С.М.РЮМИК
10ОО И ОДНА
МИКРОКОНТРОЛЛЕРНАЯ
СХЕМА
ВЫПУСК 3
Москва
ДМК Пресс
2016

УДК 621.316.544.1 +004.312.46
ББК 31.264
Р97
Рюмик, С. М.
Р97 ЮОО и одна микронтроллерная схема. Вып. 3 / С. М. Рюмик. — М.:
ДМК-Пресс, 2016. - 356 с.: ил. - ISBN 978-5-97060-348-2.
Книга является третьей частью авторского издания под общим титульным названием «1000
и одна микроконтроллерная схема». Ранее в издательстве «Додэка-XXI» вышли в свет две книги
из данной серии: «Выпуск 1» (2010 г.) и «Выпуск 2» (2011 г.). Новая книга «Выпуск 3» служит их
логическим продолжением и дополнением. В ней содержатся электрические схемы сопряжения
микроконтроллеров с внешними устройствами. Основной упор, в отличие от аналогичных по
тематике изданий, делается на рассмотрение небольших, конструктивно завершённых, схемных
узлов.
В книге освещается работа базовых микроконтроллерных подсистем, в частности ввода и
вывода сигналов, питания, тактирования, сброса, программирования. Уделяется должное
внимание популярным интерфейсам: USB, SPI, RS-485, PC, 1-Wire. Приводятся схемы
электрической «обвязки» для популярных плат Arduino, которые тоже содержат микроконтроллеры.
Книгу можно считать справочником типовых решений, поскольку все электрические схемы
систематизированы по разделам и снабжены краткими пояснениями о назначении элементов.
Ссылки на дополнительные материалы и литературу даны в конце каждого из разделов. В общей
сумме в трёх книгах «Выпуск 1 ...3» насчитывается около 3000 схем.
В книге содержится мини-курс, посвященный компьютерному моделированию. Приводится
методика анализа небольших узлов, подключаемых к выводам микроконтроллеров. С помощью
моделирования можно заранее спрогнозировать результат работы устройства без паяльника и
без макетирования «в железе».
Книга будет полезна разработчикам электронной аппаратуры, радиолюбителям (в том числе
начинающим), студентам, а также всем неспециалистам в области электроники, самостоятельно
осваивающим микроконтроллеры.
УДК 621.316.544.1+004.312.46
ББК 31.264
Все права защищены. Никакая часть этого издания не может быть воспроизведена в любой
форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотографирование,
ксерокопирование или иные средства копирования или сохранения информации, без
письменного разрешения издательства.
ISBN 978-5-97060-348-2
© Рюмик, СМ., 2016
© Оформление, Издание, ДМК Пресс, 2016

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 9
Глава 1. Из чего состоит МК
1.1. Загадки терминологии 13
1.2. Историческая справка 16
1.3. Обновлённая классификация МК 19
1.4. Микроконтроллерные новости 21
1.4.1. Мультиядерные МК 21
1.4.2. Гибкие МК 22
1.4.3. МК с сегнетоэлектрической памятью FRAM 22
1.4.4. Беспроводные МК 24
1.4.5. 32-битные МК начального уровня 25
1.4.6. Клонирование МК 26
1.5. Мотивация в изучении МК 27
1.6. Какой МК выбрать? 29
1.7. Внутреннее устройство МК 31
1.7.1. Обновлённая структурная схема МК 31
1.7.2. Центральное вычислительное устройство 32
1.7.3. Память ОЗУ 32
1.7.4. Память ПЗУ 33
1.7.5. Подсистема прерываний 33
1.7.6. Подсистема интерфейсов 34
1.7.7. Подсистема программирования 35
1.7.8. Подсистема питания 36
1.7.9. Подсистема начального сброса 38
1.7.10. Подсистема тактирования 40
1.7.11. Подсистема портов ввода/вывода 42
1.8. Условные обозначения на схемах с идеализированным МК 48
Список использованных источников и литературы к главе 1 54

Глава 2. Типовые схемы узлов ввода МК
2.1. Приём аналоговых и цифровых сигналов 55
2.1.1. Приём сигналов низкого напряжения 55
2.1.2. Приём сигналов высокого напряжения 57
2.1.3. Внутренний аналоговый компаратор 60
2.2. Входные усилители сигналов 62
2.2.1. Усилители на транзисторах и микросхемах 62
2.2.2. Трансформаторная развязка 64
2.3. Механические датчики 65
2.3.1. Энкодеры 65
2.3.2. Кнопки, переключатели 66
2.3.3. Датчики вибрации 67
2.4. Акустические датчики 69
2.4.1. Микрофоны и громкоговорители 69
2.5. Оптические датчики 70
2.5.1. Дискретные фотодатчики 70
2.5.2. Интегральные фотомодули 71
2.5.3. Оптопары 73
2.5.4. Датчики с открытым оптическим каналом 74
2.6. Температурные датчики 75
2.6.1. Терморезисторы 75
2.6.2. Термопары 77
2.6.3. Интегральные термодатчики 78
2.7. Погодные датчики 78
2.7.1. Датчики атмосферного давления 78
2.8. Прочие схемы узлов ввода 80
Список использованных источников и литературы к главе 2 84
Глава 3. Типовые схемы узлов управления и тактирования
3.1. Формирователи сигнала начального сброса 87
3.2. Внешние источники опорного напряжения 90
3.3. Стабилизация тактовой частоты 91
3.4. Приём тактовых сигналов 92
3.5. Прочие схемы тактирования 93
Список использованных источников и литературы к главе 3 94
Глава 4. Типовые схемы подачи питания на МК
4.1. Параметрические стабилизаторы напряжения 95
4.2. Линейные интегральные стабилизаторы 96
4.3. Импульсные DC/DC-преобразователи напряжения 97
4.4. «Импульсно-линейные» источники питания 98
4.5. Электронное включение/выключение питания 99
4.6. Фильтрация питания 102
4.7. Прочие схемы организации питания 103
Список использованных источников и литературы к главе 4 106

Глава 5. Типовые схемы узлов вывода МК
5.1. Светодиодные индикаторы 108
5.1.1. Одиночные светодиоды 108
5.1.2. Сокращение числа соединительных линий ПО
5.1.3. Одиночные светодиоды с буферными элементами 111
5.1.4. Цепочки светодиодов 114
5.1.5. Линейки светодиодов 115
5.1.6. Светодиодные матрицы 116
5.1.7. Двухцветные светодиоды 119
5.1.8. Трёхцветные светодиоды 120
5.1.9. ИК-светодиоды 121
5.1.10. Многоразрядные семисегментные индикаторы 122
5.1.11. Уплотнение сигналов в семисегментных индикаторах 124
5.1.12. Буквенно-цифровые индикаторы 126
5.1.13. Алфавитно-цифровые OLED-модули 127
5.1.14. Цветные OLED-дисплеи 131
5.1.15. Лазерные излучатели 132
5.1.16. Мигающие светодиоды 134
5.1.17. Излучатели внутри оптопар 134
5.2. Накальные и газоразрядные индикаторы 138
5.2.1. Электрические лампы накаливания 138
5.2.2. Ваккуумные индикаторы семейства Nixie 141
5.2.3. Низковольтные люминесцентные вакуумные индикаторы 143
5.2.4. Прочие газоразрядные индикаторы 144
5.3. Жидкокристаллические индикаторы 146
5.3.1. Семисегментные ЖКИ 146
5.3.2. Алфавитно-цифровые ЖК-модули (АЦЖК) 146
5.3.3. ЖК-дисплеи 151
5.4. Звуковая система 152
5.4.1. Ультразвуковые излучатели 152
5.4.2. Транзисторные усилители звука 153
5.4.3. Интегральные усилители звука 155
5.4.4. Генерация звука через ШИМ 156
5.4.5. Генерация звука через ЦАП 158
5.4.6. Формирование огибающей 159
5.5. Ключевые узлы 160
5.5.1. Транзисторные ключи 160
5.5.2. Узлы управления параметрами 162
5.6. Электродвигатели 163
5.6.1. Транзисторное управление двигателями 163
5.6.2. Управление двигателями через мостовые схемы 166
5.6.3. Микросхемы управления двигателями 168
5.6.4. Шаговые двигатели 170
5.6.5. Серводвигатели 171

5.7. Генерация, модуляция, переключение сигналов 172
5.7.1. Формирование телевизионных сигналов 172
5.7.2. Коммутация сигналов с участием МК 176
5.7.3. Подключение ЭРИ к внешнему тракту 177
5.7.4. Генерация сигналов 178
5.8. Силовая электроника 180
5.8.1. Элементы Пельтье 180
5.8.2. Механические реле общего применения 181
5.9. Прочие схемы узлов вывода 182
Список использованных источников и литературы к главе 5 187
Глава 6. Типовые схемы комбинированных узлов ввода/вывода
6.1. Информационно-измерительные узлы 194
6.2. Схемы с программной обратной связью 197
6.3. Подключение внешних АЦП 199
6.4. Опрос состояния кнопок и переключателей 200
6.5. Опрос тастатуры 202
6.6. Сокращение числа линий при опросе кнопок 204
6.7. Измерение частоты 207
6.8. Светоизлучатели и фотоприёмники 207
6.9. Датчики со знакопеременным напряжением 209
6.10. Прочие схемы узлов ввода/вывода 211
Список использованных источников и литературы к главе 6 216
Глава 7. Типовые схемы интерфейсных узлов
7.1. СОМ-порт 218
7.2. Интерфейс USB 220
7.3. Интерфейс CAN 222
7.4. Интерфейс «І-Wire» 223
7.5. Интерфейс «К-Line» 224
7.6. Интерфейс PC 226
7.7. Интерфейсы UART/USART 230
7.8. Интерфейс RS-485 232
7.9. Интерфейс «Токовая петля» 235
7.10. Часы реального времени RTC 236
7.11. Интерфейс SPI 238
7.12. Интерфейс карт памяти MMC/SD 241
7.13. Работа с навигационными модулями GPS 246
7.14. Интерфейс MIDI 248
7.15. Интерфейс S/PDIF 251
7.16. Прочие интерфейсы 252
Список использованных источников и литературы к главе 7 256
Глава 8. Типовые схемы автономных устройств
8.1. Микроконтроллерные модули питания 259
8.2. Встраиваемые микроконтроллерные узлы 260
8.3. Измерительные устройства 262

8.4. Самостоятельно значимые устройства 267
8.5. Вблизи от терменвокса 271
8.6. Устройства автоматики 274
8.7. Дорабатываемые устройства 275
Список использованных источников и литературы к главе 8 277
Глава 9. Схемы для Arduino
9.1. Кратко про Arduino 280
9.1.1. Постановка задачи 280
9.1.2. На кого рассчитан проект Arduino? 281
9.1.3. Платформа «Ореп» 281
9.1.4. Историческая справка 283
9.1.5. Особенности Arduino 283
9.1.6. Тестовая проверка Arduino 285
9.1.7. Философия Arduino 291
9.2. Схемы подключения Arduino 291
9.2.1. Схемы с цифровыми входами 292
9.2.2. Схемы с аналоговыми входами 294
9.2.3. Схемы цифровых выходов 297
9.2.4. Схемы аналоговых выходов 300
9.2.5. Комбинированные схемы со входами и выходами 303
9.2.6. Конструкции на базе Arduino 306
Список использованных источников и литературы к главе 9 309
Глава 10. Схемы, не рекомендуемые к применению
10.1. О достижении цели 311
10.2. Примеры анализа электрических схем 312
10.2.1. Разноцветный «светодинамик» 312
10.2.2. Помехи в канале АЦП 313
10.2.3. Внешняя нагрузка на выходе Arduino 314
10.2.4. Arduino в качестве конвертора USB-UART 316
Список использованных источников и литературы к главе 10 318
Глава 11. Среда моделирования Micro-Cap
11.1. Компьютерное моделирование 319
11.2. Micro-Cap: ограничения, версии, установка 323
11.3. Технология рисования схем в Micro-Cap 326
11.4. Базовые логические элементы 329
11.4.1. Схема замещения КМОП-инвертора 329
11.4.2. Компоненты замещения из библиотеки Micro-Cap 330
11.4.3. Схема замещения КМОП-триггера Шмитта 331
11.4.4. Схема замещения КМОП-инвертора с регулируемыми фронтами. . . . 332
11.4.5. Моделирование аналоговых входов/выходов МК 334
11.4.6. Модели в формате IBIS 335
11.4.7. Текстовая макромодель инвертора для МК 336
11.4.8. Экспериментальное уточнение параметров макромодели 338

11.5. Моделирование подсистем МК 341
11.5.1. Моделирование подсистемы питания 341
11.5.2. Моделирование подсистемы начального сброса 342
11.5.3. Моделирование подсистемы тактирования 343
11.5.4. Моделирование подсистемы портов ввода/вывода 344
Список использованных источников и литературы к главе 11 346
Послесловие 347
Приложения
Приложение 1. Ссылки и адреса в Интернете 349
Приложение 2. Список аббревиатур 353

ВВЕДЕНИЕ
Человек вырастает по мере того, как растут его цели
(Фридрих Шиллер)
Эта книга предназначена в первую очередь для электронщиков, а каждый
электронщик в душе немного «Художник», немного «Трудяга», немного
«Прагматик» и немного «Альтруист».
«Художник» подталкивает человека к поиску нестандартных способов
решения сложных проблем, к изобретению новых электрических схем, к изучению
новых языков программирования. Он даёт творческие силы, вдохновение и желание
создавать то, чего раньше никто не делал, а также придумывать то, до чего раньше
никто не смог додуматься.
К сожалению, гениальные идеи и озарение иногда уводят в сторону от простых
и ясных решений, а отсутствие похвалы может отбить охоту к творчеству. Тем не
менее художественная жилка заставляет электронщика ювелирно подстраивать
электрические параметры с точностью до милливольта, красиво рисовать
электрические схемы, симметрировать проводники на печатной плате,
оптимизировать «до байта» программный код и писать подробные комментарии в листингах.
Награда за лишнюю трату времени — глубокое моральное удовлетворение от
проделанной работы.
«Трудяга» просыпается в человеке тогда, когда приходится действовать в
единой команде под общим началом. Здесь не столь важно, какую именно часть
изделия предстоит спроектировать. Главное, успеть в срок, не подвести товарищей.
А для этого можно допоздна посидеть с паяльником в руках над макетной платой,
ещё раз дотошно перепроверить результаты измерений, протестировать
программу на устойчивость к воздействию граничных условий. Оригинальные решения и
блестящие идеи, само собой, отходят на второй план. Лучше пойти по
проторенной дороге и гарантированно получить результат без всяких неожиданностей.
«Прагматик» в человеке больше всего обеспокоен личными интересами и
финансовым благополучием. Это под его тихое «нашёптывание» электронщик
штампует безликие, но очень прибыльные проекты, думая о хлебе насущном и
предстоящих покупках в магазине. Личные и семейные проблемы берут верх над
мечтой о великом, а текучка съедает все мысли о необходимости дальнейшей
учёбы и самосовершенствования. Домашние поделки «прагматик» мастерит не
спеша, пытаясь найти любые оправдания задержкам. А если и делает, то с чьей-либо
помощью, перекладывая часть забот на чужие плечи. Для изготовления, как
правило, выбираются эффектные приборы с броским внешним видом, чтобы набрать
баллы значимости в глазах у окружающих.

«Альтруист» скрыт в электронщике как «чёртик в табакерке». Никогда заранее
не знаешь, что он задумал и когда проявит себя во всей красе. Примеры —
неожиданный творческий порыв раздачи умных технических советов, генерация
оригинальных схемных решений и дельных подсказок на форумах в Интернете, когда
можно было бы и промолчать, написание бесплатных компьютерных программ,
дарение радиодеталей малознакомым людям, безвозмездный ремонт
радиоаппаратуры — да мало ли что ещё!
У каждого из четырёх перечисленных типажей характера есть плюсы и
минусы. «Художник» заведует творческими способностями, но склонен к
чрезмерному усердию и самовосхвалению. «Трудяга» воспитывает в человеке дисциплину и
стимулирует достижение конечной цели, но он панически опасается перемен и
изменения правил. «Прагматик» может далеко наперёд просчитать развитие
ситуации, но делать работу любит за чужой счёт. «Альтруистом» быть хорошо, но
постоянно им быть весьма накладно.
Возвращаясь от лирического отступления к трудовым будням, можно сказать,
что настоящая книга предназначена для всех электронщиков безотносительно
того, какой характер в них преобладает. Если внимательно присмотреться, то и в
данной книге можно найти аналогичные психологические моменты. Например,
придумать классификацию и рассортировать по порядку микроконтроллерные
схемы — это творчество; собрать информацию из разных журналов, книг,
Интернета — это большой труд; выбрать из массы технических решений только
практически значимые — это прагматизм; решиться написать третью книгу после
«хождения по мукам» с двумя первыми — это альтруизм по отношению к читателям.
В 2010 и 2011 г. в издательстве «Додэка-XXI» были выпущены две авторские
книги «1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 1» и «1000 и одна
микроконтроллерная схема. Вып. 2» (далее — «Выпуск 1» и «Выпуск 2»). В них представлены
сведения об архитектуре микроконтроллеров (МК), дана классификация
микроконтроллерных семейств, сделан подробный анализ так называемого
«идеализированного» МК на структурном, функциональном и логическом уровнях. В
отдельных главах проанализированы типовые схемы узлов различных подсистем:
ввода/вывода сигналов, питания, начального сброса, тактирования,
программирования.
Настоящая книга является логическим продолжением первых двух выпусков.
Стиль, подача материала, оформление первоисточников остаются прежними. К
каждой схеме даются краткие пояснения. Иногда их больше, иногда их меньше,
что зависит от объёма графики на странице. Главное, что схемы и пояснения
физически находятся в одном и том же месте, перелистывать книгу не требуется.
Схемы надо изучать внимательно, «торопясь, не спеша». Краткость изложения
приводит к тому, что осмысление логики работы устройства заставляет человека
тренировать свой мозг и строить разные гипотезы о том, как же всё-таки эта схема
работает. Процесс похож на разгадывание ребуса или участие в квесте. Ответы на
возникающие вопросы могут находиться в пояснениях к другим схемам,
имеющим аналогичное построение.
На основе существующих схем можно разрабатывать свои собственные.
Недаром в любом деле ценятся специалисты, проявляющие креативность — т.е. умение
создавать новое знание. А новое знание лучше всего создаётся на базе старого.

Все представленные в настоящей книге схемы рассортированы и разложены
«по полочкам» согласно принятой ранее классификации. В книгу вошли новые
подразделы, новые интерфейсы, новые перспективные направления, например
Arduino. Это ответ на постоянное совершенствование архитектуры МК и
увеличение функциональных возможностей микросхем.
Объём каждой из трёх книг не выходит за пределы 400 страниц. Это,
думается, оптимальный вариант для компактного хранения на книжной полке каталога
электрических схем, который всегда должен быть под рукой. Разумеется,
существуют и электронные версии книг, предназначенные для чтения текста с экрана
компьютера. Правда, опыт многих поколений показывает, что держать в руках
бумажный фолиант намного приятнее и привычнее.
В теоретической части книги (глава 1) освещаются новые тенденции в
классификации МК, уточняется их внутреннее устройство в свете появления недорогих
моделей с разрядностью 32 бита. Приводятся условные графические обозначения,
принятые в электрических схемах, содержащих идеализированный МК. Они в
основном остались прежними, хотя добавились и новые.
В практической части книги (главы 2... 10) представлен сборник схемных
решений для подключения к МК входных, выходных, комбинированных узлов, а
также интерфейсов, измерительных блоков, автономных приборов, устройств
автоматики, конструкций с модулем Arduino. Многие электрические схемы взяты из
интернациональной части Интернета, поэтому ссылки на их описания могут быть
на английском, китайском, японском, немецком, нидерландском, греческом,
турецком, итальянском и других языках.
В сумме с двумя первыми книгами получается справочник, состоящий почти
из 3000 микроконтроллерных схем. Это уже вполне солидный капитал, с которым
можно достаточно профессионально проектировать разнообразные устройства на
основе 8-, 16- и 32-битных МК.
В программной части книги (глава 11) содержится обзор бесплатных систем
компьютерного моделирования электронных схем. Для повседневной
работы предлагается «студенческая» версия программы Micro-Сар фирмы Spectrum
Software, переведенная на русский язык. Она достаточно популярна среди
радиолюбителей, благодаря неограниченному сроку действия и простоте инсталляции.
Большим подспорьем при изучении Micro-Сар служат примеры схем,
размещённые в Интернете, а также добротная учебная литература, издаваемая на
русском языке. Моделирование позволяет без паяльника выяснить, будет ли работать
схема, а если будет, то с какими параметрами и характеристиками.
В отношении МК — моделирование проводится на уровне подключения
внешних контактов. Это позволяет использовать в качестве объектов моделирования
практически все электрические схемы, приведенные в данной книге. Реальные
радиоэлементы легко заменяются их виртуальными аналогами: резисторами,
конденсаторами, транзисторами, диодами, переключателями, электронными
ключами. Входные сигналы имитируются многофункциональными
виртуальными генераторами. Источники питания — батареями. При этом ошибки в
электрических соединениях не приведут к фатальным последствиям, ведь воображаемые
радиодетали не горят и не плавятся.

В справочной части книги (приложения 1, 2) приводится вспомогательная
информация, дополняющая общую картину Отдельный компакт-диск к книге не
прилагается. В эпоху широкого распространения Интернета нет смысла
дублировать ту информацию, которую можно свободно скачать в Сети.
Ссылки на литературу и интернет-источники даются отдельно для каждой
главы книги. Это хорошее подспорье тем, кто планирует дальнейшее
самообразование. Библиография получилась с преобладанием английского языка, который в
последнее время становится «лингва франка» в микроконтроллерном деле. Это
объективная реальность, и к ней надо приспосабливаться.
Некоторые схемы, приведенные в настоящей книге, были специально
изменены (по сравнению с оригиналом), чтобы учесть особенности
идеализированного МК. Привнесённые «улучшизмы» никак не умаляют заслуг авторов этих схем.
Они являются первопроходцами, и им выражается глубокая благодарность и
признательность.
Порядок изучения материала в книге непринципиальный, но главе 1 всё-таки
надо отдать предпочтение, чтобы освежить в памяти условные графические
обозначения и разобраться в нововведениях внутреннего устройства МК.
Электрические схемы из глав 2...9 можно просматривать в любом порядке, в
зависимости от поставленной цели. Как и прежде, рекомендуется освоить метод
беглого пролистывания большого количества схем.
Во многих случаях важно не само техническое решение, а понимание того,
насколько сложно оно реализуется на практике и с какими трудностями
придётся столкнуться при составлении программы. Здесь как раз и поможет краткий
сборник схем, подсказывающий пути решения проблемы, которые уже кем-то и
когда-то были пройдены.
В настоящем издании использованы идеи, принципы и концепции,
опубликованные в открытой литературе, печатных журналах, в Интернете. Это не
противоречит части 4 статьи 6 Закона Российской Федерации «Об авторском праве и
смежных правах»: «Авторское право не распространяется на идеи, методы,
процессы, системы, способы, концепции, принципы, открытия, факты».
Автор книги и издательство предоставляют материалы, программы и схемы на
условиях «как есть» («as is»), без каких-либо гарантий отсутствия ошибок и
соответствия требованиям промышленных и государственных стандартов. Автор
книги и издательство не несут юридической ответственности за прямые или
косвенные, преднамеренные или случайные повреждения, возникшие в результате
использования схем и прочей информации из данной книги.

ГЛАВА 1
ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ МК
Кто знает аз да буки, тому и книга в руки
(Русская пословица)
1.1. Загадки терминологии
За последнее время в техническом мире появилось много названий, в которых
содержатся в разной комбинации слова: «микро», «мини», «нано», «контроллер»,
«компьютер», «процессор». Термины звучат похоже, но по физической сути они
заметно различаются.
Микропроцессор (рус. МП, англ. MPU, Micro Processing Unit) — дословно
означает «компактное процессорное устройство» или «процессор на одном
кристалле». Относится к устаревшим ныне типам микросхем: Intel-8080, КР580ВМ80А,
Z-80 и т.д. МП содержит вычислительное ядро, но без ОЗУ, ПЗУ и периферийных
схем.
Считается, что слово «microprocessor» было введено в обиход фирмой Viatron
Computer Systems, анонсировавшей в 1968 году одноимённую малую
компьютерную систему. Сейчас на смену микропроцессорам пришли быстродействующие
чипсеты, применяемые в материнских платах компьютеров. По
функциональному назначению они являются центральными управляющими процессорами.
Приставка «микро» к ним явно не годится.
Микрокомпьютер (microCPU, micro Central Processing Unit) — общий термин,
который в разное время обозначал разные вещи:
1956 год — микрокомпьютер впервые упоминается в фантастическом
рассказе Айзека Азимова «The Dying Night» как портативное вычислительное
устройство далёкого будущего;
1960... 1970-е годы — появились небольшие вычислительные комплексы для
научных экспериментов, которые по сравнению с громоздкими ламповыми
ЭВМ, занимавшими целые комнаты в здании, напоминали
микроминиатюрный компьютер;
1970-е годы — были разработаны инженерные калькуляторы фирмы Hewlett-
Packard. Для широкой публики они рекламировались как настольные
вычислительные машинки «а-ля микрокомпьютер»;
1970... 1980-е годы — микрокомпьютерами стали называть 8-битные
компьютеры индивидуального пользования «Apple-ІІ», «Commodore-64», «ZX-
Spectrum» за их малые габариты и впечатляющие игровые возможности;

1980-е годы — появилась линейка процессоров фирмы Hitachi «SuperH
microcomputer SH7000 series». Слово «microcomputer» применительно к
обозначению одной микросхемы — это явное преувеличение. Но маркетологам
можно поставить большой «плюс» за оригинальный рекламный ход,
призванный подчеркнуть достоинство новой продукции;
1990-е годы — радиолюбители стран СНГ освоили массовое производство
домашних микрокомпьютеров: «Специалист», «Радио-86РК», «Орион-128»,
самодельных клонов «ZX-Spectrum»;
1990...2000-е годы — нарицательное название «микрокомпьютер» стали
использовать для любых встраиваемых систем управления в бытовую и
автомобильную технику Например, микроволновая печь с микрокомпьютером,
автомобиль с встроенным микрокомпьютером или спортивный тренажёр,
управляемый от микрокомпьютера;
2010-е годы — новая «реинкарнация» старого термина. Теперь к
микрокомпьютерам относят небольшие (с ладонь человека) одноплатные системы
типа Rapsberry Pi или CubieBoard. Они обладают низким
энергопотреблением, мощным МК и собственной операционной системой. По
производительности эти устройства близки к планшетам, но обеспечивают прямой
доступ к портам GPIO и поддерживают разнообразную периферию. Вместо
монитора используется видеовыход HDMI или матрица светодиодов, как в
«школьном» микрокомпьютере «Micro:bit» фирмы ВВС.
Нанокомпъютер (nanoCPU). В 2015 году российская фирма «Умная
электроника» анонсировала сверхкомпактный сетевой встраиваемый «нанокомпьютер»
Black Swift, ориентированный на разработки для «умного дома» и Интернета
вещей.
Black Swift выполнен в виде печатной платы с габаритами 25x35x4 мм, что
сопоставимо с размерами SD-карты. Схема и программное обеспечение являются
открытыми. Операционная система Linux.
Black Swift содержит чипсет Qualcomm Atheros AR933 с 32-битным
процессором на ядре MIPS 24К, работающим на частоте 400 МГц. Объём ОЗУ составляет
64 Мбайт, объём флеш-памяти — 16 Мбайт. Модуль поддерживает интерфейсы:
USB 2.0, Ethernet, Wi-Fi 802.11b/g/n.
Нанокомпьютер способен функционировать сразу после подачи на него
питания, можно от разъёма USB или от одного литиевого аккумулятора, которого,
по данным разработчиков, должно хватить на 24 часа непрерывной работы при
включённом Wi-Fi.
Мини-компьютер (mini-PC, mini Personal Computer, компьютер-флешка) — это
новое, бурно развивающееся направление, поддерживаемое ведущими
изготовителями электроники. Речь идёт о малогабаритных изделиях, напоминающих
USB-флешку, внутри которых размещаются: основной и графический
процессоры, ОЗУ, память с записанной операционной системой, модуль Wi-Fi. На корпусе
устройства находятся несколько разъёмов, в том числе USB, microSD, HDMI, к
которым могут подключаться: клавиатура, мышь, принтер, внешняя память,
монитор, цветной телевизор.

Основные возможности мини-компьютеров можно проследить на примере
HDMI-донгла Intel Compute Stick [1-1]. Внутри небольшого девайса
размещается четырёхъядерный процессор Intel Atom, а также 2 ГБ оперативной и 32 ГБ
постоянной памяти. Предустановлена ОС Windows 8.1, но может выпускаться с
ОС Linux Ubuntu, что на треть дешевле. «Compute Stick» предназначен для
подключения к мониторам и телевизорам, которые имеют разъём HDMI. В
устройстве предусмотрен слот microSD, модули беспроводной связи Wi-Fi 802.11 b/g/n,
Bluetooth 4.0 и стандартные порты USB, microUSB.
Программируемый логический микроконтроллер (рус. ПЛМ, англ. PLM,
Programmable Logic Microcontroller) — это небольшой, конструктивно
законченный блок промышленной автоматики, в котором содержатся: процессор (МК),
источник питания, схемы сопряжения, разъёмы ввода/вывода, реле, кнопки
управления, дисплей. Конструктивно устройство устанавливается на DIN-рейку
промышленного стандарта. Выпускают фирмы Siemens, Schneider Electric, Unitronics.
Иногда такие изделия называют «интеллектуальное реле».
По классификации ПЛМ относятся к общей группе программируемых
логических контроллеров (ПЛК). Название «микро» для них вводится потому, что
конструктивно различают ещё малые, средние и большие ПЛК.
Микроконтроллер (рус. МК, англ. uC, MCU, Micro Controller Unit) — в
стандартном понимании это программируемая СБИС, предназначенная для
управления внешними электронными устройствами в режиме реального времени. На
одном кристалле МК размещаются: процессорное ядро, оперативная и
долговременная память, регистры управления, программируемые порты ввода-вывода,
аналоговые и цифровые интерфейсы. Компактность, многофункциональность,
простота программирования и низкая стоимость — вот главные достоинства МК,
способствующие их широкому применению в самых разных отраслях техники.
Прикладной процессор (Application Processor, процессор применений) — этот
термин постепенно завоёвывает свою нишу, всё дальше отделяясь от стандартных
МК. Относится он к тем современным чипам, которые имеют все признаки МК,
но встроенное ОЗУ в них заменяется внешней шиной данных для подключения
высокоскоростной памяти большого объёма.
Слово «микро» к таким чипам на язык не идёт, поскольку они имеют большой
BGA-корпус с числом шариковых выводов от 100 и более. Функционально они
также не «микро», поскольку обеспечивают поддержку очень сложных и
быстродействующих интерфейсов, таких как Gigabit Ethernet и графика высокого
разрешения.
Водораздел между обычными МК и прикладными процессорами можно
условно провести по линейке микросхем с ядром ARM — к стандартным МК относятся
32-битные модели Cortex-МО...М4 и менее мощные, а к прикладным процессорам
относятся модели Cortex-А5...А15 и более мощные.
Пограничным мостом между этими двумя классами может служить новое
семейство МК Cortex-M7, планируемое к выпуску в 2015 году фирмами Atmel,
Freescale Semiconductor, STMicroelectronics. Семейство обладает удвоенной
производительностью по сравнению с более низкими по классу МК, но в нём отсут-

ствует полная линейка интеллектуальных интерфейсов (по сравнению с
прикладными процессорами).
В целом прикладные процессоры примерно в 5... 10 раз производительнее, чем
МК. Они имеют в 100... 1000 раз выше объём памяти. С другой стороны,
энергопотребление и цена МК в разы ниже, а память у них находится внутри корпуса
микросхемы, что способствует микроминиатюризации аппаратуры по габаритам.
Вывод — МК и прикладные процессоры имеют одни и те же корни, но разные
сферы применения. Каждый из них хорош в своём деле, поэтому они мирно
уживаются на рынке. Правда, для радиолюбительского творчества на первый план
выходит цена, а также доступность покупки и простота освоения. Стандартные
МК начального уровня по этим критериям пока вне конкуренции.
1.2. Историческая справка
МК и микропроцессоры исторически шли рука об руку и разрабатывались
примерно в одно и то же время. Первым был запущен в производство
знаменитый 4-битовый микропроцессор Intel 4004. Техническое задание на его
разработку было выдано в апреле 1970 года, первые образцы были поставлены в Японию
в марте 1971 года, а уже через полгода стартовали массовые продажи по всему
миру
Но мало кто помнит, что в том же 1971 году, 31 августа, сотрудником фирмы
Texas Instruments Гарри Буном (Gary W. Boone) была подана патентная заявка,
в которой он в явном виде описывал устройство МК. И хотя патент назывался
«Computing Systems CPU» и слово «микроконтроллер» в нём ещё не прозвучало,
но структурная схема содержала все составляющие микропроцессорной системы
на одном кристалле с встроенной памятью и портами ввода/вывода (Рис. 1.1).
Рис. 1.1. Структурная схема прообраза МК
Заявка рассматривалась 2 года, после чего автор получил официальный патент
U.S. 3,757,306 от 4 сентября 1973 года.
Говорят, что изобретения и открытия происходят из-за необходимости. Так
случилось и с МК. В начале 1970-х годов на фирме Texas Instruments
разрабатывали наборы микросхем для настольных калькуляторов фирм Canon и Olivetti. В
конструкции получалось от 4 до 6 отдельных чипов. Возникла идея — удешевить
продукцию путём сокращения числа микросхем, дополнив микропроцессорное
ядро памятью программ и данных.

Так появились однокристальные «калькуляторы-на-чипе» (Calculator-on-a-
chip) TMS1802, TMS0100 в компактном корпусе DIP-28. Логические ячейки этих
микросхем на заводе-изготовителе могли программироваться под разные задачи.
Правда, воспользоваться революционным изобретением фирме Texas
Instruments в полной мере так и не удалось, поскольку технологии того времени ещё не
позволяли совмещать цифровые и аналоговые тракты, да и коммерческая
проницательность руководителей явно подвела.
Рынок вычислительных устройств в секторе промышленных изделий прочно
заняли микропроцессоры фирмы Intel, а продукция Texas Instruments
сосредоточилась в области потребительской электроники. Дешёвый чип TMS1000,
разработанный в 1974 году, долгое время использовался в калькуляторах, музыкальных
автоматах, электронных играх, бытовой технике, системах охранной
сигнализации — но не более того.
В 1976 году фирмы Intel и Mostek пошли дальше, чем Texas Instruments, и
разработали МК с новой 8-битной архитектурой для более требовательных к
производительности приложений. Главными потребителями новых МК стали
автомобильные концерны и заводы по изготовлению периферийных устройств
(принтеры, факсы, кассовые аппараты). Семейство микросхем Intel MCS-48 было
выпущено в версии с EPROM (модель 8748) и с масочным ПЗУ (модель 8048). Шаг был
сделан в правильном направлении, что подтвердили успешные продажи.
В 1980 году появилось следующее поколение МК с усовершенствованной
архитектурой MCS-51. Надо отдать должное фирме Intel, которая юридически не
препятствовала клонированию новой архитектуры сторонними
изготовителями. Совместимые с MCS-51 микросхемы стали выпускаться на 20 крупных
фирмах, таких как Atmel, Dallas Semiconductor, Wmbond, Silicon Laboratories, Texas
Instruments, Cypress Semiconductor.
Благодаря унификации системы команд и стандартизации интерфейсов
именно с архитектуры MCS-51 началось широкое внедрение МК в системы
промышленной автоматики, любительские разработки и бытовые изделия.
В 1980... 1990-х годах разработчики МК, не сговариваясь, стали дружно
изобретать новые системы команд и новые архитектуры процессорных ядер, отличные от
MCS-51. Так появились не совместимые между собой AVR- и PIC-контроллеры, а
также МК других платформ, курируемые на фирмах: Texas Instruments, Motorola,
Fujitsu, Infineon Technologies, Mitsubishi, NEC, NXP Semiconductors.
Чуть позже стало ясно, что выигрыш в производительности МК, если
рассматривать каждую разработанную архитектуру в отдельности, не велик и не
оправдывает больших финансовых, трудовых и интеллектуальных затрат.
Витавшую в воздухе идею унификации подхватила британская фирма ARM
(ранее Acorn Computers). Она первой догадалась разрабатывать не МК в целом, а
процессорные ядра к ним.
Название новому семейству ядер было дано по названию самой фирмы — ARM.
Далее ядра и сопутствующие программные средства продавались разным
изготовителям с отчислением роялти, т.е. процента от продажи. Процент устанавливался
очень скромным, поэтому ядра раскупались как «блины на Масленицу».

