Е DIA
М
�
с
�
�
�
ф�
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Зяектроника
ЛОГИЧЕСКИЕ МИКРОСХЕМЫ,
УСИЛИТЕЛИ И ДАТЧИКИ
ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ
Чарльз Пnатт
Санкт-Петербург
«БХВ- П етербург»
201 5
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
УДК 621.3
ББК З2.85
ПЗ7
Платт Ч.
ПЗ7
Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 448 с.: ил. - (Электроника)
ISBN 978-5-9775-З596-О
Книга является продолжением мирового бестселлера «Электроника для начинающих». В ней рассмо
трены Зб новых пошаговых экспериментов, в ходе которых читатель научится добавлять вычислитель
ные способности в электронные проекты. Описаны особенности применения различных компонентов
и устройств: операционных усилителей, компараторов, счетчиков, шифраторов, дешифраторов, мульти
плексоров, сдвиговых регистров, таймеров, полосовых индикаторов, массивов пар Дарлингтона и раз
личных датчиков. Показано, как создавать логические игры, тестеры, систему предсказаний, различные
аудиоустройства и многое другое.
Для начинающих радиолюбителей
УДК 621.З
ББК З2.85
Группа подготовки издания:
Главный редактор
Зам. главного редактора
Зав. редакцией
Перевод с английского
Перевод опубликован и продается с разрешения O'Reilly Media, lпс" собственника всех прав на публикацию и продажу издания.
Подписано в печать 31.03.15.
Формат 84х1 О81/1ь. Печать офсетная. Усл. печ. л. 47,04.
Тираж 1000 экз. Заказ № 811.
Если что-то не работает. . . ...................."......"......""......................".............."..".."..".................... xxiv
Связь между автором и читателями
Прежде, чем отправлять сообщение .............."........"."........".." ...""............".."......"" ....."."..xxvii
Что дальше? .."..." .....".."......"................"." .."...".....".."...".."......".."..."."......".".".."..".".".."..".xxviii
Цифровая библиотека Safari· Books Oпline
Требования ."."""..".."...".".."""""".".."..""""."..."..""".."""".""".."..."..".."..".".".".".."....".."".". 7
Токи транзисторов.".""." "..".."..".."..""."."".""".."""..."...".."..".."..".."..."."."..".".".."."."."."". 7
..
Сокращения и спецификации .."..".".."...".""."""..."."....".""."."...".."......."."."..".".."."."."".".11
А как насчет напряжения? """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""12
Символ компаратора ..".."...".".."..".."..".".."..""".."..".""."..".."""..."..."...".."..".."."""..".".""..40
Выход компаратора .."..".."..".."."..".."..".".."..".."..".."."".."""..".."...".."".."..".."."...".".".."."".41
Внутреннее устройство микросхемы компаратора """"""""""""""""""""""""""""""""".43
Перерисовываем схему
Выявление крика .""."""."".""."".""."""."""."""."".""."""".""."".""."".""".""."""."".".""".""".""".""""""""." 1 Об
Б удет ли это работать на самом деле? """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 1 07
Продолжаем разработк у.""".""."".""."""".""."""."."""".""."".""."""."".""".""."".""".""."".""" ... """"""""". 1 1 О
Проблемы с питанием
Провал?
Пять правил двоичного сложения """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 211
От битов к состояниям""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 212
Сумматор своими руками.".""."."...".."..".."."..."."""".."......."...".."......"......"..".."."..".".""." 217
Сложение на макетной плате""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 217
ЭКСПЕРИМЕНТ 25. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУММАТОРА
•••••••••••••••••••••••••••••••
221
Возвращение дешифратора ".."..".."...".."."."...".".".."..."..".."..."..".."".""..".."......"....".""." 221
Ввод десятичных значений с помощью двухрядных DIР-переключателей""""""""""" 222
Проверка концепции ."""."".""""""""".""".""".""."""."""."".""."""."""."".""".""."""."".""""."""""""""""". 296
Схема подключения датч иков.".""""."".""."".""""."".""".""."""."""."".""".""".""."""."".""".""""""""""".298
Сборка схемы на макетной плате"".""".""."".""""."""."""."""."".""."""."""."""."".""."".""".""""""""""". 299
Корпус для датчиков """.""".""""."".""".""".""""."""".""."""...""".""."".. "."."""."."".""."".""".""""""""""". 301
ЭКСПЕРИМЕНТ 32. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИГРЫ ОВИДИЯ
Логика постановки задачи
Сдвиг битов крупным планом ....................................................................................................................................... 332
Проблема с нулями ............................................................................................................................................................ 332
Обеспечение неповторяемости.................................................................................................................................. 334
Проведение исследован ия ............................................................................................................................................ 336
Единицы и нули ................................................................................................................................................................... 338
Проблема весовых коэффициентов ........................................................................................................................... 339
Пропускаем 254-е значение .......................................................................................................................................... 339
Делимся входом сигнала тактирован ия .................................................................................................................. 340
Возможны ли другие варианты? .................................................................................................................................. 341
Затравка
Минимальный список покупок. Эксперименты с 1 по 14 ....................................................... 370
Минимальный список покупок. Эксперименты с 15 по 25
Оптимальный список покупок. Эксперименты с 1 по 14
Оптимальный список покупок. Эксперименты с 15 по 25 ...................................................... 375
Оптимальный список покупок. Эксперименты с 26 по 36
Максимальный список покупок. Эксперименты с 15 по 25 ................................................... 380
Максимальный список покупок. Эксперименты с 26 по 36
Выборочный список покупок
Чарльз Платт - пишущий редактор и обозреватель журнала
«МАКЕ», в котором он освещает темы из области электроники.
После успеха его книги «Электроника для начинающих» он начал
работу над книгой «Энциклопедия электронных компонентов» ,
которая должна состоять из трех томов. К настоящему времени
уже издан первый том.
Чарльз в прошлом работал главным писателем в журнале
«Wired», его перу также принадлежат различные книги по ком
пьютерной тематике. В свою бытность конструктором прото
типов он разработал полуавтоматические устройства быстрого
охлаждения для медицинского применения, а также доставляе
мое по воздуху оборудование для специалистов оперативного
реагирования. Он самостоятельно разработал четыре программ
ных пакета математической графики. Чарльз начал увлекаться
электроникой, когда в возрасте 15 лет собрал телефонный авто
ответчик из кассетного магнитофона и реле от списанного во
енного оборудования. Он живет в малодоступной местности на
севере штата Аризона, где у него есть своя мастерская для изго
товления прототипов и проектов, о которых он пишет для жур
нала «МАКЕ».
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
БЛАГОД АРНОСТИ
Электронику я открыл для себя еще во времена господства
электронных ламп. Мы с моими школьными друзьями были бо
танами уже тогда - до сотворения мира. С началами электрони
ки познакомили меня Патрик Фэгг (Patrick Fagg) , Хью Левинсон
(Hugh Levinson), Грэм Роджерс (Graham Rogers) и Джон Уитти
Oohn Witty). А пятьдесят лет спустя Грэм любезно предоставил
мне одну из своих схем для этой книги.
Марк Фрауэнфельдер (Mark Frauenfelder) натолкнул меня на
мысль изготавливать устройства своими руками. Гарет Бранвин
(Gareth Branwyn) предложил написать �маkе: Electronics» 1 .
а Брайан Джепсон (Brian Jepson) помог это сделать. Это три са
мых лучших редактора, с которыми я когда-либо работал, а так
же трое моих самых лучших друзей. В этом плане большинству
писателей повезло меньше, чем мне.
Я никогда не предполагал, что инициатива Дейла Догерти
(Dale Dougherty) станет для меня столь важной, и я благодарен
ему за приглашение участвовать в этом проекте.
Фредрик Джэнссон (Fredrik Jansson) в течение всей моей ра
боты над книгой терпеливо помогал мне советами и подправлял
меня, когда я ошибался.
Проверкой конкретики также занимался и Филипп Марек
(Philipp Marek). Но если вы все-таки обнаружите в этой кни
ге какие-либо ошибки, пожалуйста, не вините за них Филиппа
и Фредрика. Поймите, что мне сделать ошибку намного легче,
чем кому-либо ее найти.
Схемы собирали и тестировали Фрэнк Тенг (Frank Teng)
и А. Галин (А. Golin), за что я премного благодарен и им.
1
Charles Platt. Make: Electronics. Helpful Corporation, 2009. П еревод
БХ В
на русский яз ы к: Чарльз Платг. Электроника для начинающих.
Петербург, 2012.
-
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
П РЕД ИСЛОВИЕ
Эта книга начинается с того места, на ко
тором завершилось мое первое, вводящее
в тему, руководство: «Электроника для начи
нающих»1. Здесь рассматриваются вопросы,
не затронутые там подробно, а также те, что
из-за нехватки места не были подняты вовсе.
Кроме того, в этой книге я уделяю больше
внимания техническим подробностям, что
бы четче проиллюстрировать вам основные
принципы электроники. В то же самое время
я пытался сделать процесс обучения под деви
зом «Изучай, совершая открытия» как можно
занимательней.
Некоторые из идей этой книги обсужда
лись ранее в журнале «МАКЕ», но в несколько
иной форме. Я с удовольствием публикую ма
териалы в своей регулярной рубрике в журна
ле «МАКЕ» , но журнальный формат налагает
строгие ограничения на объем текста и коли
чество иллюстраций. В книге такие ограниче
ния отсутствуют, и я могу намного лучше осве
тить рассматриваемые предметы.
Я решил не уделять особого внимания
описанию микроконтроллеров, поскольку де
тальное объяснение их организации и языков
программирования потребовало бы слишком
много места. Кроме того, существует множе
ство книг, подробно описывающих различные
семейства микроконтроллеров. Тем не менее,
здесь я предлагаю варианты использования
микроконтроллеров для перекомпоновки и
упрощения проектов, но реализовывать их
вам придется самостоятельно.
'
См. http://www.bhv.ru/books/book.php?id=
189967.
Ч то вам понадобится ?
Первоначальные знания
Вам не обойтись без базовых знаний, при
обретенных при изучении предыдущей книги.
Сюда входят такие понятия, как напряжение,
ток, сопротивление и закон Ома, конденсато
ры, переключатели, транзисторы, таймеры,
сборка схем пайкой и на макетных платах,
а также начальные представления о логиче
ских элементах. Конечно же, знания по всем
этим темам можно получить и из других руко
водств для начинающих. В общем, я полагаю,
что вы прочитали книгу «Электроника для
начинающих» или другую подобную книгу
и в общих чертах помните представленный
в них материал, хотя, возможно, и забыли не
которые подробности. Поэтому я кратко на
помню вам кое-что из них, не повторяя общие
вопросы в значительном объеме.
И нструменты
Я полагаю, что в вашем распоряжении уже
имеется следующее оборудование, описанное
ранее в книге «Электроника для начинающих»:
мультиметр;
разноцветный монтажный провод ка
либра 24 AWG2 (по крайней мере, четы
рех цветов и приблизительно по 8 метров
каждого цвета);
•
•
AWG (American Wire Gauge, американски й калибр
проводов) - действующая в США система о бозначе
ния диаметра проводов.
2
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
xxii
•
•
•
•
•
Предисловие
инструмент для снятия изоляции с проводов;
плоскогубцы;
паяльник и припой;
макетная плата (предпочитаемые типы
описываются далее);
батарейка напряжением 9 вольт или сете
вой адаптер, который может выдавать 9 и
12 вольт постоянного напряжения с током
в 1 ампер.
Компоненты
Список компонентов, необходимых для
сборки проектов, представлен в приложении.
Там же указаны рекомендуемые источники
для заказов по почте.
Спе ц ифика ц ии компонентов
Спецификации компонентов рассматрива
лись в книге «Электроника для начинающих»,
поэтому я не стану здесь повторяться. Однако
важность этих спецификаций переоценить труд
но. Возьмите себе в привычку сверяться с ними
прежде, чем использовать компонент, с которым
вам ранее не приходилось иметь дела.
Поиск по номеру детали в любой поис
ковой системе возвратит, по крайней мере, с
десяток сайтов, откуда можно будет загрузить
нужную спецификацию. Но эти сайты созда
ны для получения прибыли их владельцами, а
не для вашего удобства. Поэтому вам, скорее
всего, придется постоянно щелкать по ссыл
кам, чтобы увидеть каждую отдельную стра
ницу спецификаций, так как владелец сайта
хочет показать вам максимальное количество
рекламных объявлений. Однако вы сможете
сэкономить кучу времени, выполнив поиск
по номеру детали на сайте конкретного по
ставщика детали, - например: http://www.
mouser.com, где предоставляется воможность
просмотреть или загрузить всю специфика
цию целиком в формате документа PDF. Так ее
намного легче просмотреть или распечатать.
Как работать с этой
кни гой ?
Эта книга отличается от предыдущей в не
которых аспектах стиля и организации. Кроме
того, используемая здесь система записи мате
матических выражений имеет некоторые осо
бенности.
Прин ц ипиальные схемы
В книге «Электроника для начинающих»
для представления принципиальных электри
ческих схем использовался консервативный
стиль, при котором пересечение проводов,
не создающее контакта, обозначается по
луокружностью на одном из проводов в точ
ке пересечения. Я обратился к такому стилю
с целью снижения риска ошибки в результате
ошибочного понимания схемы начинающим
читателем. В этой же книге, я полагаю, чита
тели обладают достаточным опытом чтения
принципиальных схем, и поэтому имеет смысл
придерживаться более современного стиля,
который преобладает в остальной техниче
ской литературе (рис. П.1).
Кроме того, в книге «Электроника для на
чинающих» применялась европейская систе
ма записи номиналов компонентов, устраняю
щая из нее десятичную запятую. Например,
значения типа 3,3 кОм обозначались как 3К3.
Я все еще предпочитаю этот стиль, так как де
сятичную запятую часто трудно различить на
принципиальной схеме, особенно при некаче
ственной печати. Но поскольку европейская
нотация сбивала с толку некоторых читателей,
в этой книге она больше не используется3•
Размеры
Когда-то все микросхемы (и многие дру
гие детали) имели металлические ножки (пра
вильно называемые «выводами») для установз
Этот а бзац относится к оригинально й (американ
ско й) версии книги. В русском переводе используются
о бозначения типа 3,3 к Ом.
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
xxi ii
Предисловие
ки в сквозные отверстия на печатной плате.
Выводы на таких компонентах были располо
жены на расстоянии 0,1 дюйма друг от друга,
и их можно было сравнительно легко вставить
в предназначенные для них монтажные от
верстия на плате, держа компонент большим
и указательным пальцами.
Но эта идиллия универсальной совме
стимости с человеческим масштабом была
внезапно нарушена вторжением метрической
системы измерений. Некоторые производи
тели микросхем перешли на использование
стандартного расстояния между выводами
с 2,54 мм (то есть, с 0,1 дюйма) к 2 мм, тем са
мым глубоко огорчив тех, кто пользуется пер
фоплатами с расстоянием между отверстиями
в 0,1 дюйма. Миллиметры проникли также
и в прочие места. Например, одна из наибо
лее широко используемых деталей - мои-
Обозначение соединения
+
Здесь
Обозначение отсутствия соединения
+
Здесь
не используется
+
Да
Рис. П.1 .
Вверху: во всех принципиальных схемах в этой книге элек
трическое соединение проводов обозначается черной точ
кой. Но самое правое обозначение не употребляется, так
как оно выглядит слишком похожим на простое пересече
ние проводов без электрического соединения.
Внизу: слева показано обозначение пересечения про
водов без создания электрического соединения в стиле,
соответствующем книге «Электроника для начинающих».
Обозначение такого типа пересечения проводов, приме
няемое в этой книге, показано справа
тируемый в панель светодиод - часто имеет
диаметр 5 мм. Этот размер чуть великоват для
отверстия размером 3/16 ( 12/64) дюйма, но не
достаточен для плотной посадки в отверстие
размером 13/64 дюйма.
Поскольку эта книга написана и издана
в Соединенных Штатах, в ней иногда по умол
чанию используются дюймовые измерения.
Таблицу преобразований между миллиметра
ми и дюймами можно найти в моей предыду
щей книге «Электроника для начинающих>,'>
или в любом другом соответствующем спра
вочном источнике.
Но более серьезная проблема заключа
ется в том, что вся электронная промышлен
ность переходит на форматы поверхностного
монтажа. Здесь расстояния между выводами
не имеют никакого значения, так как выводы
компонентов поверхностного монтажа ор
ганизованы не в виде традиционных ножек,
а представляют собой контактные поверх
ности. Кроме того, размер самих компонен
тов обычно не превышает 0,1 дюйма (то есть
2,54 мм) . Чтобы собрать схему из таких ком
понентов, необходимо прибегать к использо
ванию пинцета, микроскопа и специального
паяльника. И хотя подобная сборка не явля
ется для любителя чем-то невозможным, лич
но мне такой процесс не доставляет удоволь
ствия. Поэтому в данной книге вы не найдете
никаких проектов с применением компонен
тов поверхностного монтажа.
М атематика
Эта книга не содержит много математиче
ских вычислений, но вам нужно понимать те
простые математические выражения, которые
в ней имеются.
Я принял для обозначения математиче
ских операций стиль, который используется
в большинстве языков программирования.
В частности, умножение обозначается сим
волом астериска (*) , а деление - символом
прямой косой черты (/). Выражения в скоб-
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Предисловие
xxiv
ках вычисляются первыми, начиная, в слу
чае вложенных скобок, с самых внутренних.
Рассмотрим следующий пример:
А
=
30 / (7
+
(4
*
2) )
Здесь мы начинаем с вычисления значе
ния во вложенных скобках, умножая 4 на 2 и
получая 8. Затем вычисляем наружные скобки,
добавляя 7 к результату внутренних скобок и
получая 15. Наконец, делим 30 на полученное
значение предыдущих вычислений, получая
значения для А, равное 2.
О рганиза ц ия книги
В отличие от предыдущей книги, эта,
в основном, имеет линейную структуру. Такая
структура материала более удобна для его
просмотра на планшетных устройствах, кото
рые не очень хорошо справляются с большим
количеством разного рода элементов, разбро
санных на двухстраничном развороте печат
ной книги.
Я надеюсь, что вы будете читать книгу
последовательно, от начала до конца, вместо
того, чтобы перепрыгивать в ней с одного ме
ста на другое. Дело в том, что в первом про
екте книги устанавливаются понятия, которые
будут использоваться во втором проекте, во
втором проекте закладываются основы для
третьего, и так далее. Если не следовать этому
порядку. то у вас могут возникнуть проблемы
с пониманием того или иного материала.
Специальными подзаголовками размече
ны следующие пять типов разделов:
•
Эксп ерименты
основной составляю
щей этой книги является практическая
работа;
•
Коротко о важном
после представле
ния нового понятия я часто даю краткое
изложение его ключевых моментов;
Для справки это краткие отступления
•
от основной темы, в которых я предо
ставляю дополнительную информацию,
которую считаю интересной или полез-
-
-
•
•
ной, хотя она, возможно, и не обязатель
но требуется для реализации проекта.
После краткого введения я предоставляю
дальнейшее исследование предмета вам
самим;
Сделайте чуть больше
в этой книге
недостаточно место для подробного опи
сания всех возможных проектов, поэтому
я просто предоставляю короткие описания
тех проектов, которые я когда-либо созда
вал. Вы можете попробовать реализовать
эти проекты самостоятельно;
Предупреждения
здесь я указываю,
как следует себя вести, чтобы не допустить
повреждения используемых компонен
тов, избежать той или иной ошибки или
(в редких случаях) не нанести вред само
му себе.
-
-
Если что-то не работает. . .
Обычно собрать работающую схему мож
но только одним способом, в то время как су
ществуют сотни способов наделать ошибок,
которые не дадут ей работать должным обра
зом. Поэтому шансы против вас, если только
вы не станете работать по-настоящему осто
рожно и методически. Я знаю, как это бывает
досадно, когда собранная схема не проявляет
признаков жизни. И если проблем все равно
избежать не удалось, их наиболее распростра
ненные причины можно выявить с помощью
следующих шагов:
1. Подсоедините черный щуп мультиметра
к отрицательному полюсу источника пита
ния и установите мультиметр в режим из
мерения напряжения (постоянного, если
только эксперимент не требует другого).
Убедитесь, что на схему подается питание.
Теперь поочередно касайтесь красным
щупом разных точек схемы, наблюдая,
нет ли где неправильного напряжения,
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Предисловие
xxv
или вообще напряжение полностью от
сутствует.
2. Внимательно проверьте, чтобы все пере
мычки и выводы компонентов были уста
новлены точно в те гнезда на макетной
плате, в которых они должны быть.
При сборке схем на макетных платах
очень часто встречаются следующие два типа
ошибок: установка проводной перемычки на
один ряд выше или ниже требуемого ряда или
установка двух компонентов или соединений,
примыкающих друг к другу в один ряд гнезд,
забывая, что проводник внутри макетной пла
ты закоротит их. Эти распространенные ошиб
ки иллюстрируются на рис. П.2. Обязательно
убедитесь, что вы полностью понимаете, о чем
идет речь!
В верхней части рисунка выводы электро
литического конденсатора вставлены в гнезда
рядов 13 и 15 макетной платы. Но поскольку
эти гнезда скрыты под конденсатором, очень
легко сделать ошибку и вставить один конец
проволочной перемычки в гнездо в ряду 14.
А в правой части схемы на макетной плате
вывод 5 микросхемы должен заземляться че
рез керамический конденсатор, но так как все
гнезда каждого ряда соединены между собой
внутри макетной платы, при такой установке
конденсатор просто закорачивается, и вывод
микросхемы оказывается заземлен напрямую.
(Вообще-то, в данном случае наличие или от
сутствие конденсатора не играет никакой роли,
так как вывод микросхемы подключен напря
мую к земле независимо от того, есть этот
конденсатор или нет.) Исправленные ошибки
монтажа показаны на нижней части рисунка.
Если питание подается на схему должным
образом, и все выводы компонентов и проволоч
ных перемычек установлены на макетной плате
в правильные гнезда, однако схема все равно
не работает должным образом, следует рассмо
треть следующие возможные пять причин:
посадка и ориентация компонентов ми
кросхемы необходимо плотно вставлять
в гнезда платы. Убедитесь, что при вставке
микросхемы в гнезда платы у микросхемы
не подогнулся какой-либо из ее выводов.
Диоды и электролитические конденсато
ры обладают полярностью, которую сле
дует соблюдать при их монтаже на плате;
некачественные соединения иногда (ред
ко, но возможно) компонент может иметь
некачественный контакт с гнездом макет
ной платы. При необъяснимых нерегуляр
ных сбоях в работе схемы или при отсут
ствии должного напряжения попробуйте
переместить некоторые из компонентов
в другие гнезда. По своему опыту я знаю,
что возникновение этой проблемы весьма
вероятно в случае использования очень
дешевых макетных плат. Плохой контакт
также возможен при использовании для
перемычек провода толщиной меньше
24-го калибра (помните, что более высо
кое значение калибра означает меньший
диаметр провода) ;
•
•
Рис. П.2. Два типа самых распространенных ошибок мон
тажа схем на макетных платах (вверху) и их исправления
(внизу)
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
-
-
xxvi
•
•
•
Предисловие
значения номиналов компонентов
про
верьте правильность значений номиналов
всех резисторов и конденсаторов. Я при
меняю стандартную процедуру проверки
номинала каждого резистора, прежде чем
монтировать его в схему. Это может по
казаться напрасной тратой времени, но,
в конечном итоге, такой подход как раз
и его и экономит. Далее в тексте вы встре
тите и дополнительные уточнения на эту
тему;
повреждение компонентов микросхемы
и транзисторы можно вывести из строя,
подавая на них питание повышенного на
пряжения или неправильной полярности.
Кроме того, повреждение таких компо
нентов может быть вызвано статическим
электричеством. Поэтому всегда следует
иметь под рукой запасные компоненты,
чтобы можно было заменить ими повреж
денные;
эмоциональное выгорание
когда кажет
ся, что все возможные причины устране
ны, но схема все равно не хочет работать,
возьмите передышку. Всепоглощающая
работа в течение длительного периода
времени может сузить ваш мыслитель
ный кругозор, вследствие чего вы будете
не в силах по-настоящему рассмотреть все
возможные причины возникновения про
блемы. Если на некоторое время сместить
внимание на что-либо другое, а затем воз
вратиться обратно к проблеме, ответ о ее
причине может внезапно показаться оче
видным.
-
-
-
Связ ь между автором
и читателями
Возможны следующие три ситуации, в ко
торых мне может потребоваться обратная
связь от вас, или вы можете захотеть сообщить
что-то мне:
•
мне может потребоваться сообщить вам
об ошибке в книге, которая не позволит
успешно собрать проект, или вдруг выяс
нится, что что-либо не в порядке с набо
ром компонентов, сопутствующим книге4•
Естественно, если обнаружится какая
либо проблема, я предоставлю вам ин
струкции по ее устранению. Это и будет
информативная обратная связь от меня к
вам;
возможно, вы захотите рассказать мне
свое мнение о книге или сообщить об об
наруженной вами ошибке в ней или в на
боре компонентов. Это будет информатив
ная обратная связь от вас ко мне;
•
возможно, у вас возникнут какие-либо
проблемы с работой схем, и вы не сможе
те определить, является ли это следствием
моей или вашей ошибки. В таком случае,
чтобы разобраться с этой проблемой, вам
понадобится моя помощь. Это будет об
ратная связь от вас с запросом помощи от
меня.
Далее я объясняю последовательность
действий в каждой из этих ситуаций.
•
И нформативная обратная связь
от меня к вам
Я не смогу известить вас об ошибке в кни
ге или в наборе компонентов, если у меня не
окажется вашей контактной информации.
Поэтому вам нужно будет предоставить мне
свой адрес электронной почты. Этим адресом
никто не воспользуется ни для каких иных це
лей, кроме далее обозначенных, и им никто
никогда не злоупотребит. Итак, адрес вашей
электронной почты понадобится мне:
для извещения вас о любых значительных
•
ошибках, обнаруженных в этой книге или
в книге «Электроника для начинающих»,
а также для предоставления решения ука
занных ошибок;
4 Для оригинального (американского) издания
предлагаются на б ор ы компонентов, из котор ы х могут
быть со бран ы описанн ы е в книге проекты .
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
xxvii
Предисловие
для извещения вас о любых ошибках или
проблемах, связанных с наборами компо
нентов, предлагаемых для проектов книги;
•
для извещения вас о выходе нового изда
ния этой книги, или книги «Электроника
для начинающих», или моей следующей
книги: «Энциклопедия электронных ком
понентов», над которой я сейчас работаю.
Впрочем, такие извещения будут весьма
редкими, поскольку новые издания книг
выходят лишь раз в несколько лет.
Возможно, вам приходилось видеть различного свойства купоны, в которых вам
обещают внести вас в список для розыгрыша
призов. Я предлагаю вам намного более ин
тересную сделку - если вы предоставите мне
свой адрес электронной почты (который, как
я и обещал, будет использоваться исключи
тельно в перечисленных здесь целях) , я приш
лю вам (в формате PDF) неопубликованный
электронный проект со всеми инструкциями
и планами по его реализации. Проект занима
тельный, уникальный и сравнительно легкий.
Вы не сможете получить его никаким иным
способом, кроме этого.
Причина, по которой я стимулирую ваше
участие в такой программе рассылки, заклю
чается в том, что если материал книги со
держит ошибку, и я обнаружу ее, то не смогу
оперативно сообщить вам о ней, если у меня
не будет ваших контактных данных. А если вы
сами обнаружите такую ошибку, это, скорее
всего, вызовет у вас раздражение. И это не бу
дет полезным ни для моей репутации, ни для
репутации моих книг. Поэтому в моих наи
лучших интересах избегать ситуаций, которые
могут вызвать нарекания у читателей.
•
r
:
1
1
1
1
1
:
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
-
�
Чтобы предоставить мне свой электронный
адрес для программы рассылки извещений,
просто пришлите мне пустое электронное
сообщение (ил и включите в него свои
замечания) по адресу make.electronics@gmail.
сот. В поле темы этого сообщен ия введите
1 СЛОВО REG I S TE R.
L
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
И нформативная обратная связь
от вас ко мне
Если вы просто хотите известить меня об
обнаруженной ошибке, это лучше сделать по
средством системы извещения об ошибках,
которую поддерживает издатель. Издатель
использует информацию, полученную с по
мощью этой системы, для исправления оши
бок в обновлениях книги.
Если вы уверены, что обнаружили ошибку,
посетите страницу: http://oreil.ly/1.iJr6DH.
Эта страница содержит инструкции о том, как
предоставлять данные об ошибке5•
Запрос моей помощи
Поскольку мое время ограничено, я не
обязательно смогу решить возникшую у вас
проблему. Но, если вы предоставите фотогра
фию неработающего проекта, я, возможно,
смогу дать вам какой-либо совет. При этом
наличие фотографии проекта является весьма
важным - обычно невозможно понять, поче
му что-то не работает, не имея возможности
видеть это что-то.
Свои запросы о помощи вы можете на
правлять по адресу электронной почты make.
electronics@gmail.com. В поле темы таких за
просов вставьте слово HELP.
П режде, чем отп равлят ь
сообщение
Прежде, чем отправлять сообщение с из
вещением об ошибке или о том, что что-то не
работает должным образом, я хочу, чтобы вы
сначала проделали следующее:
•
выполните, по крайней мере, одну по
вторную сборку схемы. До того, как сдать
книгу в издательство, каждый проект со5 Эти инструкции относятся к оригин ал ьно й (амери
канско й) версии книги.
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
xxviii
Предисловие
бирался мною и, как минимум, еще одним
человеком. Может быть, это и невежливо
с моей стороны - говорить вам, что вы
где-то напортачили, но наиболее вероят
ной причиной проблемы всегда окажется
ошибка в монтаже.
Имейте в виду, что я сам сделал не менее
десятка фатальных ошибок монтажа в про
цессе сборки проектов для этой книги.
В результате одной из таких ошибок сгоре
ли две микросхемы, а вторая даже частич
но расплавила монтажную плату. Ошибки
случаются, даже у меня, и даже у вас;
•
осознавайте свою силу как читателя и ис
пользуйте ее объективно. Эффект даже
одного отрицательного отзыва может
оказаться большим, чем вы можете пред
положить. Определенно, он способен
превзойти эффект полдесятка положи
тельных отзывов. Книга «Электроника
для начинающих» получила, в основном,
очень положительные отзывы, но была
пара читателей, раздосадованных по мел
ким вопросам, - таким, в частности, как
трудности с приобретением одного из ре
комендованных компонентов. В действи
тельности компонент можно было приоб
рести без каких бы то ни было проблем,
и я с удовольствием подсказал им, где это
можно было сделать, но тем временем от
рицательные отзывы уже увидели свет.
Я всегда читаю отзывы на свои книги на
сайте Amazon и всегда предоставлю ответ,
если это необходимо.
Конечно же, если вам просто не нравится,
как я написал эту книгу, не стесняйтесь сказать
это.
Ч то дал ь ш е ?
Я полагаю, что проработав всю книгу, вы
приобретете знания в электронике на среднем
уровне (в моем понимании этих уровней).
Я
не обладаю достаточной компетенцией,
чтобы написать руководство высшего уров
ня и, соответственно, не думаю, что я напи
шу еще и третью книгу с названием, скажем,
«Электроника на высшем уровне».
Но если вы хотите получить дополнитель
ные знания в электронике, вам нужно будет
разобраться в тех областях, которые я не за
трагивал: теория электроники, проектирова
ние схем и тестирование схем. Если вы сами
создадите схему, то должны иметь достаточ
ные теоретические знания, чтобы понимать
и предсказывать, какие процессы в ней про
исходят, вы также должны обладать способ
ностью предсказать, как станет работать
собранная схема. Для всего этого вам пона
добится осциллограф и программное обеспе
чение для эмулирования схем. Список такого
бесплатного программного обеспечения мож
но найти в Википедии. Некоторые из этих про
грамм эмуляции предназначены для работы
с цифровыми схемами, некоторые - для рабо
ты с аналоговыми, а некоторые - для работы
с обоими типами схем. Но рассмотрение этой
темы находится вне рамок моей книги и, воз
можно, вне компетенции большинства людей,
которые рассматривают электронику как хоб
би, а не как карьеру.
Впрочем, если вы хотите расширить свои
теоретические познания в электронике, я могу
порекомендовать вам книгу Поля Шерца (Paul
Scherz) «Practical Electronics for Inventors» 6 ,
выпущенную издательством «McGraw-Hill»
в 2013 году. Вам не обязательно быть изо
бретателем, чтобы извлечь для себя пользу из
этой книги.
Кстати, я всегда чувствовал, что существу
ет потребность в энциклопедии электронных
компонентов, и часто задавался вопросом, по
чему до сих пор нет книги такого типа, - поэ
тому и решил написать ее сам.
В настоящее время доступен первый том
моей «Encyclopedia of Electronic Components» 7•
6
7
П рактическая электроника для изо б ретателей .
Э нциклопедия эл ектронн ы х компонентов .
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
xxix
Предисловие
-
-
--
-
- --- -
- ------
- - - -- - - - -- - - - . -
В целом планируется три тома этой энцикло
педии. В то время, как книга «Электроника для
начинающих: продолжение» представляет со
бой практическое руководство, энциклопедия
предназначена обеспечить быстрый доступ
к информации. Она также имеет более тех
нический уклон, менее дружественный стиль
и более прямолинейна. Лично я полагаю, что
энциклопедия электронных компонентов яв
ляется очень полезным источником, помогаю
щим освежить в памяти свойства и примене
ние любых компонентов, которые вы можете
использовать.
Ц и фровая библиотека
Safa ri00 Books Online
Цифровая библиотека Safari Books Online
предоставляет по запросу содержимое экс
пертного уровня от ведущих мировых авторов
в области технологии и бизнеса, как в тексто
вом, так и в видеоформате.
Оформив подписку, вы сможете читать
любую страницу или просматривать любое ви
део онлайновой библиотеки. Вы также сможе
те читать книги из этой библиотеки на своем
мобильном телефоне или другом мобильном
устройстве. Кроме того, вы получите доступ к
новым книгам еще до их появления в печати,
возможность доступа к рукописям книг в про
цессе работы над ними, а также возможность
оставлять отзывы авторам. Наконец, подписка
предоставляет вам возможность копировать
примеры кода и вставлять его в свои разра
ботки, загружать главы из книг, помечать за
кладками ключевые разделы, создавать замет
ки, распечатывать страницы, а также пользо
ваться множеством других экономящих время
функций.
. -
.
�"':"'";'"';'····,...,�,·"."'' •.-' .
Организация Maker Media загрузила ан
глийский вариант этой книги в цифровую би
блиотеку Safari Books Online. Чтобы получить
доступ к книге и другому содержимому на по
добные темы от журнала «МАКЕ» и других
издателей, зарегистрируйтесь бесплатно по
адресу http://my.safaribooksonline.com.
Журнал «МАКЕ» объединяет, вдохновля
ет, информирует и развлекает растущее сооб
щество творческих людей, которые реализуют
удивительные проекты в своих дворах, подва
лах и гаражах. Журнал «МАКЕ» уважает ваше
право модифицировать любую технологию,
копаться в ней для удовлетворения своего лю
бопытства и приспосабливать ее под свои тре
бования и пожелания. Все возрастающий круг
наших читателей продолжает быть сообще
ством, которое верит в улучшение самих себя,
окружающей среды, системы образования в общем, в улучшение всего мира. Оно явля
ется намного большим, чем просто группа чи
тателей, - всемирным движением под лидер
ством журнала «МАКЕ», которое мы называем
«Движение создателей»8•
Чтобы получить дополнительную инфор
мацию о сообществе «МАКЕ», посетите сле
дующие веб-сайты:
•
Для этой книги9 создан веб-сайт, который
содержит список ошибок, приводятся примеры
и предоставляется другая дополнительная ин
формация. Доступ к этому сайту можно получить
по адресу http://Ьit.ly/more-electronics.
в
9
Maker Movement.
Вернее,
версии.
для
ее
оригинально й
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
(американской)
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
ОРГА Н И ЗА Ц ИЯ РАБ ОЧЕ ГО М ЕСТА
В книге �электр оника для начинающих»
я прив одил рекомендации п о части организа
ции рабочего места, хранения компо ненто в
и инструменто в и прочих о сно вных организа
ционных мо ментов. Некото рые из этих реко
мендаций сейчас следует п одкорректиро вать,
а ко е-что - п о вторить или изложить более
подро бно .
Источник п и та ния
Большинство схем в это й книге м ожно
запитывать от 9-вольто в ой батарейки. Бата
рейка дает стабильный ток без всплесков или
пр овалов и сто ит недо р ого . С друго й сто р о
ны, в про цессе использования напряжение
батарейки п о нижается, а также варьируется
в зависимости от тока, п отребляемого из нее
устр ойств ом.
Настоящее удов ольствие до ставит вам
использо вание регулируемого источника пи
тания, спо со бного выдавать от О до 20 (или
больше) в ольт п о стоянного тока. К сожале
нию, цена этого удов ольствия м ожет о ка
заться б ольшей, чем вы будете готовы за него
заплатить. Разумный компро мисс в это м пла
не составит сетево й адаптер, вставляемый не
п осредственно в р озетку и о снащенный пере
ключателем выбора напряжения, - именно
его я и реко мендовал в сво ей предыдущей
книге.
Неплохим варианто м представляется так
же источник питания для н оутбуков, выдаю-
щий напряжение одно го н о минала. Многие
такие источники питания рассчитаны на на
пряжение 12 в ольт, котор о е м о жно пропустить
через регулято р напряжения и п олучить 5 или
9 в ольт п о стоянно го то ка, кото р о е требуется
для б ольшинства экспериментов в это й книге.
Регулято ры напряжения стоят менее доллара
за штуку, а сто имость источника питания для
н оутбука не должна превышать 10 долларов,
что делает тако й вариант привлекательным.
Напо мню только , что источник питания дол
жен выдавать до 1 А ( 1 ООО мА) то ка.
У вас м ожет в озникнуть со блазн исполь
з о вать зарядно е устро йство для м о бильного
телеф она, о со бенно если у вас где-то валяется
без дела зарядник от отжившего сво е м о биль
ника. Однако б ольшинство таких устро йств
выдают только 5 в ольт п остоянно го тока, что
делает их непригодными для пр о ектов, тре
бующих питания напряжением 9 в ольт. Кро ме
того , п о скольку они предназначены для заряд
ки аккумулятор о в, в зависимо сти от нагрузки
выдаваемо е ими напряжение м ожет падать.
П одводя итог, надо отметить, что если
у вас ограниченный бюджет, и вы не предпо
лагаете создавать п остояннодействующие вер
сии каких-либо рассматриваемых в этой книге
про ектов, то м ожно о б ойтись батарейкой на
пряжением 9 в ольт. В пр отивно м случае следу
ет приобрести сетевой адаптер на 12 в ольт п о
стоянного тока в ценов о м диапаз оне, который
вы м ожете себе п озволить.
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Организация рабочего места
xxxii
Стабилизирование напряжения
Для мно гих из экспериментов в этой кни
ге нео бходим стабилизиро ванный источник
напряжения, выдающий 5 вольт п о стоянно го
тока. Для создания тако го источника п отребу
ются следующие к омпоненты:
•
стабилизато р напряжения LM7805;
•
керамические конденсаторы но миналом
0,33 и 0,1 мкФ;
•
резисто р номинало м 2,2 кОм;
•
одно п олюсный или одно п озицио нный пе
реключатель, предназначенный для м о н
тажа в печатную плату (то есть выводы
переключателя должны беспрепятственно
вставляться в гнезда макетно й платы);
•
о бычный светодиод.
На рис. 0.1 п о казан о , как все эти ко мпо
ненты мо жно устано вить в верхних рядах ма
кетно й платы, расп ол ожив шину «плюс» слева,
а шину «минус» - справа (именно так шины
питания будут располагаться в о мно гих экс-
периментах это й книги). Хотя на ф отографии
вы видите батарейку типа «Крона», вместо нее
м ожно использо вать любо й сетево й адаптер,
выдающий, как минимум, 7 в ольт п о стоянного
тока. Однако , во избежание перегрева схемы,
выдаваемо е сетевым адаптеро мнапряжение
не должно превышать 12 вольт по стоянного
то ка.
На рис. 0.2 приведена принципиальная
схема это го стабилизатора напряжения. Даже
если входно е напряжение на нее подается с ба
тарейки, схема должна содержать конденсато
ры, так как о ни о беспечивают ее правильную
работу.
Для работы стабилизато ра напряжения
наличие выключателя и светодиода не о бя
зательно , но я реко мендую их в схему вклю
чить, так как о ни сделают работу с источнико м
питания намн ого удо бней. Например, одного
взгляда на светодиод до статочно , что бы убе
диться, п одается ли питание на про ект (по
крайней мере, п одается ли о но от источни
ка питания). А при перестан о вке м о нтажных
про водо в или ко мпо ненто в схемы весьма по
лезно иметь в озможно сть о бесточить ее удоб
ным сп о со б о м, т. е. с по м о щью выключателя.
9-1 2 в
постоянного тока
Стабилизированное напряжение
5 В постоянного тока
Рис. 0.1 . Размещение на макетной плате компонентов
стабилизированного источника питания напряжением 5 В
постоянного тока
Рис. 0.2. Принципиальная схема стабилизированного
источника питания напряжением 5 В постоянного тока
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Организация рабочего места
Сравнительно высокий номинал резисто
ра 2,2 кОм обеспечивает экономию энергии
в случае использования батарейки.
Макетн ые пл аты
В книге «Электроника для начинающих»
я использовал беспаечную макетную плату
с двумя шинами питания на каждой стороне
платы, чтобы можно было иметь как поло
жительное, так и отрицательное напряжение
питания на обеих ее сторонах. Для этой кни
ги я решил использовать более простой тип
беспаечной макетной платы, которая имеет
на каждой стороне только одну шину питания
(рис. 0.3).
Это изменение сделано по следующим
причинам:
•
Платы такого типа весьма дешевы, осо
бенно если покупать их непосредственно
Рис. 0.3. Внешний вид беспаечной макетной платы с одной
шиной питания на каждой стороне. Все схемы в этой книге
будут собираться на макетных платах такого типа
xxxiii
у поставщиков из стран Азии, которые
предлагают свои товары на еВау. Пусть вас
не смущают неизвестные названия фирм
поставщиков типа «Магазин Клык героя»
или «Кун-Пун». На момент подготовки
книги там можно было найти платы по
цене $2 за штуку - если вы не против по
дождать десять или более дней для достав
ки. Низкая стоимость таких монтажных
плат позволит вам приобрести их сразу
несколько штук, и тогда можно будет со
хранять некоторые схемы, используя но
вую макетную плату для каждой следую
щей схемы. Дополнительная информация
об источниках компонентов приведена
в приложении.
•
Если вы хотите создать постояннодейству
ющую версию схемы, впаяв компоненты в
печатную плату, то легче всего это сделать,
использовав печатную плату с дорожками,
выполненную в формате беспаечной ма
кетной платы. Перенести компоненты на
такую плату с беспаечной макетной пла
ты будет весьма несложно, поскольку до
рожки такой печатной платы размещены
точно так же, как и гнезда беспаечной ма
кетной платы. Печатные платы этого типа
часто имеют только одну шину питания на
каждой стороне (в качестве примера та
кой платы можно назвать плату магазина
«RadioShack», номер детали 276-170) .
•
Судя по полученным мною отзывам чи
тателей, люди чаще ошибаются, работая
с макетными платами, несущими две ши
ны питания (одна из которых использует
ся для «плюса», а другая - для «минуса»)
на каждой из сторон. Такие ошибки могут
оказаться весьма дорогостоящими, по
скольку некоторые компоненты нетерпи
мы к неправильной полярности питания.
Важно всегда мысленно представлять себе
порядок расположения проводников внутри
беспаечной макетной платы (рис. 0.4).
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Организация рабочего места
xxxiv
Рис. 0.4. Расположение проводников внутри беспаечной
макетной платы
При это м следует ПОМН ИТЬ, что шины пи
тания на мно гих беспаечных макетных платах
имеют один или два разрыва - это о беспечи
вает в озможно сть п одавать разные напряже
ния питания на различные части платы. Я не
планирую использо вать такую в озможность
в про ектах этой книги. П оэто му, прио бретя
н овую беспаечную макетную плату, про верь
те с п ом о щью мультиметра непрерывно сть
каждо й ее шины. Если же разрывы имеются,
нужно со единить отдельные части шины про
волочной перемычко й. Забытые разрывы в
шинах питания являются распро страненно й
причиной неработо спо со бно сти схем.
М онтаж проводки
Ино гда читатели присылают мне ф ото
графии схемы на беспаечно й макетно й плате
с про сьб ой п ояснить причину, п о к ото ро й эта
схема не работает. Если пользователь приме
нил для мо нтажа гибкие про в ол очные пере
мычки с нако нечниками на каждом ко нце,
я всегда даю один и тот же ответ - не м огу
ничем п о м очь. Даже если бы я имел перед со
бо й саму схему, я не м ог бы ничего по сове
товать, кр оме как вытащить все перемычки
и начать со бирать схему с само го начала.
Указанные гибкие про в олочные перемыч
ки легко и про сто устанавливаются в гнезда
макетно й платы. Я сам мно го раз п оддавался
такому искушению, и всегда сожалел о б это м
п о зже, так как, сделав одну - единственную
ошибку, найти ее во всем это м переплетении
гибких про в олочных перемычек неим оверно
трудн о .
