Zegar laboratoryjnyspis treści

Wiele doświadczeń wymaga mierzenia czasu lub liczenia impulsów w zadanym czasie. Używanie stoperów jest trochę niewygodne natomiast odpowiednie przystawki do komputerów - drogie, trudno dostępne a przede wszystkim – niezrozumiałe jeśli chodzi o zasadę ich działania. Zegar który ty opisano, pozwala na dość dokładne pomiary czasu przy modularnej konstrukcji jest dość prosty w konstrukcji i zainteresowani uczniowie mogą nie tylko poznać jego budowę, ale także pokusić się o jego rozbudowę lub nawet samodzielne wykonanie. Projekt zakłada użycie układów logicznych dostępnych w postaci układów scalonych implementujących elementarne funkcje logiczne i przy okazji uczniowie w ramach kółka fizycznego mogą poznać tajniki budowy urządzeń cyfrowych.

W wersji przygotowanej przez autora zegar zawierał około 40 układów scalonych i był zmontowany na pięciu płytkach uniwersalnych. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie by przygotować sobie znacznie prostszy model zegara/licznika.

Zegar może współpracować z różnymi czujnikami są źródłem sygnału cyfrowego. Nie możemy więc ty użyć na przykład czujnika temperatury, ale już czujnik temperatury granicznej (włączający się po przekroczeniu zadanej temperatury) – jak najbardziej. Modelowy licznik może współpracować jednocześnie z sześcioma czujnikami nie tylko reagując na ich sygnały ale także dostarczając im prądu potrzebnego to pracy.

Zasada działania

Scalone układy cyfrowe z których zbudowany jest zegar są elementami elektronicznym które są przystosowane do przetwarzania sygnałów zerojedynkowych. W obwodach zbudowanych z takich układów występują (a przynajmniej powinny występować) tylko dwa poziomy napięcia. Poziomy te, podobnie jak dopuszczalne napięcia zasilania, są zależne od technologii w jakich wykonane są układy scalone:

Technologia wykonania Napięcie zasilające Ucc Poziom niski
( „0”, „L”)
Poziom wysoki
(„1”, „H”)
TTL ( także H, L, S, LS)5V ±5%< 0.4 V> 2.4 V
CMOS3..15V< 33% Ucc> 33% Ucc
HCT – układy CMOS zgodne z TTL5V ±5%< 0.4 V> 2.4 V

Typowe wyjścia pozwalają dołączyć 10 wejść bramek wykonanych w tej samej technologii. Układy TTL mają znacznie większą obciążalność od bramek CMOC i zakłada się, że do wyjścia układu CMOS można podłączyć tylko jedno wejście układu TTL. Przekroczenie obciążenia powoduje możliwość uszkodzenia układów oraz zmniejszenie parametrów – zazwyczaj częstotliwości granicznych. W naszym układzie będziemy przestrzegać tych zaleceń, mimo znacznie mniejszych wymagań jakie będziemy stawiali układom scalonym.

W naszym zegarze największe częstotliwości z jakimi będą pracować układy scalony (poza modułem zegara taktującego) nie przekraczają 1 kHz, jednak zbocza sygnałów są bardzo strome i może dochodzić do indukowania napięć w przypadku prowadzenia długich przewodów i pojawieniu się sygnałów zakłócających. Warto pamiętać, że cyfrowe układy scalone mogą pracować nawet przy dość dużych częstotliwościach przełączania dochodzących do 30MHz, a więc reagują na impulsy o czasie trwania 30ns a dla takich impulsów dwa równolegle położone przewody stanowią jedynie filtr górno-przepustowy. Ponadto każdy odcinek przewodu zachowuje się jak indukcyjność, co może prowadzić do sporych problemów przy próbie odfiltrowania zakłóceń, a jeśli problem dotyczy doprowadzenia masy – może zacząć się wzbudzać.

Rys. 1. Symbole bramek logicznych i odpowiadające im funkcje logiczne. Podano angielskojęzyczne nazwy bramek powszechnie używane w literaturze.

W pierwszej wersji zegara, autor miał tak duże problemy z sygnałami które brały się nie wiadomo skąd, że cały układ logiki i obwodów wejściowych został przeprojektowany i zbudowany od początku – tym razem z zachowaniem wszystkich reguł sztuki elektronicznej – i tym razem działał od razu bez zarzutu.

