Электронные устройства для измерения времени
Оборудование: 1) прибор для измерения времени реакции и координации движений; 2) блок питания 5 В.
Цель работы: данная лабораторная работа по электронике медицинской направленности предназначена для изучения 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. Ряд профессий предъявляют 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 водителя транспорта является способность оперативно реагировать на сигналы светофора, иметь быструю реакцию, позволяющую избежать аварий в сложной дорожной обстановке.
В данной лабораторной работе приведены две из множества конструкций 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. 1).
2. Генератор импульсов на элементах DD.1.1 – DD1.3 (рис. 1).
3. Счетчик импульсов на микросхеме К155ИЕ5 (рис. 2).
4. Дешифратор К155ИД3 со светодиодными индикаторами (рис. 2)
5. Блок индикации входных и выходных сигналов счетчика (рис. 3).
Для изучения особенностей подачи импульсов на цифровые устройства в ручном режиме введены дополнительно две схемы (рис.1):
1) непосредственная подача импульсов от механической кнопки;
2) механическая кнопка отделена от счетчика триггерной схемой.
Треморометр состоит из двух основных частей: звукового и светового сигнализаторов (рис. 4). Треморометром можно пользоваться либо самостоятельно, либо совместно со счетчиком импульсов.
Изменение режима подачи входных импульсов на счетчик осуществляется при помощи переключателя S5 (рис.1 и 2).
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 "Генератор".
На лицевой панели прибора расположены 16 светодиодов в виде траектории падающего тела и пульт с кнопками "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. 1). Генератор собран по типичной схеме с тремя инверторами. Времязадающую 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 испытуемый 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: одноразрядного 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 переключатель S2 "Реле включено – градуировка" (рис. 1). Если переключатель S2 находится в замкнутом состоянии ("Реле включено"), то схема работает так, как описано выше. То есть при нажатии кнопки "Пуск" генератор начинает работать через некоторое время (2 – 8 с), определяемое 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 (рис. 3) позволяет визуально регистрировать уровень логической "1" (по свечению светодиода). Для этого применяются микросхема К155ЛА8 с открытым коллектором и повышенной нагрузочной способностью, соединенная с выходами счетчика, и транзистор КТ315Б, соединенный со входом счетчика.
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? Так называют 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 то и приводят к ложным срабатываниям цифровых устройств. Для устранения дребезга контактов обычно вводят дополнительный RS-триггер. На рис. 1 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 наличие дребезга контактов, следует нажать на кнопку S4.
Треморометр
Название прибора происходит от латинского слова tremor, т.е. дрожание. Тремор – это непроизвольные колебательные движения всего тела или отдельных его частей. Чаще всего они охватывают пальцы рук, веки, язык, нижнюю челюсть, голову. У здоровых людей тремор может возникать вследствие мышечного напряжения, эмоционального возбуждения, действия холода.
Предлагаемый прибор позволяет оценивать тремор пальцев рук и тренировать пальцы. Для этого испытуемый должен ввести специальный щуп с иглой на конце в узкое отверстие в металлической пластине и удержать его около минуты так, чтобы не касаться краев отверстия, или провести щуп внутри лабиринта сложной конфигурации с узкой прорезью. Любой человек неизбежно коснется края отверстия или прорези лабиринта. Число касаний тем больше, чем меньше диаметр отверстия или ширина прорези. Чем более спокоен или менее утомлен человек, тем меньше тремор, а значит, меньше число касаний щупом края отверстия. И наоборот, чем больше тремор, тем более утомлен или раздражен человек.
Электрическая принципиальная схема треморометра приведена на рис. 4.
Устройство состоит из двух основных частей: звукового и светового сигнализаторов. В прибор входит щуп-игла и металлический планшет с отверстиями различного диаметра и лабиринтом. Кроме того, имеется возможность подключения щупа в виде металлического кольца небольшого диаметра и проволочной спирали.
В исходном состоянии, когда щуп не касается металлического планшета, на базе транзистора VT4 отсутствует напряжение. Транзистор VT4 закрыт, что эквивалентно бесконечно большому сопротивлению. Таким образом, на коллекторе этого транзистора (и в любой точке схемы звукового сигнализатора) имеется потенциал 5 В.
При касании щупом о металлическую пластину на конденсатор С3 и на базу транзистора VT4 подается положительное напряжение с источника питания. Транзистор при этом открывается и переходит в режим насыщения. Напряжение между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора составляет около 0,1 В. Поэтому на светодиод VD22 и звуковой сигнализатор подается практически все напряжение питания. Загорается светодиод и включается звуковой сигнализатор.