П очти на всех фото графиях про екто в из
это й книги м ожно видеть, что я использую гиб
кие перемычки с нако нечниками только для
п одсо единения устро йств к макетно й плате.
На само й же макетно й плате я п ользуюсь в ка
честве перемычек ко р откими отрезками жест
ко й пров оло ки со снято й изоляцией на ко нцах.
С такими перемычками намного легче вып ол
нять п оиск и устранение неполадо к.
Продаваемые в наборах гото вые жесткие
про вол очные перемычки маркируются цветом
для отрезко в одно й длины. Это не так п олезно ,
как м ожет п о казаться сначала, и я предпочи
таю, что бы м о и перемычки на макетной плате
были маркиро ваны цвето м п о их функциям.
Например, перемычка на плюсо вую шину ма
кетно й платы должна быть красно го цвета, не
зависимо от ее длины. А две перемычки оди
нако в ой длины, распол оженные параллельно
рядо м друг с другом, должны быть разно го
цвета, что бы их нельзя было перепутать. И так
далее в то м же духе. То гда я м о гу по смотреть
на схему на макетной плате, быстро оценить
ее функцио нальн ость, и мне легче будет найти
неправильно устан о вленную перемычку.
Лично я раб отаю с десятью о сно вными
цветами провода: красным, оранжевым, жел
тым, зеленым и синим (основной спектр), чер
ным, ко ричневым, фиолето вым, серым и жел
тым ( оттенки) . Если придерживаться единой
системы и исп ольз овать перемычки одно го
и то го же цвета для каждо й определенной
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Организация рабочего места
xxxv
функции на всех макетных платах, это значи
тельно о блегчит сборку схем.
Возможно вы думаете, что п одгото вка
своих маркиро ванных цвето м перемычек слишко м хлоп отно е дело ? В таком случае
я мо гу дать вам со вет, как решить эту задачу
наиболее про сто . На рис. 0.5 п оказано , как
я подгото вил перемычки ко всем про ектам
в это й книге.
Сначала удалите ок ол о пяти сантиметро в
изоляции со сво б одно го к о нца про в ода. Затем
определите расстояние, к отор о е должна пере
крывать перемычка на макетно й плате, - о б о
значим это расстояние букво й Х. Отмерьте это
расстояние на из оляции пр ов ода, как п о каза
но на рисунке в шаге 2, и сделайте в это м месте
(о бозначен о на рисунке пунктирной линией)
кругово й надрез изоляции. Сдвиньте сво б од
ный отрезок изоляции к ко нцу про в ода, как
показано в шаге 3, не дох одя до ко нца ок ол о
сантиметра. Обрежьте про в од п о спл ошно й
Шаг 1 :
линии в шаге 3, со гните о ба ко нца п од угло м
90 градусо в, - и у вас есть перемычка.
Для со ртиро вки гото вых перемычек п о
длине лучше сделать специальный шаблон вырежьте треугольный кусо к пластика или
фанеры, в одно й стор о не к отор о го разметьте
п о длинам и сделайте вырезы (рис. 0.6). Этот
шабло н также м ожно использовать для сгиба
ния к онцов отрезков про в ода, что бы п олучить
перемычку требуемо й длины (рис. 0.7).
снимите около
Рис. 0.6. Самодельный шаблон-мерка для измерения
и изготовления проволочных перемычек
на изоляции на нужном
расстоянии и сдвинь те
изоляцию к свободному;
концу
"
х
"
Шаг 3: обрежьте
провод
Шаг 4: согните
концы
Рис. 0.5. Простой способ подготовки перемычек для
беспаечной макетной платы
Рис. 0.7. Проверка длины перемычки ( 1 , 1 дюйма) с
помощью шаблона
Поскольку длина перемычки будет слег
ка больше за счет толщины провода, ширина
ступеней шаблона в действительности должна
быть примерно на 1/16 дюйма (около полутора
миллиметров) короче указанной на них вели
чины.
Проверить длину перемычки можно так
же сравнением ее с отрезком простой перфо
рированной платы (часто называемой просто
перфоплатой), на которой отверстия располо
жены на расстоянии 0,1 дюйма (2,54 мм) друг
от друга. Помните, что гнезда макетной платы
также расположены на расстоянии 0,1 дюй
ма друг от друга - как по вертикали, так и по
горизонтали, а ширина желобка по централь
ной линии платы составляет 0,3 дюйма (около
7,6 мм).
Вопрос о том, какой толщины провод ис
пользовать для перемычек на макетной плате,
решается просто - я полагаю, что наилучшим
выбором будет провод калибра 24 по AWG.
Провод калибра 26 легко гнется при попыт
ке вставить его в гнездо, да и сидит в гнездах
слишком свободно. Ну, а провод калибра 22
для гнезд макетной платы чрезмерно толст.
Приобретать провод можно на еВау. где
часто продаются излишки провода, или же у
Рис. 0.8. Мини-клипсы надеваются на щупы мулыиметра,
чтобы их можно было прикрепить к проводнику, освобож
дая вас от необходимости удерживать их самому
- - --
-
специализированных поставщиков, - таких
как, например, компания «Bulk Wire» (www.
bulkwire.com) .
Наконец, посмотрите еще раз на рис. П.2,
чтобы напомнить себе о двух самых распро
страненных ошибках при монтаже схем на
макетной плате. Вы, конечно, уверены, что
никогда бы не допустили столь очевидных
ошибок, но я определенно допускал их, когда
уставал или работал наперегонки со временем,
чтобы успеть сдать работу в срок.
Захваты: мини - клипсы
И «КРОКОДИЛЫ»
В книге «Электроника для начинающих»
я упоминал мини-клипсы, которые можно на
деть на концы щупов мультиметра. Эти мини
клипсы тогда было найти трудно, но сейчас
они свободно продаются, например, фирмой
«RadioShack» (номер детали 270-0334, назва
ние - «Mini Test Clip Adapters» ). На рис. 0.8
показаны такие мини-клипсы: на один щуп
клипса надета, а другой щуп - свободный.
Такое сочетание свободного щупа (например,
красного) и щупа с мини-клипсой (напри
мер, черного) весьма полезно: черный щуп
Рис. 0.9. Усилием руки захват мини-клипсы выведен из ее
корпуса - внутренняя пружина сжата
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Организация рабочего места
можно закрепить с помощью мини-клипсы
на любом отрицательном проводнике, а затем
с помощью красного щупа измерять напря
жение в разных точках схемы. Мини-клипсы
имеют очень плотную посадку, которая, на
мой взгляд, не должна добавить более чем
один или два ома к сопротивлению щупа.
На рис. 0.9 показана часть устройства
мини-клипсы - захват открыт, пружина вну
три ее корпуса сжата. А на рис. 0.10 захват,
втянутый пружиной в корпус, удерживает вы
вод резистора.
В качестве заменителя мини-клипс мож
но использовать провода, оснащенные на
каждом конце зажимами типа «крокодил»
(рис. 0.11),
один «крокодил» закрепляется
на щупе, а другой прикрепляется в удобной
точке схемы. Я применяю этот способ далее
в книге там, где требуется свободная рука, не
занятая удерживанием щупа на том или ином
месте в схеме. Лично я считаю, что для этого
лучше подходят мини-клипсы, но если вы не
хотите держать их на щупы на полупостоян
ной основе, использование отрезка провода
с «крокодилами» представляется хорошей
альтернативой.
Наконец, в том же магазине «RadioShack»
(номер детали 278-0016, название - «Mini
Clip Jumper Wires») можно приобрести це
ликовый соединительный провод с мини
клипсами (рис. 0.12). Преимущество таких
соединительных проводов заключается в том,
что мини-клипсу соединительного провода
(размер которой меньше, чем у мини-клипсы,
насаживаемой на щуп) можно закрепить
в таких местах схемы, в которых насадочная
мини-клипса или «крокодил» могли бы на
рушить контакт перемычки или даже создать
короткое замыкание.
-
xxxvii
Рис. 0.1 О. Когда давление руки на захват снимается, вну
тренняя пружина возвращается в исходное положение,
втягивая захват в корпус, вследствие чего он надежно
закрепляется на тонком объекте - например, на выводе
резистора
Рис. 0.1 1 . Отрезок провода с «крокодилами» на концах
можно использовать вместо мини-клипс. Один «крокодил»
закрепляется на наконечнике щупа, а другой - на каком
либо проводе или в точке проверяемой схемы
Рис. 0.1 2. Соединительный провод с мини-клипсами на
обоих концах
Х ранение компонентов
Поскольку многослойные керамические
конденсаторы приобретают все меньший раз
мер, мои рекомендации по хранению конденса
торов, приведенные в книге «Электроника для
начинающих», быстро устаревают. Крохотные
компоненты лучше всего хранить в соответ
ствующего размера вместилищах, и контейне
ры, которые используются ювелирами-люби
телями, - это как раз то, что нам нужно.
Рис. 0.1 3. Современные многослойные керамические кон
денсаторы имеют настолько маленький размер, что для их
хранения идеально подходят контейнеры, первоначально
предназначенные для хранения бусин
В любом магазине США, торгующем при
надлежностями для ручного декоративного
и прикладного искусства (например, «Micha
el's» ) , можно найти разного рода удобные кон
тейнеры для хранения бусинок и камешков.
Набор из таких контейнеров, а их диаметр со
ставляет всего лишь 1 дюйм (2,54 см) , я и при
способил для хранения своих многослойных
керамических конденсаторов - они туда по
мещаются без труда (рис. 0.13).
В результате коробка размером всего
лишь 16,5 см на 14 см позволяет мне держать
на рабочем столе весь диапазон основных но
миналов конденсаторов - от О,01 мкФ (10 нФ)
и выше. Более того, поскольку каждый отдель
ный контейнер снабжен закручивающейся
крышкой, то, если случайно уронить эту ко
робку, конденсаторы не разлетятся по углам,
а останутся в своих контейнерах. Это очень
важно, поскольку все они так похожи друг на
друга, что разделить их по номиналу стало бы
настоящим кошмаром.
Для удобства хранения резисторов я ре
комендую слегка укоротить их выводы, чтобы
они тоже помещались в небольшие контейне
ры. Полная длина вывода резистора требуется
очень редко, и в таком случае мы можем про
сто добавить на макетную плату перемычку
нужной длины. На рис. 0.14 показан один из
вариантов вместилища для хранения контей
неров с резисторами тридцати наиболее часто
употребляемых номиналов. В каждый контей
нер помещается, как минимум, 50 резисторов
(рис. 0.15) . Точно так же, как и в случае с ко
робкой для хранения конденсаторов, в случае
падения этой коробки все резисторы останутся
в своих контейнерах.
Проверка номиналов
Рис. 0.14. Коробки несколько большего размера хорошо
подходят для хранения резисторов - если слегка укоро
тить И Х ВЫВОДЫ
Когда я собираю схему, то пытаюсь заста
вить себя проверять значения номиналов каж
дого резистора и каждого конденсатора, пре
жде чем вставлять их в схему. Керамический
конденсатор номиналом 10 мкФ выглядит
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Организация рабочего места
xxxix
Рис. 0.1 S. Каждый из этих маленьких контейнеров вмеща
ет минимум 50 резисторов
Рис. 0.16. Простая схема для быстрой проверки номина
лов резисторов, прежде чем использовать их в проекте
практически точно так же, как и конденсатор
номиналом 0,1 мкФ, а резисторы номиналами
1 кОм и 1 МОм отличаются всего лишь одним
цветным кольцом. Установка в схему компо
нентов неправильных номиналов может по
родить в ее работе весьма озадачивающие не
поладки.
Чтобы упростить процесс проверки номи
налов резисторов, я использую небольшую ма
кетную плату с проводами, подсоединенными
к щупам мультиметра с автоматическим вы
бором диапазона измерений (рис. 0.16). Все,
что мне теперь нужно сделать - это вставить
резистор в гнезда платы, и его номинал будет
показан в течение пяти секунд. Гнезда макет
ной платы добавляют немного сопротивления,
но это всего лишь несколько ом, и я обычно не
озабочиваюсь вычислением точных значений,
поскольку просто хочу убедиться в том, что
не делаю серьезной ошибки. По той же самой
причине я использую для проверки номина
лов самый дешевый мультиметр.
Вот со вступительным материалом и все.
Теперь приступим к дальнейшему изучению
электроники.
Начать я хочу с простого развлечения, так
как думаю, что изучение электроники всегда
должно содержать элемент удовольствия.
Для этого эксперимента мы используем
клей и картон. Я понимаю, что эти материалы
не применяются в электронике повсеместно,
но сейчас они нам требуются по нескольким
причинам. Во-первых, они напомнят нам
о том, что электричество не обязательно огра
ничено проводами и платами. Во-вторых,
такой эксперимент позволит более глубоко
понять работу самого основного и важно
го электронного компонента - биполярного
транзистора. И в-третьих, наш эксперимент
послужит введением в понятия ионов, сопро
тивления и удельного сопротивления.
Я полагаю, что если вы прочитали книгу
«Электроника для начинающих», то уже зна
комы с основами транзисторов, и после крат
кого повторения я перейду к материалам за
пределами этих основ.
r
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
-
-
�
1
Помните, что список компонентов для каж
' дого эксперимента можно найти в конце
: книги в приложении.
�
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Усилитель на основе клея
Принципиальная и монтажная схема та
кого усилителя показана на рис. 1.1. Для этого
проекта вместо макетной платы мы возьмем
простой лист картона. Начните сборку схемы,
вставив ножки транзистора в картонку.
Транзистор 2N2222 поставляется в двух
вариантах корпуса: металлическом и пласт
массовом. Если у вас металлический вариант,
небольшой язычок внизу корпуса должен на-
Рис. 1 . 1 . Наш первый эксперимент. Все, что нам для него
требуется - это транзистор, резистор номиналом 220 Ом,
батарейка напряжением 9 В, соединительные провода, не
много клея и кусок картона
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
2
Эксперимент 7
ходиться слева - если смотреть прямо на
рисунок. В варианте пластмассового корпуса
плоская сторона транзисторов 2N2222 или
PN2222 должна смотреть направо, однако пло
ская сторона корпуса транзистора P2N2222
(который часто предлагается в качестве экви
валента при поиске) должна смотреть налево.
Проверьте, какой у вас вариант транзистора,
рассмотрев его маркировку с помощью увели
чительного стекла, а если вы не в курсе, что все
это означает, обратитесь к разд. « Символика�
далее в этой главе.
Соедините компоненты, как показано на
рисунке. Длинная ножка светодиода долж
на находиться справа, а короткая - слева.
К длинной ножке светодиода подсоединяется
резистор номиналом 220 Ом. Не допускайте,
чтобы «крокодилы� касались друг друга в об-
ласти, где они подсоединены к выводам тран
зистора. Теперь возьмите бутылочку с клеем
ПВА и нанесите на картон зигзагообразную
полоску клея длиной около 30 сантиметров
и толщиной не более 3 миллиметров. Будет
еще лучше, если вы сможете сделать ее сужаю
щейся сверху вниз, как показано на рис. 1.2.
При этом следите за тем, чтобы полоска оста
валась непрерывной.
Почему мы используем клей ПВА? Потому
что у большинства людей бутылочка этого
клея где-то в доме валяется, кроме того, этот
клей обладает как раз теми электрическими
свойствами, которые нам требуются, - это
и не изолятор, но и не очень хороший про
водник.
С этим экспериментом работать нужно
быстро
прежде чем клей затвердеет.
Рис. 1 .2. Эксперимент в ходе выполнения - на случай воз
никновения вопросов о его работоспособности
Рис. 1 .3. Когда ток, проходящий через светодиод, более не
усиливается транзистором, сопротивление клеевой дорож
ки оказывается для него слишком высоким, и проходящего
через нее тока оказывается недостаточно для включения
светодиода
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Сопротивление клея
3
Возьмите зеленый провод (тот, который под
соединен к центральному выводу транзистора)
и коснитесь его свободным концом полоски
клея где-то в ее середине - светодиод должен
загореться ярким светом. Теперь коснитесь
клеевой полоски в нижней ее части - яркость
свечения светодиода должна уменьшиться.
Если вы читали мою предыдущую книгу,
то должны знать, почему это происходит, но
я объясню в любом случае.
Что здесь происходит?
Вся полоска клея должна иметь сопро
тивление около 1 МОм, или около 10 кОм на
каждые 2,5 см. Если вы хотите проверить, дей
ствительно ли это так с помощью омметра, уд
лините его щупы отрезками провода, чтобы не
испачкать щупы в клее.
Транзистор представляет собой усилитель,
который усиливает ток, входящий в его базу
(центральная ножка). Усиленный вывод сни
мается с эмиттера (левая ножка на рис. 1.1).
Входящий в базу транзистора ток уменьшается
при пропускании его через клей, который об
ладает высоким сопротивлением. Светодиод
реагирует на изменение силы тока соответ
ствующим изменением яркости свечения.
Чтобы получить наглядное представление
о том, что делает транзистор, удалите его из
схемы и подсоедините резистор на светодиоде
напрямую к клеевой дорожке (рис. 1.3) .
Теперь зеленый крокодил напрямую со
единяет клеевую полоску с резистором, под
соединенным к светодиоду, и исключенный
из схемы транзистор ток более не усиливает.
В результате светодиод уже не загорается, так
как сопротивление клеевой дорожки слишком
высокое, и оно не позволяет проходить через
дорожку достаточного для включения свето
диода количества тока. Но если переместить
зеленый крокодил вверх по клеевой дорожке,
не доведя его около полсантиметра до точки
подсоединения к ней плюса источника пита
ния, светодиод должен тускло засветиться.
Символика
На случай, если вы забыли, как выгля
дит символ для транзистора типа NPN и как
расположены его выводы, рис. 1.4 поможет
вам освежить свою память. На транзисторе
с металлическим корпусом язычок на корпусе
может находиться в одном из показанных на
рисунке положений или где-то между ними.
В любом случае он будет ближе всего к эмит
теру, чем к другим выводам транзистора. Что
касается символического изображения такого
транзистора на схемах, то мы знаем, что это
транзистор типа NPN, поскольку его стрелка
«Never Points iN» 1 •
1
Н икогда не показы вает внутрь.
С
В База
Коллекто р
Е Эмиттер
Пластмассовый корпус
С
В База
В База
Е эмиттер
Коллектор
С коллектор
Е Эмиттер
Обычный 2N2222
или PN2222
Вариант P2N2222
�
Металлический корпус
С
В База
Коллектор
Е Эмиттер
С
В База
КоллектоР.
Е Эмиттер
Рис. 1 .4. Символическое изображение транзистора
типа NPN (вверху) и упрощенные представления ком
понента при виде сверху (см. важное предупреждение
в тексте, касающееся обратного порядка выводов транзи
стора версии P2N2222)
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Эксперимент 1
4
ВНИМАНИ Е:
нестандартные выводы
С незапамятных времен было известно, что
если посмотреть сверху на транзистор 2N2222
в пластмассовом корпусе, с его плоской сторо
ной, расположенной справа, выводы транзисто
ра сверху вниз идут в порядке: коллектор, база
и эмиттер. Некоторые п роизводител и называли
этот транзистор PN2222, но расположение его вы
водов было такое же самое.
По причинам, которые п родолжают оста
ваться неизвестн ыми, где-то около 201 О года
Оп Semicoпductor, дочерняя фирма компании
«Motorola», начала выпускать вариант транзисто
ра, называющийся P2N2222. Похоже, что некото
рые другие компании также начали выпускать этот
вариант транзистора. Функционирование этого
варианта идентично фун кционированию традици
онных версий: 2N2222 и PN2222, но порядок вы
водов был изменен на обратный.
Теперь, допустим, что вы ищете в И нтер
нете этот транзистор по его первому названию:
2N2222, что вполне логично, так как это наиболее
общеупотребительное его название. Существует
вероятность, что в результатах поиска вам будет
предложен транзистор P2N2222, так как подстро
ка 2N2222 входит в строку названия этого тран
зистора. Скорее всего, вы его купите, поскольку
характеристики этого транзистора идентичны ха
рактеристикам искомого. И, скорее всего, вы вста
вите этот транзистор в схему неправильно.
Усугубляя п роблему, вставленные в неверном
порядке транзисторы будут в некоторой степени
работать, хотя и с определенным ухудшением.
Поэтому, вставив транзистор P2N2222 в схему
в стандартном порядке, вы получите определен
ные результаты в работе схемы, хотя не совсем
те, которые ожидали. Если вы обнаружите ошибку
и вставите транзистор P2N2222 правильно, очень
вероятно, что вы опять не получите ожидаемых
результатов, поскольку транзистор будет уже по-
врежден при его первом подключен и и с обратной
полярностью.
Поэтому, покупая компоненты в Интернете,
внимательно ч итайте их названия, а также не за
бывайте сверяться с конфигурациями, показанны
ми на рис. 1 .4. И, как всегда, внимательно изучите
спецификацию транзистора.
проводники и изоляторы
Кое-какие дополнительные знания в нашем
первом эксперименте вы можете приобрести, на
блюдая за процессом высыхания клея. Чем доль
ше он будет высыхать, тем тусклее станет гореть
светодиод. Почему так? Потому что из клея посте
пенно испаряется некоторая часть воды, а осталь
ная ее часть впитывается в картонную основу.
Как мы знаем (например, из той же книги
«Электроника для начинающих»), электрический
ток представляет собой поток электронов. Атомы
или молекулы с избытком или недостатком элек
тронов называются ионами. Я не знаю состава клея
ПВА, но, по-видимому, он содержит какое-то хими
ческое вещество, которое разрешает образование
и движение ионов. Вода в клее способствует этому
процессу, поскольку ионы могут передвигаться
в воде.
Но сама по себе вода не очень хороший про
водник. Чтобы п родемонстрировать это, нам пона
добится немного чистой воды, но не той, которую
можно набрать из-под крана. Чистая вода раньше
называлась дистиллированной водой. Получали
ее, кипятя обычную воду, а затем конденсируя пар,
оставляя, таким образом, все примеси в исходном
чане. В настоящее время п роцесс дистилляции
для получения ч истой воды используется редко,
поскольку он слишком энергозатратный. Вместо
этого п рименяется п роцесс обратного осмоса,
а полученная таким образом ч истая вода назы
вается деионизованной. П риставка «де» означает
действие или состояние, п ротивоположное вы
ражаемому слову, которому она предшествует.
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Сопротивление клея
5
То есть, деионизованная вода не содержит ионов,
и поэтому неудивительно, что она не слиш ком хо
рошо проводит электричество.
Налейте в чашку дистиллированной или де
ионизованной воды и опустите в воду щупы ом
метра на расстоян и и около пяти сантиметров
друг от друга. Омметр должен показывать сопро
тивление свыше 1 МОм. Теперь растворите в воде
немного соли и снова замерьте ее сопротивление.
Показания омметра должны быть знач ительно
ниже. Это объясняется тем, что соль является ис
точ ником ионов.
Возникает вопрос, где проходит граница, раз
деляющая п роводники от изоляторов. Чтобы отве
тить на этот вопрос, нужно знать, как измеряется
удельное сопротивление2• В этом нет ничего слож
ного: если R - соп ротивление объекта в омах,
А - его площадь в квадратных метрах, а L - дли
на в метрах, тогда:
Удел ь н о е с о противление
=
(R * А)
/ L
Удельное сопротивление измеряется в
Ом·метрах (Ом·м). Удельное соп ротивление хо
рошего проводни ка - например, алюминия,
составляет около 0,00000003 Ом·м, т. е. 3, делен
ное на 1 00 миллионов. С другой стороны ш калы
удельное сопротивление очень хорошего изо
лятора - например, стекла, составляет около
1 ООО ООО ООО ООО (один триллион) Ом·м.
Где-то посредине этих крайностей находятся
полупроводники. Например, удельное сопротив
ление кремния составляет около 640 Ом·м, но его
можно уменьшить, легировав кремний примеся
ми и приложив напряжение смещения, чтобы сти
мулировать поток электронов.
Какое удельное сопротивление клея П ВА?
Я оставлю вычисл ить это вам в качестве домаш не
го задания. Подсказка - используйте мультиметр.
А как насчет удельного соп ротивления картона?
Оно такое высокое, что разве можно его как-либо
измерить? Подумайте, не сможете ли вы сообра
зить, как это сделать.
С Д ЕЛ А Й Т Е ЧУТЬ Б О Л Ь Ш Е
Что произойдет, если в этом эксперименте
увеличить ш ирину полоски клея в три или четы
ре раза? А если в схему вставить два светодиода,
соединенных параллельно? А последовательно?
И хотя, вы, возможно, думаете, что знаете от
веты на эти вопросы, всегда неплохо подтвердить
свои п редположения экспериментальным путем.
Как я упоминал ранее, неправильно подклю
ченный транзистор будет в определенном смысле
работать. Как правило, транзистор может выдер
жать небольшое обратное напряжение между ба
зой и эмиттером (обычно, меньшее, чем 6 вольт),
но 9 вольт, которое выдает батарейка, скорее
всего, его повредят. Однако п роизойдет ли это на
самом деле, если вы решите, все же, попробовать
подкл ючить его с обратным нап ряжением? А если
п роизойдет, то почему? Если вы исследуете эту си
туацию более тщательно, то сможете узнать, как
организован ы слои транзистора и как заряд пере
мещается из одного слоя в другой. А это весьма
полезная информация.
Транзистор, который был неправильно под
ключен в схему, может быть поврежден, и его нель
зя использовать дальше. Но можно проверить,
действительно ли транзистор был поврежден, срав
нив его функционирование с заведомо исправным
транзистором. Процедура для этого описывается
в следующем эксперименте.
2
Физич ески й смысл удельного сопротивления в тех
нике: сопротивление однородного куска проводника
длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 мм2•
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-т-----
2
ЭКСПЕРИМЕНТ 2.
ВЫ ПОЛ Н Я ЕМ ВЫЧ ИСЛЕНИЯ
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Мой план таков. С прицелом на после
дующие эксперименты я опишу сначала ряд
компонентов, которые не рассматривались
в книге «Электроника для начинающих».
Первыми из них станут:
-
-
:
•
1
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-------
Помните, что список компонентов для каждого
эксперимента можно найти в конце кни ги
в приложении.
:
Требован и я
•
фототранзистор;
•
компаратор;
•
операционный усилитель.
На основе этих устройств в экспериментах
с 3-го по 14-й мы создадим несколько интерес
ных и увлекательных проектов и научимся при
этом проектировать схемы с использованием
аналоговых компонентов.
Далее мы поработаем с цифровыми ми
кросхемами - такими как:
•
логические вентили;
•
кодеры, декодеры и мультиплексоры;
•
счетчики и сдвиговые регистры.
А затем будут обсуждаться датчики и
вопросы исследования случайных процессов ...
Но прежде всего здесь и сейчас я хочу убедить
ся в том, что вы хорошо знакомы с нескольки
ми основными понятиями. Даже если вы счи
таете, что действительно полностью понимаете
их, некоторые пробелы в знаниях могут иметь
даже хорошо осведомленные люди, поэтому
выделите себе необходимое время, чтобы пол
ностью прочитать этот раздел. Содержащаяся
в нем информация понадобится вам для пони
мания последующих экспериментов.
Я полагаю, что вы уже собрали стабили
зированный источник питания постоянного
тока напряжением 5 вольт, рассмотренный
ранее (см. рис. 0.2) . Всякий раз, когда в схеме
встречается слово «стабилизированный», это
означает, что требуется стабилизированный
источник питания, собранный на микросхе
ме LM7805 и двух конденсаторах. Поскольку
в этом эксперименте мы станем выполнять
точные измерения, нам потребуется каче
ственный стабилизированный источник на
пряжения.
Токи транзисторов
В электронике не обойтись без вычисле
ний. Более того, вычисления следует рассма
тривать как своих ближайших помощников ведь они предоставляют нам информацию
о происходящих в схемах процессах. Не обой
тись нам и без точных измерений, поскольку
неточные измерения совершенно бесполезны
и могут ввести нас в заблуждение.
Поэтому я хочу сейчас повторить экспе
римент 1, но с использованием подстроеч-
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Эксперимент 2
8
ного потенциометра вместо полоски клея
и вольтметра вместо светодиода, чтобы можно
было замерить параметры функционирования
схемы (этот эксперимент похож на экспери
мент 10 из книги �электроника для начинаю
щих�.>, но с более глубоким рассмотрением во
просов усиления).
Есть у вас способности к выполнению
точных измерений? Сейчас самое время
узнать это.
•
Шаг 1. Первым делом настройте свой
мультиметр на измерение микроампер
постоянного тока. Если мультиметр спо
собен автоматически выбирать диапазон
измерений, то просто вставьте красный
щуп в гнездо для измерения тока и устано
вите переключатель выбора типа измере
ний на измерение постоянного тока. Если
же возможности автоматического выбора
диапазона измерений у мультиметра нет,
кроме указанных действий переключатель
выбора типа измерений нужно установить
конкретно на микроамперы. В любом слу-
чае, убедитесь в том, что выбрано измере
ние постоянного тока, а не переменного,
а также в том, что красный щуп вставлен
в гнездо для измерения тока.
Для выполнения измерений мульти
метр подключен к схеме, как показано на
рис. 2.1.
Если вам в этой схеме что-либо непонят
но, посмотрите на рис. 2.2. Здесь показан
мультиметр с ручным выбором диапазона
измерений, измеряющий в микроампе
рах ток, протекающий между подвижным
контактом потенциометра и базой транзи
стора 2N2222. Мультиметр подсоединен
к точкам измерения с помощью гибких
проводников с мини-клипсами. Скручен
ные провода, подходящие к макетной пла
те справа, подают на нее стабилизирован
ное питание напряжением 5 вольт по
стоянного тока. Показания мультиметра
здесь приводятся просто для наглядности
и не отображают никаких действительных
замеров.
На рис. ЦВ-2.31 эта же макетная плата по
казана крупным планом. Красный и черный
провода слева, вставленные в плату наконеч
никами, идут от мультиметра. Ориентация
потенциометра такая же, что и на принципи
альной схеме, - с тем, чтобы каждый из его
выводов был вставлен в отдельный ряд гнезд
на макетной плате. Если потенциометр раз
вернуть на 90 градусов, два из его выводов по
падут в один и тот же ряд гнезд, что нарушит
его функционирование.
Проверните регулятор подстроечного по
тенциометра в ту или иную сторону, пока
мультиметр не станет показывать 5 мкА.
Это будет ток базы, т. е. ток, текущий че
рез подстроечный потенциометр в базу.
•
Шаг 2. Запишите значение тока базы.
Ведение лабораторного журнала - вели-
1
Р исунки с префиксом Ц В вынесены также на цвет
ную вклейку.
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Выполняем вычисления
9
колепная идея, так почему бы не начать де
лать это сейчас? Запись всех шагов каждого
эксперимента поможет вам освежить свою
память в дальнейшем. Для этой цели удоб
но использовать записную книжку Maker's
Notebook компании «Maker Shed» (http://
www.makershed.com) .
•
Шаг 3. Удалите мультиметр из схемы и
соедините точки его прежнего подклю
чения перемычкой. Установите диапазон
измерений мультиметра на измерение
миллиампер (если ваш мультиметр не об
ладает функцией автоматического выбора
диапазона измерений) и подключите его в
схему, как показано на рис. 2.4.
На рис. ЦВ-2.5 показана эта конфигурация. Желтая перемычка соединяет точки, в
которые раньше был подключен мультиметр,
а мультиметр теперь подключает плюсовую
шину макетной платы к коллектору транзи
стора.
•
Шаг 4. Рядом с записанным ранее значе
нием тока базы запишите в журнал теку
щее показание тока коллектора.
•
Шаг 5. Возвратите схему в состояние для
шага 1, но увеличьте с помощью подстро
ечного потенциометра ток базы на 5 мкА
(не забудьте переключить мультиметр на
измерение микроампер, если это необхо
димо).
Повторите шаги 1 -5, занося полученные
показания в таблицу. Распишите в ее самом
левом столбце ток базы от 5 до 40 мкА с шагом
в 5 мкА, а в следующем столбце - ток коллек
тора для соответствующего тока базы. Всего
у вас получится восемь замеров, что не так
трудно и провести, хотя перемещать щупы
мультиметра туда-сюда достаточно скучно.
Результаты должны получиться близкими к
значениям первых двух столбцов таблицы,
приведенной на рис. 2.6, где записаны резуль
таты моих замеров. Ваши результаты похожи
на них?
Рис. 2.2. Установка мулыиметра для измерения в микро
амперах тока, протекающего от скользящего контакта по
тенциометра к базе транзистора 2N2222
Рис. ЦВ-2.3. Крупный план макетной платы с рис. 2.2
Стабилизированное �:tапряжение
5 е nосrоянного тока
1М
П одсrроечный
� потенциометр
регулирует ток,
текущий в базу
транзистора
Рис. 2.4. Теперь мультиметр измеряет ток, текущий в кол
лектор транзистора
Теперь нам нужно преобразовать каж
дое значение тока коллектора из миллиампер
в микроамперы, поскольку его потребуется де
лить на ток базы, а операцию деления можно
выполнять только с величинами одного по
рядка в числителе и знаменателе. Один милли
ампер содержит 1 ООО микроампер, поэтому
мы просто умножаем значение тока коллек
тора на 1 ООО, чтобы получить его эквивалент
в микроамперах. В таблице на рис. 2.6 ток
коллектора в микроамперах указывается
в третьем столбце.
Наконец, возьмите калькулятор и разде
лите ток коллектора (в микроамперах) на ток
базы для каждой соответствующей пары этих
показаний. После двух-трех вычислений вы
увидите, что соотношение получается почти
постоянное. На рис. 2.6 это соотношение зане
сено в четвертый столбец.
1
1
1
Результат деления тока коллектора на ток базы
показывает коэффициент усиления
1
1
транзистора.
L
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
�
В Н И МА Н И Е :
опасность повреждения
мультиметра !
Рис. ЦВ-2.5. Красный и черный провода слева идут к мультиметру, который сейчас измеряет ток, текущий в коллектор транзистора
При измерении тока следует соблюдать осто
рожность, поскольку сли ш ком большой ток может
сжечь предохранитель мультиметра. Так что, не
плохо иметь под рукой несколько запасных пре
дохранителей. Кроме того, закончив измерять ток
и отложив мультиметр в сторону, можно забыть
переместить щуп из гнезда для измерения тока
в гнездо для измерения напряжения. Поэтому
следует выработать привычку перемещать щуп
в гнездо для измерения напряжения, прежде чем
отложить мультиметр, поскольку в этом положен и и щупа стойкость мультиметра к ошибочным
подключениям намного выше.
Сокращения
и специ ф икации
Обратите внимание на сокращения IБ и Iк
в «шапке» таблицы на рис. 2.6. Вспомните, что
латинской буквой 1 обычно обозначается ток.
Поэтому, если вы думаете, что IБ означает ток
базы2, а Iк - ток коллектора3, то так оно и есть.
Эти сокращения используются практи
чески во всех спецификациях транзисторов и
обычно означают максимально допустимые
значения. Учитывать эти значения очень важ
но. Если вы задумываетесь о разработке соб
ственного проекта, знание максимальных зна
чений тока базы и коллектора позволит вам
выбрать транзистор, который сможет в вашей
схеме работать без перегрузки.
А как вы думаете, что означает сокращение
1/ Если вы полагаете, что это ток, исходящий
из эмиттера, вы опять правы. Но это сокраще2
3
Iв
Ic -
-
в английских спецификациях.
в английских спецификациях.
""'·'"""""""··· · ·
.
.
-- . . '"."".·."'"
. "."""".'·-'"
. -
ние используется менее часто по той причине,
что Iэ - на самом деле производное от IБ и lк.
Ведь ток, входящий в транзистор через базу
и коллектор, может выйти из него только
через эмиттер. Поэтому:
Iэ
=
IБ
+
r.
Далее приводится несколько других ча
сто используемых сокращений характеристик
транзисторов типа NPN:
напряжение источника питания.
•
Vсе
Это сокращение расшифровывается как
«Voltage at Common Collector»4. но приме
няется для обозначения напряжения пи
тания даже в тех случаях, когда схема не
содержит биполярных транзисторов;
•
VcE - разность напряжений между коллек
тором и эмиттером;
•
Vсв - разность напряжений между кол
лектором и базой;
•
VвЕ - разность напряжений между базой
и эмиттером.
-
4
Напряжение на общем коллекторе.
2.Т
3.2
25
30
35
40
4.3
4300
215
6.4
6400
213
8.6
8600
5.3
7.5
5300
7500
212
214
215
Рис. 2.6. Сравнение тока базы с током коллектора транзи
стора NPN
20 25
Ток базы (в мкА)
30
35
40
Рис. 2.7. График значений из первых двух столбцов табли
цы на рис. 2.6
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Эксперимент 2
12
В спецификациях транзисторов также
указывается значение бета транзистора, при
этом часто используется греческая буква 13.
Эта величина обозначает коэффициент уси
ления тока базы транзистора и вычисляет
ся простым делением тока коллектора на ток
базы (Iк/16) , как мы делали это в шаге 5 ранее.
Обратите внимание, что четвертый столбец
в «шапке» таблицы на рис. 2.6 так и называет
ся: Значение б ета.
Постоянство значений бета в этом столб
це говорит о том, что наш транзистор пред
ставляет собой линейное устройство. Иными
словами, если мы построим график значений
бета, то получим прямую линию (рис. 2. 7) .
Вы можете построить такой график по
данным своих замеров, используя соответству
ющее программное обеспечение (например,
Excel) или обычную бумагу-миллиметровку.
Кстати, блокноты Maker's Notebook содер
жат достаточное количество страниц для по
строения графиков. Кроме того, в Интернете
есть много сайтов, откуда можно загрузить
документы PDF, распечатав которые на прин
тере, вы получите разлинованную бумагу для
построения графиков. Для этой же цели в
Интернете также предлагаются и программы.
Просто выполните поиск по ключевым словам
п е ч а т а т ь миллиме т р о в к у .
Но почему значение бета, будучи доволь
но постоянным, тем не менее не точно одина
ковое для всех пар значений тока базы и кол
лектора? Это может объясняться двумя при
чинами. Во-первых, сами мультиметры вносят
определенные погрешности в измеряемые зна
чения (особенно при измерении очень низких
значений тока в микроамперном диапазоне) .
А во-вторых, транзисторы могут иметь те или
иные погрешности изготовления, способные
повлиять на постоянство их функциониро
вания. Тем не менее, коэффициент усиления
транзисторов достаточно стабильный, чтобы
позволить использование их для усиления
чувствительных флуктуирующих сигналов, таких, например, как аудиосигналы. А уж для
тех случаев, когда транзистор служит в каче
стве выключателя, этот аспект вовсе не столь
важен.
И вот еще один вариант вопроса об оди
наковости значений: почему значения ва
ших измерений могут несколько отличаться
от моих? Да потому, что как ваша, так и моя
схемы содержат много неуправляемых пере
менных. Так, мы можем использовать муль
тиметры разных производителей, или наши
стабилизаторы напряжения могут иметь слег
ка разные характеристики, или щупы мульти
метра (моего или вашего) создают не совсем
качественный контакт. Кроме того, изменение
температуры транзистора также может слегка
изменить его рабочие характеристики. Мир
битком набит неконтролируемыми перемен
ными, от которых мы никогда не сможем из
бавиться.
И, как уже отмечалось ранее, в процессе
производства получаются транзисторы, слегка
отличающиеся друг от друга по своим рабо
чим характеристикам. Поэтому в специфика
ции транзистора может указываться диапазон
значений бета для устройств одного и того же
типа, а это означает, что независимо от точно
сти вашего мультиметра, он будет показывать
разные значения для разных экземпляров
транзистора.
Разработчики программного обеспечения
привыкли использовать абсолютно точные
значения, но в мире аппаратного обеспечения
самое лучшее, чего можно достичь, - это реа
лизации схем, которые будут выдавать доста
точно постоянные результаты в разумном диа
пазоне обстоятельств. Просто так оно есть.
А как насчет нап ряжения ?
Возможно вы помните из книги «Элек
троника для начинающих», что транзистор
представляет собой усилитель тока. Это всегда
говорится в книгах для начинающих, и зна
чением бета измеряется усиление по току. Но
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
1З
Выполняем вычисления
при этом часто забывают упомянуть, что на
пряжение на эмиттере транзистора NPN также
имеет склонность изменяться в соответствии
с изменениями тока базы, при условии, что
все остальные факторы (такие как нагрузка на
транзистор) не меняются.
На рис. 2.8 представлена принципиальная
схема эксперимента, который доказывает это.
Помните, что напряжение чаще всего из
меряется между интересующей нас точкой
в схеме и минусом источника питания. Поэтому
не включайте в этой схеме мультиметр после
довательно с резистором номиналом 470 Ом!
Еще одно напоминание: не забудьте настроить
свой мультиметр на измерение напряжения,
а не тока, а также переместить красный щуп
в соответствующее гнездо мультиметра, если
мультиметр оснащен отдельными гнездами
для измерения тока и напряжения.
Мультиметр
измеряет
напряжение
на коллекторе
Стабилизированное
напряжение
5 В постоянного тока
)
2N2222
Мультиметр
(на вольтах)
Измерения напряжений, которые я снял
для изменений тока базы, показаны в послед
нем столбце таблицы на рис. 2.6. А на рис. 2.9
представлен график тока базы и напряжения
эмиттера. Опять же, это довольно-таки пря
мая линия.
Если транзистор является усилителем
тока, то каким образом он также изменяет
вместе с током и напряжение на эмиттере?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рас
смотрим, что в действительности происходит
внутри транзистора:
•
увеличение тока базы вызывает уменьше
ние эффективного внутреннего сопротив
ления транзистора. Этим и объясняется
увеличение протекающего через транзи
стор тока;
•
но поскольку последовательно транзи
стору подключен резистор (номиналом
в 470 Ом), то эти два компонента создают
что-то типа делителя напряжения.
Напряжение измеряется
на резисторе номиналом
в 470 Ом , включенном
между эмиттером
и минусом питания
("землей")
470
-
1М
L
:i'Q
Рис. 2.8. В этой конфигурации мультиметр измеряет напря
жение между эмиттером транзистора и минусом источника
питания {не забудьте установить переключатель типа изме
рений на измерение напряжения)
�
.""
'1а *� �:а
Ток базы (в мкА)
"
�
""
"
�.i �'Q
Рис. 2.9. Для транзистора 2 N 22 2 2 напряжение на эмиттере
изменяется почти линейно с изменением тока базы. Этот
график построен по данным таблицы на рис. 2.6
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
Эксперимент 2
14
Возможно, в ы помните по книге «Элек
троника для начинающих» , что два подклю
ченных последовательно сопротивления раз
деляют напряжение между собой, - при этом
напряжение на каждом из них зависит от но
минала одного относительно другого. Если
первое сопротивление имеет низкий номи
нал, на нем не происходит значительного
падения напряжения, поэтому второе сопро
тивление вызывает большее падение напря
жения, и наоборот.
Посмотрите на рис. 2.10. В этой схеме
вместо транзистора, подключенного последо
вательно с резистором номиналом в 470 Ом,
я использовал резисторы разных номиналов.
Можете ли вы сказать, какие напряжения бу
дут в точках А, В, С и D? Этот расчет вы може
те очень быстро провести сами. А свои ответы
я дам в конце главы.
Напоминаю формулу для вычисления на
пряжения в средней точке между двумя сопро
тивлениями. Используемые в формуле обо
значения имеют следующий смысл:
•
•
•
•
Vм - напряжение в средней точке5;
Vсе напряжение источника питания;
Rl - значение сопротивления (в омах) на
плюсовой стороне.
R2 - значение сопротивления (в омах) на
минусовой стороне (как на рис. 2.10).
-
Формула выглядит следующим образом:
VM
Стабилизированное
напряжение
5 В постоянного тока
R1=1K
R2=470
R1=220
R2=470
Рис. 2.10. Понятие делителя напряжения я вляется одним
из основных понятий электроники. Вам необходимо четко
его понимать
=
vcc *
( R2
/
( R l + R2 ) )
Возможно, сейчас вы уже понимаете, по
чему напряжение на эмиттере транзистора
возрастает с увеличением тока базы в схеме
на рис. 2.8? Ток базы уменьшает эффектив
ное внутреннее сопротивление транзистора.
Поэтому транзистор создает меньшее эффек
тивное сопротивление между эмиттером (на
котором измеряется напряжение) и плюсом
источника питания. Соответственно, возрас
тает измеряемое напряжение на эмиттере, как
и показано на рис. 2.11.
Напряжение на эмиттере никогда не мо
жет быть большим, чем напряжение источни
ка питания. Точно так же напряжение на базе
транзистора всегда будет где-то между нулем
и напряжением источника питания. Почему
так? Потому что напряжение на базе берется
со скользящего контакта потенциометра но
миналом 1 МОм, который играет роль другого
делителя напряжения, - между плюсом и ми
нусом источника питания.
Поскольку напряжение на эмиттере не
может превышать напряжение на базе, можно
сделать вывод, что биполярный транзистор не
усиливает напряжение.
5
М
-
middle point (сред няя точка).
Created by lerkom for rutracker.org 27/03/2016
15
Выполняем вычисления
Стабилизированное
напряжение
5 В постоянного тока
Более
в ысокое
измеряемое
напряжение
Стабилизированное
н;
"
·
_
..
