О ЧЕМ ПОМНИТ МИКРОСХЕМА

В предыдущем выпуске вы познакомились с целым классом электронных устройств—триггерами (см. «М-К», 1990, № 7. «Что хранится в багаже»). Однако эта тема все еще не исчерпана, и сегодня мы продолжим рассказ о еще одной разновидности таких приборов — D-триггере. Как и RS-триггер, он обладает замечательной способностью запоминать накопленную информацию и подолгу хранить ее в своем электронном «мозгу». Но есть у D-триггера и немаловажная особенность — он более универсален.

Понятно, что хотя оба эти прибора — «родственники» и логика их действия имеет много общего, существуют все же какие-то особые признаки, по которым безошибочно можно отличить одно устройство от другого. Чтобы разобраться в их сути, выясним сначала, что же представляет собой D-триггер.

На электрических схемах его изображают в виде прямоугольника, разделенного внутри на две неравные части вертикальной линией (рис. 1). С левой стороны расположены два входа: информационный (его еще называют приемным и обозначают латинской буквой D) и управляющий (обозначен буквой С). Последний иногда называют записывающим или синхронизирующим входом. Почему — это мы выясним позже. С правой стороны — два выхода. Один прямой (Q), а второй инверсный — на рисунке он обозначен кружком в начале линии вывода (Q). Буква Т, стоящая внутри прямоугольника, означает, что данный элемент является триггером. Как и всякое логическое устройство, D-триггер принято обозначать латинскими буквами DD, после которых следует порядковый номер прибора в схеме.

D-триггер, как и его «родственник» RS-триггер, имеет два входа. Однако назначение их совсем иное, чем у прибора, уже знакомого нам. Обусловлено это особенностями работы D-триггера. Чтобы познакомиться с ними, воспользуемся временными диаграммами на рисунке 2.

Предположим, в начальный момент на входе D установилось напряжение логического 0 (рис. 2а). Тогда, независимо от наличия или отсутствия на входе С записывающего сигнала (рис. 2б), на прямом выходе Q также установится напряжение низкого логического уровня (рис. 2в). Теперь подадим на вход D логическую 1. Что произойдет дальше? Пока на входе С будет напряжение логического 0, триггер хранит «старую» информацию. Как только на С-вход поступит короткий импульс напряжения, триггер переключится в «единичное» состояние и будет сохранять его до тех пор, пока информация на входе D не изменит свое значение на противоположное. В этом случае первый же импульс, поступивший на вход С, «опрокинет» триггер, и на его прямом выходе вновь установится логический 0. Так D-триггер действует при наличии на его управляющем входе непрерывно поступающих коротких импульсов напряжения. А если после установки триггера они пропали? В этом случае информация на D-входе может меняться как угодно — триггер будет надежно сохранять свое первоначальное состояние.

Форма напряжения на инверсном выходе Q\ отличается от формы сигнала на прямом выходе Q по фазе (рис. 2г.). Когда на выходе Q логическая 1, на Q\ — логический 0, и наоборот.

D — триггер получил свое название от латинской буквы D, обозначающей его информационный вход. Почему С-вход этого триггера был назван записывающим, вам, вероятно, уже ясно. Ну а синхронизирующим его называют потому, что с приходом на него управляющего импульса одновременно (синхронно) происходит и переключение триггера.

В целом действие D-триггера можно сравнить, например, с процессом записи на магнитофон музыкальной программы. Представьте себе такую картину. Вы подключили магнитофон к радиоприемнику, установили кассету, но не нажали кнопку записи. При этом, несмотря на то, что в «динамике» звучит музыка, кассета остается «чистой» (это соответствует ситуации, когда на входе D есть информация, но она не «воспринимается» триггером, поскольку на входе С нет управляющего сигнала). Если теперь нажать клавишу «Запись», то музыкальное произведение запишется на магнитную ленту (на вход С подан управляющий сигнал и триггер «принял» информацию с D-входа). После того как передача закончилась, можно выключать магнитофон — кассета надежно сохранит понравившуюся вам мелодию (после отключения управляющего сигнала D-триггер продолжает хранить в своей «памяти» записанную информацию).

Вообще говоря, D-триггер более надежная ячейка памяти, чем ИБ-триггер. Судите сами. Мы сравнивали последний с обычной камерой хранения, в которой есть всего одно место для багажа. Однако правила пользования такой камерой, мягко говоря, не совсем «джентльменские». Эта аналогия не случайна. Ведь как действует RS-триггер: очередная информация, приходящая на его входы, попросту «выталкивает» ту, что была записана в памяти раньше. Такое действие логического устройства равносильно тому, например, что вы, открыв камеру хранения, выкинули лежавший в ней чужой багаж, а на его место поставили свой. И кто знает, может быть, следом за вами придет кто-то еще и, в свою очередь, так же бесцеремонно выкинет ваши вещи.

