|
De 7413 is een beroemd IC uit de 7400-familie dat twee NAND-poorten met schmitt-trigger ingangen bevat. Dank zij deze eigenschap kunt u met een 7413 schakelingen opbouwen die met normale NAND-poorten absoluut onmogelijk zijn. De in dit artikel beschreven tips maken gebruik van deze unieke eigenschap. |
Waarom een schmitt-trigger?
Als het niet snel genoeg gaat
De eerste vraag die u ongetwijfeld stelt is waarom er behoefte bestaat aan een schmitt-trigger in geïntegreerde vorm. Dit is een gevolg van een van de enige nare eigenschappen van de digitale TTL-IC’s. Deze moeten door zeer snelle pulsen gestuurd worden. Onder 'snel' moet u verstaan dat de overgang van het 'L'-niveau naar het 'H'-niveau en vice versa, de stijgtijd of de daaltijd dus, kleiner moet zijn dan 1 µs. Schakelingen opgebouwd uit transistoren en dioden leveren soms pulsen die niet aan deze voorwaarde voldoen.
Stuurt u dergelijke slome pulsen in TTL-IC’s, dan leert onderstaande figuur wat er kan gebeuren. Aan de uitgang van het IC ontstaan oscillaties, die de digitale schakeling volledig kunnen ontwrichten. Deze oscillaties ontstaan doordat de poort gedurende de te lange stijgtijd in zijn lineair gebied wordt ingesteld, waardoor het als oscillerende versterker werkt.
 |
| Het sturen van TTL-poorten met te trage signalen veroorzaakt oscillaties op de uitgang. (© 2017 Jos Verstraten) |
Om TTL-IC’s toch met trage transistorsignalen te kunnen sturen, werd de 7413 ontwikkeld. Door een speciale inwendige schakeling kunt u dit IC aansturen met gelijk welk signaal, zonder oscilleergevaar aan de uitgang. Aan de stijg- en daaltijden worden geen grenzen gesteld! Logisch bekeken werkt de 7413 als een NAND-poort met vier ingangen. Dit betekent dat de uitgang slechts dan 'L' is, als alle ingangen 'H' zijn. Zijn één of meer ingangen 'L', dan is de uitgang 'H'. In onderstaande figuur is het intern schema van dit 14-pens IC voorgesteld.
 |
| Aansluitgegevens en logisch symbool van de poorten in de 7413. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het enige verschil met een gewone NAND-poort is, dat aan de begrippen 'L' en 'H' aan de ingang een andere betekenis moet worden toegekend. Onderstaande figuur verduidelijkt wat u daaronder moet verstaan. In deze grafiek is de uitgangsspanning uitgezet in functie van de ingangsspanning. Zolang de ingangsspanning kleiner is dan 1,6 V, is de uitgang logisch 'H'. Overschrijdt de ingangsspanning deze drempel, dan wordt de uitgang 'L'. Als de ingangsspanning weer daalt, gebeurt het omschakelen niet bij 1,6 V maar bij 0,8 V. Dit spanningsverschil tussen het in- en uitschakelen noemt men de 'hysteresis' en is een eigenschap van alle schmitt-triggers. Bij de 7413 is de hysteresis dus 0,8 V.
Om dit beetje theorie af te sluiten zij nog vermeld dat de waarde van in- en uitschakelniveau, alsmede de grootte van de hysteresis-spanning, thermisch gecompenseerd zijn. De fan-out is, zoals bij de meeste 74xx-IC’s, gelijk aan tien.
 |
| Het hysteresis-verschijnsel grafisch toegelicht. (© 2017 Jos Verstraten) |
Testen van een 7413
De hysteresis zegt alles over de poort
Uit het voorgaande volgt dat u uit de hysteresis-grafiek alle eigenschappen van de poort kunt afleiden. Is van een bepaalde poort deze grafiek niet zoals het hoort, dan is er iets mis en is het zaak dit IC door een beter exemplaar te vervangen.
De transfer-karakteristiek op het scherm van uw scoop
Uiteraard is het handig op de een of andere manier deze transfer-karakteristiek, zoals de hysteresis-grafiek officieel heet, op het scherm van uw scoop weer te geven. Dit laat een snelle test van de schmitt-trigger toe. In onderstaande figuur is een schakelingetje getekend, waarmee u dit kunt doen. Een pulsgenerator levert een blokspanning van 1 kHz en 5 V amplitude. Dit blok wordt door een differentiator omgevormd in een soort driehoekspanning, die de te testen poort stuurt via een emittervolger. Deze spanning stuurt eveneens de horizontale versterker van de scoop. Uiteraard wordt de tijdbasis uitgeschakeld. De uitgang van de poort wordt eveneens gedifferentieerd, al is dit niet noodzakelijk. Dit is gedaan om een duidelijke foto van het schermbeeld te kunnen maken. Deze uitgangsspanning stuurt de verticale versterker. Als de poort goed is, verschijnt op uw scherm een beeld dat vergelijkbaar is met de eerder getekende hysteresis-grafiek. Als de scoopversterkers geijkt zijn kunt u de karakteristieke grootheden van het prentje aflezen.
