Cd4066Be схема включения. CD4066: Эффективное управление аналоговыми сигналами с помощью электронных ключей

В этой схеме, изменяя комбинацию сигналов на управляющих входах, можно получить различные значения выходного сопротивления, эмулируя работу потенциометра.

Сравнение CD4066 с аналогами

CD4066 имеет несколько аналогов, каждый из которых имеет свои особенности:

• CD4016: похож на CD4066, но имеет более высокое сопротивление во включенном состоянии
• 74HC4066: высокоскоростная версия CD4066 с меньшим сопротивлением во включенном состоянии
• MAX4066: улучшенная версия с меньшим сопротивлением и более широким диапазоном напряжений
• ADG5434: имеет низкое сопротивление и может работать с сигналами до ±15В

Выбор конкретной микросхемы зависит от требований к скорости переключения, сопротивлению во включенном состоянии и диапазону коммутируемых напряжений.

Заключение: почему CD4066 остается популярным выбором

Несмотря на появление более современных аналогов, CD4066 продолжает широко использоваться в электронике. Причины этого:

• Проверенная временем надежность
• Широкая доступность и низкая стоимость
• Простота применения
• Совместимость с широким спектром устройств
• Низкое энергопотребление

Эти факторы делают CD4066 отличным выбором для многих проектов, от любительских до профессиональных.

Реле времени с установкой двух интервалов работы (CD4060, CD4066)

Принципиальная схема самодельного реле времени с установкой двух интервалов работы, выполнена на микросхемах CD4060, CD4066. В журнале Р-01-2009 была статья В. Васильева «Двухинтервальное реле времени», в которой описывался автомат для управления освещением в курятнике в ночное время.

Желание повторить конструкцию натолкнулосьна невозможность приобретения микросхем серии К561 и К176. Ведь, для жителя сельской местности сейчас почти единственным источником радиодеталей является уже известный многим китайский интернет-посылторг Aliexpress. А там продаются микросхемы преимущественно зарубежного производства.

Поэтому пришлось переделать схему на эту элементную базу. И получилось даже компактнее, — в исходном варианте было четыре микросхемы, а в моем всего две, -счетчик-генератор CD4060B и коммутатор CD4066.

Принципиальная схема

Схема показана на рисунке выше. В её основе почти «типовое» реле времени на ИМС CD4060. Частота встроенного генератора задается переменным резистором, а потом делится 14-разрядным двоичным счетчиком.

Для того чтобы периоды времени когда нагрузка включена, и когда выключена были разными и устанавливались раздельно «типовая» схема реле времени дополнена коммутатором, который переключает переменные резисторы, предназначенные для задания временного интервала.

Рис. 1. Схема реле с установкой интервалов работы, выполнена на микросхемах CD4060, CD4066.

Теперь подробнее. В момент включения питания счетчик микросхемы D1 цепью C3-R1 устанавливается в нулевое состояние. При этом нуль с его старшего выхода (вывод 3) поступает на управляющий вывод (13) ключа D2.1.

Ключ закрыт. Закрыт ключ и D2.3. На управляющий вывод ключа D2.2 поступает единица через резистор R2. Ключ D2.2 открывается и подключает к частотозадающей цепи микросхемы D1 переменный резистор R5.

В то же время, ноль с вывода 3 D1 поступает на базу VT1 и ключ VT1-VT2 закрыт. Реле К1 осветительную лампу выключает. Начинается отсчет времени выключенного состояния лампы, который зависит от положения переменного резистора R5 и может быть им установлен любым в пределах от 30 минут до 5 часов. Как только заданное время истекает на выводе 3 D1 возникает логическая единица.

Транзисторы VT1 и VT2 открываются и реле К1 включает лампу. В то же время, единица с вывода 3 D1 поступает на управляющие выводы ключей D2.1 и D2.3.

Эти ключи открываются. Напряжение на управляющем выводе D2.2 (5) падает до нуля и ключ D2.2 закрывается, отключая резистор R5 от частотозадающей цепи микросхемы D1, но открывается ключ D2.3 и к частотозадающей цепи микросхемы D1 подключает переменный резистор R6. Теперь начинается интервал времени включенного состояния осветительной лампы.

Он зависит от сопротивления R6 и так же может быть установлен любым в пределах от 30 минут до 5 часов. Затем, как этот интервал заканчивается, лампа гаснет и все повторяется заново.

Детали и налаживание

Источником питания служит стандартное USB-зарядное устройство для сотовых телефонов, смартфонов, планшетов и других устройств, заряжаемых через USB-порт. Поэтому напряжения питания выбрано 5V.

И реле К1 выбрано с обмоткой на номинальное напряжение 5V. Но, микросхемы могут питаться напряжением от 3 до 16V, соответственно и напряжение питания всей схемы может быть в этих пределах, только нужно будет применить другое реле, с обмоткой на необходимое напряжение питания.

Микросхемы CD4060B и CD4066 можно заменить другими аналогами типа «4060» и «4066». Причем ИМС CD4066 можно заменить отечественной К561КТЗ. Отечественного аналога для CD4060B нет. Конденсаторы С1 и С4 должны быть на напряжение не ниже напряжения питания схемы. Переменные резисторы R5 и R6 — с линейным законом изменения сопротивления.

Диод 1N4148 можно заменить любым кремниевым маломощным диодом, например, КД522, КД521. Транзисторы ВС547 можно заменить любыми п-р-п транзисторами, допускающими коллекторный ток не ниже 0,1 А (обмотка реле BS-115C имеет сопротивление 80 От, соответственно ток через неё при напряжении 5V будет 0.0625А). Подойдут такие транзисторы как, например, КТ3102.

Если же будет использовано другое реле, с более мощной обмоткой, то и транзистор VТ2 должен быть соответственно мощнее. Налаживание заключается в градуировке шкал установки времени, расположенных вокруг рукояток переменных резисторов.

Для упрощения этой весьма нудной процедуры можно интервал времени измерять не на выводе 3 D1, а на выводе 16, на нем интервал времени будет ровно в 16 раз меньше чем на выводе 3. Так что минимальный получается 112 секунд, а максимальный 18 минут 45 секунд. Это все же легче чем ждать 5 часов.

Максимов А.

Нужна помощь с использованием LM358, микроконтроллера и +/- блока питания

Этот вопрос, по-видимому, содержит большую (большую часть :-)) информацию, необходимую для его решения, в четком и понятном формате. Это очень приветствуется и очень необычно.

Система представляет собой «секвенсор», который последовательно подключает ряд настроек потенциометра к выходу с использованием выходных вентилей CD4066. ( Спецификация CD4066 здесь )

У этого есть много незначительных, но фатальных недостатков, которые должны быть легко исправлены. Знание того, для чего оно будет использоваться, какова скорость шага и всегда ли включен хотя бы один выход, поможет качеству решения.

Обобщенное решение — следующее может иметь значение:

• Супер резюме

  • «D1-D8» — это пик, удерживающий выходной сигнал.
    LED1-LE8 фиксируют сигналы привода CD4066.
    Фактические сигналы питания и привода необходимо проверить на относительную правильность.

  • Удалить выходные диоды

  • Маленькая заглушка для заземления от контакта 3 IC3A

  • Arduino Vcc = CD4066 Vdd.

  • Если Vcc = Vdd = 3V3, то Vpot_all <= 4V.

  • Если Vcc = Vdd = 5V, то Vpot_all <= 5V в порядке.

  • Снимите LED1-LED8 или добавьте резисторы серии 10K.

  • Управляйте IC3 от + 12V / 0V источников.

  • Рассмотрим ограничение Vpotmax, чтобы сказать 4V, чтобы дать IC3 запас.

  • Это идет! 🙂

Более подробно, еще резюме …

• Снять D1-D11 с выходов вентилей CD4066 (заменить на короткое замыкание).

• Поместите маленький конденсатор и / или большой резистор на вывод 3 IC3A = вход для усилителя. Это обеспечивает выборку и удерживающий конденсатор и отрицательную ссылку соответственно. Размер крышки зависит от скорости мультиплексирования. Может быть около 1 нФ, если скорость замедлена. Резистор 1 МОм или выше.

• Если LED1 — LED8 не имеют последовательных резисторов, предоставьте их или удалите светодиоды, пока проверяете это решение. Резисторы должны быть достаточно большими, чтобы светодиоды лишь слегка загружали выходы Arduino D0-D7. Они ДОЛЖНЫ подняться как минимум до 3,5 В в течение всего времени CD4066.

• CD4066 Vdd не указан. Пожалуйста уточни. Должен быть таким же как Arduino Vcc и не больше.

• Arduino Vcc и CD4066 Vdd должны быть одинаковыми.
  Потоковые входные напряжения не должны быть> CD4066 Vdd.

ПОДРОБНОСТИ:

Рассмотрим IC1a BCD IC2A BCD для формирования мультиплексора с 8 входами и одним выходом. Назовите этот мультиплексор или раздельные вентили передачи затворов 1-8 = TG1-TG8.

Светодиоды 1 2 3 4 5 6 7 8 показаны с приводным резистором серии NO, и они зажимают линии привода к вентилям 4066. 4066 нуждается в высоком разрешающем сигнале не менее 70% своего VCC.

D1 2 3? ? ? ? 11 вдоль дна (4066 выходов) не должны быть необходимыми и вызывают проблемы. Диоды с 4 по 7 имеют многозначный символ, назначенный и набранный на диаграмме. Если это на печатной плате, которая была сделана, могут быть проблемы с соединением, но это, вероятно, просто опечатки

Я буду называть выходные диоды D1-8 в общем.
Закороти D1-8 !!!
Они действуют как цепь удержания пика на выводе 3 IC3A без нагрузки, поэтому наибольшее значение сохраняется в паразитной емкости, и на выводе 3 нет изменений. На их выходах может быть размещена нагрузка (вывод 3 IC3a на землю), НО как вентили передачи изолируют сосуды, за исключением случаев, когда подключенные диоды просто добавляют плохо определенное падение диода без видимого использования. Удаление вроде нормально.

Arduino имеет «VCC» и 5 В и 3 В, показанные на краевом разъеме. Процессор ДОЛЖЕН работать от 5 В Vcc, чтобы эта схема работала, как показано на рисунке, поскольку сигналы привода CD4066 должны быть не менее 3,5 В, если он имеет 5 В Vcc, а для переключения сигналов 5 В ему необходимо 5 В Vcc. Если Vcc = 3,3 В, скажем, горшки не должны быть установленным выше, скажем, 4V. (К счастью, CD4066 будет работать от Vdd = 3 В). Если Arduino работает от Vcc = 3,3 В, вы должны использовать CD4066 и 3 V 3.

Горшки, питающие передающие вентили (назовите их VR1-Vr8), больше, чем желательно, но теперь это невозможно изменить. Это потому, что мультиплексор сэмплирует их и соединяет их с образцом и удерживает их. Было бы хорошо, если бы они предоставили жесткий источник питания для мукса. На выходе мультиплексора будет некоторая паразитная емкость, и это ограничит минимальное время, необходимое для принятия нового значения мультиплексора. Например, если вы говорите, что паразитная емкость 100 пФ на выходе мультиплексора, то при входе источника 50 кОм у вас есть постоянная времени t = RC = 50 кОм 100E-12 = 5 мкс. Это может быть хорошо, если время переключения мультиплексора (не указано). Как вы упомянули «странный шум», он предположительно предназначен для работы в звуковом диапазоне. так скорость мультиплексирования = диапазон кГц? Если скорость мультиплексирования слишком низкая, ввод IC3 МОЖЕТ выпасть между выборками мультиплексирования, но только если он был отключен какое-либо время (режим работы не указан). Добавление конденсатора к земле на выходе мультиплексора служит в качестве выборки и удержания, но с повышенным влиянием на нагрузку во время выборки.

В идеале, поты VR1-8 должны быть, скажем, 10 тыс., Но это зависит от других факторов, таких как скорость мультиплексирования, и от того, является ли саженец немедленным или есть периоды отключения.

Более того, в идеале [tm] все банки буферизируются буфером операционного усилителя каждый (не требуется никаких частей, кроме операционного усилителя — вход неинвертирующий, выход подключен к инвертирующему входу). При таком расположении выход мультиплексора выводится на выбранный вход с помощью операционного усилителя в выходную емкость — очень быстро. Зависит от скорости мультиплексирования. вероятно, хорошо для этого приложения.

Вопросы:

Что такое напряжение Arduino Vcc?

Что такое напряжение CD4066 Vdd?

Что такое скорость переключения мультиплекса (время на шаг)?

Действительно ли нет серийных светодиодных резисторов?

Для чего это используется?

Микросхема К561КТ3 — Одноразрядный мультиплексор » Паятель.Ру

Практически, при подаче управляющего уровня, разрешающего замыкание, между двумя (или несколькими) выводами таких микросхем возникает электрическая связь, можно сказать электрический контакт, а при поступлении на управляющий вход уровня размыкающего, электрическая связь прекращается, и эти выводы ведут себя так, как будто они вообще никуда не подключены.

На этом занятии рассмотрим одноразрядный мультиплексор, микросхему К561КТ3 (или её аналог К176КТ1) — рисунок 1. Микросхема имеет 14-ти выводный корпус (как, например, у К561ЛЕ5), и содержит четыре электронных ключа, контакты которых замыкаются при подаче логической единицы на управляющий вывод, и размыкаются при подаче на него нуля.

В сущности, действие такого мультиплексора очень похоже на работу простого электромагнитного реле (рисунок 2). При подаче на его катушку Р определенного напряжения, превышающего порог срабатывания реле (по аналогии с цифровыми микросхемами это напряжение — логическая единица) контакты реле замыкаются, а при уменьшении этого напряжения ниже порога удержания (логический нуль) контакты реле размыкаются.

Точно так же работает и простой одноразрядный мультиплексор, только потребляет ток в сотни раз меньше чем обмотка реле (рисунок 3). При Uy, поданном на управляющий вход, превышающем порог логической единицы ключ замыкается, а при понижении этого напряжения ниже порога логического нуля он размыкается. Разница, по сравнению с реле, пожалуй, в токе потребления и в том, что замкнутые контакты имеют сопротивление около 100 Ом (у реле менее 1 Ом).

Рис.4
Для практического изучения работы такого мультиплексора соберем схему, показанную на рисунке 4. Кнопкой S1 будем менять логический уровень на управляющем входе ключа (мультиплексора).

При замкнутых контактах S1 на него (вывод 5) поступает единица и ключ замыкается, сопротивление между выводами 4 и 3 уменьшается до сотни Ом, а при разомкнутых контактах S1 сопротивление между этими выводами будет настолько велико, что его можно сравнить с сопротивлением воздуха.

Таким образом, на выводе 5 единица — ток между выводами 4 и 3 протекает, на выводе 5 нуль — ток между выводами 4 и 3 не протекает.

Чтобы убедиться в том, что ключ работает как обычный выключатель при помощи переменного резистора R1 изменяйте напряжение на выводе 4, и при помощи вольтметра Р1 сравнивайте его с напряжением на выводе 3. При единице на выводе 5 напряжения на выводах 3 и 4 будут равными.

Затем, можно поменять подключение резистора R1 и напряжение подать на вывод 3. И при этом, при единице на выводе 5, напряжения на выводах 3 и 4 будут равными. Практически, нет никакой разницы между входом и выходом ключа, так же как между выходом и входом обычного тумблера.

Можно пойти дальше, и переключив измерительный прибор Р1 в режим измерения сопротивления (предполагается, что Р1 это АВО-метр, тестер, или мультиметр) измерить, с его помощью, сопротивление между выводами 3 и 4. При единице на выводе 5 D1 прибор покажет 80-160 Ом для К561КТ3 или 100-300 Ом для микросхемы К176КТ1. А при нуле на выводе 5 сопротивление будет бесконечно высоким.

Рис.5
Микросхема К561КТ3 (К176КТ1) содержит четыре одинаковых ключа (мультиплексора), и на её основе можно строить самые разнообразные переключатели аналоговых и цифровых сигналов. На рисунке 5 показано как можно сделать переключатель на два положения.

Обратите внимание: управляющий уровень от кнопки S1 на управляющий вход верхнего (по схеме) ключа (вывод 5 D2) поступает непосредственно, а на управляющий вход нижнего (вывод 6 D2) через инвертор D1. Таким образом, когда на вывод 5 D2 поступает единица, на вывод 6 D2 будет поступать ноль, и наоборот.

Таким образом, при единице на входах D1 (S1 замкнута) напряжение от переменного резистора R1 поступит на вывод 3 D2, а на вывод 9 D2 не поступит. А если на входы D1 подать нуль (S1 разомкнута), то напряжение от R1 переключится на вывод 9 D2, и на вывод 3 D2 поступать не будет. Получается, что меняя логический уровень мы переключаем переключатель на D2, если «1» он в верхнем (по схеме) положении, а если «0» — в нижнем.

