Арбитр сигналов
Как вы думаете, что неспециализированного между электроникой и математикой? Читатели, привычные с цифровой техникой, возможно, не забывают, что математические законы Булевой алгебры положены в базу действия логических микросхем. Но это еще не все.
Оказывается, и в математике, и в электронике довольно часто оперируют таким понятием, как сравнение. Но в случае если вам приходится сопоставлять между собой числовые размеры, то в электронике происходит сравнение электрических сигналов. Для исполнения таких операций созданы кроме того особые устройства — компараторы.
Любопытно, что компараторы — родные «родственники» уже привычных нам триггеров. В чем же их сходство? Во-первых, информация на выходах этих устройств кодируется всего двумя логическими уровнями — высоким и низким; во-вторых, и те и другие переключаются из одного логического состояния в второе лишь при наличии определенной комбинации сигналов на входах.
Как устроены и в чем состоит принцип действия компараторов? Давайте на время отвлечемся от отечественного рассказа и представим себе спортивные соревнования по легкой атлетике, к примеру, по бегу. По окончании того как спортсмен пришел к финишу, его итог сравнивают с рекордным временем для данной дистанции. В случае если бегун не сумел превышать мировое достижение, в таких случаях говорят, что «рекорд устоял».
Но в случае если время, за которое спортсмен преодолел расстояние, выяснилось меньше рекордного, то бегун сейчас сам делается рекордсменом, а его итог отныне заносится вместо прошлого во все спортивные справочники как высшее достижение.
Схожую обстановку возможно заметить, к примеру, в работе несложного компаратора. Такое устройство имеет два входа и выход. На один из входов значительно чаще подают напряжение либо ток, неизменные во времени, так называемый опорный сигнал.
С ним происходит сравнение сигнала, уровень которого малоизвестен.
Предположим, мы желаем сопоставить напряжение батареи от карманного фонаря с фиксированным напряжением, поданным на опорный вход компаратора. В случае если батарея очень сильно разряжена и ее напряжение ниже опорного, то никаких трансформаций на выходе компаратора не случится.
Но в случае если потенциал батареи превысит опорное напряжение, компаратор переключится, и на его выходе покажется сигнал, хороший от начального.
Не правда ли, аналогия с соревнованиями в беге в полной мере себя оправдывает. Судите сами. Входной сигнал меньше опорного (время бегуна хуже рекордного) — логическое состояние компаратора не изменяется (высшее достижение остается прошлым).
Входной сигнал превышает опорный (итог спортсмена лучше мирового успехи) — логическое состояние компаратора изменяется на противоположное (рекорд делается более высоким). Так, возможно заявить, что компаратор как бы делает роль арбитра, определяющего, уровень которого из сигналов был громадным.
Мы познакомили вас с принципом действия лишь одного типа компараторов. В действительности их значительно больше, отличающихся по различным показателям.
К примеру, в технике довольно часто применяют компараторы, каковые смогут сравнивать два непрерывно изменяющихся сигнала. Такое устройство переключается из одного логического состояния в второе, в то время, когда уровни входных сигналов совпадают. Имеется компараторы, производящие при совпадении входных сигналов маленький одиночный импульс либо серию определенного количества импульсов, действующих в момент совпадения полярностей входных сигналов.
Р и с. 1. Схема компаратора на операционном усилителе:
Рис. 2. Принципиальная схема игрового автомата.
Рис.
3. Принципиальная схема источника питания.
Р и с. 4. Монтажная плата игрового автомата со схемой размещения элементов.
Р и с. 5. Монтажная плата источника питания со схемой размещения элементов.
Рис. 6. Внешний вид игрового автомата:
1 — первый пульт, 2 переменный резистор RЗ, 3 — сетевой шнур, 4 — держатель предохранителя, 5 — выключатель питания, 6 — индикаторная лампа, 7 — корпус, 8 — второй пульт, 9 — переменный резистор R6, 10 — вольтметр, 11 — выключатель SАІ, 12 — кнопка SВ1, 13 — светодиод.
