Секретная плата с китайской олимпиады по электронике
Привет, Хабр! Сегодня мы соберём, изучим и заставим работать радиоконструктор «кодовый замок», авторы которого подошли к его созданию весьма творчески.
Здесь и секретный код, который нужно расшифровать, и нестандартное применение десятичного счётчика-дешифратора К561ИЕ8 (CD4017), и две ошибки, намеренно внесённые в плату. К обычному мультивибратору на КР1008ВИ1 (NE555) добавлены RC-фильтры, позволяющие наблюдать изменение формы сигнала.
А ещё имеются тиристор и тональный декодер на специализированной микросхеме ФАПЧ УР1101XA01 (LM567). Так на печатной плате размером 112 на 68 мм разместился целый мир электронных приключений.
Действующую модель кодового замка на четырёх триггерах двух микросхем CD4013, или К561TM2, мы уже собирали.
Замок работает таким образом: чтобы передать логическую единицу на выход триггера U2B и тем самым зажечь светодиод LED1, символизирующий открытие замка, необходимо передать логическую единицу через все триггеры.
То есть нужно последовательно нажать кнопки S1, S4, S7 и S9, тактирующие, соответственно, триггеры U1A, U1B, U2A и U2B. И при этом не нажать ни на одну из кнопок S0, S2, S3, S5, S6, которые подключены к шине сброса всех триггеров.
В электронике одного и того же результата всегда можно достичь разными схемотехническими средствами. Что демонстрирует нижеследующая схема кодового замка на десятичном счётчике-дешифраторе К561ИЕ8 (CD4017). Набор для сборки этой схемы можно приобрести тут.
Опишу логику работы этого замка. В момент включения питания электролитический конденсатор C6 (в правой верхней части схемы) представляет собой почти короткое замыкание, а точнее небольшое активное сопротивление, равное его ЭПС (ESR) — эффективному последовательному сопротивлению.
В результате на вход CR — вывод 15 микросхемы U1 — приходит импульс сброса. Далее конденсатор заряжается через резистор R7, и на входе сброса U1 присутствует низкий логический уровень, пока не нажаты кнопки S6-S9.
Если нажать одну из этих четырёх кнопок, счётчик-дешифратор будет сброшен высоким логическим уровнем через резистор R5, а затем C6 снова зарядится через R7.
Постоянная времени RC-цепи R7C6 равняется произведению сопротивления на ёмкость. Одна миллионная фарада, помноженная на миллион ом, равняется одной секунде.
Вывод 15 U1, то есть её вход тактирования CP, подключён к выходу логического инвертора (элемента НЕ), представляющего собой каскад с общим эмиттером, собранный на транзисторе Q3 S9013.
Когда на вход инвертора — верхний по схеме вывод резистора R11 — поступает логическая единица, транзистор Q3 открывается и подтягивает выход к логическому нулю. Далее, когда на вход инвертора поступает логический нуль, транзистор закрывается, и логическая единица на выходе инвертора образует передний фронт тактирующего импульса для U1.
Также через диод D8 быстро заряжается конденсатор С6 на случай, если он был недостаточно заряжен, и U1 находилась в состоянии сброса.
Логике работы микросхемы К561ИЕ8 мы посвятили отдельную статью, из которой помним, что каждый тактовый импульс перемещает логическую единицу с предыдущего выхода на следующий.
После сброса U1 высокий логический уровень будет на выходе Q0 — выводе 3 микросхемы. То есть первая кнопка кода — S5, подключённая к этому выходу через диод D3.
Если её нажать и отпустить, то CD4017 получит тактирующий импульс, в результате чего логическая единица перейдёт на выход Q1. Это вывод 2. Через диод D2 к нему подключена кнопка S5 — вторая кнопка кодовой последовательности.
- Далее идёт Q2, вывод 4 К561ИЕ8, диод D4 и кнопка S0.
- Следующая кнопка последовательности — S1. Она подключена к Q3 через диод D6.
- Далее Q4, вывод 10, диод D7 и кнопка S3.
- Затем снова кнопка S1, на этот раз через диод D1 с Q5 — вывода 1.
- И, наконец, последняя в секретной комбинации кнопка S4 подключена к Q6 — выводу 5 через диод D5.
Итак, эта простая схема защищена семизначным секретным кодом 5201314. Число знаков кода равно числу диодов, и его можно увеличить вплоть до девяти. Последний вывод, в нашем случае Q7, подаёт сигнал на разблокировку механизма замка.
Вместо запирающего механизма в данной схеме имеется тиристор Q4, отпирающий импульс на управляющий вывод которого подаётся с шестой ноги CD4017.