'
Операционный .
. ; усилитель
�
-
'
.
\
"
-
Уси л и вае т с и гнал
".:1• "'
��
.'
y:,\t'.t ���....
'
•
tt
":
...
·.;:"
Транзистор · :
.
,�
·
,�"
"'
Ус и л и вает ток
и корректи рует н апряжен и е
·
·
"·" .
'
Сглаживающий
конденсатор.
·
' ."
,
С глаж и вает на пряжен и е
Таймер 555
Создает с и гнал з вуковой
частоты пр и высоком уровне
н а пряже н и я на вы воде сброса
П рекра щ ает подачу с и гнала
пр и н и з ком уровне
н а пряжен и я н а вы воде сброса
Рис. 1 3.9. Эта блок-схема иллюстрирует взаимодействие
каждой части схемы устройства протеста против крика
с его следующей частью
Настройте подстроечный потенциометр номи
налом 1 МОм на предоставление максималь
ного сопротивления обратной связи и начните
громко кричать в микрофон. После короткой
задержки, когда зарядится конденсатор номи
налом 100 мкФ, динамик снова должен начать
издавать свистящий звук, который будет про
должаться до тех пор, пока вы не прекратите
кричать в микрофон.
Это ожидаемый режим работы схемы.
Собранная мною схема так и работала, но
только едва-едва и лишь с хорошим сетевым
источником питания. При использовании в
качестве источника питания 9-вольтовой ба
тарейки работа схемы становилась непредска
зуемой.
Это очень печально, но, как я сказал в са
мом начале этого проекта, первая версия схе
мы не обязательно станет работать. как ожи
дается.
Поэтому теперь нужно выяснить, что же
является причиной проблемы. Замеры напря
жения в разных точках схемы дают очевидный
ответ: диапазон напряжений в точке «Е» оста
вался нормальным только до тех пор, пока к
нему подключался лишь вольтметр, но как
только подключался таймер 555, все резко ме
нялось.
Проблема в том, что спецификация тайме
ра 555 раскрывает об этой микросхеме не все.
Я полагал, что вывод сброса будет иметь вы
сокий импеданс - подобно входу логических
микросхем, но, похоже, это не так. Кроме того,
я полагаю, что емкости 100 мкФ для сглажи
вающего конденсатора недостаточно, так как
он допускает пульсации или всплески тока.
достаточные, чтобы повысить напряжение на
выводе сброса таймера. А это, в свою очередь,
позволяет таймеру продолжать работать, даже
когда микрофон улавливает очень мало звука.
В любом случае, выход микрофона ока
зывается несовместимым с таймером. Что же
теперь делать? В таких ситуациях есть два ва
рианта действий:
Не кричать!
•
•
возиться со схемой, пытаясь заставить ее
работать;
попробовать что-то совершенно иное.
Первый вариант всегда кажется более
уместным, чем начинать все с начала. Конечно
же, он не часто оказывается таковым, но все же
я его попробовал. В частности, я изменил на
пряжение на выводе сброса, добавив еще один
делитель напряжения. На схеме (см. рис. 13.7)
это резисторы, помеченные символами «F» и
«G». Я не прибегал ни к каким вычислениям,
чтобы определить требуемое сопротивление
этих резисторов, а просто экспериментировал
с разными их значениями.
Это несколько помогло, но я все же не счел
работу схемы достаточно надежной. В частно
сти, у меня из динамика слышались щелкаю
щие звуки или последовательности быстрых
пикающих звуков. Прослушивалась также и
скрипучая версия свистящего звука, что наво
дило на мысль, что она создавалась мелкими
пульсациями выходного сигнала транзисто
ра. Я попробовал заменить конденсатор ем
костью 330 мкФ на 100 мкФ, но это лишь вы
звало осцилляцию. Пробовал я и конденсатор
емкостью 47 мкФ. Вы можете поэксперимен
тировать с конденсаторами таких номиналов,
чтобы посмотреть, улучшат ли они работу ва
шей схемы.
Проблемы с п итанием
Это очень раздражает, когда схема не ра
ботает, как от нее ожидалось, но, как всегда,
в поисках причины проблемы следует быть
методичным.
Я полагаю, что в качестве источника пи
тания вы используете 9-вольтовую батарейку.
В таком случае вновь отсоедините вывод 4 тай
мера 555 от схемы, чтобы динамик снова начал
издавать свой неприятный звук. Подсоедините
минусовый щуп вольтметра к минусовой шине
1 13
макетной платы, а плюсовой - к точке «В»,
в которой соединены два резистора номина
лом по 68 кОм. Если вы помните, в этой точке
схемы создается опорное напряжение, которое
операционный усилитель сравнивает с напря
жением сигнала, поступающего с микрофона.
Выставьте мультиметр на измерение напряже
ния постоянного тока.
Заметьте показываемое напряжение, а за
тем отсоедините провод, подающий «плюс»
питания на таймер 555. После отключения
питания таймера, которое должно вызвать
прекращение звука из динамика, я готов спо
рить, что вы обнаружите изменение опорного
напряжения. Дело в том, что хотя таймер 555
и не потребляет много тока в процессе работы
в автоколебательном режиме (возможно, око
ло 20 мА) , этого достаточно, чтобы вызвать
падение напряжения на 9-вольтовой батарей
ке. Это падение может изменить опорное на
пряжение как раз на ту величину, чтобы нару
шить выходной сигнал операционного усили
теля, вследствие чего понизится напряжение
в точке «Е», и таймер выключится. Но когда
таймер перестает работать, потребление им
тока уменьшается, вследствие чего напряже
ние на батарейке повышается, и таймер сно
ва запускается, что и объясняет возможные
осцилляции.
Даже если эта проблема и не наблюдается
в вашей схеме сейчас, она (или скребущие зву
ки, или непрерывное пиканье из динамика) ,
скорее всего, возникнет, когда напряжение ба
тарейки понизится в процессе ее нормального
срока службы.
Далее приводятся несколько возможных
решений этой проблемы. Сразу оговорюсь,
что мне не очень нравится ни одно из них, но
их легко реализовать.
•
Всегда используйте нормальный сете
вой источник питания вместо небольшой
батарейки. Моя версия схемы работает
довольно надежно от стабилизирован
ного сетевого лабораторного источни-
Эксперимент 13
1 14
В общем, нам не стоило возиться с этой
схемой, чтобы заставить ее работать долж
ным образом. Как я сказал ранее, схема долж
на надежно работать без малейших проблем.
Я пришел к выводу, что ошибся, начав дора
ботку этой схемы, чтобы заставить ее рабо
тать. Мне следовало попытаться сделать что
то совершенно иное.
вой же неудачи, а учатся на своем опыте, пусть
и неудачном.
Если что-то выходит отлично с первой же
попытки, это нас не может научить многому.
Настоящий процесс получения знаний начи
нается, когда мы сталкиваемся с проблемами.
Так какие же знания мы получили из этого
эксперимента?
•
Мы видели, что работа схемы с усиле
нием может становиться нестабильной.
Нежелательная обратная связь и осцил
ляция являются частым явлением в таких
схемах.
•
Мы узнали, что источник питания пред
ставляет собой нечто большее, чем про
стой пассивный источник тока. Это актив
ный компонент схемы, а батарейка имеет
ограничения, которые не присущи сетево
му адаптеру.
•
Мы узнали, что работу схемы необходимо
проверить разными способами (например,
используя источники питания разных ти
пов) , вместо того, чтобы говорить: «Схема
работает у меня, а если она не работает у
вас, то это ваша проблема».
•
Мы узнали, что если одна часть схемы
только минимально совместима с другой
ее частью, этого, скорее всего, будет не
достаточно для приемлемой работы всей
схемы.
П рова л ?
И напоследок
Так что же, вся моя работа над этой схе
мой была напрасной? Нет, мне не нравится это
слово, поскольку оно означает, что мы потра
тили время впустую. В действительности же,
почти каждому успешному человеку приходи
лось пробовать стратегии, которые не давали
желаемого результата. Но люди становятся
успешными потому, что не сдаются после пер-
Когда я возился со схемой, случилось
что-то, о чем я еще не упоминал. Я случайно
поднес динамик близко к микрофону. Можете
угадать, что при этом произошло? Звуковая
обратная связь, конечно же! Когда динамик
выдавал свой протестующий выход, микрофон
уловил его. Но микрофон недостаточно умен,
чтобы уловить разницу между протестующим
ка питания и с некоторой заминкой от
сетевого адаптера с выбором выходно
го напряжения производства компании
«RadioShack».
•
•
•
Используйте две 9-вольтовые батарейки:
одну для верхней части схемы, а вторую для нижней. Первая батарейка пусть за
питывает операционный усилитель, а вто
рая - таймер. Но «минус» обеих батареек
должен быть подключен к общей «земле».
Используйте источник питания более вы
сокого напряжения ( 12 вольт постоянного
тока или больше) , которое затем прохо
дит через 9-вольтовый стабилизатор. Это
должно сгладить колебания в потребле
нии тока.
Увеличьте сопротивление резистора, под
ключенного последовательно с динами
ком. Хотя стойте, это понизит громкость,
а вся идея этого проекта и состоит в том,
чтобы издавать громкий звук, когда кто
то начинает громко говорить.
выходом и криком, поэтому схема продолжала
работать в активном режиме. Таким образом,
протестующий выход пошел по кругу, не пере
ставая.
Но это уже не аппаратная, а принципи
альная проблема. Принцип устройства, отве
чающего на крик человека еще более громким
звуком, был неверным с самого начала. В ре
зультате схема начала кричать сама на себя!
Предвидели ли вы такое развитие, когда
читали описание устройства? Я нет, так как за
шорился на реализации схемы, что случается
со мной довольно часто при разработке ново
го устройства. Я сфокусировался на конечной
цели (которой, в данном случае, было созда
ние громкого звука в ответ на чей-то крик)
и упустил из виду более широкую картину.
Часто очевидная проблема не обнаружи
вается до тех пор, пока прототип уже не собран
и не запущен в работу. А тогда вы чувствуете
себя неловко, поскольку все говорят: «Да это
же должно было быть очевидным!»
Однако это еще один ценный процесс на
бирания опыта. Независимо от того, сколько
опыта у вас уже может быть, вы можете не
предвидеть «очевидную» проблему. Возьмем
наугад один классический пример: рассказы
вают, что Стив Джобс носил в кармане один
из первых прототипов первого iPhone пару
недель, пользуясь им экспериментально. Это
было меньше чем за два месяца до запуска
устройства в производство. Он обнаружил, что
.
1 15
за этот короткий период времени пластиковый
экран потерся и исцарапался. Ну, ему следова
ло ожидать этого? Ведь это должно было быть
очевидным, не так ли?
Возможно, разработчики iPhone предпо
лагали, что использовать пластик для экра
на - это единственно возможное решение, так
как стеклянный экран можно было бы очень
легко разбить. Но когда Джобс увидел потер
тый экран своего iPhone, он захотел заменить
его стеклянным, хотя устройство было на гра
ни запуска в производство, а требуемое тонкое
и чрезвычайно крепкое стекло не было до
ступно в необходимом объеме. Он столкнулся
с «очевидной» проблемой, о которой никто, по
сути, особо не задумался, и, вместо того, чтобы
пожать плечами и смириться с ней, иницииро
вал процесс новой разработки огромного мас
штаба, чтобы решить эту проблему.
Руководствуясь этим примером, я не со
бираюсь просто пожать плечами и сказать:
«Что ж, мы можем прикрутить громкость
протестующего выхода, чтобы устройство не
перезапускало самое себя, и этого, вероятно,
должно быть достаточно» . И я, определенно,
не собираюсь сказать: «Устройство протеста
против шума не работает должным образом,
так что забудем о нем, и двинемся дальше».
Я собираюсь сделать то, что сделали бы вы.
если бы разрабатываемый вами продукт ока
зался дефектным. Я намереваюсь исправить
этот дефект.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
14
ЭКСПЕРИМЕНТ 1 4.
УДОВЛЕТВОРЕННЫЙ П РОТЕСТ
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Сначала я повторю суть проблемы. Она
та же, что и для первоначального варианта
устройства протеста против крика, которое
я разработал в предыдущем эксперименте, если кто-то начинает громко кричать, должен
запуститься непрерывный протестующий звук.
Каким образом можно этого добиться?
Одно из решений - поставить на микро
фонный вход аудиофильтр, чтобы устройство
протеста против шума не могло бы слышать
издаваемый им самим громкий звук, но при
этом продолжало слышать чужие крики. Это
возможно, но я не уверен, что такой подход
окажется надежным.
Другим решением могло бы стать огра
ничение длительности протестующего звука,
скажем, парой секунд, с последующей неболь
шой паузой. Поскольку в конце паузы проте
стующего звука нет, он не может снова запу
стить схему, и если к этому времени никто уже
больше не кричит, значит, устройство выпол
нило свою работу и может молчать и дальше.
Но если же крик продолжается, то цикл по
вторится.
Эта постановка задачи более сложная, чем
первоначальная, однако так обычно и про
исходит после создания первого прототипа.
Даже если он и работает хорошо, обычно об
наруживается, что ему недостает каких-либо
желательных возможностей, и требуется со
здать второй прототип. С каждой написанной
мною книгой и с каждым созданным мною
устройством, мне самому или клиенту - по
сле доставки ему первой версии устройства всегда хотелось чего-то большего.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
...,..----
-
�-----
Самое главное п равиль но рассчитать
время
Но как установить предел времени зву
чания протестующего звука? Конечно же,
с помощью таймера, работающего в моноста
бильном режиме. А как сделать паузу после
протестующего звука? Может быть, первый
таймер, по завершении своего цикла, станет
запускать второй? Это выполнимо. В книге
«Электроника для начинающих» я показывал,
как один таймер может запускать другой.
Чтобы различить эти два таймера, я при
свою имена каждому из них. Пусть первый
называется таймер длительности протеста,
а второй - таймер длительности паузы.
Таймер длительности протеста будет ак
тивироваться операционным усилителем. Но
погодите, это ведь как раз тот момент, когда
в предыдущей версии устройства начинались
все мои проблемы. Да, но свойства вывода за
пуска таймера 555 значительно отличаются
от свойств его вывода сброса. Прежде всего,
при напряжении питания 9 вольт постоянного
тока для запуска таймера требуется напряже
ние ниже 3-х вольт, в то время как для сбро
са - ниже одного вольта. Кроме того, в слу
чае каких-либо колебаний напряжения после
запуска таймера, они игнорируются до конца
цикла.
Вот видите, почему столь важно изуче
ние спецификаций компонентов - именно из
Эксперимент 74
1 18
них мы можем узнать все эти подробности.
В любом случае, я полагаю, что смогу до
биться, чтобы вывод запуска таймера работал
с выходом операционного усилителя LM741.
Тогда выходной сигнал таймера длительности
протеста будет включать какое-либо готовое
устройство подачи звукового сигнала - на
пример, зуммер или сирену охранной сигна
лизации, что по - настоящему заставит крича
щего обратить внимание на свое поведение.
Стоимость зуммера составит не более пары
долларов, а сирены - где-то ближе к десяти.
Любое из этих устройств сможет работать от
источника питания напряжением 9 вольт.
По завершении цикла таймера длитель
ности протеста уровень его выходного сиг
нала переключится на низкий, что отключит
внешнее устройство подачи звукового сигна
ла. Низкий уровень выходного сигнала также
пройдет через конденсатор связи к таймеру
длительности паузы и запустит его. Теперь,
пока таймер длительности паузы обрабаты
вает свой цикл, он каким-то образом должен
предотвращать запуск первого таймера.
Для этого можно сигнал с выхода тай
мера длительности паузы подать на вывод
сброса таймера длительности протеста, чтобы
переключить его уровень на низкий. Что, мы
опять возвращаемся к использованию выво
да сброса? Да, но на этот раз выходной сигнал
таймера длительности паузы представляет со
бой постоянный ток, без каких бы то ни было
пульсаций, кроме того, он должен быть более
мощным, чем выходной сигнал операционно
го усилителя, пропущенный через транзистор.
Я полагаю, что этот подход сработает.
В конце паузы таймер длительности пау
зы снимает сигнал низкого уровня с вывода
сброса таймера длительности протеста, и, если
посетитель продолжает кричать, процесс по
вторяется.
На рис. 14.1 показана финальная версия
этой схемы. Я также обновил блок-схему про
цесса (см. рис. 13. 9) представляющую теперь
его новую логику (рис. 14.2). Финальная вер•
68К
2N2222
Рис. 1 4.1 . Доработанная схема устройства протеста против
крика
119
Удовлетворенный протест
сия устройства протеста против крика, со
бранная на макетной плате, представлена на
рис. 14.3.
Краткое описание доработки
В процессе обновления схемы я сделал
одно важное изменение - заменил с номинала
10 кОм на 4,7 кОм заземляющий резистор. ре
гулирующий отрицательную обратную связь.
Микрофон
подаваемую на операционный усилитель
LM741. В обновленной схеме (см. рис. 14.1)
этот резистор обозначен буквой «А». Это
изменение имело целью увеличить усиление
операционного усилителя и повысить его чув
ствительность. Слишком высокую чувстви
тельность можно понизить с помощью под
строечного потенциометра номиналом 1 МОм.
Выход транзистора 2N2222 был перена
правлен. и теперь вместо подавления тайме-
·
Выдает слабы й с и гна л, когда кто -то
кр и ч ит
Ус и л и вает ток и корректи рует
н а пряжен и е
•
Сглаж и вает н а пряжен и е.
С и гнал а кти ви руе т та й мер
дл и тел ь ности протеста
...
За пускает вне ш нее з вуковое
устройство . Затем а кти ви рует та й мер
дл и тел ь ности паузы
Таймер длительности паузы
П одавляет та й ме р дл и тел ьности
протеста . Возобн о вляет его работу
по окончан и и паузы
Рис. 1 4.2. Блок-схема логики финальной версии устройства
протеста против крика
Рис. 1 4.3. Финальная версия устройства протеста против
крика, собранная на макетной плате. Большой круглый
объект внизу - мощный зуммер. Схема может работать не
которое время от 9-вольтовой батарейки
Эксперимент 14
1 20
ра 555, он активирует таймер длительности
протеста сигналом низкого уровня. Если вы
помните, для этого напряжение должно быть
ниже 3 вольт (то есть одной трети напряжения
источника питания). Замерьте напряжение
в точке «В» схемы, и вы увидите, что вольт
метр реагирует на крик в микрофон.
Чтобы воочию убедиться, что схема ра
ботает, выходной сигнал таймера длительно
сти протеста подавался на светодиод, обозна
ченный в схеме буквой «D». Однако, чтобы
устройство работало по своему предназначе
нию, этот светодиод нужно заменить на зум
мер или какой-либо подобный источник звука.
Но чтобы звук на выходе был действительно
громким, может потребоваться более мощное
внешнее звуковое устройство. Для его подклю
чения лучше всего подойдет оптронная пара,
так как она полностью изолирует внешнее
звуковое устройство от чувствительной схемы
на операционном усилителе LM741. Впрочем,
вы можете использовать и небольшое элек
тромеханическое реле.
В процессе работы таймера длительности
протеста на его выходе удерживается сигнал
высокого уровня. В конце цикла уровень сиг
нала переключается на низкий. Этот перепад
напряжений проходит через конденсатор свя
зи номиналом 0,1 мкФ, кратковременно пере
силивая подтягивающий резистор номиналом
10 кОм, и активирует таймер длительности па
узы. Выходной сигнал этого таймера подается
на транзистор в нижней части схемы, который
преобразовывает его в сигнал низкого уровня
и подает на вывод сброса таймера длитель
ности протеста для его подавления. Можно
замерить напряжение в точке «С», чтобы убе
диться, что сейчас оно находится в пределах
правильного диапазона. Светодиод на выходе
таймера длительности паузы вставлен в схему
только для демонстрации ее работоспособно
сти - из рабочей версии схемы его можно ис
ключить.
Завершив монтаж схемы, подайте на нее
питание. Первоначальный всплеск напряже
ния может активировать тот или иной таймер,
но на это можно не обращать внимания.
Чтобы проверить работу таймеров, крат
ковременно закоротите на «землю» вывод 2
(запуск) каждого из них, - должен загореть
ся светодиод соответствующего таймера.
Наличие входного напряжения на выводе за
пуска первого таймера также можно прове
рить с помощью вольтметра - при громком
крике в микрофон вы должны увидеть паде
ние напряжения.
Проверка криком
Теперь громко произнесите «Аааа» в мик
рофон и держите этот звук, как можно дольше.
После возможной небольшой задержки пер
вый светодиод должен загореться примерно
на две секунды. Представьте себе, что этот вы
ход активирует внешнее звуковое устройство.
Затем первый светодиод должен погаснуть,
а второй - загореться, указывая тем самым,
что активировался таймер длительности пау
зы, который теперь подавляет таймер дли
тельности протеста. На этом этапе можно кри
чать сколько угодно - таймер длительности
протеста не будет активироваться, и его свето
диод останется выключенным до тех пор, пока
таймер длительности паузы не завершит свой
цикл.
Если в это время замерить напряжение
в точке «В» схемы, возможно, вы заметите не
которые небольшие осцилляции напряжения,
но они ни на что не повлияют, так как наша
схема имеет значительно больший допуск ко
лебаний напряжения.
Собранная мной схема устройства про
теста против крика работает отлично, и я ду
маю, что и ваша должна работать так же. Но
я хочу в заключение пояснить еще несколько
моментов.
Электролитический конденсатор номина
лом 100 мкФ (обозначенный буквой «F» на
схеме рис. 14.1) необходим, чтобы сгладить
сигнал переменного тока, который выдается
операционным усилителем и проходит через
транзистор. Но для заряда этого конденсатора
нужно около секунды, и, пока он заряжается,
таймер длительности протеста реагировать
ни на что не станет. Иными словами, между
1 21
Удовлетворенный протест
моментом, когда микрофон чслышит» крик,
и моментом, когда устройство начнет проте
стовать против этого крика, происходит не
большая задержка. Точно так же, после того
как крик прекращается, разрядка конденсато
ра занимает около секунды, в результате чего
протестующий звук может продлиться еще
один цикл.
Лично мне такое поведение нравится, так
как устройство дает крикуну некоторое время,
чтобы исправиться, но если устройство решит,
что крик будет продолжаться, оно добавит до
полнительный цикл протеста против крика,
чтобы до буяна по-настоящему дошло, что его
поведение неприемлемо.
Если вы предпочитаете более оперативное
реагирование, вместо конденсатора номина
лом 100 мкФ можно использовать конденса
тор номиналом 47 мкФ. Однако такая заме
на может вызвать самозапуск таймера дли
тельности протеста, поскольку меньшая ем
кость сглаживающего конденсатора пропуска
ет больше всплесков напряжения. Самозапуск
можно предотвратить, несколько уменьшив
сопротивление потенциометра номиналом
1 МОм. При этом чувствительность реагиро
вания должна оставаться приемлемой.
Эта схема сохраняет некоторые незначи
тельные различия в работе при питании от
9-вольтовой батарейки и от сетевого источни
ка питания. В частности, батарейке требуется
больше времени, чтобы зарядить конденсатор
номиналом 100 мкФ, вследствие чего схема
может казаться немного менее чувствитель
ной. Если подстроечный потенциометр номи
налом 1 МОм не позволяет получить доста
точного диапазона, чувствительность всегда
можно повысить, уменьшив сопротивление
резистора «А».
Я настроил свою схему для работы от се
тевого адаптера, так как она потребляет слиш
ком много тока, чтобы ее можно было исполь
зовать с питанием от 9-вольтовой батарейки
в каких-либо других целях, кроме демонстра
ционных.
Кроме того, в схеме я использовал транзи
сторы 2N2222 в пластмассовом корпусе. Если
использовать версию этих транзисторов в ме-
таллическом корпусе, может потребоваться
подобрать сопротивление резистора «Е», так
как версия в металлическом корпусе имеет не
много большее усиление.
У меня не возникало никаких проблем
с осцилляцией, но если она будет возникать
у вас, попробуйте увеличить емкость конден
сатора «F».
СДЕЛ А ЙТЕ ЧУТЬ Б ОЛ Ь Ш Е
В процессе работы над этим проектом я на
чал думать о других его возможных применениях.
У меня есть друг, имеющий двоих детей, которым
нравится включать телевизор на полную гром
кость. Я подумал, что вместо того, чтобы постоя н
но кричать на них: «Да прикрутите вы, наконец, эту
проклятую штуку!», он мог бы просто установить
у себя подобное устройство протеста против крика.
Или же это устройство можно использовать
в качестве охран ной сигнализации для автомоби
ля, надежно закрепив его на дверце изнутри, любая внезапная вибрация активи рует электрет
ный ми крофон.
А если вам не дает отдохнуть постоянно лаю
щая соседская собака, устройство протеста про
тив крика можно приспособить для запуска уль
тразвукового излучателя.
Кстати, одна из моих приятельниц заметила,
что она могла бы использовать устройство проте
ста против крика для самой себя, - чтобы удер
жаться от крика на своего делового партнера, ког
да она расстроена тем, что какой-либо проект не
продвигается так быстро, как ей хотелось бы.
Что касается меня лично, то мне нравится пер
воначальное назначение этого устройства. Мне
нравится представлять себе, что основоположник
современ ной электроники Боб Видлар установил
устройство, подобное этому, у себя в офисе, что
бы, когда он по-крупному достал кого-либо (что,
кажется, случалось с ним довольно часто), и тот за
шел к нему для разборки и начал кричать на него,
все, что Бобу нужно было делать - это откинуться
на спинку кресла и ждать, пока уровень крика не
достигнет критического и в действие не вступит
его версия устройства протеста против крика.
Скорее всего, это достало бы его посетителя
еще больше.
Эксперимент 14
1 22
М ожно ли это сделать
на микроконтролл ере ?
Аналого-цифровой преобразователь ти
пичного микроконтроллера ожидает на своем
входе диапазон более высоких напряжений,
чем выдаваемые микрофоном милливольты.
Поэтому, я полагаю, нам все равно потребова
лось бы обрабатывать выходной сигнал микро
фона операционным усилителем и подавать на
микроконтроллер уже выход с операционного
усилителя. Надо сказать, что в продаже име
ются электретные микрофоны, впаянные на
небольшую печатную плату вместе с усилите
лем на основе поверхностного монтажа.
И хотя некоторые микроконтроллеры об
ладают возможностью программного усиле
ния, мы все равно будем иметь дело с сигналом
переменного тока, для определения ампли
туды которого его нужно будет дискретизи
ровать с высокой частотой. По правде гово
ря, для микроконтроллера было бы легче об
рабатывать выпрямленную или сглаженную
версию сигнала. А для этого потребовалось
бы задействовать транзистор и конденсатор,
поскольку выходной сигнал операционно
го усилителя недостаточно мощный для вы
прямления.
Таким образом, нам пришлось бы исполь
зовать многие из тех же самых компонентов,
что и в представленной здесь схеме.
Однако после этого задача стала бы весь
ма простой, так как запрограммировать ми
кроконтроллер на выполнение определенно
го действия в ответ на определенный сигнал
очень легко. Создание выходного звукового
сигнала, его прерывание и ожидание следую
щего сигнала запуска не представляло бы ни
каких проблем. Более того, можно было бы
даже добавить новые возможности.
Например, можно было бы разработать
код для подсчета количества криков в течение
определенного периода времени, и чем больше
криков, тем чаще микроконтроллер подавал
бы протестующий звук. Или же, после добав
ления нескольких компонентов, протестую
щий выход можно было бы сделать все громче
с каждым последующим запуском.
Я уверен, что вы сами смогли бы при
думать и другие подобные возможности. Но
самое главное это то, что вне зависимости от
того, задействуете вы микроконтроллер или
нет, вам все равно нужно знать, как использо
вать операционный усилитель.
Ч то даль ше ?
Операционные усилители имеют много
применений, но воплощение многих схем с их
использованием требует довольно-таки глу
боких знаний. Чтение материалов на эту тему,
если она вас интересует, я предоставляю вам
самим (мне, например, нравится книга «Make:
Analog Synthesizers» ) .
Я ж е буду двигаться дальше - к цифро
вым микросхемам. Цифровые компоненты
я предпочитаю по многим причинам. Они вза
имодействуют друг с другом без каких бы то ни
было забот о несовместимых напряжениях, не
реагируют избыточно и не усиливают каждый
небольшой и случайный всплеск напряжения.
Их входные сигналы всегда в разумных преде
лах: или высокого или низкого уровня, и вы
можете интерпретировать их как включенное
или выключенное состояние или (в двоичном
коде) как логическую 1 или О.
Боб Видлар не интересовался цифровыми
микросхемами и применяемым в них двоич
ным кодом. Говорят, что он однажды сказал:
«Любой дурак может считать до одного». Но
кое-кто из нас не столь умен, как Боб, и для
нас цифровые схемы предоставляют желанное
освобождение от капризного поведения ана
логовых схем, в которых все непредсказуемо
флуктуирует.
В книге«Электроника для начинающих»
я привел вводную информацию о цифровой
логике, но не затронул более сложные момен
ты, а также не рассмотрел такие компоненты,
как мультиплексоры или сдвиговые регистры.
В настоящее время логические микросхе
мы этого типа не используются так широко,
как в прошлом, но сама их логика остается
фундаментальной для всех вычислительных
устройств. Поэтому, давайте сейчас погрузим
ся в мир цифровой логики, узнаем, как там все
работает, и получим от этого истинное удо
вольствие.
экстрасенсорное восприятие
В течение многих десятилетий исследователи
из околонаучных кругов искали доказательства
паранормальных
способностей
человеческо
го мозга. Одним из первых таких исследовате
лей был Дж. Б. Райн (J. В. Rhine), который работал
в Университете Дьюка2• В 1 934 году он издал кни
гу «Экстрасенсорное восприятие»3 и п родолжал
информировать общественность о серьезных
исследовательских работах в этой области на про
тяжении 70-х годов прошлого столетия. Одной из
Проверка на телепатию
Наш первый проект с логическими мик
росхемами может показаться до смешного
простым. Все, что требуется для его реализа
ции - это четыре кнопки, пара микросхем и
один светодиод. Но по мере углубления в него
вы обнаружите, что не так уж он и прост.
Чтобы повысить ваш интерес к этому про
екту на его начальной стадии, будем считать,
что его целью является проверить вашу спо
собность экстрасенсорного восприятия, кото
рое часто обозначается просто сокращением
ЭСВ 1 • А саму схему назовем тестером теле
патии.
1
От англ. ESP - ExtraSensory Perception. По-рус
ски это часто называют также сверхчувственным вос
приятием.
причин обширной критики, которой подверглись
эти работы, было обнаружение им, что во многих
случаях его научн ые ассистенты мошенничали. Но,
возможно, они подтасовывали результаты потому,
что действительно верили в ЭСВ и не хотели, что
бы какой-либо неудачный эксперимент испортил
их доказательную базу? Имейте это в виду при
реализации нашего п роекта - даже люди с хоро
шими намерениями могут попытаться ввести вас
в заблуждение, если они заблуждаются сами.
2 От англ. Duke University. Ч астный уни верситет.
Находится в r. Дареме, штат Северная Каролина .
3
« Extrasensory Perception».
Эксперимент 15
1 24
О р rанизация
э ксперимента
Настоящая телепатия (чтение мыслей)
встречается не часто (если вообще встречает
ся). поэтому нам нужно применить статисти
ческий подход, выполняя десятки. сотни или
даже тысячи попыток, а затем сравнивая чис
ло действительно успешных попыток с числом
таковых, получить которое можно лишь по
чистой случайности.
Описываемый далее эксперимент предпо
лагается проводить на этой основе. Два чело
века усаживаются напротив друг друга, и пе-
ред каждым из них размещаются две кнопки.
Чтобы участники эксперимента не могли ви
деть руки друг друга, между ними установлена
перегородка. На рис. 15.1 показан вид сверху
места проведения эксперимента. У вас, воз
можно, не будет желания обустраивать экспе
римент полностью, как показано на рисунке,
особенно если у вас нет подходящего второго
участника. В этом отношении вы можете им
провизировать, но электронную схему следует
собрать, чтобы увидеть, как она работает.
Назовем наших ассистентов Аннабел
и Борис - мне нравятся такие легко запоми
нающиеся имена. В некоторых схемах вместо
полных имен будут использоваться их сокра
щения: А и Б4•
Обратите внимание, что кнопки пе
ред Аннабел обозначены АО и Al, а перед
Борисом - Бl и Б2. Эксперимент состоит
в том, что его участники должны нажимать
одни и те же кнопки, пытаясь телепатиче
ски определить. какую кнопку хочет нажать
противоположный участник. Если Аннабел
нажмет кнопку АО, а Борис кнопку БО, или
они нажмут кнопки Al и Бl соответственно,
тогда попытка телепатии считается успешной.
В противном случае - например, при нажатии
кнопок АО и Бl или Al и БО, попытка считает
ся неуспешной.
Поскольку из четырех возможных ком
бинаций нажатых кнопок успешными могут
быть только две, то шансы нажатия успешной
комбинации чисто случайным образом состав
ляют 50 на 50. Значительное отклонение от
этого соотношения может означать, что либо
один из участников мысленно читает намере
ния другого, либо кто-то из них жульничает.
Задача обнаружения жульничества рассматри
вается немного далее.
На рис. 15.2 показано, как логические эле
менты И и ИЛИ можно использовать совмест4
Рис. 1 5.1 . Аннабел и Борис приготовились проверить свои
возможности экстрасенсорного восприятия
На схемах оставлено английское «В» (от имени
Boris). в тексте перевода оно заменено на русское «Б»
(от имени Борис) . Надеемся, никто из читателей не
запутается.
Ред.
-
Это все так логично!
1 25
Рис. 1 5.2. Такая комбинация логических элементов активи
рует индикатор успеха при нажатии комбинаций кнопок АО
и БО или А 1 и Б 1
�
�
�
�
�
�
�
�
Рис. ЦВ-1 5.3. Здесь: AND
li
?
?
?
?
li
li
li
И, OR - ИЛИ, XOR Исключающее ИЛИ. На схемах логические элементы часто
размещают вертикально - входами вверх, а выходами
вниз. Каждый из входов может иметь два состояния: вы
сокий уровень или низкий (на рисунке они обозначены
красным и черным цветами соответственно). Общее число
комбинаций состояний входов равно четырем, и каждой из
них соответствует определенный выход
-
но с кнопками для определения успешности
попытки телепатии.
Если вы подзабыли обозначения симво
лов логических элементов и их функции, на
рис. ЦВ-15.3 и ЦВ-15.4 показаны выходы для
разных входов шести основных логических
элементов. Красным обозначены входы и вы
ходы высокого уровня, а черным - низкого.
Чтобы вам было легче ориентироваться,
на рис. ЦВ- 15.5 в левом столбце показаны че
тыре возможные комбинации входных уров
ней для каждого типа логического элемента,
а справа от каждого элемента - выходной
уровень для соответствующей комбинации
входных уровней.
9
у
91
у
9' у
9· у
il
у
у
у
у
il
il
il
Рис. ЦВ-1 5.4. Комбинации входов и соответствующие вы
ходы для логических элементов И-НЕ (NAND), ИЛИ-НЕ (NOR)
и Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR). Красным обозначены вы
сокие уровни входов и выходов, а черным - низкие
Эксперимент 15
1 26
Выход
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
типа DIP5 с 1 4-ю выводами, и они продолжа
ют выпускаться до настоящего времени, хотя
версии для поверхностного монтажа получа
ют все более широкое распространение.
Выход
�= � �=
�а � �
•
•
•
•
•
•
•
•
•
� ·
•
.
•
•
·
L.....
"
Рис. ЦВ-1 5.5. Здесь: AND - И, OR
· - ИЛИ, XOR -
•
-
Исключающее ИЛИ, NAN D - И-НЕ, NOR - ИЛИ-НЕ, XNOR Исключающее ИЛИ-НЕ. Эта таблица показывает четыре воз
можные комбинации входных уровней для каждого типа
логического элемента и соответствующие им выходные
уровни. Красным обозначены высокие уровни входов и вы
ходов, а черным - низкие
•
Проверить логику и наблюдать поведение
любого используемого в разработке схемы
логического символа можно с помощью про
граммного эмулятора. Один из таких эмуля
торов доступен бесплатно по адресу http://
www.neuroproductions.bejlogic-labj. Но преж
де чем переносить мои логические схемы на
эмулятор, рекомендую вам сменить их ори
ентацию, - дело в том, что я предпочитаю
показывать направление логики сверху вниз,
в то время как большинство эмуляторов дела
ют это слева направо. В любом случае, провер
ка схемы на эмуляторе - это всего лишь про
межуточный шаг перед тем как создать ее из
физических компонентов.
•
•
•
КОРОТ КО О ВАЖ Н О М :
логические микросхемы
•
Каждый логический элемент микросхемы
состоит из нескольких транзисторов, вы
травленных в кремн иевой подложке. Первые
микросхемы логических элементов для мон
тажа в сквозные отверстия имели корпуса
5
Хотя в компьютерах более не применяются
дискретные логические микросхемы, они
в некоторых случаях продолжают использо
ваться, - например для реализации так на
зываемой «склеивающей» логики6, которая
связывает разные части монтажной платы.
М икросхема в корпусе с 1 4-ю выводами мо
жет содержать четыре логических элемента
с двумя входами, три элемента с тремя вхо
дами, два - с четырьмя входами или один с восемью. Эти конфигурации называются
четверичной, тройной, двойной и одинар
ной7, соответствен но.
Все логические элементы внутри многоэле
ментной микросхемы функционируют неза
висимо друг от друга.
Входы неиспользуемых элементов следует
заземлять, чтобы они не подхватывали пара
зитных электромагнитных полей и не реаги
ровали на них.
Высокий уровень входа или выхода прибли
зительно равен положительному напряже
н и ю питания, а н изкий - О В. Микросхемы
с инвертирован ной (отри цательной) логикой
существуют, но встречаются редко.
Последовательно разработан ные поколения
логических микросхем называются семей
ствами. В наших экспериментах мы будем ис
пользовать микросхемы семейства 74НСОО.
Буквы НС в обозначени и микросхем означа
ют, что это высокоскоростные микросхемы
типа КМОП8• Определенный тип микросхе
мы обозначается двумя, тремя или четырьмя
цифрами вместо подстановочных 00 в общем
От англ. Dual-In-line Package - корпус с двухрядным
расположением выводов.
6
От англ. Glue logic.
7
От англ. quad. triple. dua\ и single.
8
От англ.: Н - High-speed (высокоскоростная),
С - CMOS (КМОП).
Это все так логично!
1 27
обозначен ии семейства. Там, где это необхо
димо, также будут испол ьзоваться некоторые
более ста рые ми кросхемы семейства 40008.
•
•
•
При заказе микросхем следует быть внима
тельным, так как номера деталей версий для
монтажа в сквозные отверстия и версий для
поверхностного монтажа могут быть почти
идентичными. Большинство онлайновых по
ставщиков п редоставляют фильтр для огра
ничения вашего поиска микросхемами в кор
пусах DIP или PDIP для монтажа в сквозные
отверстия.
Логические микросхемы одного и того же се
мейства можно подключать последовательно
друг к другу - выходом одной микросхемы,
подаваемым непосредственно на вход дру
гой.
Рис. 1 5.6. Когда на вход логического элемента подается
положительное напряжение через кнопку или переклю
чатель, этот вход нужно подключить к «минусу» питания
через понижающий резистор - чтобы напряжение на нем
не «плавало» при открытых контактах кнопки. В случае по
дачи таким образом на вход отрицательного напряжения
(«плюс» и «минус» на рисунке меняются местами), резистор
становится повышающим
Когда выход логической микросхемы нахо
дится на высоком уровне, говорят, что микро
схема является истоком тока, а когда на низ
ком - стоком .
Из любой логической микросхемы семейства
НС может истекать постоянн ы й ток силой
вплоть до 25 мА, такой же ток может и вте
кать в нее. Этого достаточно, чтобы п итать
обычный светодиод. Но потребление такого
большого тока через микросхему понижает
напряжение на ее выходе. Поэтому п ри под
ключени и светодиода к выходу микросхемы
проверьте ее выходное напряжение и осте
регайтесь использовать этот выход также и
в качестве входа для другой логической ми
кросхемы. В случае необходимости увеличь
те сопротивление резистора, включенного
последовательно со светодиодом.
•
10К
Если ко входу логического элемента подклю
чена кнопка или однополюсный однопози
ционный переключатель, нельзя допускать,
чтобы напряжение на входе «плавало», когда
переключатель открыт. Удерживайте на входе
высокое или н изкое напряжение с помощью
понижающего ил и повышающего резистора
соответственно. На рис. 1 5.6 показано, как
это делается.
Логическая диаграмма - это не то же самое,
что принципиальная схема. В логической
диаграмме типа показа нной на рис. 1 5.2 ли
нии подачи «плюса» и «ми нуса» питания на
логические элементы обычно не показывают
ся, так же как и повышающие и понижающие
резисторы. А в компонентной принципиаль
ной схеме вместо логических элементов по
казываются микросхемы и подключения к их
выводам, а также все необходимые подклю
чения питания.
•
Ло г и ка Э С В
Логика диаграммы, приведенной на
рис. 15.2, очень простая. Ее можно изложить
в одном предложении:
r
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
Если нажаты кнопки АО И БО ИЛИ если нажаты
кнопки А 1 И Б 1 , на выходе будет успех.
L
-
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
1
1
�
Между словами И и ИЛИ этого предло
жения и логическими элементами диаграммы
существует прямое соответствие.
Эксперимент 15
1 28
Я буду называть прямоугольник в диа
грамме, фиксирующий достижение успеха,
индикатором. В действительности это может
быть просто светодиод, загорающийся, чтобы
сообщить, что ассистенты правильно угада
ли (или прочитали мысли друг друга, если вы
предпочитаете смотреть на это таким обра
зом), какую кнопку нажать.
На этом этапе логика очень простая, но не
поленитесь и затратьте несколько минут свое
го времени, чтобы собрать схему. Как всегда,
практический подход к обучению самый луч
ший.
А на рис. 15.8 приведена принципиальная
схема, соответствующая логической диаграм
ме, показанной на рис. 15.2. Для наглядности
я втиснул миниатюрные представления логи
ческих элементов в представления микросхем.
Эти представления помечены знаком «&» для
элементов И и буквой «0» для элементов ИЛИ
(но имейте в виду, что это нестандартные обо
значения указанных логических элементов) .
�
Стабилизированное
напряжение 5 В
ПОСТОЯН11О ГО то11а
Сбор ка схемы
ЭСВ-э ксп еримента
На рис. 15.7 показано внутреннее устрой
ство четырехэлементных двухвходовых мик
росхем И и ИЛИ.
+
Понижающие
резисторы
Выход И
...,... ,..---111..-:-':
)
---...:.входы
неиспользуемых
элементов
заземлены
74НС08
Рис. 1 5.7. Каждая логическая микросхема с 1 4-ю выводами
может содержать четыре отдельных двухвходовых логиче
ских элемента И (AND) или ИЛИ (OR). Такие микросхемы на
зываются четырехэлементными двухвходовыми
заземлены
Рис. 1 5.8. Принципиальная схема простейшей версии теста
на ЭСВ, которую можно собрать на макетной плате
Это все так логично!
Теперь плюсовая шина находится на пра
вой стороне схемы, так как это удобно для
подачи питания на логические микросхемы,
на которые «плюс» питания подается на вы
вод 14. В большинстве схем в оставшейся ча
сти книги плюсовая шина будет расположена
справа. Будьте осторожны, чтобы не подать на
микросхемы питание обратной полярности они могут никогда не прийти в себя после та
кого шока.
На рис. 15.9 показана схема теста на ЭСВ,
собранная на макетной плате.
На схеме не показан регулятор напряже
ния 7805 и два конденсатора, которые всегда
требуются для микросхем семейства 74НСОО.
И во всех случаях, когда на схемах указывает
ся «Стабилизированное напряжение 5 В по
стоянного тока» , это означает, что требуются
1 29
стабилизатор напряжения и его сглаживаю
щие конденсаторы.
Входы неиспользуемых логических эле
ментов нужно заземлить, чтобы они не реаги
ровали на паразитные электромагнитные из
лучения. Выходы неиспользуемых элементов
можно оставить как есть.
Проверьте правильность работы собран
ной схемы. При нажатии кнопок АО и БО или
Al и Бl должен загораться светодиод, при на
жатии любых других комбинаций ничего про
исходить не должно.
Пока что все выглядит довольно неплохо.
Но теперь, когда мы видим перед собой со
бранную схему, я надеюсь убедить вас в том,
что она крайне нуждается в некоторых улуч
шениях - и тогда она станет по-настоящему
полезной.
Улучшение схемы
тестера телепати и
Рис. 1 5.9. Простейшая демонстрационная версия тестера
телепатии. Кнопки для участников расположены вверху.