Используются компараторы во многих областях электроники. Но самая важная сфера их «деятельности» — устройства, работа которых основана на преобразовании аналоговых сигналов в логические.
Вот несложный пример — цифровой вольтметр. Один из его основных узлов — компаратор, управляющий работой импульсного генератора. Представим, что мы желаем выяснить напряжение на выходе низковольтного сетевого источника питания. Как действует в этом случае измерительный прибор?
На один вход компаратора подается напряжение источника питания, а на второй — линейно изменяющееся. До тех пор пока они не сравняются, генератор производит импульсы. В момент, в то время, когда величины напряжений на входах компаратора совпадут, он переключится, и генерация закончится.
Импульсы просуммируются счетчиками вольтметра, и на его табло покажется итог измерения. Генератор прибора настроен так, что к моменту переключения компаратора количество выработанных импульсов будет соответствовать числовому значению измеряемого напряжения с точностью, к примеру, до десятых либо сотых долей вольта.
Из вышесказанного нетрудно сделать вывод, что компараторы удачно соединили в себе свойства аналоговых и цифровых устройств, а их главное назначение — преобразование сигналов.
Несложный компаратор возможно собрать на операционном усилителе. Схема для того чтобы устройства продемонстрирована на рисунке 1. На инвертирующий вход ОУ через ограничительный резистор 1?1 подано опорное напряжение.
Неинвертирующий вход делает роль
измерительного. Сигнал на него подается через ограничительный резистор R2. Дабы перевоплотить ОУ в компаратор, в схему введена цепь обратной связи, грамотный резистором R3.
Принцип действия для того чтобы устройства несложен.
В исходном состоянии напряжение на выходе операционного усилителя равняется нулю. В случае если подать на измерительный вход компаратора напряжение, величина которого меньше опорного, то состояние ОУ не изменится. В то время, когда же напряжение на измерительном входе устройства превысит опорное, выходное напряжение начнет возрастать. Через цепь обратной связи оно поступит на измерительный вход, что, со своей стороны, приведет к возрастанию входного тока.
В следствии выходное напряжение увеличится еще больше. Другими словами, процесс делается лавинообразным и напряжение на выходе ОУ скачком возрастет до большого уровня. Так, компаратор переключится из «нулевого» состояния в «единичное». Не правда ли, все весьма легко?
Ну а сейчас, в то время, когда мы познакомились с принципом и устройством действия компараторов, возможно перейти к их практическому применению. Для этого предлагаем вам собрать несложную электронную игру.
Она основана на угадывании одним соперником действий другого. Участвуют в соревновании двое.
Итак, представьте себе маленькую коробку, на лицевой панели которой установлены световой индикатор, кнопочный тумблер, электроизмерительный прибор и тумблер, к примеру, вольтметр.
Это — главный блок. К нему подсоединены два выносных пульта, снабженные регуляторами.
Распределив роли, участники приступают к игре. Начинается она с того, что водящий берет собственный пульт и поворачивает регулятор на произвольный угол (в предела свободного хода). Второй игрок не видит этих действий. Его задача — как возможно правильнее повторить движение соперника. Допустим, на это отпущено три попытки. Угадывающий берет собственный пульт и поворачивает регулятор на нужный, согласно его точке зрения, угол.
После этого он нажимает кнопку и оценивает собственный движение. В случае если световой индикатор загорелся, значит, регулятор развёрнут не хватает. Отсутствие светового сигнала показывает, что регулятор развёрнут больше, чем необходимо. Потом угадывающий решает, что ему; сейчас делать — развернуть регулятор вперед (в случае если индикатор горит) либо назад (в случае если индикатор не светится). Сделав еще одну попытку, он снова нажимает кнопку и по состоянию индикатора оценивает собственный второй движение.