Звуковую часть сигнализатора образуют несимметричный мультивибратор на транзисторах VT5 и VT6, генерирующий электрические импульсы с частотой около 100 Гц, и динамическая головка ВА1, преобразующая эти импульсы в звук. Но мультивибратор подключен к источнику питания не непосредственно, а через транзистор VT4. Это значит, что звуковая часть сигнализатора включается лишь тогда, когда сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора VT4 близко к нулю, т.е. когда он открыт. Таким образом, при касании деталей появляется одновременно световой и звуковой сигналы электронного устройства.
Конденсатор С3 на входе сигнализатора увеличивает длительность реакции устройства на время касания металлических элементов. Даже при кратковременном касании щупом, конденсатор успевает зарядиться до напряжения источника питания, а транзистор VT4 – открыться. Затем, когда контакта между элементами устройства уже не будет, конденсатор начинает разряжаться через резистор R18 и эмиттерный переход транзистора VT4. Как только напряжение на нем снизится до напряжения около 0,6 В, транзистор VT4 закроется, светодиод VD22 погаснет и прекратится звуковой сигнал. Чем больше емкость конденсатора, тем дольше длятся световой и звуковой сигналы. При емкости конденсатора 10 – 20 мкФ длительность сигналов составляет десятые доли секунды, что вполне достаточно для фиксации касания деталей прибора. При большей емкости конденсатора можно несколько касаний засчитать как одно. А если конденсатора не будет или его емкость окажется небольшой, тогда при кратковременном касании вспышка светодиода и звуковой сигнал будут еле заметными.
Для совместной работы треморометра со счетчиком импульсов необходима согласующая схема, выполненная на транзисторе VT3 (на рис. 5 эта схема изображена пунктиром). Дело в том, что первоначально сигнал для счетчика планировалось подавать с коллектора транзистора VT4, который находится то в закрытом, то в открытом состоянии. Однако, за счет работы звукового сигнализатора на коллекторе транзистора VT4 наблюдаются импульсы напряжения с амплитудой около 3 В. В результате, счетчик импульсов считал не одно касание, а серию звуковых импульсов. Поэтому в схему был введен дополнительный транзистор VT3, который работает аналогичным образом, как и транзистор VT4. Переходя из закрытого в открытое состояние и обратно, транзистор VT3 формирует для счетчика один импульс, соответствующий одному касанию.
Выполнение работы
1. Установить на приборе тумблер "Питание" в выключенное состояние. Подвести к прибору (соблюдая полярность!) напряжение питания 5 В от источника питания.
2. Установить исходное положение органов управления прибора: переключатель "Режим подачи входных импульсов" – в положение "Частота генератора", переключатель "Реле времени" – в положение "Реле включено".
3. Включить тумблер "Питание" на приборе. Установить счетчик в нулевое состояние, нажав кнопку "Уст. 0".
4. Используя кнопки "Пуск", "Уст. 0", переменные резисторы "Задержка" и "Частота генератора", убедитесь в работоспособности измерителя времени реакции.
5. Произведите градуировку шкалы времени при двух крайних положениях переменного резистора R5 "Частота генератора". Для этого необходимо установить переключатель реле времени в положение "Градуировка" и обнулить счетчик, нажав на кнопку "Уст. 0". Затем следует нажать на кнопку "Пуск" и подсчитать время 10 – 20 циклов счета. Вычисленные две шкалы времени необходимо изобразить на отдельной полоске бумаги, и расположить около светодиодов.
6. Измерить несколько раз время своей реакции и найти среднее значение (t = ± c).
7. Перевести переключатель "Режим подачи входных импульсов" в положение "Триггерная схема" ("Ручная подача импульсов"). Убедиться в том, что при однократном нажатии на кнопку триггерной схемы, счетчик считает только один импульс.
8. Перевести переключатель "Режим подачи входных импульсов" в положение "Механическая кнопка" ("Ручная подача импульсов"). Нажав 8 – 12 раз на данную кнопку, подсчитать, сколько в среднем импульсов появляется за счет дребезга контактов при однократном нажатии и отпускании кнопки (NНАЖ = ± имп, NОТП = ± имп).
9. Исследуйте работу схемы треморометра (со счетчиком импульсов или без него). Для этого следует вставить в соответствующие гнезда щуп и лабиринт из проволочной конструкции. Можно ограничить время прохождения "лабиринта", а также установить "проходной балл" из штрафных очков (касаний, подсчитанных счетчиком импульсов).
Контрольные вопросы и задания
1. Объясните принцип работы рассмотренных электронных схем.
2. Предложите различные усовершенствования данной конструкции треморометра.
3. Почему в исходном состоянии (когда щуп не касается металлической пластины) нет звукового и светового сигналов?
4. Используя электрическую принципиальную схему измерителя времени реакции, оцените время выдержки реле времени и период следования импульсов генератора. Как можно изменить это время?
5. Почему светодиоды, подключенные к микросхеме DD4, начинают светится при подаче на них напряжения низкого логического уровня (близкого к нулю), а не высокого (близкого к 5 В)?