Единственный выход схемы - светодиод слева внизу
На мой взгляд, нам требуется добавить
в схему необходимое оповещение участников
тестирования о ходе теста, а также пресечь
возможности жульничества:
•
в процессе проведения теста ЭСВ Аннабел
не должна видеть, какую кнопку нажимает
Борис, а Борис - какую кнопку нажимает
Аннабел. Но это создает проблему - как
им узнать, когда начинается следующий
тест? И что нам в действительности нуж
но, так это какое-нибудь указание, из
вещающее Аннабел о том, что Борис уже
нажал свою кнопку, а она еще не нажала
свою. Ну, и такое же указание для Бориса;
•
как я упоминал ранее, даже искренние
люди могут быть склонны жульничать,
если они верят, что их способностям ЭСВ
нужно чуток помочь, потому что именно
в этот день они почему-то не работают так
Эксперимент 15
1 30
хорошо, как обычно. К сожалению, в на
шей схеме тестера телепатии сжульничать
не представляет абсолютно никаких труд
ностей - Аннабел или Борис могут гаран
тированно «прочитать» мысли противо
положного участника, просто нажав обе
кнопк и сразу;
•
в созданной нами версии схемы есть толь
ко один индикатор, фиксирующий успеш
ное «чтение» мыслей. Будет полезным до
бавить второй индикатор, фиксирующий
неудачную попытку.
В следующем эксперименте мы реализуем
все эти улучшения - с некоторыми неожидан
ными результатами.
Прежде чем представить вам усовершен
ствованную схему, я хочу изложить на словах
требования к ней. Я считаю, что разработку
любой схемы всегда нужно начинать с разра
ботки логической диаграммы, и первым ша
гом в разработке такой диаграммы должно
стать ее словесное описание.
А уже когда мы четко видим логику нашей
схемы, логическую диаграмму можно начи
нать преобразовывать в рабочую схему, ис
пользуя реальные компоненты.
Готовы ?
Задача добавления в тестер телепатии ин
дикатора «готов» кажется достаточно простой.
Например, ее можно выразить следующим об
разом:
r
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Но обе эти диаграммы можно совместить
(рис. ЦВ- 16.2) , поскольку выход одной кнопки
можно направить на два или более логических
входа (на рис. ЦВ-16.2 логические элементы
из рис. 15.2 и их соединения показаны серым
цветом, чтобы отличить их от добавленной
логики) .
Б готов
,
' Если нажата кнопка АО ИЛИ А 1 , у Бориса
загорается и ндикатор, оповещающий его, что
' Аннабел уже нажала свою кнопку. Аналогично,
,
, если нажата кнопка БО или Б 1 , у Аннабел
загорается индикатор, оповещающий ее, что
Борис уже нажал свою кнопку.
�
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
�
На рис. 16.1 показано, как преобразовать
логику этих двух посылок в графическое пред
ставление. Чтобы было понятнее, о чем речь,
эта логическая диаграмма показана отдельно
от логической диаграммы, приведенной на
рис. 15.2.
Рис. 1 6. 1 . Чтобы известить участника о том, что другой
участник уже нажал одну из своих кнопок, можно исполь
зовать два логических элемента ИЛИ (OR). Индикация нажа
той кнопки не содержит информации о том, какая именно
кнопка была нажата
Эксперимент 16
1 32
Б жульни чае'lf
А
Рис. ЦВ-16.2. Объединенная логика диаграмм из рис. 1 5.2
и 1 6. 1
здесь выход каждой кнопки подается на входы
-
двух отдельных логических элементов. К сожалению, при
объединении нескольких логических диаграмм в одну бы
стро возрастает уровень сложности конечной диаграммы,
что делает ее трудной для понимания. Чтобы внести неко
торую ясность в конечную диаграмму, элементы и соедине
ния диаграммы из рис. 1 5.2 показаны здесь серым цветом
жуnьничае1f
Рис. 1 6.3. Добавив два логических элемента И (AND), мы
получаем возможность обнаружить жульничество игрока,
который нажимает одновременно обе кнопки
Н е жульничат ь !
И ндика ция неудачи
Пришла очередь разобраться с индикато
ром жульничества. Его логику можно описать
следующим образом:
Наконец, рассмотрим индикацию не
успешного теста возможностей телепатии.
Неудачным исходом теста считается нажа
тие его участниками несовпадающих кнопок.
Реализовать индикацию такого развития со
бытий не представляет никаких трудностей,
и логику этой индикации можно описать сле
дующим образом:
' Если нажаты одновременно кнопки АО И А 1 ,
активируется индикатор жульничества
: Аннабел. Аналогично, если нажаты одновре
' мен но кнопки БО И Б 1 , активируется индика
' тор жульничества со стороны Бориса.
r
На рис. 16.3 эта логика представлена гра
фически. Эту логическую диаграмму, опять
же, можно объединить с другими, распределив
выход каждой кнопки на входы нескольких
логических элементов.
:
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
Если нажаты кнопки АО И 61 ИЛ И нажаты
, кнопки А 1 И БО, эта попытка теста неудачна.
На рис. 16.4 показана логическая диаграм
ма, соответствующая этому описанию.
1 33
Усовершенствованный тестер телепатии
Кон фли кты
В1
c---_L
Рис. 1 6.4. Пара дополнительных логических элементов
(AND), выходы которых поступают на логический элемент
(OR), поможет индицировать нажатие неудачной ком
бинации кнопок
И
ИЛИ
Теперь, когда мы рассмотрели логику
каждой из возможных ситуаций, встает во
прос: как эту логику добавить в собранную
нами ранее схему (см. рис. 15.8) ? Возможно.
вы заметили, что в микросхемах, включенных
в эту схему, есть несколько неиспользуемых
логических элементов. Например, для инди
кации нажатия кнопки одним из игроков тре
буется только два логических элемента ИЛИ,
а микросхема 74НС32 имеет три свободных
логических элемента ИЛИ. Поскольку каждый
логический элемент многоэлементной микро
схемы функционирует независимо от других
ее элементов. мы можем реализовать все тре
буемые нам возможности с помощью таких
неиспользуемых логических элементов.
Вы, наверное. думаете: «Так зачем же дело
стало? Давайте так и сделаем». Но, опять же
к сожалению, нам лучше не торопиться, по
скольку, если мы просто добавим в схему тре
буемые функции, они не будут работать долж
ным образом. В этом очень легко убедиться.
рассмотрев более подробно возможные дей
ствия участников теста.
Допустим, что Борис жульничает, одно
временно нажав кнопки БО и Бl. Но в то же
самое время Аннабел играет по правилам и
нажимает только одну кнопку - скажем, АО.
Что произойдет в этом случае, т. е. при одно
временном нажатии кнопок АО, БО и Бl?
Поскольку одновременное нажатие кно
пок БО и Бl означает жульничество, активиру
ется индикатор «Б жульничает!» Но при этом
Аннабел нажимает только кнопку АО, и по
скольку нажаты как кнопка АО, так и кнопка
БО, активируется индикатор «Успех» !
И это еще не все. Поскольку также нажа
та комбинация кнопок Бl и АО, активируется
и индикатор «Неудача». Кроме того, раз оба
участника нажали по крайней мере по одной
кнопке, активируются оба индикатора нажа
тия кнопки.
То есть, активировались все индикаторы!
Это полнейшая катастрофа.
В чем же здесь проблема? А проблема за
ключается в том. что все мои описания допол
нительных функциональностей были непра
вильными. Я думал лишь о том, какие кнопки
следует нажать, чтобы создать требуемый ло
гический выход. Но я не подумал о том, какие
кнопки нельзя нажимать, чтобы создать этот
выход. Например. логику индикации нажатия
одним из участником своей кнопки я описал
следующим образом:
r
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
: Если нажата кнопка АО ИЛ И А 1 , у Бориса
-
-
-
�
1
1
за горается и ндикатор, оповещающий его, что
, Ан набел уже нажала свою кноп ку.
Но описание логики этой возможности
должно быть следующим:
r
-
1
Если нажата кнопка АО ИЛИ А 1 , И еще не была
нажата НИ кнопка БО, НИ кнопка Б 1 , у Бориса
загорается и ндикатор, оповещающий его, что
Ан набел уже нажала свою кнопку.
-
L
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
-
�
Эксперимент 16
1 34
Иными словами, нам необходимо убе
диться в том, что Борис еще не нажал ни одну
из своих кнопок, прежде чем система опове
стит его, что Аннабел нажала одну из своих
кнопок и ожидает, чтобы он нажал свою.
Подобным образом индикаторы успеха
и неудачи должны активироваться только в
том случае, если не было жульничества НИ со
стороны А, НИ со стороны Б.
Как можно видеть, у нас дважды присут
ствует логическая ситуация НИ А, НИ Б, ко
торую можно представить, как НЕ (А ИЛИ
Б), или же НЕ-ИЛИ. Похоже, что нам при
дется как-то использовать логический эле
мент ИЛИ -НЕ, но все это начинает выглядеть
крайне запутанным. Кто бы мог подумать, что
в реализации такой простой игры нам придет
ся столкнуться со столькими непредвиденны
ми проблемами? Я полагаю, что распутать эту
запутанность нам поможет еще одна схема.
Распутывание
Посмотрите
на
следующую
схему
(рис. ЦВ- 16.5) . Здесь принимаются во вни
мание не только нажатые кнопки, но и не на
жатые. При этом нажатая кнопка обозначает
ся красным цветом, а не нажатая - черным.
Обозначение кнопки серым цветом с крести
ком означает, что ее состояние не важно, так
как оно не участвует в данном логическом те
сте. Справа от кнопок показаны сообщения,
соответствующие каждой комбинации кно
пок. Не забывайте, что не нажатые состояния
кнопок (обозначенные черным) так же важны,
как и нажатые (обозначенные красным).
При нажатии комбинации кнопок, ото
браженной в первом блоке схемы, индикатор
нажатия кнопки Аннабел будет активиро
ваться для Бориса только в том случае, если
Аннабел нажала одну из своих кнопок (но не
обе, поскольку это уже будет жульничеством)
И Борис не нажал ни кнопку БО, ни кнопку Бl,
т. е. НЕ(БО ИЛИ Бl).
m ша
m
OR
m ша
tШ
ПD
m r.-m
OR
ша
Ш tШ
=
��
=
��
=
m
ша
OR
OR
ПD
=
tШ
=
ша
tШ
=
1 ,._:,� 1
1--�- 1
EJ
Рис. ЦВ-16.S. На этой схеме красным обозначаются на
жатые кнопки (АО, А 1 , БО и 6 1 ), а черным - не нажатые.
Обозначение кнопки серым цветом с крестиком означает,
что ее состояние не важно для данного логического теста,
и его можно игнорировать. Цветные прямоугольники спра
ва от комбинаций кнопок представляют индикаторы, кото
рые должны активироваться в ответ на соответствующую
комбинацию кнопок
Комбинации кнопок во втором блоке схе
мы отображают ту же логику для индикато
ра, извещающего Аннабел о нажатии кнопки
Борисом.
Комбинации кнопок в третьем и четвер
том блоках схемы отображают ситуацию, ког
да один из участников жульничает, нажимая
одновременно обе свои кнопки. При этом дей
ствия другого участника нам безразличны.
Индикаторы «Успех» и «Неудача» акти
вируются только в тех случаях, когда нажаты
кнопки, обозначенные красным цветом, но
при этом все другие кнопки не нажаты.
П реобразован ие схемы
в л огическую диаграмму
Возможно, вас интересует, не осталось ли
еще каких-либо комбинаций кнопок, послед
ствия нажатия которых не были нами рассмо
трены? Нет, схема на рис. ЦВ- 16.5 охватывает
результаты нажатия всех возможных комби
наций кнопок (комбинации одновременного
нажатия трех или четырех кнопок покрыва
ются тестом на жульничество) .
Теперь мы можем преобразовать каждый
блок схемы в логическую диаграмму, и я уве
рен, что на этот раз все станет работать долж
ным образом. Но для этого нам потребуются
два дополнительных типа логических элемен
тов: ИЛИ-НЕ и Исключающее ИЛИ. Если вы
забыли таблицы истинности для этих элемен
тов, рис. ЦВ- 15.5 поможет вам освежить свою
память.
А словами функционирование логических
элементов ИЛИ-НЕ и Исключающее ИЛИ
можно описать так:
•
логический элемент ИЛИ-НЕ (NOR) вы
дает низкий выход в ответ на высокий
уровень на обоих его входах или на лю
бом из них. Высокий уровень на выходе
присутствует только при низком уровне
на обоих его входах;
•
логический элемент Исключающее ИЛИ 1
выдает низкий выход, если оба его входа
имеют одинаковый уровень (то есть вы
сокий или низкий на обоих). Уровень на
выходе этого логического элемента стано
вится высоким при разных уровнях на его
входах.
На рис. 16.6 показано применение этих
логических элементов для реализации тестов
из рис. ЦВ- 16.5.
На английском яз ы ке элемент Исключающее
ИЛИ назы вается XOR, где Х означает «exclusive», то
есть «исключающее», и произносится так : «ex-or» «ЭКС·Ор».
Рис. 1 6.6. Логические диаграммы, реализующие зависи
мости, показанные на рис. ЦВ-1 6.5. Входы логических эле
ментов, обозначенные АО, А 1 , БО и Б 1 , представляют под
ключение к кнопкам, которые могут быть нажаты или нет.
Нажатая кнопка подает на вход высокий уровень, а при
не нажатой кнопке понижающий резистор (на рисунке не
показан) удерживает вход на н изком уровне (здесь NOR
ИЛИ-НЕ, XOR
Исключающее ИЛИ)
-
-
Эксперимент 16
1 36
На рис. ЦВ-16.7 показаны четыре возмож
ные комбинации кнопок, демонстрирующие
примеры их функционирования в логической
диаграмме, которая решает, активировать ли
индикатор «А готов» . Для двух нижних ком
бинаций этот индикатор не активируется.
Логические диаграммы, приведенные на
рис. 16.6, можно выразить словесно следую
щим образом:
•
проверка состояния «Участник А готов»:
если высокий уровень на входе АО ИЛИ
Al (но не на обоих входах) И еще не на
жаты НИ кнопка БО, НИ кнопка Бl, акти
вируется индикатор «А готов»;
•
•
•
•
•
А
готов
Рис. ЦВ-16.7. Результаты выполнения проверки четырех
возможных состояний нажатия комбинаций кнопок для
определения, нажал ли участник «А» одну из своих кнопок
проверка состояния «Участник Б готов»:
если высокий уровень на входе БО ИЛИ
Бl (но не на обоих входах) И еще не на
жаты НИ кнопка АО, НИ кнопка Al, акти
вируется индикатор «Б готов»;
проверка состояния «Участник А жуль
ничает»: если нажата кнопка Al И кнопка
АО, активируется индикатор «А жульни
чает!» ;
проверка состояния «Участник Б жульни
чает»: если нажата кнопка Бl И кнопка БО,
активируется индикатор «Б жульничает!».
Далее описание несколько усложняется:
проверка состояния «Неудача»: если на
жаты кнопка АО И кнопка Бl И не нажаты
НИ кнопка Al, НИ кнопка БО, активиру
ется индикатор «Неудача». ИЛИ, если на
жаты кнопка Al И кнопка БО И не нажаты
НИ кнопка АО, НИ кнопка Бl, также акти
вируется индикатор «Неудача»;
проверка состояния «Успех»: если нажаты
кнопка АО И кнопка БО И не нажаты НИ
кнопка Al, НИ кнопка Бl, активируется
индикатор «Успех». ИЛИ, если нажаты
кнопка Al И кнопка Б l И не нажаты НИ
кнопка АО, НИ кнопка ВО, активируется
индикатор «Успех».
Эти утверждения отражают каждую ком
бинацию нажатых кнопок, показанную на
рис. ЦВ-16.5. Если читать эти утверждения
вслух, рассматривая при этом символы нажа
тия кнопок, вы увидите, что они совпадают
один к одному.
Теперь мы могли бы приступить к сборке
схемы, взяв необходимое количество микро
схем, чтобы получить требуемое число логи
ческих элементов, и соединив каждую кнопку
со всеми соответствующими входами элемен
тов. Если вы помните, выход одной кнопки
можно подавать на входы нескольких логиче
ских элементов.
Но здесь у нас возникает проблема, заклю
чающаяся в том, что проект оказался намного
Усовершенствованный тестер телепатии
большим, чем мы ожидали. В частности, что
бы получить все необходимые логические
элементы, показанные на рис. 16.6, нам по
требуется следующее количество четырехэле
ментных микросхем двухвходовых элементов:
И - три штуки, ИЛИ - одна штука, ИЛИ
НЕ - две штуки, Исключающее ИЛИ - одна
штука. Всего - семь микросхем, которые не
поместятся на макетную плату.
Хм, а нельзя ли упростить нашу логику
каким-либо образом? Оказывается, можно.
Такое упрощение носит название оптимиза
ции логики.
О птимизация ло r и ки
Помните, я ранее упоминал, что при на
личии жульничества все другие состояния не
имеют значения? Вот это обстоятельство мы
и можем использовать, чтобы упростить нашу
схему. Итак, если либо Аннабел, либо Борис
жульничают, нам совсем незачем даже думать
о результатах «Успех» и «Неудача». Мы про
сто активируем соответствующий индикатор
Нет
Нет
:
Акrиеируем
индикатор
жуль ничесnз а
А
ОК ! Никто не
т
ч ае
ьни
жул
АктИв ир�м
и.�дик атор
жуль i'1ичесr1Jа б
Рис. 1 6.8. Блок-схема проверки на жульничество, управ
ляющей определением успеха или неудачи теста
1 37
жульничества и предотвращаем активирова
ние любых других индикаторов, вот и все.
Чтобы реализовать этот подход с по
мощью логических элементов, нам нужна от
дельная секция для выявления жульничества,
которая посылает сигнал «ОК» секции опре
деления успеха или неудачи при отсутствии
жульничества. Таким образом, индикаторы
«Успех» и «Неудача» не смогут активиро
ваться, если не поступил сигнал отсутствия
жульничества. Это положение графически ил
люстрируется блок-схемой на рис. 16.8. Как
можно видеть, нам следует удостовериться,
что ни А, ни Б не жульничают, и лишь в случае
отсутствия жульничества мы можем двигаться
дальше и смотреть, был ли тест успешным.
Как все это можно преобразовать в схему
на логических элементах? Логический элемент
ИЛИ-НЕ дает выход высокого уровня только
при низком уровне на его обоих входах. Если
обозначать отсутствие жульничества низким
уровнем на входах элемента ИЛИ-НЕ, уровень
на его выходе будет высоким только тогда, ког
да ни один из участников не жульничает.
В нижней части рис. 16.9 показана логи
ческая диаграмма с добавленным элементом
ИЛИ-НЕ (NOR) , на входы которого подает
ся сигнал с индикаторов жульничества обоих
участников. При условии, что ни Аннабел, ни
Борис не жульничают, на выходе логического
элемента ИЛИ- НЕ мы получим высокий уро
вень. А выход с этого логического элемента
подается на один из входов каждого из двух
трехвходовых логических элементов И, кото
рые управляют индикаторами успеха и неуда
чи и требуют наличия высокого уровня на всех
своих трех входах, чтобы эти индикаторы мог
ли активироваться. Иными словами, если лю
бой из участников жульничает, индикаторы
успеха и неудачи активироваться не будут.
Чтобы приспособить схему под использо
вание трехвходовых элементов И, мне при
шлось переделать логику внизу диаграммы,
задействовав четыре элемента Исключающее
Эксперимент 76
1 38
А
готов
Б ГОТОВ
А
жуnьнич:ае'rt
ИЛИ (XOR). Разобраться, почему этот подход
должен работать, я предоставляю вам самим.
За помощью обращайтесь к диаграмме на
рис. ЦВ-16.5.
Возможно, вас интересует, существует ли
какая-либо система для упрощения или опти
мизации логических диаграмм? Формальный
способ есть - использовать надлежащую бу
леву систему обозначений и пытаться найти
функции, которые дублируют или противо
речат одна другой. В Википедии есть пример
такого подхода, но я нахожу его трудным для
понимания. Я предпочитаю просто всматри
ваться в логическую диаграмму, представляя
себе в уме все ее возможные состояния и пы
таясь увидеть другие способы удовлетворения
требований. Найдя упрощенную версию своей
логической диаграммы, я проверяю все воз
можные комбинации входов, чтобы убедиться,
что схема будет работать. Это не классический,
а интуитивный подход, но мне он ближе.
Сборка уп рощенно й
схемы
Теперь, когда м ы оптимизировали нашу
схему, можно приступить к ее сборке. Нам по
требуются четырехэлементные двухвходовые
микросхемы: И (AND)
одна штука, ИЛИ
НЕ (NOR) - одна штука, Исключающее ИЛИ
(XOR)
две штуки, а также одна трехэле
ментная трехвходовая микросхема И (AND).
Это всего лишь пять микросхем вместо семи,
требовавшихся для первоначальной версии
схемы, - у нас получилось полностью изба
виться от микросхемы ИЛИ (OR) .
На рис. 16.10 и 16.11 показана цоколевка
дополнительных микросхем. Обратите вни
мание на тот факт, что на представлениях
микросхем логические элементы ИЛИ -НЕ
(NOR) ориентированы в направлении, проти
воположном ориентации логических элемен-
-
Рис. 1 6.9. Упрощенная версия предыдущей логической
диаграммы (см. рис. 1 6.6). Здесь добавлен логический эле
мент ИЛИ-НЕ (NOR), на выходе которого, прежде чем смогут
активироваться индикаторы успеха или неудачи, должен
появиться высокий уровень, означающий, что ни А, ни Б не
жульничают
Усовершенствованный тестер телепатии
----
--
-
--- --------·--- - ---· - --- - -- -
тов И (AND), ИЛИ (OR) и Исключающее ИЛИ
(XOR) на соответствующих представлениях их
микросхем. Поэтому. будьте внимательны при
монтаже микросхем, содержащих логические
элементы ИЛИ-НЕ (NOR) .
На рис. 16.12 приведена принципиальная
схема обновленного тестера ЭСВ, оптимизи
рованная для монтажа на макетной плате. На
этой схеме в обозначениях микросхем логиче
ские элементы Исключающее ИЛИ помечены
буквой «Х», И - символом «&», а ИЛИ-НЕ буквой «N» (но имейте в виду, что это нестан
дартные обозначения указанных логических
элементов) .
Поскольку принципиальная схема на
рис. 16.12 едва помещается по вертикали на
одной странице, в ней не показаны кнопки
(которые вы, скорее всего, будете монтировать
отдельно в любом случае) . Принципиальная
схема кнопок показана на рис. 16.13. Выход
каждой кнопки обозначен соответствующей
меткой и подключается ко входам микросхем
на рис. 16.12, помеченным совпадающей мет
кой. Например, выход кнопки АО на рис. 16.13
подключается ко всем входам АО на рис. 16.12
и т. д. Такое подключение легче всего реали
зовать, используя многоцветный кабельный
шлейф.
Светодиоды для индикации сообщений
теста можно также смонтировать отдельно.
При этом с каждым светодиодом следует по
следовательно подключить резистор номи
налом 220 Ом, чтобы не перегрузить выходы
логических микросхем (если только вы не ис
пользуете светодиоды со встроенными в них
последовательными резисторами).
На рис. 16.14 показана схема тестера ЭСВ,
собранная на беспаечной макетной плате.
Создав соединения между микросхемами,
я увидел, что на макетной плате осталось до
статочно места как раз для четырех кнопок.
Так что, я поместил их там и подсоединил каждую К соответствующим входам логических
микросхем.
Рис. 1 6. 1 О. Логическая микросхема в корпусе с 1 4-ю выво
дами может содержать четыре двухвходовых логических
элемента ИЛИ-НЕ (NOR) или Исключающее ИЛИ (XOR), скон
фигурированных, как показано здесь. Важно помнить, что
входы и выходы элементов ИЛИ-НЕ (NOR) расположены
противоположно расположению входов и выходов других
четырехэлементных двухвходовых логических микросхем
Рис. 1 6.1 1 . Микросхема в корпусе с 1 4-ю выводами может
содержать три трехвходовых логических элемента
Эксперимент 16
1 40
1ОК
10К
10К
10К
Стабилизированное
напряжение 5 В
жа ю щие
·
резисторы
�
j 1 �:�
А1
во
...L
...L
...L
Рис. 1 6.1 3. Для схемы тестирования ЭСВ используются
четыре кнопки с нормально разомкнутыми контактами.
Выход каждой кнопки подается на вход каждой из пяти
микросхем. Так как каждая группа пяти входов от кнопок
находится одновременно или на высоком, или на низком
уровне, для каждой группы достаточно одного понижаю
щего резистора
Рис. 1 6. 1 2. Окончательная версия принципиальной схе
мы тестера телепатии с использованием пяти логических
микросхем
Усовершенствованный тестер телепатии
141
Н екоторые полезные
п одробности
Рис. 1 6.14. Схема тестера телепатии, собранная из пяти ми
кросхем на макетной плате. Шесть светодиодов представ
ляют состояния теста, обозначенные на принципиальной
схеме. Подключенные последовательно со светодиодами
резисторы на схеме не присутствуют, так как я использовал
светодиоды со встроенными последовательными резисто
рами. Кнопки участника
в нижнем ряду, а участника
Б
сразу над ними. Эта конфигурация монтажа схемы
предназначена только для демонстрационных целей. Для
полностью функционального тестера телепатии кнопки
должны бытьрасположены отдельно, чтобы участники не
могли видеть выбор друг друга
-
А
-
Следует быть осторожным, чтобы свето
диоды для индикации жульничества не ока
зывали слишком большого влияния на на
пряжение на выходах логических элементов
И. Кроме таких светодиодов, выходные сигна
лы этих логических элементов подаются еще
и на входы логических элементов ИЛИ- НЕ
в следующей микросхеме. При подаче на эти
входы сигнала высокого уровня с выхода соот
ветствующего логического элемента И, напря
жение на них должно быть не менее 4-х вольт.
Светодиод может понизить это напряжение,
поэтому убедитесь, что этого не происходит,
проверив его с помощью вольтметра.
Если вместо демонстрационной версии
на макетной плате вы решите собрать полно
функциональную версию этой схемы, вам по
требуется по два светодиода для индикации
успеха и неудачи - по одному для каждого
участника. Чтобы справиться с нагрузкой двух
параллельно подключенных светодиодов,
можно увеличить номинал последовательного
резистора или усилить выходной ток микро
схем. Самым легким способом усилить выхо
ды микросхем - пропустить их через тран
зисторные пары Дарлингтона, представлен
ные, например, микросхемой ULN2003. Пары
Дарлингтона, способные усиливать семь или
восемь входов, имеются в свободном доступе.
Впрочем, каждую пару светодиодов мож
но подключить и последовательно. Преиму
щество этого подхода состоит в том, что вы
ходная мощность микросхемы не расходуется
на резисторе. Но. к сожалению, результаты
такого подключения трудно предсказуемы,
так как светодиоды более чувствительны
к току, чем к напряжению, и разные светодио
ды имеют очень различающиеся характери
стики. Поэтому измерьте ток, протекающий по
подключенным последовательно светодиодам,
1 42
и если обнаружите, что светодиоды потре
бляют больше тока, чем они должны согласно
своим характеристикам, подключите к ним ре
зистор небольшого номинала.
Я настоятельно рекомендую вам собрать
эту схему. Она достаточно простая, так как в
ней используется очень небольшое число ком
понентов. По сути, единственное ее серьезное
требование - внимательно и аккуратно вы
полнять межкомпонентные соединения. Я ду
маю, что вы сможете это сделать, если решите
попробовать ее собрать.
Если вы действительно соберете полно
функциональную версию этой схемы, имейте
в виду, что действия одного из участников мо
гут быть не вполне произвольными, и другой
участник может заметить это, даже если пер
вый участник и не будет отдавать себе в этом
отчета. Это приводит нас в область исследова
ния случайных процессов, которую мы будем
рассматривать далее.
Отличие ци фр овых
компонентов
от анало говых
Даже при поверхностном взгляде на прин
ципиальную схему, показанную на рис. 16.12,
сразу видно, что она значительно отличается
от схем экспериментов с операционными уси
лителями. Заметьте, в ней совсем нет конден
саторов, а резисторы используются только для
понижения напряжения. И никаких транзи
сторов также! Это объясняется тем, что ло
гические микросхемы разрабатываются спе
циально для того, чтобы взаимодействовать
друг с другом, не требуя помощи каких-либо
дополнительных компонентов. При условии
использования микросхем одного и того же
семейства выход одной микросхемы гаранти
рованно приемлем в качестве входа другой.
Эксперимент 1 6
Кроме того, выход одного логического
элемента микросхемы можно одновременно
подавать на несколько входов других логиче
ских элементов. Например, на рис. 16.12 выход
нижнего левого логического элемента ИЛИ
НЕ (NOR, на схеме обозначен буквой «N»)
микросхемы 74НСО2 подается на входы двух
логических элементов И. Управление несколь
кими логическими элементами посредством
одного выхода называется разветвлением по
выходу (fanout) . Для микросхем семейства НС
один логический выход можно подавать на
любое количество логических входов, вплоть
ДО 10.
Дополнитель ное
улучшение схемы тестера
телепатии
Теперь, когда наша схема собрана и ра
ботает, можно задаться вопросом, нельзя ли
ее улучшить еще больше. Может быть, что
можно. Например, вместо отдельных прове
рок на успех и неудачу, можно использовать
следующую логику: если центральный эле
мент ИЛИ -НЕ определяет, что никто из игро
ков не жульничает, было нажато две кнопки
и отсутствует состояние неудачи, тогда в на
личии должно быть состояние успеха. Иными
словами, «Успех» можно определить как «НЕ
Неудача».
Но от попыток разобраться со всем этим
у меня начинает болеть голова, поэтому я не
буду пытаться выполнять дальнейшую опти
мизацию схемы. Если вас заинтересовали ло
гические схемы. можете попытаться занять
ся этим вопросом самостоятельно. Если вам
удастся уменьшить количество микросхем
с пяти до четырех, дайте мне знать об этом.
Но особо не напрягайтесь, так как в ряде сле
дующих экспериментов я покажу, как можно
свести количество микросхем всего к двум,
1 43
Усовершенствованный тестер телепатии
используя один дополнительный компонент,
называемый декодером (дешифратором) . Оста
вайтесь на связи!
Н е так уж и просто ?
Когда вы только начинали читать о тестере
телепатии, вы, наверное, думали, что эта схема
была слишком простой, чтобы быть интерес
ной. Но теперь вы, возможно, чувствуете, что
она стала слишком сложной, чтобы быть инте
ресной! Ну, ладно, опять же, если у вас нет же
лания возиться с ней, вас никто не заставляет.
Но запомните выводы, к которым мы пришли
в результате рассмотрения этой схемы, так как
они повсеместно применимы в области циф
ровых схем:
•
Логическая проблема, показавшаяся по
началу легкой, может стать крайне слож
ной после добавления слишком многих
проверок и условий. Возможно возник
новение логических конфликтов. Новые
возможности, которые было бы желатель
но иметь, легко придумать, но подумай
те дважды, прежде чем пытаться их до
бавить.
•
Ввод данных пользователем всегда пред
ставляет собой проблему, поскольку нуж
но продумать каждую возможную причу
ду человеческого поведения и обеспечить
ее обработку должным образом.
•
Существуют системные подходы к раз
работке логических схем, но они не могут
обеспечить создание максимально упро
щенной схемы с минимальным количе
ством микросхем. Оптимизация схемы
почти всегда способна уменьшить требуе
мое количество микросхем, но, с другой
стороны, это может сделать схему более
сложной для понимания, повысить вероят
ность ошибок, а также, возможно, затруд
нить дальнейшую модификацию схемы.
При создании компьютеров, кроме микро
процессоров, приходилось использовать ло
гические микросхемы, и количество необхо
димых микросхем являлось одним из важных
моментов, поскольку на ранних этапах своего
развития микросхемы были весьма дорогими.
Проект тестера телепатии демонстрирует ход
процесса разработки, который требовалось
пройти первопроходцам в компьютерной об
ласти. Даже в настоящее время разработчикам
микросхем центральных процессоров прихо
дится иметь дело с логическими состояниями,
но их задача во многом облегчается наличием
не только лучших средств разработки, но и
мощного программного обеспечения для про
верки всех аспектов разрабатываемой схемы.
М ожно ли было
использовать
микроконтроллер ?
Как вы думаете, можно ли было бы?
Конечно же, ответ будет да, абсолютно да!
Выход каждой кнопки можно подключить ко
входу микроконтроллера, а затем написать
программу для обработки разных комбина
ций нажатий кнопок. Переход к обработке
определенных комбинаций осуществляется
с помощью операторов условия IF-THEN.
Хотя логические ошибки здесь также воз
можны (более того, даже вероятны) , в целом
процесс разработки схемы скажется намного
меньшей головной болью, да и требования
к аппаратному обеспечению будут банальны
ми. Вместо пятнадцати логических элементов
в пяти микросхемах можно будет обойтись
только одним микроконтроллером. Если бы
меня завтра попросили создать тестер телепа
тии, я бы несомненно использовал для этого
микроконтроллер.
1 44
Но моей целью в этой книге является по
казать вам, как все это работает. Логика яв
ляется абсолютно основополагающей во всех
цифровых устройствах, а самый лучший спо
соб обучаться ей - практическая работа. Для
этой цели старые логические микросхемы не
заменимы.
Впрочем, в действительности существуют
два возможных их заменителя. Как я упоми
нал немного ранее, можно использовать де
кодер (дешифратор) , который содержит мно
го разных логических элементов, чтобы не
требовалось соединять проволочными пере-
Эксперимент 16
мычками отдельные логические микросхемы.
С этим устройством мы будем работать в экс
периментах 19 и 20.
Есть другая возможность - заменить каж
дый логический элемент парой самых обык
новенных электромеханических переключа
телей.
Далее мы рассмотрим схему игры, которую
можно создать с помощью таких переключате
лей, но, как вы увидите, ее также можно будет
собрать и на микросхемах или даже на комби
нации переключателей и микросхем.
«Камень, ножницы, бумага» - это древ
няя международная игра, но на случай, если
вам почему-либо никогда не приходилось
в нее играть, я повторю здесь ее правила. Два
игрока располагаются друг напротив друга,
и на счет три каждый из них делает рукой один
из следующих жестов:
•
разводит прямые указательный и средний
пальцы (с остальными, прижатыми к ла
дони) , представляющие ножницы.
Победитель определяется при сравнении
жестов: камень притупляет ножницы, ножни
цы режут бумагу, а бумага обертывается во
круг камня.
Здесь прослеживается явное сходство с те
стом на телепатию, поскольку двое участников
так же расположены друг напротив друга, ста
раясь угадать намерения противоположной
стороны. Но на этом схожесть заканчивается,
и начинаются различия, которые и определяют
форму электронной версии игры. Во-первых,
здесь у каждого игрока не два выбора, как при
телепатическом тесте, а три. Во - вторых, оди
наковый выбор обоими игроками означает
ничью. И в-третьих, при разных выборах один
игрок выигрывает, а другой проигрывает.
ДЛЯ С П РАВ К И :
вероятность
Допустим на секунду, что телепатии не суще
ствует. Означает ли это, что игра в камень, бумагу
и ножницы - это игра ч истого случая?
Нет, так как в нее играют два человеческих
существа, выбор которых не будет полностью слу
чайным. К тому же, понятие случайности у многих
л юдей довольно иррациональное.
Например, многие верят, что п ри бросании
монеты, чем больше раз подряд выпал орел, тем
больше шансов, что на следующем броске выпа
дет решка (или наоборот). Это заблуждение из
вестно, как «заблуждение Монте-Карло»1, - по из
вестному городу бесчисленных казино, на рулетке
одного из которых 1 8 августа 1 9 1 3 года черный
цвет выпал 26 раз подряд. М ного л юдей проигра
ли большие деньги в середине этой полосы, ставя
на красный. В конце концов, если черны й выпал
десять, пятнадцать, а уж тем более двадцать раз,
красный п росто обязан выпасть следующим. По
крайней мере, в этом они были убеждены.
Но это убеждение ошибочно, поскольку у ко
леса рулетки нет памяти. Так же нет памяти и у мо
неты. Если вы выбросили орла десять раз подряд,
монета не знает об этом. Соответственно, шансы
выбросить орла на следующем броске остаются
точно такими же, как и ранее.
Но люди памятью обладают. Они помнят, что
они делали, и то, что они помнят, влияет на приниЭто заблуждение также называется «заблуждением
игрока», «заблуждением зрелости шансов» и т. п.
Эксперимент 1 7
1 46
маемые ими решения. Если игрок в камень, ножни
цы и бумагу знает, что он выбрал камень три раза
подряд, в следующий раз он, скорее всего, попро
бует выбрать что-н ибудь другое. Возможно, он
чувствует, что для того, чтобы его ход нельзя было
предсказать, он не должен повторять свои преды
дущие ходы. Поэтому он будет все более склонен
выбрать в следующий раз бумагу или ножницы.
Вы можете воспользоваться этим, выбрав
ножницы. Таким образом, вы или выиграете, или
получите ничью. В любом случае, вы не проиг
раете.
Но здесь есть проблема - если вы и граете
против опытного оппонента, он может осознавать,
что вы ожидаете, что он не повторит свой ход.
Соответствен но, он может его снова повторить,
чтобы расстроить ваши ожидания.
Но что, если вы знаете его достаточно хорошо
и ожидаете, что он так поступит? Опять же, вы мо
жете п редугадать его выбор и изменить свой соот
ветствующим образом, но если он почувствует, что
вы его раскусили, он может снова изменить свой
выбор.
Такой рекурсивный процесс, когда люди п ы
таются предугадать действия друг друга, является
распространенной темой в захватывающей об
ласти, называющейся теорией игр. Этот раздел
математики стал столь важным в 60-х годах п ро
шлого столетия, что начал оказывать влияние на
внешнюю политику США и на гонку ядерных во
оружений.
ДЛЯ С П РАВ КИ : .
.
,
.
теория и гр
Теория игр, как научный п редмет, зародилась
в 1 944 году, когда компьютерн ы й ген и й Джон фон
Нейман (John von Neumann) совместно с экономи
стом Оскаром Моргенштерном (Oskar Morgenstern)
издали книгу «Теория и гр и экономическое пове
дение». Изложенные в кни ге принципы были усо
вершенствован ы в начале 1 950-х годов и быстро
стали популярными в среде теоретиков научного
центра RAN D в Ваш и н гтоне, округ Колумбия.
Посредством теории и гр можно описать лю
бую ситуацию, в которой два (или более) участни
ка п ытаются выработать стратегию, которая дала
бы им преимущество, но не обладают полной
информацией друг о друге или не могут доверять
друг другу. Например, в игре в покер один игрок
может блефовать, в то время как другие и гроки
должны решить, блефует ли он, и если да, то как
реагировать на этот блеф. Реакция других и гроков
может влиять на блефующего игрока, пока, на
конец, карты не будут выложены на стол, и один
и грок не выиграет.
Подобным образом и в военной конфронта
ции могут п рименяться блеф, вызовы и попытки
п редугадать действия оппонента. Это побудило
советни ков RAND, таких как Герман Кан (Herman
Kahn), утверждать, что в определенных обстоя
тельствах для Советского Союза может стать -, J,,) Q
·-
'
Рис. 28.1 1 . Первая часть схемы проекта «Вещий Цзин», оди
Рис. 28.12. Вторая часть схемы проекта «Вещий Цзин»
наковая как для демонстрационной, так и для рабочей его
версии
(демонстрационная версия с использованием светодиодов
вместо линейных индикаторов)
светодиодам. В обоих случаях нужно попробо
вать подключать разные резисторы, проверяя
проходящий по ним ток. Каждый отдельный
светодиод и каждый набор из четырех свето
диодов, подключенных последовательно-па
раллельно, должны потреблять не более чем
8 мА тока.
На рис. 28.13 показано, как можно устано
вить на макетной плате светодиоды, для кото
рых требуются последовательные резисторы,
чтобы они занимали минимальное простран
ство. Шесть светодиодов представляют один
отрезок пары гексаграмм. Светодиоды про
нумерованы, чтобы показать, какие сдвиговые
регистры управляют ими. Толстые серые ли
нии представляют проводники внутри макет
ной платы.
Для такой организации размещения све
тодиодов требуется только пять рядов гнезд,
и шесть наборов светодиодов займут всего
лишь тридцать рядов гнезд макетной платы.
Это оставляет достаточно места для размеще
ния сдвиговых регистров в верхней половине
макетной платы.
Рис. 28.1 3. Подключение двух светодиодов, управляемых
индивидуально сдвиговыми регистрами 1 и 2, и четырех све
тодиодов, подключенных последовательно-параллельно и
управляемых совместно сдвиговым регистром 3. Если ваши
светодиоды не имеют встроенных последовательных рези
сторов, подберите внешние последовательные резисторы
таким образом, чтобы отдельные светодиоды и группы
последовательно-параллельных светодиодов потребляли
не более, чем 8 мА тока
Рис. 28.14. Первая часть схемы проекта «Вещий Цзин»
«Вещий Цзин»
263
Полностью собранная демонстрационная
версия схемы показана на рис. 28.14 и 28.15.
М онтаж и тестирован ие
Поскольку это сравнительно большой
проект, следует проверять каждую его часть
по мере их сборки. Собирая свою демонстра
ционную версию проекта, я следовал такой
последовательности шагов, начиная со свето
диодов и двигаясь назад:
1. На второй макетной плате установите все
перемычки и резисторы, относящиеся
к светодиодам. Затем установите светоди
оды и подайте напряжение на каждый из
них, чтобы убедиться в надежности кон
тактов.
2. Установите все три сдвиговых регистра
и подключите к ним светодиоды. Запустите
сдвиговые регистры вручную, используя
входы, обозначенные на схеме С и D, что
бы загрузить их, и вход В для тактирова
ния. Подать чистый сигнал тактирования
на вход В непросто. Для этого нужно под
ключить его к общему «минусу» через ре
зистор сопротивлением 10 кОм, а затем
очень, очень быстро коснуться его прово
дом, подключенным к «плюсу» источника
питания.
3. Отложите в сторону эту макетную пла
ту. Установите микросхему таймера 7555
в верхнюю часть первой платы. Вместо
конденсатора емкостью 10 нФ, указанного
в принципиальной схеме 1 , временно уста
новите конденсатор емкостью 33 мкФ,
чтобы понизить частоту выходного сиг
нала таймера для целей тестирования.
Оставьте этот конденсатор до шага 10.
Подключите светодиод к выводу выхода
таймера.
1
На схеме указан конденсатор 1 нФ , здесь в тексте
10 нФ . Возможно, это опечатка в исходном тексте
книги.
Ред.
-
Рис. 28.1 S. Вторая часть схемы проекта «Вещий Цзин»
-
Эксперимент 28
264
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Установите микросхему двоичного счет
чика. Проверьте его работу, подключив
светодиоды к его выходам. При этом
используйте со светодиодами последо
вательные резисторы высокого сопро
тивления, чтобы потребляемый ток не
превышал 2 мА.
Добавьте в схему дешифратор и проверьте
его выходы с помощью светодиодов с по
следовательными резисторами высокого
сопротивления.
Добавьте микросхему восьмивходово
го логического элемента ИЛИ/ИЛИ-НЕ
и проверьте ее выходы с помощью свето
диодов с последовательными резистора
ми высокого сопротивления. Выход ИЛИ
должен быть высокого уровня для выход
ных значений дешифратора 1011, 1 100,
1 101, 1110, 1111 и 0000.
Проверьте с помощью светодиода тай
мер 7555, работающий на низкой часто
те. Светодиод должен загореться сразу же
по включении питания, что нормально.
Увлажните палец и приложите его к кон
тактам запуска таймера (которые могут
быть просто парой проводов с оголенны
ми концами). Расстояние между контак
тами не должно превышать 2,5 мм. После
одной-двух секунд светодиод должен на
чать мигать.
Добавьте транзистор и соединительные
перемычки между двумя макетными пла
тами.
Удалите все светодиоды, которые исполь
зовались для проверки работы микросхем
счетчика, дешифратора и логического
элемента ИЛИ/ИЛИ- НЕ. Это очень важ
но! Если эти микросхемы будут управлять
светодиодами на высокой скорости, они
не смогут должным образом взаимодей
ствовать друг с другом.
Уберите временный конденсатор ем
костью 33 мкФ на таймере 7555, раба-
тающем на высокой частоте, и замените
его постоянным конденсатором емкостью
10 нФ2•
11. Не забудьте соединить шины питания
обеих макетных плат, чтобы они получали
питание в процессе проверки работоспо
собности схемы. Но в вашем нетерпении
увидеть работу созданной схемы, будьте
внимательны, чтобы не перепутать по
лярность соединяемых шин питания двух
плат.
Запускаем и гру
« Ве щ и й Цзи н»
Конденсатор емкостью 100 мкФ (на
рис. 28.11 показан слева вверху) должен по
давлять мгновенные всплески напряжения,
возникающие при включении питания схемы.
Если конденсатор должным образом справля
ется со своей задачей, все светодиоды должны
при этом оставаться не активированными.
Если некоторые из них загорятся, выполните
сброс схемы, нажав кнопку сброса на второй
макетной плате.
Замкните контакты запуска таймера, при
ложив к ним палец. Чтобы схема реагировала
быстрее, увлажните его. Будьте терпеливы,
поскольку для зарядки конденсатора может
потребоваться секунда-другая. Уровень вы
ходного сигнала таймера сменится на низкий,
а затем опять на высокий, что должно сопро
вождаться отображением первого отрезка гек
саграмм. Этот процесс повторяется шесть раз,
а затем останавливается. Если отображение от
резков не остановится, проверьте напряжение
на выводе сброса медленного таймера. Оно
должно быть выше 4,5 вольт постоянного тока
в процессе отображения отрезков, но должно
упасть ниже 0,5 вольта после отображения по
следнего отрезка.