После этого поворачивает регулятор в третий раз и сейчас уже включает тумблер. Наряду с этим вольтметр докажет конечный итог игры. В случае если стрелка осталась на нулевой отметке, значит, угадывающий совсем совершенно верно «вычислили движение соперника. В случае если же она отклонилась от собственного начального положения, план водящего остался неразгаданным^ Чем больше отклонение стрелки вольтметра, тем с громадным преимуществом побеждает водящий. Отсчет результата создают по шкале измерительного прибора.
Конечно, в нашем случае это будут не вольты, а некие условные единицы.
Иногда изменяясь ролями, игроки смогут посоревноваться между собой, а позже сравнить, у кого интуитивное чутье развито . лучше. В случае если желающих учавствовать в состязании большое количество, его возможно совершить по круговой совокупности, составить таблицу результатов и по ней выяснить победителя. Одним словом, вариантов применения данного игрового автомата возможно отыскать много, основное — показать мало выдумки и фантазии.
Увидим, что у прибора имеется особенность — он показывает конечный итог, величина которого, выражаясь строгим математическим языком, забрана по модулю, другими словами не учитывая символа разности. Дабы выяснить его; нужно дополнительно надавить кнопку. В случае если индикатор не светится, это указывает, что у второго игрока случился перебор. В то время, когда индикатор горит, значит, угадывающий «недотянул» до результата соперника.
Итак, разобравшись в правилах игры, возможно знакомиться с содержимым игрового автомата. Его принципиальная схема продемонстрирована на рисунке 2. Как и следовало ожидать, «сердце» для того чтобы устройства — компаратор. Он собран по уже привычной нам схеме на операционном усилителе DA1. Резисторы R4, R5 и R10 ограничивают входные и выходной токи микросхемы, защищая ее от перегрузки, a R8 образует цепь обратной связи.
В качестве индикатора применен светодиод HL1, что включается кнопкой SB1. Роль измерительного прибора делает вольтметр постоянного напряжения PV1, установленный в диагональ выпрямительного моста VD1—VD4. Его плечи включены, со своей стороны, между входами компаратора.
Измерительная цепь вольтметра коммутируется тумблером SA1. Резисторы R1, R3, R7 и R2, R6, R9 образуют два управляемых делителя напряжения. Наряду с этим переменные резисторы R3 и R6 делают функции регуляторов, установленных в пультах.
Как действует игровой автомат? Допустим, водящий забрал первый пульт и установил движок переменного резистора R3 в среднее положение.
Наряду с этим напряжение с верхнего по схеме делителя поступит на опорный вход компаратора (инвертирующий вход ОУ) и в один момент на диоды VD3, VD4 выпрямительного моста. Сейчас в игру вступает угадывающий. Он берет собственный пульт и поворачивает движок переменного резистора R6.
В следствии напряжение с нижнего по схеме делителя поступает на измерительный вход компаратора (неинвертирующий вход ОУ) и в один момент на диоды VD1, VD2. В случае если уровень напряжения на выводе 10 DA1 будет ниже, чем на выводе 9, операционный усилитель окажется в «нулевом» состоянии. Надавив кнопку SB1, игрок убеждается в этом по свечению индикатора HL1.
В случае если же напряжение на измерительном входе компаратора превысит напряжение на опорном входе, то ОУ переключится в противоположное состояние, и на его выходе покажется логическая единица: светодиод гореть не будет.
Нужно подметить, что переключение операционного усилителя происходит, в то время, когда измерямое напряжение превысит опорное приблизительно на 0,3 В. Так, при правильном совпадении входных напряжений (а следовательно, и положений регуляторов R3 и R6) Н1.1 горит .
Участвуя в игре, помните об этом.
По окончании того как все попытки у второго игрока исчерпаны, он включает тумблер БА1. В случае если уровни напряжений на обоих проводах компаратора всецело совпадают, стрелка вольтметра, как мы уже говорили, останется на нулевой отметке шкалы. В случае если же напряжение на одном из входов превысит напряжение на втором входе, стрелка отклонится от нулевой отметки и продемонстрирует разность входных напряжений.