W elektronice cyfrowej podstawowymi elementami są bramki logiczne. Bramki te realizują podstawowe funkcje pozwalające przetwarzać sygnały cyfrowe. Symbole podstawowych bramek oraz tablice ich funkcji logicznych przedstawione są na rysunku 1.

Z bramek składa się bardziej elementy o bardziej skomplikowanej funkcjonalności takiej jak przerzutniki, liczniki, transkodery, pamięci i inne. Przykład bardzo prostego przerzutnika, wraz z tablica stanów jest pokazany na rysunku 2.

Rys. 2. Przerzutnik RS – symbol, przykładowa realizacja z bramek NOR i tablica przejść. W tablicy przejść zapisane także poprzednią wartość jednego w wyjść przemytnika ponieważ jego stan zależy nie tylko od stanu wejść lecz także od jego poprzedniego stanu. Przerzutni jest elementarnym układem pamiętającym.

Przerzutnik może być użyty jako element pamiętający lub po odpowiednim połączeniu wyprowadzeń (lub sprzężeniu ze sobą kilku przerzutników) – jako element dzielący przez 2. Kilka takich dzielników tworzy prosty licznik liczący w kodzie dwójkowym. Zamiana takiego kodu na kod wyświetlacza siedmiosegmentowego pozwala przygotować prostą dekadę liczącą. Jeśli połączymy kilka takich układów, możemy przygotować liczniki liczące dowolnej długości.

Licznik zlicza impulsy. Jeśli podłączymy do wejścia licznika układ który będzie generował impulsy o zadanej częstotliwości – otrzymamy prosty zegar. Dokładność takiego zegara będzie zależała od stabilności generatora i w przypadku generatora kwarcowego możemy otrzymać dokładność rzędu 1/100000 (co odpowiada mniej więcej sekundzie na tydzień).

Rys. 3. Schemat układu do pomiaru prędkości. Detektor wykrywa kiedy wózek przecina wiązkę światła. Bramka włącza impulsy zliczane przez licznik.

Jeśli impulsy z generatora będą docierały do licznika tylko wtedy gdy detektor będzie widział przejeżdżający wózek – to będziemy mogli wyznaczyć czas w jakim przebywa on odległość równą własnej długości. Jeśli dodamy do tego układ pozwalający na rozpoczęcie z zakończenie zliczania – to będziemy mogli zmierzyć czas przejazdu między detektorami

Spis elementów

Element cena szt. dostępność
Płytka uniwersalna4-15zł5-10Sklepy elektroniczne
Płyta z pleksi 200x500x1.5mm[…]10,00 zł2Firma reklamowa
Listwa sosnowa 20x20x500mm2,50 zł2Market budowlany
Kątownik aluminiowy 5x40x1mm8,00 zł2m-,,-
Taśma wieloprzewodowa2,00 zł10mSklep elektroniczny
Gniazda bananowe0,80 zł49-,,-
Gniazda mini-jack 3,5mm1,00 zł6-,,-
Włącznik astabilny2,00 zł5-,,-
Mostek prostowniczy 6-10A3,00 zł1-,,-
Dioda LED0,08 zł12-,,-
Dioda LED biała jasna1,00 zł6-,,-
Tranzystor n-p-n (np. BC 239)0,10 zł10-,,-
Fototranzystor1,00 zł6-,,-
Wyświetlacz siedmiosegmentowy (wspólna katoda)2,50 zł16-,,-
Rezonator kwarcowy 1 MHz2,00 zł1-,,-
Stabilizator 78051,50 zł4-,,-
Układ scalony 45181,00 zł3-,,-
Układ scalony 401101,50 zł16-,,-
Układ scalony 74000,90 zł6-,,-
Układ scalony 74040,90 zł1-,,-
Układ scalony 74060,90 zł1-,,-
Układ scalony 74070,90 zł1-,,-
Układ scalony 74080,90 zł2-,,-
Układ scalony 74140,90 zł4-,,-
Układ scalony 74740,90 zł4-,,-
Układ scalony 74320,90 zł1-,,-
Układ scalony 74902,00 zł2-,,-
Układ scalony 741230,90 zł1-,,-
Opornik 22 Ω / 0.1 W0,02 zł7-,,-
Opornik 100 Ω / 0.1 W0,02 zł55-,,-
Opornik 470 Ω / 0.1 W0,02 zł118-,,-
Opornik 1 kΩ / 0.1 W0,02 zł18-,,-
Opornik 2,2 kΩ / 0.1 W0,02 zł20-,,-
Opornik 10 kΩ / 0.1 W0,02 zł11-,,-
Kondensator ceramiczny 470 pF0,03 zł7-,,-
Kondensator ceramiczny 4,7 nF0,04 zł1-,,-
Kondensator ceramiczny 10 nF0.03 zł66-,,-
Kondensator ceramiczny 22 nF0,04 zł1-,,-
Kondensator ceramiczny 100nF0,03 zł51-,,-
Kondensator elektrolityczny 1 μF / 40V0,04 zł51-,,-
Trymer 5-50 pF1,00 zł1-,,-

