Как проектировать электронные схемы

Галле Клод

Можно также построить линейный индикатор собственными силами, используя круглые или прямоугольные светодиоды разных цветов или одного цвета. Однако управлять таким индикатором не очень просто. Для этого необходимо располагать двоичными сигналами, число которых равно числу светодиодов. Если прибор содержит несколько однотипных модулей, разработка его схемы заметно усложняется. Более простое решение — использовать один или несколько двоичных счетчиков (рис. 2.21).

Счетчик

заставляют считать вперед, воздействуя на его тактовый вход до тех пор, пока на выходах не появится требуемый результат. При подаче сигнала сброса все выходы счетчика переходят в нулевое состояние. После первого тактового импульса выход младшего разряда переходит в состояние логической единицы. Следующий период устанавливает это состояние на втором выходе, а первый разряд обнуляется. Третий период переводит в состояние логической единицы оба первых выхода и т. д. Если каждый из выходов соединить со светодиодами, такой двоичный счет будет отображаться индикатором.

По этому принципу можно построить линейный индикатор точечного типа (в каждый момент горит один светодиод) или типа светящейся шкалы. Управлять счетчиком для получения требуемой индикации должен микроконтроллер. Сложность этой задачи заключается в том, что счетчик невозможно сразу вернуть назад. Например, если горит третий светодиод, а необходимо зажечь второй, сначала надо погасить оба (через вход Reset), а затем отправить нужное число тактовых импульсов. Чтобы промежуточные этапы счета не были видны на индикаторе, следует увеличить скорость операций, особенно при зажигании последних светодиодов. Действительно, зажигание последнего диода из ряда, содержащего 10 штук, требует отправления 512 импульсов, а зажигание одновременно всех десяти — 1023 импульсов. Такая процедура не требует сложных вычислений для определения числа импульсов, соответствующего заданному состоянию индикатора.

В рассмотренном устройстве можно использовать любой двоичный счетчик (если только он имеет все необходимые выходы). Для создания очень большой шкалы придется каскадно соединить несколько таких счетчиков (см. выше). Не рекомендуется подключать светодиоды непосредственно к выходам счетчика, лучше использовать ряд буферных каскадов на основе микросхем типа ULN2004 или дискретных транзисторов, собранных в корпусе DIP.

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

В настоящее время непрерывно растет число устройств, осуществляющих аналого-цифровое преобразование. По-видимому, стрелочный мультиметр скоро станет раритетом, так же как и ртутный термометр или стрелочный спидометр автомобиля. Для решения некоторых задач, например для цифровой обработки изображения, созданы преобразователи с числом каналов, разрешающей способностью (число бит) и скоростью, которые несколько лет тому назад трудно было себе представить. Такие схемы требуют сложного и дорогостоящего программирования даже для довольно простых приложений.

Схема аналого-цифрового преобразователя, представленная на рис. 2.22, уже в значительной мере устарела. Подобной схемой были оснащены игровые приставки для домашних компьютеров примерно лет пятнадцать назад. Ее разрешающая способность весьма скромна (приблизительно 8 бит), однако точность заслуживает уважения. Время преобразования зависит от номиналов выбранных компонентов, а также от частоты тактового генератора. Принцип работы схемы основан на сравнении известного напряжения с тем, которое нужно измерить.

Для этого используется интегрирующая RC цепочка, на которую подается серия импульсов

с фиксированной частотой, но переменной шириной. На конденсаторе формируется пилообразное напряжение, которое подводится к одному из входов компаратора напряжений, построенного на основе операционного усилителя. Импульсы генерируются микроконтроллером, он же управляет регистром, содержащим результат измерения.

В начале цикла преобразования регистр результата обнуляется. Одновременно с этим на интегрирующую цепочку подается положительный импульс, и конденсатор начинает заряжаться. Считывание состояния выхода компаратора в конце первого такта позволяет узнать, превышает ли напряжение на конденсаторе измеряемую величину. Если нет, то содержимое регистра увеличивается на единицу, а импульс поддерживается в состоянии логической единицы в течение нового тактового промежутка. После его окончания процесс считывания повторяется. Так продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не превысит измеряемую величину, после чего входной импульс прекращается, а конденсатор разряжается. В этот момент число, содержащееся в регистре, соответствует измеряемой величине.

Выбор параметров для компонентов схемы выполняется с учетом периода следования импульсов. В частности, произведение RC должно быть не меньше этого периода. Среди возможных областей применения рассмотренной схемы можно отметить считывание положения потенциометра, а также измерение аналоговой величины, значение которой должно отображаться на линейном индикаторе (со сравнительно невысокой точностью).

ЦИФРО-АНАЛОГОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

В этой области за последние годы достигнут такой же большой прогресс, как и в сфере аналого-цифрового преобразования (см. предыдущий раздел). Для преобразования цифровой величины в аналоговый сигнал можно использовать простую схему (рис. 2.23), которая содержит только стандартные компоненты.

В данную схему входят несколько резисторов и операционный усилитель. Она используется автономно или подключается к параллельному порту компьютера (например, к порту принтера). Точность преобразования невысока, но в данном случае требуется не генерация постоянного напряжения с высокой точностью, а скорее, приблизительная реконструкция сложного аналогового сигнала, например речи или музыки. Схему можно использовать также в качестве генератора НЧ сигналов.

Принцип работы несложен. Ко входам, на которые поступает двоичное восьмибитное слово, подключены резисторы. Их номиналы рассчитаны так, чтобы вес каждого бита соответствовал величине тока в данной цепи. Например, вход бита наименьшего веса соединен с резистором 220 кОм. К следующему входу подключен резистор, сопротивление которого приблизительно в два раза меньше (около 100 кОм) и так далее до бита наибольшего веса (с сопротивлением 1 кОм). Полученные таким образом токи складываются операционным усилителем, который преобразует их в напряжение.

Синтезированный сигнал обычно подается на НЧ усилитель или на каскад, обеспечивающий низкое выходное сопротивление при использовании схемы в качестве генератора.

Чтобы компенсировать постоянную составляющую сигнала на выходе операционного усилителя, на его неинвертирующий вход подается постоянное напряжение с делителя, равное половине напряжения питания. С целью полного подавления постоянной составляющей перед последующим каскадом обычно включают разделительный конденсатор. Для фильтрации частоты считывания, с которой двоичные слова подаются на преобразователь, требуется применение простого НЧ фильтра.