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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Arbitro del segnale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante Cosa pensi che ci sia in comune tra matematica ed elettronica? I lettori che hanno familiarità con la tecnologia digitale probabilmente ricorderanno che le leggi matematiche dell’algebra booleana sono alla base del funzionamento dei circuiti logici. Ma non è tutto. Si scopre che sia in matematica che in elettronica spesso operano con un concetto come il confronto. Ma se devi confrontare i valori numerici tra loro, allora nell'elettronica c'è un confronto tra i segnali elettrici. Per eseguire tali operazioni sono stati creati anche dispositivi speciali: comparatori. È curioso che i comparatori siano "parenti" stretti di trigger che ci sono già familiari. Qual è la loro somiglianza? Innanzitutto, le informazioni alle uscite di questi dispositivi sono codificate solo da due livelli logici: alto e basso; in secondo luogo entrambi commutano da uno stato logico all'altro solo se agli ingressi è presente una determinata combinazione di segnali. Come sono disposti i comparatori e qual è il principio di funzionamento? Facciamo una digressione per un momento dalla nostra storia e immaginiamo un evento sportivo nell'atletica leggera, ad esempio nella corsa. Dopo che l'atleta ha raggiunto il traguardo, il suo risultato viene confrontato con il tempo record per quella distanza. Se il corridore non è riuscito a superare il traguardo mondiale, in questi casi si dice che "il record è rimasto". Ma se il tempo durante il quale l'atleta ha percorso la distanza risulta essere inferiore a quello del record, allora il corridore ora diventa lui stesso il detentore del record e il suo risultato viene ora inserito in tutti i libri di consultazione sportiva al posto del precedente come il più alto risultato. Una situazione simile può essere vista, ad esempio, nel funzionamento di un semplice comparatore. Questo dispositivo ha due ingressi e un'uscita. Uno degli ingressi viene spesso alimentato con una tensione o una corrente che non cambia nel tempo, il cosiddetto segnale di riferimento. Ad esso viene confrontato un segnale il cui livello non è noto. Supponiamo di voler abbinare la tensione della batteria di una torcia elettrica a una tensione fissa applicata all'ingresso di riferimento di un comparatore. Se la batteria è molto scarica e la sua tensione è inferiore al riferimento, non si verificherà alcuna variazione all'uscita del comparatore. Ma se il potenziale della batteria supera la tensione di riferimento, il comparatore commuterà e alla sua uscita apparirà un segnale diverso dall'originale. Non è forse vero che l'analogia con le gare di corsa si giustifica da sola. Giudica tu stesso. Il segnale di ingresso è inferiore al segnale di riferimento (il tempo del corridore è peggiore del record) - lo stato logico del comparatore non cambia (il risultato più alto rimane lo stesso). Il segnale di ingresso supera il segnale di riferimento (il risultato dell'atleta è migliore del risultato mondiale) - lo stato logico del comparatore cambia nell'opposto (il record diventa più alto). Pertanto, possiamo dire che il comparatore svolge il ruolo di arbitro, determinando quale dei segnali ha il livello più alto. Ti abbiamo presentato il principio di funzionamento di un solo tipo di comparatore. In realtà ce ne sono molti di più, che differiscono in modi diversi. Ad esempio, in ingegneria vengono spesso utilizzati comparatori che possono confrontare due segnali che cambiano continuamente. Un tale dispositivo passa da uno stato logico all'altro quando i livelli dei segnali di ingresso corrispondono. Esistono comparatori che, quando i segnali di ingresso coincidono, producono un breve impulso singolo o una serie di un certo numero di impulsi che operano nel momento in cui le polarità dei segnali di ingresso coincidono. I comparatori sono utilizzati in molti settori dell'elettronica. Tuttavia, l'area più importante delle loro "attività" sono i dispositivi il cui funzionamento si basa sulla conversione di segnali analogici in logica. Ecco l'esempio più semplice: un voltmetro digitale. Uno dei suoi nodi principali è un comparatore che controlla il funzionamento di un generatore di impulsi. Immaginiamo di voler determinare la tensione all'uscita di un alimentatore di rete a bassa tensione. Come funziona il dispositivo di misurazione in questo caso? La tensione della fonte di alimentazione viene applicata a un ingresso del comparatore e cambia linearmente al secondo. Finché non sono uguali, il generatore genera impulsi. Nel momento in cui le tensioni agli ingressi del comparatore corrispondono, questo cambierà e la generazione si fermerà. Gli impulsi verranno sommati dai contatori del voltmetro e il risultato della misurazione apparirà sul suo display. Il generatore del dispositivo è configurato in modo tale che al momento della commutazione del comparatore, il numero di impulsi generati corrisponderà al valore numerico della tensione misurata con una precisione, ad esempio, di decimi o centesimi di volt. Da quanto sopra, è facile concludere che i comparatori hanno combinato con successo le proprietà dei dispositivi analogici e digitali e il loro scopo principale è la conversione del segnale. Un semplice comparatore può essere assemblato su un amplificatore operazionale. Uno schema di tale dispositivo è mostrato nella Figura 1.
