Мультивибраторы
В технике дистанционного управления моделями применяют типовые узлы цифровых схем, из которых можно скомпоновать различные системы. Можно легко заменять эти системы и расширять их. Типовой двоично-логический узел (например, триггер) может состоять только из резисторов и диодов или же из одного-двух транзисторов. В специальных схемах, например, запоминающих, триггерах и т. п. необходимы еще один или два конденсатора.
Мультивибратор является основной переключающей схемой, состоящей, например, из двух транзисторов, взаимно влияющих друг на друга: когда один из них открыт (1), второй закрыт (0). Следовательно, он имеет два рабочих положения: 0—1 и 1—0. Мультивибратор применяется для различных целей, в частности для запоминания полученной информации. Под действием входного внешнего сигнала (запускающего импульса) мультивибратор может в зависимости от схемы на короткое или на достаточно долгое время переключаться из одного положения в другое. Входной сигнал как раз и является информацией, которую следует сохранить. В зависимости от рабочего положения мультивибратора мы узнаем, что входной сигнал был эффективным (или же нет) и, следовательно, что мультивибратор его заметил и запомнил. Различают три основных типа мультивибраторов.
Ждущий мультивибратор, называемый также моно-стабильным, имеет только одно стабильное положение. Запускающий импульс может переключить мультивибратор в нестабильное положение, откуда схема автоматически возвратится в первоначальное стабильное положение. Ждущий мультивибратор имеет плохую память и быстро забывает информацию, переданную ему входным сигналом. Мультивибраторы этого типа используются главным образом в системах пропорционального управления для кодирования отклонения руля.
Кроме того, ждущие мультивибраторы могут быть использованы в автоматических кольцевых счетчиках, в которых каждый предыдущий мультивибратор включает следующий и т. д., а также в схемах синхронизации для различения междуимпульсных пауз или синхроимпульсов.
Триггер имеет два стабильных положения. Переход из одного состояния в другое происходит только под действием внешнего входного сигнала. После каждого сигнала триггер поочередно изменяет свои стабильные положения, причем каждое положение он сохраняет до тех пор, пока не придет следующий пусковой сигнал. Следовательно, триггер, в отличие от мультивибратора, имеет хорошую память. Схемы триггеров являются основными элементами цифровых схем для дистанционного управления моделями. Каждый триггер может сохранять только двоичные числа 0 и 1. Расширяя схему управления, следует для каждого элемента регистра (счетчика) предусмотреть один триггер.
Нестабильный мультивибратор, называемый также астабильным, не имеет положения постоянного равновесия. Он всегда колеблется между двумя нестабильными положениями без участия внешнего сигнала. В технике дистанционного управления такой мультивибратор служит в качестве генератора релаксационных колебаний в модуляторах простых одноканальных передатчиков и в измерительных приборах.
Астабильный мультивибратор встречается также в цифровых схемах для дистанционного управления моделями в качестве генератора тактовых импульсов, управляющих счетчиками с триггерами.
Счетчики с триггерами
Это простые триггеры, соединенные последовательно, например, через дифференцирующие элементы, при этом выходные импульсы одного триггера преобразовываются в сигналы, управляющие другим триггером.
Если на вход дифференцирующей схемы (рис. 7.15 а) подавать прямоугольные импульсы, то на выходе получатся короткие импульсы в виде пик-напряжения в моменты перехода прямоугольного импульса из 0 в 1 и обратно. Скачок в положительную сторону (0—1) дает положительный, а в отрицательную сторону (1—0) — отрицательный дифференциальный импульс.
Описанный дифференцирующий узел применяется в цифровых схемах систем управления. Резистор R чаще всего является делителем напряжения смещения базы следующего транзисторного каскада, конденсатор С обычно имеет емкость меньше 0,01 мкФ и необходим для дифференцирования.
