Logická sonda

Vývoj stavebnic ve společnosti Tipa i přes současnou ekonomickou krizi  pokračuje na plné obrátky dál. Po více než dvou letech představujeme další zařízení vyrobené v levné edici, která má za cíl umožnit  školám a kroužkům pro potřeby výuky a soutěží nakoupit za rozumný peníz levná, ale užitečná heblata. Tentokrát na Postřehu představíme stavebnici logické sondy, která slouží pro zjištění logických hodnot signálu v různých zapojeních. Signalizace je jednoduchá – v případě, že (+) a (–) přeblikavá, nenachazí se na měřicím hrotu žádá logická hodnota. Když svití pouze (–), tak to znamená, že na měřicí hrot je přivedená log. 0. Naopak, když svítí pouze (+), je na měřicí hrot přivedena log. 1. Autoři: Adam Remeš, Richard Vacula, http://stavebnice.tipa.eu

Stavebnice je nízkorozpočtová a neřadí se do standartní série společnosti Tipa. Proto je plošný spoj jen vyvrtán a nalakován, bez pocínování, nepájivé masky, potisku součástek. Zařízení je přesně šité na míru elektrotechnickým soutěžím, kdy je třeba něco levného a dobře otestovatelného. Díky své příznivé ceně však přiláká i další spektrum zákazníků.

Popis zapojení

Impulsem k samotnému vývoji stavebnice bylo, jak už jinak v mém případě (Richard), než využití nalezených zobrazovačů. U digitronů to byly stovky kusů, u těchto tesláckých displejů se jedná o tisíce. Zobrazují jedničku, (+) a (-). Po spoustě zběsilých nápadů (např. binární hodiny, trojbarevné elektrické kuličkové počítadlo) přišel jeden rozumný. Adam navrhl využití pro logickou sondu. Plus bude znamenat log. jedničku, mínus log. nulu. Při samotném vývoji jsme trochu narazili a pochopili, proč většina sond je tak složité konstrukce. Co se zdá v prvé chvíli jednoduché, může po čase překvapit mnohými nástrahami. Většina volně dostupných zapojení funguje na principu, že přiložíme měřicí hrot a zobrazí se nám log. hodnota. Jenže i po odejmutí hrotu zůstává naměřená hodnota stále aktivní. Pokud jsem tedy měřil log. 1 a příště ji změřím zase, nevím, jestli se jedná pouze o hodnotu z minula, nebo aktuální měření. Tyto sondy využívají sledovače se zpětnou vazbou. My však chtěli za málo peněz hodne muziky, přičemž tento cíl se zdál stále méně splnitelný. Hradla se musí vždy nějak zatížit, jinak by se rozkmitala. Ale toto trvalé zatížení zase znamená trvalé zobrazování jedné logické hodnoty a případně její přehození, pokud přijde silnější signál. Spása v podobě pomocné logiky z diod taky nepřišla, protože diody uzavřely dělič napětí a na měřicím hrotu se nám objevila poloviční hodnota napájení. Pak se podařilo sondu navrhnout s trnazistorem a pár diodami, což však znamenalo vyšší zatížení měřeného obvodu. V tu chvíli však přišel spásný nápad. Co takhle jednoduše "vykolejit" astabilní multivibrátor z provozu? Pokud nebude hrot zatížen, bude na displeji přeblikávat (+) a (-), při přiložení se oscilace zastaví a zobrazí změřená hodnota. Realizace v praxi přinesla ovoce a při měření jsme zjistili maximální proud protékající hrotem při měření 7 mikro Ampér. A už byl splněn plán - málo peněz - hodně mu.. vlastně blikání :-).

Zpátky k samotnému zapojení. Hradla IC1A a IC1B tvoří astabilní multivibrátor - jeho chod je vyřazen přiložením měřeného napětí (signálu). Displej DIS1 je se společnou anodou - jednotlivé segmenty tedy budíme zemí neboli log. nulou. Stabilizátor 78L02 zabezpečuje, že na anodu displeje nebude přivedeno napájení vyšší než 2V, které plně dostačuje pro jeho svit (vyšší než 3V by znamenalo destrukci). Pokud na hrot přivedeme log. 0, oscilace skončí, představme si pro lepší přehlednost, že C1 a R2 v zapojení vůbec nejsou (ty tvoří spolu s hradly astab. multivibrátor). Vidíme náhle pouze 4 hradla NAND zapojené jako invertory, tedy pokud bude na vstupu log. 0, na výstupu se objeví log. 1. 

Na hrotu tedy máme přivedenou log. 0, která se nám skrze odpor R1 (který zvyšuje vstupní impedanci, aby docházelo k co nejmenšímu zatížení měřeného obvodu) dostává na vstup prvního invertoru IC1A. Na jeho výstupu (pin 3) je negace vstupu, tedy log. 1, kterou vedeme na vstup dalšího invertoru IC1B. Na jeho výstupu bude zase negace vstupu, tedy log. 0. Výstup IC1B je připojen na katodu segmentu (-) displeje DIS1 a zároveň na paralelně spojené invertory IC1C a IC1D. Na katodu segmentu (-) je tedy přiváděna log. 0 (což je v podstatě GND) potřebná k rozsvícení segmentu (-). Nesmíme opomenout další invertory C a D, na jejichž výstupu a i katodě segmentu (+) je nyní log. 1 (tedy kladné napájecí napětí "+"). K rozsvícení displeje však potřebujeme log. 0 (GND)a proto svítí pouze segment (-). Naopak pokud přivedeme na hrot log. 1, za IC1B bude také jednička, která však nerozsvítí segment (-), ale za IC1C a IC1D již bude potřebná log. 0 a na displeji se tak vykreslí znaménko (+).

Možná by od zvídavého začínajícího elektrotechnika přišel dotaz, proč jsou zapojena hradla IC1C a IC1D paralelně. V praxi se tím snižuje výstupní impedance (snažíme se vytvořit z výstupu hradla tvrdší zdroj, který "utáhne" třeba více LED diod). U nás jsou hradla propojena pouze proto, že bylo jedno v pouzdře integrovaného obvodu navíc, tak ať se nefláká, bez zatížení vstupů nerozkmitává a neruší ostatní při práci.

Sonda je při tomto oscilačním zapojení možná trochu legrační, blikající, ale také velmi citlivá. Schválně zkuste, kolik lidí je potřeba propojit pomocí rukou do série s měřenou log. hodnotou, aby přestala měřit. Jak takovou legraci realizovat? První člen řetězu se bude držet hrotu, poslední uchopí do ruky buď kladný nebo záporný pól napájení sondy (kladný zobrazí '+' a záporný '-'). Zkoušejte pochopitelně pouze do 17,5 V stejnosměrných. Při vyšších hazardech se nejdřív odvaří sonda a pak by mohlo dojít i na Vás. 

Konstrukce a oživení