2
См. предыдущую сноску.
-
Ред.
265
«Вещий Цзин»
Если отключить, а затем снова подключить
питание, в конденсаторе емкостью 100 мкФ,
скорее всего, останется достаточно заряда,
чтобы повторно отобразить гексаграммы.
Поэтому необходимо оставить питание от
ключенным в течение минуты или двух, чтобы
этот конденсатор разрядился.
Соединяя обе платы, использования
длинных перемычек не избежать. При этом
следует иметь в виду, что если взять перемыч
ки с наконечниками, контакт может окзаться
ненадежным. Поэтому, если схема работает
с перебоями, первым делом следует проверить
надежность соединений, выполненных по
средством таких перемычек.
4• (100 мм)
Установка схемы в корпус
На рис. 28.3 представлен проект общего
вида игры «Вещий Цзин», а на рис. 28.16 верхняя панель корпуса проекта с вырезами
для индикаторов и указанием соответствую
щих размеров.
Этот проект не столь амбициозный, как
он может казаться, поскольку соединения
между микросхемами сравнительно простые.
Большинство монтажных соединений связано
с дисплеями гексаграмм. Конечно же, монтаж
становится более сложным в случае исполь
зования микросхем пар Дарлингтона. Кроме
того, есть еще и вопрос стоимости - если ис
пользовать линейные индикаторы, требуемое
количество этих индикаторов для всего про
екта будет стоить около $40.
Тем не менее, насколько я знаю, « Вещий
Цзин» является единственной электронной
версией старейшей системы в мире для пред
сказания будущего.
Но можно ли ее использование сравнить
с ситуацией, когда нужно бросать веточки ты
сячелистника? Определенно, в процессе броса
ния веточек тысячелистника и рисования гек
саграмм вручную есть что-то захватывающее.
1
1
� :......
0,2" (5 мм)
Рис. 28.16. Конфигурация и размеры верхней панели кор
пуса и вырезов в ней для проекта «Вещий Цзин»
Но если вы верите, что положением веточек
управляет судьба, мне кажется, что судьба так
же управляет поведением электронов внутри
кремниевых микросхем.
Отсюда и мое пожелание: пусть ваша судь
ба будет наэлектризована положительно!
ЭКСПЕРИМЕНТ 29.
ПРОСТЕЙШ И Й ДАТЧИ К: ГЕРКОН
В этом и в следующих пяти экспериментах
мы будем рассматривать датчики. Это весьма
увлекательная область электроники, посколь
ку она все еще стремительно развивается.
В то время как базовые конструкции и возмож
ности используемых нами логических микро
схем установились давным-давно, эволюция
датчиков умеренной стоимости происходит
сейчас повсеместно.
Ключевое слово здесь «умеренной стои
мости». Например, в 2000 году я, возможно,
мог бы купить акселерометр, если бы хоро
шенько поискал поставщика, хотя найти тако
го поставщика, который продал бы мне всего
лишь один экземпляр устройства, было бы за
труднительно, да и само устройство оказалось
бы весьма дорогим. Кроме того, купив устрой
ство, я бы столкнулся с определенными труд
ностями, пытаясь разобраться, каким именно
образом его использовать.
В настоящее время в США я могу купить
трехкоординатный акселерометр у того или
иного поставщика из Гонконга примерно за
$3 с бесплатной доставкой прямо оттуда, а по
лученное устройство подключить напрямую к
микроконтроллеру Arduino.
Эволюция мобильных устройств способ
ствовала массовому производству небольших,
надежных, легких в использовании и деше
вых датчиков. Современный смартфон может
иметь «На борту» свыше десяти разных дат
чиков, включая микрофон, сенсорный экран,
антенну для беспроводной связи, антенну для
системы GPS, датчик окружающей освещен
ности (для управления яркостью экрана) ,
29
акселерометр (для определения положения,
в котором смартфон удерживается пользовате
лем) , термометр, барометр, гигрометр, а также
датчик приближения, который, когда пользо
ватель подносит устройство к уху, отключит
дисплей, чтобы игнорировать прикосновения
к экрану и экономить заряд аккумулятора.
В настоящее время область датчиков
столь обширна, что доступное в этой книге
место позволяет мне описать лишь несколько
из огромного числа разнообразных датчиков.
Зайдите на сайты поставщиков электронных
устройств - например, http://wwwJameco.
com или http://www.sparkfun.com, введите
в поле поиска слово sensor, и вы будете удивле
ны многообразием полученных результатов.
М ален ь ки й ма г н итн ы й
в ы ключател ь
Наверное, самым старым датчиком яв
ляется скромный герконовый выключатель.
Я вкратце упомянул о нем в книге «Электро
ника для начинающих», но только в плане его
применения в системах сигнализации, где за
ключенный в небольшой белый пластмассо
вый модуль он служил детектором открытия
окна или двери. Здесь я рассмотрю герконы
более подробно.
Для начала давайте познакомимся с неко
торыми образцами этого маленького, но уда
ленького устройства (рис. 29 .1).
Эксперимент 29
268
• о -
::;
a:i
о
�JS
()
a:i
ф
s;
:i:
(\)
1s;
с:
Схема подключения датчиков
На рис. 31.10 показана схема подключе
ния трех оптических датчиков к массиву пар
Дарлингтона. Из-за ограниченности про
странства книжной страницы и с учетом того,
что все датчики подключены абсолютно оди
наково, подключение остальных пяти датчи
ков не показано. Но у вас не должно возник
нуть с этим никаких проблем - используйте
показанные подключения как образец.
Рис. 3 1 . 1 0. Три
из шестнадцати датчиков и одна из двух ми
кросхем массива пар Дарл и н гтона, которые необходимы
для реализации оптического обнаружения монет для игры
«Горячий
СЛОТ»
Электронная оптика
Осталось дать к этой схеме некоторые по
яснения:
•
входы с правой стороны схемы, пронуме
рованные О, 1 и 2, соответствуют выходам
мультиплексора в первоначальной схеме
игры «Горячий слот» (см. рис. 21.7) ;
•
все датчики развернуты на 180 градусов
по сравнению с датчиком на схеме для ис
следования работы датчика (см. рис. 31.5).
Это сделано с целью свести к минимуму
перекрещивание проводов при подклю
чении датчиков к микросхеме массива
пар Дарлингтона. Обязательно убедитесь
в том, что ваши датчики установлены сто
роной с инфракрасным светодиодом впра
во, а не влево;
•
я повысил сопротивление последователь
ного резистора для инфракрасных свето
диодов всех датчиков до 680 Ом, а сопро
тивление повышающих резисторов для
открытого коллектора фототранзистора
теперь составляет 3,3 кОм. Это объясня
ется тем, что схема управляется мульти
плексором, используя источник питания
напряжением 9 вольт. Поскольку в схеме
не присутствуют логические микросхемы
серии 74НСОО, использовать питание на
пряжением 5 вольт нет необходимости.
Кроме того, напряжения питания 5 вольт
может быть недостаточно, так как мульти
плексор вносит в цепь некоторое внутрен
нее сопротивление, что вызывает неболь
шое падение напряжения;
•
ток втекает в микросхему массива пар
Дарлингтона (а не вытекает из нее) , поэто
му все светодиоды извещения о выигрыше
подключены к «плюсу» источника пита
ния, и ток проходит через них в микросхе
му массива;
•
в то время, как питание на каждый датчик
подается мультиплексором (см. рис. 21. 7) ,
питание на микросхемы массива пар
Дарлингтона подается непосредственно
299
•
•
•
с источника питания схемы. Таким об
разом, они не увеличивают нагрузку на
мультиплексоры;
входное сопротивление пар Дарлингтона
ниже, чем микросхемы ИЛИ, кото
рая использовалась в схеме для иссле
дования работы оптического датчика.
Соответственно, пара Дарлингтона будет
слегка «сажать» выходное напряжение ак
тивного датчика. Я перепробовал разные
значения повышающего резистора на дат
чике и установил, что наилучший компро
мисс здесь - сопротивление 3,3 кОм. Если
ваш светодиод извещения о выигрыше не
будет реагировать должным образом при
этом сопротивлении, его можно увели
чить;
для светодиодов извещения о выигрыше
я рекомендую использовать последо
вательные резисторы сопротивлением
330 Ом. Светодиоды, которые я применил
в своей схеме, рассчитаны на прямое на
пряжение в 2 вольта. Если вы используете
светодиоды с другими характеристиками,
может оказаться необходимым подобрать
значения их последовательных резисто
ров. Для этого замерьте напряжение и по
требляемый ток на одном из включенных
светодиодов;
пара Дарлингтона может без проблем
справиться со 100 мА входящего тока,
поэтому можно не беспокоиться о ее пере
грузке.
Сбо р ка схемы на макетной п лате
На рис. 31.11 показана планировка схемы
для одного датчика, применимая и для всех
остальных. Часть схемы для одного датчика
занимает лишь четыре ряда гнезд макетной
платы, включая светодиод извещения о вы
игрыше, который должен быть расположен
непосредственно рядом с датчиком. Широки
ми серыми полосками на схеме обозначены
Эксперимент 3 1
300
проводники внутри макетной платы. Выводы
датчиков представлены в виде черных круж
ков с белыми центрами.
' Черная диагональная л и н ия на схеме,
, соединяющая два вывода датчи ка, обозначает
' перемычку, которую нужно установить перед
, тем, как устанавливать сам датчи к.
Белые провода, подключенные к макетной
плате справа, идут от выходов мультиплексора
первоначальной схемы игры «Горячий слот»
(см. рис. 21.7) . Поскольку я хотел четкой инди
кации выигрышного датчика, то использовал
прозрачные светодиоды извещения о выигры
ше диаметром 5 мм. На фото они выстроены
в ряд на левой стороне макетной платы.
Поскольку компоненты на макетной пла
те размещены очень близко друг к другу. нуж
но быть очень внимательным при их сборке.
Если вставить резистор или проволочную пе
ремычку не в то гнездо рядом с правильным,
можно подать обратное напряжение на датчик
и сжечь его. При тестировании своей собран
ной схемы я сжег таким образом два датчика.
Нетерпеливость, конечно же, всегда проблема.
В любом случае, это моя проблема.
На рис. 31.12 показан вид моей схемы с
восемью датчиками, собранной на макетной
плате. Сборка другой части схемы с остальны
ми восемью датчиками выполняется точно так
же на другой макетной плате.
9 в постоянного
тока
П итание
с выхода
мультип лексора
\_
Светодиод
извещения о в ы игрыше
К входу управления
пары Дарл ингто на
К выводу стока тока
пары Дарлингтона
Рис. 3 1 . 1 1 . Предлагаемое расположение компонентов
Рис. 3 1 .1 2. Часть схемы усовершенствованной
одного из датчиков схемы
«Горячий слот» с восемью оптическими датч иками, собран
ная на макетной плате
игры
Электронная оптика
301
Ну, что вы думаете? Стоило ли дополни
тельных усилий создание более изящного
интерфейса, предоставляющего возможность
просто опускать монеты в прорезь, вместо
того, чтобы заталкивать их между металличе
скими контактами? Лично я думаю, что стои
ло, и когда вы увидите мой вариант стильного
корпуса для датчиков (описание которое да
ется в следующем разделе), может быть, мне
удастся убедить в этом и вас.
Корпус для датчиков
Наиболее очевидным способом создать
рабочую версию этой схемы было бы припа
ять все компоненты на перфоплату и разме
стить ее под крышкой из, например, фанеры,
в которой сделать вырезы над датчиками. Но
я не в восторге от этой идеи, поскольку такой
подход не дает достаточно точного контроля
над монетами.
Поэтому я решил поместить датчики меж
ду вертикальными слоями фанеры или пла
стика, склеенными вместе.
На рис. 31.13 показан первый этап этого
процесса - вертикальная полоса фанеры или
пластика с вырезами под монеты.
На рис. 31.14 показаны датчики, вставлен
ные в выемки в вырезах под монеты.
На рис. 31.15 показана сборка первого эта
па и промежуточная стойка толщиной 19 мм со
светодиодами, вставленными в проделанные в
ней сквозные вертикальные отверстия.
После сборки четырех сегментов с выре
зами под монеты, трех промежуточных стоек
и одной боковины (рис. 31.16) осталось до
бавить еще одну боковину, а затем установить
всю эту сборку в качестве верхней панели кор
пуса, содержащего электронику игры.
Вырезка деталей этой сборки не должна
стать для вас слишком трудной задачей. На
рис. 31.17 показаны их чертежи с размерами и
инструкциями. Цвета деталей не имеют ника
кого значения - они просто помогают разли
чать детали.
Рис. 3 1 . 1 3. Первый этап создания корпуса для датчиков
Рис. 3 1 .14. Датчики установлены в выемки в вырезах под
монеты
Эксперимент 37
302
Для промежуточных стоек и боковин ис
пользуйте фанеру или пластик толщиной
19 мм. Найдите крепкую фанеру или возьмите
сплошное дерево твердой породы, поскольку
толщина перемычки над вырезом всего лишь
5 мм, и мягкая фанера или дерево сделают
конструкцию недостаточно прочной.
Создайте приемники монет, вырезав че
тыре отверстия диаметром 25 мм в отрезках
размером 165х50 мм из фанеры или пласти-
ка толщиной 6 мм. Эта толщина определяется
шириной прорези датчиков. Отверстия реко
мендуется вырезать с помощью кольцевого
сверла для древесины, но можно использовать
и коловорот, если соблюдать должную осто
рожность. Рекомендую, все-таки, использо
вать пластик, такой, например, как АБС.
Вырезав отверстия, разрежьте каждый
отрезок заготовки монетоприемника вдоль
посредине. Выемки внизу вырезов для монет
:
::
Приготов ьте 5 отрезков размером 165 х 25 мм из фанеры
и и пластика толщиной 12 мм или
мм
�· п
31
J!il �
'11
6
'
t� []
165
165 х 50 мм из фанеры или пластика
те е них отверстия диаметром 25 мм,
а затем разрежьте отрезки по всей длине по линии разреза
Приготовь.те 2 отрезка размером
Рис. 3 1 .1 5. Промежуточная боковая стойка будет удержи
вать датчики и не позволять инфракрасному свету от одно
го датчика попадать на другой
можно сделать с помощью плоского напиль
ника с насечками на узкой стороне или же
с помощью квадратного напильника неболь
шого размера.
Прежде чем приступать к сборке монето
приемника, не забудьте высверлить в проклад
ках и боковинах отверстия под светодиоды.
Выводы светодиодов нужно удлинить, припаяв
к ним отрезки провода калибра 24 AWG, что
бы они выступали из отверстий. Светодиоды
диаметром 5 мм без фланца внизу свободно
войдут в отверстия чуть большего диаметра.
Закрепите их в отверстиях мазком эпоксидно
го клея.
Также с помощью эпоксидного клея закре
пите все датчики в выемках. Но будьте осто
рожны, чтобы клей не попал на выводы дат
чиков. И будьте чрезвычайно внимательны,
чтобы поместить все датчики в одном направ
лении. Чтобы помочь себе определять ори
ентацию датчиков, можно поставить на них
небольшие пометки, потому что после того,
как все элементы монетоприемника будут со
браны вместе, определить, где светодиод, а где
фототранзистор датчика станет невозможно.
Размеры вырезов подобраны таким обра
зом, что помещение в них четвертаков, центов,
а также монет достоинством 5 и 10 центов США
должно прерывать инфракрасный луч датчи
ка. Монеты большего размера, чем четвертак,
в вырезы не поместятся, так как диаметр чет
вертака чуть меньше 1 дюйма (25,4 мм) . Если
вы живете в стране, где в хождении монеты
иного размера, я предоставлю вам самим разо
браться, какого размера делать вырезы, чтобы
ваши монеты в них помещались1.
Если перевернуть собранный монетопри
емник, можно будет видеть, что выводы дат1
Поскольку в оригинальной книге все размеры были
даны в дюймах и рассчитаны на монеты США, при
подготовке проекта в стране с метрической си стемой
измерений и другими размерами монет желательно
уточнить приведенные здесь размеры по месту.
Ред.
-
303
.
чикав доступны, - так что его можно собрать
до того, как подсоединять датчики к схеме.
Микросхемы можно установить на от
дельном отрезке перфоплаты и подключить
их к датчикам с помощью ленточного кабеля.
Затем надо соорудить корпус из фанеры или
пластика и установить в него перфоплату со
схемой и монетоприемник.
Этот проект стоит на одном из первых мест
в моем списке проектов, которые абсолютно
необходимо реализовать, и я сожалею, что
у меня еще нет его законченной версии, чтобы
я мог показать вам его фотографию. Я бы хо
тел приступить к работе над ним прямо сейчас,
но моей основной целью является завершение
этой книги, так что вам придется выполнить
этот проект самостоятельно.
В некотором смысле, это хорошо, что
у меня нет до конца готового изделия, чтобы
показать его вам. Таким образом, если вы сде
лаете его сами, на вашу работу не будет ока
зывать влияние (хорошее или плохое) чужая
работа.
Вспомните, что в эксперименте 23 я обещал
предложить вам более удобный способ рас
познавать размещение фишек игроков в игре
Овидия, чем тот, которым мы пользовались
тогда, - нажатие каждым игроком своей кноп
ки. И действительно - использование уже зна
комых нам датчиков устраняет необходимость
нажатия каких бы то ни было кнопок.
Допустим, что один игрок использует маг
нитные фишки, а другой - немагнитные, при
чем оба типа фишек вставляются в одни и те
же приемные отверстия в игровой доске. Если
каждое приемное отверстие оснастить датчи
ком Холла (который будет реагировать на маг
нитные фишки, но не на фишки иного типа) ,
а также проходным оптическим датчиком
(который станет реагировать на фишки обоих
типов), мы сможем автоматически различать
разные типы фишек.
Эта задача представляется мне задачей
логического типа, поэтому первым шагом в ее
решении надо сделать словесное описание ее
постановки.
Логи ка постановки
задачи
•
Логика игры должна быть следующей:
если активирован оптический датчик И
НЕ активирован датчик Холла, в прием
нике, должно быть, находится немагнит
ная фишка;
•
если активирован оптический датчик И
активирован датчик Холла, в приемнике
находится магнитная фишка.
Эта ситуация представлена логической ди
аграммой на рис. 32.1. Обратите внимание на
инвертор, подключенный к коллектору тран
зистора датчика Холла (направленный вниз
треугольник с кружком) , который преобра
зовывает высокий выходной уровень датчика
в низкий и наоборот. Я упоминал инверторы
в книге «Электроника для начинающих),) и ска
зал несколько слов о них в эксперименте 28, но
использовать их всерьез в этой книге не было
причины до настоящего момента.
Выход из правого логического элемента
И подается на логическую схему для опреде
ления выигрышной комбинации немагнитных
фишек, а выход из левого - на логическую схе
му для определения выигрышной комбинации
магнитных фишек. Одна из таких логических
схем показана на рис. 23.4. Каждый переклю
чатель на ней мы заменяем парой из оптиче
ского датчика и датчика Холла, подключенной
к элементу И (см. рис. 32.1).
Но здесь есть одна загвоздка, состоящая в
том, что датчики не будут активироваться од
новременно. Датчик Холла, вероятней всего,
станет включаться первым, поскольку он нач
нет активироваться, когда магнитная фишка
еще приближается к датчику.
Но я не думаю, что это важно, так ниче
го не произойдет до тех пор, пока не появится
выход из оптического датчика, который необ-
Эксперимент 32
306
ходим для активирования любого из двух ло
гических элементов И.
Однако меня беспокоит больше, что
эта система датчиков слишком сложная.
Игровая доска содержит девять ячеек-клеток.
Реализация логики для такого количества пар
датчиков потребуетпяти четырехэлемент
ных микросхем двухвходовых элементов И
и двух шестиэлементных микросхем инверто
ра. Собрать все эти компоненты в схемы -до
статочно большая работа. Нельзя ли каким
либо образом упростить эту схему?
Высокий выход:
при ВС1'авленной
немагнитной фишке
или при отсутствии
фишки
Низкий выход:
Низкий выход:
при отсутствии фишки
К логической схеме
игрока 1
Игрок
1
К логической схеме
игрока 2
использует
магнитные фишки
Игрок
2 использует
tемагнитные фишки
Рис. 32. 1 . В зависимости от типа вставленной фишки: маг
нитной (игрока
1)
или немагнитной (игрока
2)
-
соответ
ствующая логическая схема игры Овидия активируется с
помощью двух логических элементов
И
и инвертора
О братно
к переключателям
Для выполнения оптимизации схем в об
щем и нашей схемы в частности не существует
никаких установленных методических про
цессов. Все, на что можно опереться, - это
творческое мышление. И первым делом надо
пересмотреть роли датчиков. В действитель
ности, они выполняют разные функции:
•
оптический датчик определяет наличие
вставленной фишки любого типа;
•
датчик Холла определяет наличие встав
ленной магнитной фишки.
Так что, на самом деле, - это двухэтапная
операция. Первый этап имеет выход типа «да
или нет». Это выглядит как логический эле
мент. Но второй этап имеет выход типа «одно
или другое». Это уже не похоже на логический
элемент, а напоминает, скорее, двухпозицион
ный переключатель. Получается, что датчик
Холла не лучшим образом подходит для этой
задачи. А не заменить ли его одноконтактным
двухпозиционным герконом?
Я уже упоминал ранее, что двухпозици
онные герконы действительно существуют. Но
предупреждал я и о том, что герконы плохо
сопрягаются с логическими элементами из-за
дребезга контактов. Тем не менее, их контак
ты быстро стабилизируются, и если геркон
активировать первым - когда фишка только
начинает вставляться, у него должно быть до
статочно времени стабилизироваться к тому
моменту, когда фишка будет полностью встав
лена и активирует тем самым оптический дат
чик. То есть, к тому времени, когда оптический
датчик будет способен определить наличие
фишки, геркон должен быть в состоянии опре
делить тип вставленной фишки.
Поэтому схему датчиков можно упро
стить, убрав из нее логические элементы.
Теперь оптический датчик предоставляет вы
сокий или низкий выход, а геркон направля-
Усовершенствование игры Овидия
307
ет его к логическим элементам И логической
схемы игрока 1 или 2. Усовершенствованная
таким образом схема приведена на рис. 32.2.
Но при этом подходе возникает новая
проблема - геркон будет оставлять одну цепь
разорванной, а входы логических элементов
всегда должны иметь на них сигнал определен
ного уровня. Впрочем, эта проблема решается
добавлением понижающих резисторов. Они
только должны быть сравнительно высокого
номинала, чтобы сигнал из оптического дат
чика мог «пересилить» их и изменить входное
напряжение.
В схеме на рис. 32.2 номинал повышаю
щего резистора для оптического датчика со
ставит, вероятно, около 2 кОм. А номинал по
нижающих резисторов для логических схем
10 кОм.
Что ж, наш подход выглядит обещающе.
Но в игре Овидия фишки могут перемещаться
с одной клетки на другую, а это означает, что
они вынимаются из одной прорези для датчи-
, К логической схеме
игрока 1
Рис. 32.2.
Использование одноконтактного двухпозицион
ного герконового переключателя позволяет убрать логиче
ские элементы из схемы определения присутствия встав
ленной фишки
ков и вставляются в другую. Будет ли снятие
магнитного поля с геркона снова вызывать
дребезг его контактов? Да, будет, но к време
ни полного удаления фишки, позволяющего
геркону переключиться в свою другую пози
цию, выход оптического датчика уже сменится
с высокого на низкий. Внутренний гистерезис
оптического датчика обеспечит его четкий вы
ходной сигнал.
М а r н итные воп р осы
Другая проблема, которую нужно еще
решить, связана с подбором правильного маг
нита для работы с герконами. Магнит должен
быть достаточно сильным, чтобы надежно
управлять герконом, но, в то же самое время,
не столь сильным, чтобы активировать сопре
дельные герконы. Я полагаю, что отверстия в
игровой доске должны быть расположены на
расстоянии, по крайней мере, 25 мм друг от
друга, а герконы - размещены под доской на
достаточном расстоянии от ее поверхности,
чтобы они не активировались, если игрок слу
чайно уронит на доску фишку.
Фишки могут иметь форму вставок, со
держащих магнит на конце. Допустим, что мы
применим небольшие прямоугольные маг
ниты, размером около 6x12xl,5 мм. Тогда в
нижней части деревянной или пластмассовой
вставки можно сделать вырез и вклеить маг
нит в него.
Нам также необходимо обеспечить пра
вильную ориентацию геркона и магнита. В то
время, как одноконтактные однопозиционные
герконовые выключатели не особенно разбор
чивы по части своего размещения относитель
но направления магнитного поля, средний
контакт в одноконтактных двухпозиционных
герконовых переключателях должен отталки
ваться или притягиваться от одного крайнего
контакта к другому. Соответственно, вставки
фишек должны быть такой формы, чтобы их
Эксперимент 32
308
можно было вставить в прорези ячеек только в
одном положении. Например, они могут иметь
Т-образную форму, совпадающую с такой же
формой прорезей.
Это наводит меня на еще одно предполо
жение. Если сделать вставки достаточно широ
кими, тогда магнит можно прикрепить только
с одной их стороны. Например, магниты фиш
ки игрока 1 можно установить на одной сторо
не вставки, а игрока 2 - на другой. Это позво
лит нам избавиться от оптических датчиков
и использовать только герконы - по одному
на противоположных сторонах отверстий.
Герконы на одной стороне отверстий будут
активироваться фишками-вставками игрока 1,
а на другой стороне - игрока 2. На рис. 32.3
показана возможная реализация этой идеи.
Преимущество этой конфигурации со
стоит в том, что механические переключатели
в оригинальной схеме игры Овидия можно
просто заменить однополюсными однопози
ционными герконовыми переключателями.
Дело сделано!
Но чтобы убедиться в надежности этой
системы, ее нужно подвергнуть тщательно
му тестированию. Это один из недостатков
использования датчиков - приходится иметь
дело с механическими свойствами физическо
го мира.
СДЕЛ А Й Т Е ЧУТЬ Б ОЛ Ь Ш Е :
и гра О в и д и я
на м и кроконтроллере
Магнит
стороны,
на левой фишке-встав.ке
вмонтирован с nравой ее
а на правой
-
с левой
Рис. 32.3. Упрощенное трехмерное покомпонентное пред·
ставление возможной реализации игровой доски с фиш
ками. Герконовые переключатели на одной стороне доски
1 , а с другой 2. Чтобы не допустить одновременного активирова
активируются магнитами фишек игрока
игрока
ния герконовых переключателей на обеих сторонах пере
городки, перегородки в рабочей версии игры, возможно,
должны быть толще
И гру Овидия трудно реализовать на микро·
контроллере, так как и гровая доска имеет девять
клеток, каждая из которых может иметь три со
стоян ия: пустая, занята и гроком 1 , занята игроком
2. Это большое количество входов.
Но количество входов можно значительно
сократить с помощью матрич ного кодирования т. е. такой же системой, что применяется и для
определения нажатой клавиши на кнопочной па
нели. В матрице размером три на три микрокон
троллер поочередно выбирает ряд и проверяет
каждый столбец на наличие контакта на их пре
сечении. Базовая идея этого подхода показана на
рис. 32.4. Используя эту систему, микроконтрол
лер вместо девяти входов обходится только тремя
входами и тремя выходами. Обратите внимание
на необходимость использования диодов, чтобы
не допустить п ротекания тока по неправильным
путям в случае замыкания нескольких переключа
телей.
Усовершенствование игры Овидия
309
Для и гры Овидия, если использовать два на
бора герконов (по одному для каждого игрока),
схему матричного кодирования можно модифи
цировать (рис. 32.5). Здесь один набор переключа
телей обозначен розовым цветом, а второй - го
лубым, показывая, что первый набор управляется
фишками одного и грока, а второй - другого.
Попутно возникает вопрос: нельзя ли создать
систему, в которой фототранзистор с рабочим ди
апазоном частот в видимом спектре различал бы
два набора фишек - один плотного черного цве
та, а другой - глянцевый белый?
Или смог бы фототранзистор различить фиш
ки двух разных цветов (скажем, красного и зеле
ного), если освещать их светодиодами соответ
ствующего цвета? Зеленый цвет выглядит ярким
в зеленом свете и темным - в красном, в то время,
как красный цвет выглядит ярким в красном свете
и темным - в зеленом. А определять цвет фишки
в прорези можно было бы с помощью компара
тора.
\J
"
.J
� Вь1ходь1�
Микроконтроллер
Рис. 32.4.
\tf
Входы
Базовая концепция матричного кодирования
Возможно, вы сможете придумать и другие
способы распознавания фишек. Самым лучшим
способом окажется тот, который будет надежен,
дешев, прост в использовании, эстетически п рия
тен и легок в реализации. Мне бы очень хотелось
услышать любые идеи, которые вы сможете на этот
счет придумать.
Ну а теперь, когда я выполнил свое обеща
ние предложить несколько способов улучшения
пользовательского ввода для и гры Овидия, пора
двигаться дальше - к рассмотрению других типов
датчиков.
"'
"---
Рис. 32.S.
·+
Выходы
j
--..-../'
Микроконтроллер
t�1�1f
Входы
Матричное кодирование для игры Овидия, где
каждый игрок управляет своим отдельным набором герко
нов
ЭКСПЕРИМЕНТ 33.
ПОЛ ЬЗА ВРАЩЕН ИЯ
Я полагаю, что вам всем хорошо знаком
наш старый любимец потенциометр. Только в
этой книге я использовал в разных схемах око
ло двадцати подстроечных потенциометров.
Но в устройствах бытовой электрони
ки настройка осуществляется несколько по
иному. Например, ваша автомобильная стерео
система все еще оснащена ручкой управления
громкостью. но и после проворота на 360 гра
дусов она продолжит вращаться дальше. Это
дает основания полагать, что ручка крутит не
что иное. а не потенциометр.
Что же там такое? Ответ - датчик угла
поворота (дУП) . который иногда называют
вращающимся или поворотным энкодером,
а также и электромеханическим датчиком угла
поворота (поскольку он содержит внутри меха
нические контакты). Несколько таких датчи
ков показаны на рис. 33.1. С виду они похожи
на потенциометры - более того, большинство
из них даже имеют три вывода. Но функцио
нируют они существенно по-другому.
Э нкодер : п ринци п работы
Первым делом нам нужно четко разделить
разные типы таких датчиков. Очевидно. что
здесь речь не идет о полупроводниковых шиф
раторах, которые в англоязычной среде так
же, как и датчики угла поворота, называются
энкодерами1• Мы уже подробно рассмотрели
эти устройства, и вы должны были заметить,
что они не имеют никаких ручек для вра
щения.
А поворотный энкодер имеет вал и, как
минимум, два вывода и генерирует при вра
щении вала пакет импульсов с внутренних
контактов. Этот пакет импульсов интерпре
тируется другим устройством (обычно микро
контроллером). которое принимает решение,
что делать в ответ. Такое устройство может
регулировать громкость звука аудиосистемы,
или циклически выводить некоторые опции
или команды на экран, или выполнять любую
другую задачу. определенную его программой.
Первоначально поворотным энкодером
называли компонент высокого техническо
го уровня, в котором часто использовались
оптические методы весьма точного измерения
угла вращения (более, чем 100 интервалов на
360 градусов) . Но это определение измени
лось. Теперь любой компонент, генерирую
щий пачку импульсов при вращении его вала,
и будет, скорее всего, называться повортным
энкодером или просто датчиком угла пово
рота.
От англ. Encoder.
Эксперимент 33
312
Какой э нкодер нам нужен ?
Для нашего эксперимента потребуется по
воротный энкодер, имеющий следующие ха
рактеристики:
•
квадратурный выход (я объясню значение
этого термина чуть позже) ;
•
разрешение - как минимум 24 измене
ния состояния в каждом полном повороте
на 360 градусов. Это кратко называется:
ИНО, импульсов на оборот2;
•
такое же количество арретиров, как и зна
чение разрешения. Арретиры - это сто
поры (фиксаторы), которые создают крат-
ковременное сопротивление при враще
нии вала, освобождение после которых
сопровождается слабыми щелчками.
Одним из примеров повортного энкодера
может служить датчик ECW1J-B24-BC0024L
компании «Bourns». но существует более сотни
подобных энкодеров с разрешением 24 ИНО
и 24-мя арретирами. Поскольку эта область
стремительно развивается, любой энкодер,
который я могу назвать здесь сейчас, очень
вероятно, может быть заменен завтра каким
нибудь другим. Не бойтесь использовать дру
гие энкодеры - при условии, что они имеют
такие же характеристики.
r
От англ. Pulses Per Revolution (PPR).
1
9 В постоянного тока
1
ВЫХОД!iдЯ
последоваrеnьНQсть
• • • •
• • • •
Рис. ЦВ-33.2. Когда поворотный энкодер собран, как пока
зано на схеме, он выдает на своих двух выводах приведен
ную здесь выходную последовательность импульсов
Рис. 33.3. Расстояние между выводами многих энкодеров
позволяет вставлять их в макетную плату без какой бы то н и
было дополнительной подготовки
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
Некоторые энкодеры не являются
квадратурными и могут иметь больше
или меньше трех выводов. Для нашего
эксперимента я не рекомендую использовать
такие энкодеры.
Пакет импульсов
Продемонстрировать функционирование
поворотного энкодера очень легко. Хотя его
контакты не рассчитаны на большие токи. они
могут справиться с несколькими миллиампе
рами, требуемыми для активирования свето
диода.
Соберите схему для исследования рабо
ты энкодера, показанную на рис. ЦВ-33.2.
Выводы многих энкодеров расположены на
расстоянии 2,5 мм (0,1 дюйма) друг от друга,
что позволяет вставлять их непосредственно
в макетную плату (рис. 33.3) .
Собрав схему, начните очень медленно
вращать вал энкодера - светодиоды должны
зажигаться в последовательности, показанной
на рис. ЦВ-33.2. Теперь вращайте вал в об
ратном направлении - последовательность
импульсов также должна идти в обратном на
правлении. Это и есть пакет импульсов (его
визуальное представление), о котором я гово
рил ранее.
Польза вращения
Обратите внимание. что черные точки
на рисунке не представляют логический низ
кий уровень. Выходной сигнал энкодера или
включен, или выключен, так как он формиру
ется миниатюрными переключателями внутри
кодера. Когда переключатель выключен, он
размыкает цепь и ни к чему не подключен.
К центральному выводу кодера вместо
«плюса» источника питания (как в схеме на
рис. ЦВ-33.2) можно подключить «минус».
В таком случае выходной пакет импульсов
можно рассматривать как последовательность
импульсов отрицательного напряжения, а не
положительного.
313
Рис. 33.4. Кнопки здесь представляют контакты внутри
квадратурного кодера
В Н И МА Н И Е :
энкодеры низкого качества
Если выходная последовательность импуль
сов вашего энкодера не похожа на последова
тельность красных и черных точек, показанную
на рис. ЦВ-33.2, или если светодиод включается и
выключается нечетко или мигает, причиной тому
может быть дешевый энкодер н изкого качества.
Заплатив за энкодер немного больше, вы получите
более четкую и регулярную выходную последова
тельность, которую желательно иметь для рассма
триваемых далее экспериментов.
Энкодер вращается no ч�совой стрелке -+-
Выходной сигнал
на
выводе А
Выходной сиrнал
на выводе В
Рис. 33.5. Выходные сигналы энкодера, в котором количе
Ч то там внутри ?
ство арретиров такое же, что и значение е го разрешения
Импульсы, которые были представлены
нам в виде включающихся и выключающих
ся светодиодов, создаются внутри энкодера
двумя парами контактов, которые установле
ны с легким сдвигом друг относительно друга
(иными словами, сдвинуты по фазе) . Это по
ложение иллюстрирует рис. 33.4.
На рис. 33.5 показано графическое пред
ставление выходных сигналов энкодера. Вер
тикальные белые пунктирные линии пред
ставляют арретиры. а комбинация выводов А
и В изменяется от одного арретира к другому.
Приведенное описание энкодеров может
быть не совсем понятно. Приведу далее неко
торые уточнения. которые могут помочь разо
браться в этом вопросе:
•
тип энкодера, который мы только что
рассмотрели, - т. е. с двумя выходами.
которые могут иметь четыре возможные
комбинации включенных и выключен
ных состояний. называется квадратурным
энкодером;
З1 4
•
•
•
Эксперимент 33
это число переходов сигразрешение
нала на каждом выводе, как вверх, так
и вниз, умноженное на количество вы
водов (два - в случае квадратурного эн
кодера), на протяжении одного полного
оборота в 360 градусов;
поэтому значение разрешения такое же,
как и число изменений состояния на про
тяжении одного оборота;
значение ИНО (импульсов на оборот)
включает как импульсы включенного со
стояния, так и выключенного, с обоих
выводов. Поэтому ИНО обозначает то же
самое, что и разрешение.
П рименение э нкодеров
Энкодер - это очень простое и ленивое
устройство. Все, что он делает, - просто щел
кает своими внутренними переключателями,
предоставляя какому-либо другому устрой
ству выполнять всю умственную работу по ин
терпретации выдаваемой ими последователь
ности импульсов.
Таким другим устройством может быть
логическая микросхема, но если вы планируе
те подключить поворотный энкодер к микро
схеме цифровой логики любого типа, очень
важно иметь в виду следующее:
' К выводам энкодера всегда необходимо
, подключать понижающие или повышающие
резисторы, чтобы на них присутствовало
1 определенное напряжение при разомкнутых
перекл ючателях энкодера.
Это правило также действует при подаче
выходного сигнала энкодера на вход микро
контроллера, что является самым распростра
ненным случаем.
Допустим, что энкодер используется в ка
честве регулятора громкости. При проворачи
вании вала энкодера микроконтроллер вычис-
ляет направление вращения. сравнивая пакеты
импульсов с двух его выходов. Так, если пере
ключатель А замыкается на мгновение раньше
переключателя В, это означает, что энкодер
вращается по часовой стрелке. А если пере
ключатель В замыкается до переключателя А,
энкодер вращается против часовой стрелки.
Определив направление вращения, микро
контроллер подсчитывает количество импуль
сов, чтобы выяснить, насколько вы хотите по
высить или понизить громкость.
Программирование микроконтроллера
реагировать таким образом на сигнал энко
дера является более сложной задачей, чем
кажется, потому что, кроме выполнения всех
других задач, программа должна игнориро
вать дребезг контактов переключателей эн
кодера. К счастью, мне не надо беспокоиться
об этом, поскольку я не планирую использо
вать кодер с микроконтроллером. У меня для
него есть свои особые планы.
Кстати, вы, возможно, задаетесь вопро
сом, что делает описание поворотного энкоде
ра среди глав книги, посвященных датчикам?
Это же, несомненно, устройство ввода, а не
датчик?
Это так. Поворотный энкодер - не датчик.
Это устройство ввода, но о нем знать полезно,
а я намереваюсь использовать его в качестве
датчика.
Случайности возможны
Если провернуть вал симметричного эн
кодера в случайное положение, шансы полу
чить выходной сигнал низкого уровня на вы
водах А и В, или высокого уровня на выводе А
и низкого на выводе В, или низкого на А и вы
сокого на В, или высокого и на А, и на В будут
одинаковы.
Хм, эти комбинации выглядят, как все
возможные комбинации двух двоичных цифр,
и их действительно можно интерпретировать
подобным образом.
З1 5
Польза вращения
----
-----------------·-·-----
Я вкратце развил эту идею в колонке, ко
торую вел для журнала «МАКЕ», рассказывая
об игре «Magic 8 Вох», функционировавшей
наподобие игрушки «Шар судьбы»3• Моя идея
заключалась в том, чтобы прикрепить свинцо
вый противовес на рычаг, установленный на
валу энкодера (рис. 33.6) .
Я просверлил отверстия в пластмассовом
валу энкодера и в небольшом рыболовном гру
зиле вставил в оба отверстия отрезок оцинко
ванной проволоки и закрепил его эпоксидным
клеем там и там.
Эта проволока - стандартный товар в ас
сортименте любого магазина хозяйственных
товаров, а небольшой пакет свинцовых гру
зил весом в 30 граммов каждое я купил в су
пермаркете «Walmart». Такие грузила обычно
используются рыболовами. Поскольку я сам
не рыболов, у меня несколько смутное пред
ставление о точном назначении этих грузил,
но необязательно знать их первоначальное
назначение, чтобы использовать их для чего
то другого. Ищите их также в рыболовном от
деле магазинов спортивных или охотничьих
товаров.
Теперь, предположим, что оснащенный
таким образом поворотный энкодер надежно
укреплен внутри корпуса, содержащего также
и схему вашего проекта. Допустим, что кто-то
начинает вращать этот корпус в произволь
ных направлениях. Зачем кому-либо вращать
устройство? Ну, может быть вы смонтирова
ли выключатель устройства снизу корпуса,
так что, если кто-то захочет его включить, он
должен перевернуть его, чтобы найти выклю
чатель. Инерция свинцового грузика на валу
энкодера заставит его вращаться, а когда и где
он остановится - никому не известно.
Чтобы было еще интересней, допустим,
что мы установим другой поворотный энкодер
на стенке корпуса под прямым углом к перво
му. Таким образом, перемещения корпуса
В англоязычной среде такая игрушка называется
«Magic 8 Ball» - см. https://ru.wikipedia.org/wiki/
будут определяться в двух разных координа
тах. Поскольку каждый энкодер выдает пару
выходных сигналов, которые можно рассма
тривать как двухразрядные двоичные числа
в диапазоне 00, 01, 10, 11, мы можем объеди
нить выходы двух энкодеров, чтобы получать
полностью непредсказуемые (случайные) че
тырехразрядные двоичные числа в диапазоне
от 0000 до 1111. Такие числа можно подавать
на вход микросхемы дешифратора или управ
ляющие входы мультиплексора, чтобы вы
брать из них произвольное число от О до 15.
Возможны и другие применения энкоде
ров, и у меня как раз есть еще одна хорошая
идея.
В ращающийся
« Приниматель решений »
Четыре выхода двух энкодеров можно
свести к одному, который может быть или вы
соким, или низким. Эту возможность можно
затем использовать для создания игрушки
«Приниматель решений» - чего-то наподо
бие упрощенной до предела системы предска
заний И Цзинь. Задайте вопрос, поднимите
ящичек, поверните его несколько раз в разных
направлениях, нажмите кнопку, и на нем заго
рится светодиод «Да» или «Нет» .
Одним из привлекательных качеств та
кой игрушки будет и слышимое при вращении
ящичка щелканье арретиров и ощущаемое вну-
Рис. 33.6.
Свинцовое рыболовное грузило, смонтирован
ное на конце отрезка жесткой оцинкованной проволоки,
прикреппенной к валу энкодера
Эксперимент 33
316
три него перемещение грузиков. Вследствие
этого создается впечатление, что там проис
ходит что-то действительно очень сложное
и загадочное. И если кто-либо попросит вас
объяснить сущность происходящего, вы всег
да можете сказать, что это просто слишком
сложно и запутанно для объяснений.
Возможно, вас интересует, зачем нам нуж
ны два энкодера, каждый из которых создает
четыре возможных состояния, если все, что
нам требуется, это простой ответ: «Да» или
«Нет». Но дело в том, что устройство долж
но быть как можно более непредсказуемым,
и чем больше входов используется, тем не
предсказуемее будет конечный результат.
Но как из четырех выходов сделать один?
Очень просто - пропустив их через элемент
Исключающее ИЛИ. Диаграмма для этого
показана на рис. 33.7. Обратите внимание на
четыре понижающих резистора, которые обе
спечивают постоянный определенный уровень
на выходах энкодеров.
Протрассируйте логику этой схемы и вы
увидите, что выход элемента Исключающее
ИЛИ имеет одинаковую вероятность быть как
высоким, так и низким - при условии, что по
воротные энкодеры функционируют беспри
страстно.
Одним из привлекательных моментов
этой простой схемы является то, что для нее не
требуется выключатель питания. Энкодеры не
требуют питания, поэтому можно выставить
их, провернув ящичек сколько угодно раз,
а затем поставить его на стол и уже потом на
жать кнопку для получения ответа. В зависи
мости от уровня на выходе последнего (само-
Поворотные энкодеры
с rрузиками на валах
Понижающие
резисторы
(1'0 кОм каждый)
\
?
Стабилизированное напряжение
5 В постоянного тока
Стабилизированное напряжение
·
5 В постоянного тока
Пов оротные энкодеры
с rрузиками на валах
�·
А С В
t@
.
.
.
А С В•
·
н
:l20
·220
Рис. 33.7. Схема на элементах Исключающее ИЛИ (XOR) для
Рис. 33.8. Принципиальная схема и грушки для принятия
получения произвольного ответа «Да» или «Нет» из выхо
решений «Да» или «Нет» с использованием энкодеров и ми
дов двух поворотных энкодеров
кросхемы логических элементов Исключающее ИЛИ
(XOR)
31 7
Польза вращения
го нижнего) элемента Исключающее ИЛИ эта
кнопка запитает светодиод «Да» или «Нет».
Вспомните, что логические элементы микро
схем серии 74НСОО могут как принимать, так
как и отдавать ток той же мощности.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Для этой схемы необходимо использовать
микросхемы серии НС. Схема не будет
работать с микросхемами более ран н их серий,
поскольку у них недостаточная выходная
мощность, и они не могут отдавать такой же
ток, как и принимать.
