Добрый день, уважаемые радиолюбители.

Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о восьмой конструкции – бегущем огне на ИЕ8.

Итак, схема электрическая принципиальная бегущего огня представлена на рисунке ниже. Рассмотрим принцип её работы [2,6,7].

Условно всю схему можно разделить на 2 части:

• генератор прямоугольных импульсов, реализованный на микросхеме DD1;
• блок переключения светодиодов, реализованный на микросхеме DD2.

Принцип работы генератора прямоугольных импульсов на микросхеме DD1 типа NE555 мы уже подробно рассматривали ранее в статье Диммер с ШИМ [1], поэтому рассматривать его повторно не будем. Единственное отличие данного генератора от ранее описанного – из схемы были исключены 2 диода и переменный резистор, позволяющие независимо регулировать время заряда и разряда времязадающего конденсатора т.к. в данной конструкции такой необходимости нет.

Таким образом сигнал с выхода генератора прямоугольных импульсов через токоограничивающий резистор R4 поступает на вход блока переключения светодиодов (вывод 14 микросхемы DD2), реализованный на микросхеме DD2 типа К176ИЕ8. Данная микросхема представляет из себя десятичный счётчик-делитель с дешифратором. Функциональная схема микросхемы DD2 представлена на левой схеме в подборке фото ниже, а временная диаграмма работы микросхемы — на правом.

Основой данной микросхемы служит пятикаскадный высокоскоростной счётчик Джонсона и дешифратор, преобразующий двоичный код в сигнал на одном из десяти выходов Q0-Q9. В тот момент, когда на входе разрешения счёта ЕС (вывод 13 микросхемы DD2) присутствует уровень логического «0» счетчик выполняет счёт синхронно с фронтом (передним фронтом) сигнала, поступающего на тактовый (счётный) вход С (вывод 14 микросхемы DD2). На выходах Q0-Q9 дешифратора поочерёдно устанавливается уровень логической «1» на время периода сигнала, поданного на тактовый вход С (см. временную диаграмму работы микросхемы).

При подаче на вход разрешения ЕС уровня логической «1» счёт останавливается. Если же подать уровень логической «1» на вход сброса R (вывод 15 микросхемы DD2) – произойдёт очистка счётчика до нулевого отсчёта (на входе Q0 установится уровень логической «1», а на входах Q1-Q9 – уровень логического «0»).

Впрочем, назначение тактового входа С и входа разрешения ЕС в описываемой конструкции достаточно условно. Если на тактовый вход С подать уровень логической «1» (соединив с плюсом источника питания), а на вход разрешения ЕС сигнал с выхода генератора прямоугольных импульсов, то счётчик также будет выполнять счёт, но уже по спаду (по заднему фронту) подаваемого сигнала. Но почему же так происходит?

Если обратиться к функциональной схеме микросхемы К176ИЕ8, то можно заметить, что входы С и ЕС подключены к входам логического элемента «И-НЕ». Вход С подключён напрямую, а вход ЕС – через инвертор (элемент «НЕ»). Таким образом при подаче на вход С уровня логической «1», а на вход ЕС логического «0» на обоих входах элемента «И-НЕ» устанавливается уровень логической «1», на выходе элемента устанавливается уровень логического «0», поступающий на вход ещё одного инвертора. А с его выхода уровень логической «1» уже поступает на вход счётчика Джонсона т.е. уровень логической «1» на входе счётчика Джонсона устанавливается только тогда, когда на входе С присутствует уровень логической «1», а на входе ЕС уровень логического «0». Во всех остальных случаях на входе счётчика Джонсона будет присутствовать уровень логического «0».

В радиотехнике фронтом (передним фронтом) сигнала называется его переход от уровня логического «0» к уровню логической «1». По окончанию фронта на входе будет присутствовать уровень логической «1». Спадом (задним фронтом) же сигнала называется его переход от уровня логической «1» к уровню логического «0». По окончанию спада на входе будет присутствовать уровень логического «0». Обобщая вышесказанное становится понятна условность назначения входов С и ЕС в описываемой схеме устройства и почему в принципе возможет счёт как по фронту, так и по спаду входного сигнала [2].

Пятиразрядный счётчик Джонсона микросхемы К176ИЕ8 выполнен на пяти D-триггерах. Период работы такого счётчика равен удвоенному количеству D-триггеров. Дешифратор микросхемы выполнен на основе логических элементов «И-НЕ» к выходам которых подключены дополнительные инверторы. Фактически в основе счётчика Джонсона лежит кольцевой регистр сдвига с одной перекрёстной (инверсной связью).