Выгода для разработчика ядер налицо, ведь общее число лицензированных
МК исчисляется миллиардами. Выгода для изготовителей — снижение затрат на
разработку, продвижение и рекламу продукции.
Аббревиатура ARM (Advanced RISC Machine) прочно ассоциируется с МК
разрядностью 32 бита. Первым было разработано ядро ARM1 (1985 год), затем
появились семейства ядер ARM2...11 и, наконец, самое совершенное из них, Cortex.
Слово «Cortex» (рус. «кортекс») латинского происхождения. Обозначает оно
«кору». В стандартном переводе имеется в виду кора обычного дерева, но в
медицине — это кора головного мозга, что довольно близко по смыслу к
вычислительным процессам и программированию.
В Табл. 1.1 приведена действующая классификация версий ARM.
Математически строгой систематизации почему-то не получилось, поэтому надо отличать
архитектуру ARMv7 от семейства ARM7. Кроме того, не надо удивляться, что ядро
Cortex-MO входит в одну, а Cortex-МЗ — в другую версию архитектуры.
Таблица 1.1. Классификация версий ARM
Версия архитектуры
Процессорные семейства (ядра), разработанные на фирме ARM
ARMvl
ARM1
ARMv2
ARM2, ARM3
ARMv3
ARM6, ARM7
ARMv4
ARM7TDMI, ARM8, ARM9TDMI
ARMv5
ARM7EJ, ARM9E, ARM10E
ARMv6
ARM11, Cortex-МО, Cortex-Mi
ARMv7
Cortex-A5...A17, Cortex-R4...R7, Cotrex-M3...M7
ARMv8
Cortex-A53, Cortex-A57, Cortex-A72
Начиная с версии ARMv7, ядра разделяются на профили (Табл. 1.2, Табл. 1.3):
«А» (Application) — высокопроизводительные 32- и 64-битные процессоры
для встроенных систем, они же процессоры применений;
«М» (Microcontroller) — микроконтроллерные системы общего (разного)
назначения;
«R» (Real time) — быстродействующие контроллеры реального времени.
Таблица 1.2. Расшифровка профилей ARM, версия «А»
Ядро
Год
Область применения, комментарии
Cortex-A5
2009
Замена ARM9, ARM11, высокая производительность
Cortex-A7
2011
Смартфоны, улучшенная версия Cortex-А8
Cortex-A8
2005
Применяется в Apple iPhone-3, Apple iPad
Cortex-A9
2007
Применяется в Apple iPhone-4, Apple iPad-2
Cortex- Al 2
2013
Многоядерные МК, быстрее, чем Cortex-А9
Cortex-Al 5
2010
Многоядерные МК, быстрее, чем Cortex-А9
Cortex-Al 7
2014
Новое название Cortex-Al2
Cortex-A53/A57
2012
64-битные процессоры применений
Cortex-A72
2015
64-битные процессоры применений

Таблица 1.3. Расшифровка профилей ARM, версии «М», «R»
Ядро
Год
Область применения, комментарии
Cortex-МО
2009
Облегчённая версия Cortex- МЗ
Cortex-Ml
2007
Матричное ядро для ПЛИС фирм Actel, Altera, Xilinx
Cortex-M3
2004
Версия для МК общего применения
Cortex-М4
2010
Улучшенная-версия Cortex-МЗ с инструкциями DSP
Cortex-M7
2014
Улучшенная версия Cortex-М4 (32/64 бита)
Cortex-R4/R5/R7
2011
Системы реального времени на транспорте
В 1998 году фирма Atmel выпустила первый в мире МК на базе процессора с
архитектурой ARM — ARM7TDMI. Он был оснащён уникальным набором
системной периферии, включая контроллеры прерываний, таймеры и устройства
битовых атомарных операций.
Если рассматривать радиолюбительское творчество, то чаще всего используют
МК с ядрами Cortex-M0, Cortex-МЗ, Cortex-M4, в перспективе — Cortex-M7.
Многие фирмы выпускают примерно одинаковые по параметрам 32-битные
МК. В частности, среди них можно выделить популярные и недорогие
микросхемы с ядром Cortex-МЗ:
АТ91SAM3U1...АТ91SAM3U4 (фирма Atmel);
EFM32G200F16...EFM32G890F128 (фирма Energy Micro);
HT32F1251...HT32F1253 (фирма Holtek Semiconductor);
LPC1111...LPC1769 (фирма NXP Semiconductors);
NUC100...NUC140, M058...M0516 (фирма Nuvoton Technology);
STM32F100...107, STM32L151...162 (фирма STMicroelectronics);
Stellaris-100...9000 (фирма Texas Instruments);
1986BE91T (фирма «ПКК Миландр», Россия).
1.3. Обновлённая классификация МК
Время идёт вперёд, и классификация МК, согласно диалектике, должна
претерпевать изменения. Думается, что общими усилиями, постепенно, шаг за шагом
будет выстроена чёткая система. На сегодняшний день, с учётом замечаний [1-2],
можно предложить следующую классификацию МК:
по разрядности — 1; 4; 8; 16; 32 бита. Имеется в виду разрядность внутренней
магистрали данных, соединяющей процессорное ядро с памятью.
Разрядность адресного пространства и регистров может быть иной. Модели ниже
8 бит относятся к историческому прошлому или узкоспециализированному
настоящему. Модели старше 32 бит относятся к прикладным процессорам;
по архитектурным особенностям:
архитектура процессора — RISC или CISC;
организация памяти — гарвардская или принстонская (фон Неймана);
количество вычислительных ядер — 1; 2; 4; 8;

по форме представления информации:
только с цифровыми входами/выходами (специализированные МК);
с цифровыми входами/выходами и аналоговыми входами
(универсальные МК с АЦП, аналоговым компаратором, блоком ОУ);
с цифровыми входами/выходами и аналоговыми входами/выходами
(«продвинутые» МК с двухканальным ЦАП);
по типу памяти программ:
с масочным ПЗУ (Mask ROM);
с однократно программируемым ПЗУ (OTP ROM);
с электрически перепрограммируемым ПЗУ (англ. Flash, NOR Flash,
рус. ЭСППЗУ, флеш);
с электрически перепрограммируемым ОЗУ (FRAM);
по функциональному назначению:
универсальные с типовым набором проводных интерфейсов;
специализированные с контроллерами двигателей, зарядных устройств,
тачскринов, LCD;
беспроводные с встроенными радиомодулями Bluetooth, RFID, Wi-Fi;
по фирменным платформам — Atmel, Microchip, Motorola, STMicroelectro-
nics, Philips, Texas Instruments, Fujitsu, Samsung и др.;
по напряжению питания:
низковольтные «батарейные» 0.7...2.2 В;
«трёхвольтовые» с напряжением 2.7...3.6 В;
«пятивольтовые» с напряжением 4.5...5.5 В;
широко диапазонные с напряжением 1.8... 5.5 В;
высоковольтные с напряжением более 5 В;
по конструкции:
корпусные (в пластмассовом или металлокерамическом корпусе, с
широким спектром формфакторов от малогабаритных SMD до
крупногабаритных корпусов BGA с «шариковыми» выводами);
бескорпусные на гибкой плёнке (другое название — «гибкие МК»);
«система на кристалле» (объединение разных технологий в одном
корпусе БИС).
Существуют и другие интересные параметры, которыми характеризуются МК,
но они либо не очень значимые, либо их пока рано брать в расчёт.
Знаменательный факт — широко применявшееся ещё несколько лет назад
разделение микросхем на обычные МК и DSP в настоящий момент теряет
актуальность. Сейчас функциями цифровой обработки сигналов наделяются многие
модели универсальных МК общего назначения. Соперничество МК и DSP
постепенно завершается поглощением второго первым.

1.4. Микроконтроллерные новости
Если внимательно проанализировать изменения, появившиеся в обновлённой
классификации МК, то можно заметить новинки, которые может ожидать
большое будущее. К ним, в частности, относятся: мультиядерные МК, МК на гибкой
основе, МК с памятью FRAM, беспроводные МК, а также значительно
подешевевшие 32-битные модели начального уровня. Вчера такие изделия считались
фантастикой, сегодня — верхом совершенства технологии, а завтра?
1.4.1. Мультиядерные МК
Идея создания компьютерных систем с несколькими процессорами (ядрами)
не нова. Попытки предпринимались неоднократно, на всех этапах становления
компьютерной техники. Из конструкций прежнего времени, что были на слуху,
запомнились так называемые «транспьютеры» английской фирмы Inmos.
Транспьютер (англ. Transputer) — это базовая ячейка многопроцессорной
системы, которая выполнена на одном кристалле. Термин происходит от слияния
слов «транзистор» и «компьютер». Это, по мнению разработчиков, должно было
подчёркивать возможность построения мощных компьютерных комплексов по
аналогии с приёмом, заимствованным из схемотехники УМЗЧ, когда уровень
звука увеличивается путём параллельного включения выходных транзисторов.
Первые образцы транспьютерных систем появились в 1987 г. Готовый к
реальному применению 32-битный транспьютерный чип IMST414B был представлен в
1989 г. Но это направление опередило своё время и оказалось слишком
экзотичным для массового потребителя.
Главным достижением транспьютеров можно считать апробацию новых
механизмов сложных параллельных вычислений, что дало понимание разработчикам,
куда двигаться дальше.
В нынешнее время несколькими ядрами в микросхемах никого не удивишь.
В современных компьютерах, планшетах, мобильных телефонах широко
применяются процессоры с количеством вычислительных ядер от 2 до 8. Но в мировом
масштабе это капля в море, если сравнить, например, с китайским
суперкомпьютером «Tianhe-2», имеющим 3 миллиона (!) ядер.
Для МК параллельная архитектура вычислений тоже годится для
использования. Применяется она в следующих случаях.
1) Для распараллеливания вычислительных потоков. Пример — мультиядерные
МК семейства xCORE фирмы XMOS, содержащие внутри от 4 до 16
симметричных логических ядер, а также коммутатор потоков и планировщик задач.
Каждое ядро имеет свой набор регистров. Математические вычисления
производятся в N раз (N ядер) быстрее. Коммутатор и планировщик на аппаратном
уровне выполняют функции, присущие операционной системе реального
времени.
2) Для шифрования информации в так называемых криптографических МК.
Пример — МК AT97SC3204 фирмы Atmel, в котором помимо основного
содержится отдельное ядро криптопроцессора, осуществляющее ускоренное
шифрование внутренних данных в реальном времени.

3) Для размежевания выполняемых функций по сопроцессорному принципу.
Пример — двухъядерные МК F28M35x фирмы Texas Instruments, в которых
имеются основное ядро общего назначения ARM Cortex-МЗ и ядро
сопроцессора DSP. Первое из них служит для обработки прерываний, обмена данными
и слежением за состоянием объекта. Второе ядро занимается чистой
математикой, в частности расчётами сложных алгоритмов управления.
4) Для выполнения разноплановых задач во внутренней сетевой структуре.
Пример — трёхъядерные МК 1892ВМ2...1892ВМ5 производства российской
фирмы «ЭЛВИС». Все они построены по асимметричному принципу — одно
большое центральное и несколько вспомогательных ядер, при этом центральное
ядро руководит всеми действиями системы и распределяет сетевые потоки
информации. Вспомогательные ядра могут использоваться в качестве видео- или
графических акселераторов.
1.4.2. Гибкие МК
Мобильные телефоны и наручные часы, имеющие изогнутый экран,
постепенно входят в наш быт. Логично предположить, что для изогнутого корпуса
таких девайсов нужны гибкие печатные платы с нанесёнными на них эластичными
радиоэлементами. Поскольку МК являются основой практически всех бытовых
электронных устройств, то проблема изгиба корпуса становится актуальной уже
сейчас.
Термин «гибкий МК» ввела в оборот фирма American Semiconductor, которая в
2013 году продемонстрировала семейство микросхем FleX-MCU [1-3]. Это первые
в мире физически эластичные МК, произведённые по технологии 130 нм под
названием Silicon-on-Polymer (кремний на полимере).
Собственно МК размещается на гибкой плёнке и имеет напылённые выводы
для подключения периферии и питания.
Электрические параметры гибкого МК вполне адекватны его назначению и
конструкции:
тактовая частота 20 МГц, память программ 1 Кбайт, ОЗУ 8 Кбайт;
24 линии GPIO, 2 таймера-счётчика, UART, SPI, 3 канала ШИМ, JTAG;
питание 1.2 В (ядро) и 2.5 В (линии ввода/вывода);
68 напылённых выводов 0.16x0.16 мм;
общие габаритные размеры 5.1x5.1 мм;
масса 0.45 мг.
1.4.3. МК с сегнетоэлектрической памятью FRAM
Первопроходцем освоения технологии FRAM считается фирма Ramtron
International. Именно её микросхемы энергонезависимой памяти появились на
рынке примерно 15 лет назад. По цоколёвке выводов и системе команд они были
аналогичны популярному семейству EEPROM 24хх, но обеспечивали в разы
большее быстродействие и практически неограниченный ресурс циклов перезаписи
информации.

Идея заменить встроенную в МК Flash-память более совершенной FRAM-
памятью упиралась в технологические ограничения. Первой сумела их обойти
фирма Texas Instruments, которая в середине 2011 года начала производство МК
семейства MSP430FR57xx, где область памяти программ была выполнена на
энергонезависимой памяти с особыми свойствами.
FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) — это сегнетоэлектрическая
память с произвольным доступом к ячейкам. Информация в ней хранится в
микроминиатюрных конденсаторах, выполненных на основе сегнетоэлектрической
керамики. Диэлектрическая константа сегнетоэлектрика значительно выше, чем у
обычного диэлектрика, поэтому заряд не рассасывается очень долго во времени.
Скорость записи данных в ячейки FRAM сравнима с ОЗУ. Число циклов
перезаписи не ограничивается во времени, т.к. составляет более 1015 раз.
Считается, что МК с FRAM выгодно применять в системах с так называемой
«единой памятью». Объяснить, что это такое, можно на примере автономной
системы сбора информации с удалённых датчиков, в которой данные должны
храниться в МК до очередного сеанса связи. Если объём информации большой, то в
дополнение к стандартному управляющему МК обычно ставят одну или
несколько микросхем внешней памяти EEPROM.
Если заменить обычный МК его аналогом с FRAM-памятью, то можно
сэкономить на микросхемах EEPROM. Идея заключается в том, что в общей
памяти программ МК выделяется достаточно большое по объёму место для хранения
оперативных данных с датчиков. Они записываются в FRAM на большой
скорости и не теряются при пропадании питания. Следовательно, такая система имеет
повышенное быстродействие и хорошие шансы на выживание в экстремальных
условиях.
Концепция «единой памяти» реализована в МК семейства MSP430FR, где
кроме всего прочего существует специальный программный модуль, который
защищает область памяти программ от случайной перезаписи.
Иногда вместо термина FRAM используют термин FeRAM. Надо правильно
понимать, что приставка «Fe» не относится к химическому элементу «феррум»
(железо) из таблицы Менделеева под номером 26. Магнитные поля на
микросхему с FRAM не действуют. В данном случае можно лишь акцентировать внимание
на сходство петли гистерезиса сегнетоэлектрика с петлёй магнитного гистерезиса
железа. В отличие от последнего, гистерезис FRAM обусловлен электрическими,
а не магнитными, диполями.
Основными достоинствами МК с FRAM являются:
низкое энергопотребление, примерно 100 мкА/МГц;
высокая скорость записи (выигрыш, по сравнению с Flash, до 100 раз);
отсутствие высокого напряжения при программировании;
высокая надёжность хранения информации;
устойчивость к воздействию ионизирующих излучений;
произвольный доступ к любой отдельной ячейке памяти, как для чтения, так
и для записи данных.
Недостаток МК с FRAM — высокая цена (хотелось бы надеяться, пока).

1.4.4. Беспроводные МК
Wireless MCU (беспроводные МК) — это новый и весьма перспективный класс
изделий, симбиоз цифровых и радиочастотных технологий. Важно понимать, что
речь идёт не о гибридном модуле, содержащем металлический корпус, внутри
которого на общей печатной плате отдельно размещается МК и отдельно детали
радиоканала, а именно об одной твёрдотельной микросхеме небольшого размера.
Радиочастотная приёмопередающая антенна в состав беспроводного МК не
входит. Она подключается к нему через один или два вывода. В первом случае
используется штыревая, а во втором — петлевая антенна.
Беспроводные МК в зависимости от диапазона частот и применяемых
интерфейсов можно разделить на несколько функциональных групп. Их состав,
классификацию и возможности предлагается проследить на примере линейки
микросхем фирмы Texas Instruments.
1) Семейство RF430FR. Для связи используется коротковолновой радиоканал на
частоте 13.56 МГц. Внутри микросхемы находится микромощный
управляющий контроллер с ядром MSP430 и транспондер RFID (англ. Radio Frequency
IDentification, радиочастотная идентификация). Питание на микросхему
поступает через антенну индукционным способом вместе с информационными
данными. Считывание производится на расстоянии до 20 см. Типовое
применение — система электронных пропусков на территорию предприятия.
2) Семейство СС430. Для связи используются дециметровые волны в полосе
частот УКВ 315...920 МГц. Связь осуществляется на скорости до 500 Кбод между
двумя и более участниками сети. Могут использоваться различные протоколы
передачи информации, как стандартные, так и нестандартные. Внутри одного
чипа интегрирован МК общего назначения с ядром MSP430 и
приёмопередатчик (радиотрансивер).
3) Семейство SimpleLink СС1 lxx, ССІЗхх. Для связи используется дециметровый
радиоканал УКВ в полосе частот 315...920 МГц. Контроллер может иметь ядро
MCS-51 или Cortex-МЗ. Передача цифровых данных производится со
скоростью до 4 Мбит/с на расстояние до 250 м. В простейшем случае такую систему
можно рассматривать как беспроводной удлинитель канала UART с сигналами
RxD, TxD. Допускаются различные сетевые протоколы, в частности 6L0WPAN.
Совмещение цифрового МК и аналогового радиотракта внутри одной
микросхемы позволяет удешевить и миниатюризировать продукцию.
4) Семейство SimpleLink СС2540, СС2640, СС2650. Для связи используется
радиоканал СВЧ на частоте 2.4 ГГц. Поддерживаются протоколы Bluetooth-4.0/4.1,
что удобно при сопряжении с ноутбуком, планшетом, мобильным телефоном.
Строго говоря, внутри такого чипа находится не один, а два МК. Первый из
них, Cortex-МЗ (или MCS-51), является основным, «градообразующим», а
второй, Cortex-МО, входит в состав Bluetooth-ядра и отвечает за сетевой стек.
5) Семейство SimpleLink СС2430, СС2630. Для связи используется радиоканал
СВЧ на частоте 2.4 ГГц. Контроллер с ядром Cortex-МЗ. Поддерживается
протокол ZigBee IEEE 802.15.4. Аналогичные по функциям микросхемы
изготавливаются и другими фирмами: JN5148 (Jennie), МС13213 (Freescale), ЕМ250
(Ember), ZBS240 (Samsung), ATmegal28RFAl (Atmel).

6) Семейство SimpleLink СС32хх. Для связи используется радиоканал СВЧ на
частоте 2.4 ГГц, Базовый контроллер с ядром Cortex-M4. Главная «фишка» —
встроенный модуль Wi-Fi с выходом в Интернет, что позволяет приобщиться к
перспективной технологии «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT, Internet-
on-a-chip). Под этим термином подразумевается совокупность электронных
приборов и бытовой техники, которые обмениваются между собой
информацией прямо через Интернет. Например, используя микросхемы беспроводных
МК, можно осуществить мониторинг состояния температуры и влажности в
квартире, удалённо управлять «умным домом», автоматизировать полив
цветов, включать/отключать освещение, открывать/закрывать двери гаража и т.д.
Серьёзность данного направления подчёркивают сообщения средств
массовой информации о том, что корейская фирма Samsung в 2017 году
планирует завершить строительство нового завода по производству «беспроводных»
микросхем стоимостью $14,4 млрд. Производственная линия в г. Пхёнтхэк
возле Сеула будет крупнейшим за всю историю компании инвестиционным
проектом, который создаст 150 тысяч рабочих мест, а стоимость выпускаемых
микросхем для «Интернета вещей» составит $37 млрд.
1.4.5.32-битные МК начального уровня
Эра доминирования 8-битных МК в любительских конструкциях
постепенно заканчивается. Всё чаще можно встретить разработки на базе недорогих МК с
разрядностью 32 бита. Этому способствует парадоксальная ситуация, когда
стоимость МК начального уровня мало зависит от его разрядности.
В нынешнее время переход в обучении от «8 бит» к «32 битам» происходит, как
правило, без промежуточных «16 бит». В этом есть своя чёткая логика. Дело в том,
что 32-битные МК разных фирм-изготовителей сплошь и рядом базируются на
популярном ядре Cortex, а у 16-битных МК такой общей платформы нет.
Следовательно, разработчику аппаратуры легче один раз изучить особенности
архитектуры Cortex, чтобы в дальнейшем применять свои знания для других семейств МК,
отличающихся в основном периферией. Кроме того, 32 бита — это всё-таки не 16,
со всеми вытекающими последствиями в части повышенного быстродействия и
разнообразия доступных интерфейсов.
Многие изготовители придерживаются именно такой точки зрения.
Например, фирма STMicroelectronics выпускает по состоянию на 2016 год только две
базовые линейки МК: 8-битные STM8 и 32-битные STM32. Модели с разрядностью
16 бит в портфеле заказов отсутствуют.
32-битные МК, базирующиеся на ядре Cortex, стали стандартом «де-факто» во
всём мире. Сферы их применения — от GSM-модулей, измерительной техники и
цифровых книг до контроллеров жёстких дисков и GPS-навигаторов.
Профессиональному эмбеддеру такая ситуация выгодна — не надо
досконально переучиваться, если в разработке вдруг потребуется сменить тип МК. Названия
регистров, система команд, функционирование подсистем будут очень
похожими, поскольку идеология архитектуры одинаковая.
Разработчики микросхем, официально лицензировавшие ядро Cortex,
получают «в подарок» унифицированную систему команд, переносимое программное

обеспечение и добротную RISC-архитектуру. Теперь конкуренция между
разными фирмами-изготовителями переносится в сферу встроенной в МК периферии.
Разработчики соревнуются друг с другом в удобстве программирования,
экономичности, быстродействии, технологии изготовления, издержках производства.
Последнее обстоятельство, кстати, привело к тому, что уже сейчас 32-битные
МК стали такими же па цене или даже дешевле, чем их 8-битные собратья при
сопоставимых или лучших параметрах. «Лучших», в частности, по разрядности и
частоте дискретизации внутренних АЦП и ЦАП, что без сомнения пригодится в
самодельных музыкальных устройствах.
Рядовых пользователей также интересуют практические вопросы, связанные с
доступностью программных средств для 32-битных МК. Здесь тоже всё в порядке.
Поскольку изготовителей микросхем много, значит, и информационная
поддержка на уровне. Компиляторы и системы отладки во многих случаях бесплатные.
Адекватные программисты секретов друг от друга не делают, следовательно,
можно самостоятельно найти нужную информацию в Интернете. При затруднениях
помогут на форумах, где собираются целые сообщества энтузиастов. Массовость
в освоении МК — это большое подспорье как для начинающих, так и для более
опытных.
Последним решающим фактором, перевешивающим достоинства над
недостатками, является наличие в свободной продаже недорогих стартовых плат,
которые специально реализуются почти по демпинговым ценам («для затравки»
потребителя). Они в разы облегчают освоение 32-битных МК. Каждый крупный
изготовитель в этом вопросе постарался на славу. Например, фирма STMicroelectronics
предлагает три десятка (!) разновидностей стартовых плат из семейств «Discovery»
и «Nucleo» с различными МК от Cortex-MO до Cortex-М4.
Подведение итогов. МК начального уровня с разрядностью 32 бита являются
кандидатом номер один на применение в любительских разработках. С них, для
тех, кто не боится, можно даже начинать обучение контроллерному ремеслу.
1.4.6. Клонирование МК
Речь пойдёт не о пиратских подделках, связанных с перемаркировкой текста на
корпусе микросхемы, не о контрафактном послойном «вскрытии» внутренностей
чипа и не о гаражной продаже отбракованных на заводе-изготовителе кристаллов
МК. Под «клонированием» в данном случае понимается процесс легального
выпуска микросхем, совместимых с оригиналом по цоколёвке выводов (pin-to-pin),
по вычислительному ядру, по системе команд, по назначению битов внутренних
регистров и даже по составу и функциональным возможностям поддерживаемой
периферии.
За примером далеко ходить не надо. В апреле 2013 года появились первые
сообщения о выпуске китайских клонов МК, аналогичных семейству STM32F103
фирмы STMicroelectronics. В названии клонированных микросхем, для удобства
потребителей, лишь заменили первые две буквы. В результате в продажу стали
поступать 32-битные МК GD32F103 от фирмы GigaDevice Semiconductor. По
состоянию на 2015 год та же фирма выпускает целые линейки клонов STM32Flxx и
STM32F2xx [1-4], причём их цена ниже оригинала.

К чести китайского изготовителя, следует отметить, что клонирование
производилось не один к одному, а с улучшением целого ряда параметров. В частности,
максимальная тактовая частота повышена с 72 до 108 МГц, объём Flash-памяти
увеличен с 128...1024 КБ до 3 МБ, объём ОЗУ — с 20...128 до 96...256 КБ.
Кроме того, при одинаковой тактовой частоте снижена потребляемая мощность на
20...30% и увеличена эффективность выполнения программного кода на 30...40%.
Добавлены интерфейсы контроллера цветного дисплея TFT и контроллера
внешней памяти SDRAM. Производитель уверяет в программной совместимости с
STM32F и идентичности электрических параметров.
Фирма GigaDevice Semiconductor не новичок в области изготовления
электронных компонентов. Это один из крупнейших в Китае и в мире поставщиков
микросхем памяти SPI NOR Flash для мобильных телефонов и проигрывателей
DVD. Фирма серьёзная, поэтому уделяет должное внимание авторским правам.
В частности, для своих клонов МК вычислительное ядро Cortex-МЗ было
лицензировано у фирмы ARM. Встроенная в клоны МК Flash-память официально
запатентована и имеет оригинальную технологию под названием «gFlash». Фирма
STMicroelectronics лишь наблюдает за процессом, пока не предъявляя претензий.
Из «минусовых» отличий линейки GD32F по сравнению с оригиналом —
более узкий диапазон питания 2.6...3.6 В против 1.65...3.6 В у STM32F, а также более
узкий температурный диапазон: —40...+85°С против —40...+125°С у STM32F.
Потребительская ориентация 32-битных клонов МК направлена в основном
на внутренний рынок Китая. Возможная причина — импортозамещение.
В целом клонирование 32-битных МК начального уровня можно
рассматривать как процесс, аналогичный массовому изготовлению 10...20 лет назад клонов
МК с ядром MCS-51/52. И тогда тоже «впереди планеты всей» были китайские
изготовители. Кстати, это помогло им с минимальными издержками освоить
промышленный выпуск огромного количества телевизоров, в которых
использовались специализированные микросхемы с встроенным ядром MCS-51/52
(масочная технология) и внешней памятью программ. Такой симбиоз двух микросхем
оказался гораздо дешевле, чем применять отдельный МК с Flash-памятью.
1.5. Мотивация в изучении МК
Любой электронщик, освоивший хотя бы один тип МК, может поставить в
своём списке жизненных достижений большой знак «плюс». Как правило, начинают
с простых 8-битных AVR- и PIC-контроллеров фирм Atmel и Microchip Technology.
А что же дальше? Какое семейство или ядро выбрать, на чем остановиться?
Мотивация следующая:
хочу изучить новую архитектуру МК, это престижно;
хочу быть в курсе новинок техники, чтобы не отставать от жизни;
хочу улучшить параметры своего ранее сконструированного прибора путём
установки в него нового МК;
хочу (так же, как и сосед) сделать полезное домашнее устройство на новой
элементной базе.

Малогабаритные 8-битные МК вне конкуренции были и остаются
применительно к простейшим конструкциям. Более мощные 32-битные МК
позиционируются как кирпичики для построения многоканальных датчиковых и
исполнительных устройств, «мозговых» центров управления, систем обработки аудио- и
видеоданных. К быстродействующим 32-битным МК подключают:
интеллектуальные датчики, дисплеи, радиомодули. На их основе разрабатываются роботы.
Какое семейство МК выбрать для освоения — каждый решает
самостоятельно. Но если выбор сделан, то нужно каждый день хотя бы немного приближаться
к цели, изучая документацию, схемы, составляя программы. Важно поверить в
свою мечту и избегать негативного общения с теми людьми, которые в неё
категорически не верят.
Изучение 32-битных МК может стать хорошим мотиватором для
сомневающихся, чтобы совершить прыжок в будущее. Сделать это вполне реально при
условии решения двух бытовых проблем:
обеспечить постоянный доступ в Интернет в домашних условиях;
научиться запаивать микросхемы с очень малым расстоянием между
выводами или научиться обходить эту проблему.
Подключение к Интернету в нынешнее время для радиолюбителей становится
такой же необходимостью, как наличие персонального компьютера, цифрового
мультиметра и паяльника с тонким жалом. Если Интернета нет, то
положительных результатов ждать сложно.
В идеале у каждого землянина в будущем будет безлимитное подключение к
Всемирной паутине 24 часа в сутки 7 дней в неделю, причём за небольшие
деньги или вообще бесплатно. Для самостоятельного освоения МК достаточно иметь
хотя бы периодический доступ к Интернету, например на работе, в учебном
заведении, в библиотеке, в интернет-кафе, в клубе, у знакомых. На первый случай
подойдёт даже зона бесплатного общественного Wi-Fi в парках или на транспорте.
К Интернету можно подключиться следующими способами:
через HCNA-модем, соединённый с сетью кабельного телевидения;
через ADSL-модем, подключённый к телефонной линии;
через компьютерную проводную Ethernet-сеть местного провайдера;
через Wi-Fi-роутер, обслуживающий компьютеры на расстоянии 50... 100 м;
через малогабаритный Зв-модем, вставляемый в разъём USB компьютера.
Каждый из перечисленных способов имеет свои преимущества. Например,
совмещение Интернета и кабельного телевидения не требует прокладки
дополнительных проводов по квартире. В компьютерной сети местного провайдера
обычно самые низкие тарифы. Беспроводной Wi-Fi удобен при наличии в доме
нескольких компьютеров и планшетов. ЗС-модем с ноутбуком можно взять с
собой в поездку или использовать, как основной, в сельской местности.
Технология монтажа микросхем не вызывает проблем, если речь идёт о
8-битных МК в DIP-корпусе с расстоянием между выводами 2.54 мм. Но
современные 32-битные контроллеры отличаются сверхминиатюрностью. И причина здесь
кроется в физике, поскольку для высоких частот требуется уменьшение
паразитной индуктивности выводов. Лучшее, что смогли инженеры придумать, — это

миниатюризировать контакты микросхем. Так появились четырёхгранные TQFP-
корпуса с расстоянием между выводами 0.5... 1 мм.
К сожалению, при монтаже подобных чипов без специальных паяльных
станций, твёрдой руки и орлиного зрения не обойтись. Более того, нужно научиться
делать печатные платы с очень тонкими дорожками, а освоить лазерно-утюжную
технологию не каждому по плечу.
В качестве компромиссного решения многие радиолюбители используют
покупные платы-переходники. На них уже вытравлены дорожки под
четырёхгранный TQFP-корпус МК. Проводники от всех выводов корпуса поступают к
металлизированным отверстиям на краях платы. Их расположение может быть в 2 или
4 ряда. Главное, что расстояние между выводами увеличивается до 2.54 мм, что
удобно для пайки и не напрягает зрения.
Называются такие изделия «Платы-переходники TQFP/DIP». Если в отверстия
по краям запаять гребенчатые соединители типа PLS (это ответные части джам-
перов на платах), то полученный сборный модуль можно устанавливать в разъёмы
или многократно запаивать в рабочие платы как обычные микросхемы МК.
Кардинально решить проблему монтажа 32-битных МК позволяют
отладочные платы, подобные «Discovery» или «Nucleo». На них уже запаян «многоножеч-
ный» МК и его кварцево-резисторно-конденсаторная «обвязка». Это гарантирует
отсутствие ошибок в монтаже и сводит к минимуму человеческий фактор.
Программируется МК встроенным в плату программатором, так что и эта проблема
автоматически отпадает.
Отладочные платы имеют стандартные разъёмы с расстоянием между
выводами 2.54 мм и могут быть встроены в разрабатываемый прибор, как обычные
микросхемы. Более того, если применить беспаечные монтажные платы, тогда
вообще при изготовлении устройства с МК можно обойтись без паяльника.
1.6. Какой МК выбрать?
Популярность того или иного семейства МК определяется многими
факторами. От разнообразия моделей легко растеряться, тем более что каждая фирма
усиленно хвалит свой товар. Но существуют и объективные данные, основанные на
математическом аппарате статистики. Одним из косвенных признаков
популярности электронных компонентов является динамика посещаемости
специализированных сайтов в Интернете.
Например, в рамках интернет-ресурса «eFind.ru» сходятся интересы разных
групп пользователей: поставщиков электронных компонентов, производителей
приборов, разработчиков электронной продукции, инженеров по применению.
Сервисом пользуются несколько тысяч человек в день, делая около 20 ООО
поисковых запросов. Это позволяет набрать большой объём статистики об интересах и
стандартных предпочтениях.
Поскольку МК является таким же электронным компонентом, как и любая
другая микросхема, то можно проводить анализ по фирмам-изготовителям, по
годам выпуска, по семействам, архитектуре и т.д.

В Табл. 1.4, Табл. 1.5 представлены данные по статистике посещений сервиса
«eFind.ru» за последние несколько лет применительно к популярным МК общего
назначения [1-5].
Таблица 1.4. Статистика интернет-запросов по фирмам-изготовителям
Фирма-изготовитель МК
2010 r.
2011 r.
2012 r.
2013 r.
2014 r.
Atmel
49.4
46.4
38.8
32.0
32.8
STMicroelectronics
5.2
9.5
15.7
18.8
22.4
Microchip Technology
15.7
15.7
16.3
21.3
17.3
Texas Instruments
9.5
8.4
8.7
9.0
8.3
NXP Semiconductors
8.6
10.2
8.8
6.6
8.0
Silicon Laboratories
3.9
3.4
4.2
3.6
3.9
Freescale Semiconductor
2.6
2.2
2.4
3.5
3.0
Analog Devices
1.3
0.9
1.2
1.1
1.2
Cypress Semiconductor
1.0
0.8
0.8
1.4
0.7
Renesas Electronics
0.7
0.9
0.9
1.2
0.7
Infenion Technologies
0.4
0.5
0.5
0.4
0.5
Таблица 1.5. Статистика интернет-запросов по семействам МК
Семейство МК
2010 г.
2011 г.
2012 г.
2013 г.
2014 г.
AVR (Atmel)
44.3
41.0
34.7
28.9
28.8
PIC (Microchip Technology)
15.4
15.6
16.0
21.5
16.7
Cortex-МЗ (разные фирмы)
8.9
14.4
16.9
15.6
15.7
Cortex-М4 (разные фирмы)
0
0
2.7
6.0
9.7
8051 (разные фирмы)
10.9
11.0
10.7
8.8
8.9
Cortex-МО (разные фирмы)
0.5
1.8
2.5
3.2
5.9
MSP430 (Texas Instruments)
5.5
4.9
6.0
6.9
5.8
ARM7 (разные фирмы)
9.6
7.1
5.5
4.3
4.2
STM8 (STMicroelectronics)
0.3
1.4
2.8
2.7
2.5
ARM9 (разные фирмы)
4.5
2.8
2.2
2.1
1.7
Анализ табличных данных показывает значительное падение доли
продукции фирмы Atmel с 50 до 32% и значительный рост доли продукции фирмы
STMicroelectronics с 5 до 22%. Любой непредвзятый человек поймёт, что эта
тенденция не случайная, и связана она в первую очередь с массовым появлением на
рынке дешёвых 32-битных МК начального уровня семейства STM32.
С другой стороны, 8-битные AVR- и PIC-контроллеры по-прежнему держат
лидерство, хотя уже и не такое устойчивое, как в 2010 году. Инерцию маховика,
который растиражировал миллиарды микросхем по всему миру, сложно
остановить по мановению руки. Требуется время...
32-битные МК начального уровня скрыты в Табл. 1.5 за строками Cortex-M0,
Cortex-МЗ, Cortex-М4. Они по цифрам статистики всё ближе подбираются к
лидерам. Для рядового пользователя это явный сигнал, чтобы не пропустить удобный
момент и начать (продолжить) изучение перспективных семейств МК, другими
словами, «сесть в поезд, идущий в нужную сторону».