Kupując elementy bierne (oporniki i kondensatory) warto kupić całe opakowanie (zazwyczaj 100szt). Elementy sprzedawane na paczki są znacznie tańsze i ceny typu 1.5 – 2 groszy za sztukę nie powinny dziwić (1.50 zł za 100szt). Warto też rozejrzeć się po sklepach internetowych gdyż ceny poszczególnych elementów mogą się znacznie różnić (spotkałem układ 40110 za 1.10 zł i za 3.90 co przy 16 sztukach daje sporą różnicę)

Budowa

Poszczególne układy zmontowano na płytkach uniwersalnych dostępnych w sklepach elektronicznych. Wybór konkretnego typu płytek nie jest krytyczny, jednak należy pamiętać o tym, ze prowadzenie masy jest w wielu przypadkach krytyczne i najlepiej sprawdzają się płytki na których masa jest poprowadzona w postaci szerokich ścieżek docierających w każdy rejon układu po najkrótszej drodze i bez pętli. W sklepach elektronicznych można kupić płytki o niewielkich rozmiarach, przeznaczone do budowy układów cyfrowych na których masa i zasilanie rozprowadzone jest tak by można było je podłączyć do układu scalonego zamontowanego w niemal dowolnym miejscu. Ponieważ doprowadzenie zasilania nie jest aż tak ważne, proponuję użyć obu tych ścieżek jako masy łącząc je na jak największej długości.

Układ warto zbudować na kilku płytkach, montując go sukcesywnie – moduł po module lub prowadząc prace równolegle – na przykład rozdzielając pracę między uczniów na zajęciach kółka fizycznego. Należy przy tym pamiętać by masy poszczególnych układów łączyć przewodem o jak najmniejszym oporze i indukcyjności. Poza tym przewody z wielu płytek muszą być połączone w jednym miejscu.

Elementy elektroniczne wlutowano w płytki a wszystkie układy scalone oraz wyświetlacze zamontowano na podstawkach. Jest to o tyle istotne, że osoba nie posługująca się biegle lutownicą może taki układ przegrzać i uszkodzić. Poza tym możliwe jest uruchamianie poszczególnych modułów na układach scalonych ‘pożyczonych’ z innego modułu.

Prototypowy układ zawierał:

Całość została zmontowana w płaskiej obudowie z płytą czołową o wymiarach 20x50cm na której umieszczono wyświetlacze, przyciski kasujące oraz gniazdka bananowe do których podłączono poszczególne elementy układu.

Rys. 4. Przykładowa płyta czołowa zegara. Modelowy zegar składał się w kilkunastu modułów które można było dowolnie łączyć przewodami.

Rys. 5. Widok zegara od strony układów elektronicznych. Poszczególne płytki przykręcono do drewnianej ramy przykręconej do płyty czołowej zegara.

Gniazda przeznaczone do podłączenia czujników wykonano z gniazd mini-jack 3.5mm. Gniazda te posiadają trzy pola kontaktowe co umożliwia doprowadzenie zasilania do czujników. Przewody doprowadzające sygnały z gniazd do układów zmontowanych na płytkach nie muszą być ekranowane jednak dobrze jest zarówno na wyjściach jak i wejściach każdego z modułów umieścić filtr dolnoprzepustowy który usunie większość zakłóceń. Ponadto przy projektowaniu układu zegara zdecydowano się na zastosowanie logiki ujemnej (aktywnym sygnałem jest sygnał niski) ze względu na większą obciążalność układów TTL w tym stanie.

