Четыре логических пробника на одной КМОП микросхеме. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2012

Raju Baddi, Индия

EDN

Часть 1

Иногда требуется прослушать звуковой сигнал в определенных точках схемы. Высокое входное сопротивление и хорошая нагрузочная способность выхода (примерно 6.8 мА) микросхемы 4069 позволяют напрямую подключать к ней небольшой акустический излучатель, реализовав таким образом простой звуковой пробник (Рисунок 4). Резистор на входе логического элемента (Рисунок 4а) защищает вход, если напряжение в проверяемой схеме превышает напряжение питания микросхемы 4069.

Акустический излучатель, в зависимости от требуемой громкости, можно подключить двумя способами. На Рисунке 4а показано прямое подключение к логическому элементу. Излучатель будет звучать громче, если включить его в соответствии с Рисунком 4б, при этом, возможно, последовательно с излучателем придется включить небольшой резистор. Альтернативный способ подачи смещения на вход вентиля, позволяющий повысить чувствительность схемы, изображен на Рисунке 4в.

Рисунок 4.

Резистор на входе логического элемента защищает вход, если напряжение в проверяемой схеме превышает напряжение питания микросхемы 4069 (а). При таком включении излучатель будет звучать громче, но при этом, возможно, последовательно с излучателем придется включить небольшой резистор (б). Альтернативный способ подачи смещения на вход вентиля с помощью переключаемых резисторов позволяет повысить чувствительность схемы (в).

Напряжение смещения устанавливается делителем напряжения на основании следующего выражения:

где

• V_S – напряжение питания,
• ξ – коэффициент заполнения импульсов (T_H/(T_H+T_L)) входного сигнала (предполагается, что импульсы прямоугольные),
• V_H – напряжение высокого уровня,
• V_L – напряжение низкого уровня.

Рекомендуемая величина R₁ – 1 МОм. Сопротивление R₂ пользователь выбирает в соответствии с выражением для напряжения смещения (рекомендуется 1 МОм). Величину R₂ можно выбирать из нескольких значений с помощью переключателя, как показано на Рисунке 4в. Конденсатор C_С (рекомендуется 0.1 мкФ) смещает уровень исследуемого сигнала. Минимальный размах сигнала ограничен входными порогами, зависящими от типа логического элемента. Например, для прямоугольного сигнала, изменяющегося от нуля до максимального значения, напряжение смещения должно быть ниже окна порогов, а сумма значений напряжений смещения и сигнала должна превосходить верхний порог.

Неприятная ситуация возникает, когда эти два значения лежат вблизи порогов переключения. Поэтому для прямоугольных или ослабленных цифровых сигналов V_SIG = _ΔV_T – это минимально допустимая интенсивность сигнала. В общем случае логические элементы различаются параметром _ΔV_T, – у одних элементов ширина окна больше (CD4069), у других меньше ( CD4011). В случае подачи на вход переменного напряжения, например синусоиды, отрицательная фаза сигнала снижает напряжение смещения до величины V_B − V_SIG. Этого достаточно, чтобы сдвинуть смещение на половину ширины окна. Таким образом, для сигналов переменного тока минимальный размах сигнала равен:

Наконец, для инвертирующего элемента,

где

• V_T2 – входное напряжение, при котором на выходе элемента полностью устанавливается «лог. 0»,
• V_T1 – входное напряжение, при котором на выходе элемента полностью устанавливается «лог. 1».

Резисторы R₁ и R₂ позволяют установить размах сигнала на входе логического элемента выше минимального уровня, определяемого порогом. Если R2 составляет порядка 1 МОм, то постоянная времени R₂C_C равна 0.1 с, что соответствует частоте 10 Гц и вполне отвечает задаче, для которой предназначен звуковой пробник.

Для простых цифровых сигналов достаточно исключить из схемы R₂ и С_С, иными словами, их номиналы должны равняться нулю. Следует отметить, с этой цепочкой, предназначенной для смещения базы простого транзисторного усилителя, схема не может пропускать низкочастотные сигналы. Для передачи медленных сигналов на выходе логического элемента должен быть включен конденсатор емкостью 10 мкФ (Рисунок 4б).

Тот, кто предпочтет традиционную схему связи по переменному току, когда левый вывод R₂ подключен к «земле», а не к щупу пробника, для вычисления V'_B может использовать следующее выражение:

все члены которого имеют прежний смысл.

Рисунок 5.	Схема на Рисунке 4в менее зависима от коэффициента заполнения импульсов, чем традиционная схема с последовательным развязывающим конденсатором.

Обратите внимание, что напряжение смещения V'_B связано с V_H и V_L единственным числовым коэффициентом, связанным с коэффициентом заполнения, в то время как в предыдущей формуле для V_B зависимость определялась другими множителем,

что, как видно из Рисунка 5, делает более пологой зависимость от коэффициента заполнения для прямоугольных импульсов с отношением

и переменным коэффициентом заполнения.

Рисунок 6.	Схема соединения элементов.

Все описанные выше пробники можно собрать в одном небольшом корпусе, например, в футляре от клеящего карандаша. На Рисунках 6 и 7 изображены, соответственно, схема соединения компонентов на макетной плате и внешний вид собранного пробника. Питать прибор можно от двух литиевых элементов CR2032 с суммарным напряжением 3 В, поскольку ток потребления 4069 очень мал. Помните, что микросхемы различных производителей существенно различаются пороговыми напряжениями, поэтому необходима проверка этого параметра перед выбором микросхемы для сборки пробников, особенно первых трех.

Рисунок 7.	Пробник, собранный на макетной плате.

Ключевым свойством КМОП вентиля, используемым в пробнике, является его высокое входное сопротивление. Пробник можно собрать и на других микросхемах, например, на CD4011/CD4001, поскольку наличие инверсии сигнала непринципиально.

Важное замечание

Во всех рассмотренных в статье схемах «земля» пробника должна подключаться непосредственно к «земле» проверяемой схемы.