Электроника для начинающих

Тактовый сигнал является одним из наиболее важных сигналов для схем последовательного действия, так как он служит для синхронизации всех операций. Этот сигнал имеет прямоугольную форму и может иметь частоту в несколько сотен кило- или мегагерц. Как мы можем генерировать тактовый сигнал? Самый простой способ состоит в использовании логических вентилей. Объединив два вентиля НЕ с двумя резисторами и одним конденсатором, мы можем построить генератор прямоугольных импульсов. Этот тип генератора называется «нестабильным», потому что он не имеет состояния покоя, но проходит непрерывно от одного состояния к другому… создавая прямоугольный сигнал.

Рис. 8.20. Электрическая схема тактового генератора, включающего два вентиля НЕ микросхемы 74НС04

Теоретическая схема требует только резистор R и конденсатор С. Вентили НЕ соединены последовательно, так что выход одного соединен с входом второго. Выход второго вентиля соединяется с сопротивлением и конденсатором и снова соединяется с входом первого вентиля.

Представим ситуацию, в которой вход первого вентиля находится в низком уровне (0). На входе второго вентиля мы имеем высокий уровень (1), и, следовательно, выход второго вентиля будет в низком уровне (0). Таким образом, конденсатор С заряжается, и напряжение, которое поступает на вход первого вентиля НЕ, медленно поднимается, до тех пор, пока не достигнет порогового значения, которое вентиль НЕ распознает как высокий уровень. Уровни поменяются местами, и на вход второго вентиля будет поступать низкий уровень (0). Таким образом конденсатор С разряжается, поэтому напряжение постепенно снижается до тех пор, пока вентили не перейдут в их исходное положение. Процесс повторяется, и на выходе второго вентиля НЕ можно получить прямоугольный сигнал. В реальной схеме мы должны добавить резистор между конденсатором и входом первого вентиля НЕ. Это сопротивление обычно имеет значение, равное десяти сопротивлениям R, и служит для предотвращения повреждений вентиля.

Частоту колебаний можно получить, выполнив ряд непростых вычислений, которые приводят к следующей формуле:

Тактовые частоты очень высоки, но мы можем замедлить наш генератор, заставив светодиод мигать. Используем резистор на 100 кОм и конденсатор на 10 мкФ. Частота будет составлять около 0,72 Гц. Эта схема будет зависеть от условий окружающей среды, поскольку использует компоненты, значения которых в значительной степени зависит от температуры. Даже при изменении напряжения питания частота может изменяться.

Давайте попробуем построить генератор. Электрическая схема цепи, которую мы соберем, показана на рис. 8.20. Вот список необходимых элементов:

• макетная плата;

• интегральная схема 74НС04 по КМОП-технологии, содержащая 6 вентилей НЕ;

• красный светодиод;

• резистор на 220 Ом;

• резистор на 100 кОм;

• резистор на 1 МОм;

• конденсатор на 10 мкФ;

• конденсатор на 0,1 мкФ;

• источник питания на 5 В;

• перемычки или соединительные провода.

В схеме мы разделили чип и, вместо того, чтобы обозначать его простым прямоугольником, мы обозначили отдельные вентили НЕ. Для упрощения сборки в электрических схемах на логических вентилях мы также обозначили номера выводов.

Когда чип содержит большое число логических вентилей, каждый элемент получает имя, например U1a, Ulb, U1с и Uld и так далее. Только на одном из вентилей обозначаются соединения на землю и к источнику питания.

Перейдем к сборке.

1. Объединим шины электропитания по обоим краям макетной платы, чтобы иметь электропитание с обеих сторон.

2. Вставляем микросхему в центр макетной платы.

3. Подключаем вывод 14 от 74НС04 к красной шине источника питания на 5 В.

4. Вывод 7 от 74НС04 соединяется с синей шиной электропитания на 0 В.

5. Добавляем сопротивление на 1 МОм и на 100 кОм. Резисторы должны иметь общий вывод. Проконтролируем, что вывод резистора на 1 МОм соединен с выводом 1 микросхемы, а вывод резистора на 100 кОм – с выводом 4 микросхемы.

6. С помощью перемычки объединяем выводы 2 и 3 микросхемы.

7. Конденсатор на 10 мкФ должен быть соединен между выводом 3 и столбцом, на котором объединяются два резистора.

8. Добавляем резистор на 220 Ом и светодиод. Резистор подключен к выводу 4 микросхемы.

9. Добавляем конденсатор мостиком между двумя линиями питания. 10. Подаем на цепь питание 5В, и светодиод будет мигать!

Чтобы построить генератор с высокими и стабильными частотами, используется похожий вариант схемы, которая вместо резисторов и конденсаторов использует кристалл кварца.

Кристалл кварца колеблется очень точно, при этом частота колебаний не существенно зависит от температуры. Частота колебаний цепи зависит только от частоты кварца. С кварцем на 16 МГц схема будет колебаться точно на частоте 16 МГц. Кварц должен сопровождаться двумя небольшими керамическими конденсаторами со значениями в несколько десятков пикофарад (обычно 20 или 18 пФ). Значение этих конденсаторов зависит от используемого кварца и может быть рассчитано на основе паспортных данных.

Рис. 8.21. Генератор с вентилями НЕ, собранный на макетной плате