Potrzebna konfiguracja zegara przygotowywana jest przeze łączenie poszczególnych modułów przewodami. Przykładowy rozkład poszczególnych modułów jest pokazany na rysunku 4.

Aby maksymalnie uprościć przygotowanie płyty czołowej oraz konstrukcji mechanicznej, w urządzeniu modelowym płyta czołowa zrobiona jest z dwu warstw pleksi o grubości 1.5mm, pomiędzy którymi umieszczono wydruk z drukarki laserowej przedstawiający poszczególne moduły. Do dłuższych boków przykręcono na wkręty do drewna drewniane listwy do których, również na wkręty do drewna przykręcono płytki ze zmontowanymi modułami.

Gniazda bananowe przykręcono bezpośrednio do płyty z pleksi natomiast przyciski kasujące przylutowano do płytek uniwersalnych tak, by wystawały przez otwory w płycie.. Po zmontowaniu wszystkich układów gotowe urządzenie umieszczono w ramie wygiętej z kątowników aluminiowych.

Zasilanie

Wszystkie układy zasilane są napięciem 5V, przy prądzie dochodzącym (w zależności jakich układów użyto) do 2A. Wiele układów scalonych jest wrażliwych na przekroczenie dopuszczalnego napięcia lub odwrotne podłączenie biegunów. Dlatego w układzie modelowym skorzystano ze scalonych stabilizatorów napięcie 7805. Układy te, w zależności od rodzaju obudowy mają różną obciążalność dlatego skorzystano z kilku sztuk, które zmontowano bezpośrednio na płytkach poszczególnych modułów choć można go także przygotować jako pojedynczy moduł. Należy przy tym pamiętać, że zarówno wejście jak i wyjście stabilizatorów musi być zablokowane przed wzbudzeniem kondensatorami ceramicznymi o pojemności 100nF i dodatkowo kondensatorami elektrolitycznymi lub tantalowymi zamontowanymi jak najbliżej stabilizatorów. Podobnie muszą być blokowane wszystkie doprowadzenia zasilania poszczególnych układów scalonych.

Dodatkowo układ zasilania wyposażono w mostek prostowniczy pozwalający na dowolne podłączenie biegunów zasilania. Nie oznacza to że można układ zasilać prądem zmiennym a jedynie, że nie trzeba zwracać uwagi na biegunowość. Aby przystosować zegar do pracy z prądem zmiennym (bezpośrednio z transformatora) należy dołączyć za mostkiem prostowniczym kondensator o dużej pojemności (na przykład 10000μF). Schemat układu zasilania pokazany jest na rysunku 6

Rys. 6. Schemat układu zasilania. Poszczególne stabilizatory mogą być umieszczone na płytkach poszczególnych modułów.

Zegar taktujący

Jedynym sposobem na liczenie czasu jest liczenie impulsów generowanych co ściśle określony czas. Generator takich impulsów można zbudować bazując na elementach RC, jednak jego stabilność jest mocno problematyczna i będzie bardzo mocno zależała od właściwości użytych oporników a szczególnie kondensatorów. Układ taki można zbudować na bazie popularnego układu scalonego 555, jednak w rozwiązaniu modelowym zastosowano generator stabilizowany rezonatorem kwarcowym.

Rezonatory takie stosuje się w generatorach częstotliwości wzorcowych i oprócz wysokiej stabilności generowanej częstotliwości zapewniają łatwość uruchomienia generatora. Problemem jest tu wysoka częstotliwość typowych rezonatorów którą trzeba wstępnie podzielić

Rys. 7 Schemat zegara taktującego wraz z dzielnikami częstotliwości oraz wzmacniaczami wyjściowymi. Na schemacie zaznaczono zasilanie układów zawierających bramki.

Rys. 8. Rozkład wyprowadzeń układów scalonych użytych w modelowym układzie. UWAGA: W literaturze podawane są rozkłady wyprowadzeń od góry układu. Tu wyprowadzenie pokazane są od dołu – od strony płytki drukowanej.

