Цифровые микросхемы и их применение

Журнал Радио 1 номер 1998 год
В. БАННИКОВ, г. Москва

Всем знакома обыкновенная игральная кость - кубик, на грани которого нанесены от одной до шести точечных меток. Известно, что именно анализ результатов бросания такой кости был заложен в основу теории вероятности. С давних пор игральные кости являются обязательным элементом многих игр. Но оказывается, что этот "инструмент" можно выполнить и на основе электроники. Такая "кость" не становится на ребро, не падает на пол, да и подбрасывать ее не придется. Достаточно лишь нажать кнопку, и через несколько секунд выпадет очередной результат.

Возможны различные варианты реализации подобной конструкции. Принципиальная схема одного из них изображена на рис. 1.

В нем выпавшее число отображается на цифровом индикаторе HG1, сегменты которого коммутируются электронными ключами на транзисторах VT1-VT9 . Устройство также содержит счетчик, выполненный на микросхеме DD2, и генератор импульсов на элементах DD1.1, DD1.2. Частота следования импульсов зависит от напряжения на конденсаторе С1 и изменяется по мере его разрядки от 10 Гц до долей Герца.

Как известно, микросхема К176ИЕЗ является счетчиком-делителем на 6 со встроенным дешифратором. На выходе дешифратора попеременно появляются коды, соответствующие отображаемым цифрам от 0 до 5. Но поскольку игральная кость характеризуется числами от 1 до 6. то необходимо, чтобы вместо нуля индикатор отображал шестерку. С этой целью счетчик снабжен дополнительным дешифратором, выполненным на элементах DD1.3, DD1.4 и транзисторах VT2, VT9.

Заметим, что признаком цифры 0 можно считать наличие сигналов нулевого уровня на выходах с и е микросхемы DD2. Отображение любой другой цифры в диапазоне от 1 до 5 характеризуется присутствием хотя бы на одном из них уровня логической 1. Следовательно, в тот момент, когда на выходах сие появляется напряжение низкого уровня, индикатор должен отобразить вместо 0 цифру 6. При использовании семисегментного индикатора это означает, что необходимо погасить сегмент b и зажечь d.

Именно это и осуществляет дополнительный дешифратор. Установление нулевых уровней на выводах 11 и 13 микросхемы DD2 приводит к появлению такого же сигнала на выходе элемента DD1.4. В результате открываются транзисторы VT2 и VT9. Первый из них закрывает VT3, что приводит к погасанию сегмента b индикатора HG1. Второй шунтирует транзистор VT8, благодаря чему включается сегмент g. Таким образом и формируется требуемая цифра 6.

Устройство работает следующим образом. В исходном (показанном на схеме) состоянии контактов кнопки SB1 индикатор HG1 отображает одну из цифр от 1 до 6. При нажатии на кнопку конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R2, вследствие чего генератор начинает вырабатывать прямоугольные импульсы с частотой следования примерно 10 Гц. С его выхода сигналы поступают на счетчик DD2. и на индикаторе HG1 появляются непрерывно мелькающие цифры. После отпускания кнопки SB1 конденсатор С1 начинает разряжаться, частота генератора плавно снижается и скорость смены цифр на индикаторе уменьшается. Примерно через 3 с счетчик DD2 останавливается и на индикаторе HG1 отображается одна из цифр от 1 до 6. Его состояние остается неизменным до следующего нажатия на кнопку SB1 Такая фиксация "выпавшей" цифры не только придает игре повышенную занимательность, но и препятствует жульничеству игроков.

Питается устройство от сети. Излишек напряжения гасит конденсатор С6 (номинальное напряжение не менее 600 В). Резистор R15 ограничивает ток через этот конденсатор, a R14 разряжает его после отключения устройства от сети. Постоянное напряжение около 24 В формируется стабилитронами VD2, VD3. Мощность, рассеиваемая на них, невелика, поэтому допустимо их использование без теплоотвода.

На резисторе R10 создается падение напряжения около 9 В, используемое для питания микросхем DD1, DD2 и транзисторов VT1-VT9. Потребляемая устройством мощность не превышает 2 Вт. Следует учесть, что все его элементы находятся под напряжением сети. В связи с этим они должны быть тщательно изолированы от корпуса, если он выполнен из металла.

Вместо ИВ-6 можно применить светодиодный семисегментный индикатор, например, АЛ305А или АЛ305Ж. воспользовавшись рекомендациями, приведенными в . Однако лучше всего выполнить индикатор в традиционной форме игральной кости, с точками вместо цифр. Другими словами, в этом случае получится универсальная грань кубика, на которой будут загораться от одной до шести светодиодных "точек".

Именно такой индикатор применен во втором варианте устройства (рис. 2). Здесь пусковая цепь (SB1, R1 и С1) и генератор импульсов (элементы DD1.1, DD1.2. VD1, С2, С3, R2-R5) аналогичны описанным выше. Счетчик-делитель частоты на 6 выполнен на триггерах DD2, DD4 и элементе DD1.3, подобно тому, как это сделано в . Временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 3.

Поскольку входы С триггеров DD2.2, DD4.1 и DD4.2 соединены с прямыми выходами предшествующих, то счетчик на них работает в режиме вычитания. Он считает в двоичном коде. Его информационными выходами являются выводы 1 микросхемы DD4 (старший разряд) и 13.1 микросхемы DD2 (средний и младший разряды соответственно). Состояние счетчика изменяется по фронту сигнала, формируемого элементом DD1.2.

Включение генератора кнопкой SB1 приводит к появлению прямоугольных импульсов на входе С триггера DD2.1 и входе S DD4.2. При этом на инверсном выходе последнего устанавливается сигнал с уровнем логического 0, разрешающий работу триггера DD2.2 по входу С, и счетчик начинает считать. Когда он досчитывает до 0. на прямых выходах триггеров DD2.1. DD2.2 и DD4.1 устанавливается нулевой уровень.

Вслед за тем первый же перепад из О в 1 на выходе элемента D01.2 переводит названные выходы, а с ними и инверсный выход DD4.2. в единичное состояние. Выходной сигнал DD4.2 сбрасывает триггер DD2.1 по входу R. в результате чего счетчик переходит в состояние, соответствующее цифре 5. Следующий импульс, сформированный элементом DD1.3 (на рис. 3 он выделен штриховкой), переводит инверсный выход триггера DD4.2 в нулевое состояние, разрешая тем самым дальнейший счет. Когда счетчик вновь досчитает до нуля, цикл повторится.

Дешифратор, собранный на микросхеме DD3 и элементе DD1.4. построен таким образом, что состояниям 5. 4, 3. 2. 1 и 0 счетчика соответствуют числа 5. 6.1, 2. 3 и 4 на "грани" игральной кости. Это следует из приводимой таблицы, в которой показано соответствие между уровнями сигналов на выходах счетчика, дешифратора и состоянием светодиодов HL1-HL7. При этом горящему светодиоду в таблице соответствует цифра 1. погашенному - 0.

Поскольку потребляемый устройством ток не превышает 60 мА. его можно питать как от сети, так и от батарей "Крона", "Корунд". При использовании сетевого питания допустимо применение такого же бестрансформаторного источника, что и в первом варианте. Однако в этом случае необходимо напряжение 9 В. в связи с чем один из стабилитронов Д815Д (например. VD3) должен быть заменен на Д815В. а другой (VD2) - на любой кремниевый маломощный диод, например, КД105Б (его катод соединяют с катодом VD3).

Расположение светодиодов HL1-HL7 на грани этого варианта игральной кости показано на рис. 4.

В обоих устройствах вместо микросхем серии К176 допустимо использовать их аналоги из серий К561, 564. Во втором устройстве для замены транзисторов КТ315Г. КТ361Г подойдут любые из этих серий, а светодиодов АЛ307БМ - любые, излучающие в видимом спектральном диапазоне. Диодную сборку КЦ405А можно заменить на КЦ405Б. КЦ405В, КЦ402А-КЦ402В или на четыре диода КДЮ5А-КД105В. включив их по схеме выпрямительного моста.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеев С. Применение микросхем серии К176. - Радио. 1984. N» 4. с. 25-28.
2. Банников В., Варюшин А. Двутонапьная сирена автосторожа. - Радио. 1993. N« 12, с. 31-33.

Введение

Я всегда хотел создать электронную, светодиодную игральную кость так, чтобы она отличалась от других устройств, доступных в сети Интернет. Кроме того, я задумал так, чтобы кость активировалась встряхивающим движением! Многие современные смартфоны имеют встроенный акселерометр, который позволяет комфортно играть в игры с использованием кубиков или костей. Игральная кость двигается, когда вы встряхиваете смартфон.

Мое устройство будет работать на том же принципе, только без использования дорогостоящих акселерометров.

Список компонентов
Резистор R1 500 Ом
Резистор R2 500 Ом
Резистор R3 500 Ом
Резистор R4 500 Ом
Резистор R5 500 Ом
Резистор R6 500 Ом
Резистор R7 500 Ом
Резистор R8 10 кОм
Конденсатор C1 100 нФ
Плоские светодиоды с 1 по 7 5 мм
Пищалка Piezo HPE-120
ИС1 PIC микроконтроллер 16F688 от Microchip
Выключатель S1 Стандартный вкл/выкл выключатель

Дополнительные компоненты:
Корпус
Отсек для батареек AAA x2
Печатная плата
Пружина, винты и провода
Hex программа для загрузки в микроконтроллер

Печатная плата

В данном проекте используется односторонняя печатная плата размером 31.27 мм x 42.25 мм.

Вид сверху с компонентами

Вид снизу

Я использовал две батарейки типа AAA для подачи напряжения питания 3 В на компоненты схемы и светодиоды.

Триггер

Триггер представляет собой механическое устройство, реагирующее на встряхивающее движение. Один контакт подключен к пружине, а второй к проводнику. К концу пружины прикреплен винт, который действует как противовес. При размещении корпуса устройства на боковую сторону, пружина обладает достаточным усилием, чтобы не деформироваться под собственным весом. При встряхивании происходит перемещение пружины и соприкосновение с контактом, замыкающим цепь. Так микроконтроллер определяет, что кость подбрасывалась.


Для надежного закрепления пружины используйте небольшое количество полиморфного материала. Это придаст устройству законченный вид.

Программа в формате Hex

Hex код программы необходимо записать в память микроконтроллера перед его установкой на печатную плату.

Фьюзы OSC и MCLR необходимо установить следующим образом:
INTOSCIO - вкл
MCLR - выкл

Тестирование

Включите устройство. При этом произойдет инициализация микроконтроллера и срабатывание светодиодов.

Потрусите корпус устройства. Светодиоды начнут перемигиваться, как при броске настоящей игральной кости. Окончательное число высветится, когда пьезодинамик издаст звуковой сигнал. Для следующего хода просто повторно встряхните игральную кость.
https://www.youtube.com/watch?v=4C1OYN87syc&x-yt-ts=1422579428&x-yt-cl=85114404&feature=player_embedded
Заключение

Это легко повторяемое и дешевое устройство. Вы можете его использовать для множества настольных игр.

Известно немало игр, в которых, например, число очков, набранных игроком. определяется броском игрального кубика. Нетрудно сделать и электронный «кубик» генератор случайных чисел. Схемы таких генераторов и описания встречаются в радиолюбительской литературе.

В последнее время получила популярность игровая система «Эпоха битв». Для неё в масштабе 1:72 выпускаются фигурки воинов наиболее интересных исторических эпох, осадные орудия, элементы местности и крепостей Теперь игрок может, с известной долей исторического реализма, попробовать себя на месте Мильтиада или какого-нибудь из наполеоновских маршалов.

Правила «Эпохи битв» довольно сложны Вероятность многих событий - попадания или промаха лучника, пробития доспехов и т.п. определяется с помощью двадцатигранного (!) кубика. Заменить его в случае потери или порчи затруднительно. К тому же, когда кубик оказывается на мягкой поверхности (например на ковре), чётко определить его верхнюю грань становится не так-то просто. Кроме того, для ряда целей в игре используется и классический шестигранный кубик. Всё это и побудило меня разработать конструкцию электронного «кубика», способного работать как 20-, так и как 6-гранный.

Однако реализация этой, простой на первый взгляд задачи далась не просто. Требуемые результаты были достигнуты только на четвёртом варианте устройства, который и предлагается вниманию читателей. Думаю, конструкция будет интересна и удобна радиоэлектронщикам - любителям настольных сражений.

Принцип действия устройства традиционный: на элементах D1.3, D1.4 собран задающий мультивибратор с частотой в несколько килогерц. При нажатии на кнопку S1 на вывод 5 элемента D1.2 подаётся высокий логический уровень, и импульсы мультивибратора проходят на счётчик D2. При отпускании кнопки счётчик останавливается в каком-то случайном положении, которое и индицируется. Для передачи чисел до 20 необходимо 5 двоичных разрядов, большинство же ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) счётчиков четырёхразрядные. Поэтому здесь применена КМОП микросхема К176ИЕ2. Этот счётчик экономичен, имеет в двоичном режиме счёта как раз 5 разрядов. а умеренное быстродействие обеспечивает хорошую помехоустойчивость. Для справки об управляющих входах микросхемы D2. На них поданы логические 1. Вход Е (выв. 2) - переключатель «счёт/загрузка», выбран режим счёта. Вход 2/10 (выв. 1) - переключатель двоичного или десятичного режима счёта, выбран двоичный режим.

1 - лицевая панель; 2 - декоративная накладка; 3 - светодиод (20 шт.); 4 - печатная плата; 5 -Z-образная скоба установки включателя (стальная пластина s1); 6 - крепление платы и скобы к корпусу (болт М3 с гайкой, 2 компл.); S1 - включатель; S2 - переключатель режимов

Большинство подобных устройств использует классический вывод на цифровые индикаторы. Однако он создаёт немало проблем, в частности из-за того, что там счёт начинается с 0, а не с 1, как это принято в игровых кубиках. Громоздкой получается и схема выбора диапазонов счёта. Поэтому пришлось остановиться на позиционной индикации. Но применённая микросхема дешифрирует только А двоичных разряда и, соответственно, имеет 16 выходных каналов. Как же быть с числами от 17 до 20? Классическое решение - поставить ещё один дешифратор громоздко и неэкономично, а главное - выходы КМОП счётчика просто-напросто не потянут сразу два адресных входа «дубовых» ТТЛ микросхем. А что, если использовать дешифратор D3 «по второму разу»? Благодаря элементу D1.1 мы имеем старший разряд адреса, как в прямом, так и в инверсном виде Теперь уже просто, с помощью транзисторов VT1, VТ2, включить нужную группу светодиодов. в зависимости от диапазона чисел. Этих групп три: HL 1-6 работают при 0 в пятом двоичном разряде, HL 17-20 - при 1, ну а на HL 7-16 питание можно подавать постоянно. Величина тока через светодиоды определяется резисторами R6, R8, R9. В устройстве он составляет около 7 мА. Это обеспечивает достаточную яркость индикации и в то же время не перегружает даже маломощную ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с барьером Шоттки) микросхему К155ИДЗ. При использовании светодиодов нового поколения на гетероструктурах сопротивления упомянутых резисторов можно увеличить вдвое-втрое.

Выбор режима осуществляется переключателем S2. Как только счёт доходит до «запрещённых» 7 или 21 очка, через R11 на вход каскада на VT3 поступает лог. 0. Сигнал инвертируется, и подаётся вход сброса счётчика. Помимо логической функции каскад на VT3 выполняет и ещё одну функцию. Дело в том, что одной из проблем при совместной работе КМОП и ТТЛ микросхем является недостаточно высокое напряжение логической 1 последних. Здесь же оно усиливается практически до напряжения питания. В логике работы этого узла есть ещё одна особенность: в принятой системе дешифрации число 21 «отражается» на число 5, что может привести к преждевременному сбросу счётчика. Поэтому в 20-гранном режиме на VT3 через R10 подаётся инвертированный пятый разряд счётчика. Благодаря этому, при числах, меньших 16, транзистор открывается - и на входе сброса, счётчика будет лог.0. независимо от других сигналов. Во время отсчёта (при нажатой кнопке S1) светодиоды выбранного диапазона слегка подсвечиваются импульсами тока, «пробегающими» по ним Это позволяет убедиться в исправности схемы и всех светодиодов.

При использовании двухрежимного электронного кубика возможна следующая ошибка, работа в 6-гранном режиме, когда нужен 20-гранный. В результате может получиться, что мощная баллиста категорически откажется пробивать доспехи пехотинцев. Поэтому необходима эффективная индикация 6-гранного режима. Никакие ухищрения с цифровыми индикаторами не могут исключить ошибку по рассеянности. В предлагаемой же конструкции индикация 6-гранного режима осуществляется светодиодом HL7, являющимся своею рода визуальным ограничителем включённого диапазона отсчёта. Не заметить, что вместо одного искомого горят сразу два светодиода, невозможно, и ото - ещё одно достоинство принятой позиционной системы индикации. Чтобы не закоротить на землю выв. 7D3, он отделён от переключателя диодом.

Стабилизатор напряжения питания 5В (микросхема DА1) установлен непосредственно на плате устройства. Благодаря этому, для питания устройства можно использовать практически любые сетевые адаптеры с выходным напряжением в пределах 9 - 12 В, благо потребляемый ток не превышает 80 мА. Приемлемый вариант - 2 - 3 батареи 336, соединённые последовательно. Но в этом случае в конструкцию надо будет ввести выключатель питания.

О деталях: транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми из серий КТ361, КТ203, VТ3 - n-p-n структуры, серий КТ315, КТ301, КТ312. Микросхема К176ЛА7 заменима на К561ЛА7. D3 - 155-й или 1533-й серии. Такие замены не требуют изменения разводки печатного монтажа. Только К1533ИДЗ может быть в более узком корпусе, но расположение выводов то же.

Однако может статься, что приобретение нужных микросхем окажется затруднительным. Практически вся продаваемая сейчас в магазинах «логика» - 1988 - 1992 гг. выпуска, и эти запасы кончаются. Остаётся заменять микросхемы на другие, аналогичного назначения. Так, в качестве D2 можно применить микросхему К176ИЕ1 - незатейливый 6-разрядный двоичный счётчик. В качестве D1 - микросхему с тремя элементами И-НЕ. В этом случае элемент D1.2 исключается, сигнал разрешения счёта заводится на один из входов D1.3. Применение D1.2 хорошо тем, что он ещё и формирует импульсы мультивибратора. Но счётчики будут работать и в таком сокращённом варианте схемы.

Напоминаю о необходимости соблюдения правил монтажа полупроводниковых приборов: КМОП микросхемы следует хранить завёрнутыми в фольгу, паять низковольтным паяльником с заземленным жалом. Особенно это касается микросхем ранних разработок, когда конструкторы неохотно шли на установку элементов защиты из-за снижения быстродействия В случаях применения паяных или в чём-то подозрительных микросхем используйте панельки. Светодиоды, особенно в пластмассовом корпусе, паять следует не ближе 10 мм от корпуса, желательно с использованим дополнительного теплоотвода.

Переключатель S2 – любой с тремя группами контактов на переключение. В рассматриваемом устройстве применены 2 кнопки П2К с зависимой фиксацией. Его контакты-штырьки с одной стороны укорачиваются. Кнопка S1 - типа КМ 1-1 или ей подобная. Подбор цветов светодиодов (например, первые 6 -другого цвета) читатели могут произвести по своему усмотрению. Конденсаторы С3, С4 - любые керамические, подходящие по габаритам.

Конструкция. Поскольку в устройстве не использовались супертехнологии вроде фотолитографии и металлизации отверстий, то развести все проводники печатным монтажом не удалось Оставшиеся соединения - 3 и 4 разряды распаивались монтажным проводом (удобнее всего МГТФ). На остро заточенном пинцете формируется колечко и надевается на вывод микросхемы. Остаётся только прикоснуться к нему паяльником. Аналогично большинство проводов к светодиодам также припаяно непосредственно к выводам D3, тем более, что индикаторы в корпусе устройства находятся со стороны фольги.

К DА1 прикручен радиатор из небольшой алюминиевой пластинки. В корпусе напротив него желательно сделать вентиляционные отверстия. Что касается корпуса и лицевой панели электронного «кубика», то они выполнены из коробочек, вырезанных из задней пластмассовой стенки старого телевизора.

Плата расположена деталями вниз и крепится к корпусу с помощью прямоугольной стойки и двух болтов М3 с потайными головками. Эту стойку, как и стойки крепления S2, лучше сделать из полистирола, что позволит приклеить их к корпусу. После этого к плате двумя гайками прикручивается металлическая скоба с кнопкой S1. Кнопка расположена так, что при нажатии на корпус она срабатывает.

Убедитесь в отсутствии заливов припоя и замыканий между дорожками. Проверьте полярность всех светодиодов. Правильно смонтированное из исправных деталей устройство не требует налаживания. Окончательную проверку правильности сборки и функционирования устройства можно провести очень эффектно: подключите параллельно С1 конденсатор ёмкостью около 0,33 мкФ. Нажмите S1 Если все собрано правильно. то вы сможете наблюдать красивый эффект бегущих огней в диапазоне, выбранном переключателем S2.

Лицевая панель прибора покрашена золотистой эмалью металлик под бронзу и стилизована под древнегреческий щит - гоплон.

Да поможет вам Афина Паллада (греческая мифическая богиня войны и победы, а также мудрости, знаний, искусств и ремёсел) в техническом творчестве и в бою!

А. ЛИСОВ. г. Иваново

Игральные кости используются человеком тысячи лет.

В 21 веке новые технологии позволяют бросить кубик в любое удобное время, а при наличии доступа в Интернет в удобном месте. Игральный кубик всегда с вами дома или в дороге.

Генератор игральных костей позволяет кинуть онлайн от 1-го до 4-х кубиков.

Кинуть кубик онлайн по-честному

При использовании реальных костей может использоваться ловкость рук или специально сделанные кубики с перевесом на одну из сторон. Например, можно раскрутить кубик вдоль одной из осей, и тогда измениться распределение вероятностей. Особенностью наших виртуальных кубиков является применение програмного генератора псевдослучайных чисел. Это позволяет обеспечить, действительно, случайный вариант выпадения того или этого результата.

А если вы добавите эту страницу в закладки, то ваши онлайн игральные кубики никуда не потеряются и будут в нужный момент всегда под рукой!

Некоторые люди приспособились применять игральные кости онлайн для гадания или составления прогнозов и гороскопов.

Весёлого настроения, хорошего дня и удачи!

• 20.09.2014

  Предлагаемый автогенераторный ИИП (импульсный источник питания) имеет малые габариты и высокий КПД. Его особенностью является то, что магнитопровод импульсного трансформатора работает с заходом в область насыщения. При проектировании автогенераторных ИИП в большинстве случаев мощный трансформатор используют в линейном режиме, а маломощный переключательный — в режиме насыщении магнитопровода. Отдельные обмотки этих …

• 17.03.2017

  Схема мультивибратора на элементах И-НЕ показана на рисунке 1. Схема имеет два состояния: в одном состоянии элемент DD1.1 закрыт, а DD1.2 открыт, в другом — все происходит наоборот. Например, если элемент DD1.1 закрыт, DD1.2 открыт, при этом конденсатор С2 заряжается выходным током элемента DD1.1, протекающим через резистор R2. Напряжение на …

• 22.06.2015

  Шунты измерительные стационарные взаимозаменяемые 75ШИС (далее - шунты), номинальным падением напряжения 75 мВ предназначены для расширения диапазонов измерений показывающих регистрирующих приборов постоянного тока, применяемых на различных объектах сферы обороны, безопасности промышленности. ОПИСАНИЕ Конструктивно шунты выполнены виде перемычек манганина, соединенных методом пайки наконечниками из латуни или меди, укрепленных на пластмассовом основании …

• 06.10.2014

  Это простой индикатор уровня сигнала для звуковоспроизводящей аппаратуры, схема адаптирована к различным потребностям пользователей. Может быть адаптирована к различным уровням входного сигнала- TR1 (регулировка уровня входного напряжения), TR2 (регулировка усиления). Принцип работы: после усиления ОУ на TL017 сигнал выпрямляется диодами D1-D2 (в дальнейшем используется только положительная полуволна сигнала), далее сигнал …