V tem članku bomo spoznali nekaj elektronskih vezij, ki menjajo stanje pod vplivom zvočnega signala – recimo da je to glasen kratkotrajen plosk z dlanmi!
Avtor: mag. Vladimir Mitrović
Za začetek bomo potrebovali vezje s slike 24, ki bo plosk pretvoril v pozitivni napetostni impulz.
Uporabili smo mikrofonski vložek z dvema priključkoma, kot je walkie-talkie vložek iz internetne trgovine Sveta elektronike (prav tako bo dobro deloval tudi vložek s tremi priključki, kot ta na fotografiji na sliki 28). Vrednost delovnega upora mikrofonskega vložka RM je izbrana tako, da bo napetost na njegovem + priključku znašala približno polovico napetosti napajanja. Električne signale iz vložka dodatno ojači tranzistor Tr1. Na njegovem kolektorju v trenutku ploska, dobimo “rdeč” signal nepravilne oblike, amplitude 2-5 Vpp, ki traja okoli pol sekunde. Če je plosk glasen, bodo vrhovi signala “odrezani”, kar nam pri tej uporabi ne predstavlja posebnega problema.
Ta vsebina je samo za naročnike
Tranzistor Tr2 nima ustrezne bazne prednapetosti in zato brez izmeničnega signala na kolektorju tranzistorja Tr1, ne bo prevajal. Zato bo napetost na paralelni vezavi kondenzatorja C3 in upora R4 znašala 0 V. Ko se kot rezultat ploska na kolektorju tranzistorja Tr1 pojavi izmenični signal amplitude, ki je večja od 1,2 Vpp, bodo njegovi negativni “vrhovi” odprli Tr2 in kondenzator C3 se bo zelo hitro nabil do vrednosti napajalne napetosti. Ta napetost se bo zadržala dokler plosk odzvanja, oziroma dokler na kolektorju Tr1 obstaja izmenični signal dovoljšnje amplitude. Ko plosk utihne, se bo kondenzator C3 postopno izpraznil preko upora R4. Tako bomo, kot rezultat enkratnega ploska z dlanmi na kolektorju tranzistorja Tr2 dobili en pozitivni impulz, ki traja nekaj sto milisekund, s strmim sprednjim robom in počasi padajočim zadnjim robom (praznjenje kondenzatorja traja 100-200 ms). Ta impulz bomo izkoristili za aktiviranje drugih vezij.
ON/OFF vezje z integriranim vezjem CD4013
Poglejmo najprej kako s ploskom lahko vklopimo in izklopimo svetlečo diodo! V shemi na sliki 25 smo uporabili CMOS integrirano vezje CD4013, ki vsebuje dve D vezji. Mi bomo potrebovali samo eno od njiju, zato smo vhode drugega (8, 10 in 11) vezali na maso, da bi ga “umirili”. LED-ico LED1 smo vezali na izhod Q1 in bo svetila, ko je Q1 v stanju logične enice (= 5 V). Komplementarni izhod D bistabila Q1 je vezan na njegov vhod D1, zato bo bistabil menjal stanje vsakič, ko se pojavi impulz na njegovem CLOCK1 vhodu. Bolj natančno povedano, bistabil reagira na prednji, vhodni rob impulza: v tem trenutku se bo prebralo stanje na D1 vhodu in se bo preneslo na izhod Q1. Tako bo vsak nov impulz izmenično vklapljal in izklapljal LED-ico in to je točno to, kar smo želeli doseči.
Kondenzator C1 in upor R1 imata vlogo v trenutku, ko vezje spojimo na napetost napajanja: C1 se takrat povzročil kratkotrajni pozitivni impulz na RESET1 vhodu, ki bo nato resetiral D bistabil in postavil njegov izhod Q1 v stanje logične ničle (= 0 V). S tem smo zagotovili, da bo LED-ica na začetku vedno ugasnjena. Ko izključimo napajalno napetost, se bo kondenzator C1 izpraznil preko diode D1 in tako bo pripravljen za ponoven vklop.
Če vežemo vhod ON/OFF vezja na izhod vezja s slike 24 lahko preverimo, če vse dela tako, kot je zamišljeno! Zares, če ploskamo na oddaljenostih od 20 cm do 1 m, bo večina ploskov spremenila stanje LED-ice LED1. Ni potrebno, da so ploski zelo glasni. Včasih se zna zgoditi da se med enim ploskom stanje LED-ice spremeni dvakrat. Osciloskop nam bo odkril zakaj: zadnji rob prožilnega impulza ni tako gladek, kot je narisano, ampak zna biti “nazobčan”, z več manjšimi vzponi in padci. Integrirano vezje normalno reagira na vhodni rob prožilnega impulza, vendar pa ga lahko krmilijo tudi te nestabilnosti; zato se mu bo včasih spremenilo stanje tudi na padajočem robu impulza.
