Шесть самоделок на одной ИМС

В статье «Логика машин» (см. «М-К», 1989, № 11) рассказывалось об одном из «кирпичиков», слагающих фундамент современной цифровой техники,— микросхеме К155ЛА3. Она содержит в своем корпусе всего четыре логических элемента. Понятно, на таком приборе не соберешь сложную электронную конструкцию. И все же не спешите делать вывод, что возможности ИМС К155ЛА3 ограничены. Проявив чуть-чуть изобретательности, можно собрать на элементах этой микросхемы много интересных самоделок. Чтобы убедиться в этом, предлагаем вашему вниманию шесть схем различных электронных устройств, каждое из которых выполнено всего на одной логической МС К155ЛА3. С обрав их, вы познакомитесь с принципами работы и построения простейших цифровых приборов.

На рисунке 1 представлена схема простейшего измерительного прибора — пробника для «прозвонки» электрических цепей. С помощью него можно определить надежность электрического контакта, найти обрыв в цепи, проверить исправность резисторов и полупроводниковых диодов. Прибор выполнен всего на одном элементе микросхемы К155ЛА3. Работает он следующим образом.

После включения питания при разомкнутых щупах X1 и Х2 на входах 1, 2 элемента DD1.1 относительно общего провода устанавливается высокий логический уровень напряжения. Соответственно, на выходе 3 DD1.1 будет низкий логический уровень напряжения. При этом элемент индикации — светодиод VD1 гореть не будет. Если щупы замкнуть между собой, на входах 1, 2 DD1.1 установится низкий логический уровень напряжения, а на выходе 3 — высокий. При этом загорится светодиод, сигнализируя о наличии замыкания между X1 и Х2. Таким образом, при подключении щупов к исправной электрической цепи будет загораться светодиод VD1. Если же светодиод не горит — значит, в цепи имеется обрыв. Данным пробником можно проверить исправность постоянных и переменных резисторов с сопротивлением до нескольких кОм.

Чтобы проверить исправность полупроводникового диода, необходимо подключать его к щупам в прямом и обратном направлениях. Когда вывод анода диода соединен с X1, а вывод катода с Х2, светодиод горит, а при обратном включении — нет. Если при обратном включении VD1 продолжает светиться, значит, проверяемый диод пробит. Когда же VD1 не светится как при прямом, так и при обратном включении проверяемого диода, это указывает, что в нем имеется обрыв.

Устройство, схема которого приведена на рисунке 2, также относится к измерительным приборам и представляет собой логический пробник. Он предназначен для определения логического уровня напряжения в электрических цепях цифровых приборов. Собирается пробник на двух элементах микросхемы, каждый из которых работает как инвертор. В исходном состоянии на входах 1,2 DD1.1 и выходе 6 DD1.2 устанавливается высокий логический уровень напряжения и светодиод VD1 горит. При подключении щупов X1 и Х2 в цепь с напряжением, соответствующим уровню логической 1, состояние элементов DD1.1 и DD1.2 не изменится и VD1 продолжает гореть. Если же в проверяемой цепи низкий логический уровень напряжения, то элементы DD1.1 и DD1.2 переключаются в противоположное состояние, на выходе 6 DD1.2 появляется логический 0, и светодиод гаснет. Таким образом, свечение VD1 соответствует высокому, а гашение — низкому логическому уровню напряжения в проверяемой цепи.

На двух элементах микросхемы можно собрать простой низкочастотный генератор и использовать его в устройствах звуковой сигнализации, например, вместо обычного дверного звонка. Схема такого генератора (рис. 3) во многом сходна со схемой транзисторного симметричного мультивибратора. Элементы DD 1.1 и DD1.2 включены симметрично относительно друг друга, то есть выход каждого элемента через соответствующий конденсатор соединен со входами соседнего. После включения питания на выходах элементов DD1.1 и DD1.2 появляется высокий логический уровень напряжения, так как на их входы через резисторы R1 и R2 подано напряжение низкого логического уровня. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы С1 и С2. Как только на одном из конденсаторов, например С2, напряжение достигнет уровня логической 1, элемент DD1.1 переключится и на его выходе установится низкий логический уровень напряжения. Конденсатор С1, не успев зарядиться до напряжения логической 1, начнет перезаряжаться. Когда процесс перезарядки С1 закончится, произойдет переключение элемента DD1.2, и на его выходе появится логический 0. Далее начнет разряжаться конденсатор С2, после чего на выходе DD1.1 вновь появится напряжение низкого уровня и DD1.1 переключится. Теперь, в свою очередь, разрядится конденсатор С1 и произойдет переключение элемента DD1.2. После этого на его выходе вновь появится логическая 1. Далее процесс перезарядки конденсаторов и переключения элементов микросхемы повторится заново. Более того, за счет существования положительной обратной связи между DD1.1 и DD1.2 он становится бесконечным во времени, и на выходе DD1.2 появляются низкочастотные импульсы прямоугольной формы. Максимальная величина амплитуды импульса равна величине напряжения высокого логического уровня, а минимальная — величине напряжения низкого логического уровня. Длительность каждого импульса равна половине периода следования и определяется величинами емкости конденсаторов Cl, С2 и сопротивлений резисторов R1, R2. Динамическая головка ВА1 преобразует электрические импульсы в колебания звуковой частоты.

На всех четырех элементах микросхемы можно собрать имитатор звука сирены и установить его на действующую модель пожарной машины или «скорой помощи». Устройство (рис. 4) состоит из двух генераторов: тактовых импульсов и звуковой частоты. Первый выполнен на элементах DD1.1 и DD1.2, а второй — на DD1.3 и DD1.4. В отличие от предыдущего, симметричного мультивибратора, каждый из генераторов собран по несимметричной схеме. Поскольку принципы работы каждого из генераторов схожи, рассмотрим в действии только один из них, например, левый по схеме.