1
Принципиальная схема этой игрушки по
казана на рис. 33.8.
В ращающийся «Увиливатель »
Увиливание - это то, к чему мы прибега
ем, когда у нас нет желания принять решение.
Выборные политики занимаются увиливани
ем все время. Например, если бы я был поли
тиком и кто-либо спросил меня: «Можно ли
приспособить вращающийся решатель, чтобы
он работал как вращающийся увиливатель?»,
я бы мог сказать: «Ну, есть две стороны этой
проблемы. Я думаю, что можно что-то сказать
в пользу каждой из них, но вопрос может по
требовать дальнейшего изучения».
Но поскольку я не выборный политик, то
не буду отвечать подобным образом, а скажу
без увиливаний: «Да, конечно же, можно» .
Логическая диаграмма для такого проекта
показана на рис. 33.9. Здесь выход высокого
уровня с левого элемента Исключающее ИЛИ
или низкого уровня с правого включает свето
диод «Возможно, да». Обратные уровни вклю
чают светодиод «Возможно, нет». Но что, если
оба элемента Исключающее ИЛИ будут иметь
одинаковый выход: оба или низкие, или высо
кие? В таком случае выход третьего элемента
Исключающее ИЛИ будет низким, и он будет
принимать ток через третий светодиод, кото
рый скажет: «Я не совсем уверен».
Принципиальная схема для этой игры
показана на рис. 33.10, а на рис. 33.11 - ее
сборка на макетной плате. В собранной схеме
я использовал светодиоды со встроенными по
следовательными резисторами. Поворотные
энкодеры размещены на достаточном рассто
янии друг от друга, чтобы их грузики могли
вращаться, не задевая друг за друга.
Протрассировав логику схемы на рис. 33. 9,
можно обнаружить, что вероятность результа
та «Я не совсем уверен» окажется в два раза
выше, чем любого из двух других результатов.
Это обеспечивает как можно больший диапа
зон увиливания.
Если у вас есть друзья в политике, вы мо
жете подарить кому-либо из них это устрой
ство в качестве взноса в пользу его избира
тельной кампании.
Стабилизированное напряжение
5В
постоянного тока
Поворотные энкодеры
с грузиками на валах
Понижающие
резисторы
(все rю 10 кОм
)
Рис.
33.9.
33.7),
(см. рис.
Предыдущая
логическая
диаграмма
модифицированная для увиливания
Эксперимент 33
318
« Идеальная » случайност ь
Я так углубился в область поворотных
энкодеров, потому что хотел предложить вам
легкий проект среди более трудных, а также и
потому, что мне доставляет удовольствие ис
пользовать компоненты в целях, которые не
являются их изначальным предназначением.
Кроме того, мне нравится идея игрушки, для
создания которой требуется лишь одна микро
схема, пара светодиодов и кнопка. Если в схему
включить стабилизатор на 5 вольт, ее можно
запитывать от 9-вольтовой батарейки, кото
рой должно хватить на несколько лет.
Но на самом деле, для получения резуль
татов случайного характера лучше подходят
датчики других типов. В следующем экспе
рименте я рассмотрю несколько возможных
вариантов, после чего объясню, как получить
«идеальную» случайность, а также, что это на
самом деле означает.
Стабилизированное напряжение
5 В постоянного тока
Поворотные энкодеры
с грузиками на валах
Рис. 33. 1 0.
Схему
«Вращающегося увиливателя» можно
скопировать со схемы «Вращающегося решателя», внеся
в нее только незначительные дополнения
Рис. 33.1 1 .
Схема «Вращающегося увиливателя», собран
ная на макетной плате. Светодиоды имеют встроенные по
следовательные резисторы, поэтому внешние резисторы
для них не требуются
ЭКСПЕРИМЕНТ 34.
СЛУЧАЙ НОСТЬ И ДАТЧИ КИ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Сейчас я хочу вернуться к ранее уже ис
пользованному основному методу получения
случайных чисел - остановке в произвольный
момент времени таймера, работающего на вы
сокой частоте.
Этот метод нашел свое применение в про
екте «Вещий Цзин» из эксперимента 28, а так
же в игре «Горячий слот» из эксперимента 21 .
Но в обоих этих проектах для остановки
таймера требовалось какое-либо действие
со стороны игрока. Здесь я намереваюсь рас
смотреть способ, на основе которого датчик
сможет генерировать фактор случайности, не
требуя никакого пользовательского ввода.
Сначала я повторю базовую схему мед
ленного моностабильного таймера, который
запускает и останавливает управляющий счет
чиком быстрый таймер, работающий в автоко
лебательном режиме. Эта схема ляжет в осно
ву всех использующих фактор случайности
устройств на основе датчиков, рассматривае
мых далее.
Затем я сделаю небольшую паузу и покажу,
как создать схему таймера, способного ограни
чить диапазон случайных чисел. Вместо того,
чтобы считать от О до 15 или от О до 9, такой
таймер сможет считать до меньшего числа. Его
можно будет заставить считать даже от О до 1.
А в завершение всего этого, мы рассмот
рим сами датчики.
34
Уп ра вление таймером
с помо щ ью д ру го го
таймера
В схеме на рис. 34.1 верхний таймер, под
ключенный точно так же, как и таймер в схеме
на рис. 27.1, создает по нажатию двухпозици
онного кнопочного переключателя один чи
стый импульс.
Выход первого таймера включает свето
диод (маленький светлый кружок на схеме) просто, чтобы дать знать, что таймер работает.
Этот выход также подключен к выводу сброса
( 4) второго таймера. Таймер может работать,
когда на этом выводе присутствует напряже
ние высокого уровня. Таким образом, сигнал
высокого уровня с первого таймера разблоки
рует второй (но только на ограниченный пе
риод времени).
Второй таймер посылает на кольцевой
счетчик пакет импульсов, которые можно на
блюдать на последовательно включающихся
светодиодах, обозначенных метками от О до 9.
Когда первый таймер доходит до конца
своего цикла, он подает сигнал низкого уровня
на вывод сброса второго таймера, останавли
вая его и оставляя включенным один из све
тодиодов.
Нажмите кнопку сброса, а затем кнопку
повтора. Дребезг контактов кнопки повтора
здесь в целях тестирования схемы не устра
нен, и я ожидаю, что она будет отпущена до-
Эксперимент 34
320
Стабилиэиро.ванное напряжение
5В
постоянного тока
· ·
статочно быстро, т. е. до окончания импульса
медленного таймера.
Вы должны обнаружить, что в конце каж
дого цикла всегда будет гореть один и тот же
светодиод кольцевого счетчика. Никаких слу
чайностей здесь нет - компоненты функцио
нируют точно так, как они и должны функцио
нировать, - стабильно единообразно.
Тер мисто р
Теперь мы сделаем наш эксперимент
чуть поинтересней, задействовав термистор.
Термистор (рис. 34.2) представляет собой тип
резистора, сопротивление которого изменяет
ся при изменении температуры окружающей
среды. Собственно термистор - это малень
кая головка слева. И чем меньше его размер.
тем быстрее он реагирует на температурные
изменения. А выводы термистора длинные,
поскольку чем они длиннее, тем меньше теп
ла они проводят на термистор или от него. По
этой же причине выводы термистора очень
тонкие.
Для нашего эксперимента нам понадо
бится термистор номиналом 100 кОм - это
мер термистора позволяет ему быстро реагировать на из
на ограниченное время. Управляемый первым таймером
менения в окружающей температуре
кольцевой счетчик, при условии сброса счетчика перед
каждым его новым запуском, должен каждый раз останав
ливаться в одном и том же состоянии
Случайность и датчики окружающей среды
сопротивление, которое термистор должен
оказывать протеканию тока при температуре
25 градусов Цельсия. Термистор не имеет по
лярности, поэтому нам не следует беспокоить
ся о том, какой вывод куда подключать.
Чтобы включить его в схему, просто уда
лите из цепи первого таймера резистор номи
налом 100 кОм и вставьте на его место тер
мистор.
Повторите цикл таймеров. До тех пор,
пока температура термистора не меняется, по
завершении цикла включенным по-прежнему
должен оставаться тот же самый светодиод,
что и раньше, - так как первый таймер бу
дет предоставлять второму то же самое окно
возможностей для выполнения его операции
счета.
Выполните тест несколько раз, не забы
вая при этом нажимать кнопку сброса между
запусками. Теперь зажмите термистор между
пальцами, чтобы нагреть его, и снова запусти
те тест. Какой результат теста вы получили?
Факторы случайности
Кроме меняющегося сопротивления тер
мистора, на работу таймеров могут оказывать
влияние и следующие факторы:
•
в процессе работы таймеров они слегка
нагреваются, что может влиять на их ра
боту;
•
кнопка повтора может работать по-раз
ному при каждом ее нажатии;
•
электропитание схемы может слегка ме
няться по току и/или напряжению;
•
соединения между гнездами макетной
платы и перемычками и выводами компо
нентов имеют определенное сопротивле
ние, которое может меняться при касании
перемычек или компонентов;
•
могут также присутствовать и другие внеш
ние факторы, о которых нам неизвестно.
321
А втоматизация схемы
произвольно го выбора
Процесс тестирования можно ускорить,
избавившись от пользовательского ввода.
Первый шаг в этом направлении - изме
нение режима работы первого таймера с мо
ностабильного на автоколебательный с пери
одом в одну секунду. Это позволит нам ничего
не делать, а просто наблюдать за результата
ми, без необходимости постоянно нажимать
кнопку повтора. Модифицированная таким
образом схема показана на рис. 34.3.
На втором шаге мы удалим кнопку сбро
са счетчика и модифицируем схему счетчика
так, чтобы он сам выполнял свой сброс. Сброс
счетчика микросхемы 74НС4017 осущест
вляется положительным перепадом сигнала,
подаваемого на ее вывод сброса. А в нашей
схеме уровень выходного сигнала меняется с
низкого на высокий в начале каждого цикла.
Давайте тогда подадим этот сигнал на вывод
сброса таймера, но через конденсатор связи,
чтобы высокий уровень присутствовал на вы
воде сброса только кратковременно.
Эту модификацию я также заложил в схе
му, показанную на рис. 34.3, а схема со всеми
модификациями, собранная на макетной пла
те, представлена на рис. 34.4.
Теперь система должна работать самосто
ятельно, без какого бы то ни было вмешатель
ства со стороны пользователя.
сокращенный счет
Прежде чем завершить рассмотрение кольце
вого счетчи ка, я хочу упомянуть одну его важную
особенность:
�
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
' Большинство счетчиков можно модифици' ровать, чтобы они считали до меньшего числа, ,
чем максимальное. Кольцевой счетчик входит
в это большинство.
�
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
�
Эксперимент 34
322
Рассмотрим, как это делается. В схеме на
рис. 34.3 вывод 1 счетчика 74НС40 1 7 подключен
к светодиоду номер 5 и активирует его сигналом
5 8 постоянного тока
,
Стабилизированное напряжение,
высокого уровня. А что будет, если соединить
перемычкой этот вывод счетчика с его выводом
сброса ( 1 5)?
Вначале счетчи к будет работать как обычно,
выдавая высокий уровень на своих выводах, акти
вирующих светодиоды О, 1 , 2, 3 и 4. Но когда счет
дойдет до вывода, а ктивирующего светодиод 5
(вывод 1 ), сигнал высокого уровня с этого выво
да будет подан на вывод сброса счетчика ( 1 5).
В течение доли секунды счетчик обнуляет сам себя
и останавливает подачу выходного сигнала на вы
вод 1 . Вследствие этого у светодиода 5 нет никаких
шансов излучить видимый свет.
Затем счетчи к снова начинает считать от О
вверх, при условии, что на него продолжают по-
ная для автоматической работы без пользовательского
схема с термистором, собранная на макетной плате
ввода
Случайность и датчики окружающей среды
323
ступать импульсы тактирования. Он будет по
вторять цикл от О до 4 бесконечно, будучи, таким
образом, превращен из декадного счетч ика в по
лудекадный.
- д юч н
ь д ь х н г иг а а н
: вы од сброса является стандартной процеду� рои для изменения длины цикла счетч ика.
: �� �; � �� ; �� � � � �; � � � � � :
�
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
1
-
�
Эту операцию особенно легко осуществлять
на счетчике с декодированными выходами, так
как в качестве последнего числа цикла можно
выбрать любое число. Для счетчика с выхода
ми с двоичными разрядами возможностей у нас
меньше. Допустим, что для перезапуска счетчика
мы используем третий двоичный выход. Двоич
ный вес этого выхода 4, поэтому счетч ик вы пол
нит сброс самого себя, досчитав до десятич ного З.
Но что, если нам требуется перезапускать счет
чик, скажем, на десятичном 6? Та кая задача не
сколько потруднее.
Эту проблему можно попробовать реш ить,
используя для выбора комбинации выходов, соот
ветствующей требуемой длине цикла, логический
элемент (или элементы). Например, при подклю
чении второго и третьего выводов ко входам ло
гического элемента И выход этого элемента будет
высоким при двоичном счете 1 1 О, что соответству
ет десятич ному 6. Подключаем выход элемента И
к выводу сброса счетчика, и он начи нает работать
в цикле от ООО до 1 01 (десятичные О по 5).
r
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
,
Ограничение цикла счетчика является ценным
методом, когда нужно, чтобы счетч ик выбирал
случайное число вне его обыч ного диапазо
на, - например, для какой-нибудь и гры.
Чтобы заставить счетчи к 74НС401 7 считать
только от О до 1 , подключите к его выводу
сброса выход со значением 2 (вывод 4).
А теперь обратно - к датчи кам и случай
ности.
Н астройка
частоты таймера
Если результаты вашей схемы автомати
ческого получения произвольного числа не
отличаются большим разнообразием, следует
увеличить скорость (то есть частоту) второго
таймера. Частота таймера 50 Гц - очень мед
ленная. Я выбрал эту частоту только для того,
чтобы можно было видеть последовательно
загорающиеся светодиоды. Чтобы повысить
частоту работы второго таймера до 500 Гц,
удалите конденсатор тактирования емкостью
1 мкФ и вставьте вместо него конденсатор
емкостью 0,2мкФ. А чтобы получить частоту
5 ООО Гц, используйте конденсатор емкостью
0,01 мкФ.
Чем быстрее работает второй таймер, тем
вероятнее, что его остановленные состояния
окажутся разными, - вследствие небольших
изменений во времени работы (рис. 34.5) .
В верхней части рисунка длина импуль
са медленного таймера вследствие вариаций
в его схеме тактирования может изменяться
в пределах, обозначенных вертикальной поло
сой темного цвета. Так как частота импульсов
второго таймера невысокая (иными словами,
длительность импульсов большая) , он бу
дет постоянно останавливаться на одинако
вом количестве импульсов, как в начале, так
и в конце диапазона окончания импульса
медленного таймера.
На нижней части рисунка второй таймер
работает на более высокой частоте, т. е. его
импульсы более короткие. Соответственно,
он может быть остановлен на двух разных им
пульсах, попадающих на диапазон окончания
импульса медленного таймера.
Если настроить второй таймер на работу
на частоте 50 кГц (используя для этого кон
денсатор тактирования емкостью 0,001 мкФ) ,
я могу поспорить, что второй таймер будет
324
Эксперимент 34
останавливаться на разных числах почти каж
дый раз - по крайней мере, пока вы будете за
ним следить.
Означает ли это, что мы полностью реши
ли проблему автоматического придания играм
фактора случайности, чтобы они казались бо
лее непредсказуемыми?
Как сказать, может быть...
Но прежде, чем вдаваться в этот вопрос,
я хочу более подробно поговорить о термис
торах.
Диапазон
завершения
импульса низкой
частоты
Рис. 34.5. Когда первый (медленный) таймер управля
ет быстрым вторым таймером, вариации в длительности
импульса медленного таймера (показаны на рисунке вер
тикальной полосой темного цвета) станут останавливать
второй таймер в большем диапазоне импульсов, если этот
таймер работает на более высокой частоте
КОРО Т КО О ВАЖ Н О М :
термисторы
Термисторы - это резисторы, которые из
меняют свое сопротивление в ответ на изменение
температуры окружающей среды. Термисторы
типа ОТК изменяют свое соп ротивление при по
вышении температуры, п роявляя л инейн ые ха
рактеристики изменения в довольно широком
температурном диапазоне (обычно от около -40
до + 1 25 градусов Цельсия). А термисторы типа
ПТК изменяют свое сопротивление при повыше
н и и температуры довольно резко.
Сокращение ОТК означает «отрицательный
температурный коэффициент», а ПТК - «поло
жительный температурны й коэффициент». Тер
мисторы типа ПТК часто используются в качестве
п редохранителей - для блокировки тока, когда
он превышает максимальное значение.
Но для проектов в этой книге мы будем ис
пользовать термисторы типа ОТК.
Термисторы недорогие. Большинство из них
стоят меньше, чем 50 центов за штуку, и доступны
в широком диапазоне значени й базового сопро
тивления, которое обычно измеряется при 25 гра
дусах Цельсия.
Для проверки термистора установите муль
тиметр на измерение килоом и плотно прижми
те щупы к выводам термистора. Не прикасайтесь
к щупам руками, так как это повлияет не только
на температуру термистора, но и на измеряемое
сопротивление. Обеспечив надежный контакт щу
пов с выводами (этому может содействовать раз
мещение термистора на твердой непроводящей
поверхности), подождите, пока показания омме
тра не стабилизируются.
Теперь поднесите руку поближе к термистору,
но не касайтесь его, чтобы не повлиять на контакт
его выводов со щупами омметра. Сопротивление
термистора должно постепенно - по мере его
нагрева теплом, исходящим от руки, - меняться.
Термисторы небольшого размера реагируют на
изменения температуры быстрее, чем большие,
вследствие меньшей массы, которую нужно на
греть или охладить.
Случайность и датчики окружающей среды
325
Как повысить степень
случайности значени й
сопротивления
тер мистора ?
и эти медленные изменения можно включить
в схему управления таймером.
Датчик влажности HS1011 компании
«Humirel» можно приобрести у поставщика
«Parallax» (и у других поставщиков) меньше,
чем за 10 долларов. Принцип работы датчика
основан на изменении емкости между двумя
выводами при изменении влажности окружа
ющего воздуха.
Хм, емкость ... С этим мы еще не работали.
Как можно использовать ее в схеме управле
ния таймером?
Очень легко. Просто уберите конденса
тор тактирования первого таймера в схеме на
рис. 34.3 и 34.4 и вставьте вместо него датчик
влажности. Согласно спецификации, емкость
датчика варьируется в диапазоне от 177 до
183 пФ. Это очень маленький номинал, по
этому в цепи тактирования таймера придется
использовать резистор с более низким сопро
тивлением.
На температуру окружающей схему среды
оказывают влияние многие факторы, включая
излучение тепла самой схемой. Чтобы сделать
сопротивление термистора более произволь
ным, его можно поместить в корпус вместе
со схемой. А чтобы сделать термистор более
чувствительным, его можно прижать к рези
стору номиналом 220 Ом, подключенному к
полюсам источника питания. При напряжении
питания 5 вольт резистор должен потреблять
около 100 мВ, что не выйдет за пределы его
расчетной мощности в четверть ватта, но ока
жется достаточным, чтобы слегка его нагреть.
Естественно, такой прием не вполне приемлем
для устройств, питаемых от батареек. Следует
также соблюдать осторожность, чтобы не за
гнать термистор к пределу его рабочего темпе
ратурного диапазона, где он перестанет реаги
ровать на дальнейшее изменение температу
ры, хотя такое развитие и маловероятно.
Можно установить термистор и таким об
разом, чтобы он был открыт для воздействия
внешней среды вне корпуса, где он сможет
учесть колебания температуры в помещении.
А еще лучше использовать два термистора, со
единенных последовательно или параллельно:
один внутри корпуса, а другой - снаружи.
Ну а если и это не даст вам достаточно слу
чайности, возможно, вы сможете придумать
какой-нибудь более экзотический метод.
Датчик влажности
Влажность воздуха в помещении обычно
меняется очень медленно, если только датчик
не находится в районе кухни или ванной. Но
Ре гули р ование
влажности
Датчик влажности можно использовать
для управления увлажнителем воздуха, если
вам нравится идея среды с регулируемой
влажностью. Книги, бумаги, старые магнито
фонные ленты, а также человеческие носовые
пазухи обычно чувствуют себя лучше, если
удается задать требуемую влажность воздуха.
Один из способов управления влажностью
воздуха - это использование изменяющейся
емкости датчика влажности для управления
частотой быстрого таймера, работающего
в автоколебательном режиме и активируемого
на короткое время другим таймером. Выход
таймера, работающего в автоколебательном
режиме, подается на вход четырехразрядно
го двоичного счетчика. А выход счетчика по
дается на четырехразрядный мультиплексор,
чьи шестнадцать выводов входа/выхода под-
Эксперимент 34
3 26
ключены последовательно, - как длинный
делитель напряжения. Выбираемое мульти
плексором меняющееся напряжение подается
на один из входов компаратора. Опорное на
пряжение на другом входе компаратора уста
навливается потенциометром, который вы
полняет роль регулятора влажности. Наконец,
выход компаратора подается на полупровод
никовое реле, которое включает и выключает
увлажнитель воздуха.
Достаточно сложно для вас? Да, такой про
ект потребует, минимум. целого дня, пока вы
добьетесь, чтобы все работало должным об
разом. Возможно, будет лучше просто купить
готовый автоматический увлажнитель возду
ха, работающий подобно термостату. Но ведь
это невероятно скучно ... Разве вы не отдадите
предпочтение мороке, связанной с реализаци
ей своей схемы, за которой следуют восторг
и ликование, когда она, наконец, работает,
а также озадаченные взгляды ваших друзей,
которые могут не понимать, насколько это
увлекательно - собирать устройства, в кото
рых нет никакой необходимости?
Лично я предпочел бы цикл морока-лико
вание-озадаченность, если бы только у меня
было для этого время. Но сейчас мне нужно
двигаться дальше - к другому типу датчика.
А кселерометр
Я писал об акселерометрах для колонки
в журнале «МАКЕ». Эти устройства в послед
нее время становятся все дешевле. Так как
они реагируют на приложение силы в любом
направлении, то могут определить, какая из
их сторон направлена вверх, ориентируясь
на силу земного притяжения. В мобильных
устройствах акселерометр изменяет свой вы
ходной сигнал, когда пользователь слегка ме
няет положение руки с устройством. Так что,
здесь имеется еще один потенциальный источ
ник случайных значений.
Собственно акселерометр - это крошеч
ное устройство для поверхностного монтажа,
но его также, скорее всего, можно приобре
сти уже установленным на адаптерной пла
те (рис. 34.6) . В таком виде использовать это
устройство очень легко.
Рис. 34.б. Акселерометр, установленный на адаптерной
плате. Такой акселерометр измеряет любую воздействую
щую на него силу, включая силу земного притяжения.
Соответственно, его выходной сигнал зависит от положе
ния, в котором он удерживается пользователем. Выходной
сигнал преобразовывается в простое переменное сопро
тивление между выводами платы. Размер ячеек фоновой
бумаги: 2,5 х 2,5 мм
Дат чик п рикосновения
Это, я полагаю, самое многообещающее
устройство из всех. Оно представляет со
бой тензорезистор 1 . упакованный между дву
мя тонкими гибкими пластиковыми слоями
(рис. 34.7). Я точно не знаю, как этот датчик
работает, но, тем не менее, применение ему
найти можно, тем более что он имеет весьма
обширный рабочий диапазон сопротивле
ний: когда на датчик нет никакого давления,
его сопротивление почти бесконечное, а если
на него сильно нажать, сопротивление падает
где-то к 1 кОм.
Датчик прикосновения можно использо
вать вместо кнопки запуска таймера, а также
в цепи тактирования таймера. Иными слова1
Рези стор, чувствительный к давлению.
Случайность и датчики окружающей среды
ми, он может выполнять двойную функцию:
высокотехнологичного выключателя пита
ния и генератора случайных чисел. Широкий
диапазон значений его сопротивления должен
предоставить в равной степени и широкий ди
апазон случайных значений.
Но, я должен отметить, это всего лишь
мои предположения. У меня нет времени, что
бы пропустить этот датчик, скажем, через ты
сячу циклов, чтобы проверить качество выда
ваемых им значений. Но даже если бы у меня
и было на это время, мой способ нажатия на
него мог бы давать разные значения сопро
тивления при каждом касании. Однако если
это делает такой датчик пригодным в каком
то смысле для меня, то кто-либо другой может
касаться его столь однообразным способом,
что датчик не будет выдавать необходимые
случайные значения.
Кажется, будто бы я вечно сомневаюсь
в надежности функционирования этих компо
нентов и постоянно задаю вопросы типа «Что,
если это?» и «Что, если то?».
Признаюсь, что проявляю склонность
к скептицизму, но настоящая проблема за
ключается в том, что я проводил все свои экс
перименты на эмпирической основе.
Рис. 34.7 . Чувствительная панель, которая меняет свое
сопротивление при нажатии на нее
327
Э мпирические п роблемы
Эмпирическое исследование означает, что
его результаты основаны на наблюдении или
опыте. Спрашиваете, что с этим не так? Такой
подход, несомненно же, лучше, чем просто си
деть и гадать, какие могут быть результаты.
Это верно. Практическая работа ценнее,
чем смутные предположения о том, что может
случиться (эта книга как раз и пропагандирует
ценность практической работы) . В большин
стве исследований наблюдения служат для
подтверждения заключений. Но исследования
имеют один дополнительный аспект - они ча
сто строятся на теоретической основе.
Например, когда астрономы вели скрупу
лезные измерения кажущегося местонахож
дения планеты Меркурий при ее заходе за
край Солнца и выходе с другого его края, они
делали это не потому, что у них было лишнее
время и они хотели протестировать свое обо
рудование. На самом деле они проверяли, прав
ли был Эйнштейн в своей теории относитель
ности, согласно которой сила притяжения
Солнца должна была изогнуть отражаемый от
Меркурия свет (действительно, он был прав) .
Но если у вас нет теоретической базы, и вы
надеетесь, что результаты ваших сегодняшних
практических наблюдений будут такими же
и завтра, на это нет никаких гарантий, особен
но при наличии большого числа неконтроли
руемых факторов - таких как нажатие датчи
ка разными людьми различными способами.
Вы можете предполагать, что термистор,
или датчик влажности, или акселерометр, или
датчик давления должны функционировать
одинаково при их использовании разными
пользователями, и что они должны создавать
хороший диапазон случайных значений, но
вы не можете быть уверенными в этом. Если
бы кто-либо спросил вашего мнения по это
му вопросу, правильным ответом был бы сле
дующий:
Эксперимент 34
328
r
-
1
1
1
Результаты кажутся случайными сегодня, и я не
вижу, почему они не должны быть случайными
завтра. Но я не могу доказать это.
L
-
:
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
�
:
1
1
1
�
А если я скажу вам, что в действительно
сти можно собрать схему, которая будет гене
рировать непредсказуемый поток чисел абсо
лютно самостоятельно, без влияния каких бы
то ни было внешних факторов? И что можно
доказать математически, что та или иная по
следовательность чисел будет одинаковой при
каждом запуске схемы? И до тех пор, пока по
следовательность выдаваемых схемой чисел
не начнет повторяться, предсказать следующее
число способностями человеческого мозга бу
дет невозможно?
Это выглядит как идеальный генератор
псевдослучайных чисел, при условии, что по
следовательность не начинается всегда в одном
и том же месте. Но это также выглядит как
сложная задача, и вы можете задаться вопро
сом: нужно ли вам такое устройство?
Тем не менее реализовать такое устрой
ство не представляет особых трудностей.
А нужно оно вам или нет, зависит от того, для
чего вы хотите его использовать.
Наскол ько случай на
случай ность ?
В типичной электронной игре нам нужен
вход, который только кажется случайным.
Если мы генерируем произвольные числа от
О до 15, и на протяжении сотен игр число 13
встречается немного чаще, чем другие, скорее
всего, это не будет иметь значения.
В игре «Горячий слот� игрок, который хо
дит вторым, имеет шансы получить прибыль
в 12,5 процентов. Допустим, что генератор слу
чайных чисел для этой игры выбирает один из
слотов, возможно, на 0,5 процента чаще, чем
другие. Скорее всего, это не повлияет на шан
сы прибыли второго игрока.
Но для некоторых экспериментов вероят
ности выпадения чисел должны быть абсолют
но одинаковыми. Например, если в течение
длительного времени мы генерируем случайную
последовательность нулей и единиц, нам нужно
быть абсолютно уверенными в том, что эта соот
ношение нулей и единиц в этой последователь
ности будет точно 50 к 50, а не 50,1 к 49,9.
Возможно, вы думаете, что вам вряд ли
понадобится такая точность? Но вспомните те
стер телепатии из эксперимента 15. Допустим,
что вместо эксперимента с двумя участниками
мы сделаем его с одним.
Задачей участника такого эксперимента
будет использовать свои экстрасенсорные спо
собности (если таковые существуют), чтобы
угадать, включен светодиод или нет. Светодиод
станет включаться схемой в кажущемся произ
вольным порядке, но для, скажем, 254 тестов
нам нужно быть абсолютно уверенными в том,
что он будет 127 раз включен и столько же раз
выключен. В противном случае, если участ
ник правильно угадает состояние светодиода
в чуть более, чем половине случаев, мы не бу
дем знать, как интерпретировать его резуль
таты.
В любом исследовании сверхъестествен
ных способностей даже незначительное от
клонение от среднего значения может быть
важным, и поэтому выпадение одного числа
более часто, чем другого, также имеет боль
шое значение.
Возможно ли модифицировать схему тес
тера телепатии в версию для одного участника,
которая давала бы по-настоящему уверенные
результаты? Я, в общем, не думаю, что эта за
дача слишком трудна, и попробую ее решить.
Реализация решения будет осуществлять
ся в два этапа. В первом я создам генератор
идеально псевдослучайных чисел, а во вто
ром - вставлю этот генератор в схему тестера
телепатии.
Предположим, что у нас есть черный
ящик, содержащий какую-то схему, которая
генерирует поток чисел без какого бы то ни
было внешнего влияния. Как нам определить,
генерируются ли числа этого потока случай
ным образом? Я думаю, что для этого поток
должен удовлетворять двум требованиям:
•
последовательность потока должна быть
относительно неповторяющейся. Я гово
рю «относительно» по той причине, что
любой автономный генератор случайных
чисел будет повторять цикл, работая в
течение достаточно долгого периода вре
мени. Целью такого генератора является
создать столь длинную или столь слож
ную последовательность чисел, чтобы она
находилась вне пределов возможностей
человеческой памяти или продолжитель
ности концентрации внимания (я пред
полагаю, что такой генератор случайных
чисел имеет достаточно большой физиче
ский размер, чтобы квантовые эффекты
на него не распространялись) ;
•
если мы можем указать диапазон число
вых значений, которые должны выпадать
с одинаковой вероятностью и были бы
равномерно распределены так, чтобы все
они имели одинаковый шанс появления в
последовательности, и ни одно из них не
было бы пропущено.
Существует схема, которая может почти
полностью удовлетворить обоим этим тре
бованиям. Эта схема называется сдвиговым
регистром с линейной обратной связью, со-
кращенно СРЛОС. Выходная последователь
ность такого регистра может быть (почти)
любой длины, а ее члены (почти) полностью
равновзвешенными. Создав СРЛОС, мы рас
смотрим, как сделать эти «почти» достаточно
малыми, чтобы их можно было не принимать
во внимание.
Знакомимся с СРЛ О С
Как всегда, начнем со сборки схемы для
исследования работы СРЛОС (рис. 35.1). Она
очень похожа на схему для исследования про
стого сдвигового регистра (см. рис. 27.2) . Но
в этой схеме отсутствует кнопка ввода данных,
так как она будет генерировать свои собствен
ные данные, перерабатывая генерируемые ею
же данные.
Выводы ячеек памяти Е, F, G и Н оставле
ны неподключенными, поскольку функцио
нирование схемы легче понять, когда задей
ствованы только ячейки А, В, С, и D. Лучшему
пониманию работы схемы поспособствует
и подключение светодиодов к активным выхо
дам (на схеме обозначены светлыми кружка
ми). Обратите внимание, что входные ножки
светодиодов вставлены в разные гнезда на ма
кетной плате, поскольку светодиоды активиру
ются по отдельности. Для этого ножки нужно
согнуть, чтобы их можно было вставить в тре
буемое гнездо на макетной плате, - присмо
тревшись, это можно увидеть на снимке схе
мы, собранной на макетной плате (рис. 35.2) .
330
Теперь, вместо ввода данных вручную,
это делает логический элемент Исключающее
ИЛИ, на входы которого подаются выходы
С и D, а выход подается обратно на вывод
ввода последовательных данных. На схеме на
рис. 35.1 это подключение показано нарисо
ванной от руки волнистой линией, подразуме
вающей гибкую проволочную перемычку, оба конца этой перемычки подсоединены
в указанных на схеме точках.
Эксперимент 35
Таким образом, состояния ячеек реги
стра С и D циркулируют по замкнутому кругу.
Но только здесь есть одна проблема - если
питание на сдвиговый регистр подается чи
сто, т. е. без каких бы то ни было всплесков
или иных помех, содержание всех его ячеек
памяти остается нулевым. Кроме того, когда
на оба входа элемента Исключающее ИЛИ
подается сигнал низкого уровня, на его вы
ходе также остается сигнал низкого уровня.
Соответственно, обратная связь не станет де
лать ничего - низкие состояния будут цир
кулировать по кругу, и светодиоды останутся
выключенными.
Рис. 35.2. Схема для исследования работы сдвигового ре
Рис. 35. 1 . Простейшая схема для демонстрации работы
сдвигового регистра с обратной линейной связью
гистра с линейной обратной связью, собранная на макет
ной плате
СРЛОС
331
При подаче питания на схему в нем ча
сто происходит начальный всплеск или при
сутствуют какие-нибудь другие помехи, в ре
зультате чего в сдвиговый регистр могут быть
загружены некоторые случайные значения.
ffi.l
о
ffi]
[Ц]
m
m
ш
m
ш
m
m
@]
•
.!
- '
ПО]
•;
ш
ШJ
ш
Рис . ЦВ- 35.3. Выходная последовательность чет ырехраз
рядного сдвигового регистра с линейной обратной связью
Конденсатор емкостью 100 мкФ, подключен
ный между полюсами источника питания,
предназначен не допустить этого, но его ра
бота не всегда отличается эффективностью.
И если в регистр окажутся загружены началь
ные случайные значения, некоторые светоди
оды будут гореть.
Но независимо оттого, будет ли включение
схемы сопровождаться загрузкой в сдвиговый
регистр случайных значений или нет, я хочу
загрузить все его ячейки памяти высокими со
стояниями. Для этого отсоедините перемычку
обратной связи от микросхемы Исключающее
ИЛИ и подсоедините ее к плюсовой шине, что
бы на ввод сдвигового регистра подавался сиг
нал высокого уровня. Теперь нажмите кнопку
четыре раза, чтобы загрузить ячейки памяти
А, В, С, и D высокими состояниями.
Когда загорятся все четыре светодио
да, снова подсоедините перемычку обратной
связи к выводу 3 микросхемы Исключающее
ИЛИ. Теперь нажмите кнопку шестнадцать раз
подряд - светодиоды должны активироваться
и деактивироваться в последовательности, по
казанной на рис. ЦВ-35.3. Последовательность
начнет повторяться после пятнадцатого нажа
тия, а если перевести таймер из моностабиль
ного режима работы в автоколебательный,
последовательность станет воспроизводиться
самостоятельно.
КОР ОТ КО О В А Ж Н ОМ :
СРЛ ОС
Подведем итоги тому, что мы узнали о сдвиго
вом регистре с линей ной обратной связью:
•
если п ри начальном запуске СРЛОС его ячей
ки памяти содержат низкие состояния (о чем
можно судить по невключенным светодио
дам), они продолжат содержать эти состоя
ния и в п роцессе дальнейшей работы реги
стра, так как он п росто станет их рециркули
ровать;
Эксперимент 35
332
•
если при начальном запуске СРЛОС его ячей
ки памяти содержат значение и ное, чем 0000
(о чем можно судить по горению соответству
ющего светодиода или светодиодов), в про
цессе дальнейшей работы регистра содер
жимое этих ячеек обновится четырнадцатью
другими отдел ьными комбинациями, после
чего последовател ьность комбинаций нач
нет повторяться. Последовательность комби
наций выходных значен ий регистра будет со
держать все значения от 0001 по 1 1 1 1 , но не
в порядке следования. Не будет пропущено
ни одно значение (за исключением 0000),
и ни одно значение не повторится, пока не
начнет повторяться вся последовательность.
Однако проблема состоит в том, что эта последовател ьность такая короткая, что человече
ский мозг очень быстро определит, что она повто
ряется.
Может быть, если задействовать все восемь
ячеек памяти сдвигового регистра (и соответству
ющее количество светодиодов), благодаря боль
шему разнообразию комбинаций в более длин
ной последовательности их повторение станет не
столь заметно? Это кажется логич ным, но прежде
чем приступать к модифи кации схемы, давайте
разберемся, что же в ней происходит.
Сдвиг битов крупным планом
На рис. ЦВ-35.3 прямоугольники пред
ставляют ячейки памяти сдвигового регистра.
Ячейки с высоким состоянием обозначены
красным цветом, а с низким - черным. Сдвиг
содержимого ячеек в нашей схеме происходит
справа налево, как можно видеть по обознача
ющим ячейки буквам А, В, С и D. В других ма
териалах по этой теме сдвиг содержимого яче
ек может осуществляться слева направо, но я
намереваюсь использовать выход сдвигового
регистра для представления двоичных чисел,
в котором сдвиг битов справа налево воспри
нимается более интуитивно.
Вспомним, как работает сдвиговый ре
гистр. Вводимые данные сначала сохраняются
во входном буфере, а затем по импульсу такти
рования содержимое всех ячеек сдвигается на
одну позицию, и данные из входного буфера
помещаются в освободившуюся первую ячей
ку регистра. Таким образом, когда мы подаем
на вход сдвигового регистра выход логиче
ского элемента Исключающее ИЛИ, который
образуется подачей на его входы текущих со
стояний ячеек С и D, это состояние остается во
входном буфере до тех пор, пока следующий
импульс тактирования не сдвинет его в первую
ячейку памяти регистра. В то же самое время
на входы логического элемента Исключающее
ИЛИ поступает новое содержимое ячеек С и
D, а полученный из них выход копируется во
входной буфер регистра. Этот цикл повторяет
ся при следующем импульсе тактирования, и
так далее.
Если ячейкам памяти регистра присвоить
обычные значения двоичных разрядов 8, 4, 2
и 1 (в обычном порядке - слева направо) , их
исходное значение составит: 8 + 4 + 2 + 1 = 15.
Но обратная связь из логического элемента
Исключающее ИЛИ изменит значение само
го правого разряда на О, поскольку на входы
элемента подается два высоких состояния, что
всегда дает низкий выход. Таким образом, по
сле следующего импульса тактирования значе
ние ячеек регистра (которые указаны во вто
рой строке на рис. ЦВ-35.3) составит 8 + 4 +
+ 2 + О = 14. Десятичное значение состояний
ячеек регистра после каждого последующего
импульса тактирования показано справа от
соответствующих строчек черными цифрами
в белых прямоугольниках.
Проблема с нулями
Для решения проблемы кажущегося не
реагирования СРЛОС, когда при включении
все его ячейки памяти содержат низкое со
стояние, в разного рода методических реко
мендациях обычно предлагается выполнить
предварительную загрузку регистра другими
значениями.
СРЛОС
Этого можно добиться, модифицировав
схему модулем, который будет в течение ко
роткого времени подавать импульсы тактиро
вания при высоком уровне на входе регистра.
Но мне бы не хотелось применять этот под
ход.
Существует более легкое решение - вме
сто логического элемента Исключающее ИЛИ
задействовать в схеме элемент Исключающее
ИЛИ-НЕ. Хотя в настоящее время элементы
Исключающее ИЛИ-НЕ используются нечасто,
они доступны в микросхемах серии 74НСОО
или 4000В (другим вариантом было бы инвер
тировать выход элемента Исключающее ИЛИ,
но для этого потребовался бы дополнитель
ный логический элемент для инвертора) .
На рис. ЦВ- 15.5 в эксперименте 15 было
показано, что выход элемента Исключающее
ИЛИ-НЕ представляет собой инвертирован
ный выход элемента Исключающее ИЛИ.
При двух низких входах он выдает высокий
уровень на выходе, так что он будет работать
в сдвиговом регистре с линейной обратной
связью даже при нулевом значении регистра
при его запуске.
Последовательность выходных значений
регистра при использовании логического эле
мента Исключающее ИЛИ-НЕ показана на
рис. ЦВ-35.4 и содержит все значения от 0000
по 1110 (десятичные О по 14). Рассмотрев ра
боту этой схемы немного пристальней, можно
увидеть, что значение 1111 заблокирует ее та
ким же самым образом, как и схему с исполь
зованием логического элемента Исключающее
ИЛИ. Соответственно, схема с элементом
Исключающее ИЛИ-НЕ не генерирует значе
ние 1111, подобно тому, как схема с элементом
Исключающее ИЛИ не генерирует значение
0000. Тем не менее, она будет выполнять за
дачу автоматического запуска при включении
питания.
мой сдвигового регистра с использованием элемента
Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR) для обработки начального
двоичного значения 0000
334
Эксперимент 35
Обеспечение неповторяемости
Прежде чем собирать тестовую схему с ис
пользованием четырехэлементной микросхе
мы двухвходовых элементов Исключающее
ИЛИ-НЕ, нам нужно возвратиться к вопросу о
повторении последовательности. В частности,
нам крайне необходимо более чем пятнадцать
комбинаций значений, прежде чем последова
тельность начнет повторяться.
Ну, если использовать все восемь ячеек па
мяти сдвигового регистра, диапазон выходных
значений расширится до значений с 00000000
по 11111110 (десятичные с О по 254), т. е. дли
на последовательности достигнет 255 комби
наций, прежде чем она начнет повторяться.
Это выглядит намного лучше, чем 15 ком
бинаций, но где нам разместить элемент
Исключающее ИЛИ-НЕ, предоставящий не
обходимую для этого обратную связь? Можно
ли это сделать, подавая на его входы сигналы
с ячеек G и Н?
Нет, это не будет работать должным об
разом. Теперь, когда мы сдвигаем восемь би
тов, нам нужны три элемента Исключающее
ИЛИ-НЕ, как показано на рис. 35.5 (при ис
пользовании элементов Исключающее ИЛИ
Рис. 35.5. Подключение входов трех логических элементов
Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOR) для восьмиразрядного сдви
гового регистра с линейной обратной связью
Стабилизированное напряжение
5 В постоянного тока
.
Рис. 35.6. Принципиальная схема для исследования рабо
ты восьмиразрядного сдвигового регистра с линейной об
ратной связью
СРЛОС
их нужно было бы подключить таким же об
разом. Единственной разницей было бы то,
что сдвиговый регистр не мог бы запуститься
самостоятельно с нулевого значения).
Но почему, спросите вы, нам теперь нуж
ны три элемента Исключающее ИЛИ-НЕ и по
чему сигналы на их входы нужно брать с этих
конкретных ячеек памяти регистра?
Потому что при меньшем или большем ко
личестве этих элементов или подаче сигналов
на их входы с других ячеек памяти регистра
генерируемая схемой последовательность, ве
роятно, не будет содержать все значения от О
до 254 без пропусков и повторений значений.
Откуда я это знаю?
Этому есть математическое доказатель
ство. Но это доказательство, однако, не из са
мых простых. Оно затрагивает такие области,
как «примитивные многочлены» и «арифме
тика конечной точности», которые трудно по
нимать и которые требуют большого объема
объяснений, даже если бы я и был в состоянии
их объяснить.
Но если я не могу доказать вам это, как вы
можете быть уверены в том, что я прав?
Мы просто можем проверить теорию ме
тодом наблюдения. На рис. 35.6 приведена
схема восьмиразрядного сдвигового регистра
с линейной обратной связью, в которой ис
пользуется та же логика, что и в схеме на
рис. 35.5. В этом можно очень легко убедить
ся, протрассировав схему.
Сигнал на входы верхнего правого эле
мента Исключающее ИЛИ-НЕ в микросхеме
подается с ячеек памяти регистра Н и F. Выход
этого элемента подается на один из входов эле
мента под ним, на второй вход которого пода
ется сигнал из ячейки памяти Е. Выход с этого
элемента подается на один из входов верхнего
левого элемента, на другой вход которого по
дается сигнал из ячейки памяти D. Наконец,
выход этого логического элемента подается
как обратная связь на последовательный вход
сдвигового регистра.
335
В самом верху схемы находится кнопка с
противодребезговой защитой, чтобы можно
было вручную, не спеша, пройтись по всей по
следовательности.
На рис. 35. 7 показана эта схема, собранная
на макетной плате.
Рис. 35.7. Схема для исследования работы восьмиразряд
ного сдвигового регистра с линейной обратной связью,
собранная на макетной плате
336
Эксперимент 35
В Н И МА Н И Е :
особенности микросхемы
И сключающее ИЛ И-Н Е
Будьте особо внимательны, чтобы не подклю
чить микросхему элементов Исключающее ИЛИ
НЕ неправильно. Внутренние соединения этой
микросхемы совершенно и ные, чем в других логи
ческих микросхемах. На всякий случай на рис. 35.8
показана цоколевка этой микросхемы. Если эту
микросхему по ошибке подключить, как микро
схему элементов ИЛИ или Исключающее ИЛИ, ее
можно безвозвратно вывести из строя.
