АРБИТР СИГНАЛОВ

Как вы думаете, что общего между математикой и электроникой? Читатели, знакомые с цифровой техникой, вероятно, помнят, что математические законы Булевой алгебры положены в основу действия логических микросхем. Однако это еще не все. Оказывается, и в математике, и в электронике часто оперируют таким понятием, как сравнение. Но если вам приходится сопоставлять друг с другом числовые величины, то в электронике происходит сравнение электрических сигналов. Для выполнения таких операций созданы даже специальные устройства — компараторы.

Любопытно, что компараторы — близкие «родственники» уже знакомых 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 другое только при наличии определенной комбинации сигналов на входах.

Как устроены и в чем состоит принцип действия компараторов? Давайте на время отвлечемся от нашего рассказа и представим себе спортивные соревнования по легкой атлетике, например, по бегу. После того как спортсмен пришел к финишу, его результат сравнивают с рекордным временем для этой дистанции. Если бегун не сумел превысить мировое достижение, в таких случаях говорят, что «рекорд устоял». Но если время, за которое спортсмен преодолел дистанцию, оказалось меньше рекордного, то бегун теперь сам становится рекордсменом, а его результат отныне заносится вместо прежнего во все спортивные справочники как высшее достижение.

Схожую ситуацию можно увидеть, например, в работе простейшего компаратора. Такое устройство имеет два входа и выход. На один из входов чаще всего подают напряжение или ток, неизменные во времени, так называемый опорный сигнал. С ним происходит сравнение сигнала, уровень которого неизвестен.

Предположим, мы хотим сопоставить напряжение батареи от карманного фонаря с фиксированным напряжением, поданным на опорный вход компаратора. Если батарея сильно разряжена и ее напряжение ниже опорного, то никаких изменений на выходе компаратора не произойдет. Но если потенциал батареи превысит опорное напряжение, компаратор переключится, и на его выходе появится сигнал, отличный от первоначального.

Не правда ли, аналогия с соревнованиями в беге вполне себя оправдывает. Судите сами. Входной сигнал меньше опорного (время бегуна хуже рекордного) — логическое состояние компаратора не меняется (высшее достижение остается прежним). Входной сигнал превышает опорный (результат спортсмена лучше мирового достижения) — логическое состояние компаратора изменяется на противоположное (рекорд становится более высоким). Таким образом, можно сказать, что компаратор как бы выполняет роль арбитра, определяющего, уровень которого из сигналов оказался большим.

Мы познакомили вас с принципом действия только одного типа компараторов. На самом деле их гораздо больше, отличающихся по разным признакам. Например, в технике часто используют компараторы, которые могут сравнивать два непрерывно меняющихся сигнала. Такое устройство переключается из одного логического состояния в другое, когда уровни входных сигналов совпадают. Есть компараторы, вырабатывающие при совпадении входных сигналов короткий одиночный импульс или 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 расположения элементов.

Р и с. 5. Монтажная плата источника питания со схемой расположения 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.

Применяются компараторы во многих областях электроники. Однако наиболее важная сфера их «деятельности» — устройства, работа которых основана на преобразовании аналоговых сигналов в логические. Вот простейший пример — цифровой вольтметр. Один из его главных узлов — компаратор, управляющий работой импульсного генератора. Представим, что мы хотим определить 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. Пока они не сравняются, генератор вырабатывает импульсы. В момент, когда величины напряжений на входах компаратора совпадут, он переключится, и генерация прекратится. Импульсы просуммируются счетчиками вольтметра, и на его табло появится результат измерения. Генератор прибора настроен таким образом, что к моменту переключения компаратора количество выработанных импульсов будет соответствовать числовому значению измеряемого напряжения с точностью, например, до десятых или сотых долей вольта.

Из сказанного выше нетрудно сделать вывод, что компараторы успешно соединили в себе свойства аналоговых и цифровых устройств, а их основное назначение — преобразование сигналов.

Простой компаратор можно собрать на операционном усилителе. Схема такого устройства показана на рисунке 1. На инвертирующий вход ОУ через ограничительный резистор 1?1 подано опорное напряжение. Неинвертирующий вход выполняет роль

измерительного. Сигнал на него подается через ограничительный резистор R2. Чтобы превратить ОУ в компаратор, в схему введена цепь обратной связи, образованная резистором R3.