Problem smo rešili z dodajanjem “modrega” CxRx filtra na vhodu! CxRx filter bo na vhodnem robu pobudnega impulza proizvedel zelo kratek pozitivni impulz, dovoljšen da spremeni stanje D bistabila, medtem ko bodo nestabilnosti na spuščajočem robu “spustiti” pod prag na katerem jih CD4013 lahko zazna, zato bo vezje delovalo precej bolj zanesljivo. Opisan problem je prisoten pri vseh digitalnih vezjih ki menjajo stanje glede na impulze na svojem CLOCK vhodu: če prožilni impulz raste počasi, sta vhodni in izhodni rob “nazobčana”, vezje ga bo včasih registriralo kot dva ali več zaporednih impulzov. Zato ima večina integriranih vezij na svojih CLOCK vhodih Schmittovo prožilno vezje (Schmitt trigger), ki ne menja stanja na istem napetostnem nivoju na rastočem in padajočem robu prožilnega impulza. Zaradi te histereze imajo nestabilnosti vhodnega analognega signala znatno manjši vpliv in je pretvorba v digitalni signal bolj zanesljiva.
CD4013 nima Schmittovega prožilnega vezja na CLOCK vhodu kar, kot smo prej opisali, povzroča občasna napačna branja. Poglejmo sedaj koliko bolj je zanesljivo vezje z integriranim vezjem CD4017, ki ima na svojem CLOCK vhodu Schmittov prožilnik (trigger)!
Števec impulzov z integriranim vezjem CD4017
CD4017 je desetiški števec, ki šteje impulze na svojem CLOCK vhodu. Števec ima 10 izhodnih priključkov, označenih z oznakami “0” do “9”, od katerih je v vsakem trenutku samo eden v stanju logične enice (= 5 V).
Če povežemo na te izhode LED-ice, kot na shemi na sliki 26a, bo svetila samo tista LED-ica, katere izhod je aktiven. Tok skozi LED-ice je omejen z uporom R2 na okoli 2 mA, zato je potrebno uporabiti občutljive LED-ice. Upravičeno je, da vse LED-ice delijo isti upor za omejitev toka, ker je v vsakem trenutku vključena samo ena od njih!
Kot tudi v primeru s slike 25, C1 in R1 zagotavljata, da se vezje pri vklopu napajalne napetosti postavi v določeno začetno stanje. Tukaj bo resetiranje integriranega vezja postavilo izhod “0” v stanje logične enice in bo zasvetila prva LED-ica, kakor je na sliki tudi prikazano.
Vezje reagira na vhodni rob prožilnega impulza in vsak pozitivni impulz, ki ga dovedemo na CLOCK vhod bo vklopil naslednjo LED-ico v vrsti. Tudi tukaj bomo impulze generirali s ploskanjem s pomočjo vezja s slike 24. Pokazalo se bo, da je integrirano vezje CD4017 imuno na nestabilnosti prožilnega impulza in bo zelo točno štelo ploske tudi brez vhodnega CxRx filtra: vsak plosk bo povzročil samo en pomik.
ON/OFF vezje z integriranim vezjem CD4017
Z zadnjim primerom smo v praksi preverili učinkovitost Schmittovog prožilnega vezja. Pokažimo sedaj tudi, kako lahko desetiški števec pretvorimo v ON/OFF vezje!
V vezju na sliki 26b smo odstranili vse LED-ice razen ene; pustili smo samo tisto, ki je vezana na izhod “1”. C1 in R1 tudi tukaj resetirata integrirano vezje, zato bo na začetku izhod “0” postavljen v stanje logične enice. Zato bo LED1 ugasnjena v trenutku, ko vezje priključimo na napajalno napetost, in se vklopila, ko na CLOCK vhod dovedemo prvi prožilni impulz. Naslednji prožilni impulz bo poizkusil postaviti izhod “2” v stanje logične enice, vendar bo to uspel samo za trenutek: ker smo izhod “2” preko diode D3 povezali na RESET, se bo CD4017 takoj resetiral in vrnil v stanje “0”. Števec s slike 26b bo imel samo dve stanji, “0” in “1”, zato se bo s prožilnim impulzom LED1 izmenično vklapljala in izklapljala.
Prožilne impulze tudi tukaj generira vezje s slike 24 in LED-ico bomo izmenično vklapljali in izklapljali s ploskom. V skladu z našo predhodno izkušnjo bo integrirano vezje CD4017 ignoriralo nepravilnosti prožilnega impulza, zato ON/OFF vezje po shemi na sliki 26b dela zelo zanesljivo.
