, общее число которых может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч! В зависимости от числа элементов различают микросхемы малой степени интеграции, микросхемы средней степени интеграции, большие интегральные микросхемы и сверхбольшие интегральные микросхемы. Микросхемы малой степени интеграции могут содержать до 10-30, а сверхбольшие интегральные микросхемы до 100 тыс. и более активных и пассивных элементов.

Одна цифровая микросхема может выполнять функцию целого блока измерительного прибора, микрокалькулятора, устройства автоматического управления производственным процессом, микропроцессора, узла электронной вычислительной машины (ЭВМ). К примеру, "механизм" наручных электронных часов, индицирующих текущее время в часах, минутах и секундах, дни недели и месяцы, работающий одновременно и как секундомер, будильник, состоит всего лишь из одной специально разработанной большой интегральной микросхемы. Благодаря цифровым микросхемам современные компьютеры, как все чаще стали называть ЭВМ, по сравнению со своими "предками" в 300 тыс. раз меньше по размерам, но работают в 10 тыс. раз быстрее, к тому же надежнее, и энергии потребляют значительно меньше.

В основу описания и логики действия цифровых микросхем положена двоичная система счисления, состоящая всего из двух цифр - единицы (1) и нуля (0). Отсюда и обобщенное название логических элементов, интегральных микросхем и создаваемых на их базе всевозможных приборов и устройств - цифровые. Эти две цифры двоичной системы счисления позволяют записывать и "запоминать" практически любые числа. Например, число 25 привычной нам десятичной системы счисления, записанное в двоичной системе счисления, выглядит так: 1.1001. Здесь каждая позиция числа, которая может быть представлена в виде электрических импульсов, соответствует одному из двух логических состояний - логической 1 или логическому 0. Особенно удобной такая система кодирования информации оказалась для программирования и работы ЭВМ.

Относительно электрических сигналов, несущих ту или иную цифровую информацию, двоичная система счисления также соответствует двум состояниям или двум условным электрическим уровням: высокому, т. е. более положительному, и низкому-менее положительному, нулевому и даже отрицательному напряжению. Если напряжение высокого уровня рассматривать как логическую 1, а напряжение низкого уровня- как логический 0, то такую логику называют положительной. При отрицательной логике, наоборот, напряжение высокого уровня принимают за логический 0, а низкого уровня - за логическую 1. В этой книге рассматриваются только микросхемы с положительной логикой.

Но на практике невозможно выполнить условие, при котором бы все цифровые сигналы имели одинаковые уровни напряжения. Поэтому, учитывая возможные допуски, свойства цифровых микросхем, электрические импульсы, несущие информацию, характеризуют некоторыми интервалами напряжений. Так, например, для микросхем серий К155, К133 для низкого уровня, соответствующего логическому 0, приняты напряжения сигналов от 0 до 0,4 В, т. е. не более 0,4 В, а высокого, соответствующего уровню логической 1,-не менее 2,4 В и не более напряжения, на которое они рассчитаны,- 5 В. Для микросхем других серий эти границы уровней напряжений могут быть несколько меньшими или, наоборот, несколько бблыпими, но неизменными для данной серии цифровых микросхем. Опыты, эксперименты, различные приборы и устройства, описанные в этой книге, рассчитаны на использование микросхем серии К155 малой и средней степеней интеграции. Микросхемы именно этой серии радиолюбители наиболее широко применяют в конструируемых ими генераторах, игровых и сигнализирующих автоматах, электронных часах, измерительных приборах, в том числе с цифровым отсчетом результатов измерения или времени. Подобные устройства и Приборы предстоит конструировать и вам, взявшим в руки эту книгу.

В серию К155 входит около 100 микросхем разных степеней интеграции и функционального назначения. Это различные триггеры, счетчики импульсов, делители частоты, преобразователи цифровых кодов, дешифраторы и т. д. Основой же многих из них служат так называемые логические элементы- электронные устройства, реализующие простейшие функции алгебры логики. С них и следует4 начать знакомство с устройством и работой цифровых микросхем, с основами цифровой техники.

ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АНАЛОГИ

Логических элементов, работающих как самостоятельные цифровые микросхемы малой" степени интеграции и как компоненты микросхем более высокой степени интеграции, можно насчитать несколько десятков. Но здесь мы поговорим лишь о четырех из них - о логических элементах И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ. чЭлементы И, ИЛИ и НЕ - основные, а И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ.

Что представляют собой эти "кирпичики" цифровой техники, какова логика их действия? Сразу уточним: напряжения от 0 до 0,4 В, т. е. соответствующие уровню логического 0, мы будем называть напряжением низкого уровня, а напряжения более 2,4 В, соответствующие уровню логической 1,- напряжением высокого, уровня. Именно такими уровнями напряжений на входе и выходе элементов и микросхем серии К155 принято характеризовать их логические состояния и работу.

Графическое изображение логического элемента И показано на рис. 1, а. Его условным символом служит знак "&", стоящий внутри прямоугольника: он заменяет союз "И" в английском языке. Слева - два (может быть и больше) логических входа-rxj и \2, справа-выход у. Логика действия элемента такова. Напряжение высокого уровня появляется на выходе лишь тогда когда сигналы такого же уровня будут поданы на все его входы.

Разобраться в логике действия логического элемента И поможет его электрический аналог (рис. 1, б), составленный из последовательно соединенных источника питания GB1 (например! батареи 3336Л), кнопочных переключателей SB1, SB2 любой конструкции и лампы накаливания HL1 (МНЗ,5-0,26). Переключатели имитируют электрические сигналы на входе аналога, а нить лампы индицирует уровень сигнала на выходе. Разомкнутое состояние контактов переключателей соответствует напряжениям низкого уровня, замкнутое-высокого уровня. Пока контакты кнопок не замкнуты (на обоих входах элемента напряжение низкого уровня), электрическая цепь аналога разомкнута и лампа, естественно, не горит. Нетрудно сделать другой вывод: лампа накаливания на выходе аналога элемента

Рис. 1. Логический элемент И:

а-условное графическое обозначение; б-его электрический аналог; в-временные диаграм-мы; г-таблица истинности работы элемента

Рис. 2. Логический элемент ИЛИ, его электрический аналог принцип действия

И загорается тогда и только тогда, когда контакты кнопок SB1 и SB2 окажутся замкнутыми одновременно. В этом и заключается логическая связь между входными и выходным сигналами элемента И.