Принцип действия такого устройства несложен. В исходном состоянии напряжение на выходе операционного усилителя равно нулю. Если подать на измерительный вход компаратора напряжение, величина которого меньше опорного, то состояние ОУ не изменится. Когда же напряжение на измерительном входе устройства превысит опорное, выходное напряжение начнет возрастать. Через цепь обратной связи оно поступит на измерительный вход, что, в свою очередь, приведет к возрастанию входного тока. В результате выходное напряжение увеличится еще больше. Короче говоря, процесс становится лавинообразным и напряжение на выходе ОУ скачком возрастет до максимального уровня. Таким образом, компаратор переключится из «нулевого» состояния в «единичное». Не правда ли, все очень просто?

Ну а теперь, когда мы познакомились с устройством и принципом действия компараторов, можно перейти к их практическому применению. Для этого предлагаем вам собрать простую электронную игру. Она основана на угадывании одним соперником действий другого. Участвуют в соревновании двое.

Итак, представьте себе небольшую коробку, на лицевой панели которой установлены световой индикатор, кнопочный переключатель, тумблер и электроизмерительный прибор, например, вольтметр. Это — основной блок. К нему подсоединены два выносных пульта, снабженные регуляторами.

Распределив роли, участники приступают к игре. Начинается она с того, что водящий берет свой пульт и поворачивает регулятор на произвольный угол (в предела свободного хода). Второй игрок не видит этих действий. Его задача — как можно точнее повторить ход соперника. Допустим, на это отпущено три попытки. Угадывающий берет свой пульт и поворачивает регулятор на необходимый, по его мнению, угол. Затем он нажимает кнопку и оценивает свой ход. Если световой индикатор загорелся, значит, регулятор повернут недостаточно. Отсутствие светового сигнала указывает, что регулятор повернут больше, чем нужно. Далее угадывающий решает, что ему; теперь делать — повернуть регулятор вперед (если индикатор горит) или назад (если индикатор не светится). Сделав еще одну попытку, он вновь нажимает кнопку и по состоянию индикатора оценивает свой второй ход. Затем поворачивает регулятор в третий раз и теперь уже включает тумблер. При этом вольтметр докажет конечный результат игры. Если стрелка осталась на нулевой отметке, значит, угадывающий совершенно точно «вычислили ход соперника. Если же она отклонилась от своего первоначального положения, замысел водящего остался неразгаданным^ Чем больше отклонение стрелки вольтметра, тем с большим преимуществом побеждает водящий. Отсчет результата производят по шкале измерительного прибора. Естественно, в нашем случае это будут не вольты, а некие условные единицы.

Периодически меняясь ролями, игроки могут посоревноваться между собой, а потом сравнить, у кого интуитивное чутье развито . лучше. Если желающих принять участие в состязании много, его можно провести по круговой системе, составить таблицу результатов и по ней определить победителя. Одним словом, вариантов применения данного игрового автомата можно найти немало, главное — проявить немного фантазии и выдумки.

Заметим, что у прибора есть особенность — он показывает конечный результат, величина которого, выражаясь строгим математическим языком, взята по модулю, то есть без учета знака разности. Чтобы определить его; необходимо дополнительно нажать кнопку. Если индикатор не светится, это означает, что у второго игрока произошел перебор. Когда индикатор горит, значит, угадывающий «недотянул» до результата соперника.

Итак, разобравшись в правилах игры, можно знакомиться с содержимым игрового автомата. Его принципиальная схема показана на рисунке 2. Как и следовало ожидать, «сердце» такого устройства — компаратор. Он собран по уже знакомой 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, который включается кнопкой SB1. Роль измерительного прибора выполняет вольтметр постоянного напряжения PV1, установленный в диагональ выпрямительного моста VD1—VD4. Его плечи включены, в свою очередь, между входами компаратора. Измерительная цепь вольтметра коммутируется тумблером SA1. Резисторы R1, R3, R7 и R2, R6, R9 образуют два управляемых делителя напряжения. При этом переменные резисторы R3 и R6 выполняют функции регуляторов, установленных в пультах.