И вот еще на что необходимо обратить вни
мание, так это на существован ие другой версии
микросхемы Исключающее ИЛИ-НЕ с номером де
тали 74НС266, который отличается от номера де
тали микросхемы 74НС7266 лишь одной цифрой.
М икросхема 74НС266 имеет выходы с открытым
стоком, которые предназначены для управле
ния токами до 1 00 мА и не должны подключаться
к другим микросхемам. Одним из примеров такого
варианта является микросхема SN74HC266N п ро-
74НС7266
Рис. 35.8. Цоколевка микросхемы элементов Исключающее
ИЛИ-НЕ 74НС7266. Внутренние соединения этой микросхе
мы не такие, как у других логических микросхем
изводства компании «Texas l nstruments». Будьте
внимательны, чтобы не купить эту микросхему по
ошибке.
Нам требуется именно микросхема 74НС7266,
но она стоит немного дороже, чем большинство
логических микросхем. Впрочем, можно исполь
зовать и микросхему 4077 (старая КМОП-версия),
которая стоит вчетверо дешевле биполярной вер
сии. Цоколевка ее точно такая же.
П роведение исследования
Поскольку я хочу. чтобы результаты ва
шего исследования были в точности такими
же, какие я получил в моем, начальное состоя
ние вашего сдвигового регистра должно быть
точно таким же, какое было у моего. В част
ности, в начале цикла все ячейки моего сдви
гового регистра содержали низкое состояние.
Если при включении вашей схемы светодиоды
показывают ненулевое значение, вам нужно
установить его вручную, как это делалось для
четырехразрядной схемы СРЛОС.
Для этого выполните следующую про
цедуру:
1. Отсоедините нижний конец перемыч
ки, подключенной к выходу верхнего ле
вого элемента Исключающее ИЛИ -НЕ.
На схеме эта перемычка обозначена «По
следовательный вход». Оставьте ее верх
ний конец подключенным.
2. Вставьте нижний конец этой перемычки
в гнездо на минусовой шине.
3. Нажмите кнопку восемь раз, чтобы ввести
в регистр восемь нулей (то есть низких со
стояний) .
4. Соблюдая оооочень большую осторож
ность, снова подсоедините нижний конец
перемычки к выходу элемента Исклю
чающее ИЛИ-НЕ, где он был ранее.
Теперь, когда вы начнете работать со
схемой СРЛОС, выдаваемая ею последова
тельность будет такой же, как показана на
рис. 35.9. Значение О означает выключенный
СРЛОС
337
светодиод, а 1 - включенный. При каждом на
жатии кнопки следующая строка в таблице на
рисунке должна совпадать с состоянием свето
диодов в вашей схеме.
Возможно, вас интересует, как я создал
распечатку последовательности? Неужели
я усердно нажимал кнопку одной рукой,
а другой вводил в текстовый редактор получен
ное значение? Вообще то, на самом деле, нет.
Я просто написал небольшую компьютерную
программу, которая эмулировала сдвиговый
регистр с линейной обратной связью, и сохра
нил ее вывод. Но я сверил сгенерированные
программой результаты с результатами, выда
ваемыми физической схемой, что также може
те сделать и вы.
Двоичные числа трудно поддаются вос
приятию человеческим мозгом, поэтому я так
же пересчитал ту же самую последователь
ность в десятичный формат:
О,
Рис. 35.9. Последовательность из 255 комбинаций вось
миразрядного сдвигового регистра с линейной обратной
связью, плюс повтор исходного СОСТОЯНИЯ
Эксперимент 35
338
92,
185,
241,
226,
1 68 ,
80,
215,
176,
115,
1 60 ,
175,
96,
231,
1 97 '
94,
1 92 ,
207'
138,
65,
131,
189,
128,
159,
21,
о
6,
123,
42,
13,
62 ,
124,
85,
170,
26,
246,
53,
236,
248,
84,
107'
216,
С моей точки зрения, эта последователь
ность выглядит достаточно псевдослучайной.
Моя программа также проверила, что каждое
значение в ней встречается только один раз, не
больше и не меньше, без каких бы то ни было
пропусков или повторений.
Еди н ицы и нул и
Удостоверившись, что логическая схема
на рис. 35.5 действительно работает так, как
должна, на следующем шаге надо решить,
каким образом изменить эту последователь
ность, чтобы получать в каждом цикле только
1 или О. Вспомните, что мы хотим использо
вать ее в тестере телепатии для включения или
выключения светодиода, состояние которого
нам нужно определять с помощью наших экс
трасенсорных способностей.
Один из способов получить такой выход пропустить выходы сдвигового регистра через
элементы Исключающее ИЛИ, как это было
сделано с выходами поворотных энкодеров в
эксперименте 33. Такой подход сработал бы
при использовании трехуровневого �дерева�
элементов Исключающее ИЛИ, каждый из ко
торых усреднял бы выходы предыдущего, что
бы получить О или 1 в конечном итоге.
Но в этом нет необходимости. Все что
нам нужно сделать - это воспользоваться вы
ходом ячейки памяти А сдвигового регистра.
Поначалу кажется, что это лишено всякого
смысла. Мы задействовали большее количе
ство выходов сдвигового регистра, чтобы по
лучить последовательность с большим коли
чеством значений, а теперь просто выбросим
все эти дополнительные значения?
Не совсем так. В процессе обратной свя
зипродолжают использоваться все восемь
ячеек памяти. И восьмая, шестая, пятая и чет-
вертая ячейки продолжают обрабатываться
элементами Исключающее ИЛИ-НЕ, как и
раньше, поэтому мы будем продолжать полу
чение неповторяющейся последовательности
из 255 значений. Все, что я предлагаю, так это
взять подвыборку из нее. А вся последователь
ность единиц и нулей так же будет проходить
через 255 комбинаций, прежде, чем начнет по
вторяться.
Возможно, вам трудно в это поверить.
Поначалу мне и самому поверить в это было
трудно. И хотя теория говорила мне, что все
верно, я решил проверить теорию еще одним
практическим наблюдением. Я модифициро
вал свою компьютерную программу, чтобы
она брала только самый правый разряд каждой
из 255 комбинаций процесса линейной
обратной связи, и получил такую последова
тельность 1 и О:
0 1 1 1 1 0100001 1100101 1 1 1 1 1 101 1 1000
1 11 0 11010001 1 1 1 11001101101 100100
0110111110101001001010011010011 1
100000100 10000 1 0 1 0 00 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
10011 10000110001 1001 1 10100101101
1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 00 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 000010
00000 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1000
1010101000001101011110110000000
Затем я запустил процесс на физической
схеме, наблюдая только за самым правым све
тодиодом. И получил точно такую же последо
вательность.
Когда вы делаете подобное предсказание,
и оно сбывается точь-в-точь, не это ли являет
ся замечательным доказательством, что такой
результат должен получаться каждый раз!
Можно возразить, что эта последователь
ность выглядит не совсем случайной, посколь
ку в ней есть такие фрагменты, как 0000000
и 1111111. В самом деле, последовательность
содержит такие фрагменты, но случайная по
следовательность и должна содержать некото
рые подобные подпоследовательности повто
ряющихся элементов. Вспомните, что когда
мы бросаем монету, она может выпасть орлом
СРЛОС
339
или решкой несколько раз подряд. Более того,
вероятность повторения одной и той же циф
ры возрастает по мере возрастания количества
выборок.
Так что, наличие повторяющихся подряд
цифр в общей последовательности не пред
ставляет ничего такого, о чем следует беспоко
иться. Конечно же, если бы последовательно
сти состояли по большей части из фрагментов
типа 11111111 и 00000000, это было бы совсем
другое дело, но у нас распределение комби
наций в действительности очень хорошее.
Я подсчитал частоту повторяющихся подпо
следовательностей 1 и О и получил следующие
результаты:
О
по
( с ам
00
ООО
себе )
-
В раз
=
0000
4 раза
=
00000
2 раза
=
000000
1 раз
=
0000000
=
1 раз
Всего: 128 значений О.
1
по
( с ам
11
себе )
-
Пропускаем 2 54-е значение
3 2 раза
1 6 раз
=
111
3 3 раза
1 6 раз
=
В раз
=
1111
11111
4 раза
=
=
2 раза
1 раз
111111 =
1111111
Проблема (которая даст нам решение) за
ключается в следующем. Диапазон всех значе
ний последовательности по идее должен про
стираться от 00000000 до 11111111. Однако,
если вы вспомните, сдвиговый регистр с ли
нейной обратной связью на основе элементов
Исключающее ИЛИ -НЕ не может работать со
значением 11111111, поэтому он его пропуска
ет. А так как это значение имеет 1 на конце, эта
единица не отображается в нашей таблице зна
чений, оканчивающихся на 1.
Допустим, что мы попытаемся обойти эту
проблему, используя предпоследний разряд
вместо последнего. Нет, это проблему не ре
шит, так как число 11111111 все равно не об
рабатывается, поэтому в таблице конечных
единичных значений будет на один О больше,
чем 1.
Давайте подробнее разберемся с этой про
блемой.
=
1 раз
Всего: 127 значений 1.
Проблема весовых
коэффи ц иентов
В представленном мною списке последо
вательности есть только один момент, выгля
дящий не совсем правильно, - она содержит
33 одиночных нуля, но только 32 одиночные
единицы. Как так? Ведь все члены этой после
довательности должны были иметь абсолютно
одинаковые веса.
Но нет - я говорил, что они будут иметь
«почти» одинаковые веса.
Одним из решений этой проблемы было
бы добавление дополнительных сдвиговых
регистров. Например, если мы соединим це
почкой четыре регистра, которые вместе име
ют 32 ячейки памяти, то вся неповторяющаяся
последовательность такого СРЛОС будет со
стоять из свыше четырех триллионов значе
ний. Однако и эта последовательность будет
содержать все комбинации из 32 единиц и ну
лей - за исключением последней, состоящей
из 32 единиц. Но это единственное значение
теперь будет погребено в свыше чем четырех
триллионах других значений, что, я полагаю,
должно быть приемлемым для практически
любой цели.
К сожалению, реализация этой схемы
означает дополнительную работу и дополни
тельные компоненты. У вас есть желание вы
полнить монтаж четырех сдвиговых регистров
и неизвестного количества микросхем элемен
тов Исключающее ИЛИ-НЕ, чтобы создать
линейную обратную связь, сделающую выход
Эксперимент 35
340
тестера телепатии более сбалансированным?
Если есть, то это просто замечательно! Мне
бы очень хотелось, чтобы кто-нибудь собрал
такую схему. Но лично я не располагаю доста
точным временем для этого, поскольку, как я
уже упоминал, мне нужно завершить эту книгу,
чтобы у вас была возможность ее прочитать.
Поэтому я предложу более легкую альтер
нативу. Мы можем просто заставить (каким
либо образом) сдвиговый регистр пропускать
одно значение с нулем в конце, чтобы компен
сировать значение 11111111, которое имеет
единицу в конце. Таким образом мы уравняем
количество нулей и единиц в конечной после
довательности одноразрядных значений.
Чтобы не гадать, какое это должно быть
значение, мы просто пропустим значение
11111110 (десятичное 254) , предшествующее
неиспользуемому значению 11111111. Сделать
это не проблема: мы просто применим семиПоследо
-.,.......
- к-----__--__----__68тельны й
.. ....
.,
.. -с
д
и
а
еи
во
ги
в
г
о
па
и
тр
го
ре
с
ят
яч
м
и
-----------------· ввод
Л
H G .f E n Q.
.;
К
скрытому
светодиоду
Рис. 35.1 О. Логическая диаграмма для сдвигового реги
стра с равновзвешенным двоичным выходом, который
получается, если заставить регистр пропускать значение
1 1 1 1 1 1 1 О (здесь: AND
И, XOR
Исключающее ИЛИ,
XNOR
Исключающее ИЛИ-НЕ)
-
-
-
входовый элемент И для выявления комбина
ции 1111111 в ячейках с В по Н и используем
высокий выход этого элемента, чтобы подать
тактовый импульс для продвижения к следую
щему значению. Логическая диаграмма этого
решения показана на рис. 35.10.
Существует ли семивходовый логический
элемент И? Нет, но восьмивходовый суще
ствует. Один из его входов можно подключить
к «плюсу» источника питания, а на остальные
семь подавать сигнал состояния ячеек памяти
сдвигового регистра. Это старая микросхема
серии 4000В, а не серии 74НСОО, но она будет
работать.
Делимся входом сигнала
тактирования
Обратите внимание, что в схеме на
рис. 35.10 выход логического элемента И
не подается непосредственно на вход сигна
ла тактирования сдвигового регистра. Дело
в том, что вход сигнала тактирования также
должен быть доступен для сигнала тактирова
ния таймера (или другого сигнала), который
продвигает сдвиговый регистр на регулярной
основе. Назовем этот сигнал тактирования
«обычным», чтобы отличать его от импульса
тактирования, подающегося с выхода логиче
ского элемента И.
Для решения этой проблемы я добавил
логический элемент Исключающее ИЛИ.
Далее приводится гипотетическая последова
тельность событий:
1. Выход обратной связи элементов Ис
ключающее ИЛИ-НЕ достиг значения
11111110, которое нам нужно пропустить.
Это значение подается с выхода элемента
Исключающее ИЛИ-НЕ на входной буфер
сдвигового регистра.
2. Импульс обычного сигнала тактирова
ния продвигает запрещенное состояние
11111110 в ячейки памяти сдвигового
регистра.
СРЛОС
=====�,.,,.,.,,.,,..,.,..,., . . . . . . .
3. Это значение немедленно определяется
восьмивходовым элементом И, который
выдает высокий выходной уровень. С вы
хода элемента И высокий сигнал подается
на один из входов логического элемента
Исключающее ИЛИ.
4. Импульс обычного сигнала тактирования
еще не окончился, поэтому на обоих вхо
дах элемента Исключающее ИЛИ присут
ствует сигнал высокого уровня. В резуль
тате на выходе элемента Исключающее
ИЛИ выдается сигнал низкого уровня.
5. Импульс обычного сигнала заканчивает
ся. Но запрещенная комбинация 11111110
в ячейках сдвигового регистра продолжа
ет создавать сигнал высокого уровня на
выходе элемента И.
6. Теперь на один из входов логического
элемента Исключающее ИЛИ подает
ся высокий сигнал с выхода логического
элемента И, а на другой вход - низкий
уровень обычного сигнала тактирования.
Соответственно, на выходе логического
элемента Исключающее ИЛИ выдается
сигнал высокого уровня.
7. Этот сигнал инициирует переход сдвиго
вого регистра на следующее значение.
8. На входах восьмиэлементного логическо
го элемента И больше нет запрещенного
значения 11111 110, поэтому на его выходе
выдается сигнал низкого уровня.
9. Сдвиговый регистр теперь находится
в стабильном состоянии до прибытия сле
дующего импульса обычного сигнала так
тирования.
Как можно видеть из приведенного опи
сания процесса обработки запрещенной ком
бинации 11111110, это состояние активиру
ется, но остается активным только до конца
импульса обычного сигнала тактирования.
Если этот импульс очень короткий, то состоя
ние 11111110 будет пропущено почти сразу же.
В частности, в тестере телепатии это состоя-
341
ние не будет иметь достаточной длительности,
чтобы активировать светодиод.
В общем, я полагаю, все это должно срабо
тать. В следующем эксперименте мы подтвер
дим, что процесс так и работает.
Возможны ли другие варианты ?
Блокирование одного из входных значе
ний - не очень элегантное решение пробле
мы. Возможно, существует лучший способ, но
если это так, мне он неизвестен. Я даже про
консультировался с некоторыми из моих дру
зей, работающих в бизнесе шифрования, где
для генерирования псевдослучайных чисел
используются СРЛОС большого масштаба,
но они лишь посоветовали мне использовать
большее количество сдвиговых регистров, т. е.
предложили подход, который, как я уже ре
шил, будет слишком многотрудным.
Так что, мое решение проблемы - про
пуск одного значения, что бы там ни было.
Затравка
Осталась решить еще одну проблему. Суть
ее в том, что если при включении питания
схемы отсутствуют всплески напряжения, ис
ходное состояние сдвигового регистра всегда
будет 00000000.
Очевидно, что мы не сможем достичь цели
сделать игру непредсказуемой, если она каж
дый раз будет начинаться одинаково. Поэтому
нам нужно начинать ее с какого-либо неиз
вестного значения последовательности. Но
каким образом можно этого добиться?
Ответ на этот вопрос очень прост использовать стандартный для генераторов
случайных чисел прием, называющийся «за
травкой». Это означает, что при каждом за
пуске генератора он инициализируется другим
значением. В компьютерных программах для
этого значения часто берется текущее значение
системных часов, поскольку время никогда не
Эксперимент 35
342
стоит на месте. Для нашей схемы генерирова
ния случайных значений идеальным решени
ем было бы дать ей поработать произвольное
количество циклов вхолостую, прежде чем
применить ее вывод в игре.
Никаких проблем. Для этого можно ис
пользовать систему, которая упоминалась
в эксперименте 34, где при включении пита
ния комбинация резистора с конденсатором
запускает медленный (с низкой рабочей ча
стотой) таймер, работающий в моностабиль
ном режиме, т. е. генерирующий один импульс.
Длительность этого импульса можно устанав
ливать с помощью датчика какого-либо типа.
На протяжении этого импульса медленный
таймер позволяет работать быстрому автоко
лебательному таймеру, который подает сигнал
тактирования на СРЛОС. В конце импульса
медленного таймера схема СРЛОС останавли
вается на неизвестном состоянии ячеек памя
ти, что предоставляет нам идеальную псевдо
случайность.
использующая массив пар Дарлингтона, обеспе
ч ивающий необходимую для яркого свечения
светодиодов величину тока.
Если светодиоды закрыть рассеивающим
экраном (наподобие используемых в светильни
ках дневного света), можно получить и нтересный
мерцающий эффект, особенно когда сдвиговый
регистр работает на достаточно высокой частоте
та кти рован ия.
Селектор слота
Сдвиговый регистр с линейной обратной
связью можно испол ьзовать для управления
мультиплексором в и гре «Горячий слот». Просто
подключите четыре из выходов регистра ко вхо
дам управления мультиплексора.
СДЕЛ А Й ТЕ ЧУТЬ Б ОЛ ЬШ Е :
другие игры и другие ч исла
П режде чем применить наш генератор псев
дослучайных чисел в тестере телепатии, я хочу по
казать вам еще несколько способов использовать
выход сдвигового регистра с линейной обратной
связью.
М и гающие светодиоды
Возьмем восемь светодиодов: два красных,
два зеленых, два синих и два желтых. Каждая пара
светодиодов управляется двумя выходами сдви
гового регистра с линейной обратной связью. Но
один из этих выходов подается на светодиод че
рез резистор сопротивлением 330 Ом, а другой через 1 кОм. Это позволит иметь для каждого
цвета четыре яркости: выключена, низкая, сред
няя и высокая. На рис. 35.1 1 показана возможная
логическая схема для реализации этого проекта,
В каждой nape резисторо в
один - еысо�ого сопротивления,
а другой - низкого
Примечание:
массив nap Дарпинrтона
принимает ток,
а не отдает
Рис. 35.1 1 . Сдвиговый регистр с линейной обратной
связью обеспечивает произвольное мигание светодиодов
343
Вариант коль цевого счетчика
В эксперименте 26 кольцевой счетчик по
следовательно а ктивировал шестнадцать све
тодиодов. Этот эксперимент можно модифици
ровать, используя СРЛОС для активирования их
в случайном порядке через мультиплексор. Мож
но сделать из этого и и гру, установив возле каждо
го светодиода кноп ку. Цель такой и гры - вовремя
нажать кнопку активированного светодиода.
Напряжение, используемое для питания све
тодиодов, можно также подавать через кнопку
на зуммер. При этом, если нажать на кнопку, пока
F
Сдвиговый регистр с линейной обратной связью
Н
G
Е
D
С
В
А
светодиод еще горит, зазвучит зуммер, а счет уве
личится на одно очко. На рис. 35. 1 2 показана воз
можная логическая схема для реализации такой
и гры.
Если вместо кнопок испол ьзовать герконы, их
также можно вместе со светодиодами скрыть за
рассеивающим экраном. Разместите герконы ря
дом с соответствующими светодиодами - и грок
будет указывать на активирован н ы й светодиод
с помощью стилуса с магнитом в его наконечни
ке, одновременно активируя тем самым геркон.
Вы получите элегантн ы й пользовательский ин
терфейс, устранив при этом проблему мошенни
чества, когда и грок мог одновременно нажимать
несколько кнопок. Конечно же, нужно очень ак
куратно подобрать мощность магнита, чтобы он
надежно активировал требуемы й геркон, не воз
действуя на соседние.
Четырехразрядный мультиплексор
Произвольные тоны
Счетчик
для ведения счета
Рис. 35.1 2. Логическая схема доработки игры из экспе
сдвиговый регистр с линейной обратной
связью здесь используется для активирования свето
диодов
римента 26
-
Можно использовать четыре выхода сдвиго
вого регистра для управления мул ьтиплексором,
подсоединяющим один из шестнадцати тра нзи
сторов к таймеру, работающему в автоколебатель
ном режиме на звуковой частоте. А если вместо
постоян н ых резисторов установить подстроечные
потенциометры, каждый из них можно настроить
на воспроизведение определенной ноты диатони
ческой гаммы (для этого придется воспользовать
ся каким-либо клавишным инструментом).
Производимые звуки не станут мелодией
в обычном понимании этого слова, но если пере
ход между н ими сделать достаточно медленным,
они будут создавать весьма интересный звуковой
эффект. На рис. 35. 1 3 показана возможная логиче
ская схема для реализации этой и гры.
Кстати, здесь можно задействовать два муль
типлексора, подавая на каждый по четыре выхо
да со сдвигового регистра. Один мультиплексор
будет управлять высотой тона, а другой - каче
ством звука, добавляя комбинацию резистор/
конденсатор между выходом и общим «минусом»
(«землей»). Логическая схема для этого варианта
показана на рис. 35. 1 4.
Эксперимент 35
344
Ввод для и гры « Вещий Цзин »
Вместо внедрения фактора случайности
с помощью датчи ка сопротивления пальца в и гре
«Вещий Цзин» из эксперимента 27, дешифрато
ром можно управлять с помощью четырех выхо
дов сдвигового регистра с л инейной обратной
связью.
СДЕЛА Й ТЕ ЧУТЬ Б ОЛ Ь Ш Е :
·�
Таймер в автоколеба
. Ззмежrе
тельном режиме
l
ре:зисторы
nодстроечными
'•., потенциометрами
' дnя точной
(на звуковой частоте)
Подключения
настройки нот
к выводам "Разряд• и "Порог"
таймера типа 555
Рис. 35.1 3. Использование сдвигового регистра с линей
ной обратной связью для генерирования в случайном по
рядке шестнадцати музыкальных нот
Сдвиговый регистр с линейной обратной связью
Таймер в автоколебателыюм �------
-----� режиме (на звуковой частоте)
l
подключения
к выводам "Разряд• и "Порог"
таймера типа
555
Ьl
выход'
Рис. 35.1 4. С помощью второго мультиплексора можно
произвольным образом выбирать комбинации резистор/
конденсатор, чтобы менять качество генерируемой слу
чайной ноты
случ айность
на микроконтроллере
Концепция сдвигового регистра с линейной
обратной связью используется в языках програм
мирован ия для создан ия последовательностей
псевдослучайных чисел. В ч исло таких языков вхо
дят и языки высокого уровня, п рименяемые для
программирован ия некоторых микроконтролле
ров. В зависимости от используемого микрокон
троллера, тот или иной оператор позволяет про
грамме генерировать по требованию кажущееся
случайным ч исло.
Но будут ли все такие псевдослучайные значе
н ия иметь одинаковы й вес? Надо отметить, что ре
зультаты моих исследований функции генериро
вания случайных чисел в версии языка BASIC для
микроконтроллера PIC (так называемый PICAXE),
меня не очень впечатл или. В зависимости от диа
пазона, в котором задавалось генерировать слу
чайные числа, некоторые значения встречались
значительно чаще, чем другие.
Если вас интересует, генерирует ли язык С ми
кроконтроллерной системы Arduino более равно
мерно взвешенные последовательности псевдо
случайных ч исел, я рекомендую вам уточнить это,
выполнив соответствующие исследования.
Обратите также внимание, что для затравки
внутреннего генератора случайных чисел рас
п ространенной п рактикой является считывание
значения неподключенного вывода микросхемы
через внутренний аналого-цифровой п реобразо
ватель микроконтроллера.
Задумка следующая: за экраном скрыт
светодиод, электронная схема включает или
выключает его, а затем дает игроку указание
угадать состояние этого светодиода, используя
его способности экстрасенсорного восприя
тия, если он обладает таковыми. Игрок нажи
мает правую кнопку, если думает, что светоди
од включен, и левую - если выключен. Схема
игры сообщает игроку результат его попытки,
после чего цикл повторяется.
Сигнал 1'акtиров аН11Я
!!ВОД
последовательный
Я полагаю, что на данном этапе у нас есть
все необходимые знания для реализации этой
схемы. Но нам нужно как-то оценивать конеч
ные результаты. То есть понять, сколько раз
игрок должен правильно угадать состояние
светодиода по сравнению с количеством не
правильных угадываний, чтобы были осно
вания полагать, что такой результат слиш
ком маловероятно получить благодаря лишь
счастливому случаю. Я объясню, как можно
выполнить такую оценку после того, как мы
соберем нашу схему.
Перва я часть проекта
Рис. 36. 1 . Логическая диаграмма для первой час1'и схемы
тестера телепатии. Вход С и выходы А, В и N будут подклю
чены к соответствующим точкам второй части схемы (здесь:
NAND - И-НЕ, XNOR - Исключающее ИЛИ-НЕ)
В предыдущем эксперименте была пред
ставлена логическая схема генератора случай
ных чисел с использованием логических эле
ментов Исключающее ИЛИ-НЕ для выдачи
сокращенного выхода в диапазоне значений
О и 1. Я слегка подправил эту схему, как показа
но на рис. 36.1, чтобы сделать ее совместимой
со схемой тестера экстрасенсорных способно
стей, которую намереваюсь собрать.
•
Вместо семивходового элемента И здесь
используется семивходовый элемент И-НЕ.
При этом вместо нормально низкого вы
хода, который меняется на высокий при
обнаружении запрещенного состояния
1111111, выдается сигнал высокого уров
ня, меняющийся на низкий. Такой сигнал
будет легче использовать в следующей ча
сти схемы.
В дополнение к двоичному выходу добав
лен выход, обрабатываемый логическим
элементом Исключающее ИЛИ-НЕ. Когда
двоичный выход высокий, выход элемен
та Исключающее ИЛИ-НЕ низкий, и на
оборот. Иными словами, выход на эле
менте Исключающее ИЛИ-НЕ инверти
рует двоичный выход. Почему просто не
использовать для этого обычный инвер
тор? Потому что у меня оставался один не
используемый элемент в четырехэлемент
ной микросхеме двухвходовых элементов
Исключающее ИЛИ-НЕ, которая пред-
----
- - --
----
---
--
Эксперимент 36
назначена обрабатывать обратную связь
для сдвигового регистра. Почему бы и не
использовать этот оставшийся элемент,
вместо того, чтобы добавлять микросхему
инвертора?
На рис. 36.2 показана первая часть прин
ципиальной схемы проекта. Она очень похожа
на схему для исследования работы сдвигово
го регистра с линейной обратной связью из
предыдущего эксперимента. Самое заметное
изменение здесь - добавление логического
элемента И-НЕ. Вход С и выходы А, В и N бу
дут подключены к соответствующим точкам
второй части схемы.
Вторая част ь п роекта
На рис. ЦВ-36.3 показана вторая часть
логической диаграммы тестера экстрасен
сорных способностей для одного игрока. На
схеме таймеры закрашены розовым цветом,
чтобы их можно было с легкостью опреде
лить. Четыре линии входов/выходов, обозна
ченные буквами А, В, С и N, подключаются
к соответствующим линиям первой части схе
мы (см. рис. 36.1).
Работа второй части, вкратце, состоит
в следующем:
1.
Игрок видит сигнал готовности.
2. Игрок нажимает кнопку «А», если дума
ет, что скрытый светодиод включен, или
кнопку «В» - если думает, что выключен.
3. Сигнал готовности выключается прибли
зительно на секунду. В течение этой се
кунды схема выдает сигнал успешного или
неуспешного угадывания и увеличивает
соответствующий счетчик.
4. Снова включается сигнал готовности
и цикл повторяется с шага 2.
Рис. 36.2. Первая часть принципиальной схемы тестера
экстрасенсорных способностей для одного игрока
Но подводные камни есть и здесь.
347
Вариант тестера экстрасенсорных способностей для одного участника
Логика ввода
Поскольку точность работы компонентов
играет здесь важную роль, кнопки ввода дан
ных должны быть свободными от дребезга.
Поэтому выход каждой кнопки пропускает
ся через моностабильный таймер с длитель
ностью импульса в одну секунду. Это та же
самая конфигурация, которую я использовал
в предыдущих схемах, - она позволяет соз
дать чистый импульс, который не вызывает
повторного импульса, если кнопка удержива
ется нажатой слишком долгое время.
Выходы этих таймеров теперь нужно
сравнить с выходами предыдущей логической
схемы. Выход со сдвигового регистра показан
с правой стороны схемы и будет высоким, ког
да скрытый светодиод включен. Выход с эле
мента Исключающее ИЛИ НЕ показан с левой
стороны схемы и будет высоким, когда скры
тый светодиод выключен.
Правильно угадать можно двумя спосо
бами:
•
скрытый светодиод включен И игрок
нажал кнопку угадывания «Светодиод
включен» ;
•
скрытый светодиод выключен И игрок
нажал кнопку угадывания «Светодиод
выключен».
Игрок немедленно извещается о резуль
тате его выбора (правильный или неправиль
ный) одним из двух светодиодов (обозначены
на схеме красным и зеленым кружками) . Счет
С в ыхода
сдв игового регистра
Кнопка угадывания
"Светодиод включен"
f.•f..
-
Подобным образом, неправильно угадать
можно тоже двумя способами:
•
скрытый светодиод включен И игрок на
жал кнопку угадывания «Светодиод вы
ключен»;
•
скрытый светодиод выключен И игрок
нажал кнопку угадывания «Светодиод
включен».
Эта логика реализуется посредством двух
пар логических элементов И, выход с которых
подается на вход соответствующего элемен
та ИЛИ. Это во многом тот же самый подход,
как и в первоначальной версии игры для двух
участников.
Рис. ЦВ-36.3. Вторая часть логической диаграммы тесте
ра экстрасенсорных способностей для одного игрока. Эта
часть обрабатывает пользовательский ввод, предостав
ляет обратную связь, а также выполняет затравку сдвиго
вого регистра с линейной обратной связью (здесь: XOR
Исключающее ИЛИ)
-
Эксперимент 36
348
правильным и неправильным угадываниям
могут вести два счетчика, реализацию кото
рых я рассмотрю позже.
Остальная часть схемы ожидает, пока не
будет активирован входной таймер слева ИЛИ
справа. Поэтому выходы таймеров подаются
на входы логического элемента ИЛИ в центре
схемы. Выход этого элемента ИЛИ должен вы
полнять следующие задачи.
Сигнал готовности
С выхода элемента ИЛИ делается отвод
на логический элемент ИЛИ слева, который
управляет сигналом готовности. Что это все
означает? Сигнал готовности обычно должен
быть включен, за исключением двух случаев:
•
в течение одной секунды после того, как
игрок нажал одну из кнопок угадывания;
•
ИЛИ в течение периода начальной затрав
ки сдвигового регистра, когда схема еще
не готова для игры.
Пока эти условия не удовлетворены, под
ключенный к «плюсу» источника питания
желтый светодиод сигнала готовности гореть
не будет.
Все остальное время на оба входа этого
элемента ИЛИ подаются низкие сигналы, по
этому он будет принимать ток со светодиода
сигнала готовности, удерживая его во вклю
ченном состоянии. Если вы помните, логиче
ские микросхемы серии 74НСОО могут при
нимать такой же ток (20 мА максимум) , как
и отдавать, поэтому их можно использовать
любым способом.
Я мог бы задействовать здесь логиче
ский элемент ИЛИ-НЕ, подключив светоди
од сигнала готовности к «минусу» источника
питания, но для этого одного элемента ИЛИ
НЕ потребовалась бы целая дополнительная
микросхема. А поскольку у меня имелся один
неиспользуемый элемент ИЛИ, я и воспользо
вался этим обстоятельством.
Затравка случайным числом
В эксперименте 35 я рассказал о способах
выполнения затравки сдвигового регистра
с линейной обратной связью. В нашем же слу
чае я решил, что пусть лучше игрок станет
делать это вручную, - чтобы можно было бы
обойтись только одним быстрым таймером,
избавившись от медленного таймера, тактиру
ющего быстрый. Когда кнопка затравки (слева
внизу на схеме) не нажата, она подает сигнал
низкого уровня на вывод сброса быстрого
автоколебательного таймера. Вспомните, что
низкий сигнал на этом выводе останавливает
таймер. А когда кнопка затравки нажата, пода
ваемый ею на вход таймера высокий уровень
запускает его.
Выход быстрого таймера проходит через
логический элемент Исключающее ИЛИ спра
ва внизу на схеме и подает импульсы назад на
вход тактирования сдвигового регистра.
Перед каждым новым сеансом тестиро
вания игрок должен нажать кнопку затравки
и удерживать ее в течение произвольного пе
риода времени. Поскольку это серьезный ин
струмент для исследования сверхъестествен
ных возможностей, я доверяю игроку, что он
не забудет выполнять ритуал затравки.
Еще два элемента
И сключающее ИЛ И
А теперь рассмотрим самую мудреную
часть схемы. Возвратимся к логическому эле
менту ИЛИ в центре схемы - его выход пода
ется через конденсатор связи на вход логиче
ского элемента Исключающее ИЛИ под ним.
Емкость конденсатора связи намного меньше,
чем любых других, которые мы использовали
в предыдущих экспериментах, - по причине
весьма чувствительного входа этой логической
микросхемы. По своему опыту я могу сказать,
что конденсатор емкостью 69 пФ будет предо
ставлять достаточно длинный импульс, чтобы
активировать элемент Исключающее ИЛИ, не
Вариант тестера экстрасенсорных сп особностей для одного участника
создавая при этом множественных ложных
импульсов. Если при тестировании своей схе
мы вы обнаружите, что она функционирует не
предсказуемым образом, можете попробовать
исправить ее поведение, применив конденса
тор более высокой или низкой емкости. Чтобы
помочь вам с этим вопросом, я включил в спи
ски необходимых деталей конденсаторы с аль
тернативной емкостью 47 и 100 пФ.
:
Вспомним, что 1 ООО пФ = 1 нФ.
На правый вход логического элемента
Исключающее ИЛИ обычно подается сигнал
высокого уровня с повышающего резистора,
а на левый вход этого логического элемента так
же обычно подается сигнал высокого уровня
с выхода семивходового логического элемента
И-НЕ из первой части схемы, который обычно
высокий до тех пор, пока он не определит за
прещенное значение 1111111, т. е. пока на всех
его входах не появится высокий уровень.
А при обоих высоких входах логический
элемент Исключающее ИЛИ выдает низкий
выход. Поэтому на выходе первого логическо
го элемента Исключающее ИЛИ обычно будет
сигнал низкого уровня.
Выход с этого элемента Исключающее
ИЛИ подается на правый вход следующего
элемента Исключающее ИЛИ, на левый вход
которого подается сигнал низкого уровня,
когда автоколебательный таймер не работает.
Таким образом, второй логический элемент
Исключающее ИЛИ имеет два низких входа,
вследствие чего на его выходе присутствует
сигнал низкого уровня, который подается на
вход тактирования сдвигового регистра.
Что происходит, когда игрок нажимает
кнопку? Ничего, пока не закончится односе
кундный импульс таймера. Окончание этого
импульса означает, что происходит переход
уровня этого импульса с высокого на низкий.
Конденсатор емкостью 68 пФ передает этот
переход в виде короткого низкого импульса.
349
В течение этого импульса на правый вход
первого логического элемента Исключающее
ИЛИ подается сигнал низкого уровня, в то вре
мя как на его левый вход продолжает подавать
ся сигнал высокого уровня. Соответственно,
на выходе этого логического элемента выда
ется сигнал высокого уровня. Этот сигнал по
дается на один из входов второго логического
элемента Исключающее ИЛИ, на другом входе
которого присутствует сигнал низкого уров
ня, - в результате на выходе этого элемента
также выдается сигнал высокого уровня, кото
рый подается в виде сигнала тактирования на
сдвиговый регистр, продвигая его содержимое
к следующему состоянию.
Низкий импульс с конденсатора длит
ся очень короткое время. По его окончании
повышающий резистор снова возобновляет
свою функцию, и оба логических элемента
Исключающее ИЛИ возвращаются в свое пер
воначальное состояние. Сигнал тактирования
продвинул содержимое сдвигового регистра к
новому значению, и сигнал готовности акти
вируется, извещая игрока, что он может уга
дывать состояние светодиода.
Весь этот процесс сравнительно простой,
но зачем для его реализации нам требуется
два логических элемента Исключающее ИЛИ?
Потому что сигнал тактирования на сдвиговый
регистр нужно подавать в трех случаях:
1. Когда игрок нажимает кнопку угадывания.
Продвижение сдвигового регистра к ново
му значению было только что описано.
2. При первоначальном циклировании сдви
гового регистра быстрым таймером.
3. Когда сдвиговый регистр доходит до за
прещенного состояния 11111110.
Два логических элемента позволяют об
рабатывать все ситуации, когда эти события
могут происходить одновременно или почти
одновременно. Эту часть схемы понять труд
нее всего.
Самое rп авное действовать вовремя
На рис. ЦВ-36.4 показано, как эти логиче
ские элементы будут работать при нормальных
обстоятельствах, когда игрок нажимает кноп
ку, вследствие чего один из таймеров генериру
ет односекундный импульс. В конце импульса,
Нормальнь1й
режим работь�
Сдвиговый
регистр доходит
до запрещенного
значения
Низкий импульс
еще не окончился
Элемент И-НЕ
обнаруживает
запрещенное значение
Ко входу
тактирования
сдвигового
регистра
1 -секундный
импульс таймера
заканчивается
Автоколебательный
таймер не работает
Переход 1 -секундного
импульса с ВЬIСОl 1\11 111 *
1
18:
•
•
•
•
*
••
•
•
w
•
\U.
Рис. ЦВ-36.7. Первая часть тестера экстрасенсорных спо
собностей для одного игрока, собранная на макетной пла
те. Светодиоды добавлены для наблюдения за состоянием
сдвигового регистра в процессе тестирования
Рис. ЦВ-36.8. Вторая часть тестера экстрасенсорных спо
собностей для одного игрока, собранная на макетной пла
те. Кнопки угадывания (красная и черная) и затравки (бе
лая) установлены в горизонтальном положении
П роверка работ ы тестера
Для проверки схемы сначала понизим ча
стоту быстрого автоколебательного таймера,
установленного внизу второй макетной платы,
подключив к его выводу 6 конденсатор ем
костью 10 мкФ. Кроме того, к выходам сдвиго
вого регистра (на первой макетной плате) надо
подключить маломощные светодиоды. Если
взять для этого светодиоды со встроенными
последовательными резисторами, предназна
ченными для использования с 12-вольтовым
источником питания, они будут потреблять
такой незначительный ток, что сдвиговый
регистр сможет без проблем взаимодейство
вать с микросхемами И -НЕ и Исключающее
ИЛИ-НЕ.
Нажмите и удерживайте кнопку затрав
ки - подключенные к сдвиговому регистру
светодиоды должны начать активироваться
и деактивироваться в уже знакомой вам по
следовательности линейной обратной связи.
Если этого не происходит, вы где-то соверши
ли ошибку в монтаже.
Проверьте работу кнопок угадывания
«Светодиод выключен» и «Светодиод вклю
чен» - если они функционируют должным
образом, т. е. создают импульс, длящийся око
ло секунды, можно переходить к следующей,
интригующей, части тестирования, - провер
ке, пропускает ли схема запрещенное значение
11111110.
При первом включении питания схемы
конденсатор емкостью 100 мкФ на первой ма
кетной плате должен предотвратить загрузку
в сдвиговый регистр случайных значений,
которые могут быть вызваны всплесками на
пряжения источника питания. Но этот конден
сатор также представляет и проблему. Она за
ключается в том, что после выключения и по
следующего повторного включения питания
сохранившийся заряд конденсатора может по
давать достаточное питание на микросхемы,
чтобы удерживать их в их предыдущем состоя
нии. Конденсатор потом все равно разрядится,
но на это может уйти некоторое время. Чтобы
ускорить процесс разрядки, закоротите выво
ды этого конденсатора. Но при этом в обяза
тельном порядке полностью обесточьте схему.
Иными словами, не просто выключите пита
ние выключателем, а полностью отсоедините
ее от источника питания.
Полагая, что схема начинает работу со
всеми восемью ячейками памяти сдвигово
го регистра, содержащими низкие состояния,
можно быстро нажать кнопку затравки 24 раза
(при этом с таймером - для его замедления все еще используется конденсатор емкостью
10 мкФ) , чтобы привести сдвиговый регистр
к значению, непосредственно предшествую
щему запрещенному (см. рис. 35.9, чтобы
освежить свою память).
Теперь, если нажать кнопку затравки или
любую из кнопок угадывания, вы должны
увидеть, пропускает ли ваша схема запрещен
ное 26-е состояние и переходит ли сразу же
к 27-му. На собранной мною схеме этот пере
ход выполнялся, как и задумано. Если у вас
возникнут проблемы с этим аспектом работы
схемы, прежде всего попробуйте использовать
разные значения конденсатора, для которого
на схеме указана емкость 68 пФ.
Настроив схему и убедившись в ее пра
вильной работе, мы готовы к самой интерес
ной части - интерпретированию результатов.
Н асколько
маловероятн ы ми
являются Э СВ ?
Предположим, что мы проведем экспе
римент по определению экстрасенсорных
возможностей, состоящий из тысячи попы
ток угадывания. В среднем около половины
Вариант тестера экстрасенсорных сп особностей для одного участника
этих попыток, т. е. порядка 500, должны быть
успешными. Но, допустим, что вы угадаете
правильно в 510 случаях, или в 520, или в 530.
Как далеко от среднего значения должен отой
ти результат, чтобы он не выглядел простой
случайностью?
Это сложный вопрос, поэтому я начну
с его упрощения. Предположим, что наш сеанс
состоит только из четырех попыток, и исполь
зуем букву Д (да) для обозначения успешного
угадывания, а букву Н (нет) - для неуспеш
ного. Тогда возможны 16 разных комбинаций
угадываний, все из которых будут иметь оди
наковую вероятность:
НННН, НННД, ННДН, ННДД, НДНН,
НДНД, НДДН, НДДД, ДННН, ДННД. ДНДН,
ДНДД, ДДНН, ДДНД, ДДДН, ДДДД
Порядок угадываний не имеет значения,
нас интересует только общее количество пра
вильных угадываний. Это означает, что нам
нужно сгруппировать правильные и непра
вильные угадывания, независимо от их поряд
ка. В частности, следующим образом:
•
НННН - 1 способ получить О правильных
угадываний;
•
НННД, ННДН, НДНН, ДННН - 4 спосо
ба получить 1 правильное угадывание;
•
ДДДН, ДДНД, ДНДД, НДДД - 4 способа
получить 3 правильных угадывания;
ДДДД - 1 способ получить 4 правильных
угадывания.
•
Поскольку угадать правильно три раза
можно четырьмя способами, а всего есть шест
надцать способов угадывания, шансы угадать
правильно три раза из четырех составляют
(в любой последовательности) 4/ 6 , или 25%.
1
Но погодите, что, если мы угадаем пра
вильно все четыре раза из четырех? Так это
еще лучше! Поэтому нужно перефразировать
355
наш вопрос: каковы наши шансы угадать пра
вильно три или больше раза?
Поскольку мы добавили другую альтерна
тиву, шансы в действительности улучшаются
до 5/ 16 , или немногим более 31%.
Если расширить эту систему для вычис
ления шансов в сеансах из пяти, шести или
большего количества попыток, количество
комбинаций Д/Н становится очень большим и
достаточно быстро. Но подсчитать количество
комбинаций можно и другим способом. Каким
именно, показано на рис. 36.9.
Второе число в каждом ряду этого мас
сива чисел представляет количество попыток
в сеансе. Например, самый нижний ряд пред
ставляет сеанс, состоящий из восьми попыток
угадывания.
Числа в каждом ряду представляют коли
чество способов (то есть количество переста
новок) угадать правильно, начиная ни с одного
правильного угадывания (только один способ
для этого, представленный числом 1 в левом
конце ряда) и заканчивая всеми правильными
угадываниями (опять же, только один способ
для этого, представленный числом 1 в правом
конце ряда) .