Теперь взгляните на рис. 1, е. На нем изображены временные диаграммы электрических процессов, дающие достоверное представление о работе логического элемента И. На входе Xi сигнал появляется первым. Как только подается такой же сигнал и на вход xj, тут же появляется сигнал и на выходе у, который существует до тех пор, пока на обоих входах имеются сигналы, соответствующие напряжению высокого уровня. О состоянии и логической связи между входными и выходными сигналами в элементе И дает представление так называемая таблица истинности (рис. 1, г), напоминающая таблицу умножения. Глядя на нее, можно сказать, что сигнал высокого уровня на выходе элемента будет тогда и только тогда, когда сигналы такого же уровня появятся на обоих его входах. Во всех других случаях на выходе элемента будет напряжение низкого уровня.

Условный символ логического элемента ИЛИ - цифра 1 внутри прямоугольника (рис. 2, а). У этого элемента, как и у элемента И, может быть два и больше входов. Сигнал на выходе у, соответствующий напряжению высокого уровня, появляется при подаче такого же сигнала на вход xj, или на вход х2, или одновременно на оба входа. Чтобы убедиться в таком действии элемента ИЛИ, проведите опыт с его электрическим аналогом (рис. 2, б). Лампа накаливания HL1 на выходе аналога будет загораться всякий раз, когда окажутся замкнутыми контакты или кнопки SB1, или SB2, или одновременно обеих (всех) кнопок.

Рис. 3. Логический элемент НЕ, его электрический аналог и принцип действия

Закрепить в памяти электрическое свойство элемента ИЛИ помогут временные диаграммы его работы (рис. 2, в) и таблица истинности (рис. 2, г) логической связи между входными и выходными сигналами.

Условный символ логического элемента НЕ - тоже цифра 1 в прямоугольнике (рис. 3, а). Но у него один вход и один выход. Небольшой кружок, которым начинается линия связи выходного сигнала, символизирует логическое отрицание "не" на выходе элемента. На языке цифровой техники "не" означает, что данный элемент является инвертором- электронным устройством, выходной сигнал которого противоположен входному. Иначе говоря, пока на его входе действует сигнал низкого уровня, на выходе присутствует сигнал высокого уровня, и наоборот.

Электрический аналог элемента НЕ можно собрать по схеме, приведенной на рис. 3, б. Электромагнитное реле К1, срабатывающее при данном напряжении батареи SB1, должно быть с группой нормально замкнутых контактов. Пока контакты кнопки SB1 разомкнуты, обмотка реле обесточена, его контакты К1.1 остаются замкнутыми и, следовательно, лампа HL1 горит. При нажатии на кнопку ее контакты замыкаются, имитируя появление входного сигнала высокого уровня, в результате чего реле срабатывает. Его контакты, размыкаясь, разрывают цепь питания лампы HL1 - погасая, она символизирует появление на, выходе сигнала низкого уровня.

Попробуйте начертить самостоятельно временные диаграммы работвт элемента НЕ и составить таблицу истинности логической связи между его входным и выходным сигналами-они должны получиться такими же, как приведенные на рис. 3, в, г.

Рис. 4. Логический элемент И-НЕ, его электрический аналог и принцип действия

Как мы уже говорили, логический элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ. Поэтому на его графическом изображении (рис. 4, а) есть знак "&" и небольшой кружок на линии выходного сигнала, символизирующий логическое отрицание. Выход один, а входов два и больше. *

Разобраться в принципе действия такого логического элемента цифровой техники вам поможет его электрический аналог, собранный по схеме на рис. 4, б. Электромагнитное реле К1, батарея GB1 и лампа накаливания HL1 такие же, как в аналоге элемента НЕ. Последовательно с обмоткой реле включите две кнопки (SB 1 и SB2), контакты которых будут имитировать входные сигналы. В исходном состоянии, когда контакты кнопок разомкнуты, лампа горит, символизируя сигнал высокого уровня на выходе. Нажмите на одну из кнопок во входной цепи. Как на это реагирует индикаторная -лампа? Она продолжает гореть. А если нажать обе кнопки? В этом случае элек-трическая цепь, образованная батареей питания, обмоткой реле и контактами

кнопок, оказывается замкнутой, реле срабатывает и его контакты К 1.1, размыкаясь, разрывают вторую цепь аналога- лампа гаснет.

Эти опыты позволяют сделать вывод: при сигнале низкого уровня на одном или на всех входах элемента И-НЕ (когда контакты входных кнопок аналога разомкнуты) на выходе действует сигнал высокого уровня, который изменяется на сигнал низкого уровня при появлении таких же сигналов на всех входах элемента (контакты кнопок аналога замкнуты). Такой вывод подтверждается диаграммами работы и таблицей истинности, показанными на рис. 4, в, г.

Логический элемент И-НЕ обладает еще одним существенным свойством, суть которого заключается в следующем: если его входы соединить вместе и подать на них сигнал высокого уровня, на выходе элемента будет сигнал низкого уровня. И наоборот, при подаче на объединенный вход, сигнала низкого уровня на выходе элемента будет сигнал высокого уровня. В этом случае элемент И-НЕ, как, вероятно, вы уже догадались, становится инвертором, т. е. логическим элементом НЕ. Это свойство элемента И-НЕ очень широко используется в приборах и устройствах цифровой техники.

ЗНАКОМСТВО С ЦИФРОВОЙ МИКРОСХЕМОЙ

В разнообразных приборах и устройствах цифровой техники, конструируемых радиолюбителями, наиболее широко используется микросхема К155ЛАЗ. С нее, считаем, и следует начинать практическое знакомство с микросхемами этой серии.

Внешний вид и условное графическое изображение микросхемы показаны на рис. 5. Она представляет собой пластмассовый корпус прямоугольной формы с 14 пластинчатыми выводами (некоторые микросхемы этой серии имеют по 16 выводов), расположенными вдоль обе их длинных сторон корпуса. Сверху на корпусе условный ключ - небольшая круглая метка. От нее и ведется нумерация выводов. Если смотреть на микросхему сверху, то отсчитывать выводы нужно против движения часовой стрелки, а если снизу - то по часовой стрелке. Такое правило распространено на все микросхемы серии К155.

Рис. 5. Внешний вид и условное графическое обозначение микросхемы К155ЛАЗ

Что же представляет собой микросхема К155ЛАЗ? Она состоит из четырех логических элементов 2И-НЕ, питающихся от общего источника постоянного тока. Каждый ее логический элемент

Рис. 6. Простейший блок питания микросхем серии KISS

работает как самостоятельная микросхема. Выделить элементы нетрудно по номерам выводов, представленным на схематическом изображении микросхемы. Так, входные выводы 1, 2 и выходной вывод 3 относятся к одному из ее эле-- ментов, входные выводы 4, 5 и выходной 6-ко второму элементу и т. д. Не обозначенные на схематическом изображении микросхемы выводы 7 и 14 служат для подачи питания на все элементы. Эти выводы не принято обозначать на схемах потому, что элементы обычно изображают не слитно, как на рис. 5, б, а раздельно в разных участках принципиальной электрической схемы устройства. Цепи же питания элементов остаются общими, причем для микросхемы К155ЛАЗ вывод 14 должен соединяться с,положитель-ным, а вывод 7 - с отрицательным полюсами источника питания.