Как действует игровой автомат? Допустим, водящий взял первый пульт и установил движок переменного резистора R3 в среднее положение. При этом напряжение с верхнего по схеме делителя поступит на опорный вход компаратора (инвертирующий вход ОУ) и одновременно на диоды VD3, VD4 выпрямительного моста. Теперь в игру вступает угадывающий. Он берет свой пульт и поворачивает движок переменного резистора R6. В результате напряжение с нижнего по схеме делителя поступает на измерительный вход компаратора (неинвертирующий вход ОУ) и одновременно на диоды VD1, VD2. Если уровень напряжения на выводе 10 DA1 будет ниже, чем на выводе 9, операционный усилитель окажется в «нулевом» состоянии. Нажав кнопку SB1, игрок убеждается в этом по свечению индикатора HL1. Если же напряжение на измерительном входе компаратора превысит напряжение на опорном входе, то ОУ переключится в противоположное состояние, и на его выходе появится логическая единица: светодиод гореть не будет.

Необходимо заметить, что переключение операционного усилителя происходит, когда измерямое напряжение превысит опорное примерно на 0,3 В. Таким образом, при точном совпадении входных напряжений (а следовательно, и положений регуляторов R3 и R6) Н1.1 продолжает гореть. Участвуя в игре, не забывайте об этом.

После того как все попытки у второго игрока исчерпаны, он включает тумблер БА1. Если уровни напряжений на обоих проводах компаратора полностью совпадают, стрелка вольтметра, как мы уже говорили, останется на нулевой отметке шкалы. Если же напряжение на одном из входов превысит напряжение на другом входе, стрелка отклонится от нулевой отметки и покажет разность входных напряжений. Так как прибор включен в диагональ выпрямительного моста, то независимо от того, на каком из входов ОУ уровень напряжения оказался болы. ‘ полярность напряжения на вольтметре будет всегда одной и те же. Естественно, что и стрелка прибора также отклоняется только в одну сторону. Для определения, на чьем пульте регулятор повернут больше в конце игры, как мы уже предлагали, можно нажать кнопку БВ1 и по состоянию индикатора НL1 сделать окончательный вывод.

Питается игровой автомат от сетевого стабилизированного источника с так называемой искусственной средней точкой (рис. 3). Если в конструкции применена микросхема К140УД1Б, то выходное напряжение источника питания должно составлять 12 В. При использовании ИМС К140УД14 напряжение необходимо 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 лучше всего сделать из листа фольгированного гетинакса или 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 нуждается в радиаторе.

О деталях. Операционный усилитель — К140УД1Б или 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 или КС211. Если напряжение питания необходимо снизить до 9 В, можно применить стабилитрон Д809, Д810, Д818А—Д818Г, Д814Б или Д814В. Диоды —Уй4 — любые из серий Д2, Д7, Д9, Д1В, Д20, Д206, Д220, Д223, Д226, Д237. Выпрямительный блок — КЦ405 с любым буквенным индексом или четыре диода средней мощности, соединенные по мостовой схеме. Светодиод— марки АЛ 102 или АЛ307. Вольтметр постоянного напряжения — с пределом измерения 5—6 В. Если такого не нашлось, то в качестве измерительного прибора можно применить миллиамперметр с последовательно соединенным ограничительным резистором необходимого сопротивления. Конденсатор С1 — К50-6 или 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 или МН-3. Тумблеры и кнопочный переключатель — любого типа. Предохранитель должен быть рассчитан на ток не более 0,5 А. ХР1 — стандартная сетевая вилка.

Внешний вид игрового автомата показан на рисунке 6. Корпус для него можно изготовить из пластмассы, фанеры или алюминия. Подойдет и готовый, например, пластмассовая шкатулка из-под ниток. На лицевой панели устройства закрепите измерительный прибор, тумблеры, кнопочный переключатель, светодиод и неоновую лампу. На одной из боковых стенок установите держатель предохранителя. Нанесите соответствующую маркировку около органов управления. Монтажные платы и трансформатор питания прикрепите к основанию корпуса. Резистор R11 припаяйте непосредственно к одному из выводов «неонки». Все необходимые соединения выполните тонкими многожильными проводами в изоляции.

На задней стенке корпуса просверлите три отверстия: одно для сетевого кабеля, а два других — для шнуров, соединяющих прибор с выносными пультами. В качестве корпусов для них подойдут обычные мыльницы. Переменные резисторы снабдите декоративными ручками. Для большего удобства вокруг каждого регулятора можно нанести по нескольку меток — по ним легче ориентироваться, рассчитывая свои действия.

Игровой автомат не требует налаживания. Если вы не допустили ошибок в монтаже и применили исправные детали, можете быть уверены в его работоспособности.

В. ЯНЦЕВ