W rozwiązaniu modelowym użyto rezonatora o częstotliwości 1 MHz, pracującego w układzie typowego generatora zbudowanego na bazie zlinearyzowanych bramek logicznych. Linearyzacja bramek polega na dodaniu ujemnej pętli sprzężenia zwrotnego które sprawia że bramka przystosowana do przełączania sygnałów logicznych zachowuje się jak wzmacniacz odwracający.

Wartości elementów użytych w generatorze nie są krytyczne. W literaturze można spotkać wiele takich generatorów w których wartości oporników i kondensatorów mają inne wartości.

Sygnał z generatora jest formowany i wzmacniany przez pojedynczą bramkę logiczną a następnie dzielony przez 10 w układzie 7490. Układ ten zawiera licznik do 2 i do 5 które mogą być połączone w dzielnik częstotliwości dzielący przez 10. Dalej sygnał jest dzielony w podwójnych dekadach liczących 4518.

Sygnał z ostatnich trzech stopni podziału jest wzmacniany przez pojedyncze bramki a następnie formowany tak by generował jak najmniej zakłóceń. Jest to o tyle istotne, że sygnał jaki otrzymujemy na wyjściach układów logicznych ma bardzo strome zbocza, a więc – wiele harmonicznych. Z drugiej strony wejścia układów cyfrowych są wrażliwe na bardzo krótkie impulsy które mogą indukować się w przewodach a nawet ścieżkach na płytce drukowanej. Dlatego istotne jest złagodzenie zboczy w filtrach dolnoprzepustowych zbudowanych z opornika i kondensatora.

Rys. 9. Implementacja filtra dolnoprzepustowego i jego wpływ na stromość zboczy sygnału cyfrowego.

Jest to szczególnie istotne w sytuacji gdy połączenia pomiędzy poszczególnymi modułami prowadzone są długimi przewodami łączącymi typowe gniazda bananowe.

Licznik

Typowy licznik składa się z dekad liczących oraz dekoderów wskaźników siedmiosegmentowych sterujących wyświetlaczami LED poprzez oporniki ograniczające prąd diod świecących. Dawniej używano liczników 7490 oraz dekoderów 7447, jednak od jakiegoś czasu można dostać układy zawierające licznik, dekoder a często nawet rejestr pozwalający na zapamiętanie wyniku zliczania i wyświetlania go w czasie kolejnego cyklu liczenia.

Rys. 10. Schemat pojedynczego modułu licznika. Układ uproszczono stosując układy scalone zawierające licznik i dekoder kodu wskaźnika siedmiosegmentowego.

W układzie modelowym użyto układów scalonych 40110 wykonanych w technologii CMOS. Ponieważ układy takie są wrażliwe na ładunki statyczne – nie zaleca się doprowadzać bezpośrednio do nich sygnału z wejść do których ma dostęp użytkownik. Napięcia statyczne jakie mogą zgromadzić się na ubraniu mogą trwale uszkodzić takie układy. Dlatego warto dodać układ wejściowy z pojedynczej bramki TTL. Bramka ta odwraca także polaryzację impulsów sterujących gdyż układy 40110 reagują na narastające zbocze a w układzie zdecydowaliśmy się na stan niski jako stan aktywny – powinniśmy więc zliczać zbocza opadające.

Liczniki powinny mieć możliwość zerowania, by przygotować je do kolejnego zliczania. Układ zerowania powinien być niezależny dla każdego licznika (w końcu mogą pracować niezależnie).

Zamiast układów 40110 które mogą być trudne do zdobycia, można użyć w zasadzie dowolnych scalonych dekad liczących z dekoderami wskaźnika siedmiosegmentowego. Należy tylko zwrócić uwagę na typ skalników siedmiosegmentowych. Niektóre dekodery wymagają wskaźników w wyprowadzoną wspólną anoda, inne – wspólną katodą.

Montując układ liczników, warto zmontować na jednej płytce wszystkie planowane liczniki na jednej płytce uniwersalnej i umieścić ją pod płytą czołowa zegara, tak by wskaźniki były umieszczone tuż pod powierzchnią płyty z pleksi i widoczne. Jeśli dysponujemy przyciskami które mogą być zamontowane na płytce drukowanej – to warto zamontować je tak by można je było wysunąć przez otwory w płycie czołowej. W przypadku krótkich wyprowadzeń, można je przedłużyć odcinkami sztywnego drutu zapewniając stabilne mocowanie mechaniczne i dobry kontakt.