Микросхема К155ЛАЗ, как и,другие микросхемы этой серии, рассчитана на питание от источника постоянного тока напряжением 5 В. Можно использовать и батарею гальванических элементов с меньшим на 0,5 В напряжением, например батарею 3336Л. Но во время опытов ее напряжение будет еще более снижаться, что, естественно, скажется на режиме работы микросхемы, а при определенной разрядке батареи микросхема вообще перестанет работать. Поэтому желательно использовать блок питания, обеспечивающий стабильное напряжение 5 В. Такой блок питания можно собрать, например, по приведенной на рис. 6 схеме. В нем источником постоянного тока GB1 служат две батареи 3336Л, соединенные последовательно. Питание на микросхему подается через стабилизатор напряжения, образованный стабилитроном VD1, балластным резистором R3 и регу лирующим транзистором VT1. Емкость электролитического конденсатора С1 может быть 20...50 мкФ, а керамического или слюдяного конденсатора С2- 0,033...0,047 мкФ.

Рис. 7. Макетная панель для опытной проверки работы микросхем

Как работает стабилизатор напряжения такого блока питания микросхемы? Резистор R3 и стабилитрон VD1 образуют делитель напряжения батареи GB1. Напряжение, действующее на стабилитроне, равно em напряжению стабилизации (для стабилитрона КС 168А оно составляет 5,6 В). Напряжение, снимаемое со стабилизатора, через подстроечный резистор R2 подается на базу регулирующего транзистора VT1 и открывает его. Чем больше напряжение на базе этого транзистора, тем больше он открывается, тем больше напряжение на выходе стабилизатора и ток в его нагрузке.

Напряжение на выходе блока, равное 5 В, устанавливайте по контрольному вольтметру постоянного тока подстроеч-ным (или переменным) резистором R2. Такое напряжение на нагрузке будет поддерживаться практически неизменным при снижении напряжения батареи до 7...7,5 В.

Конденсатор С 1 блокирует цепь питания микросхемы по низшим частотам, а С 2-по высшим частотам электрических колебаний, что защищает микросхему от влияния на ее работу различных -электрических помех. Резистор R1 необходим для тощ, чтобы и при отключенной нагрузке регулирующий транзистор стабилизатора работал как усилитель тока.

Макетную панель (рис. 7,в), необходимую для проведения опытов, проверки работоспособности простых приборов и устройств, можно сделать из стеклотекстолита, гетинакса или другого листового изоляционного материала толщиной 1,5...2 мм. В крайнем случае подойдут хорошо проклеенная фанера, оргалит и даже картов. Ориентировочные размеры панели 80x120 мм. Вдоль длинных ее сторон укрепите предварительно облу-женные медные проводники толщиной 1,2...1,5 мм-они будут выполнять роль токонесущих шин источника питания. По всей оставшейся-площади через каждые 10 мм насверлите отверстия Диаметром 0,8...! мм, в которые по мере надобности будете вставлять узкие полоски жести, изогнутые наподобие петель,- они будут временными опорными точками выводов резисторов, конденсаторов, монтажных проводников. Снизу по углам панели прикрепите невысокие ножки и приступайте к опытам.

Рис. 8. Опыт с логическим элементом 2И-НЕ

Микросхему разместите в любом месте макетной панели выводами вниз, предварительно отогнув их узкие концы так, чтобы они плотно прилегали к панели. Отрезками монтажного провода вывод 14 микросхемы соедините с плюсовой, а вывод 7-с минусовой ("заземленной") шинами питания (рис. 7, б). Мощность пальяника не должна превышать 40 Вт, а продолжительность пайки-2 с., Проверив надежность и правильность пайки, а также убедившись в отсутствии замыкания между выводами микросхемы, подключите к шинам источник хпитания. Вольтметром постоянного тока X относительным входным сопротивление не менее 5 кОм/В измерьте напряжений на всех логических выводах элементов. Для этого отрицательный щуп вольтметра соедините с общей ("заземленной") шиной, а положительным поочередно коснитесь входных выводов 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, 13, а затем выходных выводов 3, 6, 8, 11. При напряжении источника питания 5 В вольтметр должен показать на входных выводах элементов около 1,4 В, а на выходных выводах - около 0,3 В. Если это не так, значит микросхема неисправна.

Опытную проверку логики действия элементов 2И-НЕ можно проводить в любом порядке. Предположим, решили начать с первого элемента (с выводами 1-3). Тогда сначала один из входных выводов, например вывод 2, соедините с общей минусовой шиной источника питания, а вывод 1-с плюсовой, но через резистор сопротивлением 1...1.5 кОм (на рис. 8, а-R1). К выходному выводу 3 элемента подключите вольтметр PU. Что показывает стрелка вольтметра, выполняющего в данном случае роль индикатора? Напряжение, равное примерно 3,5...4 В, т. е. соответствующее высокому уровню напряжения.

Затем измерьте вольтметром напряжение на входном выводе 1. И здесь, как увидите, тоже высокий уровень напряжения. Отсюда вывод: когда на одном из входов элемента 2И-НЕ высокий уровень напряжения, а на другом низкий, на выходе будет высокий уровень напряжения. Иначе говоря, элемент находится в единичном состоянии.

Теперь и входной вьюод 2 элемента соедините через резистор сопротивлением Г...1,5 кОм с плюсовой шиной, а проволочной перемычкой-с общей (рис. 8, б). Измерьте напряжение на вы-ходном выводе. На нем, как и в предыдущем случае, будет высокий уровень напряжения. Следя за стрелкой индикатора, удалите проволочную перемычку, чтобы и на втором входе элемента появился высокий уровень напряжения. Что фиксирует вольтметр на выходе элемента? Напряжение около 0,3 В, т. е. соответствующее низкому уровню. Элемент, следовательно, из единичного состояния переключился в нулевое.

Той же проволочной перемычкой замкните первый вход на обшую шину источника питания. На выходе при этом сразу появится высокий уровень напряжения. А если любой из входных выводов периодически замыкать на обшую шину питания, как бы имитируя подачу на него напряжения низкого уровня? С такой же частотой следования на выходе элемента будут появляться электрические импульсы и колебаться стрелка подключенного к нему вольтметра. Проверьте это опытным путем.

О чем говорят проведенные опыты? Они подтверждают логику действия элемента И-НЕ, проверенную ранее на его электрическом аналоге: при подаче напряжения высокого уровня на оба входа на выходе элемента появляется напряжение низкого уровня или, говоря иначе, элемент из единичного состояния переключается в нулевое.