D-триггер значительно «благородней». В нем все сигналы — носители информации — терпеливо дожидаются своей очереди, чтобы поступить на хранение (то есть быть записанными в «память» триггера по соответствующей команде с С-входа).

Есть у D-триггера еще одно замечательное свойство, которым его «родственник» RS-триггер не обладает. Дело в том, что D-триггер можно применять для деления частоты входного сигнала. Как это осуществить? Очень просто. Необходимо только информационный вход D соединить с инверсным выходом Q, а сигнал подавать на записывающий вход С (рис. 3). Что будет на прямом выходе Q? Воспользуемся вновь временными диаграммами (рис. 4) — они наглядно иллюстрируют процессы, происходящие в триггере-делителе.

В исходном состоянии на записывающем входе С и на прямом выходе Q триггера будет напряжение логического 0. При этом на инверсном выходе Q\, а следовательно, и на информационном входе D установится логическая 1. С приходом первого же импульса на вход С (рис. 4а) триггер переключится в «единичное» состояние (рис. 4б), а на выходе Q\ и входе D появится логический 0. Второй импульс, пришедший на вход С, «опрокинет» триггер в «нулевое» состояние. Далее все будет повторяться сначала. Как вы уже убедились, каждым двум импульсам, приходящим на синхронизирующий вход С, соответствует всего один импульс на выходе Q. Таким образом, D-триггер работает как делитель входной частоты на два.

Современные D-триггеры, как правило, имеют интегральное исполнение, в виде микросхем. Часто в одном корпусе помещают сразу несколько элементов, что дает значительный выигрыш в габаритах и массе, особенно важных для вычислительной техники.

Какими параметрами характеризуются такие интегральные микросхемы? Теми же, что и все остальные логические элементы: напряжение питания, потребляемая от источника питания мощность, быстродействие, напряжение логических 0 и 1 на выходе, а также напряжение переключения из одного устойчивого состояния в другое и коэффициент разветвления по выходу.

При маркировке D-триггеров применяют специальный буквенный код ТМ, который ставится после номера серии данной микросхемы. За буквенным кодом следует номер ИМС в подгруппе.

А теперь познакомьтесь с работой D-триггера на микросхеме К155ТМ2. Ее принципиальная схема показана на рисунке 5. Как видите, в корпусе данной ИМС расположились сразу два одинаковых прибора. Несмотря на такое близкое «соседство», они могут работать независимо друг от друга. Общие у них только выводы питания: 14 — «плюсовой», 7 — «минусовой». Каждый логический элемент имеет четыре входа и два выхода — прямой и инверсный. По входам S и R элементы работают как RS-триггеры, а по входам D и С — как D-триггеры. Кроме того, используя элемент в качестве D-триггера, его можно предварительно устанавливать в одно из состояний, подавая на входы S и R этого элемента напряжение соответствующего логического уровня. Учтите также, что S-и D-входы у ИМС К155ТМ2 — инверсные. Это значит, что на них нужно подавать сигналы отрицательной полярности.

D-триггеры широко применяются в электронной технике. А познакомить с ними мы хотим вас на примере автоматического устройства, самостоятельно включающего освещение в квартире или в одной из комнат. Когда вы входите в комнату и открываете дверь, зажигается светильник. Закрыли дверь — он продолжает гореть. Выходите из комнаты — вновь открываете и закрываете дверь — свет гаснет. Не правда ли, удобно? Не приходится искать клавишу выключателя. Все, что нужно, за вас сделает автомат.

Его принципиальная схема (рис. 6) состоит из трех основных частей: оптоэлектронного датчика, собранного на фототранзисторе VT1 и накальной лампе HL1; элемента памяти, роль которого выполняет D-триггер DD1; электронного ключа на транзисторе VT2. Его нагрузкой служит реле К1.

Как же действует электронный автомат? Лампа HL1 освещает чувствительный слой фототранзистора VT1, и он находится в открытом состоянии. При этом на входе С микросхемы DD1 и ее прямом выходе присутствует напряжение низкого логического уровня — транзистор VT2 закрыт, контакты реле K1 разомкнуты и лампы в светильнике погашены. Когда вы открываете дверь, свет перестает попадать на фототранзистор (о том, как это происходит — чуть позже), и он закрывается. На входе С появляется напряжение высокого логического уровня, триггер переключается в «единичное» состояние. Вслед за ним открывается транзистор VT2 и срабатывает реле, включающее светильник.

Если закрыть дверь, фототранзистор вновь будет освещаться лампой, а на входе С триггера опять установится логический 0. Однако в полном соответствии логике своей работы триггер сохранит «единичное» состояние. В этой ситуации он действует как ячейка памяти, хранящая заложенную в нее информацию.