 |
| Met deze eenvoudige schakeling kunt u de transfer-karakteristiek van een 7413 op het scherm van uw scoop zetten. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7413 als pulse-shaper
Slome pulsen optimaliseren
Deze toepassing is volledig gebaseerd op de hoofdeigenschap van de 7413: de mogelijkheid om zeer langzame signalen in TTL-compatibele pulsen om te vormen. Het basisschema ziet u in onderstaande figuur, mét de oscillogrammen van de spanningen op de in- en de uitgang. Het gedeelte in de stippellijn stelt de schakeling voor die signaal levert aan het IC. De weerstand Ri is de inwendige weerstand van deze schakeling. Deze weerstand is aan een maximum gebonden. Zoals u weet sturen TTL-IC’s een bepaalde lekstroom door de voorgaande schakeling als de ingangsspanning laag is. Deze lekstroom bouwt over Ri een spanningsval op. Als Ri te groot is wordt deze spanning groter dan 1,8 V, waardoor de onderste drempel overschreden is en de uitgang van het IC steeds 'L' blijft. Volgens fabriekspecificaties mag Ri bij de originele traditionele 7413 niet groter zijn dan 390 Ω. Dit houdt in dat u een 7413 in de meeste gevallen via een emittervolger met de ingangsschakeling moet verbinden. Veel transistorschakelingen hebben immers een inwendige weerstand die groter is dan 390 Ω. De spanning Uin mag niet groter zijn dan 5,5 V.
 |
| Het basisschema voor het aansturen van de ingangen van de 7413. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7413 als sinus naar blok omzetter
Digitale schakelingen aansturen met uw sinusgenerator
In onderstaande figuur is getekend hoe u de schmitt-trigger moet gebruiken om een sinusgenerator te transformeren in een vierkantgolfgenerator. De spanningsdeler aan de ingang stelt de poort tussen de beide drempels in, waardoor de symmetrische uitgang wordt verkregen. De sinusspanning moet kleiner zijn dan 4 Vtop-tot-top. De ingangscondensator moet zo groot zijn dat zijn impedantie verwaarloosd kan worden ten opzichte van de beide weerstanden. Door de lage weerstandswaarden is het nodig het sinussignaal uit een emittervolger te betrekken. Het betere soort sinusgenerator voldoet aan deze voorwaarde. Deze eenvoudige schakeling is ideaal om een sinusgenerator geschikt te maken voor het sturen van geïntegreerde digitale schakelingen en dit over een breed frequentiebereik.
 |
| Met deze eenvoudige schakeling zet u een sinus om in een mooie TTL-compatibele digitale puls. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7413 als laagdoorlaat filter
Zuiveren van onzuivere signalen
Een van de problemen bij het gebruik van TTL-IC’s is hun grote storingsgevoeligheid. Zeer smalle stoorpulsen (enige tientallen nanoseconden) op een signaalleiding volstaan om een IC te laten triggeren. De 7413 lost dit probleem elegant op. Een RC laagdoorlaat filter aan de ingang vangt alle stoorpulsen op, zodat het nuttige signaal zuiver aan de uitgang verschijnt, zie onderstaande figuur. Uiteraard mag de weerstand niet groter zijn dan 390 Ω. Omdat de spanning steeds positief is ten opzichte van massa kunt u voor de condensator een zeer grote elco toepassen.
 |
| Deze eenvoudige schakeling is ideaal om storingen uit een signaal te filteren. (© 2017 Jos Verstraten) |
De oscillogrammen, rechts in de afbeelding, leveren een overtuigend bewijs van de doeltreffendheid van de schakeling. Op een 50 Hz sinus werd kunstmatig een stoorpuls geënt (onder). Zonder elco triggert deze puls de schmitt-trigger, zodat voor iedere 50 Hz periode twee uitgangspulsen ontstaan (midden). Met aangesloten elco wordt deze stoorpuls, die waarachtig niet een van de smalste is, doeltreffend onderdrukt zodat de uitgang storingsvrij is (boven).
