MC14093B Schmitt-trigger: afprel en knap og byg en blinker

En trykknap skifter ikke rent, og en kondensator, der lades langsomt op, passerer gennem det forbudte område mellem LAV og HØJ. MC14093B løser begge problemer med fire NAND-porte, hvis indgange har hysterese. Guiden forklarer princippet og bygger ét komplet kredsløb: en afprellet knap, der starter en LED-blinker.

Først det grundlæggende: en NAND-port

En NAND-port har to indgange og én udgang. Udgangen er kun LAV, når begge indgange er HØJE; i alle andre tilfælde er den HØJ. Forbinder du de to indgange, bliver porten en inverter: HØJ ind giver LAV ud og omvendt. Holder du den ene indgang HØJ, går den anden igennem inverteret; holder du den LAV, sidder udgangen fast på HØJ. Den sidste egenskab gør en NAND-indgang til en enable-kontakt, som vi bruger nedenfor. Er logiske porte nye for dig, så start med guiden til MC74HC08AN AND-porten med kontakter og en lysdiode.

Hvad en Schmitt-trigger tilføjer

En almindelig CMOS-indgang har ét skiftepunkt et sted omkring halvdelen af forsyningsspændingen. Kryber indgangsspændingen langsomt gennem det punkt, eller har den lidt støj, kan udgangen vippe frem og tilbage flere gange. En Schmitt-trigger-indgang har i stedet to tærskler:

  • VT+ – en stigende indgang skal over dette niveau, før porten ser HØJ.
  • VT− – en faldende indgang skal under dette lavere niveau, før porten ser LAV igen.

Afstanden mellem dem er hysteresen (VH). Små udsving inden for afstanden ignoreres, så en langsom eller støjende flanke giver præcis ét rent skift på udgangen.

Graf over et langsomt, støjende indgangssignal, der krydser en stiplet øvre tærskel VT+ og en nedre tærskel VT−, mens den inverterede udgang kun skifter én gang pr. krydsning.
Med indgangene forbundet inverterer porten: udgangen falder, når indgangen passerer VT+, og stiger først, når indgangen kommer under VT−.

Motorolas CMOS-databog angiver disse værdier for MC14093B ved VDD = 5 V og 25 °C: VT+ 1,80–4,05 V (typisk 2,70 V), VT− 1,63–3,66 V (typisk 2,44 V) og hysterese 0,17–0,6 V (typisk 0,26 V). Læg mærke til de brede intervaller: tærsklerne varierer fra kreds til kreds, så dimensionér efter minimum og maksimum, ikke den typiske værdi.

Kredsen og dens ben

MC14093B hører til 4000-seriens CMOS-familie (ligesom MC14002 NOR-porten). Den kører på 3 til 18 V og har samme benforbindelser som CD4093 og den almindelige MC14011B NAND-port. Den lagerførte MC14093BCP er C-seriens udgave (−40 til +85 °C) i 14-bens plastik-DIP (P-endelse, Motorola case 646), så den passer direkte i et breadboard.

MC14093BCP DIP-14 set oppefra: ben 1 og 2 er indgange til port A og ben 3 dens udgang; ben 4 udgang B, ben 5 og 6 indgange B; ben 7 VSS; ben 8 og 9 indgange C; ben 10 udgang C; ben 11 udgang D; ben 12 og 13 indgange D; ben 14 VDD.
Set oppefra med hakket øverst. Bemærk, at ben 3 og 4 begge er udgange, og det samme gælder ben 10 og 11.

Tre regler for alle CMOS-porte: forbind ben 14 (VDD) til +5 V og ben 7 (VSS) til 0 V med en 100 nF-kondensator helt tæt ved kredsen; forbind alle ubrugte indgange til VDD eller VSS, fordi en svævende CMOS-indgang kan drive ind i tærskelområdet; og lad ubrugte udgange være åbne.

Det komplette kredsløb

Diagram: 100 kΩ fra VDD til punkt X, 100 nF fra X til VSS, knap med 10 kΩ fra X til VSS. Port A (ben 1 og 2 forbundet, udgang ben 3) føder ben 5 på port B; port B’s udgang ben 4 kobles tilbage til ben 6 gennem 1 MΩ med 1 µF fra ben 6 til VSS. Port C (ben 8 og 9 forbundet) bufrer ben 4; udgang ben 10 driver en lysdiode gennem 2,2 kΩ.
Port A afpreller knappen, port B er en oscillator, der kun kører, mens ben 5 er HØJ, og port C bufrer lysdioden, så belastningen ikke forstyrrer timingen.

