Книга: Электроника для начинающих (2-е издание)
Назад: Эксперимент 18. Охранная сигнализация, (почти) завершенная
Дальше: Эксперимент 20. Изучение логических элементов
Эксперимент 19. Измеритель скорости реакции
Поскольку таймер 555 способен работать с частотой в несколько тысяч герц, он вполне подойдет для измерения человеческой реакции. Вы можете состязаться с друзьями и выяснить, у кого самая быстрая реакция. Или отмечать, как ваша реакция изменяется в зависимости от вашего настроения, времени дня и от того, сколько часов вы спали прошлой ночью.
В принципе, эта схема несложная, но она требует множества соединений и едва умещается на макетной плате, которая имеет 60 рядов отверстий (или больше). Опять же, ее можно проверить по частям, как схему из эксперимента 18. Если вы не допустите ошибок, то весь проект займет у вас пару часов.
Что вам понадобится
• Макетная плата, монтажный провод, кусачки, инструмент для зачистки проводов, мультиметр
• Источник питания на 9 В (батарея или сетевой адаптер)
• Микросхемы серии 4026В (3 шт.)
• Таймеры 555 (3 шт.)
• Резисторы с номиналами 470 Ом (2 шт.), 680 Ом (3 шт.), 10 кОм (6 шт.), 47 кОм (1 шт.), 100 кОм (1 шт.), 330 кОм (1 шт.)
• Конденсаторы емкостью 0,01 мкФ (2 шт.), 0,047 мкФ (1 шт.), 0,1 мкФ (1 шт.), 3,3 мкФ (1 шт.), 22 мкФ (1 шт.), 100 мкФ (1 шт.)
• Кнопки (3 шт.)
• Стандартные светодиоды: красный (1 шт.), желтый (1 шт.)
• Подстроечный потенциометр на 20 или 25 кОм (1 шт.)
• Одноразрядные числовые светодиодные индикаторы высотой 14,2 мм, предпочтительно слаботочные, красные, способные работать от 2 В прямого напряжения и 5 мА прямого тока (3 шт.) (желательно модель Avago HDSP-513A, Lite-On LTS-546AWC, Kingbright SC56-11EWA или аналогичные)
Защита микросхемы от статического электричества
Таймер 555 очень трудно вывести из строя, однако в этом эксперименте вы будете также использовать КМОП-микросхему (счетчик 4026В), которая весьма чувствительна к статическому электричеству.
Сможете ли вы погубить микросхему, взяв ее в руки, зависит от таких факторов, как влажность в помещении, обувь, которую вы носите, и тип покрытия пола в вашей рабочей зоне. Некоторые люди более склонны накапливать статический заряд, чем другие, и у меня нет объяснения этому явлению. Лично я никогда не повреждал микросхем статическим электричеством, но знаю людей, которые с этим сталкивались.
Если вы часто сталкиваетесь со статическим электричеством, вы, вероятно, знаете об этом, потому что ощущаете внезапное покалывание, когда беретесь за металлическую ручку двери или за стальной кран. Если вы считаете необходимым защитить микросхемы от такого вида повреждений, то самая надежная предосторожность — заземлить себя. Лучше всего это можно сделать с помощью антистатического браслета. Проводящий ремешок с «липучкой» крепится на запястье и подключается через резистор с высоким номиналом (обычно 1 МОм) к зажиму «крокодилу», который можно прикрепить к большому металлическому предмету.
Когда вы получаете микросхемы по почте, они обычно установлены в пазы из проводящего пластика или же их выводы погружены в проводящий пеноматериал. Такой пластик или материал защищают микросхемы за счет того, что все их выводы имеют примерно одинаковый электрический потенциал. Если вы намерены заново упаковать микросхемы, но у вас нет проводящего материала, можно взять алюминиевую фольгу.
Соблюдайте осторожность при заземлении
Резистор, встроенный в антистатический браслет, защитит вас от удара током, если вы случайно коснетесь источника относительно высокого напряжения другой рукой. Это очень важно, потому что электрический ток, протекающий от одной руки к другой, проходит через грудь и может привести к остановке сердца.
Если для заземления вы применяете только отрезок обычной проволоки, то лишаете себя подобной защиты. Небольшая цена соответствующего браслета — разумная инвестиция.
Вернемся, однако, к эксперименту.
