Как проектировать электронные схемы

В зависимости от того, к какому источнику подключен светодиод (к Vcc или Vss), он либо никогда полностью не погаснет, либо будет гореть с меньшей интенсивностью. В подобных случаях на выходе операционного усилителя рекомендуется поставить буферный каскад на транзисторе.

Объединение выходов операционных усилителей

Иногда при использовании ОУ в качестве компараторов напряжения возникает необходимость объединения их выходов. Разумеется, такую операцию нельзя проводить с моделями, для которых подобный вид соединения не предусмотрен (например, LM324). Микросхема LM389 имеет на выходе каскад на транзисторе n-p-n типа с открытым коллектором (см. раздел «Каскады с открытым коллектором») и допускает такое соединение. Типичное применение такой схемы — отслеживание аналоговой величины (например, напряжения батареи) и выдача сигнала в случае ее выхода за пределы заданного диапазона (рис. 2.4). Оба усилителя включены по схеме компаратора, один для верхнего порога, другой — для нижнего.

Когда контролируемое напряжение находится в допустимых пределах, на выходе каждого компаратора имеется состояние логической единицы (выходной транзистор выключен). Когда же напряжение выходит за заданные рамки, логическое состояние на выходе изменяется на противоположное.

Объединение выходов применяется также в устройствах, в которых аналого-цифровое преобразование выполняется путем сравнения напряжений, где один и тот же бит (выход всех компараторов) служит для считывания результатов многих преобразований. Во всех случаях не следует забывать о подключении нагрузочного резистора, общего для всех компараторов, к положительному выводу источника питания.

СВЕТОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Буквенная индикация

Семисегментный индикатор позволяет отображать не только цифры, но и некоторые другие знаки и символы. Если творчески отнестись к поставленной задаче, можно обойтись без 16-сегментной модели или точечной матрицы, которые намного дороже и сложнее в применении. При этом вид отображаемой информации будет в большей степени зависеть от возможностей индикатора, чем от реальной необходимости. На рис. 2.5 представлены некоторые примеры того, что может отображать индикатор. Управление различными сегментами осуществляется при помощи специализированной логической схемы, как и в большинстве случаев применения символьной индикации.

Алфавитно-цифровые индикаторы на жидких кристаллах

Кроме классических семисегментных индикаторов имеется семейство так называемых «разумных» индикаторов. Они могут отображать не только цифры, но также буквы и некоторые другие символы на одной или двух строках из 8 или 16 знаков с фоновой подсветкой или без нее. Такие модули снабжены довольно сложной электроникой, они получают информацию от микроконтроллера через стандартный параллельный интерфейс в сочетании с тремя дополнительными управляющими вводами (рис. 2.6).

Два ввода постоянно используются при работе, а третий (R/W), служащий при необходимости для считывания содержимого внутренней памяти, может быть заземлен через резистор.

Наиболее распространенные управляющие программы описаны в главе 5. Пока же достаточно отметить, что индикатором можно управлять с помощью четырех битов вместо восьми. В этом случае, как ни странно, многие модели со строкой из 16 знаков начинают функционировать как двустрочные индикаторы, содержащие по восемь знаков на строку. Иначе говоря, после отправления восьмого знака необходимо выдать команду перехода на другую строку, чтобы получить возможность написать девятый знак.

Индикаторные модули позволяют регулировать контрастность изображения с помощью внешнего переменного резистора. Такое устройство необходимо, поскольку подключение соответствующего контакта к фиксированному напряжению (Vss или Vcc) не позволяет получить оптимальную контрастность. При подборе яркости фоновой подсветки, которую дают размещенные за индикатором светодиоды, лучше определить величину ограничивающего резистора экспериментальным путем, не полагаясь на инструкции производителя.

Подсветка потребляет много энергии, поэтому желательно выбрать максимально допустимую величину резистора, обеспечивающую достаточное освещение при любых условиях.

Мультиплексирование многоразрядного индикатора Как правило, семисегментным индикатором управляют посредством специализированной микросхемы декодирования (например, CD4511), включающей в себя четырехбитный дешифратор, защелку и несколько буферных каскадов для запуска каждого светодиода.

Если для индикации необходимо использовать ряд цифр, задача существенно усложняется, ведь при этом нужны схемы декодирования для всех цифр, а каждой из этих схем должна также управлять довольно сложная логическая схема (рис. 2.7а).

В таком случае рисунок печатной платы принимает вид головоломки, поскольку индикатор может иметь самое различное размещение компонентов. Кроме того, резко увеличивается общий расход тока, поскольку токи, потребляемые каждым освещенным сегментом, суммируются.

Другой подход состоит в мультиплексировании индикации, когда нужные цифры отображаются одна за другой с частотой, при которой создается впечатление, что все они светятся постоянно.

Если частота повторения слишком высока, яркость свечения снижается, при слишком низкой частоте появляется заметное мелькание. Подобная техника существенным образом упрощает электрические соединения и сокращает общее потребление энергии, поскольку в каждый момент времени горит только один индикатор.

На схеме, показанной на рис. 2.7б, осуществляется поочередное подключение общего электрода каждого из индикаторов (анода или катода). Когда некоторые сегменты активированы, загорается только тот индикатор, общий электрод которого также активирован, а остальные индикаторы погашены. Сначала управляющий сигнал поступает на общий электрод светодиодов первого индикатора, активируя его на определенный промежуток времени. По истечении этого интервала сигнал получает следующий индикатор и т. д. При этом необходимо точно соблюдать последовательность подачи управляющих сигналов на общий электрод и на соответствующие сегменты, что успешно выполняется некоторыми специализированными интегральными схемами (например, ICL7107). Вместо этого можно использовать микроконтроллер с соответствующим программным обеспечением.

Температурный дрейф подстроенных резисторов

У всех резисторов, в особенности у подстроенных, номиналы могут изменяться в зависимости от температуры. Необходимо учитывать это явление как при разработке, так и при изготовлении схемы. По обе стороны от подстроенного резистора следует поместить постоянные резисторы (рис. 2.8), а также расположить подстроенный резистор как можно дальше от всех источников тепла.

Желательно удалить на максимальное расстояние охлаждающие радиаторы, стабилизаторы, мощные резисторы и трансформаторы. Дополнительные резисторы позволяют свести диапазон регулировки сопротивления к минимуму Кстати, к этой мере рекомендуется прибегать всегда, даже когда нет опасности перегрева. Как правило, после тестирования схемы необходимо уточнить рассчитанные параметры.

ТРИГГЕРЫ И СЧЕТЧИКИ

Триггеры (логические элементы с двумя устойчивыми состояниями, подобные выключателю) могут быть выполнены как в ТТЛ (7413, 7414 и т. д.), так и в КМОП (CD4013) базисе. В одном корпусе содержится как минимум два триггера. При их монтаже необходимо соединить между собой некоторые выводы, что усложняет рисунок печатной платы. Вместо этих компонентов можно взять любой двоичный счетчик (рис. 2.9) и использовать в качестве выходного сигнала состояние бита с наименьшим весом (Q0 или Q1, в зависимости от изготовителя). Начальное состояние триггера можно выставить, подавая сигнал сброса на соответствующий вход счетчика.