Электронные игральные кости – это всегда интересный проект, который легко реализовать с помощью нескольких строк программного кода на микроконтроллере или нескольких цифровых компонентов. Однако реализация игральных костей аналоговыми средствами представляет собой более сложную задачу.
Представленная здесь схема реализует полностью аналоговую электронную игральную кость с ограниченным количеством компонентов и может быть собрана на небольшой печатной плате. Используется множество любопытных аналоговых технологий, что делает это приложение интересным.
Основу схемы, показанной на Рисунке 1, составляют три операционных усилителя в верхней части схемы. Эти операционные усилители формируют периодическое аналоговое ступенчатое напряжение с шестью уровнями, соответствующими состояниям электронной игральной кости. Слева направо мы видим тактовый генератор, зарядовый насос и схему сброса для этого зарядового насоса. Рассмотрим теперь эти части в указанном порядке.
 |
|
| Рисунок 1. | На схеме аналоговой электронной игральной кости слева направо показаны тактовый генератор, зарядовый насос и схема сброса для этого зарядового насоса. |
Слева – микросхема IC1A, на которой собран релаксационный генератор. Это классическая схема, измененная под одно напряжение питания, в которой входное смещение, равное половине питания, устанавливается с помощью делителя напряжения R3 и R8. Частота колебаний выбирается с помощью элементов C1 и R1. Выходной сигнал генератора представляет собой симметричные прямоугольные импульсы. Роль транзистора Q2 будет рассмотрена позже, а пока считайте его неактивным.
Генератор управляет зарядовым насосом на микросхеме IC1B. На каждом спадающем фронте прямоугольных импульсов бóльшая часть заряда конденсатора C2 передается в C3 через диод D1, создавая очередной уровень ступенчатого напряжения, которое появляется на выходе IC1B. Во время нарастающего фронта импульса C2 снова заряжается через диод D2. Благодаря обратносмещенному диоду D1, перезарядка конденсатора C2 не влияет на выходной сигнал зарядового насоса.
После того, как на шестом шаге сформируется последний уровень ступенчатого напряжения, нужно сбросить зарядовый насос и перезапустить цикл. Представьте, что на ступени №7 мы пересекаем определенный пороговый уровень, а затем немедленно разряжаем конденсатор C3, поэтому шаг №7 длится очень короткое время. Эту функцию выполняет компаратор на микросхеме IC1C. Его пороговое напряжение устанавливается делителем напряжения R7, R6.
Однако здесь важны некоторые детали: элементы D3, R4 и C4 создают небольшую задержку для нарастающего фронта, но большую задержку для спадающего. Это позволяет схеме сброса быстро реагировать на начало шага №7, но в то же время достаточно долго удерживаться в активном состоянии для полного разряда конденсатора C3. Фактический разряд осуществляется путем перевода транзистора Q1 в состояние насыщения. Результат показан на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Ступенчатое напряжение и тактовые импульсы. |
Сверху – ступенчатое напряжение, снизу – тактовый сигнал. Обратите внимание, что изменения происходят только по спадающему фронту тактового сигнала. При высоком уровне тактового импульса ступенчатое напряжение всегда стабильно. Важно отметить, что замыкание кнопки S1 остановит генератор, но благодаря транзистору Q2 это может произойти только при высоком уровне тактового сигнала. Это означает, что если вы «бросите кость», генератор остановится на ступеньке и никогда между ступеньками. Таким образом, при нажатии кнопки S1 аналоговое напряжение всегда имеет четко определенный уровень, выбранный случайным образом из набора шести возможных значений.
Следует подчеркнуть, что при остановке генератора вероятность каждого уровня аналогового напряжения равна ровно 1/6, поскольку все происходит в соответствии с основным тактовым сигналом, а этот сигнал может удерживаться только при его высоком уровне. Другими словами, в момент остановки генератора все переходы уже завершены. Действия по обновлению состояния зарядового насоса начинаются по спадающим фронтам тактовых импульсов; следовательно, к тому времени, когда генератор может быть остановлен, последнее действие по обновлению наверняка будет завершено.