Краткое описание устройства
В предыдущем издании книги я предлагал использовать для данного устройства трехразрядный дисплей. В этой книге я выбрал три отдельных индикатора. Стоимость увеличилась незначительно, но их намного проще подключить, и все устройство гораздо легче собрать. К тому же, я полагаю, что одноразрядные дисплеи останутся доступными на рынке еще очень долго.
Рис. ЦВ-4.60. Первый модуль измерителя скорости реакции демонстрирует, как таймер может запускать микросхему счетчика, которая управляет одноразрядным светодиодным индикатором
Я указал высоту цифр 14,2 мм, потому что это стандартное значение, при этом расположение выводов также стандартизировано. Если у вас индикаторы меньшего размера, то расположение выводов будет другим. Если размер индикатора окажется больше, то они не подойдут к другим компонентам на макетной плате.
Давайте начнем со знакомства с одним из разрядов, управление которым осуществляет микросхема 4026В. Макет первого модуля этой схемы показан на рис. ЦВ-4.60. Если вам легче воспринимать электрическую схему, смотрите рис. 4.61, на котором изображены те же компоненты. Расположение и номиналы компонентов указаны на рис. 4.62.
Рис. 4.61. Электрическая схема первого модуля
В процессе разработки вы добавите на плату очень много компонентов (фактически, когда вы завершите устройство, она будет целиком заполнена), поэтому вам необходимо размещать все компоненты очень точно, как показано на рис. ЦВ-4.60. Внимательно считайте ряды отверстий! Вы увидите несколько проводов, назначение которых сейчас пока неясно (например, несколько красных перемычек), но они помогут вам добавить и активировать пару дополнительных таймеров в дальнейшем.
Подайте питание 9 В от батареи или от сетевого адаптера. Вы должны увидеть отсчет на цифровом дисплее от 0 до 9.
Если вы не видите никаких цифр, то настройте мультиметр на измерение напряжения, закрепите черный щуп на отрицательной шине источника питания и проверьте напряжения в ключевых точках схемы, например, на выводах микросхем, красным щупом. Если с напряжением все в порядке, убедитесь в том, что резистор внизу справа имеет номинал 680 Ом (не 68 кОм и не 680 кОм, маркировка которых похожа).
Рис. 4.62. Расположение и номиналы компонентов для первого модуля
Если индикатор показывает фрагменты цифр или же числа идут в неправильной последовательности, то вы допустили ошибку в подключении зеленых проводов к микросхеме 4026В.
Если индикатор постоянно показывает «0», то вы неправильно подключили таймер 555 или же неверно соединили таймер с микросхемой 4026В.
Как только вы добьетесь отсчета по возрастанию, нажмите кнопку и удерживайте ее нажатой. Обратите внимание на то, что кнопка сбрасывает счетчик до нуля. Как только вы отпустите кнопку, числа начнут отсчитываться снова.
Перед нами основа измерителя быстроты реакции. Далее необходимо добавить пару дополнительных цифр, увеличить скорость отсчета и внести еще несколько улучшений. Но вначале я объясню, как все работает.
Светодиодные индикаторы
Термин «светодиод» немного сбивает с толку. В предыдущих экспериментах вы использовали полупроводниковый прибор, который называется стандартным светодиодом, светодиодом для установки в монтажные отверстия или одиночным светодиодным индикатором: это небольшой компонент в закругленном цилиндрическом корпусе с двумя длинными выводами, выходящими из основания. Они настолько широко распространены, что люди начали их называть просто «светодиодами». Но светодиоды также используются и в других компонентах, как, например, в миниатюрном светящемся табло, вставленном в настоящий момент в вашу макетную плату. Его еще называют светодиодным дисплеем. Еще точнее, это семисегментный одноразрядный светодиодный индикатор.
На рис. 4.63 показаны размеры такого индикатора и расположение выводов на нижней стороне. Обратите внимание на то, что цифровое табло действительно содержит семь сегментов и десятичную точку; расстояние между выводами кратно десятой доле дюйма (2,54 мм), что очень удобно для макетной платы.
Теперь взгляните на рис. 4.64, на котором изображены внутренние соединения между выводами и сегментами цифры. Заметьте, что выводы 3 и 8 отмечены темной точкой, указывающей на то, что они должны быть подключены к отрицательной шине. На все другие выводы следует подавать положительное напряжение, чтобы активировать соответствующие светодиодные сегменты. Такой тип компонента называется светодиодным индикатором с общим катодом, поскольку отрицательные электроды внутренних диодов (катоды) соединены вместе.