Нужно помнить, что микросхемы К561КТ3 и К176КТ1 могут коммутировать любые аналоговые и цифровые сигналы, важно только, что их напряжение не превышало напряжение питания микросхемы, и не было отрицательным.

Для опытов можно использовать микросхемы К561КТ3, К176КТ1 или их зарубежный аналоги CD4066 и CD4016. Микросхему K561ЛE5 можно заменить на К176ЛЕ5, К561ЛА7, К176ЛА7 или на зарубежные аналоги CD4001 (К561ЛЕ5) и CD4011 (К561ЛА7).

Переменный резистор R1 на любое сопротивление в пределах 10-100 кОм, резистор- R1 типа МЛТ, на любое сопротивление в пределах 10-100 кОм. Кнопка S1, любая малогабаритная, например типа МК или тумблер. Батарея питания составлена из двух батареек на 4,5 В каждая (общее напряжение получается 9В).

На следующем занятии рассмотрим мультиплексоры, которые переключаются соответственно двоичному коду на их управляющих входах.

Электронные Компоненты — элементы питания, части для ремонта электронной техники, части для принтеров

ГЛАВА 17 Откуда берутся цифры . Занимательная электроника [3 издание]

Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Орудуйте мушкетом и шпагой, мой милый, в этих двух занятиях вы проявляете большое искусство, а перо предоставьте господину аббату, это по его части.

А.Дюма. Три мушкетера

С человеческой точки зрения все природные явления носят непрерывный, аналоговый характер. Одно глобальное исключение из этого правила немало потрясло ученых, когда его обнаружили: речь идет об атомно-молекулярной структуре вещества и всей огромной совокупности явлений, которые являются следствием этого феномена. И все же даже это универсальное свойство материи нашими органами чувств непосредственно не обнаруживается, для нас все протекает так, как если бы явления природы были полностью непрерывными, то есть характеризовались бы рядом действительных чисел, отстоящих друг от друга на бесконечно малые отрезки по числовой оси. В масштабах, которыми занимается атомная и молекулярная физика, все обстоит совершенно иначе, чем в привычном для нас мире, — например, такие характеристики, как температура или давление, теряют смысл, ибо они применимы только к очень большому, непрерывному ансамблю частиц.

Природа даже устроила нам некоторые препятствия на пути к полной дискретизации всего и вся — все элементарные частицы, как известно, могут вести себя и как дискретные частицы, и как непрерывные волны, в зависимости от условий эксперимента. В то же время мы обнаружили, что считать и вообще обрабатывать информацию лучше все-таки в цифровой форме, которая является универсальной и не зависит от природы физической величины, с которой мы манипулируем. Встает задача преобразования аналоговой величины в дискретную. Между прочим, термин «аналоговый» не слишком хорошо отражает сущность явления (что чему там «аналогично»?) — точнее говорить «непрерывный», а термин «аналоговый» есть лишь дань традиции, подобно «операционному» усилителю.

Естественно, когда мы хотим, чтобы преобразованная информация опять предстала перед нами в форме, воспринимаемой нашими органами чувств, то мы вынуждены делать и обратное преобразование — цифроаналоговое. Именно этим занимаются звуковые или видеокарты в компьютере. Однако такая задача возникает гораздо реже, потому что во многих случаях информацию можно оставить в цифровой форме, так ее и отобразив — в виде смены кадров на дисплее, в виде дискретной шкалы цветов для цифрового изображения, в виде небольших «ступенек» на кривой нарастания звукового сигнала. В этих случаях мы полагаемся на устройство органов чувств человека: выше некоторого порога разрешения канала передачи перестает хватать, глаз или ухо работают подобно фильтру низких частот, отрезая пульсации, и мозгу кажется, что перед ним действительно непрерывный процесс.

* * *

Заметки на полях

Интересно, что непосредственный цифровой способ отображения информации, например, в виде совокупности цифр на семисегментном индикаторе, хотя и значительно более корректен, чем аналоговый (мы не теряем информации), не всегда может оказаться более правильным. Если вы вглядитесь в пульт управления каким-нибудь сложным устройством — не обязательно атомной электростанцией, достаточно торпеды обычного автомобиля, — вы увидите, что большинство показывающих приборов там стрелочные, аналоговые. Хотя, как вы понимаете, нет никаких проблем в современном автомобиле демонстрировать скорость, уровень топлива или температуру двигателя непосредственно в цифрах, но этого не делают сознательно, потому что в очень многих случаях человека не интересует точное значение того или иного параметра. Его интересует только отклонение от некоторого значения, или превышение некоторого порога, или вообще только тенденция изменения величины — но не сама эта величина, и не сам порог. Информация о том, что температура охлаждающей жидкости составляет 80 °C, для водителя совершенно излишняя, ему важно знать, что если вот эта стрелочка не достигла вот этой красненькой черточки, значит, все в порядке. Но бывают и другие случаи — например, отсчет пробега того же автомобиля имеет смысл, только будучи представленным именно в цифровом виде, поэтому еще на заре автомобилестроения пришлось придумывать разные — тогда еще, конечно, механические — счетчики, отображающие число пройденных километров. Все это следует учитывать при проектировании различных показывающих устройств, и при необходимости приходится даже идти на усложнение схемы, причем, что обидно, нередко с заведомой потерей информации или даже с ее искажением. Типичный пример из этой области — датчик количества топлива в том же автомобиле, который проектировщики традиционно заставляют врать, занижая показания, иначе слишком много водителей оказывалось бы на дороге с сухими баками в полукилометре от ближайшей заправочной станции.

Другой пример: обычные часы с цифровым дисплеем. Все мы уже к этому делу привыкли, но ведь большинство практических задач заключаются не в определении точного времени, а в определении интервала — сколько мы уже ждем, или сколько осталось до некоторого момента. Для этого знания точного значения часов и минут не требуется, и обладателю часов с цифровым дисплеем приходится в уме производить довольно сложные арифметические действия, вычисляя этот интервал, вместо того чтобы просто мысленно передвинуть стрелки на циферблате. Как видите, проектирование показывающих устройств не слишком простое дело, т. к. не может производиться только из соображений компактности схемы или высокой точности измерений, а непременно должно учитывать требования эргономики и «usability» — удобства пользования. Если читателю кажется, что меня очередной раз занесло несколько в сторону от темы книги, то это не так, потому что проектирование аналого-цифровых и особенно цифроаналоговых устройств неразрывно связано с проблемами человеко-машинного взаимодействия — не будь потребителя, незачем все это было бы и затевать. Компьютеры в общении между собой спокойно обойдутся и двоичным кодом.

Принципы оцифровки сигналов

Займемся сначала общими принципами аналого-цифрового преобразования. Основной принцип оцифровки любых сигналов очень прост и показан на рис. 17.1, а. В некоторые моменты времени t₁, t₂, t₃ мы берем мгновенное значение аналогового сигнала и как бы прикладываем к нему некоторую меру, линейку, проградуированную в двоичном масштабе. Обычная линейка содержит крупные деления (метры), поделенные каждое на десять частей (дециметры), каждая из которых также поделена на десять частей (сантиметры), и т. д. Двоичная линейка содержала бы деления, поделенные пополам, затем еще раз пополам и т. д. — сколько хватит разрешающей способности. Если вся длина такой линейки составляет, допустим, 2,56 м, а самое мелкое деление — 1 см (т. е. мы можем померить ей длину с точностью не хуже 1 см, точнее, даже половины его), то таких делений будет ровно 256, и их можно представить двоичным числом размером 1 байт или 8 двоичных разрядов.

Рис. 17.1. Оцифровка аналоговых сигналов:

_{а — основной принцип;}

_{б — пояснение к теореме Котельникова — Найквиста}

Ничего не изменится, если мы меряем не длину, а напряжение или сопротивление, только смысл понятия «линейка» будет несколько иной. Так мы получаем последовательные отсчеты величины сигнала x₁, x₂, x₃. Причем заметьте, что при выбранной разрешающей способности и числе разрядов мы можем померить величину не больше некоторого значения, которое соответствует максимальному числу, в данном случае 255. Иначе придется или увеличивать число разрядов (удлинять линейку), или менять разрешающую способность в сторону ухудшения (растягивать ее). Все изложенное и есть сущность работы аналого-цифрового преобразователя — АЦП.

На рис. 17.1, а график демонстрирует этот процесс для случая, если мы меряем какую-то меняющуюся во времени величину. Если измерения производить регулярно с известной частотой (ее называют частотой дискретизации или частотой квантования), то записывать можно только значения сигнала. Если стоит задача потом восстановить первоначальный сигнал по записанным значениям, то, зная частоту дискретизации и принятый масштаб (т. е. какому значению физической величины соответствует максимальное число в принятом диапазоне двоичных чисел), мы всегда можем восстановить исходный сигнал, просто отложив точки на графике и соединив их плавной линией.

Но что мы при этом теряем? Посмотрите на рис. 17.1, б, который иллюстрирует знаменитую теорему Котельникова (как водится, за рубежом она носит другое имя — Найквиста, на самом деле они оба сформулировали ее независимо друг от друга). На этом рисунке показана синусоида предельной частоты, которую мы еще можем восстановить, располагая массивом точек, полученных с частотой дискретизации f_д. Так как в формуле для синусоидального колебания A·sin(2πft) имеется два независимых коэффициента (А — амплитуда и f — частота), то для того чтобы вид графика восстановить однозначно, нужно как минимум две точки на каждый период[24], т. е. частота оцифровки должна быть как минимум в два раза больше, чем самая высокая частота в спектре исходного аналогового сигнала. Это и есть одна из расхожих формулировок теоремы Котельникова — Найквиста.

Попробуйте сами нарисовать другую синусоиду без сдвига по фазе, проходящую через указанные на графике точки, и вы убедитесь, что это невозможно. В то же время можно нарисовать сколько угодно разных синусоид, проходящих через эти точки, если их частота в целое число раз выше частоты дискретизации f_д. В сумме эти синусоиды, или гармоники (т. е. члены разложения сигнала в ряд Фурье — см. главу 5), дадут сигнал любой сложной формы, но восстановить их нельзя, и если такие гармоники присутствуют в исходном сигнале, то они пропадут навсегда.

Только гармонические составляющие с частотами ниже предельной восстанавливаются однозначно. То есть процесс оцифровки равносилен действию ФНЧ с прямоугольным срезом характеристики на частоте, равной ровно половине частоты дискретизации.

Теперь об обратном преобразовании. В сущности, никакого преобразования цифрааналог в ЦАП, которые мы будем здесь рассматривать, не происходит, просто мы выражаем двоичное число в виде пропорциональной величины напряжения, т. е. занимаемся, с точки зрения теории, всего лишь преобразованием масштабов. Вся аналоговая шкала поделена на кванты — градации, соответствующие разрешающей способности нашей двоичной «линейки». Если максимальное значение сигнала равно, к примеру, 2,56 В, то при восьмиразрядном коде мы получим квант в 10 мВ, и что происходит с сигналом между этими значениями, а также и в промежутки времени между отсчетами, мы не знаем и узнать не можем. Если взять ряд последовательных отсчетов некоего сигнала, например, тех, что показаны на рис. 17.1, а, то мы в результате получим ступенчатую картину, показанную на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Восстановление оцифрованного сигнала с рис. 17.1, а

Если вы сравните графики на рис. 17.1, а и на рис. 17.2, то увидите, что второй график представляет первый, мягко говоря, весьма приблизительно. Для того чтобы повысить степень достоверности полученной кривой, следует, во-первых, брать отсчеты почаще, и во-вторых, увеличивать разрядность. Тогда ступеньки будут все меньше и меньше, и есть надежда, что при некотором достаточно высоком разрешении, как по времени, так и по квантованию, кривая станет, в конце концов, неотличима от непрерывной аналоговой линии.

* * *

Заметки на полях

Очевидно, что в случае звуковых сигналов дополнительное сглаживание, например, с помощью ФНЧ, здесь попросту не требуется, ибо оно только ухудшит картину, отрезая высокие частоты еще больше. К тому же всякие аналоговые усилители сами сгладят сигнал, и органы чувств человека тоже поработают в качестве фильтра. Так что наличие ступенек само по себе несущественно, если они достаточно мелкие, а вот резкий спад частотной характеристики выше некоторой частоты сказывается на качестве звука фатальным образом. Многие люди с хорошим музыкальным слухом утверждают, что они безошибочно отличают цифровой звук CD-качества (дискретизация которого производится с частотой 44,1 кГц, т. е. со срезом на частоте заведомо более высокой, чем уровень восприятия человеческого слуха, и с числом градаций не менее 65 тысяч на весь диапазон) от настоящего аналогового звука, например, с виниловой пластинки или с магнитофонной ленты. По этой причине качественный цифровой звук записывается с гораздо более высокими частотами дискретизации, чем формально необходимо, например, 192 и даже 256 кГц, и тогда он становится действительно неотличим от исходного. Правда, напрямую оцифрованный звук записывают разве что на диски в формате Audio CD, а почти для всех остальных форматов используют компрессию — сжатие по специальным алгоритмам. Если бы не компрессия, для записи не хватило бы ни емкости современных носителей, ни быстродействия компьютерных сетей: всего одна минута стереозвука с’параметрами CD-качества занимает на носителе около 10 Мбайт, можете проверить самостоятельно.

* * *

Углубляться в особенности дискретизации аналоговых периодических сигналов мы не будем, т. к. это очень обширная область в современной инженерии, связанная в первую очередь с оцифровкой, хранением, тиражированием и воспроизведением звука и видео, и об этом нужно, как минимум, писать отдельную книгу. Для наших же целей достаточно изложенных сведений, а теперь мы перейдем непосредственно к задаче оцифровки и обратного преобразования отдельного значения сигнала.

ЦАП

Начнем мы с конца, т. е. с цифроаналоговых преобразователей — почему, вы увидите далее. Будем считать, что на входе мы имеем числа в двоичной форме — неважно, результат оцифровки какого-то реального сигнала или синтезированный код. Нам его нужно преобразовать в аналоговый уровень напряжения в соответствии с выбранным масштабом.

Самый простой ЦАП — десятичный или шестнадцатиричный дешифратор-распределитель, подобный 561ИД1. Если на него подать четырехразрядный код, то на выходе мы получим логическую единицу для каждого значения кода на отдельном выводе. Присоединив к выходам такого дешифратора линейку светодиодов, получаем полосковый (шкальный) индикатор, который с разрешением в 10 или 16 ступеней на весь диапазон будет показывать уровень некоей величины. Причем очень часто для практики такого относительно грубого индикатора, заменяющего стрелочные приборы, вполне достаточно. Выпускаются специальные микросхемы для управления такими дискретными шкальными индикаторами, которые позволяют показывать значение не в виде отдельной точки или полоски, а в виде светящегося столбика. Есть и микросхемы, которые могут управлять не дискретными, а линейными вакуумными индикаторами. Есть даже микросхема К1003ПП1 (аналог UAA180), которая преобразует аналоговую величину (напряжение) сразу в управляющий сигнал для шкального индикатора. Довольно эффектная конструкция может получиться, если в схеме термометра по рис. 13.3 или 13.4 заменить показывающую головку на такую микросхему и шкальный индикатор — как бы полноценная имитация термометра традиционного!

У такого примитивного ЦАП есть два недостатка: во-первых, повысить его разрешение свыше 16–20 градаций нереально, т. к. выходов тогда получится чересчур много. Но главное, он предназначен для узкой задачи визуализации цифровой величины и за пределами этой области беспомощен. Куда более широкое применение имел бы преобразователь, осуществляющий функцию по рис. 17.2, т. е. выдающий на выходе аналоговое напряжение, пропорциональное коду на входе.

«Тупой» метод получения такого напряжения состоял бы в следующей модификации метода с дешифратором-распределителем типа 561ИД1. Для этого надо выстроить делитель из цепочки одинаковых резисторов, подключить его к источнику опорного напряжения и коммутировать отводы этого делителя ключами, управляемыми от дешифратора-распределителя. Для двух-трехразрядного кода можно использовать описанные в главе 15 мультиплексоры типа 561КП1 и 561КП2. Но для большего количества разрядов такой ЦАП с непосредственным преобразованием превращается в совершенно чудовищную конструкцию. Для восьмиразрядного кода потребовалось бы 256 резисторов (строго одинаковых!), столько же ключей и дешифратор с таким же количеством выходов, а ведь восьмиразрядный код — довольно грубая «линейка», ее разрешающая способность не превышает четверти процента. Поэтому на практике такой метод употребляют для построения АЦП, а не ЦАП (потому что, несмотря на сложность, он обладает одним уникальным свойством, см. далее), и здесь мы даже не будем рисовать такую схему.