1.7. Внутреннее устройство МК
1.7.1. Обновлённая структурная схема МК
Как ни парадоксально, но появление в широком доступе дешёвых 32-битных
контроллеров начального уровня заставляет вносить коррективы в
обобщённую структурную схему МК. Имеется в виду идеализированная модель, в
которой усредняются характеристики, ограничивается круг интерфейсов, отсекаются
узкоспециализированные решения.
В обновлённой схеме, представленной на Рис. 1.2, пересмотрено количество
базовых подсистем и видоизменена топология межблочных связей.
Рис. 1.2. Обновлённая структурная схема идеализированного МК
Использовавшаяся ранее в «Выпуске 1» и «Выпуске 2» схема соединений типа
«звезда» была оправдана для облегчения понимания физической сути
происходящих процессов. Вот — ядро, вот — периферия, вот — узлы питания,
программирования, синхронизации. В упрощённом виде считалось, что все подсистемы
жёстко завязаны на один интеллектуальный центр. Логически это правильно. Более
того, именно так представляют некоторые разработчики структуру своих МК в
фирменных даташитах [1-6].
Но с развитием новых, достаточно сложных архитектурных решений имеет
смысл более чётко обозначить взаимосвязи между подсистемами на структурном
уровне. Это позволит лучше понять роль и место сложных современных
интерфейсов в общем системном строю. Как следствие, топология из «звезды»
превращается в «общую шину». Справедливости ради надо отметить, что внутренних
шин в МК может быть несколько, поэтому «однопроводная» линейная схема
является элементом идеализации.
Внутриконтроллерная шина, показанная на структурной схеме МК, служит
условным разделителем между постоянной частью системы (ЦПУ и
синхронизирующие цепи) и переменной частью системы (ОЗУ, ПЗУ, модули подсистем).

Постоянная часть, по определению, должна присутствовать в любой
микросхеме условной линейки МК. Она определяет потенциальные возможности ядра
по скорости вычислений, системе команд и значению тактовых
синхронизирующих частот. Ниже — можно, выше — нет.
Переменная часть, по определению, может варьироваться и быть разной у
разных микросхем одной и той же линейки МК. Например, с целью снижения цены
у конкретного МК удаляются сложные интерфейсы, уменьшается объём памяти,
число портов ввода/вывода и т.д. С другой стороны, в каждой линейке должен
быть один флагманский образец, в котором есть «всё-всё и по максимуму». Это
своеобразный ориентир, указатель, маяк, правда, и самый дорогой по цене.
Изготовитель, комбинируя постоянную и переменную части системы,
увеличивает количество производимых МК и расширяет ассортимент продукции.
Потребитель получает право выбора МК в зависимости от требуемых для изделия
параметров. Как показывает практика, такая ситуация вполне устраивает и
продавца, и покупателя.
1.7.2. Центральное вычислительное устройство
Центральное вычислительное устройство можно рассматривать как
процессорное ядро, которое включает в себя: ЦПУ, шины адреса, данных,
синхронизации, управления, кэш-память, регистры общего назначения, регистры
специальных функций (SFR).
Процессорное ядро является важным отличительным признаком архитектуры.
По его названию судят о потенциальных вычислительных возможностях МК.
Например, Cortex — это одно, a MCS-51, AVR или РІС — это совсем другое.
Ядро черпает информацию из памяти программ и памяти данных.
Обслуживается оно несколькими периферийными модулями, называемыми, по-другому,
подсистемами.
1.7.3. Память ОЗУ
Память ОЗУ нужна для кратковременно хранения данных. Чем больше её
объём, тем лучше. При выключении питания информация в ОЗУ стирается.
Обмен данными между портами ввода/вывода, внутренними интерфейсами
и ОЗУ обычно происходит через ЦПУ. Процессор читает данные по внутрикон-
троллерной шине и записывает их в нужную область ОЗУ или, наоборот, выбирает
данные из ОЗУ и передаёт их внешнему устройству.
Но существует и более короткий путь передачи информации с использованием
контроллера прямого доступа в память. В англоязычном варианте — контроллер
DMA (Direct Memory Access) или DMAC, uDMA. Размещается он рядом с ОЗУ.
Контроллер DMA не является обязательным элементом архитектуры, но он
всё чаще встраивается в МК общего применения, что позволяет реально ускорять
выполнение отдельных частей программы. Физически он организует быстрый
«туннельный» канал связи из порта МК или узлов UART, АЦП, ЦАП прямо в ОЗУ,
минуя ЦПУ. Процессор в это время может заниматься другими задачами,
например математическими вычислениями или обработкой данных.

В относительно простых МК контроллер DMA подключается к общей
внутренней магистрали данных. В сложных и быстродействующих МК для контроллера
DMA может отводиться отдельная шина связи и даже отдельная область памяти
для разных каналов доступа.
Практические сферы применения технологии DMA — быстрый ввод и
запоминание большого массива данных, поступающих из АЦП, а также автономный
вывод звука через ЦАП. Правда, на программном уровне настроить контроллер
DMA не так-то просто. Надо разбираться в многочисленных регистрах, создавать
сложную динамическую структуру, включающую в себя указатели конца данных
на приёме и на передаче, рассчитать требуемые разряды управления и адреса. В
связи с этим работа через канал DMA у программистов считается «высшей
математикой».
Ячейки ОЗУ и канал DMA не имеют отдельного выхода на внешние контакты
МК, поэтому интереса с точки зрения схемотехники не представляют.
1.7.4. Память ПЗУ
Память ПЗУ — это обязательная составляющая любого МК. В ней хранится
управляющая программа, которую разрабатывает программист. При выключении
питания информация в ПЗУ не теряется. В этом её принципиальное отличие от
ОЗУ.
На сегодняшний день самым массовым типом памяти ПЗУ в МК является
Flash, все остальные разновидности относятся к разряду устаревших (OTP),
узкоспециализированных (Mask) или перспективных (FRAM).
Редко, но встречаются стандартные МК вообще без ПЗУ, точнее, оно
подключается снаружи через специальную многопроводную шину. Пример — АТ91М40800
фирмы Atmel.
При желании в верхнюю или нижнюю область памяти ПЗУ программист
может записать начальный загрузчик, иначе называемый бутлоудером (Bootloader).
Он помогает при удалённой смене прошивки устройства.
Ячейки памяти ПЗУ, будь то масочное или Flash, не имеют отдельного выхода
на внешние контакты МК, поэтому интереса для анализа не представляют.
1.7.5. Подсистема прерываний
Таймеры, счётчики, часы реального времени, узел Watch-Dog, контроллер
режима сна, флаги прерываний, уровни вложений — всю эту «кухню» можно
условно выделить в отдельную подсистему со своей внутренней иерархией, памятью и
со своими независимыми тактовыми генераторами. Так рассуждают, в частности,
разработчики 32-битного МК EFM32 Wonder Gekko, в структурной схеме
которого выделен специальный блок «Таймеры и триггеры» [1-7].
Для программистов эта подсистема представляет значительный интерес, в
отличие от схемотехников, поскольку прямой доступ к внешним контактам МК у
подсистемы прерываний отсутствует. Исключение составляют разве что входы
RTC (Real Time Clock), к которым подключается (при необходимости) «часовой»
резонатор ZQ1 по стандартной схеме (Рис. 1.3).

Рис. 1.3. Стандартная схема включения НЧ кварцевого резонатора в МК
1.7.6. Подсистема интерфейсов
Если в прежние годы достоинство МК оценивалось в первую очередь по его
быстродействию, объёму памяти и числу доступных линий портов, то на
современном этапе всё большее значение приобретают встроенные интерфейсы. Чем
больше их количество, тем лучше, тем шире возможности и функционал. С
другой стороны, не все из интерфейсов нужны для решения конкретной задачи, а
каждый дополнительный узел понемногу, но удорожает стоимость микросхемы.
Следовательно, интуиция и практический опыт разработчика должны подсказать
ему компромиссное решение по выбору МК с оптимальным набором функций.
Самым старинным из коммуникационных интерфейсов можно считать UART,
применявшийся в легендарных контроллерах с ядром MCS-51. На смену ему
пришёл расширенный по числу сигналов интерфейс USART с поддержкой
протоколов ISO 7816, LIN, IrDA и с увеличенной до 10 МГц тактовой частотой.
Из других современных интерфейсов, внедряемых в МК, следует отметить:
PC, PS, SPI, CAN, USB, Ethernet, LCD Parallel, JTAG, 1-Wire, LCD-TFT, Touch
Sensing, SDIO (с поддержкой microSD, MMC, CE-ATA), FSMC (с поддержкой
Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR, NAND), интерфейс цифровой
видеокамеры DCMI и т.д.
Подавляющее большинство из перечисленных интерфейсов являются
бинарными. Они для сопряжения с внешним миром используют обычные цифровые
линии портов, которые программно переводятся в режим альтернативных
функций и внутренне соединяются с модулем конкретного интерфейса.
Вывод — поскольку линейные окончания большинства интерфейсов
являются чисто цифровыми, то их надо рассматривать вместе с подсистемой цифрового
ввода/вывода.
Для аналогового интерфейса Touch Sensing используется специальный
контроллер ёмкостного сенсорного ввода (семейство Atmel SAMD) или внутренний
АЦП МК. Каналы последнего превращаются в приёмники сигналов от сенсорных
кнопок клавиатуры. Схемотехника подключения сенсоров приводится в даташи-
те, и изменять её не рекомендуется ввиду возможных осложнений.
В некоторых интерфейсах, например CAN, Ethernet, сигналы на физическом
уровне резко отличаются от цифрового стыка КМОП, который применяется в
МК. Форма сигналов, их амплитуда, временные соотношения, импедансы
строго регламентируются в международных стандартах и рекомендациях. Отступать
от них нельзя. В таких случаях между МК и интерфейсными разъёмами обычно
ставят дополнительный узел сопряжения, в котором присутствуют драйверные

микросхемы, резисторы, трансформаторы, конденсаторы, дроссели. Для
простоты можно считать эти узлы унифицированными и не отклоняться от
рекомендованных в даташите номиналов радиодеталей.
Есть ещё интерфейс US В, сигналы которого имеют цифровую природу, но с
нестандартными уровнями по амплитуде. Сейчас во многие современные МК
встраивается отдельный блок US В, при этом сигналы формируются без узла
сопряжения и выводятся непосредственно на USB-разъём. Схема подключения
приводится в даташите, и она соответствует международным спецификациям
параметров. Стандарт есть стандарт. Любая солидная фирма-разработчик МК будет
его строго соблюдать, поэтому вмешиваться в процесс не надо.
1.7.7. Подсистема программирования
Подсистема программирования, судя из названия, предназначена для
программирования памяти программ МК. Касается эта процедура только ПЗУ.
Ячейки памяти ОЗУ в программировании не нуждаются.
Если на заре микроконтроллерной эры для прошивки требовалось извлекать
микросхему из панельки, то теперь сплошь и рядом используется внутрисхемное
программирование. Оно может производиться следующими способами:
без бутлоудера через специальные выводы микросхемы и внешний адаптер
программатора;
с бутлоудером через один из встроенных интерфейсов.
Бутлоудеры бывают:
с программным запуском;
с аппаратным запуском;
с программно-аппаратным запуском.
Программный запуск бутлоудера предполагает размещение его кодов в Flash-
ПЗУ. После старта программы делается пауза во времени на доли или единицы
секунд. Если во время этой паузы от компьютера начнут поступать данные для
программирования МК, то управление передаётся собственно бутлоудеру. Если
данных от компьютера не обнаружено, то стартует основная программа МК.
Пример — фирменные и самодельные программные бутлоудеры для 8-битных AVR- и
Р1С-контроллеров.
Аппаратный запуск бутлоудера предполагает наличие одного или нескольких
дополнительных выводов на корпусе микросхемы. Включение и выключение
бутлоудера зависит от логических уровней на этих выводах. Устанавливают их джам-
перными перемычками, переключателями или сигналами от внешних устройств.
Достоинство аппаратного способа — быстрота запуска и защищённость от сбоев.
Пример — бутлоудеры в 32-битных МК серии STM32F.
Программно-аппаратный запуск может быть реализован в любом МК. Основой
является программный запуск, но вместо паузы вводится проверка уровня сигнала
на одном из выводов цифрового порта. Если лог. О, то переход на бутлоудер, если
лог. 1 — то запуск основной программы. Разумеется, в качестве критерия могут
быть использованы и другие, более сложные аппаратные проверки.

В современных 32-битных МК часто применяется так называемый «неубивае-
мый» бутлоудер. Он хранится в специальной защищенной области ПЗУ, которая
однократно программируется на заводе-изготовителе масочным способом и
коррекции извне не подлежит. Получается, что внутри МК имеются два различных
вида постоянной памяти — масочное ПЗУ (примерно 1...2%) и Flash-ПЗУ (всё
остальное). Это увеличивает безопасность программирования при экстренном
пропадании питания или случайном обрыве соединительного кабеля.
Прошивка памяти программ с «неубиваемым» бутлоудером может
проводиться через интерфейсы: SPI, PC, CAN, USB, UART. В последнем случае к МК по
линиям TxD, RxD может быть подключён беспроводной модуль Bluetooth, Wi-Fi
или GSM, после чего становится возможным удалённое перепрограммирование
системы из любого места Земного шара, охваченного сетью Интернет.
Процесс смены прошивки МК с «неубиваемым» бутлоудером идёт в
защищенном режиме и проводится до той поры, пока не будет получен верный результат в
виде правильной контрольной суммы всего загруженного массива.
Как правило, выводы МК, используемые в подсистеме программирования,
совмещаются с линиями цифровых портов, поэтому их эквивалентные схемы
отдельно рассматривать нет смысла. Но важно знать их номера и стараться не
использовать в работе основной программы. Это убережёт от массы недоразумений,
что особенно актуально для начинающих эмбеддеров.
1.7.8. Подсистема питания
Схемотехника узлов подсистемы питания с применением «трёхвольтовых»,
«пятивольтовых» и широкодиапазонных МК подробно освещалась в «Выпуске 1».
Плюсовой провод питания с напряжением 1.8...5 В подаётся на один или
несколько выводов с названиями VCC, Vdd, AVCC, AVdd, а минусовой провод — на один
или несколько выводов с названиями GND, VSS, AGND, AVSS.
Между положительными и отрицательными выводами питания с целью
снижения импульсных помех ставят один или несколько керамических конденсаторов
ёмкостью 0.1 мкФ. Дополнительно возле каждой микросхемы МК включают по
одному танталовому конденсатору ёмкостью 33...47 мкФ (Рис. 1.4, а). Более
точные сведения по числу шунтирующих конденсаторов для конкретного типа МК, а
также рекомендации по топологии размещения их на печатной плате приводятся
в даташитах (Datasheet) и аппноутах (Application Note).
В современных быстродействующих МК процессорное ядро обычно питается
от пониженного напряжения, для чего внутри микросхемы ставится отдельный
стабилизатор. Для его устойчивой работы требуется включить внешний
конденсатор большой ёмкости, который размещается снаружи (Рис. 1.4, б).
Если рассматривать влияние напряжения питания на быстродействие МК, то
здесь наблюдается обратно пропорциональная зависимость — чем ниже
напряжение, тем выше скорость, и наоборот.
Почему так? Физику процессов можно представить «на пальцах», анализируя
перепады двух уровней: с нуля до З В (32-битные МК) и с нуля до 5 В (8-битные
МК). Если нагрузка сигналов одинаковая, то уровень З В будет достигнут раньше,
чем уровень 5 В. Если время меньше, значит, и быстродействие выше.

Рис. 1.4. Питание МК:
а) стандартная «обвязка»; б) пониженное питание ядра
Нормой для современных МК считается питание 2.7...3.6 В, хотя раньше
преобладали МК с питанием 4.5...5.5 В. Поскольку в продаже имеются и те, и
другие микросхемы, то появляются определённые хлопоты при сопряжении уровней
сигналов. Чтобы облегчить задачу, в «трёхвольтовые» МК всё чаще встраиваются
порты, способные выдерживать повышенное напряжение 5 В. Специалисты
говорят: «Входы, толерантные к напряжению 5 В».
Сравнительно недавно появился ещё один класс МК, которые способны
работать при сверхнизких питающих напряжениях от 0.8...0.9 до 1.6... 1.8 В. Эти
контроллеры предназначены для переносной аппаратуры, которая питается от одной
или двух батарей (аккумуляторов) с напряжением 0.7...0.9 В при полном разряде.
Следует правильно понимать, что внутри таких МК находится повышающий
преобразователь напряжения DC/DC. Современные технологии пока не
позволяют создавать сверхнизковольтные АЦП, ЦАП, Flash-ПЗУ, компараторы,
генераторные узлы, датчики просадки напряжения и т.д., хотя уже выпускаются
логические элементы SN74AUC и SN74AUP фирмы Texas Instruments, которые
допускают питание от 0.8 В.
В сверхнизковольтных МК применяются импульсные преобразователи
напряжения с индуктивным накоплением энергии. Их основой служит ключ на
полевом транзисторе, выпрямительный диод Шоттки, конденсаторы фильтра и
дроссель. Ключ находится внутри микросхемы, а дроссель и конденсаторы — снаружи.
Диод Шоттки может быть как внутренним, так и внешним (Рис. 1.5).
Рис. 1.5. Организация питания сверхнизковольтных МК с внешним диодом

В Табл. 1.6 приведены параметры некоторых сверхнизковольтных МК.
Таблица 1.6. Параметры сверхнизковольтных МК
Название МК
Фирма
Напряжение
питания, В
Технические особенности
C8051F82x...93x
Silicon
Laboratories
0.9...1.8
или
1.8...3.6
Диод Шоттки находится внутри МК. Имеются два
режима работы: от одной (0.9... 1.8 В) или от двух
пальчиковых батарей (1.8...3.6 В)
ATtiny43U
Atmel
0.7...1.8
Требуется установить внешний диод Шоттки
EM6819FX
ЕМ
Microelectronic
0.9...3.6
Диод Шоттки находится внутри МК. Минимальное
напряжение, при котором стартует DC/DC-преобра-
зователь, составляет 0.6 В, ток 10 мА
Высоковольтные МК распространены меньше, чем низковольтные. Их
основное преимущество заключается в экономии радиодеталей, когда не требуется
дополнительно ставить стабилизирующую микросхему. Внутри МК размещается
понижающий параметрический стабилизатор напряжения параллельного типа, а
снаружи — конденсатор фильтра и гасящий резистор (Рис. 1.6).
Рис. 1.6. Организация питания высоковольтных МК
Такую структуру, в частности, имеют МК PIC12HV752, PIC16HV753 фирмы
Microchip Tecnology. Трёхвыводной стабилитрон VD1 — это аналог TL431, но с
вдвое меньшим максимальным током 50 мА. Минимальное входное напряжение
составляет +5 В, после чего стабилизатор прекращает своё шунтирование и не
оказывает влияния на работу МК. Максимальное напряжение питания в даташи-
те не ограничивается. Оно зависит от сопротивления резистора Rx, которое
выбирается, исходя из соотношения [1-8]:
где Rx — сопротивление гасящего резистора; Vmin и Vmax — минимум и
максимум напряжения питания Vin; їх — суммарный ток нагрузки, который включает в
себя ток потребления МК и токи всех портов на общий провод GND.
1.7.9. Подсистема начального сброса
Подсистема начального сброса нужна для установки внутренних регистров,
триггеров и счётчиков МК в исходное состояние, иначе при включении питания
ход выполнения программы станет непредсказуемым. Начальный сброс также

требуется в аварийных ситуациях, например при «просадках» напряжения
питания (Brown-Out), при зависаниях системы (Watch-Dog) или при программном
сбросе через отладочный интерфейс JTAG.
В современных МК появилась ещё одна интересная функция, относящаяся к
подсистеме начального сброса. Теперь вывод RES (NRST) может не только
принимать, но и генерировать сигналы наружу. Последнее обстоятельство может
пригодиться для извещения внешних устройств о произошедшем сбое МК или
внезапном рестарте программы.
В обновлённой схеме входной части подсистемы начального сброса (Рис. 1.7)
учтено, что во всех выпускаемых ныне МК принята отрицательная логика
функционирования с НИЗКИМ активным уровнем. Устаревшие системы с
«положительным» сбросом, применявшиеся ранее в семействе MCS-51, к
идеализированному МК не относятся.
Рис. 1.7. Обновлённая схема входной части подсистемы начального сброса
Новинкой схемы является условный логический элемент DDL В исходном
состоянии на его выходе постоянно присутствует ВЫСОКИЙ уровень, т.е. резистор
Rres выполняет функцию «pull-up», как и было в прежней схеме (см. «Выпуск 1»).
При срабатывании детектора просадок напряжения Brown-Out или узла Watch-
Dog на выходе элемента DDI формируется НИЗКИЙ уровень. Это приводит к
тому, что резистор Rres превращается из «pull-up» в «pull-down».
НИЗКИЙ уровень аппаратно сбрасывает МК через элемент DD2, после чего
опять восстанавливается ВЫСОКИЙ уровень. Если подключить в этот момент
осциллограф к линии RES МК, то можно наблюдать импульс сброса,
генерируемый наружу. Данный импульс может переключить, например, состояние
внешнего КМОП-триггера, что будет сигнализировать о произошедшем «теплом»
рестарте МК.
Новинка всем хороша, но имеет один подводный камень. Сопротивление
резистора Rres достаточно высокое, поэтому слишком большая ёмкость
конденсатора фильтра помех, который ставят между выводами RES и GND, может привести к
снижению амплитуды импульса сброса ниже порога срабатывания элемента DD2.
Это означает, что аппаратный сброс МК не произойдёт. Чтобы избавиться от
проблемы, надо уменьшить ёмкость конденсатора фильтра или удалить его.

1.7.10. Подсистема тактирования
Подсистема тактирования служит для синхронизации работы всех основных
узлов МК. Чем выше частота тактовых импульсов, тем быстрее выполняются
операции, а чем ниже частота, тем лучше экономичность и меньше потребляется ток
от источника питания.
Генераторных узлов в МК обычно несколько, но все они выводятся на две
линии МК с названиями ХТ1, ХТ2 или XTALl, XTAL2. Выходные сигналы
собираются вместе, мультиплексируются и проходят далее на систему ФАПЧ и линейку
делителей частоты (Рис. 1.8).
Рис. 1.8. Обновлённая структурная схема подсистемы тактирования МК
Главный результат заключается в формировании сетки внутренних частот
CLKL..CLKn. Каждая из них синхронизирует свой интерфейс, узел, блок, шину.
Тактовые сигналы в процессе работы могут изменяться по частоте или совсем
отключаться, что зависит от программы.
В некоторых МК допускается выведение одного из тактовых сигналов на
определённую линию цифрового порта. Уровень сигнала — КМОП, что полезно, если
требуется измерить частоту генерации внешним частотомером или осуществить
тактирование каких-либо других узлов, не нарушая генераторную схему МК.
Система фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ (она же PLL — Phase-Locked
Loop) заимствована из архитектуры мощных процессоров применения. Она
позволяет умножить частоту тактового сигнала на любой (в разумных пределах)
дробный коэффициент. То есть достаточно подключить к входу МК кварцевый
резонатор частотой 8 МГц, чтобы затем программно выставить частоту
синхронизации процессорного ядра 100 или 168 МГц.
Модой последнего времени стало мультичастотное тактирование, при котором
разные интерфейсы внутриконтроллерной шины получают разные по частоте
сигналы. Связано это с естественным желанием разработчиков МК — максимально
экономить энергию. Чем меньше частота, тем ниже ток потребления. Тактовые
частоты изменяются при помощи программно-доступных регистров, при этом не
используемые в данное время узлы можно вообще отключить от синхронизации,
переведя их в микромощный «спящий» режим. Единственное, что надо не забыть
потом, — обратно включить тактовые сигналы...

В современных МК постепенно отходят от практики задания режимов
тактирования через конфигурационные биты, которые находятся в специальной области
ПЗУ и требуют предварительного программирования «фьюзов». Гораздо проще и
технологичнее задействовать обычные регистры из области SFR в ОЗУ. А чтобы
гарантированно получить к ним доступ, в начале программы аппаратно
запускается внутренний Ж7-генератор МК. Именно под его руководством выполняются
первые инструкции программы, в которых прописывается смена источника
генерации и выставляются нужные коэффициенты делителей частоты.
Далее проводится логическая проверка, действительно ли генератор
(кварцевый, пьезокерамический, внешний) запустился в работу. Если сбоев не
обнаружено, то программа выполняется дальше на новой, более стабильной частоте, а если
имеется ошибка, то управление передаётся обратно внутреннему генератору МК
с выставлением флага Error.
Подобная архитектура подсистемы тактирования МК с «умной» внутренней
подстраховкой очень полезна, когда «через раз» запускается внешний кварцевый
резонатор или вдруг пропадают поступающие извне синхроимпульсы. В таком
случае система автоматически определяет аварийное состояние и переключается
на внутренний 7?С-генератор. МК продолжает свою работу, что резко повышает
живучесть аппаратуры.
Широкое внедрение системы ФАПЧ в современных МК приводит к
унификации схемотехники подключения внешних сигналов ХТ1 (вход), ХТ2 (выход).
Разработчики постепенно сужают круг технических решений и настоятельно
рекомендуют использовать стандартную схему «два конденсатора, один резонатор»
без каких-либо излишеств.
Кварцевые резонаторы для радиолюбительских целей, как правило,
выбираются бюджетные, не дорогие. Рекомендуемая частота их генерации 8... 16 МГц,
поскольку в этом диапазоне «кварцы» легче всего запускаются на основной
гармонике.
Схема включения аналогична Рис 1.3. Ёмкости конденсаторов С7, С2
указываются в даташите, и зависят они напрямую от применяемого резонатора. Но в
домашних условиях можно наугад ставить любые керамические конденсаторы
номиналом 15...27 пФ, лучше всего безвыводные SMD.
Если не требуется повышенная стабильность параметров, то можно обойтись и
внутренним ЛС-генератором, имеющим точность заводской калибровки
примерно 1% на частоте 0.5... 16 МГц, температурный уход до 4 ppm/град, нестабильность
по напряжению 5...7%/В. Формирование требуемой сетки частот обеспечивается
программным путём, за счёт изменения коэффициентов умножения/деления
системы ФАПЧ.
В критичных случаях можно учесть уход частоты ЛС-генератора от
температуры, если воспользоваться внутренним температурным сенсором. Такой
термодатчик сейчас встраивается во многие современные МК. С его помощью через
канал АЦП можно измерить температуру кристалла микросхемы, которая в нена-
груженном режиме может считаться равной температуре окружающего воздуха.
Термодатчик аналоговый, не цифровой. Стандартный наклон характеристики
2.5 мВ/град. Точность датчика ±1...2%, чего вполне достаточно для оценочных
измерений.

1.7.11. Подсистема портов ввода/вывода
Подсистема портов ввода/вывода, по определению, отвечает за ввод и вывод
электрических сигналов. На физическом уровне в её состав входят аппаратные
узлы четырёх типов: цифровые, аналоговые, входы, выходы. Какую именно
функцию будет выполнять линия порта в конкретный момент времени, определяет
программист через регистры.
Порты современных МК являются двунаправленными, поэтому логично
рассматривать две большие подсистемы — отдельно для ввода и отдельно для вывода
сигналов.
Подсистему портов вывода можно сравнить с соматической нервной системой
организма человека, отвечающей за движение мышц, кожи, скелета. Через свои
выходные порты МК может генерировать звуки, подавать световые сигналы и
даже перемещаться в пространстве, управляя двигателями.
Подсистему портов ввода можно сравнить с рецепторами органов чувств у
человека. Действительно, если подключить к линии порта датчик света, то получится
простейший орган зрения, микрофон — орган слуха, датчик запаха — орган
обоняния, датчик солемера — орган вкуса, сенсорную клавиатуру — орган осязания,
акселерометр или гироскоп — орган равновесия (вестибулярный аппарат).
В целом если объединить в единый механизм функции ввода и вывода, то
получится комплекс, напоминающий простейшего робота, который имеет «мозг»
(ЦПУ), память (ОЗУ, ПЗУ), сенсоры (подсистема ввода) и исполнительные
механизмы (подсистема вывода).
Другой большой водораздел проходит по типу сигналов в подсистеме ввода/
вывода, которые бывают цифровыми и аналоговыми. Цифровые сигналы
выводятся непосредственно на контакты МК. Аналоговые сигналы выводятся или
через отдельные линии МК (реже), или через коммутаторы общих линий (чаще).
Аналоговая и цифровая части МК, чтобы не возникало конфликтов,
функционируют раздельно во времени. Переключение режимов «аналог — цифра»
производится программно, установкой регистров альтернативных функций.
Из новинок схемотехники портов ввода/вывода, перешедших в
идеализированный МК из современных 32-битных контроллеров, следует отметить:
входы «трёхвольтовых» портов, толерантные к напряжению 5 В;
программируемые «pull-down» резисторы по входу, с помощью которых
линии портов могут гальванически соединяться с общим проводом GND\
выходы портов с натуральным открытым стоком.
Цифровые входы МК
На Рис. 1.9, а показан стандартный «трёхвольтовый» цифровой вход, не
толерантный к повышенному напряжению. Его особенностью являются два
диода VDup, VDdn, причём верхний из них как раз и не позволяет завышать входное
напряжение. Диоды защитные, антистатические. Они по ВАХ примерно
эквиваленты обычным маломощным кремниевым диодам, без барьера Шоттки.
При входных сигналах, попадающих в створ от GND до ИХ, диоды закрыты.
Если напряжение выходит за указанные пределы, то через диоды протекает
прямой ток. Он называется током инжекции и не должен превышать 1...5 мА.

Рис. 1.9. Цифровые входы
идеализированного МК:
а) стандартный вход с
Z-состоянием;
б) вход, толерантный
к повышенному
напряжению 5 В;
в) вход с внутренними
«pull-up» и «pull-down»
резисторами
На Рис. 1.9, б показан «трёхвольтовый» вход, толерантный к сигналам с
напряжением 5 В. Его особенностями являются отсутствие верхнего защитного
диода и специальная технология изготовления элемента DDI, при которой входные
КМОП-структуры не пробиваются и не «защёлкиваются» при сигналах с
амплитудой выше, чем питание.
На Рис. 1.9, в показана схема подключения к линии МК внутреннего резистора
Rup/dn. Конфигурация изменяется логическим элементом DDI, который может
переводиться в ВЫСОКОЕ («pull-up» резистор), НИЗКОЕ («pull-down» резистор)
и Z-состояние (резистор вообще отключается от линии порта).
Приёмником цифровых сигналов служит элемент DD2, который имеет
характеристику триггера Шмитта для повышения помехоустойчивости. Верхний диод
VDup может отсутствовать, что не принципиально.
Аналоговые входы МК
К аналоговым входам идеализированного МК относятся:
входы аналогового компаратора (Рис. 1.10, а);
входы АЦП (Рис. 1.10, б);
входы внутреннего ОУ (Рис. 1.10, в).

Рис. 1.10. Аналоговые порты ввода:
а) входы аналогового компаратора;
б) вход АЦП;
в) входы внутреннего ОУ
Аналоговые компараторы отличаются высокой быстротой переключения,
вплоть до десятков наносекунд. Порог срабатывания составляет 5... 10 мВ. На
опорный вход компаратора могут подаваться как внутренние сигналы ИОН с
напряжением VREF, так и внешние сигналы, в том числе с выхода ЦАП МК.
АЦП является самым важным элементом аналогового тракта. Точность АЦП
составляет 10... 14 разрядов, количество каналов до 16. Работают они не
параллельно, а последовательно во времени. Быстродействие лучших образцов АЦП
позволяет оцифровывать входные сигналы в мегагерцовом диапазоне.
Блок встроенных ОУ обычно содержит от 1 до 4 отдельных интегральных
усилителей. По структуре это ОУ с входными полевыми транзисторами, имеющими
низкий ток утечки. На выходе ОУ формируются сигналы «rail-to-rail», т.е.
максимально близкие к питанию и общему проводу. Полоса пропускания 8... 10 МГц,
коэффициент ослабления синфазного сигнала 90 дБ, нагрузка не более 0.5 мА.
Входы и выходы встроенных ОУ, как правило, совмещаются с обычными
цифровыми линиями портов. Переключение режимов производится программно.
Обратная связь в ОУ заводится через внешние выводы МК. Некоторые ОУ
могут работать в режиме PGA, когда обратная связь не внешняя, а внутренняя, с
наперёд заданным коэффициентом усиления 2... 16.

Цифровые выходы МК
В схемотехнике цифровых выходов идеализированного МК присутствуют
порты с уровнями КМОП и порты с открытым стоком, при этом на их выходах могут
быть один или два защитных диода, доставшиеся «в нагрузку» от подсистемы
входов (Рис. 1.11, а, б).
Рис. 1.11. Выходная часть МК:
а) цифровой порт с выходом КМОП и двумя защитными диодами; б) цифровой порт с
открытым или квазиоткрытым стоком, с одним или двумя защитными диодами
Порт с выходом КМОП — это обычный логический элемент DDI, примерно
соответствующий по электрическим параметрам стандартному инвертору из
семейства микросхем 74АС/74АСТ.
Порт с открытым стоком содержит дополнительный элемент DD2. В
зависимости от состояния на его выходе можно реализовать следующие режимы:
открытый сток с нагрузкой «pull-up» (ВЫСОКИЙ уровень);
открытый сток с шунтом «pull-down» (НИЗКИЙ уровень);
квазиоткрытый сток с диодом VDup (обрыв с Х-состоянием);
настоящий открытый сток без диода VDup (обрыв с Х-состоянием).
Если внимательно присмотреться, то здесь прослеживается чёткая корреляция
с двумя разновидностями цифровых входов — «нетолерантные» и «толерантные»
к повышенному напряжению 5 В. В первом случае используются два защитных
диода, во втором — один, нижний. Поскольку диоды конструктивные, то они при
переключении линии порта с входа на выход никуда не исчезают.
Как следствие, у «толерантных» линий режим «открытый сток» является
истинным, т.е. допускающим в нагрузке значительное превышение уровня питания.
Для «нетолерантных» линий из-за верхнего диода получается режим
«квазиоткрытого стока», когда настоящий обрыв линии будет действовать только в диапазоне
напряжений 0...VCC.
Для полноты картины не хватает ещё одного «мазка». В некоторых
современных МК предусмотрено программное регулирование наклона переднего и
заднего фронтов цифрового сигнала на выходе. Параметр в даташите звучит примерно
так: «Максимальная частота выходного сигнала Fmax — 2; 25; 50; 100 МГц».

Надо правильно понимать, что частота сигнала ограничивается не прямым, а
косвенным способом. Это означает, что программисту никто не запрещает
генерировать на выходе порта сигнал любой частоты. Но если частота будет
превышать Ртах, то возникнут искажения формы сигнала с накладками на фронтах.
Почему на фронтах? Дело в том, что параметр Fmax определяет длительность
затягивания переднего и заднего фронтов сигнала из расчёта стандартной
измерительной маски 4Т, в которой передний фронт, задний фронт, длительность
ВЫСОКОГО и длительность НИЗКОГО уровня равны между собой.
Пример. При частоте Fmax = 2 МГц расчётная длительность фронтов
составляет 125 не, при 25 МГц — 10 не и т.д. Длительность не зависит от частоты
генерируемого сигнала. Она будет одинаковой и при 100 Гц, и при 2 МГц.
Польза от нововведения заключается в том, что, устанавливая низкую частоту
Fmax, пользователь устраняет «звон» на фронтах сигнала и снижает уровень
излучаемых электромагнитных помех. Если требуется максимальное быстродействие,
то и Fmax следует задать как можно больше.
На Рис. 1.12 показано внутреннее устройство КМОП-выхода с регулируемым
наклоном фронтов.
Логические уровни переключаются мощными КМОП-транзисторами VT1,
VT2. Перед ними размещаются узлы II, 12, которые содержат программно
переключаемые генераторы тока. Чем больший ток поступает в затвор транзисторов,
то выше крутизна фронта выходных сигналов, и наоборот. Схемотехника
«токовых замедлителей» обычно патентуется и является ноу-хау фирмы-разработчика.
Аналоговые выходы МК
Аналоговые выходы идеализированного МК включают в себя:
выход внутреннего ОУ (Рис. 1.10, в);
аппаратный канал ЦАП (Рис 1.13).
Блок внутренних ОУ был рассмотрен ранее в разделе аналоговых входов. Там
же приведена схема, относящаяся к выходу ОУ. «Пилить» один ОУ на две части не
имеет смысла. Это один, функционально законченный прибор.
ЦАП в МК встраивается настоящий (не заменитель). Количество разрядов
10... 14, количество независимых каналов 2, чего достаточно для качественного
воспроизведения звука, причём в стереоварианте.
Рис. 1.12. Базовый КМОП-инвертор с регулируемыми фронтами

Рис. 1.13. Структурная схема канала ЦАП в МК
Канал ЦАП (англ. DAC — Digital-to-Analog Converter) может программно
отключаться условным переключателем £7. Сигнал с выхода ЦАП проходит через
внутренний маломощный ОУ DA1, чтобы нагрузка меньше влияла на точностные
показатели.
Единственная загвоздка кроется втом, что для получения высокой линейности
преобразования «цифра — аналог» нужен ещё один ОУ, но теперь уже внешний, с
хорошей нагрузочной способностью.
Аналоговыми выходами МК иногда считают и линии канала ШИМ, как,
например, в Arduino. Однако, строго говоря, канал ШИМ следует отнести к
цифровой части, поскольку он формирует импульсные сигналы двух уровней. В Arduino
причисление выходов ШИМ к разряду аналоговых — это шаг вынужденный из-за
отсутствия аппаратного ЦАП в 8-битных AVR-контроллерах начального уровня.
Эффект «аналогового» ШИМ в Arduino обычно демонстрируется на учебном
примере изменения яркости светодиода, подключенного к выходу порта. Яркость
действительно изменяется плавно, но за счёт инерционности зрения человека.
Для других, более серьёзных применений на выходе канала ШИМ должен
обязательно присутствовать аппаратный ФНЧ.
Двунаправленные порты
Считается, что любой порт идеализированного МК может работать как на
вход, так и на выход. Современные технологии позволяют это сделать без особых
затруднений. Эра специализации портов уже прошла.
Эквивалентные схемы двунаправленных портов легко получить, комбинируя
рассмотренные ранее схемы цифровых/аналоговых входов/выходов. Но в
практической работе удобнее использовать не комбинированные схемы (они получаются
слишком громоздкими и запутанными), а отдельные схемы замещения по входу и
по выходу. Это логично, поскольку МК в один и тот же момент времени никак не
может быть и входом, и выходом одновременно. Сначала вход, затем выход или,
наоборот, сначала выход, затем вход.