Рис. 4.63. Размеры и расположение выводов стандартного семисегментного светодиодного индикатора с высотой цифры 14,2 мм
Рис. 4.64. Буквенное обозначение сегментов и цоколевка индикатора
В индикаторе с общим анодом ситуация обратная: сегменты активируются при подаче на каждый из них отрицательного напряжения, а положительные электроды соединены все вместе внутри компонента. Таким образом можно выбрать тип индикатора, подходящий для конкретной схемы, однако дисплеи с общим катодом более распространены.
Заметьте, что сегменты обозначены строчными латинскими буквами от а до g. Буквами dp обозначен десятичный разделитель. Эта система общепринята почти во всех технических паспортах (хотя в некоторых для десятичного разделителя используется буква И).
Пока все понятно, но есть один важный момент: как и все светодиоды, сегменты числового дисплея необходимо защищать токоограничительными резисторами. Это создает неудобства, и может возникнуть вопрос, почему производитель не встроил эти резисторы. Ответ таков: индикатор предназначен для широкого диапазона напряжения, а номиналы резисторов зависят от этого напряжения.
Хорошо. Но почему мы не можем использовать один резистор на все сегменты, возможно, между выводом 3 и отрицательной шиной? В принципе это можно сделать, но ток через такой резистор (и падение напряжения на нем) будет разный для различного количества светящихся сегментов, в зависимости от того, какая цифра отображается. Для цифры «1» светятся только два сегмента, в то время как для цифры «8» — все семь. Соответственно, некоторые цифры будут выглядеть ярче, чем другие.
Так ли это важно? В нашем случае, поскольку это лишь пробный вариант, простота важнее безупречности. Если вы посмотрите на рис. ЦВ-4.60, то увидите, что я установил только один резистор 680 Ом внизу справа, между светодиодным индикатором и отрицательной шиной. Подход неправильный, но поскольку далее у вас будет три семисегментных дисплея, то я думаю, что вам больше понравится монтировать три резистора вместо 21.
Счетчик
Микросхема 4026В называется десятичным счетчиком, поскольку отсчет ведется десятками. Большинство счетчиков имеет кодированный выход; это означает, что они выдают числа в двоично-кодированном формате (о котором я расскажу позже). Данный счетчик работает не так. У него семь выходов и сигнал на них соответствует правильному отображению какого- либо числа на семисегментном дисплее. Другим счетчикам для перевода двоичного выходного сигнала в код семисегментного индикатора необходим специальный декодер, к микросхеме 4026В такой индикатор можно подключать непосредственно.
Это очень удобно, однако микросхема 4026В является устаревшим КМОП-компонентом с ограниченной мощностью. В техническом паспорте указан максимальный выходной ток не более 5 мА с любого вывода микросхемы при питании от 9 В.
В идеале можно подать сигналы с выхода КМОП-счетчика на транзисторы, а к ним подключить сегменты светодиодного индикатора. Вы можете купить микросхему с семью парами транзисторов как раз для этой цели. Она называется матрицей Дарлингтона. (А если вам необходимо отображать десятичный разделитель? Нет проблем. Можно купить другую матрицу Дарлингтона с восьмью парами транзисторов.)
Я тоже мог бы использовать три микросхемы с матрицей Дарлингтона, чтобы управлять тремя светодиодными дисплеями, но это увеличило бы сложность и стоимость, и мне понадобились бы две макетные платы. Поэтому я решил, что проще установить слаботочные светодиодные индикаторы, которые можно запитать напрямую от счетчика. Они не такие яркие, но справляются с поставленной задачей. Я выбрал номинал резистора равным 680 Ом, потому что он должен ограничивать ток до 5 мА с любого вывода микросхемы счетчика; он также понижает напряжение на светодиодах примерно на 2 В (значение зависит от количества сегментов, которые светятся).
Теперь я немного подробнее расскажу о внутреннем устройстве микросхемы 4026В. Микросхемы счетчиков способны выполнять несколько полезных функций. Взгляните на рис. 4.65, где показана цоколевка и назначение выводов микросхемы.
Рис. 4.65. Расположение выводов микросхемы счетчика 4026В, который предназначен для управления семисегментным одноразрядным светодиодным индикатором
Активный уровень сигнала на выходах — высокий. Максимальный ток на выходе составляет 5 мА (при напряжении питания 9 В). Выходы активизируются (сегменты индикатора загораются) при подаче высокого уровня на вход «Включение дисплея» (контакт 3). При подаче на тактовый вход положительного перепада счет увеличивается на единицу. Активный уровень входов «Отключение тактирования» (контакт 2) и «Сброс» (контакт 15) высокий. Состояние выхода переноса (контакт 5) меняется с низкого на высокое при переходе счетчика от комбинации «9» к «О». Сигналы на выходе переноса и контакте 14 не зависят от состояния входа «Включение дисплея» (контакт 3).