При повторном открывании и закрывании двери вновь откроется и закроется фототранзистор, а на вход С поступит второй импульс напряжения. Что же произойдет? Согласно логике действия D-триггера, работающего в режиме деления, он переключится в «нулевое» состояние, транзистор VT2 закроется, реле «отпустит» контактные пары, и светильник погаснет.

Как вы уже убедились, в данном случае D-триггер выступает одновременно в роли ячейки памяти и делителя частоты входного сигнала.

Источник питания автомата (рис. 7) обеспечивает два рабочих напряжения: 6 В для осветительной лампочки и стабилизированное 12 В—для энергоснабжения остальных элементов автомата. Напряжение 5 В, необходимое для нормальной работы микросхемы DD1, формируется стабилизатором, состоящим из подстроечного резистора R1 и стабилитрона VD1 (рис. 6). Конденсатор С1 защищает ИМС от низкочастотных помех, а диод VD2 защищает устройство от индуктивных выбросов тока с обмотки реле K1.

С принципом работы стабилизированного источника питания вы можете ознакомиться в статье «Под одной крышей» (см. «М-К», 1988 г., № 9).

Элементы устройства разместите на монтажной плате размером 30X25 мм, изготовив ее из фольгированного гетинакса или текстолита толщиной 1 — 2 мм (рис. 8). Конденсатор С1 (рис. 6) подпаяйте непосредственно к выводам питания микросхемы DD1. Из того же материала изготовьте плату размером 35X25 мм для источника питания (рис. 9).

В автомате можно использовать следующие детали. Фототранзистор изготовьте из обычного p-n-p прибора серий МП13—МП16, МП20, МП21, МП25, МП26, МП39 — МП42. О том, как это сделать, рассказывалось в статье «Необычный ЭМИ» («М-К», 1989 г., № 2). Транзистор КТ608А можно заменить на КТ601 — КТ603, КТ608 с любым буквенным индексом. Стабилитрон — КС156А или КС147А; диод — любой серии Д9, Д18, Д219, Д220, Д223. Реле — МКУ48, РЭС22 или другое, рассчитанное на напряжение срабатывания не более 12 В и предназначенное для коммутации электрических цепей, работающих от сети переменного тока. Конденсатор— малогабаритный, например, марки КМ5 или КМ6. Подстроечный резистор — СП3-1 или СП4-1, постоянный — МЛТ, ОМЛТ, С2-23, мощностью 0,125 Вт. Лампа накаливания — на рабочее напряжение 6,3 В.

Для источника питания подойдут такие детали. Транзистор КТ601 КТ603, КТ608, диодный блок — КЦ407 с любыми буквенными индексами, стабилитрон — Д811, Д813, Д814В — Д814Д. Оксидные конденсаторы — К50-16 на рабочее напряжение не менее 16 В, резистор — МЛТ, ОМЛТ, С2-23 мощностью 0,125 Вт.

Силовой трансформатор — любой маломощный с напряжением вторичной обмотки 10—15 В, например ТВЗ-1-6 (выходной трансформатор от ламповых радиоприемников). Вторичная обмотка имеет отвод от средней точки. Если у вашего трансформатора его нет, то накальную лампу можно подсоединить ко вторичной обмотке через подстроечный резистор сопротивлением 470 или 510 Ом. Тумблер — сетевой малогабаритный, например МТ. Предохранитель должен быть рассчитан на ток не более 0,5 А. ХР1 — стандартная сетевая вилка.

Устройство вместе с источником питания разместите в пластмассовой коробке подходящих размеров. На лицевой панели установите тумблер и держатель предохранителя. В боковой стенке корпуса просверлите три отверстия: одно для сетевого шнура, через второе проходит проводка, связывающая контактную систему реле с выключателем светильника, а третье предназначено для соединительных проводов оптоэлектронного датчика.

Не забывайте о мерах электробезопасности! Подключать автомат к сети можно, только предварительно обесточив квартиру (например, вывернуть на время пробки).

Теперь о конструкции оптоэлектронного датчика (рис. 10). При помощи алюминиевых скоб накальная лампа закреплена на притолоке, а фототранзистор — на двери. Когда она закрыта, лампа располагается напротив фототранзистора, освещая его коллекторно-эмиттерный переход. Как только дверь открылась, фототранзистор удаляется от лампы. Для его «засветки» естественного или электрического освещения недостаточно.

Налаживание автомата сводится к подстройке резистором R1 напряжения питания микросхемы DD1 до номинального значения 5 В. Ну и, конечно, необходимо подобрать такое взаимное расположение элементов оптоэлектронного датчика, при котором устройство будет работать без сбоев.

Если днем в таком устройстве нет необходимости, включайте его ближе к вечеру и выключайте на ночь — так вы не будете расходовать «лишнюю» электроэнергию.

Итак, вы познакомились с D-триггером. Но наш рассказ касался далеко не всех особенностей этого прибора. Оказывается, ему можно найти еще одно необычное применение. Об этом — в следующий раз.

В. ЯНЦЕВ