1.8. Условные обозначения на схемах
с идеализированным МК
Условные обозначения радиоэлементов на схемах будут в основном такими же,
как в первых двух книгах «Выпуск 1» и «Выпуск 2». Небольшие изменения
связаны с новыми возможностями МК и англоязычными надписями.
На Рис. 1.14, а, б показаны базовые сигналы подсистем идеализированного
МК. Их расшифровка приведена в Табл. 1.7.
Рис. 1.14. Условное
графическое обозначение
идеализированного МК:
а) полная схема;
б) упрощённая схема
Таблица 1.7. Расшифровка сигналов идеализированного МК
Цепь
Назначение, функция
Название по даташиту
+АУСС
Цепь аналогового питания (+)
AVCC, AVdd
+VCC
Цепь цифрового питания (+)
VCC, Vdd
RES
Начальный сброс НИЗКИМ уровнем
RES
ХТ1
Вход генераторной схемы
XTAL1,XT1
ХТ2
Выход генераторной схемы
XTAL2, XT2
OUT
Выходные линии портов
Px, Rx, GPx
IN
Входные линии портов
Px, Rx, GPx
IN/OUT
Линии двунаправленных портов
Px, Rx, GPx
VREF
Вход/выход внутреннего/внешнего ИОН
VREF, AREF
AGND
Общий аналоговый провод (—)
AVSS, AGND
GND
Общий цифровой провод (—)
VSS, GND
Чтобы не загромождать схемы лишней информацией, в дальнейшем в них
будут приводиться только наиболее важные связи. Остальные цепи,
обеспечивающие работоспособность МК, считаются подключёнными по даташиту.
Условное графическое обозначение МК как радиоэлемента будет разным в
зависимости от следующих функциональных признаков:
входные сигналы (Рис. 1.15, а...д);
выходные сигналы (Рис. 1.16, а...о);
совмещённые входы/выходы (Рис 1.17, а...л);
цепи управления, тактирования и сброса (Рис 1.18, а...д).

Рис. 1.15. Условные обозначения входных сигналов МК:
а) цифровые входы без внутреннего резистора, активный фронт спадающий и нарастающий;
б) цифровые входы с «pull-up/down» резистором, активный фронт спадающий и нарастающий;
в) цифровой вход обработки прерывания ШТи цифровой вход таймера/счётчика ТО;
г) аналоговый вход внутреннего АЦП;
д) аналоговые входы (положительный и отрицательный) внутреннего компаратора
Рис. 1.16. Условные обозначения выходных сигналов МК (начало):
а) цифровой КМОП-выход с произвольно изменяющейся информацией («1» — ВЫСОКИЙ
уровень, «О» — НИЗКИЙ уровень);
б) цифровой выход с открытым или квазиоткрытым стоком и произвольно изменяющейся
информацией («X» — состояние обрыва, «О» — НИЗКИЙ уровень);
в) аналоговый выход аппаратного ЦАП;
г) цифровые выходы с перепадами «НИЗКИЙ-ВЫСОКИЙ» и «ВЫСОКИЙ-НИЗКИЙ»;
д) цифровые выходы с постоянной генерацией импульсов, близких к меандру;
е) цифровые выходы с сигналами ШИМ преимущественно НИЗКОГО уровня и
преимущественно ВЫСОКОГО уровня;
ж) цифровые выходы с одиночными импульсами ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровня;
з) цифровые выходы с импульсными последовательностями большой скважности
преимущественно НИЗКОГО уровня и преимущественно ВЫСОКОГО уровня; О

Рис. 1.16. Условные обозначения выходных сигналов МК {окончание):
и) цифровые выходы с генерацией сигналов разной частоты;
к) «бегущая единица» на двух и более выходах;
л) «бегущий нуль» на двух и более выходах;
м) цифровые сигналы, сдвинутые по фазе на половину периода;
н) пачки коротких импульсов положительной и отрицательной полярности;
о) дельта-импульсы с активным ВЫСОКИМ и активным НИЗКИМ уровнем на двух выходах
Рис. 1.17. Условные обозначения входных/выходных сигналов МК (начало)'.
а) совмещённый цифровой вход/выход с активным спадающим фронтом по входу;
б) совмещённый цифровой вход/выход с активным нарастающим фронтом по входу;
в) цифровой выход, совмещённый с аналоговым входом АЦП;
г) две независимые цифровые линии, одна из которых настроена на вход, а другая настроена
на выход; О

Рис. 1.17. Условные обозначения входных/выходных сигналов МК (окончание):
д) двухпроводной интерфейс PC;
е) трёхпроводной интерфейс SPI;
ж) двухпроводной интерфейс UART (USART);
з) многопроводной цифровой параллельный интерфейс;
и) высокоимпедансный вход, совмещённый с выходом: «О» — выход с НИЗКИМ уровнем,
«1» — выход с ВЫСОКИМ уровнем, «Z» — высокоимпедансный вход без резистора;
к) «квазидвунаправленный» вход/выход: «О» — выход с НИЗКИМ уровнем, «1» — выход с
ВЫСОКИМ уровнем, «R» — вход с «pull-up» резистором, «D» — вход с «pull-down» резистором;
л) двунаправленные линии встроенного канала US В
Рис. 1.18. Условные обозначения сигналов управления, тактирования, сброса:
а) вход ИОН; б) выход ИОН; в) вход ХТ1 и выход ХТ2 генераторного узла;
г) сброс сигналом НИЗКОГО уровня RES; д) сброс сигналом ВЫСОКОГО уровня RST
Отличить, «что есть что», помогают стенки вертикальных линий в условном
графическом обозначении МК. Линий может быть одна или две, при этом к
линии слева подводятся входы, а к линии справа — выходы. Это полностью
соответствует правилу, принятому при рисовании электрических схем.

Если в МК используются двунаправленные линии входов и выходов, то
вертикальных линий будет две, слева и справа. Условное обозначение МК
превращается в классический прямоугольник.
На всех последующих электрических схемах общий провод МК, т.е. цепь GND,
будет рисоваться внизу, питание VCC вверху, входы слева, выходы справа. Выводы
аналогового питания A VCC и общий проводим) для экономии места не
показываются, хотя считается, что они включаются строго по даташиту, т.е. правильно и
корректно.
Ограничения и условности в применяемой элементной базе
Транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, ОУ, оптопары будут в
основном обезличенными с типовыми названиями, в частности КТ315, LM358 и т.д.
Для стабилитронов, реле, светодиодов, разрядников обозначения будут
содержать цифровой параметр. Например, VD1 (3.6V) — это стабилитрон с
напряжением стабилизации 3.6 В; K1(12V) — это реле с номинальным рабочим напряжением
12 В; HL3 (1.6V) — это светодиод красного цвета, у которого прямая ветвь ВАХ
начинается с 1.6 В; НЫ (red-green) — двухцветный светодиод с «красным» и
«зелёным» излучателями; FY1 (90V) — разрядник с пороговым напряжением 90 В.
Типы трансформаторов и катушек индуктивности на схемах могут не
приводиться. Они выбираются в зависимости от частотных свойств, напряжения и тока.
Коэффициент передачи трансформаторов указывается в скобках через дробь,
например Т1 (22/1). Это означает, что при подаче на первичную обмотку
трансформатора переменного напряжения 220 В на вторичной обмотке будет переменное
напряжение 10 В. Тип провода для унификации выбран ПЭВ.
Линейные интегральные стабилизаторы напряжения указываются как 78Lxx,
хотя их можно заменить любыми другими с таким же напряжением и током.
Нагрузка будет обозначаться в виде резистора Rw без указания мощности,
сопротивления и наличия реактивной составляющей. Эти величины уточняются в
частном порядке при разработке конкретного устройства.
В схемах с напряжением питания до 5 В вводятся упрощённые надписи для
параметров электролитических конденсаторов. В целях сокращения места
номинальное напряжение для них указываться не будет, только ёмкость. Дело в том,
что общедоступные «радиолюбительские» конденсаторы имеют рабочее
напряжение от 6.3 В и выше, чего вполне достаточно для работы с МК.
Маркировка резисторов и конденсаторов
В настоящей книге принята следующая условная маркировка.
Конденсаторы ёмкостью до 9.9 пФ включительно обозначаются в пико-
фарадах с надписью «pF» и разделительной десятичной точкой, например
«2.2pF» = 2.2 пФ; «6.8pF» = 6.8 пФ; «9.1pF» = 9.1 пФ.
Конденсаторы ёмкостью от 10 до 9999 пФ включительно обозначаются в пи-
кофарадах без десятичной точки и надписи «pF», например «36» = 36 пФ;
«1000» = 1000 пФ; «9100» = 9100 пФ.
Конденсаторы ёмкостью от 0.01 мкФ до 9999 мкФ включительно
обозначаются в микрофарадах с десятичной точкой без надписи «uF», например

«1000.0» = 1000 мкФ; «0.01» = 0.01 мкФ; «0.1» = 0.1 мкФ; «10.0» = 10 мкФ;
«6.8» = 6.8 мкФ.
Конденсаторы ёмкостью от 0.01 Фи более обозначаются в фарадах с
десятичной точкой, например «0.68F» = 0.68 Ф; «0.01F» = 0.01 Ф.
Резисторы обычной точности ±5; ±10% сопротивлением до 999 Ом
включительно обозначаются в омах без надписи «Ом», например «1» = 1.0 Ом, «2.2»
= 2.2 Ом; «910» = 910 Ом.
Резисторы обычной точности ±5; ±10% сопротивлением от 1 до 999 кОм
включительно обозначаются в килоомах с добавлением буквы «к»,
например «10к» = 10 кОм; «lk» = 1 кОм; «820к» = 820 кОм.
Резисторы обычной точности ±5; ±10% сопротивлением от 1 МОм и более
обозначаются в мегаомах с добавлением заглавной буквы «М», например
«ЇМ» = 1 МОм; «3.6М» = 3.6 МОм.
Резисторы повышенной точности ±0.5; ±1; ±2% безотносительно от
сопротивления обозначаются с прибавлением к номиналу третьей значащей
цифры, например «Ю.Ок» = 10.0 кОм; «3.62к» = 3.62 кОм; «0.10» = 0.1 Ом. Если
три цифры уже имеются, то ориентироваться надо по числам, не входящим
в ряд Е24, например «499к» = 499 кОм; «362» = 362 Ом.
Прочие разъяснения
Условные обозначения радиоэлементов, а также надписи возле резисторов и
конденсаторов, приводимые в настоящей книге, не следует считать за образец для
обязательного подражания, стандарт или ГОСТ. Это всего лишь формат,
принятый в конкретном издательстве, своего рода схемный стиль.
Ссылки на первоисточники и литературу даются выборочно. Допускаются
отклонения от оригинала, связанные с адаптацией к свойствам идеализированного
МК. Проекты и публикации, из которых брались схемы, могут содержать ещё не
выявленные опечатки, неточности, а также изначальные ошибки и заблуждения.
Кроме того, нельзя исключать погрешности вёрстки и недостатки вычитки текста.
Следовательно, если принцип работы какого-либо узла до конца не понятен или
вызывает вопросы, то самое верное решение — это промоделировать его
функционирование с помощью компьютерных программ. Одна из таких методик
предложена читателям в мини-курсе по моделированию в завершающей части данной
книги.
Пользоваться сборником электрических схем следует творчески, не заостряя
внимания на мелочах. Например, в подавляющем большинстве случаев
можно в любую сторону изменять номиналы резисторов и конденсаторов вплоть до
50... 100% (действительно, а что ещё остаётся делать, если требуемой детали нет
под рукой?). Смелее экспериментировать, стремиться изобретать новые схемы,
не бояться отходить от «классики». Как мудро заметили наши предки: «Дорогу
осилит идущий».

Список использованных источников и литературы к главе 1
1-1. Introducing the Intel Compute Stick [Электронный ресурс] / Intel, 2015. — Режим
доступа: http://www.intel.com/content/www/us/en/compute-stick/intel-compute-stick.
html (англ.).-07.01.2016.
1-2. Жмакин, А. О разработке программных моделей микроконтроллеров [Электронный
ресурс] / А. П. Жмакин, Д. И. Селиванов — Учёные записки: электронный
научный журнал Курского государственного университета. — 2012. — № 4 (24), Т. 2. —
Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/o-razrabotke-programmnyh-modeley-
mikrokontrollerov.pdf. — 07.01.2016.
1-3. American Semiconductor Releases Industry's First Physically Flexible Microcontroller
[Электронный ресурс] / American Semiconductor, 2013. — Режим доступа: http://www.
americansemi.com/news_FleX-MCU.html (англ.). — 07.01.2016.
1-4. GD32 Series ARM® Cortex®-M3 MCU Introduction [Электронный ресурс] / Eric Jin,
GigaDevice Semiconductor, 2015. — Режим доступа: http://www.eettaiwan.com/STATIC/
PDF/201507/GigaDevice.pdf (англ.). - 07.01.2016.
1-5. Славгородский, А. Микроконтроллеры: статистика запросов на eFind.ru / Алексей
Славгородский // Компоненты и технологии. — 2014. — № 7. — С. 6—7.
1-6. ЕМ6682. Datasheet [Электронный ресурс] / ЕМ Microelectronic, 2008. — Режим
доступа: http://www.emmicroelectronic.com/sites/default/files/public/products/
datasheets/em6812_ds.pdf (англ.). — 07.01.2016.
1-7. Кондрашова, К. Оптимизация энергопотребления устройств на базе
микроконтроллеров EFM32 Wonder Gecko с ядром Cortex-M4F/ Ксения Кондрашова //
Компоненты и технологии. — 2014. — № 9. — С. 76—81.
1-8. PIC12F752/HV752. Datasheet [Электронный ресурс] / Microchip Technology, 2011. —
Режим доступа: http://www.datasheetarchive.com/dl/Datasheets-UD5/DSAUD0080434.
pdf(aHni.).- 07.01.2016.

ГЛАВА
2
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УЗЛОВ ВВОДА МК
Человек, который смог сдвинуть гору, начинал с того,
что перетаскивал с места на место мелкие камешки
(Китайская пословица)
2.1. Приём аналоговых и цифровых сигналов
2.1.1. Приём сигналов низкого напряжения
Разделение входных сигналов на «низкие» и «высокие» — это условность,
примерно такая же, как разделение электроустановок в технике безопасности с
напряжением до 1000 В и свыше 1000 В. Тем не менее принято считать, что сигналы,
превышающие напряжение питания примерно на порядок, относятся к
низковольтным. Применительно к МК это составляет ориентировочно 30...50 В.
На Рис. 2.1, а...ж показаны схемы приёма сигналов низкого напряжения.
Рис. 2.1. Схемы приёма низковольтных сигналов (начало):
а) входной сигнал переменного тока Vin регулируется по амплитуде резистором R4.
Конденсатор С1 устраняет постоянную составляющую. Узел на элементах DAI, R1, /Сформирует
напряжение, равное половине питания. Это необходимо, чтобы АЦП МК работал в линейной области
и мог оцифровать входной сигнал с полным размахом от 0 до +5 В. Сигнал с вывода 1
микросхемы DA1 может использоваться как образцовый ИОН с напряжением Vref+2.5 В;
б) к музыкальному МРЗ-плееру через гнездо подключается внешний наушник HAL С него в
МК снимается звуковой сигнал через два провода: сигнальный и общий. Для уменьшения помех
сигнал проходит через ФНЧ (Rl, R2, CJ, С2) и ФВЧ (С5, R3, R4). Делитель напряжения на
резисторах R3, R4 обеспечивает линейный режим работы АЦП МК; О

О Рис. 2.1. Схемы приёма низковольтных сигналов (окончание):
в) устройство с внутренним сопротивлением Rw питается от одной или двух пальчиковых
батарей GBL МК измеряет напряжение батареи через ОУ DAL Для снижения погрешности
соединительные провода подключаются к батарее напрямую. Резисторы R1...R5 симметрирующие;
г) стабилитроны VD1, VD2 увеличивают разрешающую способность при измерении
напряжения Vin (10... 15 В), поступающего от автомобильного аккумулятора;
д) трёхполосный детектор звукового сигнала. В канале с диодом VD1 выходное напряжение
близко к средневыпрямленному значению Vin. В каналах с диодами VD2, VD3 — к пиковому
значению с разным коэффициентом передачи. В МК могут использоваться как входы АЦП, так и
обычные линии. Область применения — светодинамические и цветомузыкальные установки;
е) условный модуль Л 7 рассчитан на питание от пальчиковой батареи с напряжением 1.6 В.
Замещает эту батарею стабилизатор напряжения на элементах Rl, VD1, VD2. Транзистор VT1
принимает выходной сигнал OUT, при этом ток в его базу ограничивается резистором Rl\
ж) аналогично Рис. 2.1, е, но с противоположной полярностью элементов и сигналов

2.1.2. Приём сигналов высокого напряжения
Высокое напряжение, применительно к схемам, содержащим МК,
ассоциируется с сетью переменного напряжения 220 В. Частота в сети составляет 50 Гц. В
других странах сетевое напряжение может быть от 100... 120 до 240 В при частоте
50...60 Гц. На Рис. 2.2, а...ж приведены схемы приёма высоковольтных сигналов.
Рис. 2.2. Схемы приёма высоковольтных сигналов (начало):
а) детектор перехода сетевого напряжения через нуль содержит три структурных блока:
бестрансформаторный источник питания 5.1 В (R1...R3, CI, VD2, С2, VD4); пороговое устройство
(VD1, R4, VD3, R5, R7, К77); оптоизолятор со светодиодным индикатором включения (HL1, R6,
R8, R9, VU1). На выходе устройства формируются прямоугольные импульсы частотой 50 Гц,
амплитудой 5 В и скважностью, близкой к 2. Точного меандра не получится, т.к. транзистор VTJ
открывается при положительной полуволне сетевого напряжения с порогом примерно 2...3 В. Эту
поправку можно учесть задержкой времени в программе МК. Резисторы Rl, R2 ограничивают
ток заряда конденсатора С7. Стабилитроны VD3, VD4 можно поставить с порогом 4.7...5.6 В;
б) измеряемое переменное напряжение частотой 50 Гц поступает на МК через токоограничи-
вающий резистор R1 и стабилитрон VD5. Конденсатор СЗ фильтрует ВЧ-помехи и наводки. Вход
прерывания /ЛГГМК в такт с частотой 50 Гц перестраивает свой режим срабатывания. Сначала
по переднему фронту, затем по заднему фронту и т.д. Это позволяет вычислить длительности
двух полуволн сетевого напряжения. Питание МК получает через интегральный стабилизатор
напряжения на микросхеме DA1. Конденсаторы СУ, С2 — фильтрующие; О

О Рис. 2.2. Схемы приёма высоковольтных сигналов (продолжение):
в) на вход МК поступают сигналы с удвоенной сетевой частотой 100 Гц. Это следствие
работы мостового выпрямителя на диодах VDL..VD4. Формирователь прямоугольных импульсов
собран на транзисторе VT1 и дополнен фильтрующими конденсаторами С2, С4\
г) датчиком переменного тока в нагрузке Rw служит низкоомный резистор R1. Напряжение
с вторичной обмотки трансформатора тока 77 проходит через схему сдвига уровня на резисторах
R2, R3, поступает в буферный повторитель DA1 и оцифровывается в канале АЦП МК. Форма
сигнала повторяет ток Tvv, протекающий через резистор R1. Зная разброс сетевого напряжения
Vw (например, в Японии это 95... 107 В), МК может с достаточной для практики точностью
оценить мощность в нагрузке Rw по формуле Pw[Bt] = 7W[A]Kw[B];
д) МК получает питание от сетевого выпрямителя и одновременно использует
пульсирующий сигнал с частотой 50 Гц для калибровки внутреннего ЛС-генератора. ВНИМАНИЕ! При
эксплуатации устройства необходимо соблюдать меры электробезопасности, поскольку
отсутствует гальваническая развязка от сети 220 В; О

О Рис. 2.2. Схемы приёма высоковольтных сигналов (окончание):
е) входная часть измерителя технических параметров сети 220 В. Прибор может измерять
амплитудное, усреднённое и реально действующее напряжение RMS (Root-Mean-Square),
частоту сети, периодичность пропадания электроэнергии в сутки. Входное напряжение снижается
делителем Rl, R3...R6 и измеряется через канал АЦП МК. Резистором R1 тарируется реальное
действующее напряжение RMS. Резистор R2 выбирается в зависимости от мощности нагрузки
в цепи питания МК и порога срабатывания стабилитрона VD2. При настройке необходимо
соблюдать осторожность, поскольку гальваническая развязка от сети 220 В отсутствует;
ж) измеритель переменной мощности в нагрузке Rw. Оптопары VUU VU2 обеспечивают
изоляцию и линейное преобразование двухполярного входного в однополярный выходной сигнал с
коэффициентом усиления 10 и точностью ±5%. Напряжение между выводами 2 и 3 оптопар не
должно превышать 0.25 В, что обеспечивается делителем на резисторах R2y R3 (канал измерения
напряжения «V») и низкоомным шунтом R1 (канал измерения тока «I»). Для питания МК и
сетевой части требуются два разных источника 5 В. Фильтрующих конденсаторов в схеме нет,
поэтому можно исследовать спектр сетевого напряжения, вычислить реальную (RMS) мощность,
«косинус фи» и т.д. Мощность резистора R1 может быть увеличена в зависимости от тока в нагрузке
Rw. При сетевом напряжении 220 В следует снизить сопротивление резистора R3

2.1.3. Внутренний аналоговый компаратор
На Рис. 2.3, а...з показаны схемы, в которых используется внутренний
аналоговый компаратор МК. Его достоинство — высокое быстродействие и точность
срабатывания.
Рис. 2.3. Схемы подачи сигналов на внутренний компаратор МК (начало):
а) измеритель амплитуды сигнала Vin. Работа устройства происходит в 2 этапа. Сначала на
нижней линии МК выставляется НИЗКИЙ уровень, при этом конденсатор С1 разряжается.
Далее нижняя линия МК переводится в режим входа («плюс» компаратора), конденсатор С1
заряжается по линейному закону через источник тока 1 мА, образованный элементами F77, R1.
Включается программный таймер МК, который подсчитывает количество «тиков» тактовой
частоты (время) до достижения равенства напряжений на положительном и отрицательном входах
компаратора. Таким способом происходит преобразование амплитуды входного напряжения Vin
в пропорциональный цифровой код времени таймера;
б) светодиод НЫ выполняет две функции: индикация питания +3.3 В и формирование
опорного напряжения для внутреннего компаратора или внутреннего ОУ МК;
в) приём сигналов с пологими фронтами и изменяющейся амплитудой. Резистор R1
ограничивает ток при большом напряжении входного сигнала Vin. Резистор R2 создаёт прямое
смещение для диода VD1, тем самым немного поднимая «над землёй» начальный уровень для
аналогового компаратора МК;
г) аналогично Рис. 2.3, а, но генератор пилообразного напряжения, формирующий сигнал
на отрицательном входе компаратора, выполняется на основе диода-стабилизатора тока VD1.
Его ток стабилизации составляет 0.88... 1.32 мА в широком диапазоне напряжений 1.7... 100 В; О

О Рис. 2.3. Схемы подачи сигналов на внутренний компаратор МК (окончание):
д) программная подстройка порога срабатывания компаратора МК осуществляется с
помощью ЦАП на резисторах R3...R21. Резистором R2 производится подстройка амплитуды
входного сигнала (масштабирование, калибровка);
е) внутренний компаратор МК срабатывает при снижении напряжения литиевой батареи G1
ниже уровня +3 В (определяется делителем Rl, R2). Опорное напряжение формируется
стабилитроном VD1. Для экономии энергии проверка производится кратковременно, лишь в моменты
выставления НИЗКОГО уровня на выходе МК;
ж) входной узел анализатора телевизионного сигнала. Места с повышенной яркостью
отличаются большей амплитудой сигнала VIDEO. Чтобы вычислить их местоположение,
используется аналоговый компаратор МК, на один из входов которого подаётся чёрно-белый видеосигнал,
а на второй — стабильное напряжение 56...644 мВ (регулируется резистором R3, порог яркости).
«Цвет» во входном телевизионном сигнале устраняется фильтром на элементах Rl, С2.
Устройство может применяться в системах видеонаблюдения;
з) аналоговый компаратор МК используется для выделения синхроимпульсов из
телевизионного видеосигнала, поступающего на разъём XS1. Подбором ёмкости конденсатора С2 и
сопротивления резистора R4 добиваются устойчивой синхронизации. Начальное смещение для
положительного входа компаратора обеспечивают элементы R2, VD2

2.2. Входные усилители сигналов
2.2.1. Усилители на транзисторах и микросхемах
На Рис. 2.4, а...ж показаны схемы усилителей входных сигналов для МК,
которые выполнены на транзисторах и микросхемах.
Рис. 2.4. Схемы усилителей сигналов на транзисторах и микросхемах (начало):
а) резистор обратной связи R2 включается после защитного резистора R3, а не до него. Тем
самым снижается выходное сопротивление, что может быть важным для канала АЦП МК;
б) диоды VDJ, VD2 ограничивают по амплитуде сигнал Vin. Резистором R1 выставляется
напряжение +2 В на коллекторе транзистора VT1. Дроссель Ы увеличивает усиление на ВЧ;
в) щупы «£+», «Е—» электрокардиографа подключаются к телу человека. На провода щупов
наводится синфазная сетевая помеха 50 Гц, которая в тысячи раз больше по амплитуде, чем
полезный сигнал. Для снижения помехи вводится обратная связь через «активную землю» с
дополнительным электродом «Е0», подключённым к оплётке экрана; О

О Рис. 2.4. Схемы
усилителей сигналов на
транзисторах и микросхемах
(окончание):
г) микросхема DDI — это цифровой делитель частоты. Коэффициент деления выбирается
подключением резистора R4 к выходу Q13 (:8192) или к выходу Q3 (:8). Порог устойчивого
срабатывания регулируется резистором R2. Частота входных импульсов сигнала Vin до 20 МГц;
д) микроконтроллерный амперметр с использованием двух внутренних ОУ МК DA1 и DA2.
Датчиком тока служит низкоомный резистор R1, на котором выделяется напряжение,
пропорциональное току їх. Усиление ОУ определяют резисторы R3, R4 и R5, R7. Конденсатор С1
корректирует АЧХ. Стрелками показано направление прохождения сигнала к АЦП МК (ADC-IN);
е) замена двух защитных диодов Шоттки на входной линии МК с внутренним ОУ двумя
полевыми транзисторами VT1, VT2. Это снижает токи утечки и уменьшает температурный дрейф
нуля, что актуально при большом сопротивлении резистора Rl\
ж) входной усилитель с триггером Шмитта на микросхеме DDL Переменным резистором R4
задаётся порог срабатывания, позволяющий минимизировать помехи на фронтах сигнала Vin

2.2.2. Трансформаторная развязка
На Рис. 2.5, а...г показаны схемы с трансформаторной развязкой входов МК.
Это обеспечивает надёжную гальваническую изоляцию устройства.
Рис. 2.5. Схемы с трансформаторной развязкой входов МК:
а) входной сигнал Vin имеет пологие фронты и низкую амплитуду. Трансформатор 77
обеспечивает гальваническую развязку. Логический элемент DDI. 1 работает в режиме линейного
усиления, поскольку он охвачен обратной связью через резистор R2. Инвертор DDI.2 служит
пороговым элементом и формирует импульсы с крутыми фронтами;
б) на вход развязывающего трансформатора Т1 поступает сигнал переменного напряжения
Vin. Подбором коэффициента передачи «п» трансформатора Т1 и регулированием подстроеч-
ного резистора R4 устанавливается оптимальный уровень сигнала на входе АЦП МК. Размах
амплитуды не должен превышать напряжение питания 5 В. Делитель на резисторах Rl, R2
симметрирует сигнал. Конденсаторы С/, С2 устраняют ВЧ-помехи;
в) аналогично Рис. 2.5, б, но для двух входных напряжений Vinl, Vin2, двух каналов АЦП
и с дополнительной фильтрацией опорного сигнала VREF при помощи ZC-фильтра (Ы, СЗ, С4)\
г) аналогично Рис. 2.5, а, но сигналы формируются с более крутыми фронтами, благодаря
низкому сопротивлению резистора R1 и наличию микросхемы DDI, которая применяется в
сетевых интерфейсах RS-422, RS-485. По выполняемым функциям это линейный драйвер с входной
характеристикой триггера Шмитта

2.3. Механические датчики
2.3.1. Энкодеры
Энкодер — это устройство, преобразующее линейное или угловое
перемещение в последовательность электрических сигналов. Энкодеры для МК обычно
используются стандартные покупные, хотя встречаются и интересные самодельные
решения.
На Рис. 2.6, а, б показаны схемы подключения энкодеров к МК.
Рис. 2.6. Схемы подключения
энкодеров к МК:
а) необычный энкодер на основе шагового двигателя МІ от 3.5-дюймового дисковода. При
вращении рукой вала двигателя на выводах обмоток Ы, L2 появляются сдвинутые по фазе
импульсы, которые усиливаются по напряжению двумя ОУ DA1.1, DAL2 до уровня логической
единицы. Диоды VDL..VD4 — защитные. Резисторы R9, R10 улучшают точность срабатывания
энкодера;
б) энкодер В1 подключается к МК по стандартной схеме, за исключением одного нюанса.
Дополнительный логический элемент «сумматор по модулю 2» DDI формирует сигнал
оповещения о любом повороте вала энкодера, будь то влево или вправо. МК следит за этим сигналом
по прерыванию INT, после чего начинает обработку импульсов с выходов А и В энкодера. Это
позволяет упростить логику работы программы МК

2.3.2. Кнопки, переключатели
Рис. 2.7. Схемы подключения кнопок и переключателей к МК (начало):
а) НИЗКИЙ уровень на входе МК появляется только в случае одновременного нажатия двух
кнопок SB1 и SB2. Если разместить одну кнопку в потайном месте, то можно обеспечить
эффективную защиту от «чужих»;
б) высокоомный резистор R2 аппаратно снижает «дребезг» контактов кнопки SB1, а также
защищает вход МК от электростатических потенциалов. Резистор R3 нужен, если линия МК в
перерывах между опрашиванием кнопки SB1 используется ещё и в качестве выхода;
в) подключение кнопки SB1 к входу МК, нетолерантному к повышенному напряжению 5 В.
Резисторы Rl, R2 образуют делитель, снижающий напряжение до уровня меньше 3 В;
г) кодирование шести положений переключателя SA1 неповторяющимися комбинациями
логических уровней на трёх входах МК. Для приёма сигналов можно использовать как
внутренние, так и внешние подтягивающие резисторы;
д) нажатие на кнопку SB1 приводит к плавному заряду конденсатора С1 через элементы FD7,
R2 и появлению с некоторой задержкой ВЫСОКОГО уровня на входе МК. Тем самым
обеспечивается аппаратное подавление «дребезга» контактов. При отпускании кнопки SB1 происходит
быстрый разряд конденсатора С1 через диод VD2n резистор R1. Быстрота требуется, чтобы
кнопка сразу была готова к повторному нажатию; О
На Рис. 2.7, а...з показаны схемы подключения кнопок и переключателей к
МК. Вместо них могут использоваться различные механические контакты.

О Рис. 2.7. Схемы подключения кнопок и переключателей к МК (окончание):
е) помехоустойчивая схема подавления «дребезга» контактов кнопки SB1. Используется
несколько барьеров защиты: ограничитель бросков напряжения (супрессор VD1), схема
подавления коротких импульсов при переходных процессах (элементы Rl, R2, VD2, С/), пороговый
инвертор с гистерезисом (триггер Шмитта DDI). Микросхема триггера выполняет антивандальную
функцию по принципу «вызываю огонь на себя», т.е. защищает МК в стрессовых ситуациях;
ж) нажатие на любую из кнопок SB1, SB2 вызывает срабатывание системы прерываний по
входу INT, с последующим определением, какая именно кнопка была нажата. Конденсатор С1
снижает помехи от «дребезга» механических контактов;
з) КМОП-сигнал с частотой Fin поступает на цифровой делитель частоты DDI.
Коэффициент деления 2; 4; 8; 16 определяется положением джамперной перемычки, установленной на
один из контактовХТ1...ХТ4
2.3.3. Датчики вибрации
Среди множества нестандартных датчиков вибрации особое место занимают
пьезокерамические излучатели («пьезопищалки»), которые обычно используются
для генерации звука. В том, что они могут улавливать вибрацию, нет никакого
фокуса, поскольку пьезокерамические материалы обладают свойством дуальности,
т.е. обратимости. Акустические приборы на их основе могут как излучать, так и
принимать сигналы. Этот нюанс как раз и используется в самодельных
конструкциях для создания оригинальных сейсмо- и вибродатчиков (Рис. 2.8, а...г).