Функции выводов с обозначениями вроде «К сегменту а» легко понять. Вы просто пускаете провод от каждого вывода микросхемы к соответствующему выводу вашего светодиодного индикатора. Если вы посмотрите на рис. ЦВ-4.60, то увидите, что каждый из зеленых проводов соединяет выходы счетчика с входами дисплея.
Контакты 8 и 16 микросхемы предназначены для подключения к отрицательной и положительной шинам питания, соответственно. Почти у всех цифровых микросхем питание подается подобным образом, с противоположных углов (за исключением таймера 555 — хотя на самом деле он относится к аналоговым микросхемам).
Поскольку рис. 4.65 содержит информацию, которая сейчас вам может не понадобиться, но пригодится в будущем, я привел упрощенный вид счетчика и дисплея на рис. 4.66, опустив выводы, которые нам пока не потребуются.
Взгляните на контакт 15, вывод сброса. Теперь посмотрите на рис. ЦВ-4.60. Кнопка подключена таким образом, чтобы при нажатии на нее на контакт 15 поступало положительное напряжение. Это напряжение проходит по плате к кнопке по красным перемычкам, о которых я упоминал ранее.
Когда кнопка отпущена, положительное напряжение на выводе сброса счетчика отсутствует. В то же время резистор 10 кОм постоянно соединяет контакт 15 с отрицательной шиной макетной платы. Это понижающий или стягивающий резистор. Он понижает напряжение на выводе почти до нуля, пока вы не нажмете кнопку, и тогда положительное входное напряжение «преодолеет» отрицательное смещение, подаваемое через резистор. Не забывайте, что при отсутствии вполне определенного напряжения на каждом входе цифровой микросхемы вы получите случайные, необъяснимые и сбивающие с толку результаты на выходе. Я уже упоминал об этом ранее, но должен акцентировать внимание на этой теме, потому что это очень распространенная причина ошибок.
Рис. 4.66. Упрощенное изображение микросхемы и дисплея, в том виде, как они будут показаны на макетной плате
Правила подключения цифровых микросхем:
• Чтобы удерживать вход в нормально высоком состоянии, соедините его с положительной шиной через резистор номиналом 10 кОм (по крайней мере, для схем из этой книги). Если вам необходимо понизить напряжение на входе, включите параллельно резистору переключатель или другое устройство, которое напрямую соединено с отрицательной шиной.
• Чтобы удерживать вход в нормально низком состоянии, подключите его к отрицательной шине через резистор 10 кОм. Если вам необходимо повысить уровень на входе, параллельно резистору соедините переключатель или другое устройство, создающее соединение напрямую с положительной шиной.
• Все входы микросхемы-счетчика должны быть подключены к чему-либо. Не допускайте, чтобы входы оставались «плавающими»!
• Неиспользуемые выходы должны оставаться неподключенными.
Еще один момент. Иногда микросхема имеет вход, который нам совсем не нужен. У микросхемы 4026В, например, контакт 3 отвечает за включение дисплея. Мне необходимо, чтобы дисплей был включен постоянно, и поэтому я подключил этот контакт напрямую к положительной шине по принципу «подключил и забыл».
• Если вы не будете использовать какой-либо вход, он, тем не менее, должен иметь определенное состояние. Вы можете напрямую подключить его к положительной или отрицательной шине источника питания.
Теперь я поясню функции оставшихся контактов микросхемы 4026В.
На тактовый вход (контакт 1) подается импульсная последовательность. Длительность импульсов не имеет значения. Микросхема откликается, добавляя единицу к счету каждый раз, когда входное напряжение изменяется от низкого уровня к высокому.
Отключение тактирования (контакт 2) дает команду счетчику блокировать тактовый вход. Как и все другие выводы микросхемы, этот вывод активен в высоком состоянии; это означает, что он выполняют свою функцию, когда на него подан положительный уровень напряжения. На макетной плате (см. рис. ЦВ-4.60) я временно пустил синий и желтый провода, чтобы удерживать вывод 2 в низком состоянии. Другими словами, тактирование разрешено.
Подытожу ситуацию:
• Когда на выводе отключения тактирования присутствует высокий уровень, счет останавливается (запрещен).