Рассмотрим один из самых распространенных методов, который позволяет осуществлять преобразование код-напряжение без использования подобных монструозных конструкций. На рис. 17.3, а показан вариант реализации ЦАП на основе ОУ с коммутируемыми резисторами в цепи обратной связи. В качестве коммутирующих ключей можно применить, например, малогабаритные электронные реле серии 293, т. е. того же типа, что мы применяли в конструкции термостата по рис. 12.9, или специализированные ключи из серии 590. Однако для осуществления переключающего контакта потребовалось бы ставить по два таких ключа на каждый разряд, потому в серии 561 предусмотрена специальная микросхема 561КТЗ (CD4066), которая содержит четыре одинаковых ключа, работающие именно так, как показано на приведенной схеме.

Рис. 17.3. Схемы, применяемые при построении ЦАП:

_{a — двухразрядный ЦАП с отрицательным выходом;}

_{б — цепочка R—2R произвольной длины;}

_{в — ЦАП с положительным выходом}

Ключи эти двунаправленные, но их выводы работают по-разному. Тот вывод, который обозначается OUT/IN (в отечественном варианте обычно просто «Выход»), в одном состоянии коммутируется с другим входом/выходом, в другом просто отключен, как обычно. А вывод, обозначаемый IN/OUT (в отечественном варианте просто «Вход»), в одном состоянии подключается к первому входу, а вот при разрыве ключа не «повисает в воздухе», как первый, а заземляется. Таким образом, если подать на вход управления ключом в составе 561КТЗ сигнал логической единицы, то вывод IN/OUT соответствующим образом подключенного ключа коммутируется на вход OUT/IN, а если сигнал управления равен логическому нулю, то вывод IN/OUT замыкается на «землю», как нам и нужно.

* * *

Заметки на полях

Отметим, что есть еще микросхема 176КТ1 (CD4016A, в 561-й серии ей аналога нет, но есть импортная версия CD4016B с питанием до 20 В), с которой 561КТЗ часто путают — у нее ключи самые обычные двусторонние, без заземления. И, несмотря на то, что в классическом справочнике [18] эти микросхемы описаны исчерпывающим образом, в сетевых самодеятельных справочниках по поводу 561 КТЗ нередко приводятся ошибочные сведения. Самим строить такие ЦАП, конечно, вряд ли придется, но на всякий случай следует учесть, что сопротивление ключа 561КТЗ, как и более современных модификаций (1561 КТЗ или CD4066B), довольно велико, порядка сотни ом, что может сказываться на точности. Хотя для практических целей в ряде схем (но не в рассматриваемой!) важнее не абсолютное значение сопротивления, а разница в этом параметре между ключами, которая, если верить справочникам, не превышает 5 Ом.

* * *

Рассмотрим, наконец, как же работает такая схема. Для лучшего уяснения принципов я нарисовал всего лишь двухразрядный вариант. Два разряда — это четыре градации, т. е. выходное напряжение ОУ должно принимать 4 значения с равными промежутками, в данном случае эти напряжения равны 0, а также 1/4, 1/2 и 3/4 от опорного напряжения U_оп. Как это происходит?

Рассмотрим сначала схему в исходном состоянии, когда на входах управления ключами код имеет значения «00». Так как оба нижних по схеме резистора 2R в исходном состоянии присоединены к «земле», т. е. включены параллельно, то их суммарное сопротивление равно R.

Тогда верхний по схеме резистор R и эти два резистора образуют делитель, напряжение на котором равно ровно половине от U_оп. Параллельный делителю резистор 2R в делении напряжения не участвует. Ключи разомкнуты, цепочка резисторов отсоединена от входа ОУ; и на его выходе будет напряжение, равное 0.

Пусть теперь код примет значение «01». В этом случае резистор с номиналом 2R младшего разряда (нижнего по схеме) переключается ко входу усилителя. Для самой цепочки резисторов R—2R все равно, к «земле» присоединен этот резистор или ко входу, потому что потенциал входа ОУ равен тому же потенциалу «земли». Таким образом, ко входу ОУ через сопротивление с номиналом 2R потечет ток, величина которого будет равна величине напряжения на его входе (U_оп/2, как мы выяснили), деленной на величину этого резистора (2R). Итого значение тока будет U_оп/4R, и ток этот создаст на резисторе обратной связи ОУ, сопротивление которого равно R, падение напряжения, равное U_оп/4. Можно считать и по-другому — рассматривать инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 0,5, что определяется отношением сопротивлений R/2R, и напряжением на входе U_оп/2. Итого на выходе всей схемы будет напряжение U_оп/4 (но с обратным знаком, т. к. усилитель инвертирующий).

Пусть теперь код принимает значение «10». Тогда все еще проще — ко входу ОУ подключается напряжение U_оп через верхний резистор 2R. Коэффициент усиления тот же самый (0,5), так что на выходе будет напряжение U_оп/2. Самый сложный случай — когда код принимает значение «11», и подключаются оба резистора. В этом случае ОУ надо рассматривать как аналоговый сумматор (см. главу 12, рис. 12.5, а). Напряжение на выходе будет определяться суммой токов через резисторы 2R, умноженной на величину сопротивления обратной связи R, т. е. будет равно (U_оп/²R + U_оп/4R)R, или просто 3U_оп/4.

Я так подробно рассмотрел этот пример, чтобы наглядно продемонстрировать свойства цепочки R-2R. Способ ее построения с любым количеством звеньев показан на рис. 17.3, б. Крайние резисторы 2R включены параллельно и в сумме дают сопротивление R, поэтому следующее звено оказывается состоящим из тех же номиналов по 2R и в сумме тоже даст R и т. д. Какой бы длины цепочку не сделать, она будет делить входное напряжение в двоичном соотношении: на самом правом по схеме конце цепочки будет напряжение U_оп, на следующем отводе U_оп/2, на следующем U_оп/4 и т. д.

Поэтому с помощью всего двух типономиналов резисторов, отличающихся ровно в два раза, можно строить ЦАП в принципе любой разрядности. Так, восьмиразрядный ЦАП будет содержать 16 резисторов и 8 ключей (если с переключением, как в 561КТЗ), не считая резистора обратной связи, который у нас для наглядности был равен также R, но может быть любого удобного номинала. В интегральных ЦАП часто этот резистор вообще не устанавливают заранее, а выносят соответствующие выводы наружу, так что можно легко получать любой масштаб напряжения по выходу. Например, если в нашей схеме сделать этот резистор равным 1,33R, то на выходе мы получим напряжения, равные U_оп, 2U_оп/3, U_оп/3 и 0.

Правда, неудобство в такой простейшей схеме заключается в том, что выходные напряжения будут с обратным знаком, но эта проблема легко решается. На рис. 17.3, в показан простейший вариант ЦАП с «нормальным» положительным выходом. Проанализировать работу этой схемы я предоставляю читателю самостоятельно — она, вообще-то, даже проще, чем инвертирующий вариант. Недостатком этого варианта по сравнению с инвертирующим будет то, что коэффициент усиления не регулируется, и масштаб будет определяться только величиной U_оп. Но и этот недостаток легко исправить небольшим усложнением схемы. Такие ЦАП называют еще перемножающими.

* * *

Заметки на полях

Я не буду рассматривать серийные интегральные схемы ЦАП (например, 572ПА1), основанные на этом принципе, потому что в целом они работают так же, а ЦАП сами по себе, без использования в составе АЦП, требуются нечасто. Тем не менее, скажем несколько слов о проблемах, связанных с метрологией. Ясно, что получить точные значения резисторов при изготовлении микросхемы подобного ЦАП непросто, поэтому на практике абсолютные величины R могут иметь довольно большой разброс. Между собой номиналы их тщательно согласовывают с помощью лазерной подгонки. Собственное сопротивление ключей также может оказывать большое влияние на работу схемы, особенно в старших разрядах, где токи больше, чем в младших. В интегральном исполнении даже делают эти ключи разными — в старших разрядах ставят более мощные с меньшим сопротивлением. А если попытаться сделать самодельный ЦАП на основе упомянутых ранее 516КТЗ, то величина R должна составлять десятки килоом, не менее, иначе ключи начнут вносить слишком большую погрешность.

* * *

Еще один момент связан с получением стабильного опорного напряжения, поскольку это непосредственно сказывается на точности преобразования, причем абсолютно для всех АЦП и ЦАП, как мы увидим далее. В настоящее время успехи электроники позволили почти забыть про эту проблему — все крупные производители выпускают источники опорного напряжения, позволяющие достигать стабильности порядка 16 разрядов (т. е. 65 536 градаций сигнала). К тому же всегда можно исхитриться построить схему так, чтобы измерения стали относительными.

Быстродействие ЦАП рассмотренного типа в основном определяется быстродействием ключей и типом применяемой логики, и в случае КМОП-ключей не слишком высокое — примерно такое же, как у обычных КМОП-элементов.

Большинство интегральных ЦАП построено с использованием описанного принципа суммирования взвешенных токов или напряжений. Другой класс цифроаналоговых преобразователей составляют интегрирующие ЦАП, которые служат для преобразования величин, меняющихся во времени. Эти ЦАП в идеале позволяют сразу получить действительно аналоговый, непрерывный сигнал без признаков ступенек.

АЦП

Номенклатура аналого-цифровых преобразователей существенно больше, чем ЦАП. Однако все разнообразие их типов можно свести к трем разновидностям: это АЦП параллельного действия, АЦП последовательного приближения и интегрирующие АЦП. Рассмотрим их по порядку.

АЦП параллельного действия

АЦП параллельного действия — это зеркально отраженный простейший ЦАП на основе дешифратора, описанный в предыдущем разделе. В таких АЦП имеется делитель из k одинаковых резисторов, к каждой ступени которого подключен компаратор, сравнивающий напряжение на делителе с входным сигналом. Выходы компараторов образуют равномерный код, вроде того, что используется для управления шкальными индикаторами в описанном ранее простейшем ЦАП. Эти выходы подключены к шифратору с k входами, который преобразует этот код в двоичный с числом разрядов n, равным Iog₂(k).

Трудности на этом пути уже описывались: схема получается крайне громоздкая, для n-разрядного кода требуется k = 2ⁿ резисторов и компараторов, причем резисторов точно согласованных между собой, и компараторов также с как можно более идентичными характеристиками. Поэтому такие АЦП с разрядностью, большей 8, почти и не выпускают. А зачем их делают вообще? По одной простой причине — этот тип АЦП является самым быстродействующим из всех, преобразование происходит фактически мгновенно и лимитируется только быстродействием применяемых компараторов и логики. Фактическое быстродействие АЦП такого типа может составлять десятки и сотни мегагерц (наиболее экстремальные типы, как МАХ108, допускают частоты до единиц гигагерц). Все остальные типы АЦП, как мы увидим, работают значительно медленнее.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения мы рассмотрим чуть подробнее — ввиду их практической важности. Хотя самим в настоящее время такие АЦП строить также не приходится, но для успешного использования их в интегральном исполнении следует хорошо понимать, как они работают. Именно такого типа АЦП обычно встроены в микроконтроллеры (см. главы 18 и 22).

Главная деталь АЦП последовательного приближения — ЦАП нужной разрядности (именно поэтому мы рассматривали ЦАП раньше, чем АЦП). На его цифровые входы подается код по определенному правилу, о котором далее. Выход ЦАП соединяется с одним из входов компаратора, на другой вход которого подается преобразуемое напряжение. Результат сравнения подается на схему управления, которая связана с регистром — формирователем кодов.

Есть несколько вариантов реализации процедуры преобразования. Самый простой выглядит следующим образом: сначала все разряды кода равны нулю. В первом такте самый старший разряд устанавливается в единицу. Если выход ЦАП при этом превысил входное напряжение, т. е. компаратор перебросился в противоположное состояние, то разряд возвращается в состояние логического нуля, в противном же случае он остается в состоянии логической единицы. В следующем такте процедуру повторяют для следующего по старшинству разряда. Такой метод позволяет за число тактов, равное числу разрядов, сформировать в регистре код, соответствующий входному напряжению. Способ довольно экономичен в смысле временных затрат, однако имеет один существенный недостаток — если за время преобразования входное напряжение меняется, то схема может ошибаться, причем иногда вплоть до полного сбоя. Поэтому в такой схеме обязательно приходится ставить на входе устройство выборки-хранения, о котором далее.

В другой модификации этой же схемы для формирования кодов используется реверсивный счетчик, подобный 561ИЕ11, с нужным числом разрядов. Выход компаратора попросту подключают к выводу переключения направления счета. Изначально счетчик сбрасывают в нули во всех разрядах, после чего подают на него тактовые импульсы. Как только счетчик досчитает до соответствующего значения кода, и выход ЦАП превысит входное напряжение, компаратор переключает направление счета, и счетчик отрабатывает назад. После окончания этого периода установления, если напряжение на входе не меняется, величина кода все время колеблется в пределах младшего разряда. Здесь выбросы не так страшны, но большое время установления и неизвестное заранее время реакции на быстрые изменения входного сигнала являются недостатками такого АЦП, получившего название следящего.

Теперь об устройствах выборки-хранения (УВХ). В простейшем случае это все тот же аналоговый электронный ключ, на вход которого подается измеряемый сигнал, а на выходе стоит конденсатор. До начала измерения ключ открыт, и напряжение на конденсаторе повторяет входное напряжение со всеми его изменениями. В момент начала измерения ключ запирается, и в дальнейшем в качестве измеряемого фигурирует уже напряжение, запасенное на конденсаторе, а изменения на входе на измерительную схему не влияют.

Все, казалось бы, просто, но наличие УВХ, прежде всего, достаточно сильно замедляет процесс, т. к. ключ имеет конечное сопротивление и вместе с конденсатором образует ФНЧ, который требует времени для установления нового значения напряжения и может искажать форму сигнала. Кроме того, как бы ни было велико входное сопротивление компаратора, оно конечно, да и ключ также имеет не бесконечно большое сопротивление в закрытом состоянии. Иногда в схеме присутствует и элемент для принудительного сброса конденсатора (обнуления его), наконец, конденсатор также имеет собственные утечки — все это вынуждает увеличивать емкость конденсатора и еще больше снижать быстродействие схемы. В интегральных АЦП подобного рода нередко даже предоставляется выбор между точностью и быстродействием.

Кроме выборки-хранения, в АЦП последовательного приближения требуется также время на вывод данных и подготовку к следующему циклу измерения. Все указанные причины приводят к тому, что наиболее распространенные 10-12-разрядные АЦП последовательного приближения имеют реальное быстродействие не выше 50-200 кГц. Как пример достаточно продвинутой модели приведем МАХ1132, который имеет разрешение 16 бит при частоте выборок 200 кГц. Тем не менее, АЦП последовательного приближения очень распространены и применяются там, где требуется средняя точность при достаточно высоком быстродействии.

Интегрирующие АЦП

Наиболее точными и одновременно самыми медленными являются интегрирующие АЦП. Их мы рассмотрим наиболее подробно, потому что, во-первых, они могут быть достаточно просты схемотехнически, и иногда даже целесообразно самому соорудить такой узел схемы на дискретных элементах, чем подбирать подходящий чип, и, во-вторых, этот тип АЦП наиболее часто применяется в радиолюбительской практике (если не считать встроенных в микроконтроллеры АЦП последовательного приближения). Далее в этой главе мы сконструируем на основе готового АЦП такого типа цифровой термометр с достаточно хорошими характеристиками.

Разных типов интегрирующих АЦП вообще-то не меньше десятка, но здесь мы подробно рассмотрим только три разновидности. Кстати, интегрирующие АЦП являются примером того, что цифровая техника вовсе не всегда достигает наивысшей точности в сравнении с аналоговой — центральным узлом этих, как мы уже сказали, наиболее точных преобразователей является чисто аналоговый интегратор на ОУ.

Схема самого простого интегрирующего АЦП показана на рис. 17.4. Это так называемый АЦП с однократным интегрированием. В начале преобразования на вход С динамического D-триггера поступает положительный фронт, который устанавливает выход Q в состояние логической единицы. Она является разрешающим уровнем для элемента «И-НЕ», и на вход счетчика поступают импульсы. Одновременно через выход Q запирается транзистор VT1. Конденсатор начинает заряжаться от источника стабильного тока. При равенстве значения входного измеряемого напряжения и напряжения на конденсаторе компаратор срабатывает и обнуляет триггер («ворота» на логическом элементе «И-НЕ» запираются, транзистор открывается и разряжает конденсатор, счетчик обнуляется). Количество импульсов, накопленных в счетчике к этому моменту, пропорционально входному напряжению.

Рис. 17.4. АЦП однократного интегрирования

Источник тока вместе с конденсатором в данном случае образуют так называемый ГЛИН—генератор линейно изменяющегося напряжения. Схему можно упростить, если вместо источника тока поставить простой резистор, питающийся от стабильного источника напряжения, но так как форма кривой нарастания напряжения при этом не линейная, а экспоненциальная (см. рис. 5.7 в главе 5), то приходится ограничиться небольшим диапазоном входных напряжений, где форма кривой еще близка к прямой линии. Однако на практике так часто и поступают, поэтому источник тока я подробно не рисовал.

