18-канальный ШИМ-контроллер для новогодней ёлки

Скоро Новый Год, при встрече которого многие украшают свои дома новогодней ёлкой, создающей праздничное настроение. Ёлку обычно наряжают игрушками и ёлочными гирляндами. Для управления гирляндой из 18-ти светодиодов можно использовать светодинамический контроллер, построенный на основе нескольких цифровых ИМС. Автомат позволяет получить восемь программ «бегущего огня» и «бегущей тени» с угасающими шлейфами переменной длины, сменяющимися в автоматическом режиме. Базовая версия контроллера на ИМС ТТЛШ-структуры, в своё время найденная автором в Интернете, доработана и выполнена на более современных ИМС КМОП-структуры. Также разработана двусторонняя печатная плата.

Схема электрическая принципиальная. Схема электрическая контроллера представлена на рис.1.

Основой автомата является ШИМ-модулятор на ИМС DD2, DD4, DD6.1, DD7, DD8.1, DD13.2. Стробируется ШИМ-модулятор импульсами с прямого выхода мультиплексора DD5. Полный цикл работы ШИМ-модулятора состоит из 512 тактов. Максимальная скважность импульсов равна 16. Управляет работой автомата генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1.1, DD1.2, работающий с частотой около 2 кГц. Для получения восьми программ переключения светодиодов предназначены счётчики DD3.1, DD3.2, работающие совместно с мультиплексором DD5. Счётчик DD3.1 делит частоту задающего генератора и формирует на своих выходах частоты, кратные двум. Второй счётчик DD3.2 управляет коммутацией входов мультиплексора DD5 и тем самым выбирает частоту стробирования счётчика DD2.

Основой ШИМ-модулятора является компаратор — схема сравнения двух четырёхразрядных двоичных чисел на элементах DD7.1…DD7.4 и DD8.1. На входы компаратора непрерывно поступают изменяющиеся числа с выходов четырёх младших разрядов Q1…Q4 счётчика DD2, а также выходов элементов DD7.1…DD7.4. Каждый раз при совпадении двух чисел на выходе элемента DD8.1 формируется импульс положительной полярности, производящий запись своим положительным перепадом уровня лог.0 по информационному входу D-триггера DD13.2. Время появления положительного импульса на выходе элемента DD8.1 постоянно меняется, в зависимости от чисел, приходящих на входы компаратора. Предварительная установка D-триггера DD13.2 в исходное единичное состояние производится уровнем лог.0, приходящим с выхода элемента DD6.1 на вход «S» (вывод 10) триггера DD13.2 при совпадении на выходах четырёх младших разрядов Q1…Q4 счётчика DD2 уровней лог.1.

Пока состояния счётчика DD2 нарастают в диапазоне 0-256, на выходах элементов DD4.1…DD4.4 также формируется нарастающая последовательность двоичных комбинаций, потому что элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD4.1…DD4.4 работают как повторители логических уровней, благодаря уровню лог.0, приходящему на их объединённые входы. Поэтому время появления положительного импульса на выходе элемента DD8.1 возрастает, относительно момента формирования отрицательного импульса на выходе элемента DD6.1. Таким образом, на прямом выходе D-триггера DD13.2 (вывод 8) сначала уменьшается длительность отрицательного импульса, а на инверсном выходе соответственно длительность отрицательного импульса увеличивается. Поэтому сначала плавно зажигается светодиод HL1, а светодиод HL2 одновременно плавно погасает.

Когда счётчик DD2 достигнет 256-го состояния, уровень лог.1 с выхода «Q9» (вывод 12) переключит элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD4.1…DD4.4 в режим инверсии данных и на их выходах начнётся формирование убывающей последовательности двоичных комбинаций. Теперь время появления положительного импульса на выходе элемента DD8.1 начнёт уменьшаться, относительно момента формирования отрицательного импульса на выходе элемента DD6.1. Таким образом, на прямом выходе D-триггера DD13.2 (вывод 8) длительность отрицательного импульса начнёт возрастать, а на инверсном выходе соответственно длительность отрицательного импульса будет уменьшаться. Поэтому светодиод HL1 начнёт плавно погасать, а светодиод HL2 — плавно зажигаться. Всё вышесказанное относится к работе двухканального ШИМ-модулятора, управляющего противофазным переключением светодиодов HL1 и HL2.