De 7413 als 100 Hz standaard
Nauwkeurige tijdpuls kan belangrijk zijn
Een combinatie van de besproken schakelingen levert de schakeling op die de 7413 vroeger zo populair heeft gemaakt: een 100 Hz tijdreferentie voor sturing van netgevoede digitale tijdschakelaars, frequentiemeters en chronometers. De 230 V van het net heeft een frequentie die zeer nauwkeurig op 50,0 Hz wordt gestabiliseerd. Uit deze netspanning kunt u op een heel eenvoudige manier een digitale puls met een frequentie van precies 100,0 Hz afleiden. Deze puls is ideaal als frequentiereferentie voor alle digitale schakelingen waarin een nauwkeurige tijd een belangrijke rol speelt.
De schakeling is in onderstaande figuur getekend. Uitgegaan is van een 9 V transformator, de spanning waarmee de meeste 5 V voedingen werken. Een brug opgebouwd uit vier dioden vormt de wisselspanning om in een 100 Hz signaal. De spanningsdeler zorgt ervoor dat de poort niet wordt overstuurd. De elco neemt de stoorpulsen voor zijn rekening. Omdat een elco slechte HF-eigenschappen heeft wordt zijn taak in dat frequentiegebied overgenomen door een kleine condensator. Niet alle storingen dringen echter via de ingangsschakeling een digitale tijdschakelaar binnen. Ook de +5 V voeding kan een open venster zijn voor HF-stoorpulsen. Goede ontkoppeling van de voeding is dan ook noodzakelijk.
 |
| Een eenvoudige schakeling voor het genereren van een nauwkeurige 100,0 Hz referentie. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7413 als astabiele multivibrator
Een zelfstartende pulsgenerator
Een generator met een zeer groot frequentiebereik kunt u volgens onderstaande figuur opbouwen. Door de waarde van de condensator te variëren is een frequentiebereik van acht decaden mogelijk. De werking wordt beschreven aan de hand van de rechter oscillogrammen. De bovenste geeft de uitgang, de onderste de ingang van de poort. Stel dat de condensator ontladen is. De ingang is dus 0 V, zodat de uitgang 'H' is. Deze spanning zal de condensator met een bepaalde stroom opladen via de weerstand. Als de condensatorspanning 1,8 V is triggert de schmitt-trigger en de uitgang wordt 'L'. De condensator ontlaadt dan via dezelfde weerstand. Dit duurt tot de condensatorspanning gedaald is tot 0,8 V. De onderste drempel wordt overschreden, de uitgang wordt weer 'H', de condensator laadt opnieuw op. Het zal duidelijk zijn dat u door het veranderen van de waarde van C de frequentie kunt beïnvloeden. Omdat de ontlaadweerstand klein is, moet C vrij groot zijn om lage frequenties op te wekken. Voor een uitgangsfrequentie van 10 Hz is een elco van 200 µF nodig.
 |
| De 7413 als astabiele multivibrator met een groot frequentiebereik. (© 2017 Jos Verstraten) |
De basisschakeling van bovenstaande figuur kunt u wél gebruiken als u hoogfrequent pulsen nodig hebt, maar is minder geschikt voor het lagere werk. Met C = 220 pF is de frequentie ongeveer 20 MHz! Door een kleine modificatie kunt u de schakeling ook voor LF-toepassingen geschikt maken. Tussen de condensator en de schmitt-trigger zet u een emittervolger. Gevolg is dat de terugkoppelweerstand tussen in- en uitgang veel groter kan worden, zie onderstaande figuur. De tijdconstante van het op- en ontladen wordt evenredig groter, zodat de frequentie kleiner wordt bij gebruik van dezelfde condensatorwaarde. Met deze schakeling kunt u zeer eenvoudig subsonische frequenties op te wekken: met C = 5.000 µF wordt de frequentie 0,2 Hz!
 |
| Door het tussenschakelen van een emittervolger wordt de lage ingangsimpedantie van de originele 7413 verhoogd, zodat u met veel kleinere condensatorwaarden kunt werken. (© 2017 Jos Verstraten) |
Uit de vorige figuren kunt u afleiden dat de uitgangspuls niet symmetrisch is. Dit wordt veroorzaakt door de lekstroom van het IC die een handje helpt bij het laden van de condensator. Het laden gaat daardoor vlugger dan het ontladen. Bovendien verloopt, zuiver fysisch bekeken, het laadproces iets anders dan het ontlaad-proces. Moet u tóch een symmetrische uitgang hebben, dan brengt de schakeling van onderstaande figuur uitkomst. Een tweede ontlaadkring wordt gevormd door een weerstand in serie met een germaniumdiode. Als de uitgang 'H' is spert deze diode en speelt de kring niet mee. C wordt opgeladen door de poort-lekstroom en door de weerstand van 390 Ω. Wordt de uitgang 'L' dan geleidt de diode waardoor het ontladen via twee weerstanden gebeurt. Juiste dimensionering van de componenten zorgt voor gelijke laad- en ontlaadtijden en dus voor een symmetrische uitgang.
