Майк Тули - Справочное пособие по цифровой электронике
Рис. 2.5. Внутреннее устройство логического элемента IСЗа
2.9. Прослеживание логических состояний
Обычно, если хотя бы один из внутренних компонентов логического элемента выходит из строя, приходится заменять всю микросхему. Поиск элемента, неправильно выполняющего свою логическую функцию, можно вести разными способами, но эффективнее и проще всего воспользоваться для этой цели логическим пробником. Этот удобный и компактный прибор индицирует на светодиодах состояние входного сигнала своего зонда (щупа). Относительно длинный импульс (например, в одну секунду или более) логическим пробником, показывающим только состояния логического 0 и логической 1, обнаружить довольно легко. Короткий же импульс (0,1 с и менее) можно зафиксировать, только если в пробник встроен расширитель импульсов и третий светодиод будет включен на достаточное для визуального восприятия время.
Питание логического пробника обычно берется от проверяемой схемы с помощью двух скрученных проводников, оборудованных изолированными зажимами типа «крокодил». Для подключения пробника можно использовать любые подходящие точки, но наиболее удобно подключаться к выводам развязывающих электролитических конденсаторов или к выходам стабилизатора.
Предположим теперь, что схема охранной сигнализации не выдает звукового сигнала вне зависимости от состояний ее входов. При наличии логического пробника рекомендуется следующая процедура поиска неисправности.
1. Измерьте напряжения питания +5 и +12 В. Если любое из них слишком мало или полностью отсутствует, проверьте блок питания в соответствии с указаниями, приведенными в гл. 1.
2. Отключите все четыре входа, при этом благодаря «вытягивающим» резисторам R1—R4 на входы IС1а и IС1b (см. рис. 2.4) подаются уровни логической 1. Посмотрите на светодиоды D1—D4. Если ни один из них не светится, удалите и замените IC4.
3. Проверьте наличие уровня логической 1 на контактах 3, 6 и 8 микросхемы IC1. Если такого уровня нет, удалите и замените IC1. (Отметим, что микросхемы IС1а, IС1b и IС1с образуют четырехвходовый элемент ИЛИ.)
На выходе 8 микросхемы IC1 должен появиться высокий уровень, когда на одном или нескольких входах действует высокий уровень. Если этого нет, замените эту микросхему.
4. Теперь проверьте логическим пробником состояния входов и выходов микросхемы IC3d; на контакте 13 должен быть высокий уровень, а на контактах 11 и 12 — пульсирующий сигнал. Если на входе 12 действует постоянный высокий или низкий уровень, перейдите к шагу 6, а в противном случае — к шагу 5.
5. Если на выходе 1 микросхемы IC3 импульсов нет, а на входе 13 существует высокий уровень и имеются импульсы на входе 12, удалите и замените IСЗ. Если же импульсы на выходе 11 есть, перейдите к шагу 8.
6. Проверьте логическим пробником состояния уходов и выходов микросхемы IСЗа — на контактах 1–3 должны действовать импульсные сигналы. Если на одном или обоих входах IС3а имеется постоянный низкий или высокий уровень, перейдите к шагу 7. Когда же импульсы на входах 1 и 2 есть, а на выходе 3 их нет, следует заменить микросхему IСЗ.
7. Удалите и замените IC2. Если неисправность не исчезает, проверьте времязадающие цепочки C1—R10 и C2—R11.
8. Отсоедините питание и проверьте с помощью омметра динамик LS1 и резистор R13. Если оба элемента исправны, замените транзистор ТР1.
Глава 3
Моностабильные и бистабильные схемы
Выходные состояния логических элементов, рассмотренных в гл. 2, сохраняют логические 0 или 1 в зависимости от логических состояний на их входах. При неизменяющихся входах выходные состояния также остаются постоянными. Однако довольно часто вместо фиксированного логического состояния требуется короткий импульс, т. е. переход 0–1—0 или 1–0—1. Схема, которая реализует эту функцию, имеет только одно стабильное (устойчивое) состояние и называется моностабильной.