Если все же задаться целью расширения входного диапазона вплоть до значений, близких к напряжению питания, то придется делать «нормальный» источник тока. Использование простого полевого транзистора, как мы делали в схеме лабораторного источника питания (рис. 9.12), не выход, т. к. он все же является достаточно грубым источником. С другой стороны, чем городить источник тока (например, по варианту, представленному на рис. 12.5, г), проще вообще построить ГЛИН по-иному, в виде обычного интегратора по рис. 12.5, б, только добавив к нему ключ для сброса по окончании преобразования.

* * *

Подробности

Для сброса можно использовать вместо полевого обычный маломощный n-р-n-транзистор, но диапазон входного напряжения будет тогда ограничен еще и снизу значением напряжения на коллекторе открытого транзистора (примерно 0,3 В). Поэтому при снижении питания до 5 В лучше для сброса взять электронный ключ, вроде 561КТЗ. При конструировании таких схем на микроконтроллерах (см. далее) для сброса конденсатора можно применить тот же вывод порта, который является входом компаратора, если его переключать на вход в рабочем цикле и на выход с нулевым уровнем для сброса.

* * *

У схемы по рис. 17.4 единственное достоинство — простота, и куча недостатков. При взгляде на нее непонятно, чего это я ранее распинался насчет выдающихся характеристик интегрирующих АЦП. Результат преобразования здесь зависит от всего на свете: от стабильности источника тока и самого ГЛИН (и каждого его элемента в отдельности, в первую очередь — конденсатора), от стабильности порога компаратора, от неидеальности ключа для сброса и т. п. Еще хуже то, что схема в данном варианте срабатывает от мгновенного значения входного сигнала и потому весьма восприимчива к его дребезгу и вообще любым помехам. А если тактовая частота случайно окажется кратной частоте помехи (в первую очередь сетевой с частотой 50 Гц), то мы вообще можем получать каждый раз значения, весьма далекие от истины[25]. Поэтому такая схема годится лишь для измерения сигналов постоянного тока — для контроля напряжения батареек или чего-нибудь в этом роде (подобная схема, например, ранее применялась в компьютерном игровом порту для измерения положения привязанного к движку потенциометра управляющего рычага джойстика).

В то же время преобразование длится все равно достаточно долго, поскольку обычные значения тактовой частоты, при которых схема еще работает приемлемо, лежат в диапазоне максимум десятков килогерц (если, конечно, специально не использовать быстродействующие компараторы и логику), т. е. для достижения разрешающей способности в восемь разрядов (больше все равно не выжмешь) частота отсчетов составит в лучшем случае 100 Гц, на практике же еще меньше. Может быть, использовать этот факт и измерять не мгновенное, а среднее значение сигнала за время преобразования?

Сделать это несложно — достаточно подать измеряемое напряжение на вход ГЛИН, а опорное — на компаратор. Тогда сигнал станет интегрироваться за время преобразования, причем интегрироваться очень точно, и мы будем получать истинное среднее арифметическое значение сигнала за это время. Но легко увидеть, что сама функция преобразования при этом окажется обратной, — т. е. время заряда (и значение выходного кода на счетчике) окажется обратно пропорциональным значению входного напряжения. Это неудобно, т. к. сильно усложняет обработку результата. Можно применить какой-нибудь хитрый метод деления частоты с использованием реверсивного счетчика, можно также попробовать инвертировать входной сигнал и затем сдвинуть его в положительную область, но все это приводит к усложнению схемы, причем неоправданному — сама по себе точность преобразования в любом случае не увеличится, избавляемся мы только от помехи.

По всем этим причинам АЦП с однократным интегрированием, несмотря на его простоту, в настоящее время не употребляют вообще и даже не выпускают в виде специализированных микросхем. Единственная область, где можно было бы рекомендовать такой метод, — использование микроцроцессоров, имеющих встроенный компаратор. В этом случае с помощью одного внешнего резистора и конденсатора можно получить простейший преобразователь аналогового сигнала в код. Но и эта рекомендация потеряла в настоящее время всякий смысл, т. к. доступны микроконтроллеры со встроенными «нормальными» АЦП без всяких внешних элементов, причем мультиканальными, с гарантированной точностью и разрешением до 10 и даже 12 разрядов, чего для большинства практических нужд более чем достаточно.

Пожалуй, рассказ об АЦП однократного интегрирования получился чересчур затянутым, но это оправданно, т. к. мы теперь знаем, к чему нам стремиться. И я предвкушаю изумление читателя, когда он узнает, как можно преодолеть чуть ли не все перечисленные здесь недостатки, как говорится, одним махом, и притом не слишком усложняя схему. Интегрирующие АЦП не получили бы такого распространения и заслуженной репутации «самых стабильных», если бы не это обстоятельство.

Идея метода, который называется двойным или двухстадийным интегрированием, показана на рис. 17.5. Посмотрим сначала на график, обозначенный цифрой 1.

Рис. 17.5. Цикл работы АЦП двойного интегрирования:

_{1 — идеальный случай, 2 — при сдвиге порога компаратора; 3 — при изменении емкости конденсатора}

В первую часть цикла работы за фиксированное время такта t₂ — t₁ конденсатор интегратора заряжается током, который определяется входным (измеряемым) напряжением U_вх. Во второй части этот конденсатор разряжается точно известным током, определяющимся опорным напряжением U_оп, до момента равенства напряжения нулю (t_з). Чем больше входное напряжение, тем до большей величины зарядится конденсатор в первой части, и тем дольше он будет разряжаться во второй. Легко показать, что отношение интервала времени t₃ — t₂ к известному времени такта t₂ — t₁ будет равно отношению входного напряжения U_вх к опорному U_оп. Таким образом, измерив полученный интервал времени t₃ — t₂ обычным методом с помощью счетчика, как это сделано в схеме на рис. 17.4, мы получим на выходе код, пропорциональный входному напряжению.

На самом деле напряжение, до которого разряжается конденсатор, задается порогом компаратора и может в общем случае быть отличным от нуля на величину 8 за счет «гуляния» порога, например, при изменении температуры. Но так как в начале цикла измерения напряжение определялось тем же значением порога, то, как вы видите из графика 2 на рис. 17.5, в данном случае имеет значение только изменение порога за время преобразования. А оно даже в самых «неповоротливых» АЦП такого типа не превышает долей секунды, потому это изменение можно не принимать в расчет. На результате не скажется и изменение емкости конденсатора, поскольку при этом наклон прямой и заряда и разряда изменится в одинаковой степени (график 3).

В самых точных АЦП такого типа дополнительно проводят цикл автокоррекции нуля, когда на вход подают нулевое напряжение и результат потом вычитают из значения кода, полученного в рабочем цикле. Мало того, здесь даже не требуется «кварцованная» частота, и всю схему можно заводить от любого RC-генератора при условии, что время такта t₂ — t₁ и частота заполнения «ворот» для подсчета длительности результирующего интервала t₃ — t₂ задаются от одного и того же генератора.

Но чудес не бывает — точность и стабильность преобразования здесь полностью определяются точностью и стабильностью значения U_оп. От этого никуда не денешься, и, как мы говорили, это общее условие для всех без исключения конструкций АЦП и ЦАП. Между прочим, обратите внимание, что U_вх и U_оп образуют в совокупности нечто вроде неинвертирующего и инвертирующего входа ОУ. Эта аналогия куда более полная, чем кажется, и, манипулируя этими величинами, можно выделывать с выходным кодом всякие штуки, в частности, подгонять масштаб преобразования к нужному диапазону. Другое облегчение, которое можно получить от этой связи, заключается в возможности проведения относительных измерений, когда входное и опорное напряжения получаются от одного источника и тем самым имеют одинаковую относительную погрешность (получается нечто вроде явления ослабления синфазного сигнала в ОУ).

Кстати, в интегрирующих АЦП такого рода для более полного подавления помех нужно делать первую часть цикла интегрирования именно кратным периоду помехи. Тогда в цикле укладывается целое число периодов помехи, и она усредняется. Практически наибольшее влияние оказывает сетевая помеха частотой 50 Гц, поэтому частоту циклов стараются делать в круглых числах.

Простой вариант практической схемы АЦП двойного интегрирования (преобразователя напряжение-время, ПНВ) показан на рис. 17.6. Счетная часть на схеме не показана. Для понимания того, как работает схема, следует обратить внимание, что управляющий вход Y у ключей типа 590КН2 инверсный, т. е. при низком уровне на управляющем входе ключ распахнут, а при высоком — заперт.

Рассмотрим диаграмму работы (рис. 17.6, справа).

Рис. 17.6. Простой вариант АЦП двойного интегрирования (ПНВ)

В момент отрицательного перепада на тактовом входе Т RS-триггер устанавливается в единицу по выходу Q. Так как на входе Т в этот момент отрицательный уровень, ключ D1/1 открывается, остальные ключи заперты. Конденсатор подключается в обратную связь верхнего ОУ (DA1/1) и начинается цикл интегрирования входного напряжения (напряжение на конденсаторе возрастает по абсолютной величине, т. е. на выходе DA1/1 падает, поскольку интегратор инвертирующий). В момент окончания отрицательного полупериода тактовой частоты ключ D1/1 запирается, а ключ D1/3 открывается, заряженный конденсатор оказывается подключенным в обратную связь второго ОУ (DA1/2). Начинается цикл интегрирования опорного напряжения (изменение напряжения на конденсаторе показано на диаграмме пунктирной линией). Поскольку обратная связь в первом ОУ теперь отсутствует, то он сработает, как компаратор — сначала на его выходе установится напряжение, равное отрицательному питанию (или близкое к нему), а в момент равенства напряжения на конденсаторе нулю выход резко устремится от отрицательного к положительному питанию (но его ограничит на уровне примерно +0,6 В включенный в обратную связь диод, который нужен для того, чтобы не затягивать переходной процесс). Положительный перепад передастся на обнуляющий вход RS-триггера и установит его выход Q в состояние логического нуля. При этом откроется ключ D1/2 и закоротит конденсатор, прерывая таким образом процесс интегрирования. На входе верхнего ОУ установится напряжение, равное нулю, а на выходе, вообще говоря (т. к. обратная связь по-прежнему отсутствует), оно станет неопределенным, и на диаграмме показано условно в виде нулевого уровня.

Это состояние длится до конца периода тактовой частоты, а с отрицательным перепадом на входе Т ключи D1/З и D1/2 закроются, и все начнется сначала. На выходе схемы образуется положительный импульс напряжения, длительность которого t₃ — t₂ пропорциональна входному напряжению, согласно соотношению, сформулированному ранее.

Схема рассчитана для получения разрешающей способности 12 разрядов или 4096 градаций. Стабильность схемы напрямую зависит от стабильности резисторов, поэтому их нужно выбирать с точностью не хуже 0,1 %, в этом случае абсолютная точность может достигнуть 10 разрядов без дополнительной калибровки.

Однако U_оп тоже должно иметь не меньшую стабильность, поэтому для его получения следует использовать прецизионные источники опорного напряжения. В данном случае подойдет микросхема МАХ875, дающая на выходе 5 В с точностью 0,04 %. Подробный анализ всех погрешностей этой схемы, в том числе температурных, занял бы слишком много места, поэтому рассмотрим еще только принцип выбора частоты преобразования и требования к элементам.

Максимальная частота отсчетов может быть подсчитана из следующих соображений. Так как мы имеем дело с КМОП, то максимальную частоту счетных импульсов примем равной 1 МГц. Нам требуется обеспечить 12 разрядов, т. е. число импульсов за время «ворот» при максимально возможном входном напряжении, равном опорному, должно составить как минимум 4096 штук. Поделив 1 МГц на это число, мы получим частоту около 244 Гц, однако ее надо еще уменьшить вдвое, поскольку у нас в рабочем периоде должно быть два таких такта: прямого и обратного интегрирования. Итого получаем 122 Гц, что и есть максимальная частота при выбранной элементной базе. Исходя из этого выбраны величины сопротивлений и емкость конденсатора. При указанных на схеме их величинах, напряжение на выходе интегратора при входном напряжении 5 В достигнет примерно 9 В за время интегрирования, равное половине периода частоты 122 Гц.

Входное напряжение ограничено для данной схемы диапазоном от нуля до примерно 4,95 В. Напряжение выше этого значения расстроит работу схемы, потому что импульс обнуления за счет RC-цепочки все еще будет длиться, когда придет импульс установки. Импульс обнуления можно было бы сократить, например, за счет введения «корректной» дифференцирующей цепочки (по рис. 16.6, а), но к ограничению уровня входного напряжения ведет и другое обстоятельство, а именно — конечное время разряда конденсатора через ключ при приведении схемы в исходное состояние. При использованных на схеме элементах и при условии достаточно полного разряда оно составит не менее 20–30 микросекунд (сопротивление ключа около 50 Ом), т. е. до 1 % от максимальной длительности, что и ограничивает время рабочего импульса и максимальное напряжение примерно на ту же величину. Избавиться от этого можно только усложнением схемы и введением дополнительного интервала специально для обнуления — в серийных АЦП так и поступают.

Теперь о выборе элементов. При указанных частотах скорость нарастания сигнала на выходе верхнего по схеме ОУ, служащего компаратором, должна быть такой, чтобы сигнал изменялся от напряжения насыщения до нуля не более чем в пределах одного импульса счетной частоты, длящегося 1 мкс. То есть скорость нарастания должна быть не меньше 10 В/мкс, иначе мы получим ошибку за счет неточного определения момента окончания интегрирования (то же требование справедливо и для скорости срабатывания ключей). Второе требование к ОУ — для более точного интегрирования желателен достаточно малый входной ток смещения, не более нескольких наноампер. Он рассчитывается исходя из величины максимального тока интегрирования, в данном случае около 250 мкА, деленного на ту же величину в 12 разрядов, т. е. 4096. Входной ток ОУ должен удовлетворять условию «много меньше», чем полученная величина около 60 нА.

Если принять во внимание допустимое напряжение питания (не менее 12 В), то не так уж и много ОУ удовлетворят указанным требованиям. Микросхема ОРА2132 (два ОРА132 в одном корпусе DIP-8) фирмы Texas Instruments представляет собой прецизионный ОУ с высоким быстродействием (полоса 8 МГц, скорость нарастания до 20 В/мкс), очень малым входным током смещения (50 пА) и высоким допустимым напряжением питания до ±18 В. Из классических отечественных ОУ в коридор требований с некоторой натугой влезет 544УД2 или некоторые ОУ серии 574.

Впрочем, номенклатуру пригодных чипов можно значительно расширить, если снизить напряжение питания до ±5 В (при этом допустимый диапазон входного напряжения необязательно снизится, т. к. оно может превышать напряжение питания, просто манипулировать многими питаниями неудобно) и/или уменьшить частоту счета, например, до 100 кГц (частота отсчетов снизится до 12 Гц, а требования к быстродействию ОУ соответственно упадут). Все это иллюстрирует сложности, которые приходится преодолевать разработчикам при проектировании подобных АЦП в интегральном исполнении, и объясняет, почему интегрирующие АЦП обычно работают так медленно — у большинства прецизионных АЦП частота отсчетов не превышает величины несколько десятков или сотен герц.

Сконструированное нами АЦП относится к типу ПНВ — преобразователей напряжение-время. Ранее широко использовались ПНЧ — преобразователи напряжение-частота (в основном на основе микросхемы 555, см. главу 16), однако большинство их реализаций обладает тем же недостатком, что и однократный интегратор, т. е. в них точность зависит от качества компонентов напрямую. Сейчас мы рассмотрим интегрирующий преобразователь, который также использует двойное интегрирование, но на выходе его получается не интервал времени, который еще нужно сосчитать, а число-импульсный код, т. е. сразу число импульсов за определенный промежуток времени, пропорциональное входному напряжению. Это не частота, как можно бы подумать, точнее, не совсем частота.

АЦП такого типа (преобразователи напряжение-код, ПНК) называются еще дельта-сигма-преобразователями или АЦП с уравновешиванием заряда. Они широко распространены в интегральном исполнении, большинство наиболее высокоразрядных АЦП построены именно так. Я не буду рисовать подробную схему с указанием типов компонентов и разводкой выводов, потому что принципы подбора комплектующих сильно зависят от необходимой точности и разрешающей способности (разрядности), а самостоятельно строить такие схемы нет особого резона.

Принципиальная схема работы ПНК показана на рис. 17.7.