Рис. 36.9. Треугольник Паскаля можно использовать для
вычисления шансов получения любого числа правильных
угадываний в последовательностях, в которых вероятность
угадать правильно та же, что и угадать неправильно
356
Между этими крайностями числа ряда
обозначают количество способов угадать пра
вильно 1, 2, 3, ... п раз, где п означает общее
количество попыток угадывания (правильных
или неправильных) . Рассмотрим для примера
нижний ряд, где сеанс состоит из восьми по
пыток. Если мы хотим узнать количество спо
собов угадать правильно четыре раза, ответ
будет 70. Мы просто считаем позиции в ряду:
О, 1, 2, 3, 4 и в конечной позиции получаем
требуемый ответ - 70.
•
Помните, что первое число в любом ряду
(которое всегда 1) обозначает количество
способов не угадать правильно ни разу.
Второе число обозначает количество спо
собов угадать правильно один раз, и так
далее, заканчиваяколичеством способов
угадать правильно все разы (всегда 1).
•
Числа в столбце справа от треугольника
указывают сумму всех чисел соответству
ющего ряда. Иными словами, это общее
число разных комбинаций правильных
и неправильных угадываний. Обратите
внимание, что это число удваивается с
каждым следующим рядом треугольника.
Теперь можно вычислять шансы. Возвращаясь к предыдущему примеру сеанса из вось
ми попыток, допустим, мы хотим узнать шансы
угадать четыре раза. Для этого мы берем чис
ло 70, как общее количество способов угадать
правильно четыре раза из восьми (в любом
порядке) , и делим его на общее количество
перестановок, которое равно 256. Таким обра
зом, шансы угадать правильно четыре раза из
восьми равны 70/256•
Но что, если мы хотим узнать шансы
угадать правильно в некотором диапазоне?
Например, в нижнем ряду, представляющем
перестановки угадывания для сеанса из восьми
попыток, какие будут шансы угадать правиль
но шесть или более раз? Для этого мы скла
дываем 28 + 8 + 1 и делим полученную сумму
на общее количество перестановок: 37/256, или
около 14%. Таким образом, чисто случайного
Эксперимент 36
правильного угадывания шесть или более раз
из восьми попыток можно ожидать приблизи
тельно в одном сеансе из семи.
М огущество треугольника
Если вы более или менее серьезно изучали
математику, то узнаете в таблице на рис. 36. 9
так называемый треугольник Паскаля. В этой
книге недостаточно места, чтобы вдаваться
во все связанные с ним подробности, отмечу
только способ его построения - каждое чис
ло треугольника (за исключением 1) создается
путем сложения двух чисел предыдущего ряда
слева и справа от этого числа.
В теории, чтобы создать треугольник
Паскаля для сеанса в 1 ООО попыток, нужно
просто расширить его вниз до ряда с числом
1 ООО на втором месте ряда. Такой треуголь
ник позволит определить шансы любого числа
правильных угадываний: от ни одного из ты
сячи до тысячи из тысячи.
Но с этим подходом есть одна проблема числа треугольника Паскаля становятся очень
большими весьма быстро. Такими большими,
что даже обычный язык программирования
не может справиться с ними. Например, допу
стим, что у нас есть язык программирования,
который может обрабатывать четырехбайт
ные целые числа, т. е. 32-разрядные двоичные
целые числа. В десятичном выражении такое
целое число может иметь значение свыше
двух триллионов (более или менее). Но этого
достаточно для представления лишь первых
32 рядов треугольника Паскаля. А предста
вить числа в треугольнике в 1 ООО рядов ком
пьютерной программе будет проблематично.
Вероятности Джона Уолкера
К счастью, чтобы рассчитать шансы для
такого количества попыток, перебирать все
числа треугольника Паскаля нам не понадо
бится, потому что один умный парень по имени
Джон Уолкер уже позаботился об этом. Более
того, он выложил результаты в Интернет.
Вариант тестера экстрасенсорных способностей для одного участника
Джон Уолкер в свое время основал ком
панию «Autodesk», разработавшую первое
серьезное коммерческое программное обеспе
чение для конструирования с помощью ком
пьютера в среде MS-DOS. Он также проявляет
интерес к области паранормальных явлений и
занимается исследованиями в этой области в
свое свободное время.
На странице в Интернете http://www.
fourmilab.ch/rpkp/experiments/Ьincentre.
html он выложил таблицу вероятностей пра
вильно угадать различное количество раз из
общего числа в 1 024 попыток. Например,
шансы правильно угадать ровно половину раз
(512 из 1 024) составляют около 2,5%.
Почему «около»? Потому что почти с та
кой же самой вероятностью можно угадать
правильно 511 или 513 раз. Что действительно
важно, так это, опять же, диапазон.
Например, какие шансы правильно уга
дать 562 раза или более? Иными словами, на
50 раз больше или лучше, чем среднее зна
чение? Джон Уолкер предвидел надобность
в ответах на такого рода вопросы, поэтому
в его таблице указаны суммарные вероятности,
т. е. шансы угадать правильно определенное
количество раз или более. Например, вероят
ность угадать правильно 562 раза указывается
равной 0,000981032. Чтобы преобразовать ее
в проценты, нужно просто умножить это зна
чение на 100, что дает 0,098%. То есть, полу
чить такой результат (в соответствии с табли
цей) можно лишь один раз из 1019 сеансов.
Допустим, что вам действительно уда
лось это. Следует ли думать, что вы обладаете
какими-либо сверхчувственными способно
стями? Хм, не знаю ... Добиться одного успеш
ного результата из тысячи, конечное же, не
обычно. Но, по определению, такой результат
можно получить и по чистой случайности при
близительно один раз из тысячи! Рассуждая та
ким же самым образом далее, можно решить,
что если кто-то выиграет крупную сумму в ка
зино, то он также должен быть экстрасенсом.
357
Но шансы в таблице Уолкера очень бы
стро уменьшаются с увеличением количества
правильных угадываний. Например, согласно
таблице, шансы угадать правильно 600 раз или
больше из 1 024 раз составляют 1 к 47 491 007.
Иными словами, нужно выполнить почти
50 миллионов сеансов по 1 024 попыток, что
бы в одном из них правильно угадать 600 или
более раз по чистой случайности. Если вам это
удастся, это будет очень впечатляюще, хотя
вы знаете, что 1 шанс из 50 миллионов - это
приблизительно те же шансы, как и выиграть
джекпот в лотерее. Так что же, нам теперь сле
дует сделать вывод, что все, кто выигрывают
джекпоты, являются экстрасенсами?
Вы видите проблему, не так ли? После всех
наших усилий, направленных на создание ге
нератора равновзвешенных случайных чисел,
определить, насколько значительным являет
ся любое отклонение от нормы, остается труд
ной задачей. Даже если угадать правильно все
1 024 раза из 1 024 раз, это все равно может
произойти по чистой случайности, хотя шан
сы этого и крайне маловероятны.
Тем не менее, проверить свои экстрасен
сорные возможности представляет определен
ный интерес. Число 1 024 может выглядеть
большим, но если делать одно угадывание
в 3-4 секунды, весь процесс займет всего
лишь около часа. Вы никогда не сможете бес
спорно доказать, что обладаете экстрасенсор
ными возможностями, но, с другой стороны,
что, если ваш результат окажется где-то около
среднего? Это вполне полезный результат, так
как он будет достаточно веским признаком от
сутствия у вас экстрасенсорных способностей.
Это порождает интересный вопрос: кем
бы вы предпочли быть, экстрасенсом или
обычным человеком?
Немного подумав над этим, лично я решил,
что предпочел бы жить в мире, где сверхъ
естественных сил не существует. Это так, по
скольку я предпочитаю верить, что всему есть
рациональное объяснение.
358
Я большой сторонник рациональности.
В конце концов, все действующие теории
в истории науки основаны на рациональном
способе мышления. Эти теории были подтверждены рациональными исследованиями, а
максимально рациональная наука математика
позволила инженерам воплотить их в жизнь.
На протяжении всей современной истории для
создания каждого моста, здания, автомобиля,
самолета, космического корабля и компьютера применялась математика.
Эксперимент 36
Когда я смотрю на поразительные и замечательные достижения, которые реализованы
посредством рациональных возможностей че
ловеческого ума, то склонен думать, что если
даже какие-то сверхчувственные возможно
сти и существуют, они не такие уж и впечат
ляющие.
ЭТО ВСЕ?
У меня, наконец, закончились и время, и
книжное пространство. Несомненно, вы може
те назвать другие темы, которые можно было
бы включить в эту книгу, но я выбрал такие,
которые бы создавали впечатление некоторой
цельности. Все основные компоненты и кон
цепции, включая фототранзисторы, делители
напряжения, компараторы, счетчики, мульти
плексоры, гистерезис, логические элементы,
случайные процессы, таймеры и датчики упо
минались неоднократно от одного экспери
мента к другому. Добавив лишь немного вооб
ражения, вы теперь можете использовать эти
инструменты и методы для реализации проек
тов своей разработки.
Весь материал в книге был проверен на
отсутствие фактических ошибок людьми с до
вольно впечатляющими дипломами, посколь
ку я сам никакими дипломами не обладаю.
Я думаю, что будет правильным с моей сторо
ны сказать вам, что знания, необходимые для
подготовки этой книги, я получил не в процес
се формального обучения.
Я понимаю, что такой метод обучения не
подходит каждому. Я также учитываю, что са
мообразование может дать неполное понима
ние изучаемого предмета. Тем не менее, если я
мог приобрести достаточно знаний, чтобы пи
сать целые книги по определенному предмету.
возможно, что процесс, который я называю
обучением путем исследования, может быть
действенным и для вас.
У нас всех есть опыт чтения учебника
(особенно когда на носу какой-либо экза
мен), а затем забывания большей части про
читанного парой недель позже. Но я уверен,
что тот опыт обучения, когда мы откапываем
информацию самостоятельно, чтобы собрать
какой-либо проект, а затем экспериментиру
ем с собранным проектом, чтобы изучить его
посредством наблюдения за его работой, со
вершенно иной. При этом подходе к обучению
полученные знания остаются зафиксирован
ными в памяти.
Более того, когда вы вынуждены решать
проблемы, используя свою собственную ини
циативность, не получая сторонней помощи,
то вырабатываете у себя способность к инно
вациям.
Игра с железками - устойчивая традиция
в длинной истории технологии. Если моя кни
га поможет вам почувствовать, что вы можете
сделать это: вскрыть устройство и определить,
как оно работает, починить его, приспособить
для использования по другому назначению,
модифицировать и усовершенствовать его это будет означать, что вы приобрели ценные
навыки, и умение, и творческий склад ума,
и что моя цель достигнута.
Для меня - это конечная точка. А для вас,
надеюсь, может быть, начальная.
Чарльз Платт
БИБЛ ИОГРАФИЯ
В Интернете можно найти любую инфор
мацию по любому предмету, но бумажные
книги остаются весьма эффективным спосо
бом приобретения знаний. Для подготовки и
сборки материала этой книги были использо
ваны следующие книги и источники.
Звездочкой помечены издания, которые,
как я считаю, оказались особенно полезными.
1.
9.
10.
123 Robotics Experimentsfor the Evil Genius*.
Автор Myke Predko (Майк Предка) , изда
тельство McGraw-Hill, 2004.
2. 50 Electronics Projects. Автор А. К. Maini
(А. К. Майни) , издательство Pustak Mahal,
2013.
3. The Art ofElectronics. Авторы Paul Horowitz
и Winfield Hill (Поль Горовиц и Уинфилд
Хилл) , издательство Cambridge University
Press, 1989.
4. Basic Electronics Theory. Автор Delton Т.
Horn (Дельтон Т. Хорн) , издательство ТАВ
Books, 1994.
5.
8.
Beginning Analog Electronics through Projects.
Автор Andrew Singmin (Эндрю Сингмин),
издательство Newnes, 2001.
6. The Circuit Designer's Companion. Автор Tim
Williams (Тим Уильямс) , издательство
Newnes, 2005.
7. CMOS Sourcebook. Автор Newton С. Braga
(Ньютон С. Брага), издательство Prompt
PuЬlications, 2001.
11.
12.
13.
14.
15.
Complete
Electronics
Self-Teaching
Guide.
Авторы Earl Boysen и Harry Kybett и (Эрл
Бойсен и Гарри Кибетт) , издательство
John Wiley and Sons, lnc., 2012.
Electronic Components. Автор Delton Т.
Horn (Дельтон Т. Хорн), издательство ТАВ
Books, 1992.
Electronic Devices andCircuitTheory*. Авторы
Robert L. Boylestad и Louis Nashelsky
(Роберт Л. Бойлстад и Луис Нашельски) ,
издательство Pearson Education, Inc.,
2006.
Electronics Explained. Автор Louis Е. Frenzel,
Jr. (Луис Е. Френзел, Мл.), издательство
Newnes, 2010.
Fundamentals of Digital Circuits. Автор А.
Anand Kumar (А. Ананд Кумар), издатель
ство PHI Learning, 2009.
Getting Started in Electronics*. Автор Forrest
М. Mims Ш (Форрест М. Миме Ш), изда
тельство Master PuЬlishing, Inc., 2000.
Practical Electronics for Inventors* (3-е из
дание) . Авторы Paul Scherz и Simon Monk
(Поль Шерц и Саймон Монк) , издатель
ство McGraw- Hill, 2013.
TTL Cookbook*. Автор Don Lancaster (Дон
Ланкастер) , издательство Howard W. Sams
& Со, Inc., 1974.
П РИЛОЖЕНИЕ
П РИОБРЕТАЕМЫЕ КОМПОНЕНТЫ
В зависимости от вашего бюджета и пред
почтений, компоненты для экспериментов
в этой книге можно приобретать четырьмя
разными способами:
1. Минимальный список покупок. Если по
окончании работы с проектами разбирать
их обратно на комплектующие, можно
сэкономить на компонентах, используя их
повторно. В списке минимальных покупок
предполагается, что вы станете работать
на такой основе. Вам придется использо
вать повторно почти все компоненты. См.
разд. «Минимальный список покупок. Экс
перименты с 1 по 14» далее в тексте.
2. Оптимальный список покупок. Воз
можно, вы не собираетесь оставлять со
бранными макеты для исследования
работы тех или иных устройств, но хо
тите сохранить в рабочем состоянии не
сколько проектов для дальнейшего ис
следования или развлечения. В таком
случае компоненты для такого подхода
можно приобретать по списку оптималь
ного объема покупок, в котором я пере
числил компоненты, которые, по моему
мнению, вам скорее всего потребуются.
См. разд. «Оптимальный список покупок.
Эксперименты с 1 по 14» далее в тексте.
3. Максимальный список покупок. Этот
список содержит все компоненты, тре
буемые для сборки каждого проекта всех
тридцати шести экспериментов без их по
следующей разборки на запчасти. Список
также включает дополнительные запас
ные компоненты таких типов, которые
более всего подвержены повреждению
или сгоранию. См. разд. «Максимальный
список покупок. Эксперименты с 1 по 14»
далее в тексте.
4. Выборочный список покупок. Если вы
предпочитаете приобретать детали в не
больших количествах или просто хотите
проверить, что у вас есть все необходимые
компоненты для определенного проекта,
тогда воспользуйтесь списком выбороч
ных покупок, в котором компоненты пе
речислены для каждого эксперимента по
отдельности. См. разд. «Выборочный спи
сок покупок» далее в тексте.
Первые три списка покупок (минималь
ный, оптимальный и максимальный) разде
лены далее на отдельные списки для экспери
ментов с 1 по 14, с 15 по 25 и с 26 по 36.
Н аборы компонентов
Компоненты для проектов в этой книге
могут быть предоставлены в виде наборов1•
Эти наборы собраны на такой же основе, что
и оптимальный список покупок, описанный
ранее.
' Для оригинального (американского) издания пред
лагаются наборы компонентов, из которых могут быть
собраны описанные в книге проекты .
362
Приложение
Источники
Для тех, кто предпочитает покупать дета
ли самостоятельно, а не в виде наборов, суще
ствуют два основных источника:
И Н ТЕ Р Н ЕТ - МА ГА З И Н Ы
Самое основное правило п ри покупке компо
нентов - это поп робовать несколько источн и ков.
Лично я и щу требуемые мне детали в следующих
интернет-магазинах:
•
http://www.mouser.com
•
http://www.radioshack.com
•
http://www.ja meco.com
•
http://www.newark.com
•
http://www.digikey.com
•
http://www.all iedelec.com
•
http://www.allelectronics.com
•
http://www.sparkfun.com
Если у кого-либо из этих поставщиков не ока
жется требуемой вам детали, в бол ьшинстве случа
ев она найдется у кого-либо из его кон курентов.
Имейте в виду, что магазин http://www.
allelectronics.com в основном занимается прода
жей уцененных излишков, и там нет большого раз
носторон него ассортимента деталей. Магазины
«RadioShack», «Jameco» и «SparkFun» ориентиро
ваны на любителей, что означает, что у н их, скорее
всего, будут иметься в наличии требуемые вам де
тали . Но даже они не имеют такого впечатляющего
ассортимента, как магазины «Mouser», «Newark»
ил и «Digikey».
Я понимаю, что поиски в И нтернете требу
ют времени, даже если фильтровать результаты.
Поэтому следует приобрести печатны й каталог, по
крайней мере, одного магазина. Каталог магазина
«Mouser», в особен ности, имеет хороший алфавит
ный указатель, и в нем поиск можно выпол нять
быстрее, чем на веб-сайте магазина. Каталог ком
пании «Jameco» намного меньше, но я нахожу его
полезным, так как часто нахожу в нем рекоменда
ции по деталям, которые я не рассматривал.
Как магазин «Mouser», так и «Jameco» предо
ставляют свои каталоги бесплатно серьезным кли
ентам.
И н тер н ет-аукц ио н еВау
И нтернет-аукцион еВау - замечательное
место для приобретения редких или устаревших
деталей. Это также хороший источник самых со
временных компонентов, таких как последние
осветительные светодиодные модул и. Кроме того,
здесь можно купить оптом базовые компоненты,
такие как светодиоды или резисторы.
Не бойтесь покупать у продавцов из Азии, ко
торые отправляют товары международной авиа
почтой. Я покупал детали у продавцов из Китая,
Кампучии и Таиланда без каких бы то ни было
п роблем. Они дают точ ное описание своих това
ров, предлагают н изкую цену на них, а доставка
авиапочтой обычно надежная, хотя вам придется
ждать около двух недель, чтобы получить заказан
н ы й товар.
Базовые компоненты
В списках покупок вы увидите, что я не
заморачивался с точным указанием типов све
тодиодов или марок резисторов, так как эти
компоненты перешли в разряд стандартных.
Также я не указывал рабочие напряжения кон
денсаторов, поскольку для проектов в этой
книге не требуются конденсаторы, рассчитан
ные на напряжение выше 16 вольт.
Далее приводятся некоторая информация
и советы по покупке компонентов.
Резисторы
Можно использовать резисторы любого
производителя. Длина выводов не имеет зна
чения. Мощность рассеяния в четверть ватта
(наиболее распространенное значение) впол
не приемлема. Резисторы с мощностью рас
сеяния в одну восьмую ватта - меньшего раз
мера, но при каждом применении таких рези-
Приобретаемые компоненты
363
сторов проверьте, чтобы они не подвергались
перегрузкам. Для некоторых людей резисторы
с мощностью рассеяния в одну восьмую ват
та могут оказаться слишком маленькими для
удобной работы с ними, а резисторы с мощ
ностью рассеяния в полватта могут занимать
слишком много места на макетной плате.
Отклонение от номинала в 10% вполне
приемлемо, а цветные кольца маркировки на
резисторах с допуском в 10% легче различать,
чем на резисторах с допуском в 5% или 1 %.
Но, если вы хотите, можете использовать ре
зисторы с допустимым отклонением от номи
нала в 1%.
В таблице на рис. П-1 приводятся наи
более распространенные множители номина
лов резисторов и конденсаторов. Например,
распространены такие номиналы резисторов,
как 1 или 1,5 кОм, а также номиналы 10 или
15 кОм, или 100 или 150 Ом. Множители, по
казанные черным цветом, менее распростра
нены.
Давным-давно многие резисторы и почти
все конденсаторы имели допустимое откло
нение от номинала плюс или минус 20%. Та
ким образом, действительное сопротивление
резистора номиналом 1 кОм могло достигать
1 + 0,2
1,2 кОм, а резистора номиналом
1,5 кОм - всего лишь 1,5 - 0,3
1,2 кОм.
Поэтому не было смысла использовать ре
зисторы с допуском в 20% с промежуточным
номиналом, скажем, 1,4 кОм, так как его дей=
и конденсаторов показаны числами белого цвета в верхнем
ряду таблицы. Дополнительные множители черного цвета
в остальных рядах таблицы показывают полный диапазон
значений для резисторов с допускаемым отклонением от
номинала в So/o
ствительное сопротивление могло перекры
ваться с действительным сопротивлением ре
зистора номиналом 1 кОм. С другой стороны,
при использовании номинала в 1, 7 кОм вме
сто 1,5 кОм можно было бы получить разрыв в
диапазоне действительных сопротивлений.
Шесть белых чисел в верхнем ряду табли
цы на рис. П - 1 были первоначальными мно
жителями для номиналов компонентов с до
пускаемым отклонением от номинала в 20%.
Они продолжают широко использоваться
и в настоящее время, хотя сейчас чаще при
меняются резисторы с допускаемым отклоне
нием в 5%. Дополнительные множители для
компонентов с допускаемым отклонением
в 5% показаны числами черного цвета в дру
гих рядах таблицы.
Но для большинства проектов в этой кни
ге использование резисторов с допуском в 5%
не является необходимостью. В них можно без
проблем использовать резисторы со значени
ями, определяемыми множителями в первом
ряду. В проектах этой книги я использовал ис
ключительно такие компоненты, чтобы вам не
было нужды покупать излишне большой ас
сортимент резисторов.
В таблице на рис. П-2 перечислены номи
налы резисторов, которые может быть жела
тельно приобрести в запас. Указанных в таб
лице количеств должно быть достаточно для
всех проектов этой книги, плюс как минимум
50%. Если вас интересует, почему требуется на
много больше резисторов номиналом 220 Ом
и 10 кОм, чем других номиналов, то это по той
причине, что первые обычно используются как
последовательные резисторы для светодиодов,
а вторые - как повышающие или понижающие
резисторы для входов логических микросхем.
:
1
1
1
L
Вам может о казаться дешевле покупать
расфасованные ассортименты резисторов,
чем небольшие количества резисторов
определенных номиналов. П ри покупке оптом
цена резисторов существенно снижается.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
�
Приложение
364
Конечно же, не обязательно покупать
точное количество, указанное в таблице. На
пример, возможно, вы сможете найти расфа
сованный ассортимент резисторов, совпадаю
щий по номиналам, указанным в таблице, по
десять штук каждый, а недостающие резисто
ры можно будет докупить позже .
•
•
11 60
111 150
11
•
•
60
10
10
10
10
10
10
Рис. П-2. Указанных в таблице количеств должно хватить
для всех проектов этой книги, плюс как минимум 50%
Рис. П-3. Рекомендуемые емкости и количества конден
саторов, которые желательно иметь в наличии. Указанных
в таблице количеств должно хватить для всех проектов
этой КНИГИ, плюс как минимум 50%
Конденсаторы
Можно использовать конденсаторы лю
бого производителя. Предпочтительно найти
конденсаторы с круглыми выводами. Рабочее
напряжение должно быть минимум 16 вольт
постоянного тока. Более высокое рабочее на
пряжение приемлемо. Предпочтительны также
многослойные керамические конденсаторы.
Стоимость керамических конденсаторов ем
костью свыше 10 мкФ становится слишком вы
сокой, поэтому в таких случаях приемлемо ис
пользовать электролитические конденсаторы.
В таблице на рис. П-3 перечислены номи
налы и количества конденсаторов, которые
желательно приобрести в запас. Указанных
количеств должно хватить для всех проектов
этой книги, плюс как минимум 50%. Пытайтесь
использовать керамические конденсаторы
для первых трех столбцов значений таблицы.
Чисто из финансовых соображений рекомен
дуется использовать электролитические кон
денсаторы для емкостей, свыше 10 мкФ.
Вспомним, что 0,001 мкФ = 1 нФ. Я избе
гал в проектах этой книги использования еди
ницы емкости нФ (нанофарада) , поскольку
она не так популярна в Соединенных Штатах,
хотя и широко употребляется в Европе.
Многослойные керамические конденсато
ры существенно подешевели и стали меньше
размером, а их надежность делает их использо
вание привлекательным. Электролитические
конденсаторы имеют больший размер, чем ке
рамические конденсаторы такой же емкости,
и не подлежат длительному хранению, хотя
этот вопрос открыт для обсуждения.
Приобретаемые компоненты
Многие авторитетные источники пред
упреждают, что электролитические конден
саторы деградируют со временем и должны
периодически подключаться к источнику
питания, чтобы активировать их внутрен
ние химические процессы. Но я использовал
электролитические конденсаторы после 15 лет
хранения и они, вроде бы, работали должным
образом. Кому здесь доверять, экспертам или
своему собственному опыту? Здесь я не вполне
уверен, но этот вопрос точно не возникает при
работе с керамическими конденсаторами.
Одной из проблем с керамическими кон
денсаторами является то, что на них редко ког
да имеется какая-либо информация. В таком
случае емкость конденсатора можно узнать
с помощью мультиметра, если он имеет такую
функциональность. Но многие мультиметры
могут измерять емкость только до 20 мкФ,
а кроме того, узнать рабочее напряжение кон
денсатора с их помощью нельзя.
Необходимо маркировать контейнеры для
хранения конденсаторов, но, вынув конденса
тор из контейнера и использовав его в проек
те, вы вряд ли будете помнить его рабочее на
пряжение. Поэтому полезно покупать конден
саторы с одинаковым рабочим напряжением.
Приемлемое минимальное рабочее напряже
ние конденсаторов для проектов этой книги 16 вольт постоянного тока. Однако при этом
надо иметь в виду, что конденсаторы обычно
не следует применять при напряжениях, более
высоких, чем три четверти их максимального
рабочего напряжения.
Светодиоды
Можно использовать светодиоды лю
бого производителя. Светодиоды доступны
в головокружительном разнообразии форм
и размеров, но вам будет требоваться тип, ко
торый обычно описывается, как «стандартный
для монтажа в сквозные отверстия» (standard
through hole).
365
Вы, наверное, заметили, что в проектах
этой книги я часто использую светодиоды для
тестирования схем и проверки выходных сиг
налов. Для этой цели хорошо подходят све
тодиоды диаметром 3 мм, так как их можно
поместить в смежные ряды гнезд макетной
платы.
r
-
-
,
1
1
Светодиоды диаметром З мм также называются
светодиодами размера Т-1 .
1
L
-
1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1
1
�
Цвет, яркость, угол обзора, прозрачность
корпуса используемых в проектах светодиодов
оставляются на ваше усмотрение. Для работы
с микросхемами серии 74Н СОО предпочтитель
но использовать светодиоды с максимальным
прямым током в 10 мА и типичным прямым
напряжением в 2 вольта постоянного тока.
Этим характеристикам отвечают свето
диоды WP132X*D компании « Кingbright», где
звездочка в номере детали обозначает букву
цвета светодиода. Например, номер детали зе
леного светодиода - WP132XGD (G - Green).
Светодиоды TLHK4200 компании «Vishay»
также имеют характеристики, сопоставимые с
требуемыми. Светодиоды этого типа должны
стоить (в США) 15 центов или меньше. При
оптовых покупках цена может быть суще
ственно ниже.
В качестве тестовых индикаторов реко
мендуется использовать маломощные свето
диоды с прямым током в 2 мА, чтобы продлить
время жизни батареи. Относительно низкая
яркость таких светодиодов не должна быть
проблемой, когда нужно просто проверить ра
боту какой-либо схемы.
Светодиоды с внутренним резистором
Такие светодиоды оснащены встроенным
последовательным резистором необходимого
номинала для указанного напряжения питания
и не требуют подключения внешнего последо
вательного резистора. Они крайне удобны для
монтажа на макетной плате - настоятельно
366
рекомендуется использовать эти светодиоды,
если вы не против платить приблизительно
вдвое больше, чем цена обычных светодиодов.
В качестве примера таких светодиодов можно
назвать светодиоды TLR*4420CU (звездоч
ка обозначает букву цвета светодиода) ком
пании «Vishay». Они рассчитаны на рабочее
напряжение 12 вольт, но могут применяться
с напряжениями 9 или 5 вольт. Светодиоды
4302Fl -12V, 4302F3-12V и 4302F5-12V (крас
ный, желтый и зеленый, соответственно) ком
пании «Chicago» также приемлемы, но могут
быть слегка дороже.
Светодиоды HLMP- 1620 и HLMP- 1640
компании «Avago» рассчитаны на рабочее на
пряжение 5 вольт. Лично я покупаю светодио
ды на рабочее напряжение 12 вольт, поскольку
меня не очень интересует их яркость для це
лей тестирования, и их можно использовать
также в схемах с напряжением питания 9 или
5 вольт.
1
1
1
Когда в списке покупок светодиод обозначен
как «обычный», это означает светодиод без
внутреннего резистора, который необходимо
использовать совместно с внешним
последовательным резистором.
ВНИМАНИЕ:
последовательные резисторы
На большинстве фотографий схем, собран
ных на макетной плате, показан ы светодиоды с
внутренними последовательными резисторами,
для которых внешние резисторы не требуются.
Но если вы используете обычные светодиоды, не
забудьте, что их необходимо подключать через
внешний последовательный резистор.
Для обычных светодиодов подойдут внеш
ние резисторы сопротивлением 470 Ом в схемах
с питанием 9 вольт и 220 Ом - в схемах с пита
н ием 5 вольт. В схемах с питанием 9 вольт можно
использовать резисторы с мощностью рассеян ия
Приложение
в четверть ватта, предполагая максимальное па
дение напряжения на резисторе в 7 вольт при токе
в 1 5 мА. Фактическая рассеиваемая их мощность
окажется около 1 00 мВ, что меньше, чем половина
расчетной мощности рассеяния резисторов.
В схемах, которые вы планируете использо
вать в качестве рабочих проектов, рекомендует
ся использовать светодиоды большего размера
и яркости. Поскольку светодиоды имеют разные
характеристики, вам придется самим выбирать
необходимые последовательные резисторы для
огра ничения тока в соответствии с указанными
в спецификации на используемые вами свето
диоды.
О сновные сведения
о семействах микросхем
Можно использовать микросхемы лю
бого производителя. Под «корпусом» (англ.
«package») микросхемы имеются в виду ее фи
зические габариты и характеристики выводов,
и это свойство необходимо внимательно про
верить перед тем, как заказывать микросхему.
Все логические микросхемы должны быть в
корпусе типа DIP (Dual ln-line Package) - т. е.
в корпусе с двухрядным расположением шты
ревых выводов с расстоянием между вывода
ми одного ряда в 0,1 дюйма (2,54 мм) . Такие
корпуса также могут называться PDIP, где
буква «Р» означает «plastic» - пластмассовый.
Иногда они также называются «для монтажа
в сквозные отверстия» (through hole). После
обозначения типа корпуса DIP или PDIP мо
жет указываться количество выводов - на
пример: DIP-14 или PDIP- 16. На эти числа
можно не обращать внимания.
Описание корпусов микросхем для поверх
ностного монтажа (surface mount) начинаются
с буквы S. Например, SOT или SSOP. Не поку
пайте микросхем в корпусах типа «S», посколь
ку вы не сможете ими воспользоваться.
Приобретаемые компоненты
Рекомендуется использовать семейство
микросхем НС (Нigh-Speed КМОП) - такие
как 74НСОО, 74НС08 и с подобными общими
идентификаторами. К общим идентификато
рам конкретные производители добавляют до
полнительные буквы или цифры, как префик
сы или суффиксы. Например, SN74HCOODBR
обозначает микросхему производства компа
нии «Texas Instruments», а MC74HCOOADG «On Semiconductor» . Для наших целей эти
версии микросхем функционально равно
значны. Косвенно на это указывает присут
ствие базового номера серии 74НСОО во всех
собственных номерах микросхем разных
производителей.
Авторитетные источники часто утвержда
ют, что микросхемы типа НС могут отдавать
или принимать от 4 до 6 мА тока, но в ин
формации производителей (например, в при
мечании по применению компании «Fairchild
Semiconductor») явно указывается, что отдача
вплоть до 25 мА тока не повредит микросхе
мам серии НС.
Но если, кроме управления светодиодом,
выход логической микросхемы используется
для подачи на вход другой микросхемы, 10 мА
будет более безопасным током, поскольку вы
сокий ток понижает напряжение на выходе
логической микросхемы. При снижении на
пряжения ниже 3,5 вольт другая микросхема
может не воспринимать это напряжение как
высокий уровень. Для высокого уровня бу
дет предпочтительно предоставлять минимум
4 вольта.
Логические микросхемы можно найти на
веб-сайтах производителей, выполнив поиск
по общему номеру детали (например, 74НС84
для четырехэлементной микросхемы двух
входовых элементов Исключающее ИЛИ).
По большому счету, дополнительные буквы и
цифры в номере детали, добавленные конкрет
ным производителем, можно игнорировать,
при условии, что характеристики микросхемы
позволяют использовать ее с источником пи
тания напряжением 5 вольт постоянного тока.
367
В спецификациях для микросхем серии НС
рабочее напряжение часто будет указываться
от 2 до 6 В.
В некоторых случаях логические микро
схемы серии 4000В могут иметь функции, не
доступные в микросхемах семейства 74НСОО.
Например, микросхемы четырехвходовых
элементов ИЛИ недоступны в семействе НС,
но микросхема 4072В содержит два четырех
входовых элемента ИЛИ.
Микросхемы серии 4000В можно исполь
зовать вместо микросхем серии 74НСОО, если
их более низкая мощность будет приемлемой.
Большинство логических микросхем 4000В
предназначены для сопряжения с другими ми
кросхемами, но не со светодиодами.
От О до О,1 В
Выходной
диапазон
Входной
диапазон
Выходной
диапазон
Рис. П-4. Приемлемые входные напряжения и гарантиро
ванные выходные напряжения входящего и исходящего
тока для логических микросхем семейств 40008 и 74НСОО.
Выходные напряжения указаны, предполагая выходной
ток в 4 мА (для микросхем семейства 74НСОО) и 0,5 мА (для
микросхем семейства 40008). Более сильные токи понизят
напряжения
368
Приложение
На рис. П-4 приведена таблица диапазо
нов входных и выходных напряжений, кото
рые можно рассматривать, как высокие и низ
кие логические состояния микросхем серий
4000В и 74НСОО. Как можно видеть, микро
схемы этих семейств должны понимать друг
друга без проблем.
Логические микросхемы типа TTL, на
пример микросхемы семейства 74LSOO, имеют
серьезные проблемы с совместимостью. Их
не рекомендуется использовать ни для каких
проектов этой книги.
Транзисторы
Для удобства в проектах этой книги ис
пользуется только один тип транзистора 2N2222. Вместо цифры 2 перед общим номе
ром детали часто указывается буква «Р», на
пример, PN2222, PN2222A или PN2222ATFR.
Эта буква в начале номера детали не имеет
никакой важности.
Но будьте внимательны, чтобы не купить
транзистор P2N2222, даже если он и предлага
ется в качестве эквивалента. В данном случае
сочетание «Р2» обозначает большую разницу.
В частности, функции выводов транзисторов
типа P2N2222 инвертированы по сравнению
с выводами других типов транзисторов этого
семейства. Это может быть источником боль
шой путаницы, расстройства и напрасно по
траченного времени.
•
Переключатели
В проектах этой книги используются че
тыре типа переключателей: тактильные, кно
почные, типа DIP и тумблеры.
•
Тактильные переключатели (микропе
реключатели) - представляют собой кно
почные выключатели очень маленького
размера, которые можно вставлять в ма
кетные (или перфорированные) платы.
Производитель и номер детали обычно
не имеют значения, при условии что пе-
2
реключатель предназначен для монтажа
в сквозные отверстия, а не для поверхност
ного монтажа. Расстояние между вывода
ми таких переключателей должно быть
0,1 дюйма (2,54 мм) , чтобы их можно
было вставлять в гнезда макетной платы.
Самые распространенные тактильные пе
реключатели имеют размер 6 мм х 6 мм,
и в каталогах часто обозначаются просто
как бхб. У этих переключателей четыре
вывода, но обычно каждая пара выводов
объединена внутри переключателя, поэто
му они представляют собой переключате
ли одноконтактного2 однопозиционного
типа, хотя может казаться, что они имеют
две пары контактов.
Для проектов этой книги я рекомендую
использовать тактильные переключатели
половинного размера 3,5 мм х 6 мм. Эти
переключатели имеют только два вывода
и занимают лишь один ряд гнезд на ма
кетной плате. В качестве примера можно
назвать переключатели серии TS4311 Т
компании «Mountain Switch» - в част
ности, переключатели TS4311 Т5201 или
TS4311T1601. Эти переключатели отлича
ются друг от друга только цветом кнопки
и давлением, которое нужно приложить,
чтобы замкнуть контакты переключателя.
Кнопочные переключатели - в зависи
мости от применения в проектах исполь
зуются двухконтактные, четырехконтакт
ные или шестиконтактные двухпозици
онные переключатели. Это могут быть
нефиксируемые переключатели, которые
возвращаются в первоначальное поло
жение при освобождении кнопки, или
переключатели двойного нажатия (одно
нажатие для включения, а другое - для
выключения) , которые также называ
ются фиксируемыми переключателями.
Какой из этих двух типов переключателей
использовать, зависит от ваших предпо-
И меется в виду, что у него одна пара контактов.
369
Приобретаемые компоненты
чтений - вы можете решить это, озна
комившись с описанием проекта и узнав,
каким образом переключатель будет в нем
задействован. Можно использовать пере
ключатели любого производителя, но они
должны быть предназначены для монтажа
в сквозные отверстия. Переключатели с
расстоянием между выводами в 0,1 дюйма
(2,54 мм) предпочтительнее, хотя и пере
ключатели с расстоянием в 2,5 мм вполне
приемлемы. Типичными представителя
ми таких переключателей являются пере
ключатели серии SPUJ компании «Alps».
Можно использовать и переключатели се
рии РВН компании «E-Switch» - напри
мер, переключатель PBH4UOA-NAGX, где
число 4 означает, что это четырехконтакт
ный переключатель.
Обратите внимание на то обстоятельство,
что кнопочные переключатели продаются
без колпачков, которые необходимо по
купать отдельно. Это позволяет выбрать
колпачки требуемого цвета, формы и раз
мера.
•
DIР-переключатели - представляют со
бой набор переключателей в корпусе DIP,
которые рассчитаны на установку над цен
тральным желобком макетной платы. Для
этих переключателей количество позиций
в действительности означает количество
отдельных переключателей в корпусе,
каждый из которых является одноконтакт
ным однопозиционным. Расстояние меж
ду выводами DIР-переключателей должно
быть 0,1 дюйма (2,54 мм) , а их тип - ука
зываться как «для монтажа в сквозные от
верстия» (through-hole) , «для монтажа на
печатные платы» (РСВ mount) или «С вы
водами для пайки» (solder pin).
Типичными представителями DIР-пере
ключателей являются переключатели се
рии BD компании «С&К» . Число в номере
детали, следующее за общим названием
серии, указывает количество отдельных
•
переключателей в корпусе. Например,
компонент BD02 имеет два отдельных пе
реключателя, BD04 - четыре и т. д.
Тумблеры в этой книге используются
только для управления источником пи
тания. Вам потребуется одноконтактные
однопозиционные или двухпозиционные
тумблеры, описываемые в каталоге «для
монтажа в сквозные отверстия» (through
hole), «для монтажа на печатные платы»
(РСВ mount) или «с выводами для пайки»
(solder pin) . Расстояние между вывода
ми должно быть 0,1 дюйма (2,54мм) или
0,2 дюйма (5,08 мм) .
В качестве примера таких тумбле
ров можно назвать переключатель
108-2MS1T2BЗM2QE-EVX
компании
«Mountain Switch». Тумблеры в проектах
этой книги интенсивно не используются,
поэтому можно обойтись самыми неболь
шими и дешевыми, какие вы только смо
жете найти.
И сточники питания, макетные
платы и монтажные п ровода
Для каждого проекта требуется или источ
ник питания напряжением 9 вольт постоянно
го тока (в качестве которого можно исполь
зовать 9-вольтовую батарейку) , или стабили
зированный источник питания напряжением
5 вольт постоянного тока. Подробности см.
в разд. «Организация рабочего места» в начале
книги.
Если вы решите оставить какие-либо про
екты для постоянного использования, вы мо
жете сами решить, какой источник питания
для них применить. Не забудьте приобрести
для каждой 9-вольтовой батарейки надевае
мый разъем.
В зависимости от того, сколько собранных
проектов вы решите оставить, вам потребуется
от двух до тридцати макетных плат (пара про
ектов требуют двух макетных плат, поскольку
370
Приложение
они не помещаются на одной, - этим объясня
ется необходимость минимум двух макетных
плат). Рекомендуемые мною макетные пла
ты очень доступны по цене, если покупать их
у продавцов из Азии через интернет-магазины
на еВау. Мне встречались макетные платы
по цене $10 за пять штук с бесплатной до
ставкой.
Монтажные провода и перемычки также
рассматриваются в разд. «Организация рабоче
го места» в начале книги.
Вот и вся информация по приобретению
компонентов. Далее следуют списки покупок.
М ин имальн ы й список покупок
Э ксперименты с 1 по 1 4
Информацию о приобретении базовых
компонентов, включая резисторы, конденса
торы, светодиоды, логические микросхемы,
транзисторы и переключатели, вы найдете
в разд. «Базовые компоненты», рассмотренном
ранее.
Все количества в следующих списках ука
зываются в скобках. Если количество не указа
но, требуется один экземпляр компонента.
Конденсаторы
•
Переключатели
•
И сточник питания
•
•
•
Батарейка напряжением 1,5 вольта (2) ;
9-вольтовая батарейка и разъем для нее;
Для одного 5-вольтового источника пита
ния со стабилизированным напряжением
требуется одна микросхема стабилиза
тора напряжения LM7805, два конден
сатора, резистор и светодиод (включены
в списке) .
Фототранзистор РТ334-6С или подобный,
чувствительный к видимому свету;
Микрофон (электретный, обычный, с дву
мя выводами).
•
Устро й ство аудиовыхода
•
Динамик, диаметр 5 см, сопротивление
63 Ом или выше;
Зуммер, 9 или 12 вольт постоянного тока,
100 мА максимум.
•
•
•
•
•
•
П роч ее
•
«Крокодилы» (2) ;
Соединительный провод с «крокодилами»
на концах (3) ;
•
•
Гофрированный картон, 150 мм х 300 мм
минимум (1 отрезок) ;
Клей ПВА (минимальный объем);
Микросхема регулятора напряжения
LM7806;
Микросхема регулятора напряжения
UA78M33;
Небольшой
выпрямительный
диод
1N4001 (2) ;
Самоблокирующееся реле DS1E-SL2DC3V или подобное, одноконтактного
двухпозиционного или двухконтактного
двухпозиционного типа, с рабочим напря
жением катушки 3 В постоянного тока и
коммутируемым током вплоть до 2 А;
Цифровой будильник, работающий от
двух батареек номиналом 1,5 В.
М инимальный список покупок
Э ксп ер именты с 1 5 по 25
Информацию о приобретении базовых
компонентов, включая резисторы, конденса
торы, светодиоды, логические микросхемы,
транзисторы и переключатели, вы найдете
в разд. «Базовые компоненты», рассмотренном
ранее.
Все количества в следующих списках ука
зываются в скобках. Если количество не указа
но, требуется один экземпляр компонента.
r
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Предполагается, что вы уже приобрели компоненты, перечисленные в списке
«Минимальный объем п окуп ок: Эксперимент ы
с 7 по 14», и что они доступны для использо
вания в экспериментах с 1 5 по 25. Поэтому,
перечисленн ые далее компоненты приобре
таются в дополнение к тем, которые у вас уже
имеются.
Колпачки для кнопочных переключате
лей (9) ;
Четырехпозиционные DIР-переключате
ли (2) ;
Восьмипозиционные DIР-переключате
ли (2) .
•
•
•
•
Светодиоды
•
Обычные, 3 мм (12).
Подстроечные потен ц иометры
•
•
•
•
•
Устройство аудиовыхода
•
50 кОм.
М икросхемы
•
•
Четырехэлементная микросхема двухвхо
довых логических элементов И 74НСО8
(2);
Четырехэлементная микросхема двух
входовых логических элементов ИЛИ
74НС32;
Четырехэлементная микросхема двухвхо
довых логических элементов ИЛИ -НЕ
74НСО2;
Четырехэлементная микросхема двух
входовых логических элементов Исклю
чающее ИЛИ 74НС86 (2) ;
Трехэлементная микросхема трехвходовых
логических элементов ИЛИ 74НС4075;
М ин имальный список покупок
Э ксперименты с 26 п о 36
Информацию о приобретении базовых
компонентов, включая резисторы, конденсато
ры, светодиоды, логические микросхемы, тран
зисторы и переключатели, вы найдете в разд.
«Базовые компоненты», рассмотренном ранее.
Требуемые количества указаны в скобках.
Если количество не указано, требуется один
экземпляр компонента.
1
1
1
1
Предполагается, что вы уже приобрели компоненты, перечисленные в сп исках «Минимальный