Часто в дифференцирующих схемах применяются диоды, выполняющие роль вентилей для дифференциальных импульсов с одной полярностью. Таким образом можно построить счетный узел (рис. 7.15 б), в котором каждый следующий триггер будет включаться, например, каждым положительным дифференциальным импульсом. Это значит, что триггер дважды изменяет свое состояние: сначала с 1 на 0, затем с 0 на 1. Дифференциальными импульсами одинаковой полярности (отрицательные импульсы не проходят через диоды) можно запустить следующий триггер только тогда, когда предыдущий триггер возвратится в исходное положение (положение покоя). В счетном узле (см. рис. 7.15 б) каждый триггер подключен к обоим импульсным входам следующего триггера с помощью дифференцирующего элемента и двух диодов. Эти диоды заграждают путь отрицательным управляющим импульсам, а положительные импульсы они пропускают на транзистор, так что соответствующий триггер изменяет свое состояние.
Если на вход первого триггера Тг1 подать любое количество входных импульсов А, то выходы триггеров (Тг1 и до Тг3) будут иметь состояния, приведенные в таблице на рис. 7.156. А означает количество поданных импульсов (в нашем примере 1—8), 1 означает сигнал (т. е. соответствующий транзистор триггера включен), 0 — отсутствие сигнала.
Следует указать, что счетчики, встречающиеся в настоящее время в устройствах для дистанционного управления моделями в пропорциональных системах, могут иметь не только описанные здесь триггеры, но и ждущие мультивибраторы, а также разного рода управляемые выпрямители (тиристоры).
Вернемся опять к описанию принципа действия счетчика с триггерами, который легче всего выполнить в любительских условиях.
Как только предыдущий триггер возвращается в исходное состояние {1—6), следующий триггер изменяет свое состояние. Таким образом осуществляется передача числа импульсов в отношении 2:1, следовательно, трехступенчатый счетчик — счетный узел, представленный на рис. 7.15 б, может иметь восемь разных состояний. Состояние каждого триггера может быть выражено одной двоичной цифрой, поскольку оба его входа всегда принимают только противоположные состояния.
После прихода восьми импульсов описываемый в данном примере счетчик из рис. 7.15 б окажется в исходном положении (когда после А=8 следует А=0). В таком случае n-ступенчатый счетчик может иметь 2n различных состояний, а после 2n импульсов следует снова исходное состояние. Однако исходное состояние счетчика можно получить и раньше благодаря наличию входа К (сброс). Импульс, подаваемый на этот вход, возвращает триггеры счетчика в исходное состояние (6).
Благодаря наличию сброса счетчик можно в любой момент возвратить в исходное состояние.
Двоичный счетчик, составленный из Тг, может иметь вместо диодов конденсаторы. Следовательно, он может переключаться импульсами как с положительной, так и с отрицательной полярностями. Когда в схеме имеются диоды, то Тг реагируют, например, только на положительные импульсы.
Счетчики с триггерами, дополненные различными логическими элементами, могут значительно расширить возможности передачи командных сигналов управления, поэтому изучим работу логических элементов.
Элемент логической функции ИЛИ
Элемент логической функции ИЛИ — это логическая схема со многими входами (А1, А2 ...) и с одним выходом (рис. 7.16 а). Если на входе схемы нет сигнала, то его нет и на выходе (состояние 0). Если же на какой-либо вход подать сигнал, то на выходе тоже появится сигнал 1. Простейшее практическое решение этого примера показано на рис. 7.16 а. Выключатели А1 и А2 служат в качестве входов сигналов. Замкнутый выключатель означает 1, разомкнутый — 0. Замыкая один или несколько выключателей, мы получаем на выходе сигнал (напряжение источника тока). Это будет состояние «Включено» (лампочка горит). Когда все выключатели разомкнуты, то состояние «Выключено», а на выходе 0 (лампочка не горит). Для построения схем воспользуемся таблицами зависимостей (или состояний), которые простейшим образом представляют логическую связь входных и выходных сигналов элемента ИЛИ (см. рис. 7.16 а).