Рис. 17.7. Принцип работы АЦП с уравновешиванием заряда

Работает она следующим образом. Как только напряжение на выходе интегратора DA1 становится меньше нуля, компаратор D1 переключается, и тактовые импульсы начинают поступать на вход счетчика и одновременно на ключ, коммутируя источник опорного тока к суммирующей точке интегратора. Входной ток I_вх и опорный I_оп имеют разные знаки и опорный больше по величине, поэтому с каждым тактовым импульсом напряжение на конденсаторе будет уменьшаться, а на выходе интегратора — стремиться к нулю. Как только оно опять сравняется с нулем, компаратор переключится, и тактовые импульсы перестанут поступать на счетчик и на ключ. Заряд, который сообщается интегратору за каждый тактовый импульс, строго одинаков, поэтому количество таких тактовых импульсов в единицу времени N, необходимых для уравновешивания заряда, сообщаемого источником входного напряжения, будет в точности пропорционально входному напряжению. Разумеется, токозадающие резисторы в цепи входного и опорного напряжения вовсе не обязаны быть равны друг другу, но в любом случае число N будет пропорционально входному току и обратно пропорционально опорному, если соблюдается соотношение I_оп >= I_вх. При их равенстве число импульсов N за секунду будет равно тактовой частоте. Манипулируя величиной U_оп и номиналами резисторов, можно получать различный масштаб. Отметьте, что импульсы на входе счетчика, представляющие число N, могут быть неравномерно распределены во времени — этим ПНК отличается от ПНЧ.

Здесь точность преобразования зависит практически только от стабильности I_оп (U_оп) — при условии, конечно, выбора остальных компонентов по быстродействию в соответствии с рекомендациями для АЦП двойного интегрирования. Автор этих строк строил схему подобного ПНК на самых что ни на есть рядовых элементах: ключах 590КН2, ОУ 544УД1 и КМОП 561-й серии, в качестве источника тока использовалась схема по типу рис. 12.5, г на ОУ 140УД20 и стабилитроне КС170. Тем не менее, при тактовой частоте 2048 Гц (т. е. разрешающей способности 11 разрядов при времени измерения 1 с) стабильность схемы составляла не хуже 3 единиц кода (0,15 %) в диапазоне от -18 до +40 градусов! А если тщательно проработать вопрос стабильности и быстродействия элементов, то можно получить нечто вроде МАХ1400 — прецизионного 18-разрядного АЦП с быстродействием 4800 отсчетов в секунду.

Конструируем цифровой термометр

Цифровые термометры конструировать самостоятельно имеет смысл по крайней мере потому, что рынок подобных бытовых устройств достаточно беден. Фирменные приборы для расположения на стенке комнаты или офиса обычно имеют невзрачный дизайн с корпусами белого или «компьютерного» серого цвета и с ЖК-индикаторами, которые из-за их «слепоты» я бы категорически не рекомендовал применять в бытовых приборах, особенно тех, что предназначены для разглядывания издалека. Терпеливый радиолюбитель вполне может сделать конструкцию куда лучше фирменной — удобную, красивую и приспособленную под свои нужды, а «приставить» к такому термометру измерители влажности, давления и еще чего угодно, получив настоящую метеостанцию, — вопрос только денег, и мы еще этим будем заниматься.

Но сначала поговорим об одной из самых популярных микросхем АЦП, специально приспособленной для конструирования таких приборов, как цифровые измерители или мультиметры. Впервые обе ее разновидности выпущены более четверти века назад и до сих пор не потеряли своего значения — большая часть мультиметров, поступающих в продажу, изготовлена на таких микросхемах или их современных аналогах.

АЦП 572ПВ2 и ПВ5

Основой принципиальной схемы нашего термометра будет микросхема 572ПВ2 (ICL7107), которая представляет собой АЦП двойного интегрирования с выходом в параллельном семисегментном коде с расчетом на 3,5 десятичных разряда. Что означает цифра 3,5 — не может же использоваться полразряда? Действительно, при использовании полного выходного диапазона этой микросхемы, который составляет число ±1999, нужно подключать 4 индикатора, однако последний (старший) из них будет использоваться только для индикации цифры 1 и, при необходимости, знака минус. Число 3,5 и означает, что старший разряд используется не полностью (бывают и более заковыристые обозначения, вроде 3 % разряда, но их оставим на совести авторов). Заметим, что разрешающая способность (а при соблюдении некоторых требований — и точность) этого АЦП эквивалентна приблизительно 11 двоичным разрядам, т. е. приведенная погрешность составит 0,05 %, что очень и очень неплохо.

Основная (типовая) схема включения микросхемы 572ПВ2 показана на рис. 17.8. Микросхема имеет два собственных питания: положительное 5 В (от 4,5 до 6 В) и отрицательное, которое может варьироваться в довольно большом диапазоне от -9 до -3,5 В. Это обстоятельство позволяет при необходимости использовать для отрицательного питания не слишком стабильные преобразователи-инверторы, о чем далее.

Рис. 17.8. Типовое включение микросхемы 572ПВ2 (ICL7107) в корпусе DIP-40

Семисегментные LED-индикаторы можно подключать напрямую, без каких-либо дополнительных резисторов (ток через сегмент при этом равен 5–8 мА). Управление индикаторами осуществляется коммутацией на «землю», поэтому нужен индикатор с общим анодом, который целесообразно подключать к отдельному источнику питания, чтобы не вносить лишние помехи. Однако выходы управления индикатором не являются выходами с открытым коллектором (точнее — истоком), а есть обычный комплементарный КМОП-выход (см. рис. 15.1, схему инвертора справа).

Вытекающий ток в состоянии логической единицы может составить примерно 0,5 мА, а в состоянии логического нуля — примерно 5–8 мА (для вывода 19, который управляет одновременно двумя сегментами при засветке 1 в старшем разряде, этот ток составляет 10–16 мА).

* * *

Заметки на полях

Это обстоятельство можно использовать для управления индикаторами через внешние ключи. Дело в том, что для питания LED, потребляющих достаточно большой ток (при максимальном количестве зажженных сегментов, т. е. при индикации -1888, он может составить от 120 до 200 мА), естественно было бы использовать нестабилизированное повышенное напряжение, например, от входа стабилизатора положительного напряжения. Это особенно актуально при подключении крупных индикаторов с повышенным падением напряжения, поскольку при напряжении 5 В они будут светиться очень тускло (если загорятся вообще). Однако ставить более 20 штук ключей не очень хочется, если конструкция не слишком капитальная. К сожалению, в технической документации ни один из производителей не упоминает о возможности подключения LED-индикатора к повышенному напряжению. Можно ожидать, что при пиковом значении напряжения питания, не превышающем суммы основного питания (5 В) и падения напряжения на индикаторе (1,8–2 В для обычных и 3,5–4 В для крупных индикаторов), микросхеме ничего не грозит. В крайнем случае, можно поставить небольшие резисторы, ограничивающие ток через защитные диоды. Автор этих строк на свой страх и риск провел долгосрочный эксперимент по питанию LED-индикатора высотой 1 дюйм от пульсирующего напряжения 6,5–7 В с амплитудным значением, соответственно, около 9-10 В (от отдельной обмотки трансформатора через один диод в качестве выпрямителя). Опыт показал, что такой режим микросхема вполне выдерживает. При этом из-за «однополупериодности» напряжения средний ток через сегменты примерно в полтора раза ниже номинального, чего вполне достаточно для нормальной яркости свечения. Здесь мы также применим этот режим питания, однако в некоторых случаях это неудобно, и приходится ставить отдельный мощный стабилизатор, как и положено.

* * *

Выпускается совершенно идентичная по функциональности и разводке выводов микросхема 572ПВ5 (ICL7106), которая отличается только тем, что она предназначена для управления ЖК-индикаторами, а не светодиодными, так что, если есть нужда в малом потреблении, можно почти без изменений основной схемы использовать такой вариант. Просто заменить LED-индикатор на ЖК и наоборот, как мы уже говорили, нельзя, потому что для управления ЖК-индикаторами требуется переменное напряжение, иначе отключенные сегменты «зависнут» в поглощающем свет состоянии. Поэтому при замене ПВ2 на ПВ5 отличие в схеме заключается в том, что вывод 21 представляет собой не «цифровую землю» (GND4), а подсоединяется к общему выводу ЖК-индикатора. При этом отдельное питание, естественно, не требуется. Управление ЖК-сегментами происходит так: на общем выводе 21 все время присутствует меандр, а на тот сегмент, который нужно засветить, подается точно такой же меандр, но в противофазе. При отключении сегмента фаза на выводе его управления меняется на противоположную и становится такой же, как на выводе 21, поэтому постоянное напряжение на сегмент никогда не подается.

Отдельный вопрос представляет засветка запятой, если ее по ходу дела надо гасить. В LED-варианте это несложно (можно просто засветить постоянно или через какой-то ключ), а для ЖК-варианта нужно для нее также обеспечить подобный режим управления. Иначе при подаче постоянного напряжения она просто засветится навсегда (и будет светиться еще долго после выключения питания) и к тому же станет резко выделяться большим контрастом. Разработчики рекомендуют использовать для этой цели отдельный логический инвертор, подключенный к выходу 21. При этом (как и в случае подключения внешнего тактового генератора, см. далее) в качестве «цифровой земли» в 572ПВ5 следует использовать вывод 37 (TEST).

Ввиду отсутствия у микросхемы ПВ5 «цифровой земли» как таковой, эту микросхему можно питать от одного источника, напряжение которого может составлять от 9 до 15 В (что эквивалентно диапазону от ±4,5 до ±7,5 В). Только при этом не следует забывать, что для обеих микросхем опорное и входное напряжения не должны выходить за пределы, на 1 В отступающие от потенциалов +U_пит и —U_пит.

Для микросхемы ПВ2, вообще говоря, требуется двуполярное питание во всех случаях, т. к. «цифровая земля» GNDц должна иметь общую точку с аналоговой частью для внутреннего согласования уровней управляющих сигналов. Однако можно обойтись одним питанием +5 В (подсоединив вход — U_пит к «земле»), если, в соответствии с ранее сказанным, опорное и измеряемое напряжения по абсолютной величине не превышают 1,5 В, причем эта величина должна отсчитываться от середины U_пит.

Есть и более современные варианты этих преобразователей — например, с очень малым потреблением, но параметры рассмотренных микросхем и так достаточно хороши — при тактовой частоте 50 кГц время преобразования составляет 0,32 с (16 000 периодов тактовой частоты), а потребление при этом не превышает 0,6 мА (не считая, конечно, потребления индикаторов в LED-варианте).

Удобство микросхем ПВ2 и ПВ5 заключается и в том, что они оперируют с двухполярными входными напряжениями, автоматически определяя и высвечивая знак. Диапазон входного измеряемого напряжения определяется опорным, с помощью которого и задается масштаб, при этом опорное должно находиться в пределах 0,1–1 В, а измеряемое может по абсолютной величине превышать его, в соответствии с разрешающей способностью, ровно в два раза. Если, например, опорное напряжение равно 1 В, то измеряемое может быть в пределах ±2 В (точнее ±1,999 В), а в общем случае выходной код определяется выражением N = 1000·U_вх/U_оп. При превышении значением входного напряжения предела +2U_оп младшие три разряда гаснут, а при снижении ниже -2U_оп — гаснет все, кроме знака минус.

На схеме рис. 17.8 показан именно такой вариант включения с общими «землями». Однако оба входных напряжения — опорное и измеряемое — могут быть и «плавающими», без общей «земли», единственное требование — чтобы их значения не выходили за пределы питания (а по абсолютной величине они, естественно, должны соответствовать указанным ранее требованиям). В этом случае вывод 32 («аналоговая земля») не используется. На этом выводе тогда присутствует напряжение, равное (U_+пит — 2,8) В. Если очень надо, его можно использовать в качестве опорного (не само напряжение относительно «земли», которая в данном случае есть довольно условное понятие, а именно разность между положительным питанием и выводом 32). Однако стабильность этого напряжения невелика, и так рекомендуется поступать только в уж очень экономичных схемах. Особенно это плохо в случае ПВ2, в которой выходные каскады за счет большого тока сильно (и неравномерно по времени из-за разного количества подключенных сегментов) нагревают кристалл, и напряжение это начинает «плавать». Ошибка при этом может составить до 0,5 %, т. е. точность снижается до 9 разрядов вместо 11.

Тактовую частоту микросхем рекомендуется выбирать из ряда 200, 100, 50 и 40 кГц, при этом частота помехи 50 Гц уложится в длительность фазы интегрирования входного напряжения (см. далее) целое число раз, и такая помеха будет интегрироваться полностью. Тактовую частоту можно задавать тремя способами: с помощью RC-цепочки, как показано на рис. 17.8, с помощью кварца, подключаемого к выводам 39 и 40, а также внешним генератором, выход которого подключается в выводу 40 (в ПВ2 при этом в качестве общего провода используется вывод 21 «цифровая земля», а в ПВ5 — вывод 37 «TEST»). На практике чаще всего используется первый способ, при этом частота будет равна примерно 0,45R_гС_г.

В фирменной документации на этот счет есть некоторая неясность, т. к. рекомендуется выбирать R_г = 100 кОм при С_г = 100 пф, и тогда согласно формуле частота должна составить 45 кГц. Это далеко и от 40, и от 50 кГц, рекомендуемых для частоты помехи 50 Гц, и не вполне совпадает с 48 кГц, рекомендуемыми для помехи 60 Гц. Все отечественные описания микросхем ПВ2 и ПВ5 изящно обходят этот вопрос, просто повторяя фирменные рекомендации. Думается, что составители документации имели в виду все же 60-герцовую помеху (т. е. тактовую частоту 48 кГц), поэтому в отечественных пенатах следует снизить емкость С_г до 91 пф — так будет корректнее. Вообще, ошибка в ±5 %, конечно, тут вполне допустима.

Из особенностей внутреннего функционирования этих микросхем нам интересен еще один момент. Цикл работы ПВ2 и ПВ5 состоит из трех фаз, первые две из которых идентичны циклу работы ПНВ по рис. 17.5. После окончания фазы интегрирования опорного напряжения и формирования, собственно, измерительного интервала начинается последняя (или первая для следующего измерения) часть цикла, носящая название фазы автокоррекции. В этой фазе происходит не только сброс интегрирующей емкости (который у нас в схеме по рис. 17.6 занимал некоторое время из отведенного для фазы интегрирования), но и, кроме этого, на конденсаторе С_ак происходит накопление напряжения смещения всех участвующих в процессе ОУ и компараторов. В рабочих циклах это напряжение учитывается. Но для нас еще интереснее, что в фазе автокоррекции одновременно происходит заряд емкости С_оп до значения опорного напряжения, и последующее интегрирование в рабочем цикле оперирует именно с этой величиной, а вход опорного напряжения при этом отключается. Собственно, сделано это для того, чтобы была возможность автоматического внутреннего инвертирования опорного напряжения при смене знака измеряемого. Однако для нас это важно, потому что позволяет сгладить наличие высокочастотных помех на входе опорного напряжения. К сожалению, длительность фазы автокоррекции является неопределенной (т. к. она занимает всю оставшуюся часть фазы интегрирования опорного напряжения, к которому прибавляется фиксированный интервал времени в 4000 периодов тактовой частоты), и низкочастотная помеха при этом интегрируется плохо.

Номиналы емкостей и резисторов на рис. 17.8 приведены для случая опорного напряжения, равного 1 В, и тактовой частоты 50 кГц. При опорном напряжении 0,1 В емкость С_ак нужно увеличить до 0,47 мкФ, С_интуменьшить до 0,1 мкФ, а R_инт уменьшить до 47 кОм. В остальных случаях эти номиналы должны быть изменены в указанных пределах примерно пропорционально изменению опорного напряжения.

К выбору типов компонентов следует подходить весьма тщательно, от этого сильно зависит в первую очередь линейность преобразования. Резисторы все могут быть типа МЛТ, хотя при наличии стоит предпочесть С2-29В. Конденсатор тактового генератора С_ген может быть керамическим (типа КМ73-10, КМ-5, КМ-6). Остальные конденсаторы (С_инт, С_оп и С_ак) должны иметь органический диэлектрик, лучше всего подойдут фторопластовые (К72П-6, К72-9) или полистироловые (К71-4, К71-5), но сойдут и полиэтилентерефталатные (К73-16, К73-17). Эти конденсаторы могут ужаснуть вас своими размерами, но ничего не поделаешь — такова плата за стабильность. Высокие конденсаторы (как К73-17) следует устанавливать лежа — хотя при этом площадь платы увеличивается, но зато конденсаторы не торчат над всеми остальными компонентами. Это, кроме всего прочего, повышает надежность монтажа, ибо меньше вероятность выломать конденсатор с корнем, случайно положив поверх платы каталог продукции фирмы MAXIM.

Практическая схема термометра

Теперь, вооружившись всеми этими знаниями, приступим, наконец, к нашему термометру. И сначала нам надо будет посчитать — что мы имеем на входе и что мы хотим при этом получить на выходе?