Еще один опыт: отключите оба входных вывода элемента от других деталей и проводников. Что теперь на выходе? Низкий уровень напряжения. Так и должно быть, потому что неподключение входных выводов равнозначно подаче на них высокого уровня напряжения и, следовательно, установке элемента в нулевое состояние. Не забывайте об этой особенности логических элементов.

Следующий опыт-проверка действия того же логического элемента 2И-НЕ при включении его инвертором, т. е. как элемент НЕ. Замкните между собой оба входных вывода и через резистор сопротивлением 1...1,5 кОм соедините их с плюсовой шиной источника питания (рис. 8, в). Что показывает вольтметр, подключенный к выходу элемента? Низкий уровень напряжения. Не отключая резистора от этой шины, замкните объединенный вход на минусовую шину (показано штриховой линией) и одновременно проследите за реакцией стрелки вольтметра. Она покажет высокий уровень напряжения. Таким образом, вы убедитесь, что сигнал на выходе инвертора всегда противоположен входному.

Проведите подобные опыты с другими логическими элементами микросхемы К155ЛАЗ и сделайте соответствующие выводы.

Прервем на некоторое время опыты, чтобы ответить на вопрос: что внутри логического элемента 2И-НЕ?

До сих пор мы рассматривали этот логический элемент как некий "черный ящик" с двумя входами и одним выходом,, Теперь заглянем внутрь элемента и познакомимся с его электронной "начинкой" (рис. 9). Он состоит из четырех транзисторов структуры п-р-п, трех диодов и пяти резисторов.. Связь между транзисторами непосредственная. Резистор RH. показанный штриховыми линиями, символизирует нагрузку, подключенную к выходу элемента. Подобные электронные устройства цифровой техники называют микросхемами транзисторно-транзисторной логики или, сокращено, ТТЛ. Потому что входная логика осуществляется транзистором (первая буква Т), а усиление и инверсия-также транзисторами (вторая буква Т).

Входной транзистор VT1, включенный по схеме с общей базой, двухэмит-терный, причем эмиттеры соединены с общим проводом питания через диоды VD1, VD2- они защищают транзистор от случайного попадания на эмиттеры напряжения отрицательной полярности. Транзистор VT2 образует усилительный каскад с двумя нагрузками: эмиттерной (резистор R3) и коллекторной (резистор R2). Снимаемые с них противофазные сигналы (противоположные по уровню- если на коллекторе высокий уровень напряжения, на эмиттере - низкий) поступают на базы транзисторов VT3 и VT4 выходного каскада. Таким образом, выходные транзисторы во время работы всегда находятся в противоположных состояниях- один закрыт, а второй в это время открыт. Этому способствует и диод VD3.

Рис. 9. Схема логического элемента 2И-НЕ микросхемы К155ЛАЗ

При наличии на одном или обоих входах элемента напряжения низкого уровня (например, при соединении их с общим проводом источника питания), транзистор VT1 открыт и насыщен, транзисторы VT2 и VT4 закрыты, а транзистор VT3 выходного каскада открыт и через него, диод VD3 и нагрузку Re течет ток. В том же случае, когда на оба входа будет подан высокий уровень напряжения, транзистор VT1 закроется, а транзисторы VT2 и VT4 откроются и тем самым закроют транзистор VT3. При этом ток через нагрузку практически прекратится, так как элемент примет нулевое состояние.

Низкий уровень напряжения на выходе логического элемента равен напряжению на коллекторе открытого транзистора VT4 и не превышает 0,4 В. Высокий же уровень напряжения на выходе логического элемента (когда транзистор VT4 закрыт) отличается от напряжения источника питания на значение падения напряжения на транзисторе VT3 и диоде VD3 и составляет не менее 2,4 В. Фактически же логические уровни низкого и высокого напряжений на выходе элемента зависят от сопротивления нагрузки и могут быть в пределах 0,1...0,15 и 3,5...3,9 В соответственно.

Переход элемента из единичного состояния в нулевое происходит скачкообразно при подаче на его входы напряжения около 1,2 В, называемого пороговым.

Продолжим опыты с микросхемой К155ЛАЗ.

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Схема возможного варианта автоколебательного мультивибратора приведена на рис. 10, а. Она должна напомнить вам общеизвестную схему симметричного мультивибратора на двух транзисторах. Но здесь функцию активных элементов мультивибратора выполняют логические элементы 2И-НЕ, включенные инверторами. Благодаря положительным обратным связям между выходом элемента DD1.2 и входом DD1.1, а также выходом элемента DD1.1 и входом DD1.2, создаваемыми конденсаторами С1 и С2, устройство возбуждается и генерирует электрические импульсы. Частота следования генерируемых импульсов зависит от номиналов указанных конденсаторов и резисторов R1 и R2.

Рис. 10. Опыт с автоколебательным мультивибратором на логических элементах 2И-НЕ

Чтобы смонтировать такой мультивибратор на макетной панели, надо лишь подключить к соответствующим выводам микросхемы эти конденсаторы и резисторы (см. рис. 1, б). Проверьте монтаж - нет ли ошибок - и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов. Подключите к макетной панели источник питания, а к выходу второго логического элемента - вольтметр. Что показывает стрелка вольтметра? Напряжение постоянного тока, периодически, примерно 30 раз в минуту, возрастающее до высокого уровня и так же резко уменьшающееся до напряжения низкого уровня. Мультивибратор, следовательно, генерирует импульсы с частотой следования около 0,5 Гц.

Затем подключите вольтметр параллельно выходу первого элемента. Он будет фиксировать переходы логического элемента из нулевого состояния в единичное, и наоборот, с той же частотой, что и в предыдущем случае. Значит, и с этого выхода можно снимать электрические импульсы, но по отношению к импульсам на выходе второго элемента они будут сдвинуты по фазе на 180°.

Какие эксперименты можно провести с опытным мультивибратором такого варианта? Прежде всего попробуйте одновременно увеличить емкости обоих конденсаторов, например в два раза, подключая параллельно им такие же конденсаторы, а затем заменить их конденсаторами емкостью по 100...200 мкФ. В первом случае частота следования импульсов должна уменьшаться, во втором- увеличиваться.

Можно изменять емкость лишь одного конденсатора, например С1. Это изменит не только частоту, но и соотношение длительности импульсов и пауз между ними-мультивибратор станет несимметричным.

Конденсаторы могут быть емкостью по 1...5 мкФ. Тогда частота генерируемых импульсов возрастет примерно до 500.-.. 1000 Гц. Это уже звуковая частота, и стрелка вольтметра из-за своей инерционности не сможет среагировать на нее. Чтобы в этом случае убедиться в работе мультивибратора, к его выходу нужно подключить через конденсатор емкостью 0,01....0,015 мкФ головные телефоны - в них услышите звук средней тональности. Заменив теперь "дин из постоянных резисторов переменным такого же номинала, вы сможете в некоторых пределах плавно изменять частоту генерируемых импульсов, а значит и тональность звука в телефонах.