Una tensione di riferimento viene applicata all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale attraverso il resistore limitatore R1. L'ingresso non invertente gioca il ruolo misurazione. Il segnale gli viene inviato attraverso il resistore limitatore R2. Per trasformare l'amplificatore operazionale in un comparatore, nel circuito viene introdotto un circuito di retroazione formato dal resistore R3. Il principio di funzionamento di un tale dispositivo è semplice. Nello stato iniziale, la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale è zero. Se all'ingresso di misurazione del comparatore viene applicata una tensione, il cui valore è inferiore alla tensione di riferimento, lo stato dell'amplificatore operazionale non cambierà. Quando la tensione all'ingresso di misura del dispositivo supera il riferimento, la tensione di uscita inizierà ad aumentare. Attraverso il circuito di retroazione andrà all'ingresso di misura che, a sua volta, porterà ad un aumento della corrente di ingresso. Di conseguenza, la tensione di uscita aumenterà ancora di più. In breve, il processo diventa una valanga e la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale aumenterà bruscamente fino al livello massimo. Pertanto, il comparatore passerà dallo stato "zero" allo stato "singolo". Non è tutto molto semplice? Bene, ora che abbiamo acquisito familiarità con la struttura e il principio di funzionamento dei comparatori, possiamo passare alla loro applicazione pratica. Per fare ciò, ti suggeriamo di assemblare un semplice gioco elettronico. Si basa sul fatto che un avversario indovina le azioni di un altro. Al concorso partecipano due persone. Quindi, immagina una piccola scatola con un indicatore luminoso, un interruttore a pulsante, un interruttore a levetta e un dispositivo di misurazione elettrica, come un voltmetro, installato sul pannello frontale. Questo è il blocco principale. È collegato a due telecomandi, dotati di regolatori. Dopo aver distribuito i ruoli, i partecipanti iniziano il gioco. Si inizia con il conducente che prende il telecomando e gira il regolatore su un angolo arbitrario (entro il limite di gioco). Il secondo giocatore non vede queste azioni. Il suo compito è ripetere la mossa del suo avversario nel modo più accurato possibile. Diciamo che ci sono tre tentativi per questo. L'indovino prende il telecomando e gira la manopola nell'angolazione che ritiene necessaria. Quindi preme un pulsante e valuta la sua mossa. Se la spia si accende significa che la manopola non è stata girata abbastanza. L'assenza di un segnale luminoso indica che la manopola è stata ruotata più del necessario. Successivamente, l'indovino decide cosa vuole; Ora quello che si deve fare è girare il regolatore in avanti (se l'indicatore è acceso) o indietro (se l'indicatore non è acceso). Dopo aver effettuato un altro tentativo, preme nuovamente il pulsante e valuta la sua seconda mossa in base allo stato dell'indicatore. Quindi gira la manopola una terza volta e ora accende l'interruttore a levetta. In questo caso, il voltmetro dimostrerà il risultato finale del gioco. Se la freccia è rimasta a zero, significa che l'indovino ha "calcolato la mossa dell'avversario in modo assolutamente accurato. Se ha deviato dalla sua posizione originale, l'intenzione del guidatore è rimasta irrisolta. Maggiore è la deviazione dell'ago del voltmetro, maggiore è il vantaggio vinto dal guidatore dispositivo Naturalmente, nel nostro caso non si tratterà di volt, ma di alcune unità convenzionali. Cambiando periodicamente i ruoli, i giocatori possono competere tra loro e quindi confrontare chi ha sviluppato un talento intuitivo. Meglio. Se ci sono molte persone che vogliono prendere parte al concorso, è possibile svolgerlo secondo il sistema round robin, compilare una tabella dei risultati e da essa determinare il vincitore. In una parola, puoi trovare molte opzioni per l'utilizzo di questa slot machine, l'importante è mostrare un po' di immaginazione e finzione. Si noti che il dispositivo ha una particolarità: mostra il risultato finale, il cui valore, in un linguaggio strettamente matematico, viene preso modulo, cioè senza tenere conto del segno della differenza. Per definirlo; è necessario premere un pulsante aggiuntivo. Se l'indicatore non è acceso, significa che il secondo giocatore ha sballato. Quando l’indicatore si accende, significa che l’indovino non è riuscito a raggiungere il risultato dell’avversario. Quindi, dopo aver compreso le regole del gioco, puoi familiarizzare con i contenuti della slot machine. Il suo diagramma schematico è mostrato nella Figura 2.