Так как прибор включен в диагональ выпрямительного моста, то независимо от того, на каком из входов ОУ уровень напряжения был болы. ‘ полярность напряжения на вольтметре будет неизменно одной и те же. Конечно, что и стрелка прибора кроме этого отклоняется лишь в одну сторону. Для определения, на чьем пульте регулятор развёрнут больше в конце игры, как мы уже предлагали, возможно надавить кнопку БВ1 и по состоянию индикатора НL1 сделать окончательный вывод.
Питается игровой автомат от сетевого стабилизированного источника с так называемой неестественной средней точкой (рис. 3). В случае если в конструкции применена микросхема К140УД1Б, то выходное напряжение источника питания должно составлять 12 В. При применении ИМС К140УД14 напряжение нужно уменьшить до 9 В. Марка стабилитрона для последнего случая указана на схеме в скобках.
Изготовление игрового автомата начинают с монтажной платы, представленной на рисунке 4. Ее оптимальнеесделать из страницы фольгированного гетинакса либо стеклотекстолита толщиной 1 — 2 мм, размером 35X30 мм. С одного края просверлите два крепежных отверстия 0 3 мм. Элементы источника питания размещены на монтажной плате размерами 75X30 мм, выполненной из того же фольгированного материала (рис. 5).
Транзистор не испытывает недостаток в радиаторе.
О подробностях. Операционный усилитель — К140УД1Б либо К140УД1 А. Транзистор — любой из серий КТ601 — КТ603, КТ801, КТВ05, КТ815, КТ817, КТ819.
Для источника питания с напряжением 12 В подойдет стабилитрон Д811, Д813, Д814Г, Д814Д либо КС211. В случае если напряжение питания нужно снизить до 9 В, возможно применить стабилитрон Д809, Д810, Д818А—Д818Г, Д814Б либо Д814В. Диоды —Уй4 — каждые из серий Д2, Д7, Д9, Д1В, Д20, Д206, Д220, Д223, Д226, Д237.
Выпрямительный блок — КЦ405 с любым буквенным индексом либо четыре диода средней мощности, соединенные по мостовой схеме. Светодиод— марки АЛ 102 либо АЛ307. Вольтметр постоянного напряжения — с пределом измерения 5—6 В. В случае если для того чтобы не нашлось, то в качестве измерительного прибора возможно применить миллиамперметр с последовательно соединенным ограничительным резистором нужного сопротивления. Конденсатор С1 — К50-6 либо К50-16, С2 и СЗ — К50-24. Постоянные и переменные резисторы — любой марки.
Сетевой трансформатор — маломощный с напряжением вторичной обмотки 12—18 В. Лампа Н1-2 — марки МН-2 либо МН-3. кнопочный переключатель и Тумблеры — любого типа. Предохранитель должен быть запланирован на ток не более 0,5 А. ХР1 — стандартная сетевая вилка.
Внешний вид игрового автомата продемонстрирован на рисунке 6. Корпус для него возможно изготовить из пластмассы, фанеры либо алюминия. Подойдет и готовый, к примеру, пластмассовая шкатулка из-под ниток. На лицевой панели устройства закрепите измерительный прибор, тумблеры, кнопочный тумблер, светодиод и неоновую лампу.
На одной из боковых стенок установите держатель предохранителя. Нанесите соответствующую маркировку около органов управления. трансформатор питания и Монтажные платы прикрепите к основанию корпуса. Резистор R11 припаяйте конкретно к одному из выводов «неонки». Все нужные соединения выполните узкими многожильными проводами в изоляции.
На задней стенке корпуса просверлите три отверстия: одно для сетевого кабеля, а два вторых — для шнуров, соединяющих прибор с выносными пультами. В качестве корпусов для них подойдут простые мыльницы. Переменные резисторы снабдите декоративными ручками.
Для большего удобства около каждого регулятора возможно нанести по нескольку меток — по ним легче ориентироваться, рассчитывая собственные действия.
Игровой автомат не требует налаживания. Если вы не допустили неточностей в монтаже и применили исправные подробности, имеете возможность верить вего работоспособности.
В.
ЯНЦЕВ