В начальном состоянии на входе С встроенных D-триггеров присутствует уровень логического «0», на выходе Q всех триггеров присутствует уровень логического «0», на выходе не-Q присутствует уровень логической «1»., на входе D первого триггера присутствует уровень логической «1». Соответственно присутствует уровень логической «1» на обоих входах элемента «И-НЕ», подключенного через элемент «НЕ» к выходу Q0 – на выходе Q0 устанавливается уровень логической «1». В тоже время ни на одном из элементов «И-НЕ» дешифратора на обоих входах нет уровня логической «1». Соответственно на всех остальных выходах микросхемы устанавливается уровень логического «0».

При приходе первого тактового импульса на входы С встроенных D-триггеров на выходе Q первого триггера устанавливается уровень логической «1», на входе не-Q устанавливается уровень логического нуля. На выходах Q и не-Q остальных триггеров при этом логические уровни не изменяются. В связи с этим уровень логической «1» устанавливается на обоих входах элемента «И-НЕ», подключенного через элемент «НЕ» к выходу Q1 – на выходе Q1 устанавливается уровень логической «1», а на всех остальных выходах микросхемы – уровень логического «0».

При приходе второго тактового импульса на входы С встроенных D-триггеров на выходе Q первого и второго триггеров устанавливается уровень логической «1», на входе не-Q устанавливается уровень логического нуля. На выходах Q и не-Q остальных триггеров при этом логические уровни не изменяются. В связи с этим уровень логической «1» устанавливается на обоих входах элемента «И-НЕ», подключенного через элемент «НЕ» к выходу Q2 – на выходе Q2 устанавливается уровень логической «1», а на всех остальных выходах микросхемы – уровень логического «0».

Подобным же образом можно отследить логику работы и всей остальной схемы микросхемы К176ИЕ8 [3]. В счётчике Джонсона при счёте по кольцу «бежит» волна нулей и единиц. Такой счётчик, как и некоторые другие счётчики боится зацикливания ошибочных состояний. Для того что бы возникшая ошибка циркулировала меньше половины кольца в схему введены 2 дополнительных логических элемента – «И» и «ИЛИ». Они обеспечивают возвращение счётчика к правильной работе т.е. производят коррекцию ошибок.

С выходов Q0-Q9 микросхемы DD2 сигнал поступает на светодиоды HL1-HL10. При этом резисторы R6-R7 – токоограничивающие. Когда на одном из выходов присутствует уровень логической «1» загорается соответствующий светодиод. При этом все остальные светодиоды погашены. Уровень логической «1» появляется последовательно на выходах Q0-Q9, соответственно также последовательно загораются и светодиоды HL1-HL10 — создаётся эффект бегущего огня. Скорость переключения светодиодов при этом зависит от частоты генератора, реализованного на микросхеме DD1.

Все использованные детали указаны на схеме.

В подборке фото ниже показан внешний вид собранного бегущего огня при проведении испытаний.

А на следующем фото показан внешний вид печатной платы бегущего огня.

В подборке фото ниже представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого бегущего огня (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором и третьем рисунках указано только расположение компонентов схемы). Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке микросхем, а также полярных конденсаторов.

В файле og-ie8-1-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6 для возможности самостоятельного изготовления печатной платы устройства.

После сборки бегущего огня был проведён контрольный запуск, показанный на видео ниже [5].

По представленному видео хорошо видно, что бегущий огонь работает исправно.

В качестве дальнейшего усовершенствования представленной конструкции можно ввести регулировку частоты генератора прямоугольных импульсов на микросхеме DD1. Это позволит регулировать скорость переключения светодиодов бегущего огня в широком диапазоне. Кроме того, вход сброса R микросхемы DD1 (вывод 15) можно подключить к схеме внешнего сброса, показанной на схеме ниже — это позволит исключить установку случайного состояния D-триггеров счётчика Джонсона в момент подачи питания (хотя даже в такой ситуации внутренняя схема коррекции ошибок достаточно быстро вернёт счётчик к правильной работе).

Кроме того, конструкцию можно дополнить внешними силовыми ключами, что позволит коммутировать более мощную нагрузку (например, мощные светодиодные матрицы или гирлянды).

А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Диммер с ШИМ
2. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. 2-е изд., испр. — М.: Радио и связь, 1989. — 352 с (Массовая радиобиблиотека. вып. 1145).
3. Лекция 297. Счетчик Джонсона
4. Бегущий огонь
5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.