Тиристор открывается и защёлкивается в открытом состоянии до тех пор, пока ток через него не упадёт ниже тока удержания, который для MCR100–6 при комнатной температуре составляет не более 5 миллиампер. Типичное значение 500 мкА. Максимальное значение тока удержания для этого тиристора — 10 мА при температуре -40 градусов Цельсия.
Схема потребляет небольшой ток и на тиристоре падает менее 1 вольта, а на красном светодиоде LED1 — не более 1.8 вольт. При напряжении питания 9 вольт последовательно соединённому с ними резистору R13 сопротивлением 2 кОм остаётся не менее 6.2 В, потому ток через него, согласно закону Ома, составит не менее 3.1 мА.
В большинстве случаев уже этого тока хватит, чтобы удерживать тиристор в открытом состоянии. А если добавить к этому ток, потребляемый прецизионным интегральным таймером КР1008ВИ1 (NE555) при напряжении питания 8 вольт, который сам по себе превышает 5 мА, то наша уверенность в защёлкивании тиристора может быть полной.
Итак, достаточно включить питание и один раз набрать на клавиатуре правильную комбинацию, чтобы тиристор открылся и оставался открытым, обеспечивая свечение красного светодиода и работу мультивибратора на таймере NE555.
В контрольных точках TP1, TP2 и TP3 можно посмотреть осциллограммы электрических колебаний на выходе автогенератора и после интегрирующих RC-цепочек. Такие узлы на платах для любительских и учебных экспериментов мы уже видели. Китайцы производят их во множестве вариаций, чтобы их школьники и студенты учились знать и понимать электронику. Потому что это основы технологий настоящего и будущего.
Если настроить частоту автогенератора достаточно высоко, в точке TP3 мы не увидим вообще ничего, так как фильтр нижних частот полностью отсечёт колебания со своего входа. А если основная частота входного сигнала находится в пределах полосы пропускания, TP3 даст нам синусоиду, степень искажения которой зависит от основной частоты. Чем она ниже, тем больше гармоник пройдут через фильтр, и тем менее синусоидальным будет сигнал.
▍ Фазовая автоподстройка частоты
Минуя фильтры, которые здесь служат только для снятия осциллограмм, прямоугольный сигнал с выхода мультивибратора на NE555 поступает на вход очень интересной интегральной схемы LM567. Это микросхема фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ, phase-locked loop, PLL).
Микросхема содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН, VCO — voltage controlled oscillator), и два фазовых детектора, а также имеет выход с открытым коллектором, рассчитанный на ток до 100 мА. Этого достаточно, например, для питания катушки электромагнитного реле.
На входы фазового детектора поступают электрические колебания, а на выходе формируется сигнал ошибки, представляющий собой напряжение, пропорциональное разности фаз.
Это позволяет подстраивать частоту очень точно. Когда мы настраиваем гитару по биениям, то подтягиваем или ослабляем струну так, чтобы устранить амплитудное вибрато, возникающее как раз вследствие переменной разности фаз двух близких по частоте колебаний.
Мгновенные значения складываются или вычитаются в зависимости от того, синфазны или противофазны они в данный момент. Два колебания усиливают или ослабляют друг друга, и возникает третье колебание с частотой, равной разности их частот (а также четвёртое с частотой, равной их сумме, но сейчас речь не о нём).
Настраивая струну, мы снижаем частоту биений до тех пор, пока не перестанем их замечать. Так можно добиться точности до одного колебания в секунду, или одного герца, или даже в две секунды, или 0.5 Гц.
Казалось бы, это прекрасная точность, но открытая нижняя струна ми в стандартном строе шестиструнной гитары имеет частоту 82.41 Гц. 1 цент от этой величины составляет 0.048 герца. То есть расстройка 0.5 герца для открытой шестой струны равна десяти с половиной центам. Это больше чем десятая часть полутона.
▍ Почему гитару настраивают по флажолетам?
В случае пониженного строя и бас-гитары расстройка на 0.5 герца составляет ещё большую величину. Потому для настройки струн используют флажолеты, то есть гармоники, возникающие, если в момент звукоизвлечения коснуться струны над определённым ладом.
Если быть более точными, извлечение флажолета не столько вызывает гармонику, сколько акцентирует её, подавляя более низкие гармоники. Например, флажолет над седьмым ладом имеет частоту втрое выше основного тона, а над пятым ладом — вчетверо. Потому что двенадцатый лад делит длину струны пополам, седьмой уменьшает её на треть, а пятый — на четверть.