Števec impulzov z integriranim vezjem CD4029
Integrirano vezje CD4029 (slika 27a) je štiribitni števec, ki šteje impulze na svojem CLOCK vhodu v binarnem ali desetiškem načinu dela. V prvem primeru bo števec štel v razponu od 0 do 15 (0000-1111 binarno), v drugem pa v razponu od 0 do 9 (0000-1001 binarno). Binarni in desetiški način štetja izberemo z logičnim stanjem BIN/DEC priključka. Števec lahko prav tako šteje naprej ali nazaj, odvisno od logičnega stanja UP/DOWN priključka.
Vezje postavljamo v začetno stanje s kratkim pozitivnim impulzom, katerega generira kondenzator C1 na vhodu PRESET ENABLE v trenutku, ko vključimo napetost napajanja. CD4029 bo v tem trenutku “prebral” stanja svojih vhodnih priključkov J4-J1 in jih preslikal na izhode Q4-Q1, oziroma na izhodne priključke “8”, “4”, “2” in “1”. V našem primeru bodo ob vklopu vsi izhodi postavljeni v stanje logične ničle. Z vsakim prožilnim impulzom, ki ga dovedemo na njegov CLOCK vhod, bo CD4029 spremenil stanja svojih izhodnih priključkov v skladu z izbranim načinom dela. Konkretno, če sta oba kontrolna vhoda (UP/DOWN in BIN/DEC) z dodanimi vezji postavljena v stanje logične enice, bo števec štel navzgor do 15, nato se bo resetiral in ponovno štartal od ničle.
Če povežemo vhod vezja s slike 27a na izhod vezja s slike 24, bo štel prožilne impulze, ki jih generiramo s ploskanjem. Kako prikazati stanje števca? Na sliki 27b sta prikazana dva načina: s pomočjo štirih LED-ic (levo) in na 7-segmentnem displeju (desno). Oba displeja se vežeta na istoimenske izhode števca s slike 27a. Predpostavili smo, da si izhodi “4”, “2” in “1” v stanju logične enice, zato oba displeja prikazujeta številko 7. Očitno je to vrednost lažje prebrati na 7-segmentnem displeju kot pa v binarnem prikazu na LED-icah!
Tukaj moramo malo posvetiti pozornost uporabljenem displeju TIL311. Gre za raritetno komponento, ki se je svoj čas uporabljala na krmilnih ploščah digitalnih računalnikov in drugih “pametnih” naprav, vendar se še vedno lahko najde v internetnih trgovinah. Strogo gledano, ne gre za “navaden” 7-segmentni displej, ker se prikaz oblikuje na točkovnih LED-icah, razporejenih na način, ki omogoča prikaz ne samo dekadnih številk od 0-9, ampak tudi lepo oblikovanih heksadecimalnih črk A-F. Poleg samega displeja se znotraj TIL311 nahaja ustrezen pretvornik in krmilno vezje, tako da ga lahko direktno povežemo na izhode binarnega števca CD4029. Priključke za aktiviranje decimalnih pik nismo uporabili.
Če nimate „elegantnega” TIL311 displeja, bo dobro služil tudi “navadni” 7-segmentni displej s skupno katodo, kot ta na sliki 27c. Obstaja več izvedb takšnih displejev, ki se razlikujejo ne samo po velikosti ampak tudi po razporedu priključkov in načinu njihovega povezovanja s segmenti displeja. Zato “modra” numeracija priključkov ustreza displeju 5082-7653, in jo je potrebno pri drugačnem displeju ustrezno uskladiti. Enako velja tudi za upore R1-R7, katerih upornost je potrebno prilagoditi občutljivosti segmentov uporabljenega displeja.
Integrirano vezje CD4511 je eden od najbolj pogosto uporabljenih BCD-to-7-segment pretvornikov. Binarne kombinacije na svojih vhodih pretvori v ustrezne kombinacije za prikaz številk od 0-9. CD4511 ne prepozna binarne kombinacije, ki ustrezajo heksadecimalnim znakom A-F, zato bo CD4029 (slika 27a) potrebno postaviti v desetiški način dela s postavitvijo BIN/DEC priključka v stanje logične ničle.
Opomba: V vseh primerih se uporabljajo CMOS integrirana vezja oznake CDxxxx. Začetne črke oznake so odvisne glede na proizvajalca, zato bo enako dobro deloval tudi HCFxxxx ali HEFxxxx, če je številčni del oznake enak (npr., CD4013 = HCF4013 = HEF4013 = …).