Układ logiki sterującej licznikiem

Układ logiki sterującej pozwala na włączanie i wyłączanie (bramkowanie) impulsów zegarowych sygnałem z detektora. Do wykonania takiego zadanie wystarczyłaby pojedyncza bramka logiczna, gdyby wystarczyło zliczanie czasu przejścia obok detektora. Jeśli jednak chcemy zliczać czas pomiędzy pobudzeniami dwu detektorów, musimy przygotować układ przerzutnika który pozwoli na włączanie i wyłączanie sygnału bramkującego sygnałami doprowadzonymi do różnych wejść układu. Sygnał bramkujący oraz sygnał z przerzutnika należy wysumować w dodatkowej bramce podobnie jak sygnał zerujący przerzutnik z sygnałem zerowania doprowadzonym z licznika. Takie połączenie pozwala na wyłączenie przerzutnika w czasie zerowania liczników.

Rys. 11. Układ logiki sterującej zawierającej bramkę włączającą impulsy zegarowe oraz układ przerzutnika RS pozwalający na sterowanie startem i zatrzymaniem zliczania z dwu różnych detektorów. W układzie logiki używamy różnych bramek nie wykorzystując wszystkich bramek z układów scalonych. Warto montować wszystkie potrzebne układy logiki na jednej płytce, wykorzystując bramki z tego samego układu w kilku (w przypadku 7432 – nawet czterech) modułach logiki sterującej.

Układy wejściowe

Układy wejściowe mają na celu uformowanie impulsów pochodzących z detektorów. Możemy założyć, ze poziomy napięć odpowiadają mniej więcej poziomom logicznym układów TTL, jednak konieczność podłączania detektorów dość długimi przewodami może prowadzić do zwiększenia poziomu zakłóceń. Dlatego układ wejściowy zbudowano na bazie bramki zawierającej przerzutnik Schmidta. Bramka taka rozpoznaje sygnały logiczne podobnie jak zwykła bramka logiczna, jednak dla wartości zabronionych – czyli nie odpowiadających poziomom logicznym, stara się wybrać odpowiedni poziom logiczny. Co ciekawe – wartość progowa przy której następuje zmiana sygnału na wyjściu, zależy od tego w jakim stanie znajduje się bramka. Takie zachowanie pozwala na wyeliminowanie większości sygnałów pasożytniczych oraz stanów nieokreślonych.

Przy budowaniu układów doświadczalnych czasem trudno wyeliminować wielokrotne pobudzenie tego samego detektora. Przy doświadczeniach z wykorzystaniem toru powietrznego wózki odbijające się od końców toru będą wielokrotnie przechodzić pomiędzy detektorami powodując wielokrotne zliczanie czasu. W takim wypadku przydatny byłby układ który wybierze tylko pierwszy impuls ignorując pozostałe. Taki układ można zrealizować w oparciu o przerzutnik który zapamięta opadające zbocze pierwszego impulsu i poprzez bramkę – zabroni przejściu każdego kolejnego impulsu z detektora. Warto do niego dodać przycisk pozwalający na ponowne ‘uzbrojenie’ układu wejściowego – poprzez skasowanie wartości przerzutnika. Obwód kasowania może być wspólny dla wszystkich kanałów wejściowych i sterować dodatkowo także zerowaniem okładu zliczającego impulsy ale raczej powinien być niezależny od liczników podłączonych do wyświetlaczy.

Rys. 12. Układ wejściowy w najbardziej bogatym wydaniu. Na schemacie nie zaznaczono zasilania poszczególnych układów scalonych. Moduł skracający impulsy jest używany wyłącznie do sterowania licznikiem impulsów i wystarczy jeśli zostanie zmontowany na jednym kanale wejściowym – sterującym licznikiem impulsów.

Dioda świecąca wskazuje stan przerzutnika pokazując czy pierwszy impuls został już odebrany , a więc, czy na wyjściu pierwszego impulsu można się spodziewać sygnału.