Come previsto, il "cuore" di un dispositivo del genere è un comparatore. È assemblato secondo lo schema a noi già familiare sull'amplificatore operazionale DA1. I resistori R4, R5 e R10 limitano le correnti di ingresso e uscita del microcircuito, proteggendolo dal sovraccarico, e R8 forma un circuito di feedback. Come indicatore viene utilizzato il LED HL1, che viene acceso dal pulsante SB1. Il ruolo del dispositivo di misurazione è svolto da un voltmetro a tensione continua PV1, installato diagonalmente nel ponte raddrizzatore VD1-VD4. I suoi bracci sono collegati, a loro volta, tra gli ingressi del comparatore. Il circuito di misurazione del voltmetro viene commutato dall'interruttore a levetta SA1. I resistori R1, R3, R7 e R2, R6, R9 formano due divisori di tensione controllati. In questo caso, i resistori variabili R3 e R6 svolgono le funzioni dei regolatori installati nel telecomando. Come funziona una slot machine? Supponiamo che l'autista abbia preso il primo telecomando e abbia impostato il cursore del resistore variabile R3 in posizione centrale. In questo caso, la tensione dal divisore superiore del circuito andrà all'ingresso di riferimento del comparatore (l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale) e contemporaneamente ai diodi VD3, VD4 del ponte raddrizzatore. Ora entra in gioco l'indovino. Prende il telecomando e gira il resistore variabile R6. Di conseguenza, la tensione dal divisore inferiore nel circuito viene fornita all'ingresso di misura del comparatore (ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale) e contemporaneamente ai diodi VD1, VD2. Se il livello di tensione sul pin 10 di DA1 è inferiore a quello sul pin 9, l'amplificatore operazionale sarà nello stato "zero". Premendo il pulsante SB1, il giocatore ne viene convinto dal bagliore dell'indicatore HL1. Se la tensione all'ingresso di misurazione del comparatore supera la tensione all'ingresso di riferimento, l'amplificatore operazionale passerà allo stato opposto e alla sua uscita ne apparirà uno logico: il LED non si accenderà. Va notato che l'amplificatore operazionale commuta quando la tensione misurata supera la tensione di riferimento di circa 0,3 V. Pertanto, se le tensioni di ingresso (e quindi le posizioni dei regolatori R3 e R6) corrispondono esattamente, H1.1 continua ad accendersi. Quando partecipi al gioco, non dimenticartene. Dopo che tutti i tentativi del secondo giocatore sono stati esauriti, attiva l'interruttore a levetta BA1. Se i livelli di tensione su entrambi i fili del comparatore sono completamente uguali, l'ago del voltmetro, come abbiamo già detto, rimarrà sul segno zero della scala. Se la tensione su uno degli ingressi supera la tensione sull'altro ingresso, l'ago devierà da zero e mostrerà la differenza nelle tensioni di ingresso. Poiché il dispositivo è incluso nella diagonale del ponte raddrizzatore, non importa quale degli ingressi dell'amplificatore operazionale ha un livello di tensione più elevato. La polarità della tensione sul voltmetro sarà sempre la stessa. Naturalmente anche la freccia del dispositivo devia solo in una direzione. Per determinare su quale telecomando viene ruotata maggiormente la manopola alla fine del gioco, come abbiamo già suggerito, è possibile premere il pulsante BV1 e trarre la conclusione finale in base allo stato dell'indicatore HL1. La macchina da gioco è alimentata da una sorgente stabilizzata in rete con un cosiddetto punto medio artificiale (Fig. 3).