Для увеличения числа каналов ШИМ-автомата до 18 предназначены регистры параллельного сдвига DD9…DD12 и D-триггеры DD14.1…DD17.2. Причём регистры включены попарно DD9/DD11 и DD10/DD12. Первая пара регистров DD9/DD11 стробируется импульсами с инверсного выхода мультиплексора DD5 (вывод 6) и предназначена для формирования импульсов синхронизации триггеров DD14.1…DD17.2. Вторая пара регистров DD10/DD12 стробируется импульсами с прямого выхода мультиплексора DD5 (вывод 5) и предназначена для формирования сигналов асинхронной предустановки в единичное состояние триггеров DD14.1…DD17.2.

Входными данными для первой пары регистров DD9/DD11 является сигнал с выхода компаратора (вывод 1 элемента DD8.1), но стробирование этих двух регистров происходит противофазным сигналом по отношению к сигналу синхронизации счётчика DD2. Таким образом, переключение регистров DD9/DD11 и счётчика DD2 происходит одновременно. Однако, информационный сигнал на входах «DR» и «&» (выводы 1 и 2) регистра DD9 ещё некоторое время остаётся неизменным, благодаря задержке переключения счётчика DD2, элементов DD4.1…DD4.4, DD7.1…DD7.4 и DD8.1. Что касается стробирования второй пары регистров DD10/DD12, то оно происходит одним и тем же синхросигналом, что и счётчика DD2, с прямого выхода мультиплексора DD5. Но переключение счётчика DD2 происходит отрицательным перепадом, а регистров DD10/DD12 — положительным перепадом синхроимпульса. Таким образом, обеспечивается необходимая синхронизация пар регистров DD9/DD11 и DD10/DD12 и линейки D-триггеров DD14.1…DD17.2.

Смена программ в автоматическом режиме достигается переключением SA1 в нижнее по схеме положение. При этом на вход счётчика DD3.2 поступают импульсы с выхода старшего разряда «Q10» счётчика DD2. После двукратного повторения цикла из 512 состояний ШИМ-модулятора состояние счётчика DD3.2 увеличивается на единицу, что приводит к переключению входов мультиплексора DD5. Тактовая частота на выходе мультиплексора изменяется в два раза согласно подключению соответствующего выхода счётчика DD3.1 к выходам мультиплексора.

Конструкция и детали. Автомат собран на печатной плате размерами 100x150 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

В устройстве использованы постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, подстроечный — СП3-38б в горизонтальном исполнении, конденсаторы неполярные типа К10-17, оксидные — К50-35 или импортные. Все ИМС КМОП серий К561, К1561, КР1564, КР1554 заменимы на соответствующие аналоги CD4000AN, CD4000BN, 74HCxx, 74ACxx. Интегральный стабилизатор использован типа КР142ЕН5А (L7805). Диод VD1 может быть любым кремниевым средней мощности. Переключатель SA1 использован типа МТ-1. Для его распайки на плате предусмотрены отверстия соответствующей конфигурации. Светодиоды желательно использовать сверхъяркие диаметром 5 мм красного и зелёного цветов, размещённые в чередующейся последовательности.

Настройка автомата заключается в установке необходимой скорости переключения светодиодов подстройкой резистора R2 при показанном на схеме положении переключателя SA1. Период плавного противофазного включения-выключения светодиодов должен составлять около 0,5 секунды. При показанном на схеме положении SA1 счётчик DD3.2 при включении питания находится в исходном нулевом состоянии и на выход мультиплексора DD5 проходят импульсы с максимальной частотой генератора, которую необходимо установить примерно равной 2000 Гц. После установки необходимой частоты, настройку можно считать завершённой. Теперь переключатель SA1 можно перевести в нижнее по схеме положение, соответствующее переключению программ в автоматическом режиме. Автомат, собранный из исправных деталей и без ошибок, работает сразу при включении.

Теги:

• ШИМ