Начнем с выхода — температура традиционно демонстрируется в виде «ХХ,Х». Таким образом, мы должны использовать только три младших разряда, при этом диапазон температур получится от -99,9 до +99,9 °C. Собственно говоря, такой диапазон чересчур широкий, практически для «погодного» термометра хватило бы и диапазона от -50 до +50 °C. В чем и состоит, как мы уже говорили, недостаток использования готовых микросхем — мы вынуждены устанавливать диапазон в соответствии с возможностями отображения чисел с помощью ПВ2. И при этом мы теряем ровно два двоичных разряда, ужимая диапазон в 4 раза. Никто нам, конечно, не запретит подключить все четыре индикатора и демонстрировать температуру от -199,9 до +199,9 °C. Но если диапазон выше 100 °C еще может пригодиться в быту (скажем, признаком готовности варенья служит температура 105–106 °C), то отрицательный диапазон аж до -200 °C вряд ли потребуется даже для самых специфических производственных нужд, а для научных задач такие температуры измеряются своими способами. Но, конечно, никто не запрещает вам использовать, например, половину диапазона со сдвигом, от -50 до +150 °C — все будет определяться соотношением резисторов, как мы увидим, и наличием индикаторов. Калибровку для простоты будем производить от 0 до 50 градусов, полагая (и это оправдывается на практике), что термодатчик при не слишком большом углублении в отрицательную область ведет себя линейно.

О выборе датчиков мы говорили в главе 13. Так как мы собираемся делать более-менее точный прибор, то выберем не полупроводниковый, а медный резистивный датчик и прикинем, какое было бы желательно иметь его сопротивление. Обычные токи через датчик должны составлять порядка 1–3 мА, иначе медная катушка приемлемых размеров будет сама нагреваться. Проще всего в качестве датчика использовать обмотку малогабаритного реле из серий, например, РЭС-60, РЭС-80, РЭС-79 или РЭС-49 — какое окажется под рукой, и чем старше возрастом, тем лучше, т. к. медь при хранении стабилизирует свои характеристики. Нет проблем использовать и любое другое реле, только крупные конструкции будут иметь значительную тепловую инерцию, к тому же многие, особенно старые, реле не герметизированы.

Указанные мной типы имеют полностью герметизированный металлический корпус, остается только изолировать от внешней среды выводы. У меня «под рукой» оказалось реле типа РЭС-60 с обмоткой 800+120 Ом (паспорт РС4.569.435-01). Изменения на диапазон 100 °C составят в среднем 320 Ом (напомним, что у меди температурный коэффициент сопротивления равен 0,4 %/°). Выберем U_оп = 0,5 В, тогда ток через датчик-обмотку должен составить 0,5 В/320 Ом ~= 1,5 мА. Так как рабочие напряжения здесь не превышают по абсолютной величине 0,5 В, то мы сможем обойтись для АЦП одним питанием +5 В, только надо будет максимально приблизить эти напряжения к середине питания.

Общая схема термометра показана на рис. 17.9.

Рис. 17.9. Прецизионный цифровой термометр на микросхеме 572ПВ2

Рассмотрим сначала включение датчика. Для того чтобы при нуле градусов термометр показывал 0, нужно на вход АЦП подавать разность текущего напряжения на датчике и значения его при нулевой температуре. В данном случае это делается с помощью мостовой схемы. Два идентичных источника тока 1,5 мА (ОУ DA1, транзисторы VT1-VT2 и резисторы R16-R19) образуют верхнюю половину моста, а нижняя состоит из датчика температуры R_tи опорного резистора R20, сопротивление которого равно сопротивлению датчика при 0 °C. Разность этих напряжений подается на АЦП в качестве входного напряжения. Фильтр R22-C6 нужен для лучшего сглаживания помех (конденсатор С6 может быть керамическим). ОУ МАХ478, как указывалось в главе 12, можно заменить, например, на ОР293 (или, с небольшой переработкой схемы, на счетверенный ОР493). Так как в этой схеме общее питание не превышает 5 В, то выбор ОУ с хорошими характеристиками несколько расширяется (ОР296, АБ8607,АО8616 и др.).

Обратим теперь внимание на хитрую схему включения самого датчика, которая носит название трехпроводной. Такая схема позволяет избежать влияния соединительных проводов и, главное, помех, которые наводятся на них. Сами по себе провода влияют слабо, т. к. в данном случае достаточно, чтобы они имели сопротивление, меньшее, чем 1/2000 сопротивления датчика[26], что составляет примерно 0,4 Ом. Это вполне обеспечит провод МГТФ-0,35, если его суммарная длина не превысит 40 м. Однако в этой схеме и столь малые изменения нивелируются тем, что два одинаковых провода, соединяющие опорный резистор с датчиком и датчик с источником тока, оказываются включенными в разные плечи моста, потому их изменения взаимно компенсируются. Наведенные на этих проводах помехи ведут себя точно так же. А третий провод, соединяющий датчик с «землей», оказывается включенным в оба плеча сразу и создает чисто синфазную помеху, которая игнорируется преобразователем. Дополнительный резистор R23, включенный в этот провод, «подтягивает» напряжение разбаланса моста к середине напряжения питания (падение напряжения на R23 составляет около 1 В). При возможном изменении напряжения питания опорное напряжение и сигнал с выхода моста будут меняться пропорционально, поэтому ошибки не возникнет.

Цепочка R21-C7 есть дополнительный фильтр по питанию ОУ в источниках тока. Остальные компоненты схемы вызвать вопросов не должны. Все резисторы, выделенные темным, должны быть с точностью не хуже 1 % — например, типа С2-29В. Номиналы их, естественно, необязательно должны быть именно такими, как указано на схеме, и могут меняться в очень широких пределах, но соотношения должны быть выдержаны точно. При ином сопротивлении датчика соотношения этих резисторов, а также сопротивления резисторов R20 и R23 придется пересчитать, при этом желательно приблизительно сохранить значения напряжений в схеме, особенно это касается близости к середине напряжения питания.

Индикаторная часть также не должна вызвать вопросов. Питание индикаторов в этой схеме обязательно должно осуществляться от отдельной обмотки трансформатора. Индикаторы зеленого свечения (с буквой G) можно заменить любыми другими, по вкусу. Так как мы четвертый разряд не используем, то не имеет смысла ставить целый индикатор для одного только знака минус, и его индикация производится с помощью одного плоского светодиода. Они бывают разных размеров, и чтобы прибор выглядел красиво, следует подогнать светящуюся полоску по ширине сегментов индикатора. В данном случае светодиод L113 имеет размеры 5×2 мм, но сегменты заметно уже, поэтому часть торцевой поверхности нужно аккуратно закрасить любой непрозрачной краской. Залить такой краской следует и боковые поверхности светодиода, иначе вместо минуса вы получите неопределенное светящееся пятно.

Если яркость минуса, запятой (вывод 5 индикатора Н2) и индикаторов Н4-Н5, постоянно демонстрирующих знак «°С», будет отличаться от яркости основных разрядов, нужно подобрать резисторы R1-R10. Источник питания нужно рассчитывать на 250 мА по напряжению ~6,3 В (по напряжению +5 В потребление не достигает и 10 мА). Конечно, в целях экономии места, стоимости и потребления тока индикаторы Н4-Н5 можно исключить.

Датчик можно изготовить следующим образом (рис. 17.10).

Рис. 17.10. Конструкция датчика на основе реле РЭС-49, РЭС-60, РЭС-79, РЭС-80 и аналогичных

_{1 — реле, 2 — места пайки выводов, 3 — пластмассовая трубка, 4 — эпоксидная смола, 5 — кембрик}

Берется трубка (лучше пластмассовая) длиной примерно 10 см и такого диаметра, чтобы все выводы реле, в том числе выводы обмотки с припаянными проводами, свободно помещались внутри. Места пайки на всякий случай следует изолировать термоусадочным кембриком. Затем нужно пропустить провода через трубку и обязательно в месте выхода из трубки также надеть на них отрезок кембрика, чтобы ограничить радиус перегиба (позиция 5 на рис. 17.10). Потом надо залепить пластилином щели между корпусом реле и торцом трубки и залить ее внутренность эпоксидной смолой. Пластилин удаляется потом начисто с помощью бензина. Если датчик будет расположен снаружи помещения, его лучше покрыть атмосферостойким лаком или краской.

Схему следует собрать всю сразу (проверив отдельно, конечно, источник питания). Измерив величину сопротивления датчика при комнатной температуре, следует рассчитать необходимую величину резистора R20 (на схеме дана его величина, исходя из сопротивления датчика ровно 800 Ом при 20 °C). Затем на место калибровочных резисторов R14 и R20 нужно впаять резисторы большего номинала, а параллельно им — переменные резисторы с таким значением сопротивления, чтобы вместе они составляли номинал примерно на 5-10 % больший расчетного. Наладку надо начинать с проверки правильности разводки индикаторов. Для этого вывод «TEST» следует замкнуть с напряжением питания — индикаторы должны загореться все, показав значение «888».

Затем можно приступать к процедуре калибровки. Набейте термос толченым льдом (зимой лучше использовать для этой цели снег) пополам с водой — это будет первая калибровочная точка. Вторая может быть обеспечена просто теплой водой с температурой от 40 до 60 градусов, причем поддерживать точную температуру необязательно, только за ней нужно все время следить (хотя, разумеется, наличие термостата предпочтительнее). Помещая датчик в смесь льда и воды, с помощью резистора R20 устанавливают нулевые показания термометра. Затем датчик помещают в теплую воду вместе с образцовым термометром и с помощью резистора R14 устанавливают показания, соответствующие показаниям этого термометра. В обоих случаях размещать датчик нужно так, чтобы и он, и эталонный термометр не касались стенок, причем воду и смесь в термосе при этом следует обязательно перемешивать. Не забывайте, что каждый раз датчик следует выдерживать при соответствующей температуре не менее нескольких минут — до установления показаний.

Так как у нас при 0° мост находится в равновесии, то корректировки нуля и крутизны в целом независимы, и одной итерации достаточно, но на всякий случай следует несколько раз перенести датчик из нулевой температуры в теплую воду и обратно и при необходимости подкорректировать показания. Окончательно переменные резисторы заменяют на постоянные, которые подпаивают прямо к выводам основных (на схеме они показаны пунктиром). Эти дополнительные резисторы могут быть типа МЛТ — при условии, что основной резистор не слишком отличается от окончательного номинала. Если все сделано аккуратно, то погрешность такого термометра не превысит приблизительно 0,2 °C во всем диапазоне от -50 до +50 °C.

При использовании иных типов датчиков, например полупроводниковых, отрицательное напряжение питания в 572ПВ2 может, все же, понадобиться. Лучший способ, безусловно, — сделать нормальный двуполярный источник ±5 В. На рис. 17.11 приведены различные варианты паллиативных решений.

Рис. 17.11. Варианты организации отрицательного напряжения питания для 572ПВ2

Первый вариант (рис. 17.11, а) представляет собой однополярный источник +10 В с искусственным расщеплением. Расщепитель представляет собой просто повторитель напряжения на ОУ с умощненным выходом на комплементарных транзисторах. Обратите внимание на схему включения стабилизатора LM78L09, которая позволяет получить напряжение несколько большее, чем номинальное. Излишне предупреждать, что питание индикаторов при такой схеме обязательно должно осуществляться от отдельного источника.

Вторая схема (рис. 17.11, б) представляет собой инвертор-преобразователь положительного питания +5 В в отрицательное. Различных типов таких инверторов выпускается очень много, здесь выбран простейший нестабилизированный вариант. Преимущество преобразователя 1168ЕП1 (ICL7660, МАХ 1044) — в простоте включения, недостаток — высокое выходное сопротивление, так что при входном напряжении +5 В уже при потребляемом токе 20 мА отрицательное выходное напряжение снижается по абсолютной величине до 4,0 В (величина -4,4 В показана условно). Однако для нужд микросхемы 572ПВ2 этого вполне достаточно. Это полностью иллюстрирует рис. 17.11, в, на котором приведена схема инвертора напряжения, рекомендуемая самими разработчиками АЦП. Это на самом деле просто ухудшенный вариант того же инвертора, только работающий от тактовой частоты АЦП. Микросхема CD4009 может быть заменена на 561ПУ4 (CD4050) или на 561ЛН2 с соответствующей коррекцией разводки выводов. Подобные схемы могут особенно пригодиться для ПВ5 в случае батарейного питания — ведь обеспечить напряжение порядка 12–14 В, требующееся для нормального двуполярного источника ±5 В, в этом случае непросто.

ОТПУГИВАТЕЛЬ ДИКИХ ЖИВОТНЫХ

Проект создавался по реальной необходимости, когда дачный участок разрушили кабаны. Хотелось избежать дорогостоящих и в какой-то степени опасных электроизгородей, поэтому был создан простой акустический отпугиватель, и как показала практика пока эффективный (незваных гостей пока не было).

Схема электронного отпугивателя

Устройство отпугивает животных звуком, в основном звуками лая собак и воем волков. В аппарате использовался старый MP3-плеер, сигнал с него усилен УНЧ TDA2003. Микроконтроллер Attiny13 включает усилитель примерно на 50 секунд через случайные промежутки времени (J2 закрыт — 3-30 минут; J2 открыт — 3-15 минут). Если перемычка J1 замкнута, схема реагирует на уровень освещенности и включается после наступления темноты. Порог включения можно настроить с помощью потенциометра PR1. Светодиод сообщает об активности устройства, мигая.

Все это собрано на односторонней печатной плате и помещено в герметичную банку и устойчиво к погодным условиям, колонки также не боятся дождя.

Далее несколько советов для людей, которые тоже захотят сделать отпугиватель. Устройство должно питаться от 12 В, используется тут автомобильный аккумулятор, который заряжается каждую неделю. Напряжение питания не должно превышать 18 В. Можно использовать аккумулятор от мотоцикла — меньшего размера, меньшей емкости или солнечную батарею. Можно вообще вместо аккумулятора установить блок питания на 220 В, хотя это ограничивает свободу внедрения устройства.

Рекомендуем поставить небольшие радиаторы на U1 и U2. В схеме есть выход для питания MP3-плеера (1,5 В). Перемычки J1 и J2 контролируют работу. Замыкая J1, активируем сумеречную схему, при ее разомкнутом положении девайс все время работает. Перемычка J2 устанавливает длительность временного интервала между подключениями громкоговорителей. Используйте PR1 для регулировки порога активации сумеречного датчика.

• Во-первых, следует учесть, что животные приходят с наступлением темноты. Лучше добавить задержку около часа после срабатывания фотодатчика.
• Второе — это оптимизировать энергопотребление в режиме ожидания, включая перевод процессора в спящий режим в течение дня.

Можно использовать еще один порт для запуска воспроизведения после включения MP3. Активируйте его на 0,5 секунды и используйте ключ CMOS, например 1/4 CD4066, для имитации короткого замыкания кнопки Play.

Выбор оптимального звука

Этот метод также отпугивает голубей и вредителей садов. Но птицы глупы, а у кабана ум получше. В конце концов, они начнут приходить независимо от шума. Некоторое время это будет работать, но со временем эффект может снизиться. Искусственные стимуляторы довольно быстро перестают действовать и животные могут привыкнуть как к интенсивному движению машин, так и к звуку гудка.

Другое дело звуки, издаваемые хищниками — у животных есть рефлекс, закодированный природой, и надо его использовать — как в таком проекте, так и в других подобных —  существует такая примитивная (с человеческой точки зрения) защита, как силуэт хищных птиц (характерный особенности, позволяющие легко отличать хищников от других птиц) — можно заметить, что иногда он висит на линиях электропередач, приклеивается к большим прозрачным стенам (проходам, подвесным туннелям и т. д.).

Более эффективным звуком будет звук человека, желательно охотника + шелест травы. На самом деле кабан больше всего боится человека и его ружья. Однако больше всего кабан боится запаха человека, отсюда и применение хукинола и другой химии.

За особой громкостью не гонитесь, кабан слышит шепот с расстояния более 1000 метров, шелест травы в пределах километра также, но обычно он убегает с расстояния 100-300 метров от источника звука опасности. Прилагаемый архив включает схему, плату и аудиофайлы для плеера.

   Форум

   Форум по обсуждению материала ОТПУГИВАТЕЛЬ ДИКИХ ЖИВОТНЫХ

Нужна помощь с использованием LM358, микроконтроллера и питания +/-

По-видимому, этот вопрос содержит большинство (большинство :-)) информации, необходимой для ее решения, в четком и понятном формате. Это очень приветствуется и очень необычно.

Система представляет собой «секвенсер», который последовательно соединяет ряд настроек потенциометра с выходом с помощью шлюзов передачи CD4066. ( лист данных CD4066 здесь )

У этого есть ряд незначительных, но фатальных недостатков, которые должны быть легко исправлены. Зная, для чего он должен использоваться, какова скорость степпинга и будет ли включен хотя бы один выход, качество решения.