Не исключено, что собранный вами опытный мультивибратор работает неустойчиво, не возбуждается после замены деталей при пониженном напряжении источника питания. Причина тому - некоторая критичность номиналов резисторов на входе логических элементов из-за особенностей эмиттерного входа микросхем ТТЛ.

Суть этих особенностей заключается в следующем. Резистор на входе логического элемента, образующего одно из плеч мультивибратора, оказывается включенным в эмиттерную цепь входного транзистора элемента микросхемы. Ток эмиттера создает на нем падение напряжения, закрывающее этот транзистор. При сравнительно большом сопротивлении входного резистора (более 2,2...2,5 кОм) падение напряжения на нем столь значительно, что транзистор практически не реагирует на входной сигнал. И наоборот, при малом сопротивлении резистора (не более 600...700 Ом) входной транзистор элемента все время открыт и насыщен и, следовательно, оказывается неуправляемым входными сигналами.

Таким образом, для надежной работы мультивибратора такого варианта сопротивления входных резисторов логических элементов должны быть в пределах 800 Ом...2,2 кОм. Соответствующим подбором этих резисторов можно добиться устойчивой работы,, мультивибратора. Кроме того, нужно помнить, что на работу мультивибратора влияют разброс параметров микросхем, нестабильность напряжения источника питания, значительные изменения температуры окружающей среды.

Более стабилен в работе мультивибратор на трех логических элементах без резисторов на их входах, собранный, например, по схеме, приведенной на рис. 11, а. Все его элементы включены инверторами и соединены между собой последовательно. Времязадающую цепочку, определяющую частоту генерации, образуют конденсатор С1 и резистор R1.

Детали такого варианта автоколебательного мультивибратора смонтируйте на макетной панели (рис. 11 б). На ней же разместите и детали, индикатора работы мультивибратора, показанные на панели справа. Транзистор VT1 индикатора (рис. 11, в), питающийся от того же источника, что и микросхема, работает в режиме переключения как электронный ключ. Когда элемент DD1.3 мультивибратора находится в единичном состоянии (напряжение на его выходе соответствует высокому уровню), транзистор открыт и пампа накаливания HL1 в его коллекторной цепи горит. При переходе элемента в аулевое состояние лампа гаснет. По све-№нию сигнальной лампы будете судить о истоте и длительности генерируемых шпульсов. Впрочем, индицировать состояние любого из элементов мультивиб ратора можно и с помощью вольтметра постоянного тока, как это делали в опытах с первым мультивибратором.

Проверив монтаж, включите питание. Мультивибратор сразу же начнет генерировать электрические импульсы, о чем будет свидетельствовать периодически вспыхивающая сигнальная лампа. Подсчитайте, сколько будет вспышек за минуту. Должно быть примерно 60. Если это так, значит, частота следования импульсов мультивибратора равна 1 Гц.

Подключите параллельно конденсатору С1 второй конденсатор такой же емкости. Частота импульсов должна уменьшиться примерно вдвое. Такого же изменения частоты импульсов можно добиться увеличением сопротивления резистора. Проверьте это, а затем замените резистор переменным с номинальным сопротивлением 1,5... 1,8 кОм. Теперь, пользуясь только этим резистором, вы сможете плавно изменять частоту мультивибратора в пределах 0,5...20 Гц. Наибольшая частота будет в том случае, когда сопротивление резистора окажется полностью выведено, т. е. выводы 8 и 1, 2 почти накоротко замкнутыми,

А если емкость конденсатора будет 1 мкФ? В таком случае только переменным резистором удастся изменять частоту мультивибратора примерно от 300 Гц до 10 кГц. Чтобы убедиться в работоспособности мультивибратора, световой индикатор теперь придется заменить акустическим- головными телефонами или капсюлем от них.

Каков принцип работы такого варианта автоколебательного мультивибратора? Вернемся к его принципиальной схеме (см. рис. 11, а). После включения питания какой-то из логических элементов первым примет одно из двух возможных состояний и тем самым повлияет на состояние других элементов. Предположим, что это будет элемент DD1.2-он первым оказался в единичном состоянии. Сигнал высокого уровня через незаряженный конденсатор передается с его выхода на вход элемента DD1.1, в результате чего этот элемент перейдет в нулевое состояние. В таком же состоянии оказывается и элемент DD1.3, поскольку на его входах высокий уровень напряжения. Такое положение неустойчиво, так как на выходе элемента DD1.3 в это время высокий уровень напряжения, который постепенно уменьшается за счет зарядки конденсатора С1 через резистор R1 и выходной каскад элемента DD1.3. Как только оно станет равным пороговому, этот элемент переключится в единичное состояние, а элемент DD1.2-в нулевое. Теперь конденсатор начнет перезаряжаться через элемент DD1.3 (на его выходе в это время напряжение высокого уровня), резистор R1 и элемент DD1.2. Вскоре напряжение на входе первого элемента превысит пороговое, и все элементы переключатся в противоположные состояния.

Рис. 11. Мультивибратор на трех элементах 2И-НЕ и опыты с ним

Так формируются электрические импульсы на выходе нашего мультивибратора-выводе 8 элемента DD1.3. Впрочем, генерируемые импульсы можно снимать и с вывода 6-выхода элемента DD1.2 мультивибратора.

Теперь, разобравшись в работе трехэлементного мультивибратора, исключите из него элемент DD1.3 и переключите правый (по схеме) вывод резистора на выход первого элемента, как показано на рис. 12. Мультивибратор стал двухэлементным. Подключив к его выходу световой индикатор, вы убедитесь, что частота генерируемых импульсов осталась прежней-1 Гц. Как и в предыдущих опытных мультивибраторах, она будет изменяться при установке деталей других номиналов.

Как работает такой вариант генератора импульсов? Принципиально так же, как трехэлементный. Когда, к примеру, элемент DD1.1 находится в единичном состоянии, а элемент DDL2 в нулевом, конденсатор \С1 заряжается через резистор R1, выход первого элемента и выход второго. Как только напряжение на входе первого элемента достигнет порогового, оба элемента переключаются в противоположные состояния и конденсатор начнет разряжаться через выходную цепь второго элемента, резистор и выходную цепь первого элемента. Когда напряжение на. входе первого элемента снизится до порогового, элементы вновь переключатся в противоположное состояние.

Рис. 12. Вариант мультивибратора на двух элементах 2И-НЕ

Надо сказать, что среди микросхем К155ЛАЗ попадаются такие, логические элементы которых недостаточно устойчиво работают в двухэлементном мультивибраторе. В таких случаях приходится между входом первого элемента и общим проводником источника питания включать резистор сопротивлением 1,2...2 кОм (на"рис. 12 показан штриховыми линиями R2). Он создает на входе элемента постоянное напряжение, близкое к пороговому, что облегчает запуск и условия работы мультивибратора в целом.