Рис. 2.8. Схемы подключения датчиков вибрации к МК:
а) сейсмодатчик выполнен на «пьезопищалке» HAL Полоса частот от единиц до десятков
герц. Порог компаратора DA2 регулируется резистором R7. Благодаря большой постоянной
времени элементов R9, СЗ, С4 устройство не реагирует на медленные изменения напряжения;
б) элементы VD1, R2 защищают МК от перенапряжений, возникающих при сильном ударе
по корпусу пьезоизлучателя НА1Ь выступающей в качестве датчика вибрации;
в) датчик ударной музыкальной установки. Транзистор VT1 защищает МК от
перенапряжений. После детектора KD7, С7, R4 сигнал из затухающей синусоиды превращается в импульс с
крутым фронтом и пологим спадом. Сила удара пропорциональна времени спада импульса;
г) аналогично Рис. 2.8, в, но с детектором сигнала на базе ОУ DA1. Вместо пьезодатчика НА1
можно поставить оптический датчик с перекрывающимся световым потоком

2.4. Акустические датчики
2.4.1. Микрофоны и громкоговорители
На Рис. 2.9, а...в показаны схемы подключения микрофонов и
громкоговорителей к МК.
Рис. 2.9. Схемы подключения микрофонов и громкоговорителей к МК:
а) В1 — это миниатюрный SMD-микрофон с встроенным усилителем. Питание 1.6... 1.7 В
он получает от светодиода НЫ, который одновременно выполняет функцию индикатора
включения. Параметры микрофона В1\ диапазон питания 1.5...5.5 В, ток потребления 0.1...0.35 мА,
усиление 18...26 дБ, габаритные размеры 6.15x3.75x1.45 мм;
б) громкоговоритель ВА1 служит микрофоном с пониженной чувствительностью. Это
полезно, когда требуется устойчивость к ударным перегрузкам или большая площадь поверхности
датчика. Транзистор VT1 включается по схеме с общей базой для согласования сопротивлений;
в) нестандартное применение мощного звукового УНЧ DA1 в качестве усилителя слабого
сигнала от пьезомикрофона ВМ1. Джампером ХТ1 выбирается коэффициент усиления 200
(замкнуто) или 20 (разомкнуто). Резистором R2 регулируется чувствительность микрофона. Выход
микросхемы DA1 «подтянут» к общему проводу резистором R3, что улучшает форму сигнала

2.5. Оптические датчики
2.5.1. Дискретные фотодатчики
К дискретным фотодатчикам в первую очередь относятся: фоторезисторы,
фотодиоды и фототранзисторы (Рис. 2.10, а...ж).
Рис. 2.10. Схемы подключения дискретных фотодатчиков к МК (начало):
а) суммарное сопротивление резисторов Rl, R2 подбирается по максимальной
чувствительности фототранзистора ВЫ. Отношение R2.R1 выбирается таким, чтобы напряжение на
аналоговом входе МК не превышало опорного уровня ИОН АЦП при полном освещении датчика;
б) катушка индуктивности Ы увеличивает крутизну фронтов импульсов и нейтрализует
медленные изменения освещённости внешнего фона. Резистор R1 ограничивает максимальный ток,
который протекает через открытый фототранзистор ВЫ при его полном освещении;
в) оригинальное измерение уровня освещённости. Вначале на линии МК устанавливается
режим входа с «pull-up» резистором (R), конденсатор С1 заряжается. Затем на линии МК
устанавливается режим входа с «pull-down» резистором (D), конденсатор С1 разряжается до нуля.
Время заряда/разряда конденсатора пропорционально освещённости фоторезистора R1;
г) сигнал от фотодиода ВЫ усиливается транзистором VT1. Через резистор R2
осуществляется обратная связь, что повышает чувствительность при приёме импульсов света;
д) сопротивление резистора R1 выбирается на порядок больше, чем у фоторезистора R2; О

О Рис. 2.10. Схемы подключения дискретных фотодатчиков к МК (окончание):
е) при включении двигателя Ml (или другой мощной нагрузки) происходит кратковременная
«просадка» напряжения батареи GB1. Чтобы не нарушалась работа фотоприёмника ВЫ,
применяется стабилизирующий фильтр Rl, С1. Резистором R2 регулируется чувствительность;
ж) одновременное подключение фотодатчика освещённости ВЫ и датчика влажности В1 к
одной линии МК. Оба датчика размещаются на открытом пространстве. Назначение датчика
освещённости — фиксация времени суток «день или ночь». При дожде влага попадает на
датчик В1, и его сопротивление резко уменьшается. Напряжение, регистрируемое через канал АЦП
МК, скачком снижается, что для МК означает состояние «дождь»
2.5.2. Интегральные фотомодули
В любительских конструкциях интегральные фотомодули обычно
используются совместно с телевизионными ПДУ. Применяются они для удалённого
управления музыкальными центрами, световыми установками, выключателями и т.д.
Длина волны составляет 940 нм, т.е. для глаза лучи не видимые,
поскольку находятся в инфракрасном диапазоне. Главную роль в системе «приёмник-
передатчик» играет не длина волны, а частота импульсов заполнения. В
зависимости от фирменных протоколов она может быть 36; 38; 40 или 56 кГц.
Внутри интегральных фотомодулей размещаются фотоприёмник и
электронный фильтр, настроенный на частоту заполнения. Выделенные из общего потока
информационные посылки представляют собой последовательности ВЫСОКИХ
и НИЗКИХ уровней, чередующиеся через разные промежутки времени.
Длительности промежутков будут разными для разных протоколов: RC-5, RC-6, NEC,
JVC, Samsung, Sharp, Sony SIRC, Daewoo, Panasonic.
В идеале фильтр, находящийся внутри интегрального фотомодуля, должен
быть настроен точно на такую же частоту импульсов заполнения, как и
передатчик ПДУ. Но практика показывает, что современные интегральные фотомодули
имеют широкую колоколообразную характеристику чувствительности, которая
позволяет им принимать сигналы «боковых» частот заполнения.
Например, при центральной частоте характеристики 38 кГц могут приниматься
сигналы от ПДУ с частотами заполнения 36 и 40 кГц [2-28], при этом сам протокол
импульсных посылок роли не играет. Единственное, что максимальная дальность
действия системы связи снижается примерно в 2 раза, с 6 до 3 м.

На выходе интегральных фотомодулей генерируется лишь «сырой» код,
поэтому главная нагрузка по его расшифровке ложится на МК (Рис. 2.11, а...г).
Рис. 2.11. Схемы подключения интегральных фотомодулей к МК:
а) параллельное включение нескольких интегральных фотомодулей В1...Вп применяется,
если световой поток приходит не с одного, а с разных направлений. Выходные сигналы OUT
объединяются по схеме «монтажное ИЛИ». Их общей нагрузкой служит внутренний (или
внешний) резистор МК. Конструктивно фотомодули должны располагаться так, чтобы их диаграммы
направленности как можно меньше пересекались. Пример — мишень в 3D-rape или костюм в
«лазерном» пейнтболе, когда четыре фотомодуля размещаются по разным сторонам света;
б) МК(1) работает только на вход и принимает сигналы от интегрального фотомодуля В1.
МК(2) в режиме входа действует аналогично МК(1), а в режиме выхода может имитировать
тестовые посылки ИК-сигналов от разных, в том числе отсутствующих, кнопок ПДУ. Резистор R2
защищает выход МК(2) от КЗ на общий провод при НИЗКОМ уровне на выходе приёмника В1\
в) если ИК-приёмник В1 используется только для констатации факта нажатия любой кнопки
на пульте ДУ, то повысить чувствительность (и дальность действия) можно при помощи
удвоителя напряжения на элементах С/, С2, VD1, VD2. Резистор R1 обеспечивает НИЗКИЙ уровень на
входе МК при отсутствии световых посылок;
г) полевой транзистор VT1 имеет большое входное сопротивление, поэтому его включение
для индикации «вспышек» ИК-сигнала не вносит рассогласования в тракт. Ток через светодиод
НЫ (яркость видимых вспышек) определяется резистором R1

2.5.3. Оптопары
Рис. 2.12. Схемы подключения выходных частей оптопар к МК:
а) элементы Rl, R3, VT1 линеаризируют передаточную характеристику оптопары VU1, т.е.
зависимость сопротивления «коллектор—эмиттер» фототранзистора от тока їх через светодиод.
Характеристика выравнивается, поскольку при низком токе через коллектор оптопары VU1
резистор R3 меньше шунтируется транзистором К77, и наоборот;
б) фототранзисторы, входящие в оптопары VUl...VUn, соединяются по схеме «логическое
ИЛИ». Суммарный сигнал выделяется на резисторе R1. Если открывается фототранзистор одной
отпопары, то функционирование остальных не учитывается;
в) стабилизатор тока на полевом транзисторе VT1 увеличивает крутизну фронтов импульсов
на выходе оптопары VU1. Ток стабилизации зависит от типа транзистора VT1 и задаётся
резистором R1 (в данном случае примерно 9 мА);
г) оптоизолированный преобразователь «скважность импульсов — напряжение на входе
АЦП МК». Нагрузкой по постоянному току для эмиттера оптопары VUJ служит резистор R1.
Через него разряжается накопительный конденсатор С/, являющийся фильтром амплитудного
детектора на диоде VDL Чем больше скважность (реже импульсы), тем меньше амплитуда.
Номиналы элементов Rl, С1 выбираются в зависимости от частоты входного сигнала
На Рис. 2.12, а...г приведены схемы подключения выходных частей
транзисторных оптопар к МК.

2.5.4. Датчики с открытым оптическим каналом
Открытый оптический канал подразумевает прохождение лучей света от
излучателя к фотоприёмнику через окружающую среду, а не внутри корпуса, как в
оптопарах. Диапазон длин волн — от видимого света до инфракрасного
излучения. Соответственно, в первом случае путь прохождения лучей можно увидеть
невооружённым глазом, а во втором случае — только специальными приборами или
видеокамерой мобильного телефона (планшета).
На Рис. 2.13, а, б показаны схемы подключения датчиков с открытым
оптическим каналом к входам МК. Схемные решения аналогичны применяемым в
оптопарах. Обратная связь между контроллером и излучателем света отсутствует.
В данных схемах МК только принимает и анализирует информацию.
Рис. 2.13. Схемы подключения фотодатчиков с открытым оптическим каналом к МК:
а) световой поток в открытом оптическом канале периодически перекрывается внешним
предметом. Сигнал на коллекторе фототранзистора, входящего в датчик VU1, обычно имеет
«зазубрины» и «волнистости» на фронтах, что может привести к ошибкам позиционирования. Для
устранения ложных срабатываний применяется компаратор DAL Резистором R3 регулируются
порог отсечки и чувствительность. Светодиод HL1 индицирует перекрытие светового потока;
б) оптопара VU1 содержит фототранзистор Дарлингтона (photoDarlington), который
обладает большим коэффициентом усиления. Для повышения помехоустойчивости выходной сигнал
предварительно пропускается через триггер Шмитта DDL Микросхема триггера физически
размещается вблизи от VUJ, чтобы снизить влияние наводок при длинном соединительном кабеле

2.6. Температурные датчики
Таблица 2.1. Температура кипения воды и высота над уровнем моря
Высота над
уровнем моря
М
Атмосферное
давление
[мм рт. ст.]
Температура
кипения воды
[°С]
Высота над
уровнем моря
[м]
Атмосферное
давление
[мм рт. ст.]
Температура
кипения воды
[°С]
0
760
100
700
698
97.67
100
751
99.67
800
690
97.32
200
742
99.33
900
682
97.00
300
733
98.99
1000
674
96.56
400
724
98.65
1200
658
96.02
500
715
98.34
1400
642
95.38
600
706
97.99
1600
626
94.72
На Рис. 2.14, а...д показаны схемы подключения терморезисторов к МК.
Рис. 2.14. Схемы подключения
терморезисторов к МК
(начало):
a) RK1 — это платиновый терморезистор, который при 0 °С имеет сопротивление 100 Ом.
Соединяется он с 24-битным дельта-сигма АЦП на микросхеме DA1 по четырёхпроводной схеме.
В свою очередь, АЦП подключается к МК через двухпроводной информационный интерфейс с
сигналами SDA, SCL. Тактовую частоту 2.4576 МГц для АЦП формирует МК; О
2.6.1. Терморезисторы
Измерение температуры окружающей среды легче всего выполнить с
помощью терморезисторов. Единственная проблема заключается в точной калибровке
показаний. В домашних условиях калибровка обычно проводится двухточечная,
т.е. определяется сопротивление при температуре 0°С в нижней точке и +100°С в
верхней точке. Внутри и снаружи этого диапазона показания считаются
линейными, а точный расчёт промежуточных значений поручается МК.
Нулевую температуру обычно калибруют по тающему льду из холодильника,
а стоградусную температуру — в кипящей воде. Правда, здесь кроется одна
тонкость, связанная с разной точкой кипения воды в зависимости от атмосферного
давления и высоты местности над уровнем моря (Табл. 2Л). Поправку надо
обязательно учитывать, если хочется минимизировать погрешность измерений.

О Рис. 2.14. Схемы подключения терморезисторов к МК (окончание):
б) входная часть электронного термометра с диапазоном измерения —199.9...+199.9°С
выполнена на двух микросхемах: DA1 — это ИОН (+2.5 В), £42/, DA2.2 — это два ОУ. Каждый из
ОУ включён по схеме источника стабильного тока, но в одном случае в цепи обратной связи
находится обычный резистор, а в другом — термодатчик. Напряжение на выходе DA2.2 зависит от
сопротивления платинового терморезистора RK1, следовательно, разность выходных
напряжений DA2.1, DA2.2 будет пропорциональна температуре окружающей среды. Многооборотными
резисторами R2t R5 калибруются точки с температурой, соответственно, 0°С и +199.9°С;
в) ток, пропускаемый через терморезистор RK1, стабилизируется элементами HL1, К77, R1,
R2. Выходное напряжение будет линейно увеличиваться/уменьшаться в зависимости от
изменения сопротивления терморезистора. По абсолютной величине это примерно в 2 раза больше,
чем в стандартной схеме с резистивным делителем напряжения;
г) введение транзистора VT1 и второго терморезистора RK2 увеличивает чувствительность
датчика примерно в 4 раза, по сравнению с простейшей схемой на резисторах Rl, RK1. Важное
замечание — терморезисторы RK1, RK2 физически должны находиться в одном и том же месте,
близко друг к другу;
д) терморезистор RK1 включается по стандартной схеме с нагрузкой в виде резистора R1.
Чтобы снизить погрешность, связанную с «плаванием» питания, вводится образцовый делитель
напряжения на резисторах R2, R3. МК через два канала АЦП будет измерять не абсолютные,
а относительные изменения напряжения между средними точками двух делителей. Получается
мостовой способ, при котором снижаются требования к стабильности напряжения питания

2.6.2. Термопары
Рис. 2.15. Схемы подключения термопар к МК:
а) простая схема с хорошей повторяемостью. Термопара К-типа ВК1 обеспечивает точность
измерения 1...2% при максимальной температуре до +375°С. Кремниевый диод VD1
компенсирует ЭДС «холодного спая» и должен располагаться как можно ближе к контактам подключения
термопары. Резисторами R6 и R12 производится калибровка двухточечным методом,
соответственно, при температуре 0°С и +100вС. Резисторы, имеющие нестандартные сопротивления,
следует собирать из двух параллельных или последовательных резисторов;
б) подключение термопары ВК1 к МК с помощью связки, состоящей из двух микросхем,
выпускаемых одним изготовителем — фирмой Linear Technology. Если использовать термопару
К-типа, то выходной сигнал, поступающий в АЦП МК, будет иметь приращение 10 мВ/град.
На микросхеме DA2 выполнен микромощный компенсатор температуры «холодного спая». Эта
микросхема должна размещаться вблизи от разъёма подключения термопары. Резисторы R1...R4
должны быть повышенной точности
Термопары обычно применяются для точного измерения высоких температур.
Их «потолок» выше, чем могут обеспечить терморезисторы. На Рис. 2.15, а, б
показаны схемы подключения термопар к МК.

2.6.3. Интегральные термодатчики
На Рис. 2.16, а...г показаны схемы подключения интегральных термодатчиков
к МК. Их достоинство — гарантированная точность и простота сопряжения.
Рис. 2.16. Схемы подключения интегральных термодатчиков к МК:
а) выходное напряжение микромощного аналогового температурного датчика DA 1
составляет 0.3...1.6 В в диапазоне —30...+ 100°С, точность ±4%;
б) прецизионный аналоговый термодатчик DA1 имеет высокую линейность в диапазоне
-20...+80°С и хорошую повторяемость параметров с точностью до ±0.3%. Особенность схемы —
высокоомный резистор R1 (минимум 1 МОм по даташиту). Конденсатор С1 снижает шумы;
в) питание аналогового датчика температуры DA1 производится от генератора стабильного
тока 1 мА, выполненного на элементах К77, VT2, RL..R3, что повышает точность измерений;
г) ключ на транзисторе VT1 открывается импульсом от МК только на время выполнения
измерения температуры цифровым термодатчиком DDL Резистор R3 защищает транзистор VT1 от
КЗ в соединительных проводах датчика. Его можно заменить плавким предохранителем
2.7. Погодные датчики
2.7.1. Датчики атмосферного давления
Современные датчики атмосферного давления выполняются в виде
микросхем, и делятся они на аналоговые и цифровые.

Цифровые датчики соединяются с МК через интерфейсы PC, SPI. Точность
измерения определяется их внутренними 16...24-битными АЦП и составляет в
пересчёте на высоту до 1 м. В любительской практике применяются следующие
модели: ВМР085, ВМР180, ВМР280 (фирма Bosch Sensortec), HP03SA, НОЗМА
(фирма HOPERF). Схемотехника их включения стандартная, напрямую к линиям
МК без дополнительных элементов. Питание 1.8...3.6 В, ток потребления меньше
1 мА. Допускается использовать для питания цифровых датчиков выходные
линии МК, настроенные на ВЫСОКИЙ уровень.
Аналоговые датчики более простые и дешёвые, чем цифровые. Они
формируют на выходе постоянное напряжение, пропорциональное атмосферному
давлению. Точность измерения достигает 1% (Рис. 2.17, а, б).
Рис. 2.17. Схемы подключения датчиков атмосферного давления к МК:
а) В1 — это аналоговый датчик давления 0...200 кПа с линейной зависимостью разности
напряжения 0...40 мВ между выводами OUT+ и OUT—. Дифференциальный усилитель собран на
трёх ОУ микросхемы DA1. Он масштабирует сигнал для подачи на АЦП МК. Чувствительность
составляет 0.2 мВ/кПа. Резистором R2 производится калибровка. Питание датчика и ОУ можно
понизить до +5 В. Все резисторы должны быть повышенной точности;
б) аналогично Рис. 2.17, а, но с одним ОУ и с другой схемотехникой дифференциального
усилителя. Калибровка осуществляется резистором R6 (его можно заменить подстроечным)

2.8. Прочие схемы узлов ввода
На Рис. 2.18, а...с показаны прочие схемы узлов ввода.
Рис. 2.18. Схемы
подключения прочих узлов
ввода к МК (начало):
а) пиранометр В] — это прибор для измерения плотности потока солнечного излучения.
Датчиком служит фотодиод или термопара. Пиранометры применяются в метеорологии, в системах
управления солнечными батареями. Коэффициент преобразования — 5 мкВ на 1 Вт/м2. Фильтр
Rl, С1 усредняет сигнал, ОУ DA1 усиливает его в 200 раз (зависит от отношения резисторов R2,
R3). Напряжение, поступающее на АЦП МК при дневном свете, в среднем составляет 1 В;
б) индикатор HL1 включается, если уровень Vin выше +7 В. При «pull-up» резисторе (R)
отслеживается КЗ между Vin и GND (НИЗКИЙ уровень вместо импульсов). При «pull-down»
резисторе (D) отслеживается обрыв проводов (ВЫСОКИЙ уровень вместо импульсов);
в) бесконтактный детектор наводок напряжения с регулировкой чувствительности
резистором R4. Антенна WA1 содержит катушку 2x39 витков, провода которой соединяются вместе;
г) сенсорная площадкаЛТ/ подключается к микросхеме DA 1 фирмы Quantum Research Group.
Внутри находится контроллер DSP, алгоритм его программы запатентован. На выходе OUT
формируется НИЗКИЙ уровень, равный длительности прикосновения. Микросхему DA1 (выводы 1;
3...5) можно запитать прямо от линии МК, зашунтировав её конденсатором 0.01 мкФ; О

О Рис. 2.18. Схемы подключения
прочих узлов ввода к МК
(продолжение):
д) датчик сетевых наводок. Сенсорная площадка XI выполнена в виде металлизированного
квадрата 10x10 мм из фольгированного стеклотекстолита;
е) конструктивные варианты исполнения сенсорной площадки для датчиков касания.
Металлизированные дорожки вытравлены на печатной плате;
ж) приём цифровой информации по двум каналам от звуковой карты компьютера. Данные
упаковываются в файл формата WAV и проигрываются медиаплеером. Элементы Rl, R2, С1...С4
сглаживают форму входных импульсов. Начальное смещение на входах МК формируется
делителями напряжения R3, R4 и R5, R6. Звуковая информация на разъём XS1 может поступать от
компьютера или мобильного телефона. В последнем случае важную роль играют фильтры Rl, С1
и R2, С2, без которых наблюдаются ошибки и сбои;
з) В1 — это двухпроводной датчик, сопротивление которого изменяется в зависимости от
физического параметра (температура, давление, освещённость и т.д.). Элементы VD1, VD2
защищают МК от всплесков напряжения, a R2, С1 фильтруют помехи;
и) интегральный акселерометр В1 фирмы Frescale Semiconductor формирует на выходе
аналоговый сигнал, пропорциональный ускорению (вибрации). Калибровка — резистором R2\ О

О Рис. 2.18. Схемы подключения прочих узлов ввода к МК (продолжение):
к) необычный «безрезисторный» ЦАП для тех МК, которые имеют внутренние «pull-up» (R)
и «pull-down» (D) резисторы сопротивлением несколько десятков килоом. Выходное
напряжение ЦАП зависит отделителя, состоящего из «верхних» и «нижних» внутренних резисторов МК.
Их число на разных «ступеньках» выходного напряжения будет разным. Отключение резисторов
производится переводом линии МК в Z-состояние (обрыв). Разрядность ЦАП зависит от общего
числа задействованных входов. Если требуется сформировать не плавное, а ступенчатое
напряжение ЦАП на высокоомную нагрузку, то фильтр Я1,С1и усилитель DA1 могут отсутствовать;
л) МК открывает/закрывает транзистор VT1 при помощи линии входа (а не выхода).
Используются внутренние «pull-up» и «pull-down» резисторы сопротивлением 30...50 кОм.
Максимальный ток через нагрузку Rw зависит от коэффициента п21э транзистора VT1 и составляет
примерно 5... 15 мА. Достоинство — максимальная простота схемы;
м) резистивный датчик В1 находится в цепи обратной связи усилителя DA1 и определяет его
коэффициент передачи. МК измеряет амплитуду входного сигнала Vin (нижний вход) и
амплитуду сигнала после ОУ (верхний вход). Разность пропорциональна сопротивлению датчика;
н) как известно, излучение любительских КВ-передатчиков может приводить к ложным
срабатываниям тепловых ИК-датчиков движения, основанных на пассивном PIR-эффекте.
Промышленные датчики в качестве электронной начинки обычно содержат широко
распространённую микросхему DAL Если из типовой схемы включения этой микросхемы удалить
конденсаторы С7, С2, которые задают длительность импульсов на выходе VO, то датчик движения
превращается в индикатор радиочастотного излучения в диапазоне 3...30 МГц; О

О Рис. 2.18. Схемы подключения прочих узлов ввода к МК (окончание):
о) выделение хронирующей частоты из телевизионного видеосигнала. Кадровые
синхроимпульсы фильтруются элементами R1, С7, R2, С2. Делитель R3, R4 смещает «вверх» порог
срабатывания входа МК для повышения помехоустойчивости. Стабильность частоты выделенных
импульсов определяется стандартом телевизионного центра;
п) пироэлектрический датчик В1 (он же детектор присутствия) реагирует на тепловое
излучение объекта. Датчик подключается к МК через обычный УМЗЧ на микросхеме DAL Конденсатор
С1 не пропускает постоянную составляющую сигнала. Это блокирует медленные колебания
температурного фона. Коэффициент усиления равен 200 (соединение выводов 1 и 8 DA1). Дальность
обнаружения человека составляет несколько метров, а с фокусирующей линзой — до 20 м;
р) МК должен быть из семейства STM32F («pull-up» и «pull-down» резисторы на входе).
Нажатию каждой кнопки на тастатуре А1 соответствует свой цифровой код 0...F на линиях МК.
«Цифровые» транзисторы VT1... VT4 защищают МК от внешних стрессовых воздействий;
с) фотоприёмник ВЫ выпаивается из компьютерной мыши и закрепляется прозрачным
скотчем напротив светодиода бытового электросчётчика. Резисторы RL..R3 подбираются так,
чтобы при включении светодиода напряжение на входе МК составляло 0.5...0.7 В

Список использованных источников и литературы к главе 2
2-1. Battery Discharge Analyzer [Электронный ресурс] / «ElmChaN», 2010. — Режим
доступа: http://elm-chan.org/works/bt/report__e.html (англ.). — 07.01.2016.
2-2. Music Display Nol [Электронный ресурс] / Tetsuya Gokan, 1999. — Режим доступа:
http://www.picfun.com/equipj43.html (яп.). — 07.01.2016.
2-3. Данилин, А. Частотомер промышленной сети 50/60 Гц / Александр Данилин //
Радиоаматор. — 2012. — № 5. — С. 37—38.
2-4. WattMeater [Электронный ресурс] / 2009...2013. — Режим доступа: http://www8.plala.
or.Jp/InHisTime/page050.html#PIC-056 (яп.). — 07.01.2016.
2-5. AN2868 Application note. STM32F10xxx Internal RC oscillator (HSI) calibration
[Электронный ресурс] / STMicroelectronics, 2009. — Режим доступа: http://www.st.com/
st-web-ui/static/active/jp/resource/technical/document/application_note/CD00221839.
pdf(aHni.).- 07.01.2016.
2-6. Капитонов, П. Монитор электросети / Павел Капитонов // Радиоаматор. — 2015.—
№ 1.-С. 15-16.
2-7. ЕСЕ 4760 Final Project: PowerBox: The Safe AC Power Meter [Электронный ресурс] /
Cliff Jao, Xi Guo, 2008. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/
ece4760/FinalProjects/s2008/cj72_xg37/cj72_xg37/index.html (англ.). — 07.01.2016.
2-8. MCU 72: VCDJV meter [Электронный ресурс] / «FC2», 2011. — Режим доступа: http://
mkl502.web.fc2.com/pic/mcu_72.htm (яп.). — 07.01.2016.
2-9. ЕСЕ 4760 Final Project: Automated Rock Band Player [Электронный ресурс] / Jeff Yates,
Li Yau, 2010. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/
FinalProjects/s2010/jay29_ly56/jay29_ly56/index.html (англ.). - 07.01.2016.
2-10. Егошкин, H. Простой карманный кардиограф с фиксацией измерений на карте
памяти SD / Николай Егошкин // Радиохобби. — 2012. — № 4. — С. 53—55.
2-11. PC Frequency meter [Электронный ресурс] / «OpenD», 2005. — Режим доступа: http://
www.opend.co.za/hardware/freqmeterl/ (англ.). — 07.01.2016.
2-12. DC/DC [Электронный ресурс] / 2011...2013. — Режим доступа: http://www.picfun.
com/equipj85.html (яп.). — 07.01.2016.
2-13. A Simple Attenuator And Preamp For DC Measurements [Электронный ресурс] /
Richard Cappels, 2013. — Режим доступа: http://cappels.org/dproj/atnpre/Simple__Battery_
operated_Instrument_Attenuator_and_Preamp.html (англ.). — 07.01.2016.
2-14. Digital Frequency Counter [Электронный ресурс] / Т. К. Mani (VU2IYI). — Режим
доступа: http://www.hamradio.in/circuits/fcount.php (англ.). — 07.01.2016.
2-15. Валкодер из двигателя [Электронный ресурс] / VK6BRO, EW2CE, OZ2CPU. — Режим
доступа: http://ru3ga.qrz.ru/UZLY/encod.htm. — 07.01.2016.
2-16. Player [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://picavr.uunyan.com/avr_m_
player.html (яп.). — 07.01.2016.
2-17. YOSDR [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://yosdr.qrpclub.ro/pdf/
YO-SDR.pdf (англ.). - 07.01.2016.
2-18. Timer with ATtiny2313 [Электронный ресурс] / Gerd Sinning, 2009. — Режим доступа:
http://www.elektronik-labor.de/AVR/dds/TimerLCD.html (нем.). — 07.01.2016.
2-19. Виноградов, Ю. Регистратор колебаний поверхности земли / Юрий Виноградов //
Радио. - 2004. - № 12. - С. 39-41.
2-20. Generateur de percussions 003 [Электронный ресурс] / Remy Mallard, 2010. — Режим
доступа: http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_gene_percus_003.
html (фран.).- 07.01.2016.

2-21. Clarke, J. MIDI Drum Kit / John Clarke // Everyday Practical Electronics. — 2007. —
№ 12. - P. 12-23.
2-22. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.recursion.jp/mitoul7/useR2/
spectrum.html (англ.). — 27.09.2013.
2-23. Preampli micro (-HP) 009 [Электронный ресурс] / Remy Mallard, 2009. — Режим
доступа: http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_preampli_
micro_009.html (фран.). — 07.01.2016.
2-24. Звуковой сенсор на основе аудио усилителя LM386 [Электронный ресурс] / «FireFly»,
2008. — Режим доступа: http://robozone.su/mrC40/35-zvukovojj-sensor-na-osnove-
audio-usilitelja-lm386.html. — 07.01.2016.
2-25. ЕСЕ 4760 Final Project: Image Scan using Phototransistor Array [Электронный ресурс] /
Yunchi Luo, Mengliang Yu, 2010. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/
courses/ece4760/FinalProjects/s2010/yl477_my288/yl477_my288/index.html (англ.). —
07.01.2016.
2-26. Рюмик, С. Разработки китайских радиолюбителей / Сергей Рюмик // Радио. —
2012.-№9.-С. 26.
2-27. Clark, D. Ask Mr. Roboto / Dennis Clark // Servo. - 2009. - № 9. - P. 13-15.
2-28. Рюмик, С. М.У.З. Универсальное ДУ с протоколами RC-5 и NEC / Сергей Рюмик //
Радиохобби. — 2013. — № 4. — С. 44—48.
2-29. Labvoeding82 VI [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа: http://
prosje.be/Projects/LabVoeding82Vl.html (нидерл.). — 07.01.2016.
2-30. Рюмик, С. Вопрос? Ответ! / Сергей Рюмик // Радиоаматор. — 2010. — № 9. —
С. 50-52.
2-31. Лабораторный термометр [Электронный ресурс] / «Сэр Мурр», 2007...2015. — Режим
доступа: http://radiokot.ru/circuit/analog/measure/05/. — 07.01.2016.
2-32. NTC-gevoeligheid opdrijven [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа:
http://prosje.be/Projects/NtcGevoeligheidOpdrijven.html (нидерл.). — 07.01.2016.
2-33. Tepmometpo [Электронный ресурс] / Leonidas Chandrinos (SV1HZ), 2012. — Режим
доступа: http://users.otenet.gr/~leonidax/electronics03.html (греч.). — 07.01.2016.
2-34. Милевский, А. Простой усилитель термопары / Александр Милевский //
Радиоаматор. - 2013. - № 3. - С. 39-40.
2-35. Усилитель сигнала термопары [Электронный ресурс] / «Міке», 2014. — Режим
доступа: http://digitrode.ru/schemes/214-usilitel-signala-termopary.html. — 07.01.2016.
2-36. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ni.bekkoame.ne.jp/sogawa/html/
auction/ad.html (яп.). — 07.01.2016.
2-37. Шишкин, С. Электроника для гаража / Сергей Шишкин // Современная
электроника. - 2008. - № 7. - С. 40-43.
2-38. Белов, А. В. Конструирование устройств на микроконтроллерах / Александр Белов. —
СПб.: 2005. - 256 с. - ISBN 5-94387-155-1.
2-39. Мартышевский, Ю. Микрометеолаборатория / Юрий Мартышевский //
Схемотехника. — 2005. — № 6. — С. 54—55.
2-40. Pyranometer to Current Converter [Электронный ресурс] / Wichit Sirichote,
2006. — Режим доступа: https://web.archive.Org/web/20090815130212/http://www.kmitl.
ac.th/~kswichit/pyrano/schematic.pdf (англ.). — 07.01.2016.
2-41. Chicken, Е. Nail Sniffer & Volts Hound / Edwin Chicken // Everyday Practical
Electronics. - 2006. - № 5. - P. 20-23.
2-42. redKontrollers: redKontroll [Электронный ресурс] / F. Olafsson. — Режим доступа:
http://www.fredrikolofsson.com/pages/hardware.html (англ.). — 07.01.2016.

2-43. PIC12F683 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www8.plala.or.jp/
InHisTime/page005.html (яп.). — 07.01.2016.
2-44. ISP mit der Soundkarte [Электронный ресурс] / Burkhard Kainka, 2014. — Режим
доступа: http://pichub.de/seiten/www.elektronik-labor.de/AVR/Soundprog.html(нем.). —
07.01.2016.
2-45. Рюмик, С. Конструкции с «Arduino». Часть 4 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
20П.-№ 10.-С. 41-45.
2-46. Рюмик, С. Микроконтроллеры STM32. Барьер 7 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2012.-№ 10.-С. 48-51.
2-47. Simple IKEA transmit indicator [Электронный ресурс] / Sverre Holm, 2012. —
Режим доступа: http://la3za.blogspot.com/2012/04/simple-ikea-transmit-indicator.
html (англ.).-07.01.2016.
2-48. PIC16F88 [Электронный ресурс] / 2012. — Режим доступа: http://www8.plala.or.jp/
InHisTime/page059.html (яп.). - 07.01.2016.
2-49. Простая схема заменяет программный опрос матричной клавиатуры [Электронный
ресурс] / Rick Malley. — РадиоЛоцман, октябрь 2014, С. 58—59. — Режим доступа:
http://www.rlocman.ru/forum/krfilesmanager.php?do=downloadille&dirileid=491. —
07.01.2016.
2-50. Иванов, П. Микропроцессорный беспроводной измеритель расхода
электроэнергии / Пётр Иванов // Современная электроника. — 2006. — № 9. — С. 48—50.