Элемент логической функции НЕ
Если при входном сигнале на выходе должен быть нуль, то надо ввести элемент логической функции НЕ. Если есть входной сигнал, то не будет выходного, и наоборот. Таблица зависимости для логического элемента НЕ приведена на рис. 7.16 б.
Черточка над буквой А означает инверсию входного сигнала (или его отрицание). Таким же образом при включении элемента логической функции НЕ за элементом логической функции ИЛИ (рис. 7.16 г) получим инверсию выходного сигнала в противоположность схеме, представленной на рис. 7.16 а. Элемент НЕ часто называют также инвертором.
Элемент логической функции И
Элемент И (рис. 7.16 в) действует следующим образом. Выходной сигнал появляется только тогда, когда на всех входах есть сигналы. Таблица зависимостей для элемента И приведена на рис. 7.16 в.
Описанные элементы логической функции И, ИЛИ и НЕ используются в различных схемах с применением выключателей, контактных реле, диодов или транзисторов.
Рассмотрим пример, конкретного применения элемента логической функции И.
Счетчик с дешифратором каналов
На рис. 7.17 представлен двухступенчатый триггерный счетчик с дешифратором каналов на основе элемента логической функции И на диодах. Выходное напряжение четырех каналов снимается с резисторов R0—R3.
В исходном положении счетчика транзисторы Тг1—Т2 и Тг2—Т2 открыты, а Тг1—Т1 и Тг2—Т1 — закрыты. Поскольку напряжение, подаваемое на выход 0 через R0, закорочено через Тг1—Т1 и Тг2—Т1, то этот выход пропускает сигнал, т. е. там появляется напряжение питания. С момента появления первого входного импульса Тг1—Т1 открывается и замыкает через Д1 выход 0. Таким образом Тг1—Т1 и Тг2—Т2 открыты, а Тг1—Т2 и Тг2—Т1 закрыты. Напряжение, подаваемое на выход 1 через резистор R1. не закорочено. Следовательно, сигнал появится на выходе 1, на остальных выходах сигнала нет, поскольку их выводы 0, 2, 3 через диод соединены с открытыми транзисторами.
Таким образом, после двух входных импульсов на выходе 2 появляется сигнал, а после трех — на выходе 3. Остальные выходы при этом замкнуты, и на них нет сигналов.
На рис. 7.17 показана схема последовательно-параллельной сетки дешифратора (так называемой матрицы). Через первый триггер последовательно (один за другим) проходят импульсы, причем их количество соответствует состоянию счетчика (следовательно, какому-то определенному каналу).
Иначе говоря, диодная матрица позволяет определить состояния включений отдельных транзисторов и последовательно распределяет сигналы на усилители исполнительных механизмов.
Управление счетчиками
Рассмотренные счетчики, основанные на триггерах, применяют для шифрования каналов в передатчиках и дешифрования — в приемниках (рис. 7.18).
Для включения счетчиков в передатчиках используют генераторы тактовых импульсов, например нестабильный мультивибратор. Если предъявляются высокие требования к точности времени переключения различных каналов, то используют LC-генераторы, дополненные ограничителем, преобразующим синусоидальную форму сигнала в прямоугольную.
В приемниках счетчики запускают схемами синхронизации от передатчика:
- если счетчик в передатчике переключается на одну ступень, то с помощью короткого синхронизирующего или другого импульса то же происходит и в приемнике;
- в начале каждого нового цикла работы счетчика приемник получает синхронизирующий импульс от передатчика, который приводит в действие имеющийся в приемнике генератор тактовых импульсов. Тот, в свою очередь, самостоятельно управляет счетчиком в приемнике в течение одного цикла, после чего он сам выключается и ожидает нового синхронизирующего сигнала от передатчика.
Условием правильного действия устройств, основанных на втором методе, является возможно более точная синхронизация частот тактовых генераторов в передатчике и приемнике, необходимая для одновременности включения счетчиков.