Такие варианты мультивибратора широко используют в цифровой технике для генерирования импульсов различной частоты и длительности. Они будут и в конструируемых вами устройствах на логических элементах 2И-НЕ.

А сейчас-еще об одном варианте генератора из "семейства" мультивибраторов.

ЖДУЩИЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Так называют генератор одиночных импульсов. При кратковременном сигнале на входе он формирует электрический импульс прямоугольной формы вполне определенной длительности (она не зависит от длительности входного, т. е. запускающего, импульса), после чего Переходит в ждущий режим и не работает до прихода следующего запускающего сигнала.

Схему простейшего ждущего мультивибратора вы видите на рис. 13, а. В нем также два логических элемента-, но первый из них используется по своему прямому назначению - как элемент 2И-НЕ, а второй как инвертор. Кнопочный выключатель SB1 выполняет функцию датчика запускающих сигналов. Чтобы генерируемые импульсы можно было индицировать вольтметром постоянного тока, светодиодом или иным подобным сравнительно инерционным прибором, емкость конденсатора С1 должна быть не менее 500 мкФ, а сопротивление резистора R1 -1...1,5 кОм. Можно обойтись без выключателя SB1, имитируя сигнал датчика замыканием отрезком монтажного провода вывода 1 первого элемента на общую шину питания микросхемы.

Рис. 13. Опытный ждущий мультивибратор (а) и временные диаграммы (в), иллюстрирующие его работу

Смонтировав мультивибратор и включив питание, сразу же измерьте напряжения на входах и выходах элементов. На входном выводе 2 первого элемента и выходе второго элемента оно должно соответствовать высокому уровню напряжения, а на выходе первого элемента и входах второго - низкому уровню. Следовательно, в ждущем режиме первый элемент находится в нулевом состоянии, а второй - в единичном.

Затем подключите вольтметр к выходу второго элемента и, наблюдая за стрелкой индикатора, кратковременно замкните контакты выключателя SB1. Как на это реагирует измерительный прибор? Его стрелка резко отклоняется влево почти до нулевой отметки шкалы, а примерно через 2 с так же резко возвращается в исходное положение. Прибор фиксирует появление импульса отрицательной полярности. А светодиод? Он светится во время импульса. Повторите опыт несколько раз - эффект будет тот же.

Подключите параллельно конденсатору еще один - емкостью 1000 мкФ - и повторите опыт. Длительность импульса увеличится почти втрое. Замените резисторы переменным сопротивлением около 2 кОм (но не более 2,2 кОм). Теперь, пользуясь только этим резистором, вы сможете в некоторых пределах изменять длительность генерируемых импульсов. Но при его сопротивлении менее 100 Ом мультивибратор перестанет работать.

Вывод напрашивается сам: длительность одиночных импульсов ждущего мультивибратора будет тем больше, чем больше емкость времязадающего конденсатора С1 и сопротивление резистора R1. При небольшой емкости конденсатора и малом сопротивлении резистора импульсы становятся столь короткими, что индикаторы, которыми вы пользуетесь, оказываются неспособными на них реагировать.

Разобраться в сущности действия ждущего мультивибратора помогут временные диаграммы, приведенные на рис. 13, б. Поскольку в ждущем режиме входной вывод 1 первого элемента ни с чем не соединен (контакты кнопочного выключателя разомкнуты), это эквивалентно подаче на его вход высокого уровня напряжения. Но на выходе первого элемента низкий уровень напряжения. На входе второго элемента также низкий уровень напряжения, так как падение напряжения на резисторе, создаваемое входным током элемента, удерживает входной транзистор элемента в закрытом состоянии. Высокий же уровень напряжения на выходе этого элемента поддерживает первый элемент в нулевом состоянии.

Поданный на входной вывод 1 запускающий импульс отрицательной полярности (т зап на верхнем графике) переключает первый элемент в единичное состояние. Создающийся в этот момент (t i) скачок положительного напряжения на его выходе передается через конденсатор на входы второго элемента и переключает его из единичного состояния в нулевое. Такое состояние элементов сохраняется и после окончания действия запускающего импульса.

С момента появления положительного импульса на выходе первого элемента начинает заряжаться конденсатор - через выходной каскад первого элемента и резистор. По мере зарядки конденсатора напряжение на резисторе падает. Как только оно снизится до порогового, второй элемент переключится в единичное состояние, а первый - в нулевое. Теперь конденсатор быстро разрядится через выходной каскад первого элемента и входное сопротивление второго элемента, и устройство окажется в ждущем режиме.

При проведении опытов и экспериментов с ждущим мультивибратором учитывайте, что для нормальной его работы длительность запускающего импульса должна быть меньше длительности формируемого импульса.

Какие практические применения может найти мультивибратор на логических элементах микросхемы К155ЛАЗ?

О ПРАКТИЧЕСКОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Начнем с автоколебательного мультивибратора. Являясь устройством универсальным, он может найти разнообразное применение. Возьмем, к примеру, мультивибратор на трех логических элементах. Будучи смонтированным вместе с транзисторным индикатором по схеме на рис. 11, он становится генератором световых импульсов, который можно использовать для модели маяка. Если транзистор будет средней или большой мощности, например КТ801, в его коллекторную цепь можно включить несколько соединенных параллельно миниатюрных ламп накаливания - они украсят небольшую новогоднюю елку.

Если емкость конденсатора мультивибратора будет 1 мкф, а постоянный резистор R1 - переменным, сопротивлением 1,5 или 2,2 кОм, то получится генератор колебаний звуковой частоты, пригодный для проверки работоспособности трактов радиовещательных приемников, усилителей звуковой частоты.

К выходу такого устройства можно подключить телефонный капсюль ДЭМ-4м или транзисторный индикатор, но с динамической головкой в коллекторной цепи. Получится звуковой генератор, который можно использовать в качестве квартирного звонка или применить для изучения приема на слух телеграфной азбуки. В первом варианте питание генератора можно подавать через звонковую кнопку, во втором-через контакты телеграфного ключа. Частоту генерируемых импульсов в пределах 800...1000 Гц, соответствующую звуку средней тональности, устанавливают переменным резистором или подбором заменяющего его постоянного резистора.

Следующий пример использования мультивибратора-генератор прерывистого звукового сигнала (рис. 14). Он состоит из двух взаимосвязанных мультивибраторов, выполненных на логических элементах одной микросхемы К155ЛАЗ. Мультивибратор на элементах DD1.3 и DDL4 генерирует колебания частотой около 1000 Гц, которые преобразуются капсюлем ДЭМ-4м (BF1) в звук. Но звук прерывистый, потому что работой этого мультивибратора управляет другой - на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Он генерирует тактовые импульсы с частотой следования около 1 Гц. Телефон звучит лишь в те промежутки времени, когда на выходе тактового генератора появляется высокий уровень напряжения. Длительность звуковых сигналов можно изменять подбором конденсатора С1 и резистора R1, а высоту звука - подбором конденсатора С2 и резистора R2.