Биения при сложении колебаний более высоких частот будут, соответственно, более высокочастотными. Половина герца для флажолета шестой струны над пятым ладом даст точность 2.6 цента, что уже хорошо.
Вопросы темперации и компенсации изменения натяжения струны при её прижатии на разных ладах мы сейчас затрагивать не будем: это отдельные темы, обширные и глубокие. Темперация вообще является вопросом убеждений и эстетических предпочтений. Сейчас разговор идёт про точность настройки.
Если бы мы настраивали струны по резонансу, это было бы, наоборот, менее точным. Извлекая звук из эталонной струны, нужно было бы добиваться того, чтобы настраиваемая струна начинала при этом колебаться с наибольшей амплитудой.
С музыкальными инструментами мы так не поступаем. Это было бы очень неудобно и неточно. Однако колебательные контуры и керамические резонаторы в радиоприёмниках, а также кварцевые резонаторы тактовых генераторов вычислительной техники работают именно так.
А вот если бы мы при настройке инструмента измеряли разность фаз колебаний, получилось бы гораздо точнее, чем настройка по флажолетам. Потому что в таком случае мы имели бы не цену деления в половину герца, а длину шкалы в две секунды. И точность умножилась бы на то число делений, которое мы смогли бы предусмотреть.
Основным предназначением, для которого разрабатывалась микросхема LM567, было декодирование тональных сигналов набора телефонного номера. Также её можно использовать в качестве прецизионного генератора меандра, в том числе квадратурного генератора. А также получать прямоугольные импульсы с заданной и удвоенной частотами. Напишите в комментариях, для чего это может пригодиться.
После того как расшифрован и набран секретный код, открылся тиристор и заработал мультивибратор на NE555, следует настроить его частоту и частоту тонального декодера так, чтобы последний сработал. Тогда щёлкнет электромагнитное реле и загорится зелёный светодиод LED2.
Без этого реле вполне можно было обойтись, подключив светодиод с токоограничивающим резистором просто на выход микросхемы. Но реле позволяет почувствовать себя ремонтирующим настоящую бытовую технику или промышленный модуль. Поверить в свои силы, перспективы и будущее. Ведь перед нами радиоконструктор для школьной олимпиады.
Но на пути к успеху её участнику нужно преодолеть ещё две преграды. Во-первых, обозначенное на схеме значение сопротивления R3 4.7 килоома не позволяет установить подстроечным резистором RP1 напряжение питания 9 вольт. R3 следует заменить на 20 килоом.
Такой резистор заботливо положили в набор вместе с резистором на 5.1 кОм, который можно установить вместо R4. Либо припаять 20 кОм параллельно R4. Тогда не потребуется ничего выпаивать.
Во-вторых, конкурсант должен изучить принципиальную схему, обнаружить, что на плате «забыли» проложить одну дорожку, и устранить эту ошибку.
Так работа и сборка платы выглядят на видео.
▍ Разбор полётов
За каждый успешный шаг конкурсант получает определённое количество баллов.
- Отсортировать и протестировать все компоненты — 10 баллов.
- Установить и припаять компоненты на плату — 35 баллов.
- Проанализировать принципиальную схему и выяснить секретный пароль — 5 баллов.
- Разобраться, каким образом устанавливается пароль — 5 баллов.
- Добиться 9 вольт на выходе стабилизатора напряжения — 5 баллов.
- Найти недостающую дорожку и восстановить её максимально короткой перемычкой — 5 баллов.
- Мультивибратор работает нормально — 5 баллов.
- Настроить частоты генератора и декодера, чтобы сработало реле — 5 баллов.
- Снять осциллограммы с тестовых точек генератора сигналов — 10 баллов.
- Последнее задание не касается нашей экспериментальной платы: нарисовать схему микрофонного предусилителя в Protel DXP 2004 — 15 баллов.
Итак, этот проект затрагивает и аналоговую, и цифровую схемотехнику. Присутствуют и ошибочный номинал компонента, и ошибка трассировки платы, и необходимость аналоговой настройки при помощи подстроечных резисторов. А прежде всего нужно настроить стабилизатор питания.
Задания предполагают и элементы реверс-инжиниринга: если не выяснить код разблокировки, не получится запустить мультивибратор. Можно, конечно, вытащить микросхему и подать тиристору отпирающий сигнал с помощью перемычки, но это неспортивно и отнимет 10 баллов.
С такими учебными пособиями неудивительно, что именно Китай лидирует в производстве всевозможной электроники, а услуги китайских специалистов востребованы по всему миру.
Напишите в комментариях, с какими радиоконструкторами вы встречались в своей жизни, чему они вас научили и на что вдохновили.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх
