Лабораторная работа № 3 электронные устройства для измерения времени реакции и координации движений
Оборудование: прибор для измерения времени реакции и координации движений; блок питания 5 В.
Цель работы – изучение совместной работы цифровых и аналоговых полупроводниковых приборов в реальных схемах и измерение биологических характеристик собственного организма.
Люди отличаются друг от друга внешним видом, своеобразием мышления, физической подготовкой. Многие профессии предъяв-ляют повышенные требования к физическим данным человека. Например, для спортсменов-стрелков чрезвычайно важна "твердость руки", это же качество важно и для монтажников радиоаппаратуры, занимающихся микроэлектроникой. Необходимым качеством водите-ля транспорта является способность оперативно реагировать на сигналы светофора, иметь быструю реакцию, позволяющую избежать аварий в сложной дорожной обстановке.
В данной лабораторной работе приведены две конструкции приборов для измерения тремора и времени реакции на световой сигнал.
Измеритель времени реакции состоит из нескольких функциональных узлов:
1) реле времени на транзисторе VT1 и элементе DD1.4 (рис. 23);
2) генератор импульсов на элементах DD.1.1–DD1.3 (рис. 23);
3) счетчик импульсов на микросхеме К155ИЕ5 (рис. 23);
4) дешифратор К155ИД3 со светодиодами АЛ102Б (рис. 24);
5) блок индикации входных и выходных сигналов счетчика (рис. 21–22).
Для изучения особенностей подачи импульсов на цифровые устройства в ручном режиме введены дополнительно две схемы (рис. 23): 1) непосредственная подача импульсов от механической кнопки; 2) механическая кнопка отделена от счетчика триггерной схемой.
Треморометр состоит из двух основных частей: звукового и све-тового сигнализаторов (рис. 25). Треморометром можно пользоваться либо самостоятельно, либо совместно со счетчиком импульсов.
Изменение режима подачи входных импульсов на счетчик осуществляется при помощи переключателя S5 (рис. 23–24).
Рассмотрим работу электронных устройств, используя их принципиальные схемы.
Измеритель времени реакции "Падающая звезда"
Для реализации данного режима работы необходимо установить переключатель S5 "Режим подачи входных импульсов" в положение "Частота генератора".
На лицевой панели прибора расположены 16 светодиодов в виде траектории падающего тела, а также кнопки "Пуск" и "Уст. 0". Кратковременное нажатие на кнопку "Уст. 0" устанавливает счетчик импульсов (и дешифратор) в нулевое состояние. При этом светится только самый верхний светодиод. Через некоторое время после нажатия кнопки "Пуск" светодиоды начинают поочередно зажигаться сверху вниз, создавая впечатление падающей звезды. Испытуемый должен сразу же отпустить кнопку "Пуск". Чем ниже "упала звезда", чем хуже время реакции.
На логических элементах DD1.1-DD1.3 микросхемы DD1 собран генератор импульсов, следующих с частотой 5–20 Гц (рис. 23). Генератор собран по типичной схеме с тремя инверторами. Время-задающую цепочку, определяющую частоту генерации, образуют конденсатор С2 и резисторы R5, R6. Однако в этой схеме элемент DD1.3 работает как обычный элемент И-НЕ (а не инвертор). Для включения генератора необходимо подать управляющее напряжение на элемент DD1.3 с реле времени.
Реле времени имеет в исходном состоянии кнопку S1 и переключатель S2 в замкнутом положении. В этом случае база транзистора VT1 через замкнутые контакты кнопки S1 соединена с общим проводом (между эмиттером и базой VT1 нет никакого напряжения). Поэтому транзистор VT1 находится в закрытом состоянии. Можно условно сказать, что транзистор VT1 имеет бесконечно большое сопротивление (разрыв цепи). Таким образом, через резистор R4 на входы 12, 13 элемента DD1.4 И-НЕ поступает высокий уровень напряжения. На выходе 11 элемента DD1.4 устанавливается сигнал логического 0, который поступает на вход 10 элемента DD1.3. На выходе 8 элемента DD1.3 генератора импульсов устанавливается постоянный уровень высокого напряжения.
Пусть теперь испытуемый нажимает кнопку S1 "Пуск" и держит ее в нажатом состоянии. Начинает заряжаться конденсатор С1 через резисторы R1, R2. Когда конденсатор зарядится до напряжения около 0,6 В, транзистор VT1 откроется и перейдет в насыщенное состояние. При этом напряжение между эмиттером и коллектором насыщенного транзистора VT1 составляет меньше 0,1 В (уровень логического 0). В результате на выходе 11 элемента DD1.4 появится напряжение высокого уровня. Генератор начинает работать, и импульсы с генератора поступают на вход двоичного счетчика DD3. Дешифратор DD4 позволяет преобразовать четырехразрядный двоичный код, поступивший со счетчика, в напряжение низкого уровня, появляющееся на одном из шестнадцати выводов. При этом светится соответствующий светодиод. На других выводах дешифратора при этом имеется высокий уровень напряжения. Состояние логических уровней на выходах дешифратора в любой момент представляет собой двоичный эквивалент десятичного числа.
Таким образом, при нажатой кнопке "Пуск" последовательно зажигаются светодиоды VD1, VD2, VD3 и т.д. Когда испы-туемый отпускает кнопку "Пуск", то конденсатор С1 мгновенно разряжается через ее замкнутые контакты, на выходе элемента DD1.4 появляется напряжение низкого уровня и подача импульсов на счетчик DD3 прекращается. Один из горящих светодиодов показывает время реакции.
Микросхема К155ИЕ5 состоит из четырех JK-триггеров, образующих два независимых асинхронных счетчика: одноразряд-ного и трехразрядного. Чтобы получить четырехразрядный счетчик, необходимо соединить внешней перемычкой вывод 12 (выход первого триггера) с выводом 1 (тактовым входом второго триггера). Счетчик имеет два входа установки нуля (выводы 2 и 3), объединенные по схеме И-НЕ. Для обнуления счетчика необходимо на оба вывода 2 и 3 подать сигнал логической 1. Тактовые входы всех триггеров счетчика инверсные динамические, поэтому переключение триггеров будет происходить спадом (срезом) импульса.
Частота генератора определяется переменным резистором R5 и для точного определения времени реакции необходимо определить период повторения импульсов. Для этого предназначен переключа-тель S2 "Реле включено – градуировка" (рис. 23). Если переключатель S2 находится в замкнутом состоянии ("Реле включено"), то схема работает так, как было описано. То есть при нажатии кнопки "Пуск" генератор начинает работать через некоторое время (2–10 с), опре-деляемое резистором R1 "Задержка". Если переключатель S2 установить в разомкнутое состояние "Градуировка" (размыкается цепь конденсатора С1), то генератор начинает работать сразу после нажатия кнопки "Пуск". В этом режиме можно осуществить градуировку шкалы времени, которую следует расположить около светодиодов VD1–VD16. Если нажать кнопку "Пуск" и держать ее постоянно в нажатом состоянии, то счетчик, досчитав до числа 15, обнуляется и цикл счета повторяется. Подсчитав время 10–20 циклов и разделив его на число циклов и число светодиодов, можно определить время, которое проходит между вспышками света двух соседних светодиодов.
Блок индикации на микросхеме К155ЛА8 (рис. 21) и транзисторе КТ315Б (рис. 22) позволяет визуально регистрировать уровень логической 1 (по свечению светодиода).
При конструировании устройств цифровой техники часто управляющие сигналы необходимо подавать в ручном режиме. Для этого можно использовать любой механический переключатель, но обязательно с дополнительным устройством, устраняющим так называемый дребезг контактов.
Что такое дребезг контактов? Это паразитный электрический эффект, проявляющий себя в момент соприкосновения поверхностей контактов механического переключателя. При этом в цепи, в которую контакты включены, возникает серия импульсов длительностью около миллисекунды. Они приводят к ложным срабатываниям цифровых устройств. Для устранения дребезга контактов обычно вводят дополнительный RS-триггер. На рис. 23 такой триггер составлен из двух элементов И-НЕ (DD2.1, DD2.2) микросхемы К155ЛА3. В исходном состоянии на его прямом выходе (вывод 3) – напряжение высокого уровня, а на инверсном – низкого. При нажатии на кнопку S3 ее подвижный контакт многократно касается другого, неподвижного контакта, вызывая серию импульсов. Первый же импульс серии переключает RS-триггер в нулевое состояние, и никакой последующий дребезг контактов уже не изменит его состояния. При отпускании кнопки S3 на вход элемента DD2.1 вновь подается низкий уровень напряжения и RS-триггер переключается в исходное состояние.
Для того чтобы реально убедиться в наличии дребезга контактов, следует нажать на кнопку S4, и счетчик сразу же посчитает несколько импульсов вместо одного.