W przypadku wyzwalania układów wrażliwych na długość trwania impulsu, warto dodać układ skracający impuls. Układ taki w urządzeniu modelowym był niezbędny do wyzwalania licznika impulsów i został zrealizowany w oparciu o układ 74123 tylko w jednym obwodzie wejściowym i podłączony na stałe do wejścia startującego licznika impulsów.

Przykładowy detektor

Często stosowanymi detektorami są bariery fotooptyczne które pozwalają na ‘złapanie’ położenia poruszającego się ciała bez zaburzania jego ruchu. Prosta bariera optyczna pokazana jest na schemacie na rys 13.

Rys. 13. Przykładowy detektor – bariera optyczna. W przypadku stosowania białej diody LED odległość między dioda oświetlającą a fototranzystorem nie powinna przekraczać paru centymetrów. Stosując lasery półprzewodnikowe możemy zwiększyć odległość do paru metrów, W takim wypadku nie montujemy opornika 470 Ω

Bariera fotoelektryczna składa się z jasnej diody świecącej oświetlającej fototranzystor którego sygnał jest wzmacniany w dodatkowym tranzystorze. Zasłonienie fototranzystora powoduje, że przestaje przez niego płynąć prąd. Tranzystor dodatkowy nie jest więc wysterowany i na wyjściu panuje stan wysoki. Ponowne odsłonięcie fototranzystora powoduje wysterowanie tranzystora dodatkowego który zwiera wyjście z masą.

Przy odległościach 3-7cm, nie jest konieczne użycie jakichkolwiek elementów optycznych skupiających światło. Przy większych – warto zaopatrzyć zarówno źródło jak i detektor w obiektywy. Przy dużych odległościach warto poeksperymentować z laserami jako źródłami światła.

Warto poeksperymentować z innymi rodzajami detektorów – na przykład przygotować sobie detektory składające się z kontaktronu wykrywającego zbliżenie niewielkiego magnesu.

Licznik impulsów

Licznik impulsów służy do zliczenia wielu pobudzeń detektora. Może być użyty przy wyznaczaniu częstości drgań wahadła. Warto wtedy policzyć czas nie pojedynczego okresu drgań, ale kilkuset cykli.

Licznik jest startowany pojedynczym impulsem który zeruje liczniki i ustawia przerzutniki których stan jest wyprowadzony na płytę czołową zegara. Liczniki zliczają impulsy wejściowe do momentu gdy nie przepełni się druga (dla pierwszego przerzutnika) lub trzecia (dla drugiego) dekada licząca. Jeśli liczniki doliczą odpowiednio do 100 i 1000, kasują odpowiadające sobie przerzutniki wyłączając sygnał na wyjściu układu.

Układ kasowania jest wrażliwy na długość impulsu startującego. Tak długo jak długo sygnał startujący jest aktywny, tak długo liczniki ignorują impulsy doprowadzone do wejścia zliczającego. Dlatego impuls zerujący musi być skrócony do kilku milisekund, tak by nie doszło do ‘połknięcia’ żadnego impulsu z wejścia.

Rys. 14. Licznik impulsów. Na wyjściu licznika pojawia się sygnał od momentu przyjścia impulsu startującego i trwa do momentu gdy na wejściu zegarowym nie pojawi się setny lub tysięczny (w zależności od wyjścia) impuls.

Na schemacie zaznaczono układ ręcznego zerowania licznika. Układ ten ma wyjście pozwalająca na dołączenie wejść zerowania układów separacji pierwszego impulsu układów wejściowych.

Zastosowania

Układ zegara może być stosowany wszędzie tam gdzie potrzebny jest pomiar czasu. Dysponując proponowanym układem zegara możemy przygotować doświadczenia pokazujące ruch jednostajnie przyspieszony wózka zjeżdżającego po równi pochyłej, ruch jednostajny prostoliniowy poduszkowca na torze powietrznym, czas wciągania ciężarka windą elektryczną.

Po przygotowaniu bariery optycznej w której źródłem światła są lasery wyjęte ze wskaźników laserowych można zegara użyć na boisku szkolnym do dokładnego pomiaru czasu na przykład w biegu na 100m. Przygotowując detektor prądu oparty na transoptorze, możemy mierzyć czas włączenia dowolnych odbiorników prądu w czasie doświadczeń z prądem elektrycznym.