• Когда напряжение на выводе отключения тактирования понижается до нуля, счет разрешен.
Вход включения дисплея (контакт 3) я уже описывал.
Выход включения дисплея (контакт 4) здесь не используется. Текущее состояние вывода 3 транслируется через вывод 4, чтобы вы смогли передать его на другие микросхемы 4026В.
Выход переноса (контакт 5) необходим, если вы желаете продолжить отсчет больше 9. Состояние этого вывода меняется с низкого на высокое, когда счетчик досчитает до 9 и возвращается в 0. Если вы подключите этот выход к входу второго счетчика 4026В, то второй счетчик будет отсчитывать десятки. Сигнал с выхода 5 второго счетчика можно подать далее на третий, который будет отсчитывать сотни. Этим мы воспользуемся в дальнейшем.
И наконец, контакт 14 обеспечивает перезапуск счетчика, после того как он отсчитал 0, 1 и 2. Это необходимо в цифровых часах, которые считают только до 12 часов, но для нас сейчас неактуально. Это выход, который мы не будем использовать, и поэтому его можно оставить неподключенным.
Возможно, все эти функции кажутся непонятными, но если вы когда-либо столкнетесь с микросхемой счетчика, которую раньше не встречали, то сможете разобраться с ней (если будете терпеливы и последовательны), заглянув в технический паспорт. При необходимости можно протестировать счетчик при помощи светодиодов и кнопок, чтобы точно знать, как она работает. Фактически, микросхему 4026В я изучал именно так.
Генератор импульсов
Его функции выполняет микросхема 555. Поскольку напряжение питания таймера 555 лежит в диапазоне от 5 до 15 В, так же как и микросхемы 4026В, то выход таймера (контакт 3) можно напрямую подключить ко входу микросхемы 4026В (контакт 1). Эту функцию выполняет фиолетовый провод на рисунке с компоновкой макетной платы (см. рис. ЦВ-4.60). Таймер 555 вырабатывает импульсы, а микросхема 4026В считает их.
Остальные подключения таймера 555 на данный момент должны быть вам знакомы. Ясно, что он работает в автоколебательном режиме. Единственный вопрос, который может у вас появиться, — почему частота столь низкая. Ведь скорость реакции бессмысленно измерять при такой частоте сигнала.
Все верно, но в целях демонстрации мне не хотелось бы, чтобы цифры превратились в «туманное пятно». Мы отрегулируем скорость чуть позже.
Техническое задание
Как должен работать измеритель быстроты реакции? Вот техническое задание:
1. Устройство должно иметь кнопку запуска.
2. После нажатия кнопки запуска должен быть период задержки, в течение которого ничего не происходит. Затем внезапно появляется визуальный сигнал, побуждающий игрока к реагированию.
3. Одновременно счетчик начинает отсчет с 000 в тысячных долях секунды.
4. Чтобы остановить процесс счета, игрок должен нажать кнопку.
5. При этом счет прекращается, показывая, сколько времени прошло между появлением приглашения и остановкой. Так измеряется реакция пользователя.
6. Кнопка сброса возвращает счетчик к начальному значению 000.
Кнопка сброса уже есть на макетной плате. Теперь нужно добавить кнопку, которая будет останавливать процесс счета.
Вывод отключения тактирования счетчика будет «замораживать» дисплей, но если вы захотите сохранять его в таком виде, то на вывод необходимо постоянно подавать высокий уровень напряжения. Другими словами, он должен быть зафиксирован.
Похоже, нам понадобится еще один таймер 555, работающий в бистабильном режиме.
Система управления
Макет устройства, изображенный на рис. 4.67, содержит бистабильный таймер и две новые кнопки. Диагональный синий провод (см. рис. ЦВ-4.60) был удален, чтобы освободить место для нового таймера. Другие, ранее установленные, детали остались на своих местах, но обесцвечены.
На рис. 4.68 дополнительные элементы выделены на электрической схеме, а их расположение и номиналы иллюстрирует рис. 4.69.
После сборки новой секции схемы можете испытать ее. Вы обнаружите, что две новые кнопки запускают и останавливают процесс счета. Надеюсь, вам понятно, как они работают?
Нажмите кнопку запуска, и она заземлит вывод сброса бистабильного таймера. Уровень на контакте 3 станет низким, а этот выход соединен с выводом отключения тактирования счетчика.