Принцип работы моностабильной схемы довольно прост; на выходе действует уровень логического 0 до тех пор, пока на входе запуска не возникает переход или фронт сигнала. Уровень может измениться с 0 на 1 (запускающий положительный фронт) или с 1 на 0 (запускающий отрицательный фронт) в зависимости от конкретной моностабильной схемы. Сразу же при восприятии запуска выход схемы переходит в состояние логической 1. Через некоторый временной интервал, определяемый внешними времязадающими элементами, выход возвращается в состояние логического 0, и схема ожидает следующего запуска.
Существует множество разновидностей моностабильных схем; хотя простейшую из них можно собрать из логических элементов и дискретных деталей, лучше все-таки применять специализированные микросхемы. Для начала рассмотрим простейшие моностабильные схемы с инверторами. На рис. 3.1 показана схема простого генератора или формирователя отрицательного импульса (1–0—1), запускаемого положительным фронтом.
Рис. 3.1. Простой моностабильный генератор отрицательного импульса.
Для понимания работы схемы следует проанализировать, что происходит в ней при подаче запускающего импульса.
Воспользуемся для этого временной диаграммой, приведенной на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Диаграмма сигналов схемы, показанной на рис. 3.1
Поскольку до запуска уровень напряжения на входе равен нулю, конденсатор С первоначально разряжен. На входе инвертора действует логический 0, а на его выходе имеется высокий уровень (логическая 1). При запуске входное напряжение быстро изменяется от нуля до +5 В. Этот перепад напряжения передается через конденсатор на вход инвертора. Инвертор воспринимает вход логической 1, когда входной сигнал переходит порог логической 1 (примерно 1,5 В), и его выход быстро изменяет состояние с логической 1 на логический 0.
Затем конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на входе инвертора экспоненциально спадает до нуля. Когда входное напряжение инвертора уменьшается ниже порога логического 0 (также около 1,5 В), он воспринимает вход как логический 0, и на его выходе устанавливается состояние логической 1.
Временной интервал заряда конденсатора зависит от постоянной времени RC. Следовательно, при выборе соответствующих значений резистора и конденсатора можно получить нужную длительность выходного им пульса. Отметим, однако, что для обычных ТТЛ-элементов оптимальное значение R составляет около 470 Ом и его нельзя ни сильно увеличивать, ни уменьшать. Поэтому для получения выходных импульсов различной длительности приходится варьировать емкость конденсатора С.
Очевидно, для импульсов большой длительности требуется конденсатор большой емкости, обычно электролитический. В схеме желательно применять конденсаторы с малым током утечки, а если необходимо получить импульс с точной длительностью — еще и с малым разбросом. Когда нужен положительный импульс (0–1—0), к выходу подключается второй инвертор (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Простой моностабильный генератор положительного импульса.
На рис. 3.4 и 3.5 показано, как получить положительный и отрицательный выходные импульсы при запуске отрицательным фронтом. Эти схемы похожи на предыдущие, но в них вход инвертора переводится в состояние логической 1 при помощи резисторного делителя. Благодаря делителю на входе инвертора действует постоянное напряжение примерно 2,5 В.
Рассмотрев простейшие моностабильные схемы, познакомимся с популярной микросхемой 74121 ждущего мультивибратора или одновибратора. В зависимости от конфигурации схемы запуск осуществляется фронтом любой полярности. Микросхема имеет два дополняющих выхода Q и Q¯, а длительность импульса определяется внешними резистором и конденсатором.
Рис. 3.4. Генератор положительного импульса, запускаемый спадающим фронтом.
Рис. 3.5. Генератор отрицательного импульса, запускаемый спадающим фронтом.
Внутреннее устройство микросхемы представлено на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Внутреннее устройство микросхемы 74121.
Управляющие входы А1, А2 и В определяют три режима запуска:
1) при подключении А1 или А2 к логическому 0 одновибратор запускается положительным фронтом сигнала на входе В;
