Четыре логических пробника на одной КМОП микросхеме. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2012

Raju Baddi, Индия

EDN

В статье рассматривается простое решение, позволяющее на одной КМОП микросхеме HD14069UB с шестью небуферизированными логическими инверторами создать четыре устройства для проверки электрических схем:

• логический пробник со строго определенными логическими уровнями и входным сопротивлением около 1 МОм;
• пробник для контроля целостности цепей с верхним пределом сопротивления от десятков ом до десятков мегаом;
• генератор одиночных или периодических импульсов, или простой генератор сигналов;
• звуковой пробник с высоким сопротивлением.

Собрать все эти устройства можно с помощью 6 инверторов микросхемы 4069, двух или трех транзисторов и нескольких пассивных элементов.

В КМОП/ТТЛ-совместимом логическом пробнике, образованном двумя логическими элементами, резисторы R1 - R4 задают смещение на входах инверторов (Рисунок 1). Высокое входное сопротивление вентилей позволяет выбрать номиналы резисторов из диапазона от 100 кОм до 1 МОм. Втекающий и вытекающий ток щупа пробника мал из-за высокого сопротивления резисторов R1 - R4, поэтому влияние пробника на логические уровни напряжений в проверяемой схеме несущественно. Зная величины входных логических порогов вентилей, вы сможете рассчитать номиналы резисторов.

Рисунок 1.	Чтобы сделать логический пробник, совместимый с уровнями КМОП/ТТЛ, достаточно всего двух элементов микросхемы HD14069UB. Рекомендуемые значения порогового напряжения и напряжения питания – 2.5 В и 5 В, соответственно. Номиналы резисторов R1-R4 в этом случае 1 МОм, 680 кОм, 200 кОм и 1 МОм, соответственно.

Верхний по схеме логический элемент детектирует уровень логического нуля, нижний – логической единицы. Установите верхний предел уровня логического нуля и рассчитайте сопротивление резисторов R1 и R2. Сопротивление R1 произвольно выберем равным 1 МОм, и найдем такое сопротивление R2, при котором напряжение на входе верхнего логического элемента в точности равно пороговому напряжению. Таким образом:

где

• V_T – пороговое значение напряжения,
• V_L – напряжение логического нуля,
• V_S – напряжение питания.

Аналогичным образом установите нижний предел уровня логической единицы напряжения V_T и найдите значение сопротивления резистора R4 при известном R3. При надлежащем выборе R3, учитывающем смещение на входах логических элементов в состоянии покоя, когда при отключенном от проверяемой схемы щупе оба светодиода выключены, можно рассчитать сопротивление R4:

Следующее выражение позволит рассчитать ток пробника:

где

• I_P – ток пробника,
• V_I – напряжение на щупе пробника.

Отсюда следует, что сопротивление пробника при любом напряжении на щупе превышает 1 МОм. Если в корпусе используемой вами микросхемы 4069 пороговые напряжения оказались повышенными, и равными, скажем, 3 В, их можно уменьшить, включив последовательный диод в положительную шину питания и резистор 10 кОм на землю между выводом питания микросхемы и диодом.

Пробники для прозвонки схем (Рисунок 2) очень часто используются разработчиками, такие приборы незаменимы на рабочем месте. Высокое входное сопротивление и четкий порог переключения логического элемента микросхемы 4069 позволяют сделать на нем тестер целостности цепей с переключаемым сопротивлением срабатывания. Общее сопротивление между щупами пробника и сопротивление на переключателе образуют резистивный делитель, напряжение с которого поступает на вход логического элемента. В случае равенства двух сопротивлений напряжение на входе логического элемента равно половине напряжения питания. Примерно такой же величины будет и порог переключения логического элемента. Таким образом, выбранный с помощью переключателя резистор определяет приблизительное пороговое сопротивление проверяемой цепи.

Рисунок 2.	Тестер для проверки целостности цепей использует лишь один логический элемент и позволяет настраивать порог срабатывания.

Полезной альтернативой коммутируемым резисторам и переключателю может быть один потенциометр, который позволит, во-первых, существенно сократить размеры пробника, а во-вторых, произвольно устанавливать порог срабатывания, подключая к щупам известное сопротивление и наблюдая за свечением светодиода при вращении ручки. Потенциометр должен быть установлен так, чтобы светодиод полностью погас. Еще один переменный резистор номиналом от 1 до 2 кОм, включенный в схему последовательно с положительным щупом, сделает возможной установку порогового сопротивления на уровне порядка 100 Ом или меньше. Точно так же, как в предыдущей схеме, уменьшить пороговое напряжение логического элемента вы можете с помощью пары диодов в цепи положительной шины питания и резистора 10 кОм между выводами питания микросхемы. Такая конструкция, с соответствующей доработкой, может использоваться и для проверки силовых линий переменного тока (это уже будет пятый пробник).

Остаются свободными еще три логических элемента микросхемы 4069, два из которых вы можете использовать, чтобы сделать схему автоколебательного генератора/генератора одиночных импульсов с усилительным каскадом на комплементарной паре биполярных транзисторов Q1 и Q2 (Рисунок 3). Выбор режима генерации одиночного импульса («О») или последовательности импульсов («П») осуществляется однополюсным переключателем на два направления. При нажатии на кнопку S1 в режиме одиночного импульса на входе второго элемента формируется короткий отрицательный импульс, и конденсатор C2 начинает заряжаться. Соответственно, на выходе логического элемента и на выходе схемы в точке соединения транзисторов Q1 и Q2 возникает сигнал высокого уровня. Этот уровень защелкивается, а дребезг контактов устраняется положительной обратной связью через конденсатор C1, который начинает заряжаться с постоянной времени, определяемой резисторами R1, R2 или R3. Когда напряжение на C1 достигнет порогового уровня, выход второго элемента возвратится обратно в низкое состояние, вследствие чего уровень напряжения на его входе, опять же, с участием положительной обратной связи через C1, станет высоким, и генерация импульса завершится.

Рисунок 3.	Комплементарная пара транзисторов позволяет увеличить выходной ток автоколебательного генератора и генератора одиночных импульсов.

Включенный параллельно C2 диод всегда смещен в обратном направлении и выполняет роль высокоомного резистора для разряда конденсатора C2. Если предположить, что типовой ток утечки диода равен 1 нА, то эквивалентное сопротивление при напряжении 2.5 В будет около 2.5 ГОм. Постоянная времени разряда RC около 125 мс вполне соответствует скорости нажатия кнопки человеком.

Резисторы R1 - R3 задают частоту импульсов автоколебательного генератора или длительность одиночного импульса. Резистор 220 кОм на входе второго элемента служит для ограничения утечки тока конденсатора на вход логического элемента, когда напряжение на нем ниже «земли» или на 0.6 В выше напряжения питания. Импульсы генерируются с частотой порядка 1/(2.2RC), в то время как пороговое напряжение определяет длительность одиночного импульса, лежащую в диапазоне примерно от 0.7RC до 1.1RC.

Часть 2