 |
| Wijziging van de basisschakeling, waardoor de uitgang symmetrisch wordt. (© 2017 Jos Verstraten) |
De 7413 als pulsverkorter of -verlenger
Een pulsverkorter
Een veel gebruikte elektronische schakeling is een differentiator die uit lange pulsen zeer smalle pulsen destilleert. De schakeling van onderstaande figuur biedt een TTL-equivalent. De werking wordt verduidelijkt aan de hand van de rechter oscillogrammen. Van boven naar onder de ingangsspanning, de spanning over de condensator en de uitgangsspanning. Als de ingang 'L' is, zal de uitgang van de linker poort 'H' zijn. De condensator is opgeladen, de twee onderste ingangen van de rechter poort zijn 'H'. Omdat de twee bovenste ingangen 'L' zijn, is de uitgang 'H'. Stel nu dat u een lange puls aan de ingang aanlegt. Gevolg is dat de uitgang van de linker poort 'L' wordt. De condensator gaat zich ontladen via de weerstand van 390 Ω. Momenteel zijn echter alle ingangen van de rechter poort 'H', zodat de uitgang 'L' wordt. Dit duurt tot de condensator zover ontladen is dat de spanning op de twee onderste ingangen van deze poort kleiner wordt dan de onderste drempel. Gevolg is dat deze poort omklapt, zodat de uitgang opnieuw 'H' wordt. U kunt besluiten dat de breedte van de uitgangspuls alleen wordt bepaald door de grootte van de condensator en niet door de breedte van de ingangspuls. Wat gebeurt er bij het einde van de ingangspuls? De twee bovenste ingangen van de rechter poort worden dadelijk 'L', zodat de uitgang 'H' blijft. De condensator laadt op, de uitgang van de linker poort is immers 'H'. De schakeling is klaar om een nieuwe ingangspuls te verkorten.
 |
| De 7413 als verkorter van pulsen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Uiteraard is het eveneens handig als u een schakeling kunt toepassen die korte pulsen omvormt in lange. Onderstaande figuur biedt uitkomst, er wordt verwezen naar de oscillogrammen voor de werking. In rust (ingang 'L') is uitgang S1 = 'H' en uitgang S2 = 'L'. Als u een smalle positieve puls in de ingang stuurt, wordt uitgang van S1 'L'. De condensator ontlaadt vrij snel via de uitgangstrap van deze poort. Gevolg is dat de uitgang van S2 'H' wordt. Na de ingangspuls wil de uitgang van S1 dadelijk 'H' worden. De ontladen condensator ontfermt zich echter over deze spanning, zodat deze exponentieel toeneemt. Gevolg is dat de uitgang van S2 'H' blijft tot de condensatorspanning de bovenste drempel overschrijdt.
 |
| De 7413 als verlenger van pulsen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Uit bovenstaande uitleg mag u niet afleiden dat deze schakeling probleemloos is. De waarde van de condensator is tamelijk kritisch. Als deze te groot is zal de condensator niet volledig ontladen worden gedurende de smalle ingangspuls. Gevolg is dat de condensatorspanning groter blijft dan de onderste drempel van S2, zodat de uitgang 'L' blijft. Als tegemoetkoming is een kleine weerstand van 120 Ω parallel aan de condensator aangebracht. Deze helpt mee om de condensator zo snel mogelijk te ontladen. Ook met deze extra ontlaadweerstand is het echter niet mogelijk de ingangspuls meer dan 25 maal te verlengen.
Voor bredere pulsen kunt u cascaderen
Een andere onvolmaaktheid van de schakeling is dat de breedte van de uitgangspuls niet alleen door de waarde van de condensator bepaald wordt, maar eveneens door de breedte van de ingangspuls. Hebt u behoefte om een langere uitgangspuls te kweken, dan kunt u meerdere trappen achter elkaar schakelen. Een voorbeeld geeft onderstaande figuur, met in de oscillogrammen de verschillende pulsbreedten.
 |
| Door cascadeschakeling van identieke schakelingen kunt u een puls in meerdere stappen verbreden. (© 2017 Jos Verstraten) |
De schakeling van bovenstaande figuur is bruikbaar in uitgebreide digitale schakelingen, waar een aantal handelingen achter elkaar moet gebeuren.
Bijvoorbeeld:
- Telpoort sluiten.
- Geheugen inlezen.
- Teller resetten.
- Telpoort openen.
Door een cascadeschakeling van drie impulsverbreders ontstaan vier pulsen, waarvan de achterflanken in de tijd verschoven zijn. Deze negatief verlopende overgangen kunt u gebruiken voor het sturen van deze handelingen, zonder dat deze elkaar beïnvloeden.
70 stuks spanningsstabilisatoren, 5 x 14 waarden