После включения питания на входах 1,2 DD1.1 и на выходе 6 DD1.2 установится напряжение логической 1, а на выходе 3 DD1.1 и входах 4, 5 DD1.2 — напряжение логического 0. При этом конденсатор С1 начнет заряжаться через резистор R1, а напряжение на входах 1,2 DD1.1 будет постепенно уменьшаться. Как только оно достигнет величины, соответствующей логическому 0, произойдет переключение элементов микросхемы в противоположные состояния. Далее конденсатор С1 начнет разряжаться через выходную цепь второго элемента, а напряжение на входах 1, 2 DD1.1 будет вновь увеличиваться. Когда оно достигнет высокого логического уровня, произойдет переключение элементов в первоначальное состояние. За счет существования положительной обратной связи процесс перезарядки конденсатора С1 и переключения элементов DD 1.1 и DD 1.2 носит непрерывный характер. В результате этого с выхода DD1.2 будут следовать прямоугольные импульсы, частота и длительность которых определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлением резистора R1.

По такому же принципу работает и правый по схеме генератор. Основное его отличие от тактового генератора — в величине емкости конденсатора С2, стоящего в цепи обратной связи.

Имитация звука сирены достигается за счет того, что тактовый генератор управляет работой генератора звуковой частоты. Динамическая головка ВА1 звучит в те промежутки времени, когда на входе 13 элемента DD1.3 появляется логическая 1.

На рисунке 5 показана схема простейшего одноголосого электромузыкального инструмента. Его музыкальный диапазон — примерно две полные октавы. Генератор ЭМИ выполнен на трех элементах DD1.1 — DD1.3 микросхемы DD1. Элемент DD1.4 используется в качестве усилителя звуковой частоты. Принцип работы трехэлементного генератора почти полностью сходен с принципом работы генератора на двух элементах. Основным его преимуществом является более высокая стабильность. Частота звучания ЭМИ определяется емкостью конденсатора С1 и сопротивлениями резисторов R1—RN. Клавиши S1—SN подключают в цепь обратной связи резисторы R1—RN, сопротивлению каждого из которых соответствует строго определенная частота генерации.

На всех четырех элементах микросхемы К155ЛА3 собран и простой игровой автомат (рис. 6). Однако, чтобы понять, в каких играх его можно использовать, познакомимся прежде всего с его работой. На первых трех элементах DD1.1—DD1.3 собран уже знакомый нам по предыдущей конструкции несимметричный мультивибратор, а элемент DD1.4 используется в качестве инвертора. После включения питания мультивибратор начинает вырабатывать прямоугольные импульсы, частота и длительность которых определяется параметрами конденсатора С1 и резистора R1. При этом светодиоды VD1 и VD2 поочередно мерцают. Поскольку частота генерации импульсов достаточно высокая, мерцание светодиодов человеческим глазом воспринимается как слабое непрерывное свечение. После замыкания кнопки SB1 элементы DD1.1 и DD1.2 оказываются закороченными и генерация прекращается. Если в момент остановки генератора на выходе 11 DD1.3 была логическая 1, то светодиод VD1 (красного цвета) загорается более ярко, а VD2 гаснет, так как на выходе 8 DD1.4 будет логический 0. Если же на выходе DD 1.3 окажется 0, то на выходе DD 1.4 будет 1. При этом VD1 погаснет, а гореть будет VD2 (зеленый цвет). Поскольку заранее невозможно предсказать, какое напряжение будет на выходе генератора после его остановки, включение светодиодов носит случайный характер. Следовательно, данное устройство с успехом можно применить в играх, основанных на угадывании какого-нибудь результата. Например, кому из двоих играющих при одинаковом числе попыток удастся точнее предсказать, который из светодиодов загорится большее количество раз.

О деталях. Вместо микросхемы К155ЛА3 можно использовать идентичную ей К133ЛА3, светодиоды АЛ307 заменить на АЛ 102. Электролитические конденсаторы — К50-6, остальные — любого типа. Резисторы — ВС или ОМЛТ. Вместо динамической головки 0,5ГД-37 можно использовать любую другую мощность 0,1—1Вт. Кнопочный переключатель — П2К; тумблеры — любого типа, например Т3-С. Клавиши — самодельные, их конструкция может быть любой. Щупы X1 и Х2 — стандартные от промышленных измерительных приборов. Щуп Х2 для удобства в работе можно снабдить зажимом типа «крокодил». Батарея GB1 напряжением 4,5 В (например, «Рубин») или три элемента по 1,5 В («Орион»).

Устройства, собранные по схемам, изображенным на рисунках 1—4, не нуждаются в налаживании и начинают работать сразу после включения питания. Налаживание ЭМИ (рис. 5) сводится к подбору величин резисторов R1—RN для настройки генератора на частоты, соответствующие частотам нот музыкального диапазона. Для этого вместо постоянных резисторов впаивают подстроечные. Настройка производится в унисон с соответствующими частотами камертона вращением движков подстроечных резисторов. После этого измеряют их сопротивления и вместо них впаивают точно такие же постоянные резисторы.

Налаживание игрового автомата (рис. 6) заключается в подборе сопротивлений разисторов R2 и R3. Поскольку светодиоды АЛ307Б и АЛ307В рассчитаны на разные рабочие напряжения и токи, при одинаковых величинах R2 и R3 яркость свечения окажется разной. Поэтому, оставляя величину сопротивления одного из резисторов, например R2, неизменной и подбирая значение R3, добиваются одинаковой яркости свечения диодов.

В. ЯНЦЕВ