Рис. 4.67. К устройству добавлен бистабильный таймер 555. Ранее подключенные компоненты показаны светлым
Рис. 4.68. Схема включения второго таймера и сопутствующих ему компонентов. Остальная часть схемы показана светлым
Рис. 4.69. Расположение и номиналы добавленных компонентов
Вспомните, низкое состояние вывода отключения означает, что счетчик не отключается. Таким образом, счетчик начинает и продолжает счет, поскольку выход таймера в режиме триггера фиксируется и остается таким неопределенно долго.
Однако счет в любой момент можно остановить. Просто нажмите кнопку остановки. Это заземлит вход бистабильного таймера и переведет его в другое устойчивое состояние. В результате выход таймера становится высоким, а поскольку таймер работает как триггер, выход фиксируется и остается таким неопределенно долго. Высокий выходной сигнал идет на вывод отключения тактирования, который останавливает счетчик.
Когда вы нажимаете кнопку слева внизу, которая была смонтирована в самом начале, она по- прежнему сбрасывает счетчик до 000. Но состояние таймера не изменится до тех пор, пока вы не перезапустите его кнопкой запуска.
Бистабильный таймер 555 — это именно то, что нам требовалось для работы данной схемы.
Подведем итоги
Давайте посмотрим, насколько далеко мы продвинулись в реализации нашего технического задания. Мне кажется, что мы его почти выполнили. Вы нажимаете кнопку, чтобы запустить счет, затем вторую, чтобы остановить его, а как только счетчик остановлен, вы нажимаете еще одну кнопку, чтобы сбросить значения до нуля.
Единственный отсутствующий элемент — это фактор неожиданности. Ведь человек, который пользуется устройством, не должен знать, когда начнется отсчет. Сама идея заключается в измерении скорости его реакции на внезапно подаваемый сигнал.
Почему бы не добавить еще один таймер, функционирующий в ждущем режиме, чтобы ввести задержку перед началом действия? Так запуск станет неожиданным.
Задержка
Вначале удалим кнопку запуска и диагональную перемычку, соединяющую кнопку с отрицательной шиной. Вертикальный отрезок провода слева от микросхемы таймера оставьте на своем месте.
Рис.4.70. В верхней части платы выделены элементы, обеспечивающие задержку
Теперь смонтируйте некоторые дополнительные компоненты, как показано на рис. 4.70. Кнопка запуска была перенесена, чтобы запускать вход третьего таймера, который будет осуществлять предварительную задержку. Выход этого таймера будет высоким в течение 5 или 10 секунд, а затем, когда уровень сигнала станет низким, он переключит состояние бистабильного таймера, отправляя низкий выходной сигнал, чтобы подавить функцию отключения тактирования у счетчика 4026В, и таким образом он начнет счет.
Рис. 4.71. Схема еще одного, последнего дополнения
Рис. 4.72. Размещение и номиналы дополнительных компонентов
Будьте внимательны при установке красного и желтого светодиодов. Красный подключается не так, как вы привыкли, потому что он соединен с положительным полюсом источника. Поэтому его длинный, положительный вывод расположен снизу, а не сверху.
Схема новой части устройства представлена на рис. 4.71. Размещение и номиналы компонентов, которые вы добавили на макетную плату, указаны на рис. 4.72.
Проверка функционирования
При подаче питания на схему счетчик сразу начинает отсчет, без вашего разрешения. Это раздражает, но легко исправимо. Нажмите кнопку остановки (слева возле второй микросхемы таймера), чтобы остановить отсчет, а затем нажмите нижнюю правую кнопку (справа возле микросхемы счетчика), чтобы сбросить таймер до нуля. Теперь вы готовы к действию.
Нажмите кнопку запуска (вверху слева), которая создает начальную задержку. Во время этой задержки загорается желтый светодиод. Пауза длится примерно 7 секунд, после чего желтый светодиод гаснет и загорается красный. Одновременно счетчик начинает отсчет до того момента, пока вы не нажмете кнопку остановки.
Конденсатор емкостью 100 мкФ в верхней части макетной платы кажется необязательным, но на самом деле он очень важен. Таймер 555 способен создавать паразитные выбросы напряжения при переключении своих выходов, а в нашей схеме такие скачки напряжения могут запустить второй таймер, не дожидаясь задержки. Конденсатор емкостью 100 мкФ предотвращает этот эффект.
Теперь у нас реализованы все функции, за исключением того, что необходимо увеличить скорость счета, а также добавить дополнительную пару счетчиков и индикаторов для отображения долей секунды.
Как все взаимодействует?