Se nel progetto viene utilizzato il chip K140UD1B, la tensione di uscita della fonte di alimentazione dovrebbe essere 12 V. Quando si utilizza l'IC K140UD14, la tensione deve essere ridotta a 9 V. Viene indicata la marca del diodo zener per quest'ultimo caso tra parentesi nel diagramma. La produzione di una macchina da gioco inizia con un circuito stampato mostrato nella Figura 4. È meglio realizzarlo con un foglio di getinax rivestito con pellicola o fibra di vetro di 1-2 mm di spessore, di dimensioni 35x30 mm.
Praticare due fori di fissaggio Ø 3 mm da un'estremità. Gli elementi dell'alimentatore sono posizionati su un circuito stampato di dimensioni 75x30 mm, realizzato con lo stesso materiale della lamina (Fig. 5). Il transistor non necessita di dissipatore di calore.
Riguardo i dettagli. Amplificatore operazionale - K140UD1B o K140UD1 A. Transistor - qualsiasi serie KT601 - KT603, KT801, KTV05, KT815, KT817, KT819. Per una fonte di alimentazione con una tensione di 12 V, è adatto un diodo Zener D811, D813, D814G, D814D o KS211. Se è necessario ridurre la tensione di alimentazione a 9 V, è possibile utilizzare un diodo Zener D809, D810, D818A-D818G, D814B o D814V. Diodi - Uy4 - qualsiasi serie D2, D7, D9, D1V, D20, D206, D220, D223, D226, D237. Unità raddrizzatore - KTs405 con qualsiasi indice di lettera o quattro diodi di media potenza collegati in un circuito a ponte. LED - marca AL 102 o AL307. Un voltmetro a tensione costante - con un limite di misurazione di 5-6 V. Se questo non viene trovato, è possibile utilizzare come dispositivo di misurazione un milliamperometro con un resistore di limitazione collegato in serie della resistenza richiesta. Condensatore C1 - K50-6 o K50-16, C2 e C3 - K50-24. Resistori fissi e variabili - qualsiasi marca. Il trasformatore di rete è a bassa potenza con una tensione di avvolgimento secondario di 12-18 V. La lampada H1-2 è del marchio MN-2 o MN-3. Interruttori a levetta e interruttori a pulsante - di qualsiasi tipo. Il fusibile deve essere valutato per una corrente non superiore a 0,5 A. XP1 è una spina di alimentazione standard. L'aspetto della macchina da gioco è mostrato nella Figura 6. La custodia può essere in plastica, compensato o alluminio. È adatto anche quello già pronto, ad esempio una scatola di plastica da sotto i fili. Sul pannello frontale del dispositivo, fissare il dispositivo di misurazione, gli interruttori a levetta, l'interruttore a pulsante, il LED e la lampada al neon. Installare un portafusibili su una delle pareti laterali. Applicare i contrassegni appropriati vicino ai comandi. Montare i circuiti stampati e il trasformatore di alimentazione alla base della custodia. Saldare il resistore R11 direttamente su uno dei pin del neon. Effettuare tutti i collegamenti necessari con fili intrecciati sottili e isolati.
Praticare tre fori sulla parete posteriore del case: uno per il cavo di rete e gli altri due per i cavi che collegano il dispositivo ai telecomandi. Come custodie sono adatti i normali portasapone. Fornire resistori variabili con maniglie decorative. Per maggiore comodità, è possibile posizionare diversi segni attorno a ciascun regolatore: sono più facili da navigare quando si calcolano le azioni. La slot machine non necessita di regolazione. Se non hai commesso errori nell'installazione e non hai utilizzato parti riparabili, puoi essere sicuro delle sue prestazioni. Autore: V. Yantsev
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