Byg det på et breadboard ved 5 V:

  1. Sæt MC14093BCP hen over midterkanalen. Ben 14 til +5 V, ben 7 til 0 V og 100 nF mellem dem.
  2. Afprelningsnetværk: 100 kΩ fra +5 V til et punkt, vi kalder X; 100 nF fra X til 0 V; trykknappen i serie med 10 kΩ fra X til 0 V.
  3. Port A som inverter: forbind ben 1 og 2 og led dem til X. Ben 3 er det rene signal “knap trykket”.
  4. Port B som styret oscillator: ben 3 til ben 5. 1 MΩ fra ben 4 til ben 6 og 1 µF fra ben 6 til 0 V (elektrolyt: minus til 0 V).
  5. Port C som buffer: ben 8 og 9 sammen til ben 4. Fra ben 10 går 2,2 kΩ til lysdiodens anode, katoden til 0 V.
  6. Port D er ubrugt: ben 12 og 13 til 0 V, ben 11 åbent.

Ét komplet tryk, trin for trin

  1. Hvile. 100 kΩ trækker X op til 5 V. Begge indgange på port A er HØJE, så ben 3 er LAV. En LAV på ben 5 tvinger port B’s udgang (ben 4) HØJ, uanset hvad ben 6 gør; kondensatoren lades op til 5 V, og oscillatoren hviler. Port C inverterer HØJ, så ben 10 er LAV og lysdioden slukket.
  2. Tryk. Knappen forbinder X til 0 V gennem 10 kΩ. 100 nF-kondensatoren aflades med en tidskonstant på ca. 0,9 ms og falder til 5 V × 10 k / 110 k ≈ 0,45 V – sikkert under den lavest mulige VT− (1,63 V). Når X passerer VT−, går ben 3 HØJ præcis én gang.
  3. Prel. Kontakterne klaprer i nogle millisekunder. Hver kort åbning lader kun kondensatoren lidt op gennem 100 kΩ (tidskonstant 10 ms), langt fra VT+, så ben 3 forbliver HØJ. Uden Schmitt-indgangen og kondensatoren ville en tæller som den i guiden til MC14027B J-K-flip-floppen tælle hvert prel.
  4. Blink. Nu er ben 5 HØJ, så port B inverterer ben 6. Ben 4 er HØJ, og 1 µF lades op gennem 1 MΩ; når spændingen passerer VT+, går ben 4 LAV, og kondensatoren aflades; når den kommer under VT−, går ben 4 HØJ igen. Kondensatorspændingen svinger mellem de to tærskler, og ben 4 giver en firkantbølge. Port C inverterer den, og lysdioden blinker.
  5. Slip. X lades op igen gennem 100 kΩ. Efter ca. 4–17 ms (0,45–1,7 tidskonstanter afhængigt af, hvor netop denne kreds’ VT+ ligger) krydser X VT+, ben 3 går LAV, port B stopper med ben 4 HØJ, og lysdioden slukker.

Hvor hurtigt blinker den?

Kondensatoren bevæger sig kun mellem VT− og VT+, så perioden afhænger af tærsklerne: T ≈ R·C·[ln((VDD−VT−)/(VDD−VT+)) + ln(VT+/VT−)]. Med de typiske værdier ved 5 V giver det ca. 0,21 × R·C, så 1 MΩ og 1 µF giver ca. 0,2 s pr. periode, altså omkring 5 Hz. Fordi hysteresen kan ligge et sted mellem 0,17 og 0,6 V, kan en anden kreds blinke med omkring 2 Hz eller 7 Hz. Brug formlen som et overslag, og justér R eller C; skal frekvensen være præcis, så brug en krystal eller en egentlig timerkreds.

Begrænsninger

  • Svage udgange. Ved 5 V er CP-udgaven kun garanteret at levere 0,44 mA ved 4,6 V eller 2,1 mA ved 2,5 V. Med 2,2 kΩ får lysdioden ca. 1 mA, så vælg en højeffektiv lysdiode. Skal der mere strøm til, så lad ben 10 styre en NPN-transistor.
  • Hastighed. Typisk forsinkelse er 125 ns ved 5 V (højst 250 ns). Fint til knapper, sensorer og oscillatorer op i kHz-området, men ikke til hurtig buslogik.
  • Indgangsspænding. Hold alle indgange mellem VSS og VDD. Signaler fra en anden forsyning kræver niveautilpasning.
  • Kontakter. 10 kΩ-modstanden begrænser strømmen, når knappen aflader kondensatoren, og skåner dermed kontakterne.

Den lagerførte del og kilder

Den lagerførte del er Motorola MC14093BCP: fire NAND Schmitt-triggere med to indgange i 14-bens plastik-DIP. Benforbindelser, kapsling, tærskler og tider i denne guide stammer fra MC14093B-siderne i Motorolas CMOS Logic Data-bog fra 1988; onsemis aktuelle datablad dækker samme kreds.

Se produktsiden for MC14093BCP · MC14093B-datablad (onsemi) · Motorola CMOS Logic Data (1988)