На рис. 4.73 показано, как компоненты схемы взаимодействуют друг с другом.
Я поясню этот рисунок сверху вниз. Кнопка запуска (вверху, соединена с таймером 3) подает на вход таймера низкий уровень и запускает его.
Высокий уровень появляется на выходе таймера 3 приблизительно через 7 секунд. Это создает начальную задержку.
Рис. 4.73. Взаимодействие между компонентами схемы
По окончании задержки на выходе таймера 3 снова устанавливается низкий потенциал. Этот перепад напряжения передается через разделительный конденсатор емкостью 0,1 мкФ к бистабильному таймеру 2. Благодаря этому на выводе сброса таймера 2 появляется короткий импульс. Таймер 2 переключается и на его выходе устанавливается низкий уровень. Поскольку выход таймера 2 соединен с выводом отключения тактирования счетчика 4026В, то низкое состояние включает счетчик, и отсчет начинается.
Теперь мы ждем отклика пользователя. Он нажимает кнопку останова таймера 2, соединенную с его входом (контакт 2). Короткий импульс низкого уровня на входе таймера 2 переключает его и на выходе появляется высокий уровень. Потенциал на выводе отключения тактирования счетчика тоже возрастает и счет останавливается.
Проблемы в процессе разработки
Этот проект привел к появлению одной непростой проблемы. Когда я собрал исходную схему несколько лет назад, она работала хорошо. Когда некоторые специалисты из журнала Make собрали это устройство, оно тоже работало хорошо. Мы и не подозревали, что вывод сброса таймера 555 ведет себя по-разному у микросхем разных производителей. Это не отражено в техническом паспорте.
Спустя несколько лет после издания книги я получил сообщение от одного читателя, что его схема работает нестабильно, а иногда вообще не работает. Я собрал схему заново, подключил ее к осциллографу и увидел, что разделительный конденсатор «добросовестно» передает импульс от таймера 3 к выводу сброса таймера 2. Но таймер 2, действительно, иногда не распознавал импульс.
В чем же проблема? Либо импульс слишком короткий, либо его уровень недостаточно низкий. В любом случае, было принято решение подавать более низкое напряжение на контакт 4 таймера 2. Именно по этой причине вы видите два резистора, подключенные к контакту 4. Они работают как делитель напряжения, подавая напряжение немного меньше 2 В на вывод 4. Этого достаточно, чтобы поддерживать его функциональность, а также дать возможность уменьшить напряжение сброса, чтобы таймер надежно срабатывал.
Теперь все работает нормально. У меня, по крайней мере. Мы проверим эту схему снова перед изданием этой книги. Если она не работает у вас, попробуйте подать другое напряжение на контакт 4 таймера 2, заменив резистор 47 кОм другим, с более низким или более высоким номиналом. Вы также можете попробовать взять разделительный конденсатор большей емкости. И сообщите мне об этом, пожалуйста. Конечно же мне хочется, чтобы все схемы из этой книги работали правильно и стабильно. Но я не могу предусмотреть все заводские отклонения, которые могут повлиять на конечный результат.
Дополнительные разряды индикатора
Добавить еще два разряда очень просто, поскольку каждый из индикаторов будет управляться от собственного счетчика 4026В, и все счетчики и индикаторы будут подключены в основном одинаково. Это продемонстрировано на рис. ЦВ-4.74.
Обратите внимание на фиолетовые провода слева. Каждый из них соединяет выход переноса предыдущего счетчика и тактирующий вход следующего.
Желтые провода справа соединяют вместе все выводы сброса счетчиков, и таким образом, когда вы сбрасываете один, сбрасываются все.
У второго и третьего счетчиков контакты 2 заземлены синими проводами. Как вы помните, контакт 2 — это вывод отключения тактирования.
Рис. ЦВ-4.74. Завершенный макет устройства едва умещается на макетной плате
Останавливать счет второго и третьего счетчиков нам не понадобится, поскольку они находятся под полным контролем первого счетчика. Когда первый останавливается, прекращают счет и остальные два.
Не забудьте подать положительное напряжение на вывод 16 (вход питания) на втором и третьем счетчиках, пустив красный провод над каждой микросхемой, как показано на рис. ЦВ-4.74.
Калибровка
Как настроить правильную скорость работы этой схемы?
Начните с замены резистора номиналом 10 кОм на резистор номиналом 100 кОм на первом установленном таймере, а также замените конденсатор емкостью 3,3 мкФ конденсатором на 47 нФ (0,047 мкФ). В теории это должно создать частоту 1023 Гц, которая близка к необходимой нам частоте в 1000 Гц.