Суммируемое решение — все может иметь большое значение:

• Super summary

  • «D1-D8» are peak holding the output signal.
    LED1-LE8 are clamping the CD4066 drive signals.
    Actual supply and drive signals need to be checked for relative correctness.

  • Remove output diodes

  • Small cap to ground from IC3A pin 3

  • Arduino Vcc = CD4066 Vdd.

  • If Vcc = Vdd = 3V3 then Vpot_all

  • If Vcc = Vdd = 5V then Vpot_all

  • Remove LED1-LED8 or add 10K series resistors.

  • Operate IC3 from +12V/ 0V supplies.

  • Consider limiting Vpotmax to say 4V to give IC3 headroom.

  • It goes ! 🙂

Подробнее, еще резюме …

• Remove D1-D11 at outputs of CD4066 transmission gates (replace with short circuit.)

• Place a small capacitor and/or a large resistor on pin 3 of IC3A = input to amplifier. This provides a sample and hold capacitor and a negative reference respectively. Size of cap depends on multiplex rate. May be about 1 nF if rate slowish. Resistor is 1 megohm or higher.

• If LED1 — LED8 do not have series resistors then provide them or remove LEDs for now while checking this solution. Resistors must be large enough that LEDs only lightly load Arduino D0-D7 outputs. These MUST rise to at least 3.5V during whole of CD4066 on time.

• CD4066 Vdd is not specified. Please specify. Should be same as Arduino Vcc and not greater.

• Arduino Vcc and CD4066 Vdd must be the same.
  Pot input voltages must not be > CD4066 Vdd.

ПОДРОБНОСТИ:

Рассмотрим IC1a B C D IC2A B C D, чтобы сформировать мультиплексор с 8 входами и одним выходом. Вызовите эти муфты или отдельные ворота передачи ворот 1-8 = TG1-TG8.

Светодиоды 1 2 3 4 5 6 7 8 показаны с резистором привода серии NO, и они зажимают приводные линии к воротам передачи 4066. 4066 нужен высокий разрешающий сигнал не менее 70% его VCC.

D1 2 3? ? ? ? 11 по дну (4066 выходов) не должны быть необходимы и вызывают проблемы. От 4-го по 7-й диоды имеют несколько символов, обозначенных и наложенных на диаграмму. ЕСЛИ это на печатной плате, которая была сделана, могут возникнуть проблемы с подключением, но это, вероятно, просто опечатки.

Я буду вызывать выходные диоды D1-8 в целом.
 Короткий выход D1-8 !!!
 Они действуют как схема пикового удержания на контакт 3 IC3A без нагрузки, поэтому наивысшее значение сохраняется в паразитной емкости, и на выводе 3 нет изменений. На их выходы можно поставить нагрузку (контакт 3 IC3a), но как ворота передачи изолируют горшки, за исключением того, что при подключении диоды просто добавляют плохо определенное падение диода без видимого использования. Удаление кажется прекрасным.

Arduino has «VCC» & 5V & 3V shown at edge connector. Processor MUST be operating from 5V Vcc for this circuit to work as shown, as CD4066 drive signals must be at least 3.5V when it has a 5V Vcc and to switch 5V signals it needs 5V Vcc.If Vcc = 3.3V say pots must not be set above say 4V. (CD4066 will operate on as little as Vdd=3V, fortunately). IF Arduino is operating from Vcc=3.3V you should operate CD4066 on 3V3 as well.

Горшки, подающие трансмиссионные ворота (называть их VR1-Vr8), больше, чем желательно, но теперь они не меняются. Это связано с тем, что мультиплексор отображает их и соединяет их с образцом и удерживает. Было бы «приятно» для них обеспечить жесткий источник для подачи мультиплексора. На выходе мультиплексора будет какая-то паразитная емкость, и это ограничит минимальное время, необходимое для принятия нового значения мультиплексора. например, если вы скажете 100 п.ф. паразитную емкость в мультиплексоре, то с источником источника 50к вы имеете постоянную времени t = RC = 50k x 100E-12 = 5 uS. Это может быть хорошо, если время переключения мультиплексирования (неуказано). Поскольку вы упоминаете «странный шум», это, по-видимому, предназначено для работы в аудиодиапазоне. поэтому частота мультиплексирования = кГц? Если скорость мультиплексирования слишком медленная, вход IC3 МОЖЕТ опускаться между образцами мультиплексора, но только если он остановлен на какое-либо время (режим работы не указан). Добавление конденсатора в землю на выходе мультиплексора служит в качестве образца и удержания, но с повышенным эффектом на загрузку во время выборки.

В идеале, горшки VR1-8 будут говорить 10k, но это зависит от других факторов, таких как скорость мультиплексирования и независимо от того, является ли саженец всегда немедленным или если есть периоды отсрочки.

Еще более идеально [tm] в кастрюлях все буферируются с буфером операционных усилителей каждый (не требуется никаких частей, кроме операционного усилителя — вход для неинвертирующего входа, выход подключен к инвертирующему входу). При такой компоновке выход мультиплексора приводится к выбранному входу при помощи операционного усилителя в выходной емкости — очень быстро. Зависит от скорости мультиплексирования. вероятно, отлично подходит для этого приложения.

Вопросы:

Что такое напряжение Arduino Vcc?

Что такое CD4066 Vdd voltage?

Какова скорость мультиплексирования (время на шаг)?

Действительно ли нет светодиодных резисторов серии?

Для чего это используется?

CD4066 Распиновка, примеры, техническое описание, приложения и функции

CD4066 — это ИС с четырьмя двусторонними переключателями на основе КМОП-логики, принадлежащая к семейству интегральных схем CD4000. Он имеет четыре аналоговых / цифровых переключателя, которые могут работать в обоих направлениях. У них есть независимые управляющие входы. Все эти управляющие входы имеют диодную защиту. Кроме того, CD4066B предоставляет функции передачи и мультиплексирования как цифровых, так и аналоговых сигналов. В отличие от микросхемы CD4016, она обеспечивает низкое сопротивление в открытом состоянии, а сопротивление остается неизменным для всего диапазона входного сигнала.

CD4066 Схема расположения выводов

Распиновка CD4066 показывает, что он состоит из четырнадцати контактов. Четырем двусторонним переключателям соответствует один управляющий сигнал. Управляющий сигнал обеспечивает смещение переключателей.

Детали конфигурации контактов

В этом разделе содержится подробная информация о каждом контакте и его функциях. В таблицах перечислены выводы микросхемы CD4066 и их конфигурация выводов. Всего эта ИС имеет 14 контактов. Каждый вывод, его имя и описание приведены в таблице ниже:

CD4066 Характеристики

• Широкий диапазон напряжения питания от 3В до 15В и максимальное коммутируемое напряжение 20В
• Широкий диапазон цифрового (15 В) и аналогового переключения (± 7.5 В)
• Высокий Выходной ток -0,4 мА
• Управляющий вывод Напряжение на низком уровне составляет 0,9 В (макс.), А на высоком уровне — 11 В (мин. При 15 В постоянного тока)
• Помехоустойчивость 0,45 VDD (тип.)
• Высокое отношение выходного напряжения 80 дБ, обычно при fis = 10 кГц, RL = 1 кОм
• Очень низкое внутреннее сопротивление
• Перекрестные помехи между переключателями составляют –50 дБ при fis = 8 МГц и RL = 1 кОм, что очень мало

Где использовать CD4066?

CD4066 может использоваться для мультиплексирования аналоговых или цифровых сигналов.Переключатели внутри этой ИС имеют очень низкое внутреннее сопротивление. Следовательно, его можно использовать в аудиоприложениях и для изоляции сигналов. Преимущество использования этой ИС заключается в том, что ее импеданс во включенном состоянии является постоянным во всем диапазоне входного напряжения, а колебания пикового входного напряжения равны полному напряжению питания по сравнению с другими одноканальными переключателями.

Как им пользоваться?

Принцип работы этого четырехстороннего переключателя очень прост. Микросхема CD4066 состоит из четырех переключателей.Он может переключать аналоговые сигналы посредством цифрового управления. На вход переключателя подается аналоговый сигнал. Если на управляющий вход подается значение HIGH или 1, аналоговый сигнал будет передаваться от входа к выходу переключателя. Внутренняя структура этой ИС показана на рисунке ниже.

Поскольку это двусторонний переключатель, он может работать как в прямом, так и в обратном направлении. Каждый переключатель имеет два контакта, которые можно использовать как вход и выход для переключения напряжений.Контакт 14 подключен к положительной клемме источника питания, а контакт 7 подключен к земле цепи. Когда управляющий вход HIGH или 1, контакты переключателя имеют низкий импеданс между ними, и говорят, что они находятся в состоянии ON. Когда этот вход имеет значение LOW или 0, переключатель находится в положении OFF, а клемма подключена с помощью высокого импеданса.

Рабочий вывод таблицы истинности

Таблица истинности, показывающая влияние на выход при изменении входов, показана в таблице, приведенной ниже.

CD4066 Примеры схем

Этот раздел содержит примеры схем и симуляций Proteus.Мы разрабатываем схемы моделирования, чтобы лучше понять четырехсторонние переключатели CD4066.

Пример одиночного переключателя

В этом примере мы подключаем двигатель постоянного тока к переключателю и батарее на 12 В для управления этим двигателем. Но помните, мы можем подключить аккумуляторный источник только на 5-18 вольт. Это соответствует рабочему диапазону напряжения CD4066.

Как видно из диаграммы моделирования, двигатель остается в выключенном состоянии, когда нет управляющего сигнала. Но как только мы подаем управляющий сигнал высокого логического уровня на управляющий вывод переключателя A, двигатель начинает двигаться.Следовательно, основная цель использования этой микросхемы — изолировать управляющий сигнал от сигнала мощности. Однако мы также можем использовать эту ИС в качестве мультиплексора 4 × 1.

CD4066 Пример мультиплексора

Это схема мультиплексора 4 × 1 на базе CD4066. Мультиплексор дает один выход в зависимости от активной строки выбора. Мультиплексор 4 × 1 имеет четыре линии выбора и один выход. Поэтому, чтобы спроектировать его с этой ИС, мы подключили все выходные контакты к общей точке. Все контрольные штифты действуют как линия выбора.

В демонстрационных целях мы соединяем четыре управляющих контакта с разными уровнями постоянного напряжения, такими как 4, 8, 12 и 14 вольт. Следовательно, напряжение, связанное с соответствующим выводом управления (в данном случае линия выбора), появится на выходе мультиплексора.

Приложения для ИС четырехстороннего переключателя CD4066

Имеет огромное количество приложений. Некоторые из них находятся в:

• Коммутация и мультиплексирование аналоговых и цифровых сигналов
• Цепи выборки и хранения
• Стробирование сигналов, модуляторы, демодуляторы, прерыватели, коммутационные переключатели
• Фильтр мертвой зоны
• Логическая реализация шлюзов передачи
• Коммутация сетей
• Регулятор шумоподавления
• Преобразование аналого-цифрового и цифро-аналогового сигналов
• Цифровое управление частотой, фазовым сопротивлением и усилением аналогового сигнала
• Реализация логики CMOS

Размерная диаграмма 2D

CD4066 Лист данных

В заключение, мы всегда можем обратиться к техническому описанию для получения дополнительной информации.Кроме того, мы также можем проверить 2D-диаграммы размеров других пакетов для проектирования печатных плат.

CD4066 Лист данных

CD4066 Типовая прикладная схема

Введение

CD4066 представляет собой четырехсторонний двусторонний переключатель , который может применяться для переключения аналоговых и цифровых сигналов. Он по принципу «вывод за выводом» совместим с устройством CD4016B, но имеет гораздо более низкое сопротивление в открытом состоянии. Кроме того, сопротивление в открытом состоянии относительно постоянно во всем диапазоне входного сигнала.

Устройство CD4066 состоит из четырех двусторонних переключателей, каждый с независимым управлением. Выключатели могут отключаться независимо и дополнять друг друга. Эта конфигурация исключает изменение порогового напряжения переключающего транзистора в зависимости от входного сигнала и, таким образом, поддерживает низкое сопротивление в открытом состоянии во всем диапазоне рабочего сигнала.

Преимущества перед одноканальными переключателями включают пиковое колебание напряжения входного сигнала, равное полному напряжению питания, и более постоянный импеданс в открытом состоянии во всем диапазоне входного сигнала.

Каталог

I Испытательная схема CD4066

Испытание четырехъядерного двустороннего переключателя CD4066 в основном предназначено для проверки функции управления и функции двусторонней проводимости каждого переключателя.

Рисунок 1. Испытательная схема CD4066

На рисунке 1 при выборе высокого или низкого уровня KI представляет собой однополюсный переключатель на клемме управления, который используется для изменения включенного состояния аналогового переключателя. Когда переключатель повернут в положение H для включения высокого уровня, контрольные клеммы четырех переключателей находятся на высоком уровне, и каждый переключатель должен быть включен.Когда переключатель установлен на низкий уровень L, четыре переключателя должны быть выключены. K2 — двухполюсный двухпозиционный переключатель. Переключите переключатель K2 для управления направлением двустороннего проходящего сигнала переключателя. Об этом свидетельствуют две группы красного и зеленого светодиода.

Когда переключатель K2-1 установлен на высокий уровень H, K2-2 подключается к низкому уровню L. Когда переключатель KI переводится в состояние высокого уровня, все переключатели находятся в состоянии прямой (обратной) проводимости. Таким образом, положительный полюс источника питания добавляется к параллельно включенным светодиодам LFD1, LED3, IED5, положительному полюсу LED7 и понижающему резистору R.Затем загораются четыре красных светодиода. Когда переключатель Kl установлен на низкий уровень L, каждый аналоговый переключатель находится в состоянии отключения. Независимо от того, переключен ли K2 в состояние H или L, две группы красного и зеленого светодиода не загорятся.

II Беспроводной телефон

CD4066 — четырехсторонний двусторонний коммутатор, который широко используется в телевизорах, DVD-плеерах, телефонах, различных электронных приборах и счетчиках. Устройство CD4066 состоит из четырех двусторонних переключателей, каждый с независимым управлением. Выключатели могут отключаться независимо и дополнять друг друга.Типичная схема применения CD4066 в беспроводном телефоне показана на рисунке.

Рисунок 2. Схема беспроводного телефона

III Схема самоблокирующегося сенсорного переключателя

В схеме самоблокирующегося сенсорного переключателя, состоящей из CD4066b, когда сенсорный переключатель S1 активирован, R4 приводится в действие на высокий уровень, а управляющее напряжение становится высоким, что защелкнет переключатель. Когда S2 активирован, R4 становится низким, а управляющее напряжение становится низким, что деактивирует переключатель.

Рисунок 3. Схема самоблокирующегося сенсорного переключателя

IV Схема электронного переключателя

Схема электронного переключателя, состоящая из CD4017 и CD4066, показана ниже.

Рисунок 4. Схема электронного переключателя

Использование двустороннего переключателя 4066 для проектирования схемы

Введение

CD4066 — это четырехсторонний двусторонний переключатель , который может применяться для переключения аналоговых и цифровых сигналов.Он состоит из четырех независимых аналоговых переключателей, каждый с тремя клеммами: вход, выход и управление. Когда терминал управления применяется с высоким уровнем мощности, переключатель включен. Когда к управляющему терминалу добавляется низкий уровень мощности, переключатель замыкается. Входной и выходной терминалы могут использоваться как взаимозаменяемые. Эта конфигурация исключает изменение порогового напряжения переключающего транзистора в зависимости от входного сигнала и, таким образом, поддерживает низкое сопротивление в открытом состоянии во всем диапазоне рабочего сигнала.Преимущества перед одноканальными переключателями включают пиковое колебание напряжения входного сигнала, равное полному напряжению питания, и более постоянный импеданс в открытом состоянии во всем диапазоне входного сигнала. В этой статье представлены два примера применения аналогового коммутатора CD4066.

I Цепь отслеживания и удержания сигнала

Рисунок 1. Цепь отслеживания и удержания сигнала

Аналоговый сигнал Ui поступает с синфазного входа операционного усилителя.Когда управляющий вывод аналогового переключателя находится на высоком уровне, аналоговый переключатель включен, и конденсатор C заряжается до Ui. Этот процесс называется дискретизацией входного сигнала. Когда выборка закончена, контрольный терминал аналогового переключателя находится на низком уровне, а аналоговый переключатель выключен. Поскольку сопротивление достигает 100 МОм, когда аналоговый переключатель выключен, а входной импеданс операционного усилителя A2 также очень высок, сигнал выборки может поддерживаться на конденсаторе C.

II Схема переключения дисплея четырех способов электроники Сигнал

Обычный однолинейный осциллограф может отображать только один непрерывный сигнал.Но это устройство может отображать четыре непрерывных сигнала одновременно на однострочном осциллографе. Очень удобно сравнивать временные отношения разных сигналов.