ГЛАВА
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УЗЛОВ УПРАВЛЕНИЯ
И ТАКТИРОВАНИЯ
Люди уходят, примеры остаются
(Публий Корнелий Тацит)
3.1. Формирователи сигнала начального сброса
На Рис. 3.1, а...о показаны схемы организации начального сброса МК.
Рис. 3.1. Схемы
организации
начального сброса МК
(начало):
а) оптоизолированный сброс МК. Применяется при программировании через бутлоудер с
активацией по сигналу DTR от СОМ-порта. Может применяться автономно, для удалённого
рестарта МК. Ток диода оптопары VU1 должен обеспечивать ток коллектора не менее 0.5 мА;
б) общий начальный сброс двух МК, питающихся от разных напряжений. Супервизор DA 1
имеет выход с о открытым стоком. Диод VD1 защищает вход МК(1) от напряжения +5 В МК(2);
в) в маловыводных МК, подобных АТЇіпуІЗ, можно одновременно использовать вход RES
для программирования ICSP и для опроса кнопки через канал АЦП. В последнем случае при
нажатии на кнопку SB1 напряжение на входе МК снижается с +5 до +3.8 В (делитель RL R2)\
г) от программатора HVP на МК поступает импульс с напряжением +12 В. Чтобы он не
снижался по амплитуде из-за протекания тока через резистор R1, в схему вводится диод VD1; О
3

О Рис. 3.1. Схемы организации начального сброса МК (продолжение):
д) на верхнюю линию МК поступает внешний двухуровневый информационный сигнал.
Если он имеет большую скважность (в сигнале преобладает НИЗКИЙ уровень), то конденсатор
С1 не успевает заряжаться через диод VD1, поэтому транзистор VT1 постоянно закрыт, сброса
нет. Чтобы сформировать отрицательный сигнал сброса RES, надо на некоторое время подать
ВЫСОКИЙ уровень или сигнал меандра, чтобы открылся транзистор VT1;
е) при нажатии на кнопку SB1 открывается диод VD1 и МК сбрасывается в исходное
состояние. Одновременно с этим через диод VD2 разряжается конденсатор С1 и на нижнем входе МК
устанавливается НИЗКИЙ уровень. В начале управляющей программы МК проверяет
состояния нижней линии. Если обнаружен НИЗКИЙ уровень, значит, сброс произошёл от кнопки
SB1. Если обнаружен ВЫСОКИЙ уровень, то сработал таймер Watch-Dog или узел Brown-Out;
ж) кнопка SB1 имеет нормально замкнутые контакты. При нажатии на неё разрывается
подключение к цепи питания, и на входе сброса формируется НИЗКИЙ уровень. Достоинство
схемы — высокая помехоустойчивость и невозможность несанкционированного
перепрограммирования МК, недостаток — лишний расход тока, который протекает через резистор R1;
з) аналогично Рис. 3.1, ж, но с индикатором питания на светодиоде HLL При нажатии на
кнопку SB1 светодиод гаснет. НИЗКИЙ уровень на входе RES обеспечивается резистором R2;
и) при нажатии на кнопку сброса SB1 формируется отрицательный импульс RES, при этом
конденсатор С1 разряжается через элементы VD1, R1. На том входе МК, который соединяется с
диодом VD2 через джампер S1, устанавливается НИЗКИЙ уровень. После отжатая кнопки SB1
требуется некоторое время, чтобы конденсатор С1 зарядился до ВЫСОКОГО уровня через диод
VD2 и внутренний «pull-up» резистор входа МК. Это означает, что некоторое время имитируется
нажатие кнопки SB2 (или SB3), что позволяет после начального сброса автоматически включить
определённый режим или выполнить какую-то операцию, физически не нажимая на кнопку; О

О Рис. 3.1. Схемы организации
начального сброса МК (окончание):
к) нажатие на кнопку SB J вызывает запуск МК АТ89С2051, для которого требуется импульс
сброса положительной полярности. Благодаря большой ёмкости конденсаторов С1, С2 схема
отличается высокой помехоустойчивостью и применяется в электронных дверных звонках;
л) конденсаторы фильтра СІ, С2 устанавливают в цепи начального сброса при сильных
внешних наводках напряжения, а также при помехах по питанию;
м) батарея G1 питает условное устройство, обозначенное нагрузкой Rw. Каждый раз при
установке батареи в зажимы XL 1, XI.2 открывается транзистор VT1 и происходит рестарт МК.
Это полезно для синхронизации программы МК и выполнения определённых действий.
Длительность импульса сброса зависит от ёмкости конденсатора С/. Сопротивление резистора R3 на
порядок больше, чем у резистора R1, поэтому после сброса транзистор VT1 закрывается;
н) импульс сброса длительностью 100 мс формируется дифференциальной цепочкой,
состоящей из конденсатора С1 и внутреннего «pull-up» резистора МК. Резистор R1 нужен для разряда
конденсатора СІ, чтобы можно было быстрее повторить процедуру сброса кнопкой SB Г,
о) элементы R1, С2 входят в стандартную схему сброса МК. Если параллельно конденсатору
С2 включить конденсатор С/ большой ёмкости, то можно заблокировать внутренний узел Watch-
Dog МК, т.к. он генерирует наружу слишком короткие импульсы НИЗКОГО уровня

3.2. Внешние источники опорного напряжения
На Рис. 3.2, а...д показаны схемы подключения внешних источников опорного
напряжения к МК.
Рис. 3.2. Схемы подключения внешних источников опорного напряжения к МК:
а) стабилизация опорного напряжения VREF производится светодиодом НЫ, который
работает в режиме микротоков и практически не светится. Включается режим ВЫСОКИМ уровнем
с выхода МК. Подбором сопротивления гасящего резистора R1 в пределах 10...20 кОм можно
добиться оптимальной стабильности напряжения VREF;
б) схема применяется в МК, подобных PIC12F683, где линия GP1 имеет совмещённую
функцию: вход сигналов от адаптера программирования ICSP и вход образцового напряжения
VREF. Резистором R1 выставляется точный уровень ИОН. Чтобы сигнал от адаптера ICSP не
шунтировался конденсатором фильтра С7, в схему вводится развязывающий резистор R4. Такое
же решение можно использовать, если вход VREF заменить входом канала АЦП;
в) транзистор VT1 динамично подстраивает ток через стабилитрон VD1, тем самым повышая
стабильность напряжения VREF;
г) VD1 — это прецизионный источник опорного напряжения +5 В. Точный уровень
подстраивается резистором R1. Особенность схемы заключается в низкой амплитуде шума благодаря
двойному фильтру на элементах R3, R4, С2, СЗ;
д) опорное напряжение VREF используется для создания стабильной «полки» +1.25 В на
входе АЦП МК. Сопротивления резисторов делителя R7, R2 выбираются высокоомными, чтобы
меньше нагружалась цепь VREF. Амплитуда входного сигнала Vin не должна превышать 2.5 В

3.3. Стабилизация тактовой частоты
На Рис. 3.3, а...г показаны схемы стабилизации тактовой частоты МК.
Основное внимание уделяется схемам, в которых допускается перестраивать частоту
генерации.
Рис. 3.3. Схемы стабилизации тактовой частоты МК:
а) выставляя ВЫСОКИЙ уровень или обрыв (Z-состояние) на линии МК справа, можно
задать 2 частоты внешнего тактирования: в мегагерцевом диапазоне (элементы R2, С2) или в
диапазоне сотен герц (элементы Rl, CU С2)\
б) выпрямительные кремниевые диоды VD1, VD2 обычно используются в устройствах
питания, но они с успехом могут служить аналогами варикапов в обратном включении. Точная
подстройка частоты кварцевого генератора производится резистором R1;
в) в верхнем положении переключателя S1 осуществляется ручная, а в нижнем —
автоматическая подстройка частоты кварцевого задающего генератора. В МК используется канал ШИМ с
ФНЧ на элементах R3, С4. Конденсаторами С2, СЗ устанавливаются начальное значение тактовой
частоты и диапазон регулирования. Ёмкость варикапа VD1 изменяется примерно от 20 до 45 пФ
при уменьшении напряжения на нём переменным резистором R1 от 5 до 0.5 В;
г) параллельный контур Ы, СЗ, С4 настраивается точно на частоту генерации кварцевого
резонатора ZQL На частоте резонанса контур имеет большое сопротивление, из-за чего
разрывается цепь обратной связи с выхода ХТ2 на вход ХТ1 МК. Как следствие, кварцевый генератор
запускается не на основной, а на высшей нечётной гармонике, чаще всего на третьей

3.4. Приём тактовых сигналов
На Рис 3.4, а...г показаны схемы приёма тактовых сигналов в МК.
Рассматриваются схемы с кварцевой стабилизацией частоты, поскольку они чаще
применяются на практике.
Рис. 3.4. Схемы приёма тактовых сигналов в МК:
а) МК(1) тактируется на частоте 12 МГц от кварцевого резонатора ZQ1. На выходе CKOUT
формируется сигнал Vout КМОП-уровня с точно такой же частотой 12 МГц. Он является
тактовым для МК(2) и может использоваться в других узлах устройства. Однако не все МК имеют
выход сигнала CKOUT. Например, в ATmega48A фирмы Atmel он есть, в ATmega8A той же фирмы
его нет. Генерация сигнала на выходе CKOUT включается/отключается программным путём;
б) гальванически изолированный ввод тактового синхронизирующего ВЧ-сигнала в МК.
Для смещения рабочей точки к середине диапазона питания используется трёхвыводной
стабилитрон VD1, обеспечивающий на входе ХТ1 опорное напряжение +2.5 В;
в) кварцевый генератор G1 формирует сигнал с частотой 12.8 МГц, но с малым размахом
амплитуды 1 В, поэтому напрямую подавать его на тактовый вход МК нельзя. Необходимо
сместить рабочую точку входа ХТ1 делителем на резисторах Rl, R2. Антизвонный резистор R3 может
отсутствовать, что проверяется экспериментально по стабильности работы МК. Возможные
замены элементов: Gl KTXO-18-12.8MHz, Rl=22 кОм, &?=22 Ом;
г) экономичный (100 мкА) транзисторный генератор с кварцевой стабилизацией частоты.
Сохраняет работоспособность при питании 1.5...5 В. Особенность схемы — конденсатор между
коллектором и эмиттером транзистора VT1 отсутствует, его функцию выполняет внутренняя
входная ёмкость линии МК на общий провод

3.5. Прочие схемы тактирования
На Рис. 3.5, а...в показаны прочие схемы тактирования МК.
Рис. 3.5. Прочие схемы тактирования МК:
а) генератор когерентных сигналов Vout(l) и Vout(2). Под когерентностью в данном случае
понимается жёсткий сдвиг по фазе между двумя сигналами, который обеспечивается
тактированием МК(1) и МК(2) от одного кварцевого резонатора ZQL а также одинаковым алгоритмом в
подпрограмме генерации;
б) необычный источник тактовых импульсов для низкочастотного канала часов реального
времени RTC. Тактовые импульсы с непредсказуемой частотой формируются от звуковых
сигналов с выхода аудиоусилителяЛ UDIO. Резистором R1 устанавливают уровень, при котором размах
амплитуды не будет превышать 5 В. Трансформатор 77 — согласующий от радиоприёмника с
числом витков обеих обмоток 500. Схема обеспечивает гальваническую развязку МК;
в) на плате, содержащей МК, иногда полезно установить дополнительный трёхвыводной
разъём XL Через него к тактовому входу ХТ1 (In) МК может подаваться сигнал от внешнего
кварцевого генератора GL Он непрерывно генерирует ВЧ-импульсы и «подавляет» сигнал от
кварцевого резонатора ZQL Это помогает определить неисправность элементов ZQL С2, СЗ или
перепрограммировать МК при случайной установке «не тех фьюзов» в AVR-контроллерах. В
рабочем состоянии разъём XI свободен

Список использованных источников и литературы к главе 3
3-1. Рюмик, С. Конструкции с «Агсшіпо». Часть 1 / Сергей Рюмик Рюмик //
Радиоаматор. - 2011. - № 2. - С. 50-53.
3-2. RESET-pin als ingang gebruiken [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2013. — Режим
доступа: http://prosje.be/Projects/ResetPinAlsIngang.html (нидерл.). — 07.01.2016.
3-3. Teensy 1.0 Schematic [Электронный ресурс] / PJRC, 2009...2015. — Режим доступа:
http://www.pjrc.com/teensy/schematic.html (англ.). — 07.01.2016.
3-4. Тинкован, С. Музыкальный звонок на микроконтроллере / Сергей Тинкован //
Радиоаматор. — 2012. — № 6. — С. 18—19.
3-5. Ein Lauftext, bei dem man selber laufen muss [Электронный ресурс] / Ralf Beesner,
2011. — Режим доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/Lauftext.html (нем.). —
07.01.2016.
3-6. РІС 62 [Электронный ресурс] /2010. — Режим доступа: http://mkl502.web.fc2.com/
pic/pic_62.htm (яп.). — 07.01.2016.
3-7. [Электронный ресурс] / Xushao, 2011. — Режим доступа: http://www.go-gddq.com/
html/sl40/2011-12/857011p2.htm (кит.). - 07.01.2016.
3-8. Дайджест зарубежной периодики. Модификация параметрического стабилизатора //
Радиохобби. — 1999. - № 4. — С. 19.
3-9. Oscilloscope using a microcontroller and a TV [Электронный ресурс] / Bruce Land,
2003. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/PROJECTS/VideoScope/
(англ.).-07.01.2016.
3-10. Рюмик, С. Микроконтроллерный модуль «InterDuino» / Сергей Рюмик // Радио. —
2010.-№ 10.-С. 27-30.
3-11. Sailor's Clock [Электронный ресурс] / Ralf Beesner (DK5BU), 2011...2015. — Режим
доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/SoilorsClock.html (нем.). — 07.01.2016.
3-12. Werkbank fur Software: AVR-Testboards «light» [Электронный ресурс] / DL6GL,
2012. — Режим доступа: http://dl6gl.de/software/werkbank-fuer-software-avr-testboards-
light (нем.).-07.01.2016.

ГЛАВА
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПОДАЧИ
ПИТАНИЯ НАМК
Думать — вот самая тяжёлая работа,
и поэтому мало кто за неё берётся
(Генри Форд)
4.1. Параметрические стабилизаторы напряжения
На Рис. 4.1, а...в показаны схемы параметрических стабилизаторов
напряжения, пригодных для организации питания МК.
Рис. 4.1. Схемы
параметрических
стабилизаторов
напряжения:
а) выходное напряжение +3.3 В ± 5% можно регулировать подбором стабилитрона VDL Ток
нагрузки до 30 мА. Резистор R1 выбирается мощным на случай КЗ по выходу;
б) выходное напряжение регулируется в пределах стандартного допуска «трёхвольтовых» МК
±10%. Коэффициент стабилизации 800... 1000. Резисторы Rl, R2 запараллелены на случай КЗ;
в) дополнительный выпрямитель на диоде VD2 и конденсаторе фильтра С2 используется для
повышения напряжения в цепи затвора транзистора VT1, что позволяет увеличить КПД.
Выходное напряжение рассчитывается по формуле КСС[В] = 2.5-(1 + &2[кОм] / &?[кОм]), гДе число
«2.5» означает напряжение ИОН трёхвыводного стабилитрона VD3 в вольтах
4

4.2. Линейные интегральные стабилизаторы
На Рис 4.2, а...г показаны схемы линейных интегральных стабилизаторов
напряжения, пригодных для организации питания МК.
Рис. 4.2. Схемы интегральных стабилизаторов положительного напряжения:
а) недорогой и широко распространённый стабилизатор питания DA1 обеспечивает ток
нагрузки до 100 мА с защитой от КЗ при низком собственном энергопотреблении 75 мкА;
б) МК ведёт постоянный мониторинг состояния аккумулятора GB1, измеряя его напряжение
12 В через делитель на резисторах Rl, R2. При внезапном отключении аккумулятора от схемы
напряжение на входе АЦП МК становится равным нулю. В этот момент активируется
подпрограмма сохранения важных данных. Питание МК будет ещё некоторое время поддерживаться
конденсатором С7, которому диод VD1 не даёт разряжаться через внешнюю нагрузку Rw;
в) простой двухполярный стабилизатор напряжения на комплементарных микросхемах DA1,
DA2. Резисторами R2, R3 можно выставить одинаковые или разные напряжения на выходах;
г) контроль исправности аккумулятора GB17.4 В осуществляется через транзисторный
усилитель на элементах F77, RL..R3, что гарантирует стабильность показаний. При напряжении
аккумулятора GB1 больше, чем 5.7 В, транзистор VT1 открыт, напряжение на входе АЦП МК
близко к +5 В (режим «Норма»). При дальнейшем разряде аккумулятора ниже 5.7 В транзистор
призакрывается, и напряжение на входе АЦП МК начинает уменьшаться

4.3. Импульсные DC/DC-преобразователи напряжения
Необходимость в DC/DC-преобразователях напряжения значительно
возрастает при питании аппаратуры с МК от низковольтных батарей и аккумуляторов.
Действительно, при входном напряжении 1.2...1.6 В линейный стабилизатор
ничем не поможет. Здесь нужен импульсный DC/DC-преобразователь,
повышающий напряжение, по крайней мере, до 3...3.3 В (Рис. 4.3, а...в).
Подобные DC/DC-преобразователи выкачивают из батарей энергию вплоть
до «последнего джоуля», поэтому их часто называют «Joule thief» (похититель
джоулей).
Рис. 4.3. Схемы импульсных DC/DC-преобразователей напряжения:
а) МК питается от аккумулятора (1.2 В) или «пальчиковой» батареи (1.6 В) через
повышающий DC/DC-преобразователь на микросхеме DA1. Устройство функционирует до глубокого
разряда элемента питания. Запуск начинается с 1 В. Ток нагрузки 0.1 ...0.25 А при КПД 82%, имеется
защита от КЗ по выходу. Увеличить напряжение с +3.3 до +5 В можно заменой DAI MAX777L;
б) выходное напряжение DC/DC-преобразователя DA1 регулируется резисторами Rl, R2.
Частота преобразования 500 кГц, КПД до 85%, корпус SOT-23/6. Напряжение аккумулятора G1
измеряется напрямую через канал АЦП МК. Возможные замены радиоэлементов: R147 кОм, R2
27 кОм, С122 мкФ, L14...9 мкГн;
в) DC/DC-преобразователь DA1 не имеет встроенного диода, поэтому применяется
внешний диод Шоттки VDL Минимальное входное питание 0.7 В, частота преобразования 115 кГц,
КПД до 85%. Выходной ток можно увеличить с 35 до 60 мА при замене аккумулятора G1 батареей
с напряжением 1.6 В. Замена диода VD1 — 1SS319. Для выходных напряжений 2.7;3.0;3.6;5.0В
следует установить вместо DA1 микросхемы: НТ7727А; НТ7730А; НТ7736А; НТ7750А

4.4. «Импульсно-линейные» источники питания
На Рис. 4.4, а, б показаны схемы комбинированных источников питания,
использующих импульсные DC/DC-преобразователи, которые дополнены
линейными стабилизаторами напряжения.
Рис. 4.4. Схемы «импульсно-линейных» источников питания:
а) стандартный импульсный DC/DC-преобразователь напряжения на микросхеме DA1
дополняется элементами С2, VD2, VD3, СЗ, С5, DA2, С6 с целью «бесплатного» получения
стабилизированного источника отрицательного питания —5 В. Такое техническое решение можно
использовать и с другими микросхемами DC/DC-преобразователей напряжения;
б) микроконтроллерный DC/DC-преобразователь содержит элементы: Rl, VT1, Ы, VDly С1.
Принцип работы — энергия, накопленная в катушке Ы за время открытого состояния
транзистора VT1, передаётся в нагрузку через диод Шоттки VD1. Особенность схемы в том, что
стабилизация напряжения производится не методом ШИМ от МК, а параметрическим стабилизатором
на элементах VD1, R2...R4. Выбор напряжения +12 или +13 В производится переключателем 57,
уменьшающим сопротивление нижнего плеча в делителе R2, R3. Устройство не имеет обратной
связи, поэтому не защищено от КЗ по выходу на общий провод. Защита должна осуществляться
отдельно или гарантироваться высоким внутренним сопротивлением источника питания +5 В

4.5. Электронное включение/выключение питания
На Рис. 4.5, а...л показаны схемы электронного включения/выключения
питания, подаваемого на МК.
Рис. 4.5. Схемы электронного включения/выключения питания (начало):
а) кнопкой SB1 открываются транзисторы «защёлки» VT1, VT2 и далее силовой ключ VT3.
Теперь кнопку SB1 можно отпустить, и питание МК не исчезнет. Выключение питания
производится программно, выставлением ВЫСОКОГО уровня на выходной линии МК;
б) повышение тока в нагрузке при помощи параллельного соединения транзисторов VT1,
VT2. После нажатия на кнопку SB1 открываются транзисторы VT1, VT2, и на МК подаётся
питание. Дальнейшая смена состояний ON/OFF осуществляется сигналами с выхода МК;
в) кнопка SB1 через триггер на элементах DDL 7, DD1.2 включает/выключает импульсный
DC/DC-преобразователь напряжения, собранный на микросхеме DA1. Если на входе МК
регистрируется НИЗКИЙ уровень, значит, «подсел» аккумулятор GL Микросхема DDI обязательно
должна быть низковольтной, допускающей питание ниже 1.2 В. Заменять её обычной из
семейства 74НС04 нельзя; О

О Рис. 4.5. Схемы электронного
включения/выключения питания
(продолжение):
г) сенсорный выключатель с задержкой. В исходном состоянии конденсатор С1 разряжен,
транзисторы VT1...VT3 закрыты, питание от батареи GB1 в нагрузку (+Е, —Е) не подаётся. При
замыкании пальцем контактных площадок XI, Х2 конденсатор С1 заряжается через
сопротивление тела человека, транзисторы VTL..VT3 открываются. Если палец убрать, то транзисторы
будут ещё некоторое время открыты, пока конденсатор С1 не разрядится через элементы R1,
VT3. Устройство не боится «статического электричества», поскольку внутри транзистора VT3
находится защитный стабилитрон. Вся конструкция помещается в батарейном отсеке;
д) питание на МК подаётся только в течение времени нажатия кнопок SB1 или SB2, при этом
включается транзистор VT1 через открытый диод VD1 или VD2. Одновременно на один из входов
МК поступает НИЗКИЙ уровень через открытый диод VD3 или VD4. Анализируя состояние
входов, МК сразу же после старта автоматически выбирает нужную подпрограмму
функционирования. То есть кнопками включается питание и одновременно устанавливается режим работы;
е) МК включается кнопками SB1 или SB2. Питание МК после отключения кнопок будет ещё
сохраняться в течение 3...6 минут, что зависит от времени разряда конденсатора С Г,
ж) аналогично Рис. 4.5, г, но с обычной (а не сенсорной) кнопкой SB1. После отжатая
кнопки устройство будет работать ещё около 50 с (разряд конденсатора С1 через резистор R1); О

О Рис. 4.5. Схемы электронного включения/выключения питания (окончание):
з) кнопкой SB1 открываются транзисторы VTL..VT3, и на МК подаётся питание. В начале
программы МК выставляет ВЫСОКИЙ уровень на выходе, тем самым открывая транзистор VT4.
Теперь кнопку SB1 можно отпустить. Выключение питания производится НИЗКИМ уровнем с
выхода МК. Кнопка SB1 после подачи на МК питания может дополнительно выполнять
функцию управления (выбор меню, установка режимов, выключение устройства). Анализ состояния
кнопки SB1 ведётся через транзистор VT2. При пониженном питании +3 В ставят транзистор
VT3 DMG3415U, «цифровые» транзисторы UN4219, резистор R2 закорачивают;
и) электронное включение/выключение питания на оптопарах VU1, VU2;
к) питание на МК подаётся кнопкой SB1. Далее МК выставляет ВЫСОКИЙ уровень на
линии выхода, после чего транзистор VT1 открывается и кнопка самоблокируется. Выключение
питания производится НИЗКИМ уровнем на выходе МК. Сопротивление резистора R1
выбирается так, чтобы транзистор VT1 открывался с запасом по току потребления МК и току нагрузок
по всем его линиям. Применяется в маломощных автономных устройствах;
л) сеансный режим работы МК. В исходном состоянии батарея G1 заряжает ионистор С/,
при этом питание на МК не подаётся. При нажатии на кнопку SB1 ионистор подключается к МК
и в течение определённого времени (пока не разрядится) обеспечивает его энергией. Досрочно
прекратить работу МК можно, если перевести кнопку .5^7 в исходное состояние

4.6. Фильтрация питания
Рис. 4.6. Схемы
фильтрации питания:
а) развязка «цифровых» (ИХ, GND) и «аналоговых» (AVCC, AGND) цепей питания МК при
помощи LC- и ЯС-фильтров;
б) дополнительная фильтрация питания, поступающего от компьютера через разъём USB,
элементами R1...R3, С1...СЗ. Это полезно при сильных наводках на длинный USB-кабель.
Резистор R3 можно заменить диодом Шоттки, а ёмкость конденсатора СЗ увеличить до 330 мкФ;
в) дополнительные резисторы R1...R4 совместно с конденсаторами С1...С6 образуют
«лестничный» ФНЧ. Они симметрируют силовые цепи и снижают шумы питания при работе
внешнего ЦАП, выполненного на МК и матрице резисторов R-2R по стандартной схеме;
г) сложные электронные устройства разработчики стараются разбивать по
функциональному признаку на несколько мелких автономных узлов. Каждый такой узел может содержать свой
МК. Чтобы избежать помех, вызванных одновременным переключением сигналов, вводят
«земляные» резисторы Rl, R2. Их сопротивление зависит от тока потребления защищаемых узлов
На Рис 4.6, а...г показаны схемы фильтрации питания.

4.7. Прочие схемы организации питания
На Рис. 4.7, а...и показаны прочие схемы организации питания для МК.
Рис. 4.7. Прочие схемы организации питания (начало):
а) аналог мощного трёхвольтового стабилитрона, который понижает выходное напряжение
до уровня, достаточного для работы «пятивольтового» МК. Светодиоды НЫ, HL2 задают
напряжение стабилизации и индицируют питание. Они запараллелены. Обычно так не делают, но
в данном случае считается, что это повышает надёжность при обрыве одного из светодиодов;
б) если Li-Ion-аккумулятор G1 заряжен до своего номинального напряжения 3.7 В, то на
выходе RES микросхемы DA1 (это монитор питания микропроцессорных систем) формируется
напряжение +2.6 В. Транзистор VT1 открывается, в нагрузку подаётся питание (+Е, -Е). Если
напряжение аккумулятора G1 ниже 3.1 В, то напряжение между выводами 1 и 3 микросхемы DA1
становится близким к 2.6 В, после чего на выводе 2 формируется НИЗКИЙ уровень. Транзистор
VT1 закрывается, напряжение в нагрузку не подаётся. Таким способом запрещается эксплуатация
«подсевших» аккумуляторов, чтобы они не теряли способности повторно заряжаться. Диод VD1
нужен, чтобы порог срабатывания был примерно 3.1 В — это сумма порогового напряжения
микросхемы DA1 (2.6 В) и прямого падения напряжения на диоде VD1 (0.5...0.6 В);
в) напряжение с вывода Vdd (1V8) МК используется для питания процессорного ядра, а
напряжение Vdd (3V3) — для питания портов ввода/вывода. Такая архитектура применяется,
например, в МК LPC210x фирмы NXP Semiconductors. Батарея G1 добавляет напряжение для
вывода Vdd (3V3), что позволяет войти в допуск +3...+3.6 В даже при частичном разряде батареи;
г) простая защита от переполюсовки батареи элементов GBL Ток нагрузки не более 500 мА,
что определяется параметрами транзистора VT1; О

О Рис. 4,7. Прочие схемы организации питания (продолжение):
д) для того чтобы не задумываться, к каким полюсам подключать клеммы от внешнего
источника питания (например, автомобильного аккумулятора 12В), применяется узел на четырёх
транзисторах VT1...VT4. В одном случае будут открываться транзисторы VT2, VT4, а если
изменить полярность включения, то будут открываться транзисторы VT1, VT3. Ток нагрузки не
должен превышать 1.5 А, иначе надо поставить более мощные транзисторы на радиаторах;
е) выбор одного из двух источников питания: от стабилизатора напряжения на микросхеме
DA1 или от компьютера через разъём USB. Диод Шоттки VD1 защищает стабилизатор DA1 от
обратного напряжения при подаче питания от USB и отсутствии питания Vin;
ж) резисторы R1...R3 подключаются к свободным линиям МК. При выставлении на них
ВЫСОКОГО уровня через резисторы протекает ток, соответственно, 5; 10 и 20 мА. Это создаёт
дополнительную нагрузку в цепи питания +5 В и может пригодиться для стабилизации
потребляемой мощности. Такое техническое решение используется, в частности, в схемотехнике
«высоковольтных» МК в качестве балласта для точной подстройки напряжения питания;
з) если перепутать полярность входного напряжения 12 В, то двухцветный светодиод НЫ
загорится красным цветом и зазвучит пьезогенератор G1. Если полярность правильная, то
светодиод НЫ загорится зелёным цветом, но только тогда, когда на выходе МК будет НИЗКИЙ
уровень. Вместо пьезогенератора G1 можно поставить резистор сопротивлением 1 кОм; О

О Рис. 4.7. Прочие схемы организации питания (окончание):
и) батарея GB1 — резервная, на случай отключения основного питания 9 В. Диод VD1 аппа-
ратно отсекает оптопару VU1 от управления в режиме резервного питания. То есть в основном
режиме при выставлении ВЫСОКОГО уровня на выходе МКток будет протекать через резистор
R1 и фотодиод оптопары VU1. В режиме резерного питания этот ток протекать не будет,
следовательно, внешнее устройство, подстыкованное к выходной части оптопары, не включится. Для
увеличения напряжения питания, подаваемого на МК в обоих режимах, диоды VD1, VD2 следует
поставить с барьером Шоттки

Список использованных источников и литературы к главе 4
4-1. Нечаев, И. Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе / Игорь
Нечаев // Радио. - 2003. - № 8. — С. 53-54.
4-2. Speed 400 Aircraft Motor Speed Controller [Электронный ресурс] / Michael J.
Norton, 1998. — Режим доступа: http://aeropic.free.fr/pages/modelisme/speed400/
s400MikeNortonPagesBackUp.zip (англ.). — 07.01.2016.
4-3. FM RDS Tuner Module for mobile applications [Электронный ресурс] / TechDesign
Electronics, 2011. — Режим доступа: http://www.techdesign.be/projects/086/086.htm
(англ.).-07.01.2016.
4-4. No. 01 PIC [Электронный ресурс] / 2007. — Режим доступа: http://homepage2.nifty.
com/denshiken/PICOOl.html (яп.). — 07.01.2016.
4-5. Latch SW [Электронный ресурс] /2011. — Режим доступа: http://sudoteck.way-nifty.
com/blog/2011/08/latch-sw-58a9.html (яп.). - 07.01.2016.
4-6. [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://www.eleki-jack.com/
KitsandKids2/2010/09/3_l l.html (кит.). - 07.01.2016.
4-7. ЕспоМРЗ vl.4 [Электронный ресурс] / TechDesign Electronics, 2011. — Режим
доступа: http://www.techdesign.be/projects/020/020.htm (англ.). — 07.01.2016.
4-8. Touch-activated timer switch extends battery life [Электронный ресурс] / Israel Schlecher,
EDN Magazine, 2008. — Режим доступа: http://www.edn.com/design/analog/4326590/
Touch-activated-timer-switch-extends-battery-life (англ.). — 07.01.2016.
4-9. [Электронный ресурс] / L. С. D. R&D, 2008. — Режим доступа: http://www.geocities.jp/
lcd_rd/schema.html (яп.). — 07.01.2016.
4-10. Тестер для проверки мониторов [Электронный ресурс] / «DWD», 2011. — Режим
доступа: http://pro-radio.ru/controllers/10508-6/. — 07.01.2016.
4-11. Circuit automatically switches ofTDMM [Электронный ресурс] / Vladimir Oleynik, EDN
Magazine, 2012. — Режим доступа: http://www.edn.com/design/test-and-measurement/
4394278/Circuit-automatically-switches-off-DMM (англ.). — 07.01.2016.
4-12. L6920 [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://www.yuki-lab.jp/hw/wb 1/
L6920-sch.png (англ.). — 07.01.2016.
4-13. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.zea.jp/audio/schematic/sc_
file/017.htm (яп.). - 07.01.2016.
4-14. [Электронный ресурс] /2007. ..2013. — Режим доступа: http://www.picfun.com/equipj69.
html (яп.).-07.01.2016.
4-15. 24 bit 74АС574 [Электронный ресурс] / «minor-audio.com», 2007. — Режим доступа:
http://www.minor-audio.com/bibou/DAC/24bitDAC200701.html (яп.). — 07.01.2016.
4-16. ЕСЕ 4760 Final Project: Battle City [Электронный ресурс] / Zhouheng Zhuang, Miao
Wang, Bojiong Ni, 2012. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/
ece4760/FinalProjects/s2012/zz245_mw496_%20bn82/zz245_mw496_bn82/index.html
(англ.).-07.01.2016.
4-17. Kincaid, R. Q & A (12V to 9V Reducer) / Russell Kincaid // Nuts & Volts. - 2008. -
№ 1. - P. 26-27.
4-18. [Электронный ресурс] / 2009. — Режим доступа: http://www.geocities.jp/kuman2600/
o05dengen.html (яп.). — 07.01.2016.
4-19. [Электронный ресурс] / 2012. — Режим доступа: http://www.go-gddq.com/html/
s753/2012-01/854873.htm (кит.). - 07.01.2016.

4-20. AN 1035. Designing with HV Microcontrollers [Электронный ресурс] / Keith Curtis,
Microchip Technology, 2006. — Режим доступа: http://wwl.microchip.com/downloads/en/
AppNotes/01035A.pdf (англ.). - 07.01.2016.
4-21. Заец, H. Таймер на 7 выходов / Николай Заец // Современная электроника. — 2005. —
№ 2. - С. 38-40.

ГЛАВА
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УЗЛОВ
ВЫВОДА МК
Выход из безвыходного положения находится
как раз напротив входа
(Владимир Леви)
5.1. Светодиодные индикаторы
5.1.1. Одиночные светодиоды
На Рис. 5.1, а...ж показаны схемы подключения одиночных светодиодов к
МК.
Рис. 5.1. Схемы подключения одиночных светодиодов к МК (начало):
а) замена «красного» светодиода HL7, имеющего точку подъёма напряжения 1.6 В, его
«белым» аналогом с точкой подъёма 3.5 В. Для проведения доработки требуется ввести элементы
Rly R2, CI, VT1 и заменить ограничительный резистор R1 (схема слева) диодом Шоттки VD1
(схема справа). Установка дополнительных элементов осуществляется навесным монтажом.
Принцип работы. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК транзистор VT1 закрыт, конденсатор
С1 заряжается через диод VD1 и резистор R2. При НИЗКОМ уровне на выходе МК транзистор
VT1 открывается током, протекающим через резистор R1, после чего конденсатор С1
разряжается через светодиод НЫ и выходную линию МК. Суммарное падение напряжения на светодиоде
получается больше напряжения питания 3 В, чего достаточно для появления свечения. Яркость
регулируется резистором R2 и подбором частоты импульсов с выхода МК; О

О Рис. 5.1. Схемы подключения одиночных светодиодов к МК (окончание):
б) светодиод НЫ индицирует момент включения нагрузки Rw и одновременно стабилизирует
напряжение на базе транзистора VT1;
в) «белый» или «синий» светодиод HL1 индицирует открытое состояние транзистора VT1.
Ток базы составляет примерно 8... 15 мА и зависит от нагрузочной способности выхода МК.
Резистор R1 запирает транзистор VT1 при НИЗКОМ уровне на выходе МК, но при большом токе
через нагрузку Rw он может отсутствовать;
г) питание «белого» светодиода НЫ с «вольтдобавкой». Сигналы на выходах МК
формируются в противофазе с частотой около 40 кГц. Выводы МК запараллелены для увеличения
отдаваемого тока. На первом этапе при НИЗКОМ уровне на верхних и ВЫСОКОМ уровне на нижних
выходах МК конденсаторы С7, С2 заряжаются примерно до 1.4 В через диоды, соответственно,
VD1 и VD2. На втором этапе при смене логических уровней на противоположные конденсаторы
С7, С2 разряжаются через светодиод НЫ. Напряжение на светодиоде увеличивается до 4 В, чего
достаточно для свечения. МК должен быть сверхнизковольтным, в оригинале ATtinyl3V;
д) разные сопротивления резисторов Rl, R2 приводят к разной яркости свечения
индикаторов НЫ, HL2, но мигать они будут синхронно во времени. Такая идея может пригодиться при
декоративном оформлении внешнего вида конструкции;
е) при НИЗКОМ уровне на выходе МК индикатор НЫ светится с повышенной, при
ВЫСОКОМ — с пониженной, а при переводе в режим входа с Z-состоянием — со средней яркостью.
Точные градации яркости подбираются экспериментально резисторами Rl, R2;
ж) VD1 — это диод-стабилизатор тока. Согласно даташиту, он стабилизирует ток на уровне
1.8...2 мА в диапазоне напряжений 2...5 В. Светодиод НЫ должен быть специальным
«низкотоковым». Вместо него можно использовать любую другую токочувствительную нагрузку

5.1.2. Сокращение числа соединительных линий
На Рис. 5.2, а...г показаны схемы, позволяющие сократить число требуемых
линий МК при подключении большого количества светодиодов.
Рис. 5.2. Схемы сокращения числа линий МК при подключении светодиодов:
а) непосредственное подключение светодиодов без ограничительных резисторов возможно в
следующих случаях: низкое напряжение питания, кратковременно свечение индикаторов,
«слабые» по току выходы МК (например, VC9RS08 фирмы Freescale Semiconductor);
б) ВЫСОКИМИ и НИЗКИМИ уровнями на двух выходах МК можно включать индикаторы
HL1...HL3, причём в одиночку или по два вместе. Во втором случае яркость свечения будет
меньше из-за падения напряжения на резисторах R1...R3;
в) светодиоды НЫ, HL2 красного или зелёного, светодиод HL3 — белого или синего цвета.
Если линия МК сконфигурирована как Z-вход, то все светодиоды погашены, т.к. сумма
открывающих напряжений для них (1.6 + 1.6 + 3.5 = 6.7 В) с запасом превышает напряжение питания
5 В. Если линию МК перевести в режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем, то будет светиться
индикатор HL3, если с НИЗКИМ уровнем, то НЫ и HL2. Если на выходе сформировать импульсный
сигнал высокой частоты, то будут светиться все индикаторы, но с пониженной яркостью;
г) аналогично Рис. 5.2, в, но с зеркальным размещением светодиодов и с противоположной
логикой их включения ВЫСОКИМ и НИЗКИМ уровнем с выхода МК

5.1.3. Одиночные светодиоды с буферными элементами
На Рис. 5.3, а...л показаны схемы подключения светодиодов к МК через
буферные элементы. Мощные светодиоды на схемах будут обозначаться EL, а не HL,
поскольку они относятся к осветительным, а не к индикаторным приборам.
Рис. 5.3. Схемы подключения светодиодов к МК через буферные элементы (начало):
а) программное регулирование яркости мощного светодиода ELL Он может быть белого
(CREE XR-E) или жёлтого (OSYL3131P) цвета свечения. Стабилизатор тока DA1 управляется от
МК через канал ШИМ с частотой импульсов 1...2.5 кГц. Ток стабилизации до 350 мА. С нижнего
выхода МК можно оперативно отключить микросхему DA1, а вместе с ней и светодиод ЕЫ;
б) ИК-светодиод НЫ и обычный светодиод HL2 включаются одновременно, при этом
последний визиализирует вспышки первого. Ток через НЫ большой, поэтому вводится
накопительная цепочка С7, R2. Последовательно с НЫ может быть включён ещё один ИК-светодиод;
в) ВЫСОКИМ уровнем на выходе МК разрешается прохождение сигналов от генератора,
собранного на элементах Rl, CI, DD1.1, к светодиоду НЫ. Это упрощает программу МК,
поскольку не надо отвлекать ресурсы на формирование импульсов сверхнизкой частоты 0.5...5 Гц;
г) яркость светодиода НЫ не зависит от колебаний напряжения +5...+15 В, поскольку ток
через него стабилизируется на уровне 15 мА диодом-стабилизатором тока VD1 (англ. CRD —
Current Regulative Diode). Схема замещения CRD (справа) состоит из полевого транзистора VT1
и резистора R2. Яркость свечения НЫ зависит от типа VD1. Например, диоды из семейства Е-ххх
фирмы SEMITEC обеспечивают градации тока 3.5... 18 мА при мощности рассеяния 0.3 Вт; О

О Рис. 5.3. Схемы подключения светодиодов к МК через буферные элементы (продолжение):
д) при НИЗКОМ уровне на выходе МК транзистор VT1 закрыт, через условную нагрузку Rw
протекает малый ток, достаточный для свечения индикатора НЫ. Это режим, когда нагрузка
подключена и в ней нет обрыва. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК транзистор VT1
открывается, и светодиод гаснет. Ограничение — нагрузка должна допускать протекание малого тока;
е) два «белых» светодиода питаются повышенным напряжением, формируемым в результате
периодического накопления энергии в дросселе Ы. Джампер ХТ1 убирается в процессе
программирования, когда батарея +2.6 В отключается, а напряжение питания повышается до +5 В;
ж) плавный спад яркости светодиода НЫ. Сначала МК выставляет ВЫСОКИЙ уровень,
конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R1, транзистор VT1 открывается, светодиод
НЫ загорается без задержек. Затем линия МК переводится в режим входа с Z-состоянием,
конденсатор С1 медленно разряжается через элементы R2y VT1, светодиод НЫ плавно гаснет;
з) защита мощного светодиода ЕЫ от перегрева при помощи позистора RK1, имеющего
положительный ТКС. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК открываются транзисторы КГ7, VT2,
и через светодиод ЕЫ начинает протекать тох 1св[А] = 0.7 / (R1[Om] + RK1[Om]). При
нормальной температуре ток Ice стабилизируется на уровне примерно 200 мА транзистором VT1. При
аварийном повышении температуры до +65...145°С (конкретное значение зависит от типа
позистора) сопротивление RK1 увеличивается, и ток Ice снижается до 40 мА. При таком токе
светодиод ЕЫ светится, но тускло, зато он не выходит из строя, сохраняет ресурс и не перегревается,
что повышает пожарную безопасность в необслуживаемых помещениях; О

О Рис. 5.3. Схемы подключения светодиодов к МК через буферные элементы (окончание):
и) сверхъяркая лампа-вспышка с питанием от 3 В. Энергия накапливается в конденсаторе С/
и затем разряжается через светодиод ЕЫ с током в импульсе 250 мА. Ток задаётся резистором R4
и стабилизируется транзисторами VT1, VT2;
к) напряжение «вольтдобавки» для «белого» светодиода HL 1 обеспечивают элементы С/,
VD1, DDI.2. Инвертор DD1.1 служит буфером для защиты МК от бросков напряжения и тока
при коммутации конденсатора С1. Частота и скважность импульсов на выходе МК подбираются
экспериментально. Период их следования может быть в секундном диапазоне;
л) нестандартное использование драйвера управления двигателем DA1 для коммутации двух
мощных светодиодов ЕЫ, EL2. Светодиоды включаются по очереди, в зависимости от
полярности напряжения на выходах OUT1, OUT2 микросхемы DA1, при этом уровни на верхней и средней
линии МК должны быть противофазными. С нижнего выхода МК сигналом ШИМ плавно
изменяется напряжение VREF, чем регулируется яркость. Сопротивление резистора R2 выбирается,
исходя из рабочего тока через светодиоды ЕЫ, EL2, количества светодиодов в гирлянде (если
вместо одного используется несколько последовательно включённых светодиодов), напряжения
питания Vs (4.5...25 В), допустимой мощности рассеивания микросхемы DA1 не более 12.5 Вт

5.1.4. Цепочки светодиодов
На Рис. 5.4, а...г показаны схемы подключения цепочек светодиодов к МК.
Рис. 5.4. Схемы подключения линеек светодиодов к МК:
а) «белые» светодиоды EL/...EL6фирмы Nichia обеспечивают яркость 4 лм при прямом токе
35 мА. Для повышения их долговечности ток стабилизируется на уровне 27 мА микросхемой
DAL Особенность схемы — два плеча светодиодов EL1...EL3 и EL4...EL6 стабилизируются
одновременно, но число светодиодов в цепочке должно быть одинаковым, например по 2 или по 3;
б) стабилизатор тока для светодиодов HLL..HL5 выполнен на транзисторах VT2, VT3;
в) «несгораемая» цепочка светодиодов НЫ..ЛЬп. Стабилитроны VDL..VDn создают
непрерывный ток в цепочке при обрыве или КЗ любого светодиода. Резистором R1 задаётся яркость;
г) эффект плавного нарастания и спада яркости гирлянды светодиодов НЫ...НЬп
формируется зарядом/разрядом конденсатора С1. Частота импульсов на выходе МК 2...3 Гц

5.1.5. Линейки светодиодов
Рис. 5.5. Схемы подключения линеек светодиодов к МК (начало):
а) управление 16 светодиодами HLL..НЫ6 производится через мощный драйвер DDI
фирмы StarChips Technology, внутри которого размещаются 16 отдельных источников тока. Драйвер
управляется через интерфейс SPI. Общая яркость регулируется резистором R1, при этом ток
через каждый светодиод не должен превышать 60 мА. Достоинство схемы — не требуются
ограничительные резисторы, стабильная и перестраиваемая яркость свечения индикаторов;
б) управление 16 светодиодами HL 1...HL16 производится при помощи логического
дешифратора DDL Нагрузочной способности его выходов хватает для поочерёдного зажигания
индикаторов в зависимости от комбинации уровней на входах А, В, С, D. При ВЫСОКОМ уровне на
входе In все светодиоды гаснут; О
Следует отличать линейки светодиодов от цепочек светодиодов.
Цепочки светодиодов представляют собой последовательное, параллельное
или последовательно-параллельное соединение достаточно большого количества
единичных излучателей. Включаются и гаснут они вместе. Пример — простейшая
«мигающая» ёлочная гирлянда.
Линейки светодиодов тоже состоят из единичных излучателей и
конструктивно могут размещаться в одну цепочку, но они обладают автономностью. Каждый
из светодиодов, входящих в линейку, управляется независимо от других, поэтому
световые возможности линейки гораздо шире. Например, можно организовать
«бегущий огонь», «столбиковый индикатор», «переливы яркости» и т.д.
На Рис. 5.5, а...д показаны схемы подключения линеек светодиодов к МК.