Рис. 14. Схема генератора прерывистого звукового сигнала

Ждущий мультивибратор, дополненный световым сигнализатором (рис. 15), может стать основой игрового автомата или аттракциона. Например, аттракциона под условным названием "Погаси свечу". Сам аттракцион -это макет горящей свечи на подставке. Если сильно подуть на свечу, то замаскированная в ее "фитиле" лампа накаливания HL1 должна погаснуть, а спустя некоторое время-вновь загореться.

"Секрет" аттракциона в том, что стенка подставки за свечой - легкая непрозрачная ткань, на обратной стороне которой напротив "фитиля" свечи укреплена небольшая жестяная пластинка. Это контакт датчика-выключателя SA1. На расстоянии 3.J.5 мм от нее расположен конец отрезка толстого провода-второй контакт выключателя. Сильная струя воздуха прогибает тканевую стенку коробки, и контакты выключателя замыкаются. На выходе ждущего мультивибратора появляется импульс отрицательной полярности, который закрывает транзистор и гасит Лампу.

Другой пример возможного использования такого автомата-тир для "стрельбы" теннисным мячом. "Яблочком" мишени служит металлическая пластинка диаметром 80... 100 мм, находящаяся на небольшом расстоянии от второго контакта. При точном попадании в "яблочко" контакты кратковременно замыкаются и сигнальная лампа гаснет. Йо можно сделать так, чтобы лампа индикатора, наоборот, при точном попадании в цель зажигалась. В этом случае надо лишь для индикатора использовать транзистор структуры р-п-р, например серии П213, и изменить полярность подключения выводов его эмиттера и коллектора, как показано на рис. 15, 6, При этом резистора в базовой цепи транзистора может не быть.

Рис. 15. Схема игрового автомата

Ждущий мультивибратор представляет интерес и как генератор одиночных импульсов для проверки работоспособности приборов и устройств цифровой техники, о чем мы поговорим чуть позже. Сейчас же приведем еще несколько примеров практического применения автоколебательного мультивибратора в радиолюбительских конструкциях.

На рис. 16 показана схема простейшего измерительного прибора-пробника, с помощью которого можно проверить качество электрических контактов монтажа, выключателя, целость катушки колебательного контура, исправность диода, качество конденсатора, р-п перехода транзистора. Его основа - симметричный мультивибратор на элементах DD1.1 и DD1.2, генерирующий импульсы с частотой следования около 1 кГц. Индикатором пробника служат светодиод HL1 или высокоомные головные телефоны типа ТОН-1, ТОН-2 или ТЭГ-1, подключении к двухгнездной розетке XS1. Щупы ХА11 ХА2 выполняют роль контактов своеоб разного выключателя, через который н; микросхему подается отрицательное на пряжение источника питания GB1. Пока щупы не замкнуты между собой, цепь питания разорвана и мультивибратор не работает. Если щупами коснуться концов проводника или выводов катушки индуктивности, через них цепь питания микро схемы окажется замкнутой и мультивибратор начнет генерировать электрические колебания звуковой частоты. При высоком уровне напряжения на выходном выводе 6 мультивибратора светодиод будет зажигаться, а при низком - гаснуть. А так как частота генерируемых импульсов достаточно высокая, глаз не замечает миганий светодиода - он светится как бы непрерывно. Если, однако, в проверяемом проводнике или в катушке обрыв то ни свечения светодиода, ни звука в телефонах не будет.

Чтобы проверить полупроводниковый диод, к его выводам подключают щупы пробника, сначала в одной полярности, а затем, поменяв местами, в другой. При одном подключении, когда диор относительно источника питания оказывается включенным в прямом направлении, световой и звуковой сигналы должны быть, а при обратном-нет. Появление сигналов при любой полярности подключения пробника укажет на тепловой пробой р-п перехода диода.

Аналогично проверяют исправность коллекторных и эмиттерных р-п переходов транзисторов, а также их участки эмиттер-коллектор.

Рис. 16. Измерительный пробник

Исправность конденсаторов проверяют на пробой (замыкание обкладок) по отсутствию светового (или звукового) сигнала при касании их выводов щупами пробника. При проверке электролитического конденсатора в момент подключения к его выводам щупов пробника могут появляться кратковременный звуковой сигнал и вспышка светодиода, которые вызывает ток зарядки конденсатора. Эти сигналы тем значительнее, чем больше емкость проверяемого электролитического конденсатора.

Источником питания такого измерительного пробника может служить батарея 3336Л или три гальванических элемента 316, 332, соединенные последовательно.

На логических элементах 2И-НЕ можно построить простой генератор колебаний звуковой частоты (34) и радиочастоты (РЧ) для проверки трактов радиовещательных приемников. Примером может служить прибор, схема которого показана на рис. 17. Его генератором колебаний звуковой частоты (около 1 кГц) служит мультивибратор на элементах DD1.3 и DD1.4. Генерируемые им колебания через инвертор DD2.2, конденсатор С5 и гнездо XS2 "34" с помощью щупа, вставляемого в это гнездо, подается на вход проверяемого усилителя звуковой частоты.

Генератор колебаний радиочастоты образуют логические элементы DD1.1, DD1.2, катушка L1 и конденсаторы С1, С2. Частота его колебаний определяется в основном индуктивностью катушки L1 и в небольших пределах может изменяться конденсатором переменной емкости С1.

Элемент DD2.1 выполняет функцию смесительного каскада прибора. На его входной вывод 1 поступают колебания радиочастоты, а на вход 2-колебания звуковой частоты. В результате на выходе элемента формируется импульсный сигнал радиочастоты, модулированный колебаниями звуковой частоты. Через конденсатор С4 и гнездо XS1 "РЧ" его подают на вход радиочастотного тракта (или одного из его каскадов) проверяемого приемника.

Катушку L1 контура генератора радиочастоты можно намотать на каркасе диаметром 8...9 мм с отрезком феррнто-вого стержня марки М600НМ внутри. Чтобы пробник работал в диапазоне 3...7 МГц, на такой каркас надо намотать 50-55 витков провода ПЭВ-2 0,2...0,3. В качестве конденсатора переменной емкости (С1) можно использовать подстроенный конденсатор типа КПК-1.

Конструкция такого измерительного генератора-пробника-произвольная. Для его питания желательно использовать источник стабильного напряжения 5 В, но можно и батарею ЗЗЗбЛ.