Рисунок 2. Схема переключения отображения четырех способов передачи электронного сигнала

На рисунке 2 представлена ​​принципиальная электрическая схема устройства. Он использует счетчик и генератор CD4017 для формирования четырехтактной схемы для управления четырьмя аналоговыми переключателями в двух CD4066. Регулируемый уровень постоянного тока и один входной сигнал добавляются соответственно на каждой паре аналоговых переключателей.Когда контрольный конец аналогового переключателя находится на высоком уровне 1, аналоговый переключатель включен. Уровень постоянного тока и входной сигнал отправляются на входной конец оси Y осциллографа. Поскольку четыре сигнала соответствуют разным уровням постоянного тока, четыре сигнала отображаются на осциллографе отдельно. Хотя четыре пары аналоговых переключателей управляются выходными клеммами счетчика Q0, Q1, Q2, Q3, мерцание формы сигнала невелико из-за высокой частоты колебаний генератора.

CD4066 Четырехсторонний переключатель — Лист данных

CD4066 является частью серии микросхем CD4000.CD4066 — это четырехъядерный двусторонний переключатель, предназначенный для передачи или мультиплексирования аналоговых или цифровых сигналов. Он совместим по выводам с CD4016BC. IC имеет широкий диапазон рабочих напряжений и условий и имеет прямую совместимость с устройствами CMOS, TTL и NMOS. IC предлагает такие функции, как управление шумоподавлением и защита от электростатических разрядов.

Что такое двусторонний переключатель?

Двусторонний переключатель — это аналоговый переключатель, который может работать с прямым или обратным смещением.Это означает, что любую сторону переключателя можно использовать в качестве входа. Таким образом, ток может течь в одном и другом направлении, в зависимости от того, с какой стороны находится вход. Двусторонний переключатель действует как однополюсный однонаправленный переключатель. У каждого переключателя также есть терминал управления. Чтобы сигналы проходили со стороны входа на сторону выхода, управляющая или разрешающая клемма должна быть HIGH

CD4066 Основные характеристики

• Широкий диапазон напряжения питания от 3В до 15В
• Высокая помехозащищенность 0.45 VDD (тип.)
• Широкий диапазон цифрового и аналогового переключения ± 7,5 VPEAK
• Сопротивление «ВКЛ» для работы 15 В 80 Ом
• Согласованное сопротивление «ВКЛ» ∆RON = 5 Ом (тип.)
• Сопротивление «ВКЛ», плоское в диапазоне размаха сигнала
• Высокое «ВКЛ.» / «ВЫКЛ.» 65 дБ (тип.)
  • Соотношение выходных напряжений @ fist = 10 кГц, RL = 10 кОм
• Чрезвычайно высокий входной импеданс управления 1012 Ом ( тип.)
• Низкие перекрестные помехи -50 дБ (тип.)
  • между переключателями @ fist = 0.9 МГц, RL = 1 кОм
• Частотная характеристика, переключатель «ВКЛ.» 40 МГц (тип.)

CD4066 Распиновка

Приложение

• Коммутация / мультиплексирование аналогового сигнала
  • Стробирование сигнала
  • Управление шумоподавлением
  • Прерыватель
  • Модулятор / демодулятор
  • Коммутирующий переключатель
• Коммутация / мультиплексирование цифрового сигнала
  • Логическая реализация CMOS
  • Аналогово-цифровой / цифровой — аналоговое преобразование
  • Цифровое управление частотой, импедансом, фазой и усилением аналогового сигнала

CD4066 Лист данных

Вы можете загрузить техническое описание четырехстороннего переключателя CD4066 по приведенной ниже ссылке:

См. Также: Программируемый таймер CD4536 — Техническое описание | CD4527 BCD множитель скорости — лист данных | CD4504 Hex Voltage Level Shifter — Спецификация

CD4066 Распиновка мультиплексора, техническое описание, характеристики, эквивалент и работа

CD4066 представляет собой четырехсторонний переключатель IC , то есть он имеет четыре переключателя, которыми можно управлять индивидуально с помощью управляющего контакта.Эти переключатели могут проводить в обоих направлениях, что делает их двусторонними, они обычно используются для мультиплексирования аналоговых или цифровых сигналов. Переключатели имеют очень низкое внутреннее сопротивление, что делает их пригодными для аудио приложений.

• Четырехсторонний переключатель для мультиплексирования
• Очень низкое внутреннее сопротивление
• Рабочее напряжение: от 3 В до 18 В
• Напряжение переключения: 20 В (максимум)
• Сопротивление в открытом состоянии: 5 Ом (при 15 В постоянного тока и нагрузке 10 кОм)
• Высокий выходной ток: -0.4 мА
• Контакт управления низким уровнем Напряжение: 0,9 В (макс.)
• Напряжение на выводе управления высокого уровня: 11 В (мин. При 15 В постоянного тока)
• Доступен в 14-контактных корпусах PDIP, GDIP, PDSO

Примечание: Полную техническую информацию можно найти в таблице данных CD4066 в конце этой страницы.

CD4016, CD4068

74HC157

CD4066 — это двунаправленная аналоговая коммутирующая ИС, аналогичная CD4016, она обычно используется в приложениях мультиплексирования; его также можно использовать для изоляции сигналов.Переключатель двусторонний и, следовательно, может использоваться как для цифровых, так и для аналоговых сигналов. ИС может работать от 3 В до 18 В, но обычно работает при номинальных напряжениях 5 В, 10 или 15 В. Он может переключать напряжения до 20 В (пиковое).

И CD4066, и CD4016 — очень похожие ИС, которые имеют одинаковые распиновки. Следовательно, один может действовать как прямая замена штифта для другого. Однако основное различие между ними заключается в том, что CD4066 имеет очень низкое внутреннее сопротивление, согласно таблице данных, он может иметь сопротивление в открытом состоянии только 5 Ом по сравнению с 200 Ом микросхемы CD4016.Следовательно, CD4066 используется там, где используются слабые сигналы, такие как аудиосигналы, или в местах, где требуется более высокая эффективность переключения.

CD4066 имеет четыре двусторонних переключателя , которыми можно управлять независимо с помощью цифрового сигнала. Каждый переключатель имеет два контакта ввода / вывода, называемых SWx-IN и SWx-OUT. Оба из них могут использоваться в качестве входных или выходных контактов, их также можно использовать для переключения переменных напряжений, таких как волна ШИМ, синусоида и т. Д. С низкой амплитудой и частотой.Эти два контакта можно будет контролировать с помощью контакта CONTROLx. В приведенном ниже моделировании показан один из четырех переключателей в ИС.

Как вы можете видеть здесь, два контакта переключателя называются X и Y, а управляющий контакт — C. По умолчанию, когда управляющий контакт равен логическому 0 (0 В), переключатель разомкнут (не подключен), но когда сигнал управления подается на управляющий контакт C, переключатель замыкается, и светодиод светится. Вы также можете использовать эту ИС в качестве мультиплексора с 4 входами, объединив все четыре переключателя в общую точку, как показано ниже.

• Мультиплексор на 4 входа
• Цепи выборки и хранения
• Коммутация сети
• Фильтр мертвой зоны

заявка% 20note% 20cd4066 техническое описание и примечания к заявке

Бог тонов — злые переключатели

Введение

Электронная коммутация, похоже, была неправильно понята сообществом DIY.Информации по этой теме мало. Некоторые люди не понимают, как это делать правильно. Другие люди полностью отвергли это как «плохое», связав это с переключением стиля «Босс», что является злом. Я надеюсь, что смогу кое-что прояснить с помощью этой статьи, объясняющей, как использовать электронную коммутацию.

В этой статье я сосредоточусь на создании электронного переключателя DPDT со светодиодным индикатором.

Отъезд R.G. В статье Кина о переключении CMOS можно найти дополнительную полезную информацию.Я не буду вдаваться в подробности о том, как работает цифровая логика в целом, просто о том, как я ее использую здесь. Проконсультируйтесь с вашей местной поисковой системой для получения информации об использовании цифровых логических вентилей.

История

Я много лет не покупал выключатель DPDT или 3PDT. Есть ряд причин для этого.

1. Трудно достать
2. Дорогой
3. Легче выйти из строя

В прошлом нажимные переключатели, которые мы видим на педалях, не предназначались ни для постоянного использования, ни для звуковых сигналов, а для переключения высокого напряжения, отсюда их размер и сила.В то время эти нажимные переключатели были действительно единственным решением для дешевого и надежного переключения эффектов. Вот почему они были выбраны. Технологии прогрессируют, но музыканты-нестолгики по-прежнему восхищаются блестящими металлическими кнопочными переключателями, проблемами и всем остальным. Посмотрим, сможем ли мы удовлетворить это желание, но тайно перенести их в настоящее, спрятав кое-что под капот.

Параметры переключения

: Пожалуй, единственный вариант, который музыканты примут вместо кнопок, поскольку это в основном механический переключатель.Кажется, что механика делает музыкантов счастливыми. Иногда они требуют специальных переключателей. Они могут быть дорогими. Если вы используете небольшие автономные реле, которые вы купили, держу пари, я могу сказать вам, какой изолирующий материал представляет собой нейлон. Нейлон — хороший изолятор, но когда он начинает нагреваться (например, под светом, около ламповых усилителей, в стойке, погодные условия), его изоляционные свойства быстро ухудшаются. В таком случае, возможно, лучше будет «сыграть свою собственную» роль. Единственный раз, когда я действительно использовал бы реле, это в ситуациях переключения высокого напряжения / тока, таких как переключение каналов усилителя / кабинетов / и т. Д.

полевых транзисторов: работает. Это довольно дешево. Его используют многие крупные производители педалей, такие как Boss, DOD, Dunlop. Это портит ваш тон. Это причина возобновления интереса к истинному обходу. На эту тему достаточно статей, так что оставлю это в покое.

ИС: существует ряд ИС, которые могут переключать аналоговые аудиосигналы. Самыми популярными являются 4016, 4053 и 4066, которые являются частью семейства цифровых логических схем, но фактически являются аналоговыми. Они обладают отличными характеристиками для переключения звукового сигнала.Достаточно хорошо для наших потребностей в переключении.

Есть несколько специализированных ИС для конкретной задачи переключения звука. Я стараюсь держаться подальше от них, поскольку они могут быть дорогими, труднодоступными, требовать специальных внешних схем или окрашивать звук.

4016 против 4066

Различия между этими микросхемами не очень хорошо объяснены домашним мастерам. Посмотрим, сможем ли мы что-нибудь с этим поделать.

Коммутаторы 4016 и 4066 являются двусторонними коммутаторами. Под двусторонним мы подразумеваем, что сигналы могут проходить через переключатель в обоих направлениях.Оба имеют по четыре переключателя SPST. Оба имеют одинаковые распиновки, поэтому их можно использовать для замены друг друга. Разница в том, что 4016 имеет более высокое внутреннее сопротивление переключателя. Это означает потерю верности сигнала. 4016 действительно предназначен для других типов переключения и не оптимизирован для переключения звука. 4066 намного лучше подходит для переключения звука.

Независимо от того, какую микросхему вы решите использовать, вы должны использовать ее при полном напряжении питания. Внутреннее сопротивление переключателей увеличивается при использовании более низких напряжений.Проблемы со звуком могут возникнуть, если вы используете их при стандартном цифровом напряжении 3-5 вольт. Поскольку в большинстве эффектов используется источник питания 9 В, используйте полный 9 В. Я без проблем использовал их при напряжении 15В.

Когда 4ххх не 4ххх? Для нас, когда он не из семейства CD4xxx. Некоторые 4xxx не имеют необходимых нам функций, таких как способность работать при более высоких напряжениях и буферизация. Буферизация, о которой мы здесь говорим, находится между управляющим входом и самим переключателем. Вы бы не хотели, чтобы управляющий сигнал попадал в ваш ценный аудиосигнал.По определению JEDEC аналоговые переключатели семейства CD4xxx могут работать с желаемыми напряжениями и имеют буферизацию. Если вы видите CD4016 или CD4066 без суффикса «B» («B» = буферизация), подразумевается «B», поскольку он принадлежит к семейству CD4xxx.

Теперь все прояснилось … Думаю.

Я мало играл с 4053. У него есть три переключателя SPDT, но нам действительно нужны только два для нашей цели. У него также есть несколько контактов, о которых вам нужно позаботиться, что не имеет большого значения, но все же о чем следует помнить.

Я предпочитаю CD4066 для переключения звука и продолжу эту статью, используя эту ИС.

Электромонтаж 4066

Использовать 4066 не так уж и сложно. Как видите, связав вместе несколько булавок, мы можем получить то, что ищем. Мы могли бы управлять 4066 напрямую с помощью переключателя, но не можем иметь столько возможностей переключения из-за ограничений переключателя. Обратите внимание, что состояние одного сигнала переключения должно быть инвертировано относительно другого, чтобы переключатель работал так, как мы предполагали.Это несложно сделать, если мы будем использовать какие-то другие цифровые ИС.

Логика управления переключателем

Для правильного управления 4066 от механического переключателя мы собираемся использовать некоторые другие цифровые ИС. Основные ИС, которые мы будем использовать, — это цифровые логические инверторы. Ради гибкости я предоставлю схемы для использования как деидифицированных интегральных схем инвертора, так и вентилей NAND, подключенных для инвертирования. Использование инверторов позволит нам генерировать оба управляющих сигнала от механического переключателя, который может правильно управлять 4066.

Схема интерфейса механического переключателя

Говоря о механических переключателях, вы можете заметить на входе RC-цепочку. На это есть две причины. Если мы используем переключатель SPST, нам необходимо установить логический вход на уровень, противоположный состоянию, которое переключатель будет выдавать при срабатывании. Другое использование состоит в том, что механические переключатели не создают чистых соединений при работе, что может привести к ложным входным данным, поэтому мы сглаживаем соединение с помощью сети RC. Конденсатор заряжается через резистор, обеспечивая высокое состояние на входе затвора.При нажатии на переключатель он медленно разряжает конденсатор на землю, пока не достигнет того, что вентиль распознает как низкое состояние. Эта медленная зарядка и разрядка смягчает быстрые изменения состояния во время работы переключателя, тем самым уменьшая количество грязных данных на входе. Также поможет использование микросхем с триггерами Шмитта.

С переключателем SPDT вы можете подключить его как SPST или переключать между высоким и низким логическими состояниями вручную. Тем не менее, вы можете получить некоторые всплывающие окна без сети RC.

Шмитт Что?

Логические ИС, которые используются для управления 4066, доступны с триггерами Шмитта. По сути, триггер Шмитта переключает состояние при более высоком напряжении, чем нормальные вентили, что позволяет допускать некоторые из несовершенных коммутационных импульсов от механического переключателя, что снижает вероятность пропуска срабатывания. Выбор за вами, какой из них использовать. Нешмитовые ИС, 4049 (инвертор) и 4011 (NAND) получить легче, но версии Schmitt, 40106 (инвертор) и 4093 (NAND), будут немного лучше работать с механическими переключателями.

Светодиодный индикатор

Еще одно преимущество использования цифровой логики для управления состоит в том, что можно легко использовать запасной логический вентиль для управления светодиодом в качестве светового индикатора. Никакой особой проводки не требуется.

Wicked Switch (тумблерная версия) Схема

Вот полная схема Wicked Switch. Это должно дать вам тумблерный переключатель DPDT от тумблера SPST или SPDT. Что, если все, что у нас есть, — это переключатели мгновенного действия? Есть способ сделать это тоже.

Логика управления переключателем мгновенного действия

Если у вас есть только переключатели мгновенного действия, вы все равно можете получить переключатель DPDT. В отличие от тумблера, который поддерживает свое новое состояние после срабатывания, мгновенные переключатели возвращаются в свое состояние по умолчанию после срабатывания, поэтому нам нужно реверсировать и поддерживать новое логическое состояние после того, как переключатель зациклился. Это делается с помощью T-триггера, который переключает состояние при каждом тактовом импульсе, причем тактовый импульс в этом случае подается переключателем.Используя некоторые дополнительные вентили инвертора и несколько внешних компонентов, мы можем создать Т-образный триггер.

Мы также могли бы использовать специализированную микросхему триггера, такую ​​как высокодоступный 4013 (двойной триггер D), с меньшим количеством необходимых внешних частей, но вам необходимо будет установить другую микросхему.

Использование переключателей мгновенного действия дает несколько преимуществ. Это может быть переключатель (carling, arrow, mode и т. Д.), Переключатель стиля «компьютерная клавиатура» (Boss, DOD, Ibanez и т. Д.) Или что угодно еще.Это дает большую гибкость. Вы также можете отправлять данные управления с нескольких переключателей, что позволяет использовать несколько точек удаленного управления. Если вы используете версию с триггером 4013, все, что вам нужно сделать, это коснуться провода управления заземлением.