Рис. 4.75. Монтаж построечного потенциометра для настройки измерителя быстроты реакции
Для точной настройки вам необходимо заменить один из резисторов 10 кОм у таймера 1 подстроечным потенциометром. Монтаж здесь настолько плотный, что едва можно найти свободное место, но мне удалось втиснуть сюда подстроечный потенциометр. Как это можно сделать, показано на рис. 4.75, на котором дан крупный план прилегающего пространства вокруг самого нижнего из трех таймеров.
Вначале передвиньте синие провода (см. рис. ЦВ-4.74) на один ряд вверх. Изогните вертикальный красный провод по правой стороне. Удлините вывод от оставшегося резистора 10 кОм, позаботившись о том, чтобы он не коснулся других неизолированных проводников. Теперь можно вставить потенциометр, подключив при этом контакт его движка к положительной шине питания, а другой контакт — к выводу 7 таймера. Третий контакт потенциометра подключается к свободному ряду макетной платы и его можно проигнорировать.
Следует взять подстроечный потенциометр с номиналом 20 или 25 кОм и начинать приблизительно с середины его диапазона. Теперь у вас есть три варианта подстройки схемы, чтобы она заработала на частоте 1 кГц.
• Если у вас окажется мультиметр с возможностью измерения частоты, то просто заземлите черный щуп мультиметра, красным коснитесь контакта 3 у первого установленного таймера, а затем вращайте движок потенциометра, пока мультиметр не покажет 1 кГц. Дело сделано!
• Если у вас нет мультиметра, который измеряет частоту, то возможно у вас есть цифровое устройство для настройки гитары. В интернет-магазине eBay оно стоит пару долларов. Подключите динамик к выходу таймера 555 (включая разделительный конденсатор емкостью 10 мкФ и последовательный резистор 47 Ом), и устройство должно сообщить вам частоту ноты, которую генерирует таймер.
• При отсутствии подходящего мультиметра или приспособления для настройки гитары можно использовать любые часы — наручные, будильник или в телефоне — которые отображают целые секунды. Когда таймер работает на частоте 1 кГц, то второй счетчик будет сменять значение каждую сотую долю секунды, а третий — каждую десятую долю секунды. Прежде чем начать отсчет заново, третий счетчик пройдет через десять цифр, а это означает, что он будет показывать ноль раз в секунду.
Проблема в том, что каждая цифра будет отображаться так быстро, что вам будет трудно уловить момент, когда появится ноль. Поэтому следует поступить так.
Закройте все сегменты самого «медленного» дисплея, кроме сегмента в нижнем правом углу. Он будет светиться постоянно, за исключением тех моментов, когда индикатор показывает цифру 2, в этот момент он гаснет. Вам будет гораздо проще подсчитать количество миганий одного сегмента, чем пытаться распознать цифры полностью. Регулируйте сопротивление потенциометра, который вы добавили, и постепенно вы сможете синхронизировать самый медленный индикатор с устройством измерения времени.
Улучшения
Когда я завершаю какой-либо проект, я намечаю возможности его улучшения. Вот некоторые идеи.
Не начинать отсчет при подаче питания. Было бы неплохо, если схема изначально находилась в режиме ожидания, а не начинала отсчет сразу же. Предоставляю вам возможность самостоятельно подумать, как это сделать.
Подавать звуковой сигнал при включении красного светодиода. Вовсе не обязательная, но полезная функция.
Задавать произвольный интервал задержки перед началом отсчета. Добиться произвольных значений от электронных компонентов очень сложно, но одним из способов может стать требование, чтобы игрок касался пальцем двух металлических контактов. Сопротивление кожи пальца будет определять задержку. Поскольку давление пальца каждый раз разное, то будет меняться и длительность задержки.
Дальше — логические элементы
В техническом плане такой счетчик, как 4026В, — это логическая микросхема. Она содержит логические элементы, которые позволяют вести счет. Любой цифровой компьютер работает на основе похожих принципов.
Поскольку логика настолько фундаментальна для электроники, я собираюсь основательно раскрыть эту тему, начиная со следующего эксперимента. Волшебные слова И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-HE, Исключающее ИЛИ и Исключающее ИЛИ-HE распахнут двери в новый мир цифровых приключений.
Назад: Эксперимент 18. Охранная сигнализация, (почти) завершенная
Дальше: Эксперимент 20. Изучение логических элементов