Для отображения результата используются пять компараторов, управляющих светодиодами. Резисторы R9 - R14 образуют многоотводный делитель напряжения, создающий пять пороговых уровней, каждый из которых находится в середине ступени лестницы. В качестве примера на Рисунке 3 показан пороговый уровень на выводе 9 микросхемы IC2C.
 |
|
| Рисунок 3. | Пример порогового уровня дешифратора состояний светодиодов. |
Таким образом, если нужно удерживать значение в течение длительного времени, существует запас по допускам номиналов компонентов, а также по некоторому отклонению напряжения. Важно также, что, поскольку микросхема IC1 является КМОП операционным усилителем, она имеет очень низкие токи утечки, и поэтому выходное напряжение может удерживаться в течение многих минут без каких-либо изменений, видимых на осциллографе.
В дешифраторе состояний светодиодов используются оставшийся операционный усилитель IC1D и четыре операционных усилителя микросхемы LM324. Для упрощения схемы дешифратора были проведены некоторые оптимизации. Здесь важно понимать, что порядок чередования цифр при нарастании напряжения не обязательно должен быть 1-2-3-4-5-6-повтор; подойдет и другой порядок. Для упрощения дешифратора была выбрана последовательность 1-3-5-6-4-2-повтор. Таблица 1 прояснит эту идею. Представьте, что вы перебираете состояния в указанном порядке, начиная со всех выключенных светодиодов и считывая изменения.
| Таблица 1. | Изменения состояний светодиодов | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
На данном этапе основные принципы работы полностью аналоговой электронной игральной кости уже объяснены, но есть еще одна деталь – делитель R18, R21. Без этого делителя напряжения светодиод LED4 не будет полностью гаснуть из-за нагрузки на операционный усилитель IC2B. Этот операционный усилитель фактически является источником тока для светодиодов LED3 и LED5, вследствие чего на его выходе падает существенное напряжение.
И последнее, что нужно пояснить, – это схема гашения светодиодов. Если бы на микросхему IC2 всегда подавалось питание, светодиоды также светились бы во время работы генератора. Мы предпочитаем, чтобы светодиоды загорались только при нажатии кнопки S1, и поэтому подаем питание на IC2 только в этом случае. Оно подается через транзистор T1 и резистор R24. Однако, когда питание усилителей IC2 отключено, мы должны ограничить ток на его входах, что является единственным назначением резистора R25. Кроме того, усилитель IC2 должен быть изготовлен по биполярной технологии, чтобы избежать проблем при отключенном питании, поэтому был выбран классический LM324.
Характеристики некоторых компонентов имеют принципиальное значение для реализации этой схемы. Все резисторы должны иметь допуск 1%, за исключением тех, которые включены последовательно со светодиодами и могут быть менее точными. В идеале, конденсаторы C2 и C3 также должны иметь допуск 1%, что является сложным или более дорогим решением. Измерение осциллографом ступенчатого напряжения на выходе операционного усилителя IC1B покажет менее шести ступеней, если отношение емкостей C3/C2 слишком мало, или более шести ступеней, если это отношение слишком велико. Поэтому можно экспериментально выполнить одноразовую регулировку, подключив параллельно C2 или C3 конденсатор меньшей емкости для уменьшения или увеличения отношения емкостей, соответственно.
В этой схеме все критические важные внутренние напряжения пропорциональны напряжению питания. Поэтому при использовании точных значений номиналов компонентов схема надежно работает от 9-вольтовой батареи, даже если батарея разряжена до 7 вольт.
Устройство было собрано на маленькой печатной плате, показанной на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Аналоговая электронная игральная кость, собранная на печатной плате. |
Измеренный ток потребления при активированной схеме гашения светодиодов составляет 3.8 мА в режиме ожидания и 13.8 мА при отображении «шестерки». При задействованной схеме гашения, вероятно, было бы интересно добавить светодиод включения питания другого цвета, как индикатор того, что электронная игральная кость включена, а в режиме ожидания показывать случайное число.
Купить LM324 на РадиоЛоцман.Цены