О Рис. 5.5. Схемы подключения линеек светодиодов к МК (окончание):
в) индикация включения нагрузок (обмоток ШД) светодиодами HL1...HL8. Образуется
линейка «перемигивающихся» индикаторов. Микросхема DA1 — это аналог драйвера ULN2004;
г) светодиодные «столбики» HLL..HL4 нужно выбрать такие, которые будут ярко светиться
при малых токах, иначе сопротивления резисторов R1...R10 следует уменьшить в 2...4 раза. На
нижних выходах МК программно организуется режим «бегущей единицы»;
д) семисегментный индикатор HG1 и линейка светодиодов HLL..HL8 включаются
попеременно, в зависимости от того, какой из транзисторов VT1, VT2 открыт сигналом от МК
5.1.6. Светодиодные матрицы
В светодиодных матрицах единичные излучатели конструктивно размещаются
не в линейку, а блоком, состоящим из нескольких строк и нескольких столбцов
(Рис. 5.6, а...е). Матрицы удобно использовать для воспроизведения символов,
цифр, текста, а также простейшей анимации.

Рис. 5.6. Схемы подключения светодиодных матриц к МК (начало):
а) табло «бегущая строка» состоит из 4...8 близко расположенных матричных индикаторов
HGL..HGn. Для вывода информации по строкам используются мощные ключи микросхемы DAL
Выбор строк производится сдвиговыми регистрами DDl...DDm, у которых данные вводятся
последовательно, а выводятся параллельно. Регистров требуется меньше, чем индикаторов (m<n);
б) прямое подключение матрицы HG1 к выходам МК без ограничительных резисторов
допускается при низком напряжении питания и коротких импульсах развёртки изображения. Диоды
VD1, VD2 мощные, на случай полного включения всех светодиодов в каком-либо столбце; О

О Рис. 5.6. Схемы
подключения
светодиодных матриц к
МК (окончание):
в) совместное включение транзисторных ключей разной структуры р—п^р (DA1) и п—р—п
(DA2) для коммутации светодиодного панно HG1. Это позволяет упростить схему и снизить
стоимость изделия, по сравнению с ключами на дискретных транзисторах. Микросхема DA1
подключает к питанию аноды, а микросхема DA2 подключает к общему проводу катоды светодиодов.
Управление производится разнополярными импульсами динамическим способом;
г) японский гаджет «Мг. Tengu» (фирма Solid Alliance) содержит матрицу светодиодов,
выложенных в виде «лица» забавного человечка. В такт голосу (музыке) загораются различные
светодиоды, при этом изменяется мимика «лица». Всего 40 светодиодов. Из них НЫ, HL2 светятся
постоянно или мигают (это глаза), остальные образуют нос (HL3...HL10) и рот (HL1L..HL40);
д) аналогично Рис. 5.6, г, но с одной общей матрицей светодиодов 5x8 (Tengu-Mini). Мимика
«лица» будет несколько другая, попроще. Для управления требуется 13 линий МК;
е) аналогично Рис. 5.6, г, но с интегральным панно из 64 «квадратных» светодиодов (8x8,
LEDMS88R фирма Futurlec). Допускается анимация с высокой частотой смены кадров

5.1.7. Двухцветные светодиоды
Рис. 5.7. Схема подключения двухцветных светодиодов к МК:
а) управление двухцветным светодиодом НЫ от выходных линий МК, имеющих
противоположные по полярности активные логические уровни;
б) диод VD1 выравнивает визуальное восприятие яркости у красного и у зелёного
излучателей в двухцветном светодиоде НЫ;
в) двухцветные индикаторы HLl...HLn образуют столбиковый индикатор, который светится
или красным (открыт транзистор VT1), или зелёным (открыт транзистор VT2) цветом. Выбор
конкретного светодиода производится НИЗКИМ уровнем на соответствующем выходе МК
На Рис. 5.7, а...в показаны схемы подключения двухцветных светодиодов к
МК.

5.1.8. Трёхцветные светодиоды
О Рис. 5.8. Схема подключения трёхцветных
светодиодов к МК:
а) ЕЫ — это одноваттный трёхцветный светодиод фирмы OptoSupply. При одновременном
свечении зелёного, красного и синего излучателей образуется оттенок, близкий к белому.
Подбором резисторов R2...R4 можно установить более «теплый» или более «холодный» свет.
Ориентировочные токи через излучатели: 96 мА (ЕЫ. 7), 70 мА (EL1.2), 40 мА (ЕЫ.З)\
б) проект «Pentamino», содержащий 60 RGB-светодиодов #£7...Я£<50в виде матрицы 6х 10;
в) интегральная шестивыводная сборка сверхъярких RGB-светодиодов ЕЫ служит лампой
белого света при отношении токов R:G:B = 70:90:40 мА. В зависимости от скважности
импульсов в каналах ШИМ МК оттенок белого можно оперативно изменить с более «теплого» на более
«холодный», и наоборот
На Рис. 5.8, а...в показаны схемы подключения трёхцветных светодиодов к
МК. Большинство из них имеют излучатели красного, зелёного и синего цвета.

5.1.9. ИК-светодиоды
На Рис. 5.9, а...в показаны схемы подключения ИК-светодиодов к МК.
Рис. 5.9. Схемы подключения
ИК-светодиодов к МК:
а) передача сигналов UART через ИК-канал на несущей частоте 30...56 кГц. Модулятор
содержит два транзистора VT1, VT2, включённых по схеме 2И. Приёмником служит обычный
интегральный фотомодуль, применяемый в системах ДУ телевизоров. Его паспортная частота
30...56 кГц должна совпадать с частотой генерации МК. Пакеты данных должны иметь длину не
менее 6 битов (для UART формата 6N1...9N1 это выполняется). При передаче длинных пакетов
желательно периодически делать паузы по аналогии сигналами форматов RC-5, NEC;
б) оптический передатчик для «травомера». «Травомер» (Travomer) — это прибор, который
придумал Peter Kubace для робота. Содержит оптическую передающую и приёмную части.
«Травомер» определяет, где находится в данное время робот — на зелёной траве или на «чёрно-белой»
дороге. Используется принцип разного отражения окрашенных предметов в обычном и
инфракрасном оптических диапазонах. Переключение источников света НЫ, HL2 производится с
частотой 455 кГц. При ВЫСОКОМ уровне на выходах МК пространство будет лоцироваться в
обычном, а при НИЗКОМ — в ИК-диапазоне. Резистором R1 производится калибровка
устройства по равенству в приёмнике отражённых сигналов от листа белой бумаги в двух диапазонах;
в) ИК-светодиоды HL1...HL3 конструктивно размещаются в один ряд и электрически
работают синхронно, что расширяет угол излучения, повышает световую мощность и дальность
действия. Транзистор VT1 при замене следует выбирать с низким порогом включения

5.1.10. Многоразрядные семисегментные индикаторы
На Рис. 5.10, а...г показаны схемы подключения многоразрядных семисегмент-
ных индикаторов к выходам МК напрямую и через буферы. Уплотнение сигналов
отсутствует, поэтому задействуется много линий цифровых портов.
Рис. 5.10. Схемы подключения многоразрядных семисегментных индикаторов к МК
(начало):
а) три светодиодных семисегментных индикатора HG1...HG3 управляются от одной линии
МК (нижний выход «х»). Частота переключения 150 Гц, при этом на одной из верхних линий
(«а» для HG1, «Ь» для HG2, «с» для HG3) выставляется НИЗКИЙ, а на оставшихся линиях —
ВЫСОКИЙ уровень. Из-за этого высвечиваются не все возможные символы. В индикаторе HG1 нет
цифр «2», «5», «6», в HG2 — «1», «2», «4», в HG3— «1», «4», «5», «6». Смена цифр на табло
производится в момент, когда все индикаторы погашены, для чего линии «а»...«с» переводятся в режим
входа с Z-состоянием на несколько десятков микросекунд;
б) МК переключает с частотой 100 Гц «катодный» HG1 и «анодный» HG2 семисегментные
индикаторы. При НИЗКОМ уровне на нижнем выходе МК светятся сегменты индикатора HG1,
при ВЫСОКОМ — HG2. Чтобы устранить паразитные засветки изображения, оба индикатора
гасятся на 30...60 мкс переводом нижнего выхода в режим входа с Z-состоянием. За это время на
8 верхних линиях выставляется требуемый для следующей индикации код; О

©Рис. 5.10. Схемы
подключения
многоразрядных
семисегментных
индикаторов к МК
(окончание):
в) уплотнение сигналов организуют буферные регистры DDI, DD2, через которые МК
передаёт данные на четырёхместный семисегментный индикатор HG1 с общим катодом. Регистры
формируют правильную полярность напряжения на светодиодах и определяют импульсный ток
через них. МК управляет индикаторами через интерфейс SPI, но без сигнала чтения данных;
г) подключение двухцветных семисегментных индикаторов HGL..HG4 (красный-зелёный) с
питанием от повышенного напряжения +8...+11 В через драйвер DA2 (ток в импульсе до 70 мА).
Резисторы R7...R8 определяют яркость свечения индикаторов. Резистор R8 должен быть больше
по сопротивлению, чем R1...R7, т.к. цепь десятичной точки «dp» содержит один светодиод, а не
два последовательно включённых, как в остальных сегментах

5.1.11. Уплотнение сигналов в семисегментных индикаторах
Многоразрядные, или, по-другому, многоместные семисегментные
индикаторы требуют для своего подключения большого количества линий МК. Чтобы их
сократить, обычно используют промежуточные микросхемы. Это могут быть как
цифровые счётчики, дешифраторы, регистры, так и специализированные
микросхемы, значительно упрощающие схемотехнику.
На Рис. 5.11, а...г показаны схемы уплотнения сигналов в светодиодных
многоразрядных семисегментных индикаторах.
Рис. 5.11. Схемы уплотнения сигналов в многоразрядных семисегментных индикаторах
(начало):
а) драйвер DDI специально разработан для подключения многоразрядных семисегментных
индикаторов с управлением по трёхпроводной шине SPI. Резистором R1 задаётся импульсный
ток 40 мА, протекающий через сегменты индикатора. Чем больше сопротивление резистора R1
(до 30...50 кОм), тем меньше яркость свечения, и наоборот;
б) однопроводное управление тремя светодиодными индикаторами HG1...HG3. Тактовые и
информационные сигналы формируются, соответственно, узкими и широкими по длительности
импульсами. Постоянная времени цепочки Rl, С1 выбирается такой, чтобы за один тактовый
импульс (вход С микросхемы DDI) не было «просадок» напряжения на шине данных (входы А, В
микросхемы DDI). Сброс осуществляется генерацией 24 нулей подряд. Другой вариант
организации сброса — изменить схему и подключить входы R трёх регистров DD1...DD3 вместо питания
+5 В к отдельной линии МК; О

О Рис. 5.9. Схемы
уплотнения сигналов
в многоразрядных
семисегментных
индикаторах
(окончание):
в) аналогично Рис. 5.11, а, но с другим драйвером, двумя каналами (VT1, VT2), интерфейсом
12С, программным (а не аппаратным) выбором тока сегментов в диапазоне 3...12 мА. Светодиоды
HL1...HL32 можно заменить одним четырёхместным семисегментным индикатором со
следующей разбивкой: HLL..HL8, HL9...HL16, HL17...HL24, HL25...HL32;
г) DDI — это микросхема импульсного драйвера-дешифратора (latch/decoder/driver),
рассчитанного на один семисегментный индикатор. Для подключения трёхместного индикатора
используются транзисторы VT1...VT3, которые открываются по очереди. Индикатор HG1 можно
заменить тремя одноместными семисегментными индикаторами с общим катодом

5.1.12. Буквенно-цифровые индикаторы
Рис. 5.12. Схемы подключения буквенно-цифровых индикаторов к МК
(начало):
а) часы с римскими цифрами на 16-сегментных индикаторах HG1...HG6. Разделительными
точками между часами, минутами и секундами служат светодиоды HL1...HL4. Применяется
динамическая индикация с коммутацией индикаторов транзисторами VT1... VT8. Ионистор С1
поддерживает питание МК при пропадании напряжения +5 В в пределах минуты, при этом
индикация времени отключается. На линиях «al», «a2»,«dl»,«d2»,«gl»,«g2» размещаются
дополнительные токоограничивающие резисторы R9...R14 (в целях унификации номиналов). Это связано с
тем, что индикаторы HGL..HG6 большие по габаритам, и внутри них разные сегменты содержат
разное число светодиодов. Там, где меньше светодиодов, надо большее сопротивление, и
наоборот. Таким способом выравнивается общая яркость внутри индикатора. Точка «dp» имеет всего
лишь один светодиод и, соответственно, один резистор R30 с большим сопротивлением; О
На Рис. 5.12, а, б показаны схемы подключения светодиодных буквенно-
цифровых индикаторов к МК.

О Рис. 5.12. Схемы
подключения
буквенно-цифровых
индикаторов к МК
(окончание):
б) при ВЫСОКОМ уровне на выходе МК на 14-сегментных индикаторах HGlt HG2
высвечиваются буквы «WR» — аббревиатура слов «World Record» (мировой рекорд) или «WRite» (запись).
Резисторы R2, R3 задают яркость свечения надписи, при этом сопротивление R3 меньше, чем
R2, т.к. в букве «R» задействовано большее число сегментов, чем в букве «W». В схеме
используется параллельное соединение светодиодов в сегментах. Это не рекомендуется, но допускается,
ввиду максимальной идентичности параметров светодиодов, входящих в каждый индикатор
5.1.13. Алфавитно-цифровые OLED-модули
Явление электролюминесценции в органических материалах было открыто в
1953 г. Учёные выяснили, что некоторые полимерные плёнки обладают
свойствами полупроводников. Практические результаты их применения впервые были
обнародованы фирмой Kodak в 1987 г. С этого времени началось постепенное
внедрение технологии OLED (Organic Light Emitting Diode) в повседневную жизнь.
Сейчас производство компонентов OLED достигло промышленных
масштабов. Первый этап «детской болезни» и «набития шишек» уже пройден, правильные
выводы сделаны. На очереди удешевление продукции, чтобы она была доступна
по цене, начиная от наручных часов и заканчивая цветными телевизорами.
Алфативно-цифровые модули с индикаторами OLED (а не ЖКИ) появились
в конце 2000-х годов. Выпускались и выпускаются фирмами: WINSTAR Display,
Raystar Optronics, Bolymin и др.
Основные достоинства OLED: большая яркость свечения 90...300 кд/м2,
высокая контрастность 2000:1...10 000:1, широкий угол обзора 160...180 градусов,
низкое энергопотребление (40 мА при 5 В), отсутствие подсветки, возможность
работы при низких температурах воздуха, вплоть до минус 40°С, без замедления
реакции, без «замораживания» изображения и без задержек во времени.

Из недостатков современных OLED — высокая цена, ненадёжность
функционирования при частой смене влажности, выход из строя при сильной вибрации.
Долговечность OLED зависит от условий эксплуатации. Если имеется в виду
температура окружающей среды, близкая к комнатной, то индикатор будет
работать долго и счастливо. Ресурс работы 50000... 100000 часов при снижении яркости
свечения в конце срока в 2 раза. Это означает функционирование каждый день по
7... 14 часов на протяжении 20 лет.
Свет в алфавитно-цифровых OLED-модулях генерируется малыми
квадратными «микросветодиодами», конструктивно расположенными в виде матрицы 5x7
для одного знакоместа. Цвет фона обязательно чёрный. Цвет точек, как и в
обычных светодиодах, может быть: зелёным, жёлтым, красным, синим, белым.
Общее число знакомест в OLED-модуле зависит от количества столбцов и
строк. Наиболее распространённые разновидности: 8x1, 16x2, 20x4 (Рис. 5.13).
Рис. 5.13. Внешний вид алфавитно-цифрового OLED-модуля 16x2
OLED-модули выпускаются унифицированными по схеме подключения и
системе команд. Замену существующих алфавитно-цифровых ЖК-модулей можно
производить один к одному, получая преимущество в виде отсутствия цепей
подсветки и регулятора контрастности. Достаточно подать питание 3..5 В на OLED-
модуль, и он будет ярко светиться даже при солнечном свете.
Интеллектуальные возможности OLED-модуля определяет внутренняя БИС,
которая содержит дисплейный контроллер WS0010 фирмы WINSTAR Display.
Этот контроллер по системе команд практически полностью совпадает с
контроллером HD44780 фирмы Hitachi, ставшим стандартом «де-факто» в ЖК-модулях.
Единственное, что в OLED-модулях встроена не одна, а четыре кодовые таблицы
знакогенераторов: English-Japan, English-Russian и Western European двух типов,
причём японская раскладка выбирается основной по умолчанию. Переход с
японского языка на русский легко исправляется программным способом [5-36].
На печатной плате OLED-модуля размещается повышающий DC/DC-
преобразователь с катушкой индуктивности (Рис. 5.14 [5-37]). Преобразователь
поддерживает стабильное напряжение в цепи V-OLED (а значит, и яркость
индикатора) при снижении питания с 5 до 3 В.

Рис. 5.14. Внутреннее устройство OLED-модуля
Оборотная сторона медали — преобразователь напряжения генерирует
импульсные ВЧ-помехи, чего не было ранее в ЖК-модулях. Следовательно,
прямо на контактах питания Vdd и Vss надо устанавливать керамический (0.1 мкФ)
и танталовый (10 мкФ) конденсаторы, а также (при необходимости)
экранировать всю плату индикатора. Другой вариант — программно отключить DC/DC-
преобразователь и смириться с пониженной яркостью свечения символов.
На Рис. 5.15, а...е показаны схемы подключения алфавитно-цифровых OLED-
модулей к МК.
Рис. 5.15. Схемы подключения алфавитно-цифровых OLED-модулей к МК (начало):
а) сигналы DB4...DB7 определяют четырёхбитовый режим работы OLED-модуля HGL Все
линии МК работают как выходы, обратная связь с индикатором отсутствует, поскольку сигнал
B/Whc задействуется. Питание МК и индикатора должно осуществляться от одного источника;
б) аналогично Рис. 5.15, а, но с обратной связью через двунаправленную линию R/W. Это
усложняет программу, но зато позволяет отслеживать непроизвольные зависания контроллера
индикатора и чётко знать, получены ли данные, отправленные из МК в дисплей; О

О Рис. 5.15. Схемы подключения алфавитно-цифровых OLED-модулей к МК (окончание):
в) сигналы DBO...DB7определяют восьмибитовый режим работы OLED-модуля HG1.
Теоретически в этом режиме можно получить более высокую скорость передачи данных между МК и
индикатором. На практике выигрыш во времени не столь существенный, поэтому
восьмибитовый режим используется реже, чем четырёхбитовый. Если нужна обратная связь с индикатором,
то сигнал R/Wнеобходимо подключить к отдельной линии МК по аналогии с Рис. 5.15, б;
г) алфавитно-цифровой OLED-модуль HG1 фирмы Newhaven Display может работать в
нескольких режимах, с разными параллельными и последовательными интерфейсами,
выбираемыми удалением или запаиванием джамперных перемычек на печатной плате. Одним из
режимов является SPI, требующий для соединения с МК всего лишь 4 линии;
д) недокументированная возможность регулирования яркости в OLED-модулях фирм
WINSTAR Display, Raystar Optronics. На печатной плате модуля надо перепаять перемычку с JV
на JV0. Перемычка представляет собой чип-резистор размера 0603 с нулевым сопротивлением;
е) ещё одна недокументированная возможность регулирования яркости подбором резистора
R1. Соединение выводов 2 и 3 HG1 отключает DC/DC-преобразователь, что снижает помехи

5.1.14. Цветные OLED-дисплеи
На Рис. 5.16, а...г показаны схемы подключения цветных OLED-дисплеев.
Рис. 5.16. Схемы подключения цветных
OLED-дисплеев к МК:
а) подключение цветного OLED-дисплея HG1 фирмы Osram к МК через буферные
микросхемы DDI, DD2. Буферизация нужна для сопряжения логических уровней +5 В (МК) и +3.3 В
(логическая часть OLED). Питание сегментов OLED производится от источника +12 В;
б) подключение цветного OLED-дисплея HG1 фирмы Densitron Technologies через SPI;
в) HG1 — это интеллектуальная кнопка японской фирмы NKK Switches с OLED-экраном
64x48 точек. Параметры: 65 тысяч цветовых оттенков, видео с частотой кадров 25... 100 Гц,
долговечность 15000 часов, угол обзора 180 градусов, интерфейс SPI. Экран дисплея служит
поверхностью нажимной кнопки, имеющей контакты, рассчитанные на ток 100 мА и напряжение 12 В;
г) подключение цветного OLED-дисплея HG1 к МК через интерфейс UART (TxD, RxD)

5.1.15. Лазерные излучатели
Таблица 5.7. Параметры лазерных диодов
Длина волны [нм]
Оптический диапазон
Материал
Область применения
630...670
Красный
GaAlP
Лазерная указка, оптические измерения
730...850
Граница «красный-
инфракрасный»
GaAlAs
Лазерные принтеры, дисководы CD
1500...1650
Инфракрасный
GaAlAs
Волоконно-оптические сети
Самыми доступными для радиолюбителей являются диоды от китайских
«лазерных указок». Внутри указки находятся: полупроводниковый лазерный диод,
автоматика стабилизации тока, оптическая система, отсек для батарей питания
и кнопка включения. Длина волны светового излучения составляет 630...650 нм,
мощность 5 мВт, ток потребления 30...50 мА при напряжении питания 3.2 В.
Хотя маломощные лазеры не являются «гиперболоидами инженера Гарина»,
но при работе с ними надо защищать глаза от попадания узконаправленного
когерентного луча. Дело в том, что хрусталик фокусирует свет на сетчатке глаза и
действует подобно собирательной линзе. При диаметре зрачка 0.5 см плотность
мощности увеличивается в десятки тысяч раз, и на сетчатке может остаться ожог,
навсегда снижающий качество зрения. Поэтому настоятельно не рекомендуется
заглядывать в глазок включённого лазера и категорически запрещается
направлять лазерный луч в глаза другого человека.
На Рис. 5.17, а...е показаны схемы подключения лазерных излучателей к МК.
Приёмниками света могут служить обычные фотодиоды, имеющие повышенную
чувствительность в красной части спектра, а также видеокамеры мобильных
телефонов и планшетов, захватывающие ближний инфракрасный диапазон.
Технологические достижения последнего времени привели к появлению в
продаже дешёвых твердотельных лазерных излучателей. Аббревиатура L.A.S.E.R.
(Light Amplification Stimulated Emission Radiation) означает «усиление света
индуцированной эмиссией излучения», по-русски «лазер».
Из курса физики известно, что любой лазер имеет три обязательных элемента:
активную среду, систему накачки энергии и резонатор. В твердотельном лазере
активной средой является полупроводниковая пластина толщиной 0.1...0.3 мм,
накачка производится электрическим током с плотностью около 1000 А/см2 (в
обычных диодах 2 А/см2), резонатором служат отшлифованные грани пластины.
Лазерные диоды, применяемые, например, в CD-проигрывателях, работают
в «невидимом» инфракрасном диапазоне длин волн 780...850 нм. Их параметры:
рабочий ток 45... 110 мА, рабочее напряжение 1.6...2.2 В, максимальная мощность
излучения 3...5 мВт («крейсерская» 0.4... 1 мВт), долговечность до 100000 часов.
Внутри лазерной головки иногда размещается фотодатчик, который позволяет
организовать обратную связь для стабилизации тока накачки и защиты
аппаратуры в экстренных случаях.
Лазерные диоды ср—«-переходом эксплуатируются так же, как и мощные
светодиоды. Единственное, что примерно 50% энергии уходит на нагрев кристалла,
поэтому всегда существует опасность теплового перегрева лазерного излучателя.
Длина волны определяется полупроводниковым материалом (Табл. 5.1).

Рис. 5.17. Схемы подключения лазерных излучателей к МК:
а) токоограничивающий резистор R1 может находиться внутри лазерной указки А1\
б) буферный транзистор VT1 позволяет пропускать большой ток через лазерный диод А1. Во
избежание перегрева кристалла применяется импульсный режим работы;
в) микросхема таймера DA1 выступает мощным буфером между МК и лазерным диодом А1.
На выходе МК формируются импульсы длительностью 20 мкс и периодом 100 мс. МК может
заблокировать работу устройства НИЗКИМ уровнем на своём выходе;
г) амплитудная модуляция тока лазерного диода А1 на частотах звукового диапазона.
Требуется провести доработку лазерной указки по методике П. Тибора разрывом цепи питания (точка
«Ofif»). Трансформатор 77 низкочастотный от малогабаритного радиоприёмника;
д) подключение мощного «кабельного» лазерного диода А1 к МК. Драйвер DDI (фирма
National Semiconductor) допускает ток открытого коллектора 300 мА. Возможная замена
микросхемы DDI — К555ЛА18;
е) кратковременная подача на «трёхвольтовую» лазерную указку повышенного напряжения
питания. Кнопка на лазерной указке должна быть постоянно включена, а батареи изъяты

5.1.16. Мигающие светодиоды
На Рис. 5.18, а, б показаны схемы подключения мигающих светодиодов к МК.
Рис. 5.18. Схемы подключения мигающих светодиодов к МК:
а) мигающие светодиоды HL1...HL12 сгруппированы по «тройкам» разного цвета: красные,
жёлтые, зелёные, синие. Каждый светодиод управляется от отдельной линии МК и при
выставлении ВЫСОКОГО уровня мигает со своей частотой и фазой. Поскольку частота хоть
немного, но различается, то световые эффекты не будут повторяться во времени. Конструктивно все
светодиоды устанавливаются под один светорассеивающий экран. Для лучшего эффекта
желательно выбирать светодиоды разных фирм-изготовителей, чтобы больше отличались частота
мигания и яркость свечения. Количество светодиодов можно уменьшить или увеличить в
зависимости от конструкции;
б) попеременное свечение «мигающего» светодиода НЫ и обычного светодиода HL2 в
паузах между миганиями
5.1.17. Излучатели внутри оптопар
Любая оптопара состоит из двух частей — передающей и приёмной. Светопе-
редатчик можно наглядно представить в виде единичного светодиода, который на
близком расстоянии через оптически прозрачную среду освещает кристалл
фотоприёмника.
Параметры светодиодов в оптопарах зависят от материала полупроводника и
длины волны. Обычно в оптопарах используется инфракрасный диапазон,
следовательно, параметры будут такими же, как и у стандартных ИК-светодиодов:
Vnp = 1... 1.3 В при Inp = 5...50 мА. Конкретные цифры и графики ВАХ уточняются
по даташиту.
Чтобы не увязнуть в рассмотрении многочисленных разновидностей оптопар
(транзисторные, диодные, резисторные и т.д.), электрические схемы в
дальнейшем будут обезличенными, с нагрузкой в виде абстрактного светопередатчика
(Рис. 5.19, а...с). В отдельную группу выделяются схемы с визуальной индикацией
работы выходной части оптопары (Рис. 5.19, м...с).

Рис. 5.19. Схемы подключения передающей части оптопары к МК (начало):
а) ток через светодиод оптопары VU1 протекает при ВЫСОКОМ уровне на выходе МК.
Резистор R1 ограничивает ток в пределах 5... 15 мА из расчёта падения напряжения на ИК-светодиоде
1.0... 1.2 В. Хотя резистор и оптопара соединяются последовательно, однако физически менять
их местами не рекомендуется. Резистор создаёт защитный барьер от так называемых «наносе-
кундных помех», которые могут проникать через проходную ёмкость 0.5 пФ между входом и
выходом оптопары из внешней зашумлённой «земли». Оптическая изоляция здесь не спасает;
б) аналогично Рис. 5.19, а, но с активным НИЗКИМ уровнем на выходе МК. Резистор R1
(а не оптопару VU1) надо ставить возле выхода МК для защиты от просачивающихся извне «на-
носекундных помех»;
в) комплексная защита от «наносекундных помех» при зашумлённом питании. Конденсатор
С1 ёмкостью 1000 пФ...0.01 мкФ полезен и в других схемах для уменьшения наводок и всплесков
напряжения;
г) МК не включает, а выключает излучающий светодиод оптопары VU1. Достоинство —
высокое быстродействие за счёт сравнительно небольшого изменения напряжения между
выводами оптопары. Недостаток — повышенный расход тока через резистор R1 в рабочем состоянии.
Диод Шоттки VD1 должен иметь низкое прямое напряжение, чтобы гарантированно обесточить
светодиод оптопары VU1;
д) аналогично Рис. 5.19, г, но без диода Шоттки и с открытым стоком на линии МК. В
исходном состоянии на выходе МК НИЗКИЙ уровень. Для включения светодиода оптопары VU1
линия МК переводится в режим обрыва с Х-состоянием. В процессе отладки программы надо
следить за тем, чтобы на выходе МК случайно не сформировался ВЫСОКИЙ уровень, иначе
можно повредить оптопару. Линию МК можно периодически переводить в режим входа АЦП и
программно измерять напряжение 1.0... 1.3 В, чтобы убедиться в исправности оптопары VU1;
е) шунтирующий резистор R2 повышает помехоустойчивость за счёт увеличения
напряжения порога включения оптопары VU1. Теперь порог будет больше, чем в схеме на Рис. 5.19, а, т.е.
больше, чем 1.1В. Ток через резистор R2 выбирается в пределах 1 ...3 мА; О

О Рис. 5.19. Схемы подключения
передающей части оптопары к МК
(продолжение):
ж) ускоряющая цепочка С7, R2 увеличивает крутизну фронтов сигнала при включении
оптопары VU1 НИЗКИМ уровнем с выхода МК. Достоинство схемы — возможность передачи через
оптопару более высокочастотных сигналов;
з) конденсатор С1 полезен для увеличения крутизны фронтов сигнала при высоких
скоростях передачи данных 2.5...5 Мбит/с. Оптопара VU1 должна быть «высокочастотной», например
HCPL-2200 или HCPL-2219 фирмы Avago Technologies;
и) две оптопары VU1, VU2 не могут включиться одновременно, только по очереди. Сигналы
на верхнем и нижнем выходах МК должны быть противофазными. Резистор R2 повышает
помехоустойчивость аналогично Рис. 5.19, е. Диоды VD1, VD2 служат для развязки каналов;
к) транзистор VT1 и диоды VD1, VD2 стабилизируют ток через диод оптопары VU1 при
колебаниях питающего напряжения. Величина тока задаётся резистором R2\
л) питание оптопары VU1 от повышенного напряжения +9 В. Такой приём рекомендуется,
если надо уменьшить ток, протекающий через вывод питания или общий провод МК. Сумма
напряжения питания МК (5 В) и напряжения пробоя стабилитрона VD1 (5.6 В) должна быть
больше, чем у источника 9 В; О

О Рис. 5.19. Схемы подключения передающей части оптопары к МК (окончание):
м) индикатор НЫ светится в момент протекания тока через светодиод оптопары VU1
(ВЫСОКИЙ уровень от МК). Таким образом визуально проверяется исправность выходной части
оптопары. Недостаток — при «перегорании» (обрыве) НЫ теряется управление оптопарой;
н) аналогично Рис. 5.19, м, но при НИЗКОМ активном уровне с выхода МК. Это может
оказаться полезным, если сигнал Vout МК используется для управления другими устройствами;
о) светодиод НЫ светится при выключенной оптопаре VU1. Две противофазные линии МК
обеспечивают более надёжное запирание оптопары VU1 подачей на неё обратного напряжения.
Резистор R1 задаёт одновременно ток через индикатор НЫ и ток через светодиод оптопары VU1.
Резистор R2 увеличивает порог включения оптопары, что повышает помехоустойчивость;
п) светодиод НЫ ярко светится при постоянном НИЗКОМ уровне на выходе МК или же
вполнакала, если через оптопары VU1, VU2 передаётся информация (быстро изменяются
уровни). При электрическом обрыве внутри хотя бы одной из оптопар резистор R2 будет светиться
максимально ярко;
р) аналогично Рис. 5.19, м, но с «зелёным» светодиодом НЫ и гасящим резистором R2;
с) если загорелся светодиод НЫ, значит, произошла авария оптопары VU1 или обрыв
проводов от контактных площадок ХТ1, ХТ2. Светодиод выбирают «аварийного» красного цвета
(1.6 В), хотя меньше шунтировать излучатель оптопары будет светодиод зелёного цвета (1.8 В)

5.2. Накальные и газоразрядные индикаторы
5.2.1. Электрические лампы накаливания
Электрические лампы относятся к классу накальных индикаторов.
Внутри обычной лампы накаливания находится спираль из тугоплавкого осмиево-
вольфрамового сплава. Стеклянный баллон заполняется парами инертного газа
аргона (реже ксенона или криптона). Спираль разогревается под действием тока
и начинает ярко светиться.
Основным недостатком электрических ламп накаливания является низкий
КПД. Строго говоря, их перспективнее было бы использовать для локального
обогрева воздуха, а не для освещения, поскольку 90...95% энергии превращается
в тепло. Не случайно, что малогабаритные низковольтные лампы (Табл. 5.2)
повсеместно заменяются светодиодами.
Таблица 5.2. Параметры малогабаритных электрических ламп
Параметры
Электролампочки для фонарей
Мини-лампы
У[В]
1.3
2
2.5
4
6
12
5
6
12
/[мА]
150
300
200
300
300
200
60...75
40...200
50...100
Сферы, где лампы накаливания ещё держат свои позиции, — это освещение
помещений от сети 220 В, транспорт, а также кино- и фототехника, где важное
значение имеет неискажённая цветопередача. Но и здесь им «наступают на пятки»
долговечнее галогенные лампы, экономичные люминесцентные светильники и
дешевеющие мощные светодиоды. Примечательно, что во многих странах мира,
начиная 2009 г., бытовые лампы накаливания разной мощности постепенно
выводятся из обращения.
Главный нюанс, который надо учитывать при подключении низковольтных
ламп накаливания к МК, заключается в стартовом изменении проводимости
спирали. В холодном состоянии спираль имеет низкое сопротивление. По мере
разогрева оно увеличивается в 2...5 раз и стабилизируется. Если электрическая лампа
подключается к источнику питания через транзистор или другой коммутирующий
радиоэлемент, то он должен выдерживать большие начальные токовые
перегрузки.
Раритетные индикаторные лампы накаливания сейчас обретают «второе
дыхание» в ретро-конструкциях. Подсветка «под старину» может значительно
увеличить стоимость конечного продукта. Единственное, что замена устаревшей лампы
при ремонте может вызвать трудности с её доставанием, поэтому электрический
режим следует устанавливать максимально щадящим, желательно с недокалом,
что резко повышает срок эксплуатации.
Не рекомендуется также увеличивать напряжение на лампах накаливания
сверх номинального. Например, прибавка питания сетевой электролампы 220 В
на 1% повышает световой поток всего лишь на 4%, но зато снижает срок службы
на 15%.
На Рис. 5.20, а...и показаны схемы подключения низко- и высоковольтных
ламп накаливания к МК.