Потеря одного импульса не так опасна, поскольку ошибка положения счетчика будет иметь место только в течение одного цикла. Сброс в конце цикла приведет счетчик в исходное состояние, а так как продолжительность цикла работы счетчика не больше 0,2 с, то такой короткий период останется практически незаметным для управления моделью.
Счетчик со ждущими мультивибраторами
Помимо триггерных счетчиков, встречаются счетчики, составленные из ждущих мультивибраторов, управляемых последовательно с помощью известного уже нам дифференцирующего элемента (см. рис. 7.15 а).
Для запуска такой схемы нужен только один импульс на входе Тг1, после чего Тг1 остается включенным на время Т1, а затем возвращается в исходное состояние (состояние покоя), включая одновременно через дифференцирующий элемент Тг2. Тг2 таким же образом включает Тг3 и т. д. В нижней части рис. 7.15 в показано распределение импульсов в таком счетном узле.
Если применяют счетчики с ждущими мультивибраторами в передатчике, то предусматривают, например, связь выхода последнего ждущего мультивибратора со входом мультивибратора первой ступени счетчика. Тогда получается автоматически переключающийся кольцевой счетчик, поскольку последняя ступень снова вызывает срабатывание первой, и состояние «Включен» в отдельных мультивибраторах процесса получается поочередно. После включения передатчика для запуска первой ступени счетчика достаточен только один импульс.
Счетчик в приемнике не имеет связи с его последним каскадом, а синхронизируется сигналом передатчика.
Каждый канал в передатчике и приемнике должен иметь по одному ждущему мультивибратору. Кроме того, при большом количестве каскадов в счетчике трудно осуществить синхронизацию между передатчиком и приемником. Небольшие расхождения во времени включения ждущих мультивибраторов суммируются в работе счетного узла, это особенно проявляется при большом количестве каналов. В связи с этим счетчики со ждущими мультивибраторами на практике применяют редко, а если и применяют, то при небольшом числе каналов.
Счетчики с управляемыми вентилями
С 1967 г. для аппаратуры пропорционального управления стали широко применять различного рода управляемые вентили (тиристоры), особенно кремниевые переключающие элементы (бинисторы). Бинисторы (рис. 7.19) встречаются в двоичных счетчиках и чаще всего в дешифраторах (например, в аппаратуре фирмы Krafti «Micro-Avionics», «Digitrio»).
Рассмотрим работу счетчика с бинистором по схеме рис. 7.20. Вентиль, управляемый бинистором, включен в направлении пропускания (анод — к плюсу, а катод — к минусу питания). Это основное условие для того, чтобы система могла переключаться. Резистор R1 служит для ограничения тока, проходящего через включенный бинистор, до допустимого значения (обычно до 100 мА — 250 мВт), кроме того, он выполняет роль нагрузки. На схеме С1 — емкость, отделяющая вход от предыдущего каскада счетчика (по постоянному току), а также дифференцирующая вместе с резистором R2 поступающие импульсы. Кремниевый диод Д защищает вход схемы от импульсов с положительной полярностью.
Первый отрицательный импульс включает бинистор. Через переход анод—катод начинает проходить ток, и на выходе появляется положительное напряжение. Следующие импульсы не оказывают влияния. Вентиль, управляемый бинистором, остается в этом состоянии вплоть до момента, когда будет выключено положительное напряжение, питающее анод, или же когда какой-либо положительный импульс поступит на катод. На практике для этого используют положительный потенциал разделительного конденсатора. К означает выключатель или блок синхронизации (например, транзисторный ключ).
Отдельные одинаковые каскады соединяются друг с другом последовательно, образуя многокаскадный счетчик. Примеры аппаратов с бинисторами приведены на схемах гл. 14.
В связи с тем что бинисторы с течением времени теряют свои свойства быстрого переключения, с 1970 г. их начали заменять узлами из двух кремниевых транзисторов (см. рис. 7.19 б). Аппаратура стала более дешевой, но габаритные размеры ее при этом увеличились.
Примеры практических схем приведены на рис. 7.21—7.24.