И еще один пример практического использования логических элементов цифровых микросхем - игра "Переправа". В основу содержания этой игры положена старинная логическая задача о волке, козе и капусте, которых перевозчик должен без потерь переправить на противоположный берег реки. Но лодка так мала, что кроме самого перевозчика она может вместить одного волка, или козу, или капусту. Оставлять же на берегу волка с козой или козу с капустой нельзя-обязательно будут потери.

Рис. 17. Генератор ЗЧ-РЧ для проверки трактов радиовещательного приемника

Безболезненно можно оставить вместе только волка с капустой. Как в такой ситуации должен поступить перевозчик?

Для решения этой задачи радиолюбитель И. Синельников из Калининграда предложил игровое электронное устройство на логических элементах 2И-НЕ и ЗИ-НЕ, принципиальную схему которого вы видите на рис. 18. Переключателями SA1 - SA4 играющий осуществляет "перевозку" пассажиров на противоположный берег реки. Так, например, если он считает, что первой через реку должна быть переправлена коза, он переводит вниз (по схеме) ручки переключателей SA2 "Коза" и SA1 "Перевозчик". Положение ручек переключателей отображают ситуации, сложившиеся в данный момент на переправе. Элементы DD1.1, DD1.2 (ЗИ-НЕ) и DD2.1, DD2.2 образуют логический узел, формирующий сигнал ошибочного хода, при котором возникает опасная ситуация на одном из берегов реки (волк может съесть козу, а коза- Капусту). О допущенной ошибке сигнализируют светодиоды HL1 и HL2, каждый из которых расположен на своем берегу, и звуковой сигнал, создаваемый динамической головкой ВА1.

Как работает такой игровой автомат? В исходном состоянии, когда все "пассажиры" и перевозчик находятся на одном берегу реки, что соответствует показанным на схеме положениям переключателей SA1 - SA4 (и включено питание), на выходах элементов DD1.1, DD1.2 и DD2.1- логического узла действуют высокие уровни напряжения и, следовательно, светодиоды не светятся, а на выходе элемента DD2.2 - низкий уровень. В этом нетрудно убедиться по положениям переключателей. При включении питания кнопкой SB1 "Переправа" на входе 2 элемента DD1.1 и входе 3 элемента DD1.2, являющихся логическими элементами ЗИ-НЕ (отличаются от элементов 2И-НЕ лишь тем, что они трехвходовые), а также на обоих входах элемента DD2.1 возникают низкие уровни напряжения. А для элементов 2И-НЕ и ЗИ-НЕ этого достаточно, чтобы на их выходах появился высокий уровень напряжения. Оба входа элемента D&2.2 в это время остаются свободными, на них, следовательно, высокие уровни напряжения, а на выходе j$, а значит и на входе 5 элемента DD1.2, с которым он соединен, низкий уровень напряжения.

Предположим, что играющий первым ходом переправляет на другой берег козу. Для этого он должен перевести в другое положение ручки переключателей SA2, SA1 и нажать кнопку SB1. При этом на выходах всех четырех элементов логического узла будут, как и в исходном состоянии, такие же уровни напряжения, и ни один из светодиодов не загорится. А если попытаться первым перевести волка? В таком случае переключатель SA3 создаст на входе 9 элемента DD2.2 низкий уровень напряжения, в результате чего на его выходе и входе 5 элемента DD1.2 появится высокий уровень напряжения. Сигнал такого же уровня будет и на двух других входах элемента DD1.2, так как они окажутся свободными, что равнозначно подаче на них высокого напряжения, на его выходе 6 появится низкий уровень напряжения, который зажжет светодиод HL2 - сигнал опасной ситуации (оставшаяся на берегу коза может съесть капусту!). А светодиод HL1, находящийся на другом берегу реки, гореть не будет, так как в это время на входе 13 элемента DD1.1 переключатель SA1 создаст низкий уровень напряжения.

Рис. 18. Схема логического автомата "Переправа"

С выходов элементов DD1.1 и DD1.2 сигнал опасной ситуации подается также на входы 9 и 10 элемента DD1.3. При появлении на одном из них низкого уровня напряжения на выходе элемента начинает действовать напряжение высокого уровня, которое запускает мультивибратор, собранный на элементах DD2.3 и DD2.4. С выхода мультивибратора генерируемые им колебания частотой около 500 Гц поступают на базу транзистора VT1, включенного эмитгерным повторителем, и головкой ВА1 преобразуются в тревожный звуковой сигнал. Переключателем SA5 звуковую сигнализацию, оповещающую об ошибке в решении задачи, независимо от того, на каком из берегов возникла опасная ситуация, можно отключить, оставив лишь световую сигнализацию.

Резистор R5 выполняет роль ограничителя тока базы транзистора VT1. Через резистор R3 на неиспользуемый вход 11 элемента DD1.3 подается высокий уровень напряжения, что защищает узел сигнализации от различных электрических помех. Подстроечным резистором R6, включенным в коллекторную цепь транзистора, устанавливают желательную громкость звучания головки ВА1.

Детали игрового автомата, кроме элементов коммутации, светодиодов и динамической головки, можно смонтировать на печатной плате размерами 70x25 мм (рис. 19, и) и разместить ее в плоском пластмассовом или изготовленном из фанеры корпусе размерами примерно 120x90x50 мм (рис. |9, б). На передней стенке корпуса должен быть рисунок реки, вдоль русла которой укреплены переключатели SA1 - SA4, а на противоположных берегах - светодиоды HL1 и HL2. Здесь же находятся переключатель SA5 и кнопка SB1 "Переправа". Переключатели SA1 -SA5 типа М1-1 или тумблеры ТВ2-1, кнопка SB1 - типа КМ 1-1. Динамическая головка ВА1 мощностью 0,1...0,25 Вт, например 0,25ГД-10. Источником питания может служить двухполупериодный выпрямитель с выходным напряжением 5 В или батарея 3336Л.

Рис. 19. Монтаж деталей и конструкция игрового автомата "Переправа"

Перед началом решения задачи все переключатели должны быть в исходном положении, соответствующем ситуации, когда все "пассажиры" и перевозчик находятся на одном берегу реки. Затем начинают вереправу на другой берег ставят ручки соответствующих переключателей такг чтобы они были направлены в сторону берега, куда должна плыть лодка, и, нажав на кнопку "Переправа", проверяют правильность хода. Если при этом появляется световой или звуковой сигнал ошибки, ход считается неверным - надо искать другой вариант решения задачи.

Чтобы убедиться в правильной работе игрового автомата, надо знать хотя бы один вариант решения логической задачи. Он может быть таким. Сначала перевозчик переправляет на другой берег козу. Затем возвращается обратно и забирает капусту. На другом берегу он оставляет капусту и забирает козу. Переправив обратно козу, сажает в лодку волка и перевозит