По этому принципу можно построить линейный индикатор точечного типа (в каждый момент горит один светодиод) или типа светящейся шкалы. Управлять счетчиком для получения требуемой индикации должен микроконтроллер.
Сложность этой задачи заключается в том, что счетчик невозможно сразу вернуть назад. Например, если горит третий светодиод, а необходимо зажечь второй, сначала надо погасить оба (через вход Reset), а затем отправить нужное число тактовых импульсов. Чтобы промежуточные этапы счета не были видны на индикаторе, следует увеличить скорость операций, особенно при зажигании последних светодиодов. Действительно, зажигание последнего диода из ряда, содержащего 10 штук, требует отправления 512 импульсов, а зажигание одновременно всех десяти — 1023 импульсов. Такая процедура не требует сложных вычислений для определения числа импульсов, соответствующего заданному состоянию индикатора.
В рассмотренном устройстве можно использовать любой двоичный счетчик (если только он имеет все необходимые выходы). Для создания очень большой шкалы придется каскадно соединить несколько таких счетчиков. Не рекомендуется подключать светодиоды непосредственно к выходам счетчика, лучше использовать ряд буферных каскадов на основе микросхем или транзисторной матрицы.
2.5.7. Высокоомное состояние
Возможность получения особо высокого сопротивления играет важную роль как в аналоговой, так и в цифровой электронике. В первом случае речь чаще всего идет о входном сопротивлении операционного усилителя. Во втором случае обычно имеется в виду высокоомное состояние выхода логического устройства. Об этом уже упоминалось выше, когда речь шла о выходах схем с открытым коллектором. Использование высокоомного состояния лежит в основе принципа передачи цифровой информации по шине, связывающей несколько различных компонентов, которые взаимодействуют друг с другом (рис. 2.31).
Рис. 2.31. Схема подключения к общей шине
Каждый разряд на выходе логических элементов, подключенных к общей шине, может принимать три состояния: логический нуль, логическая единица и высокоомное состояние, сравнимое с физическим отключением (его часто называют Z-состоянием). Без этого третьего состояния было бы невозможно объединить нескольких выходов. Поэтому для подключения к общей шине (с параллельной или последовательной передачей данных) можно использовать ТТЛ схемы с открытым коллектором на выходе, предназначенные для такого соединения, или КМОП схемы с Z-состоянием выхода.
Аналоговые устройства с высоким входным сопротивлением необходимы для работы с некоторыми специфическими элементами, в частности с датчиками физических величин. Примером может служить датчик с электродами для измерения показателя рН жидкости, имеющий сопротивление порядка 1012 Ом. К счастью, существует ряд операционных усилителей, входное сопротивление которых согласуется с такой величиной. Разработчику схемы необходимо соблюдать определенные правила размещения элементов. Соединительный кабель и особенно соединительный элемент должны выбираться и монтироваться очень тщательно. От этого в большой степени зависит качество работы всей схемы. Обычно имеет смысл приобрести соединительный кабель со специальным разъемом для присоединения к входу усилителя.
2.6. Применение генераторов
2.6.1. Генератор тока
Генератор тока — это устройство, обеспечивающее нужный ток (по возможности точно задаваемый и стабилизированный) в нагрузке с переменным сопротивлением. Среди областей его применения можно отметить перезаряд батареи, введение тока с медицинскими целями или электролиз химического раствора. В промышленности генераторы тока находят широкое применение для передачи информации, получаемой при измерении различных физических величин.
Есть несколько способов построения генератора тока, в том числе с применением специализированных схем. В простых схемах, представленных на рис. 2.32, используются стандартные компоненты (транзистор или операционный усилитель), но качество их работы заслуживает высокой оценки.
При проектировании генератора тока сначала следует определить верхний предел изменения сопротивления нагрузки, от которого зависит требуемое напряжение источника питания. Например, чтобы получить ток 10 мА через резистор 100 Ом, необходимо напряжение не менее 1 В. Если сопротивление увеличивается до 1000 Ом, потребуется уже 10 В и т. д. Генератор, работающий при напряжении питания 24 В, сможет обеспечить ток 10 мА при коротком замыкании на выходе или при подключении резистора с максимальным сопротивлением 2,4 кОм.
Рис. 2.32. Генератор тока на транзисторе (а) и на операционном усилителе (б)
2.6.2. Генератор, управляемый напряжением
Генератор, управляемый напряжением (ГУН), представляет собой устройство, которое вырабатывает сигнал синусоидальной или прямоугольной формы. Он применяется в различных областях, например в системах ФАПЧ. В классическом RC-генераторе частота варьируется за счет изменения емкости или сопротивления электронным способом или вручную (например, с помощью потенциометра). Автоматическая регулировка на основе цифровой или аналоговой обработки сигнала является довольно сложной задачей. Ее решение облегчается при использовании специализированных микросхем, например CD4046 или NE567.
Два других варианта управляемых генераторов приведены ниже. На рис. 2.33а представлен классический мультивибратор, у которого частота генератора определяется параметрами RC-цепи. Для управления частотой использован фоторезистор, сопротивление которого зависит от освещенности и изменяется путем варьирования напряжения на лампочке накаливания. Достоинством устройства является полная развязка цепи управления и генератора.
На рис. 2.33б показан фрагмент схемы ГУН на базе микроконтроллера. На выходе формируется последовательность стандартных импульсов с частотой, заданной программным способом (как в случае аналого-цифрового преобразователя). Эта последовательность поступает на интегрирующую RC-цепочку, которая преобразует ее в постоянное напряжение, зависящее от частоты. Оно подается на один из входов операционного усилителя и сравнивается с поданным на второй вход управляющим напряжением. Разностный сигнал используется микроконтроллером для программного задания частоты, соответствующей уровню управляющего сигнала.
Рис. 2.33. Схемы ГУН на базе фоторезистора (а) и микроконтроллера (б)
2.6.3. Генератор напряжения с двоичным управлением
Иногда в цифровом устройстве нужно получить плавно изменяющееся напряжение, при этом высокая точность не требуется. Посредством такого напряжения можно, например, управлять устройством, предназначенным для постепенного зажигания ламп, или обеспечить плавное увеличение скорости вращения двигателя до максимального значения. Получить изменение потенциала в заданных пределах удастся и без помощи цифро-аналогового преобразователя. Простая схема, представленная на рис. 2.34а, может выполнить эту функцию.
Принцип работы состоит в управлении зарядом и разрядом конденсатора через резисторы, поочередно подключаемые к нему с помощью двух выключателей. Если выключатель S1 замкнут, то конденсатор С1 будет медленно заряжаться через резистор R1 до напряжения питания Ucc. Если он разомкнут, конденсатор будет поддерживать на своих выводах напряжение, до которого он был заряжен (при условии незначительного саморазряда). Когда замкнут выключатель S2, конденсатор С1 будет разряжаться через резистор R2. Скоростью нарастания и снижения напряжения можно управлять, варьируя величины R1 и R2.
Напряжение с конденсатора обычно подается на буферный каскад с высоким входным сопротивлением. При необходимости оно дополнительно усиливается и используется для выполнения требуемой функции. Для практической реализации схемы остается выбрать тип выключателей: речь может идти о контактах реле, дискретных транзисторах (рис. 2.34б) или микросхеме (например, CD4016, которая содержит четыре ключа). Сигналы управления могут поступать от логических вентилей, счетчиков или от микроконтроллера.
Рис. 2.34. Принцип построения генератора плавно изменяющегося напряжения (а) и схема генератора на транзисторах (б)
2.6.4. Фазовая автоподстройка частоты
Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) представляет собой устройство, позволяющее генерировать цифровой сигнал, по фазе совпадающий с опорным. Область применения ФАПЧ весьма обширна и охватывает радиоприем, частотное детектирование, устройства выборки и т. д.