Рис. 5.20. Схемы подключения
электрических ламп накаливания к МК
(начало):
а) лампу ЕЫ нельзя напрямую подключать к МК ни по току, ни по напряжению. Нужен
мощный буфер в виде транзистора VT1. Резистор R1 ограничивает ток базы. Чем ниже его
сопротивление, тем больший начальный ток может протекать через лампу. Резистор R2 (если он
присутствует в схеме), должен иметь повышенную мощность рассеяния;
б) плавное включение галогеновой лампы ЕЫ при помощи цепочки R2y R3, С1. Диод VD1
быстро разряжает конденсатор С1 при снятии питания +12 В;
в) автомобильные лампы ЕЫ и EL2 включаются попеременно в зависимости от
ВЫСОКОГО/НИЗКОГО уровня на линии МК. Между выходом МК и затвором транзистора VT1 часто
ставят резистор сопротивлением 100...300 Ом в защитных целях;
г) логическая микросхема DDI содержит на выходе мощный высоковольтный
транзисторный ключ с открытым коллектором. Лампа ЕЫ должна соответствовать напряжению питания;
д) электрическую сетевую лампу ЕЫ малой мощности 15...25 Вт можно коммутировать при
помощи механического реле К1. Контакты реле в разомкнутом состоянии должны выдерживать
без пробоя переменное напряжение 220 В (не все типы реле это гарантируют!). Резистор R2
закрывает транзистор VT1 во время сброса МК. Диод VD1 устраняет колебательные процессы; О

О Рис. 5.20. Схемы подключения электрических ламп накаливания к МК
(окончание):
е) подключение ламп ЕЫ...ЕЬ7ъ источнику напряжения +12 В через транзисторные ключи,
находящиеся внутри микросхемы DA1. При замыкании контактов переключателя .£47
загораются (для проверки) все без исключения лампы, поскольку ток через них протекает на общий
провод через, внутренние защитные диоды микросхемы DA1;
ж) коммутация электрической сетевой лампы ЕЫ при помощи гальванически развязанного
оптореле VU1, что повышает безопасность эксплуатации. Резистор R1 ограничивает ток через
светодиод оптореле. Вместо «сороковаттки» ЕЫ может быть установлена ёлочная гирлянда,
состоящая, например, из 30 последовательных лампочек с падением напряжения на каждой из них
7 В при токе 100 мА;
з) оптопара VU1 применяется не для гальванической развязки (её здесь нет), а для
увеличения тока, протекающего через лампы EL1...EL4. По сути дела, оптопара выполняет функцию
мощного транзисторного ключа. Такое решение эффективно как при одинаковом, так и при
разном напряжении питания МК и ламп накаливания;
и) микроминиатюрная лампа накаливания располагается внутри резисторной оптопары VU1,
обеспечивая хорошую линейность характеристики управления внешней нагрузкой (Device). На
выходе МК генерируется ШИМ-сигнал, но ФНЧ для него не требуется. Его роль выполняют
инерционные свойства излучателя и фотоприёмника внутри оптопары VU1

5.2.2. Ваккуумные индикаторы семейства Nixie
Рис. 5.21. Схемы подключения газоразрядных индикаторов семейства Nixie к МК (начало):
а) подключение газоразрядного ретро-индикатора HG1 к МК через ключи на транзисторах
VT1....VT10. По аналогичной схеме подключаются индикаторы ИН-1, LC-516;
б) коммутация анодного напряжения индикаторов HG1...HG4одной оптопарой VUJ; О
Газоразрядные электровакуумные индикаторы Nixie были разработаны в США
в 1952 г. братьями Haydu. Название Nixie получилось от сокращения «NIX 1»
(Numerical Indicator experimental 1). Термин стал нарицательным и закрепился за
всей линейкой подобных индикаторов. Применялись они в первых
калькуляторах, компьютерах, в измерительных приборах, лифтах, уличных табло.
Для работы Nixie необходим высоковольтный источник анодного напряжения.
Раньше это не вызывало особых трудностей, т.к. подобная схемотехника
применялась в ламповых усилителях. С появлением низковольтной транзисторной
техники ситуация изменилась. В начале 1970-х годов доминирование Nixie сошло на
нет, поскольку им на смену пришли люминесцентные, а затем светодиодные и
жидкокристаллические индикаторы.
Аналогом Nixie является индикатор ИН-14 советского производства, который
по времени появился позже, но и выпускался дольше. В Интернете до сих пор
такие индикаторы продаются, причём с поставкой... из стран дальнего зарубежья.
Запрос на индикаторы семейства Nixie в нынешнее время связан с
популярностью ретро-часов, которые имеют красивый антикварный вид и мягкое
«неоновое» свечение. Функциональные возможности часов ограничиваются
стандартным набором: «часы-минуты» или «часы-минуты-секунды», иногда с календарем,
будильником и даже с синхронизацией времени через канал GPS.
Согласно справочным данным [5-44], наработка на отказ ИН-14 составляет не
менее 12500 часов, т.е. полтора года непрерывной работы. Увеличить ресурс
можно, если применить не статическую, а динамическую индикацию с током анода
в импульсе 3...4 мА. Частота динамической индикации должна быть высокой, не
менее 50 Гц (в пересчёте на один индикатор) при скважности импульсов 8... 10. Это
устраняет мерцание цифр и повышает долговечность до нескольких лет.
Среди других индикаторов применяют: ИН-8, ИН-16...18, ZM1020, ZM573.
На Рис 5.21, а...г показаны схемы подключения Nixie-индикаторов к МК.

О Рис. 5.21. Схемы подключения газоразрядных индикаторов семейства Nixie к МК
(окончание):
в) подключение индикаторов Nixie через высоковольтные оптопары VU1...VU7.
Динамическая индикация с выходов МК значительно продлевает срок службы. Замена DDI — К155ИД1;
г) дешифратор DDI формирует управляющие сигналы для цифр «О»...«9», а транзистор VT1 —
для децимальной точки «KDP» газоразрядного индикатора HG1 японского производства

5.2.3. Низковольтные люминесцентные вакуумные индикаторы
Любители старины были, есть и будут. Для кого-то это стиль жизни, для кого-
то хобби коллекционера, для кого-то ностальгия по молодости. В любом случае,
люди, которые желают окружить себя эксклюзивными вещами, ни перед чем не
останавливаются и готовы на многое ради приобретения очередной «новой»
старой вещи.
К раритетам для коллекционеров относятся и изделия с люминесцентными
ваккуумными индикаторами VFD (Vacuum Fluorescent Display), которые пришли
на смену газоразрядным Nixie. Основное их достоинство — низкое питающее
напряжение. Сферы применения простираются от традиционных электронных
часов и термометров до информационных таблоидов.
Индикаторы VFD до сих пор ещё не сняты с производства и продолжают
изготавливаться для дооснащения ранее выпущенной аппаратуры. Веянием
последнего времени стал симбиоз VFD и МК на одной печатной плате, что позволяет
конструировать стильные по дизайну устройства.
На Рис. 5.22, а, б приведены схемы подключения индикаторов VFD к МК.
Следует учитывать, что индикаторы советского производства в зарубежных каталогах
радиоэлементов пишутся по-латински, например IV-3 (ИВ-3), IV-18 (ИВ-18).
Рис. 5.22. Схемы подключения люминесцентных ваккуумных индикаторов к МК:
а) HG1 — это семисегментный ваккуумный электролюминесцентный индикатор
производства СССР. Анодные напряжения на сегменты подаются через резисторы R9...R18 и снимаются
после открытия транзисторов VTL..VT8. Такое решение максимально упрощает схемотехнику,
хотя и создаёт дополнительный расход тока;
б) подключение к МК интеллектуального ваккуумно-флюоресцентного дисплея HG1 (фирма
Noritake Itron) с организацией 2 строки по 16 символов. Дисплей по внешнему виду напоминает
ЖК- и OLED-модули. Для формирования символов используется матрица излучателей с
организацией 5x7 пикселей. Для снижения тока потребления питание на HG1 подаётся с перерывами
путём выключения транзистора VT1. Внутри HG1 находится PIC-контроллер, поэтому
резисторы R2...R4, при коротких проводах и отсутствии сбоев, можно заменить перемычками.
Достоинство индикатора — высокая яркость, недостаток — повышенная мощность потребления

5.2.4. Прочие газоразрядные индикаторы
Рис. 5.23. Схемы
подключения газоразрядных
индикаторов к МК (начало):
а) HG1 — это двухимпульсный декатрон, предназначенный для работы в счётно-решающих
устройствах. Выпускался в СССР в 1950... 1970 годах [5-50]. Его параметры: длительность
импульсов 0.2... 1 мс, рабочий ток 0.3...0.45 мА, частота счёта до 1000 Гц, наработка 2000 часов.
Внутри имеются: анод, 10 катодов и 2 подкатода. Поочерёдная подача импульсов на подкатоды
приводит к перемещению тлеющего разряда от одного катода к другому. Направление перемещения
светящихся точек определяется тем, на какой из подкатодов первым подаётся импульс от МК.
Переключателем S1 осуществляется сброс точек в начальное положение;
б) при разности потенциалов между выводами индикаторов Н1...Н4 примерно 200...250 В
происходит внутренний пробой и начинается свечение газа, находящегося в их баллонах.
Транзисторы КГ7, VT2 могут открываться противофазно или синхронно. Достоинство —
экономичность, хорошая яркость и большие габариты. Недостаток — высокое питающее напряжение;
в) импульсы, генерируемые МК, управляют включением лампы дневного света #7, которая
тоже является газоразрядной. Стабилитрон VD2 должен быть мощный типа Д815Д; О
Газоразрядные индикаторы давно не применяются в современной технике из-
за высокого анодного напряжения. Однако в последнее время приборы с их
наличием стали востребованными на рынке (Рис. 5.23, а...д). В «газоразрядном» стиле
выполняют различные табло и указатели.

О Рис. 5.23. Схемы подключения газоразрядных индикаторов к МК (окончание):
г) двухимпульсный декатрон HG1 состоит из двух подкатодов (выводы 4 и 6), одного катода
(вывод 8) и одного анода (вывод 3). Начальное позиционирование производится через так
называемый «нулевой» катод (вывод 1). Яркость регулируется изменением скважности импульсов,
генерируемых с выходов МК через четыре канала ШИМ;
д) аналогично Рис. 5.23, а, но на японском декатроне HG1 фирмы NEC и без
высоковольтных оптопар. Подбирая длительность, частоту и фазу импульсов, генерируемых с выходов МК,
можно получить эффект «вращающейся по кругу точки». Неоновая лампа HI индицирует
наличие высокого напряжения

5.3. Жидкокристаллические индикаторы
5.3.1. Семисегментные ЖКИ
На Рис. 5.24, а, б показаны схемы подключения семисегментных ЖКИ к МК.
Рис. 5.24. Схемы подключения
семисегментных ЖКИ к МК:
a) HG1 — это специализированный ЖК-индикатор для измерительных приборов «-1888»
(3.5 цифры) с дополнительными сегментами, в том числе с индикатором «подсевшей» батареи
«ШВАТ». Сигнал на подложку «Сот» формируется одновременно с импульсами меандра,
продвигающими информацию через четыре счётчика DD1...DD4. Управление двухпроводное;
6)#G7 — это семигементный ЖКИ «-188888» с контроллером ML1001. Управление одно-
проводное на «таймингах» цепочек Rl, С1 и R2, С2. Частота обновления информации 20... 150 Гц
5.3.2. Алфавитно-цифровые ЖК-модули (АЦЖК)
Речь пойдёт о стандартных ЖК-модулях, поддерживающих систему команд
контроллера HD44780 фирмы Hitachi (см. «Выпуск 2»).
Классифицируются АЦЖК по следующим основным признакам.
Напряжение питания:
пятивольтовые (4.5...5.5 В);
трёхвольтовые (2.7...3.6 В);
широкодиапазонные (2.7...5.5 В).

Организация знакомест:
число горизонтальных строк 1...4;
число знакомест (символов) в одной строке 8...40.
Стиль надписей:
тёмные символы на светлом фоне;
светлые символы на тёмном фоне.
Уровни логических сигналов:
входы и выходы с уровнями КМОП;
входы с уровнями ТТЛ, выходы с уровнями КМОП (ТТЛ-КМОП).
Интерфейс сопряжения с МК:
параллельный с 4- или 8-проводной шиной данных;
последовательный с интерфейсами SPI, PC, UART.
В настоящее время многие АЦЖК являются широкодиапазонными, т.е.
поддерживающими стандартное питание как 3, так и 5 В. Но здесь кроется нехитрая
ловушка, связанная с колебаниями питания при разной температуре воздуха.
Как известно, контрастность АЦЖК определяется не напряжением на выводе
Vo относительно GND, а разностью потенциалов Vdo между питанием Vdd и Vo
(Рис. 5.25, а). Следовательно, если напряжение питания «плывёт», то надо тем
или иным способом подстраивать напряжение на выводе Vo.
В даташитах АЦЖК приводится температурная зависимость (Рис. 5.25, б), из
которой становится понятно, что напряжение на выводе Vo надо также
подстраивать и при изменении температуры окружающей среды.
Рис. 5.25. Схема (а) и график (б), поясняющие проблемы низковольтных АЦЖК
Пример. При питании +5 В, температуре +20°С и разности Vdo 3.8 В
оптимальным является напряжение Vo[B] = Vdd[B] - Vdo[B] = 5 — 3.8 = 1.2 В. При
пониженном питании +3.5 В или температуре -20°С на вывод Vo нужно подавать уже
отрицательное напряжение —0.3 В. Если этого не сделать, то картинка на экране
АЦЖК резко потускнеет. Следовательно, для таких случаев надо предусматривать
дополнительный источник отрицательного напряжения.
На Рис. 5.26, а...е показаны схемы подключения разных пар «МК + АЦЖК» с
учётом отличий в уровне питания и уровнях логических сигналов ТТЛ, КМОП.

Рис. 5.26. Схемы подключения разных пар «АЦЖК + МК»:
а) подключение «высоковольтного» индикатора HG1. Уровни сигналов на приёме в HG1
составляют 0.7...2.4 В (параметр Vm в даташите), поэтому все линии МК соединяются напрямую;
б) аналогично Рис. 5.26, а, но с сигналом R/W. В режиме чтения данных (ВЫСОКИЙ
уровень R/W) резисторы R2...R5 ограничивают ток в направлении от HG1 (5 В) к МК (3.3 В);
в) аналогично Рис. 5.26, б, но без ограничительных резисторов, поскольку четыре верхние
линии МК имеют входы, толерантные к повышенному напряжению 5 В;
г) при отсутствии источника +5 В можно запитать «высоковольтный» индикатор HG1
низким напряжением +3.3 В. Но при этом изображение будет без подсветки, а также потребуется
источник отрицательного напряжения, например от батареи или от DC/DC-преобразователя;
д) аналогично Рис. 5.26, в, но с индикатором HG1, имеющим «pull-up» резистор по входу Vo\
е) в некоторых «трёхвольтовых» индикаторах имеется дополнительный вывод Ve от
внутреннего источника отрицательного напряжения, выполненного на DC/DC-преобразователе. Но
для подсветки всё равно придётся использовать напряжение +5 В и резистор R2

На Рис. 5.27, а...з показаны дополнительные (нестандартные, экзотические, с
уплотнением сигналов и т.д.) схемы подключения АЦЖК к МК.
Рис. 5.27. Дополнительные схемы подключения АЦЖК к МК (начало):
а) переключатель S1 подаёт питание +5 В на HG1 (нормальный режим, Normal) или
снимает питание с HG1 (спящий режим, SLEEP). Соответственно, на вход МК подаётся ВЫСОКИЙ
или НИЗКИЙ уровень, по которому он тоже может перейти в максимально экономный режим
или выполнить определённую процедуру. Резистор R2 уменьшает напряжение, подаваемое на
контакт VCC модуля HG1, что полезно при батарейном питании. Между контактами 1 и 2 модуля
HG1 можно поставить конденсатор фильтра ёмкостью 0.1 мкФ;
б) сдвиговый регистр DDI позволяет экономить три линии связи с ЖК-модулем HGL
Информация в регистр записывается последовательно во времени через вход DS и переносится на
выходы регистра импульсом STuo переднему фронту сигнала SH;
в) конденсаторы С1...С4 снижают радиопомехи, которые могут возникнуть при работе с ЖК-
модулем HG1. Помехи улавливает, в частности, антенна чувствительного приёмника связного
трансивера. С той же целью конденсаторы ёмкостью 1000 пФ устанавливаются и на другие
«генераторные» линии портов МК;
г) при низком питании ЖК-модуля HG1 для регулирования контрастности картинки
пригодится источник отрицательного напряжения —1.5...-2.5 В, который собран на элементах Rl, С1,
VD1, VD2, С2. Частота импульсов канала ШИМ с выхода МК 30...90 кГц; О

/
О Рис. 5.27. Дополнительные схемы подключения АЦЖК к МК (окончание):
д) сокращение числа управляющих линий от МК к ЖК-модулю HG1 с 7 до 2 (интерфейс 12С).
Расширитель портов выполнен на микросхеме DDI, которая имеет собственную систему команд
и выставляет на выходах Р0...Р6требуемые сигналы в нужной последовательности;
е) регулирование контрастности модуля HG1 через канал ШИМ. Конденсатор С1 снижает за-
метность мерцания дисплея. Делитель напряжения на резисторах R2, R3 устанавливает
начальный уровень контрастности;
ж) управление ЖК-модулем HG1 по двум проводам. Сначала на линии CLK устанавливается
НИЗКИЙ уровень, диод VD1 блокирует вход ST. Затем выставляется младший бит данных на
линии DATA, формируется короткий импульс на линии CLK, после чего этот бит записывается
в сдвиговый регистр DDL Так происходит 7 раз для 7 разрядов данных. Далее на линии DATA
выставляется НИЗКИЙ уровень, на CLK — ВЫСОКИЙ уровень, после чего формируется
короткий импульс по линии DATA, который через цепочку Rl, С1 поступает на вход 5Ти приводит
к параллельной выдаче информации на выходах 1...7 микросхемы DDI;
з) вход R/W модуля HG1 обычно «наглухо» подключается к общему проводу, при этом
устанавливается режим передачи данных без обратной связи. Если в схему ввести резистор R1, то он
тоже будет обеспечивать НИЗКИЙ уровень на входе R/W. Но теперь можно при необходимости
перейти к режиму с обратной связью, установив перемычку к линии порта МК (показано
пунктиром). Резистор R1 достаточно высокоомный, он не будет мешать прохождению сигналов

5.3.3. ЖК-дисплеи
На Рис. 5.28, а, б показаны схемы подключения ЖК-дисплеев к МК.
О Рис. 5.28. Схемы
подключения ЖК-дисплеев к
МК:
а) HG1...HG9 — это тастатура из 9 цветных видеокнопок фирмы NKK Switches. На
поверхности каждой из них размещается миниатюрный ЖК-дисплей с разрешением 64x32 пикселей
и подсветкой. Дисплей управляется внутренним контроллером с собственной системой команд.
При надавливании на экран дисплея замыкаются механические контакты кнопки,
расположенной между выводами 1 и 2. Число цветовых оттенков 64, цена ниже, чем у OLED-видеокнопок;
б) 7-дюймовый цветной TFT-дисплей HG1 фирмы Sharp (640x480 пикселей) подключается
к МК шестью линиями: HSY— кадровые синхроимпульсы, VSY— строчные синхроимпульсы,
CLK— тактовый сигнал, VR1, VGly VB1 — цифровые сигналы красного, зелёного и синего цвета,
формируемые программно. Для подсветки используется напряжение +12 В

5.4. Звуковая система
5.4.1. Ультразвуковые излучатели
На Рис. 5.29, а...г показаны схемы подключения ультразвуковых пьезокерами-
ческих динамиков (излучателей) к МК.
Рис. 5.29. Схемы подключения ультразвуковых излучателей к МК:
а) резисторы R2, R3 образуют делитель напряжения для формирования средней точки,
относительно которой изменяется сигнал на пьезодинамике BQ1. Питание на делитель в целях
экономии энергии подаётся от ВЫСОКОГО уровня на верхнем выходе МК. Диоды VD1, VD2
устраняют протекание сквозного тока через транзисторы К77, VT2\
б) излучатель BQ1 подключается к противофазным выходам МК. Мощность генерации
невелика, но её достаточно для сонара с небольшим радиусом действия (десятки сантиметров);
в) генерация ультразвуковых посылок на частоте 40 кГц излучателем BQ1 фирмы Nippon
Ceramic. Для раскачки амплитуды выходного сигнала до ±10 В используется стандартный
драйвер интерфейса RS-232 на микросхеме DA1, в котором проинвертирован один канал.
Направление прямое — выводы 11-14 DAL Направление инверсное — выводы 13-12-10-7 DA1\
г) транзистор VT1 работает в ключевом режиме. В целях повышения мощности
ультразвукового излучения параллельный контур, состоящий из индуктивности Ы и ёмкости пьезоизлуча-
теля BQ1, должен быть настроен на частоту генерации

5.4.2. Транзисторные усилители звука
На Рис. 5.30, а...з показаны схемы подключения транзисторных УНЧ к МК.
Рис. 5.30. Схемы подключения
транзисторных УНЧ к МК (начало):
а) усилитель звука с регулированием громкости. Ток базы транзистора VT1 низкий, что
позволяет применить миниатюрный маломощный переменный резистор Rl\
б) транзистор VT1 работает в ключевом режиме. Диоды VD2, VD3 снижают всплески
напряжения, создаваемые индуктивностью динамика ВЛ1 на фронтах сигналов. Элементы С7, VD1
нужны, чтобы питание МК «не просаживалось», когда транзистор VTJ находится в открытом
состоянии. Напряжение питания схемы (а значит, и мощность УНЧ) можно повысить с 5 до 12 В,
при этом диод VD1 следует заменить стабилизатором из серии 78L05;
в) мощность УНЧ 100 мВт. Схема не критична к типам транзисторов К77, VT2 и
сопротивлениям резисторов Rl, R2. Мощность рассеяния транзистора VT2 должна быть 0.5... 1.0 Вт;
г) мощность УНЧ несколько сотен милливатт. Транзистор VT2 установить на радиатор;
д) мощность УНЧ до 5 Вт. Ёмкость конденсатора С1 может быть 220... 1000 мкФ. Транзисторы
VT2, VT3 должны допускать ток коллектора 0.5... 1 А; О

Рис. 5.30. Схемы подключения транзисторных УНЧ к МК (окончание):
е) мостовая схема позволяет получить на выходе УНЧ мощность до 30... 35 Вт при сигнале
меандра. Оба плеча моста работают от одной линии МК, т.к. транзистор VT6 инвертирует сигнал;
ж) УНЧ класса D. Звуковой сигнал формируется каналом ШИМ (средний выход МК,
частота 100 кГц). Сигналы коммутации положительной и отрицательной полуволны сигнала должны
быть противофазными (нижний и верхний выходы МК);
з) мостовой усилитель звука с противофазными ШИМ-сигналами с двух выходов МК.
Транзисторы VT1, VT2 согласуют уровни напряжения, поскольку питание моста повышенное

5.4.3. Интегральные усилители звука
Рис. 5.31. Схемы подключения интегральных УНЧ к МК:
а) при низком напряжении питания +3 В необходимо применять мостовые УНЧ и
специальные типы интегральных микросхем. Особенность схемы — одна демпфирующая цепочка R2,
СЗ (а не две на каждый усилительный канал), которая подавляет самовозбуждение микросхемы
DA1 на высоких частотах;
б) «крейсерская» мощность УНЧ на микросхеме DA1 составляет 5 Вт. Музыкальные
композиции через такой усилитель на пиках будут воспроизводиться с искажениями, а вот сигнальная
сирена полицейских, пожарных и медицинских машин звучит мощно и громко, как ей и
положено;
в) в системах тревожной сигнализации важную роль играют не ширина полосы пропускания
и нелинейные искажения УНЧ, а субъективная громкость и узнаваемость звука сирены на
больших расстояниях. С этой целью в «обвязку» микросхемы DA1 вводятся конденсаторы С2...С4 и
катушки индуктивности ZJ, которые образуют частотный фильтр, улучшающий разборчивость
тревожных сигналов. Звуки, имитирующие сирену, генерируются с выхода МК. Замена
микросхемы DAI — TDA2002
На Рис. 5.31, а...в показаны схемы подключения интегральных усилителей
звука к МК. Их применение реально упрощает схемотехнику, по сравнению с
транзисторными УНЧ.

5.4.4. Генерация звука через ШИМ
Рис. 5.32. Схемы генерации звука через канал ШИМ МК {начало):
а) пьезоизлучатель НА1 подключается к двум каналам ШИМ МК через ФНЧ на элементах
R1,C1 и R2, С2. Один из каналов предназначен для исполнения темы мелодии, а другой — для
гармонии (аккомпанемент). Оба сигнала смешиваются в пьезоизлучателе. Альтернативный
вариант — настроить оба канала ШИМ на воспроизведение одинаковых звуков, но генерировать
сигналы в противофазе для повышения громкости;
б) добавление катушки индуктивности Ы на входе ФНЧ улучшает синусоидальную форму
звукового сигнала Vout, формируемого через канал ШИМ МК;
в) конденсатор С1 замещает резистор в стандартном фильтре канала ШИМ. Следовательно,
вместо ЛС-фильтра получается СС-фильтр;
г) особенность схемы — высокое входное сопротивление истокового повторителя на
транзисторе К77, что улучшает качество фильтрации сигнала ШИМ. Через транзистор VT1 протекает
начальный ток 1.2...3 мА (это разброс по даташиту). Подбором сопротивления резистора R3 на
истоке устанавливается напряжение, близкое к половине питания, что обеспечивает
максимально линейную передачу сигнала (режим класса А). Такой же повторитель напряжения допускается
использовать и в других схемах, например в стандартном микроконтроллерном ЦАП на матрице
R-2R, где можно на выходе задействовать элементы С2, R2, VT1, R3, СЗ; О
Программно-аппаратный узел канала ШИМ в разных семействах МК
предоставляет разработчику примерно одинаковые возможности: изменение
скважности, частоты и фазы импульсов. Принципиальным отличием может быть
максимальная частота генерации, а также количество режимов и разрядность
внутренних регистров. Однако для типовых схем звукообразования через канал ШИМ
(Рис. 5.32, а...з) эти различия малосущественны.

О Рис. 5.32. Схемы генерации звука через канал ШИМ МК (окончание):
д) формирование стереозвука через два канала ШИМ с повторителями напряжения на двух
ОУ DA1. /, DA1.2. В оригинале схемы применяется МК ATmega325, частота дискретизации
(оцифровки) 31.5 кГц;
е) изменяя частоту модуляции ШИМ в звуковом диапазоне, можно превратить обычный
электромеханический двигатель МІ в... «поющий динамик». На валу двигателя закрепляется
платформа, на которой в такт со звуком вращается игрушка. Особенность схемы — применение
«высоковольтного» двигателя с рабочим напряжением 12 В (вместо 5 В). Это сделано для того,
чтобы ротор двигателя вращался медленнее и легче проворачивался на небольшой угол;
ж) с верхнего выхода МК генерируется импульсный сигнал, модулированный по скважности
8 старшими, а с нижнего выхода МК — 8 младшими разрядами звукового сигнала. Теоретически
в такой схеме должен получиться 16-битный звук. Суммирование производится резисторами R1,
R2 в пропорции сопротивлений 1:255. Окончательная регулировка производится по минимуму
шумов. Частота сигнала ШИМ не менее 64 кГц, чтобы её отфильтровал конденсатор С1\
з) аналогично Рис. 5.32, ж, но суммирование и фильтрация ШИМ-сигналов производятся в
громкоговорителе ВА1. Переменным резистором R1 настраивается 16-битное звучание по
тестовому сигналу синусоиды, генерируемому программным способом с выходов МК. Регулировка
проводится на слух, методом вилки по минимуму шумовых призвуков и искажений в сигнале.
Кнопка SB1 нужна, чтобы во время подстройки периодически переключаться с 16- на 8-битный
режим. Так легче всего оценить улучшение качества звукового сигнала

5.4.5. Генерация звука через ЦАП
О Рис 5.33. Схемы генерации звука через ЦАП:
а) синусоидальный генератор с частотой 1...32768 Гц и шагом 1 Гц. Используется 12-битный
ЦАП на микросхеме DDI с трёхпроводным интерфейсом: CS (выбор устройства), SCK (тактовый
сигнал), SDI (данные). Форма выходного сигнала ЦАП содержит характерные «ступеньки». Они
сглаживаются однозвенным ЛС-фильтром Rl, С1 и трёхзвенным LC-фильтром L1...L3, С2...С4.
Транзистор VT1 включается по схеме эмиттерного повторителя, что обеспечивает низкое
выходное сопротивление генератора на уровне 220 Ом;
б) звуковой «ступенчатый» сигнал с выхода внутреннего ЦАП МК проходит через ФНЧ на
элементах С7, Z7, С2. Конденсаторы С3> С4 устраняют постоянную составляющую, чтобы
сигнал можно было сразу подавать на УНЧ. Конденсатор СЗ улучшает прохождение ВЧ-сигналов, а
конденсатор С4 — НЧ-сигналов. Резистор R2 обеспечивает разряд конденсатора С4
Узел ЦАП в МК бывает внутренним и внешним.
Внутренний ЦАП качественно генерирует сигналы с разрядностью 10.. 12 бит,
но только на высокоомную нагрузку. Внешний ЦАП — это внешние матрицы
резисторов R-2R или микросхемы ЦАП высокой разрядности, на выходе которых
надо предусмотреть эффективное подавление ВЧ-гармоник.
На практике считается, что внешний ЦАП с дискретными резисторами
обеспечивает хорошую повторяемость при разрядности 8... 10. Микросхемы ЦАП с
лазерной подгонкой интегральных резисторов обеспечивают разрядность 12... 14,
далее начинают сказываться тепловые шумы. Чтобы получить качественный звук
с разрядностью 16...24, применяют микросхемы дельта-сигма ЦАП.
На Рис. 5.33, а, б показаны схемы генерации звука через ЦАП.

5.4.6. Формирование огибающей
На Рис. 5.34, а...г показаны схемы формирователей огибающей сигнала.
Рис. 5.34. Схемы формирователей огибающей сигнала:
а) на нижнем выходе МК формируется звуковой сигнал, на верхнем — его огибающая.
Резистор R1 ограничивает бросок тока заряда конденсатора С1. ВЫСОКИЙ уровень с верхнего
выхода МК определяет коллекторное напряжение для транзистора VT1. При переводе верхней
линии в режим Z-входа конденсатор С1 постепенно разряжается, амплитуда звукового
сигнала, подаваемого на базу транзистора VT2, плавно уменьшается. Нижний выход МК переводится
в Z-состояние (а не в режим выхода с НИЗКИМ уровнем), чтобы конденсатор С1 разряжался
только через транзистор К77, минуя внутренние цепи МК;
б) транзистор VT1 служит усилителем звука, транзистор VT2 — модулятором
(формирователем огибающей). Нижний выход МК переводится в режим входа с Z-состоянием, чтобы
конденсатор С1 разряжался только через транзистор VT2;
в) МК генерирует импульсы меандра с близкими частотами: 200 и 215 Гц или 400 и 414 Гц
(бинауральное звучание). ФНЧ на элементах Rl, С1 и R2, С2 приближают форму сигнала к
синусоиде. Частота среза ФНЧ должна быть примерно на 25% ниже частоты основного тона;
г) звуки мелодии формируются методом ШИМ с верхнего выхода МК. Сигнал НЧ-модуляции
поступает с нижнего выхода МК. Суммирование сигналов происходит на резисторах R8> R9. Для
устранения ВЧ-гармоник применяются ФНЧ на конденсаторах С1...С4 и резисторах R1...R7

5.5. Ключевые узлы
5.5.1. Транзисторные ключи
На Рис. 5.35, а...з показаны схемы коммутации транзисторных ключей,
выполненных на биполярных и полевых транзисторах.
Рис. 5.35. Схемы подключения транзисторных ключей к МК (начало):
а) основным ключом, коммутирующим внешнюю нагрузку, является транзистор VT2.
Открывается он ВЫСОКИМ уровнем с выхода МК через диод VD1, а закрывается через открытый
транзистор VT1. Достоинство — быстрый разряд входной ёмкости полевого транзистора VT2,
что приводит к снижению динамических потерь на переключение;
б) эта схема актуальна, когда нагрузка Rw «привязана» к общему проводу. Используется
обратная логика работы, когда нагрузка обесточена при включённом транзисторе VT1, и наоборот.
Достоинство — простота коммутации, недостаток — лишний расход тока через резистор R2;
в) биполярный транзистор VT2 позволяет быстрее заряжать ёмкость между затвором и
истоком полевого транзистора VT3, тем самым повышая крутизну переднего фронта выходного
импульса. Диод VD1 ускоряет разряд ёмкости через открытый транзистор К77, что повышает
крутизну заднего фронта. Частота импульсов до 100 кГц;
г) НИЗКИМ уровнем с нижнего выхода МК открываются сразу все «цифровые»
транзисторы VTl...VTn, после чего сигналы с верхних выходов МК транслируются на выходы Voutl...VoutN
с высокоимпедансным состоянием (открытый коллектор) вместо НИЗКОГО уровня; О

О Рис. 5.35. Схемы подключения транзисторных ключей к МК (окончание):
д) транзисторы VT1, VT2 способны коммутировать нагрузку до 5 А. Логические элементы
DDI. 7, DDI.2 могут быть запараллелены оставшимися без дела инверторами микросхемы DDI;
е) аналогично Рис. 5.35, д, но с аналоговыми ключами DA 1.7, DA 1.2, которые синхронно
включаются/отключаются сигналом с верхнего выхода МК. Если на нижнем выходе МК установить
НИЗКИЙ уровень, то работа ключей блокируется, при этом транзисторы VT1, VT2 закрываются
(благодаря резисторам Rl, R2), и выход Vout переходит в высокоимпедансное Z-состояние;
ж) оптореле VU1...VU4 осуществляют коммутацию четырёх видеосигналов VIDEO-INna один
выход VIDEO-OUT. Оптореле имеют низкое сопротивление в открытом состоянии (1 Ом),
напряжение 60 В, ток 0.6 А, время переключения 0.5 мс. Большая ёмкость между выводами 4-5 и
5-6 оптореле приводит к тому, что видеосигналы могут проникать из одного канала в другой. Для
снижения этих помех на 30...35 дБ в схему вводятся транзисторы VT1...VT4, которые замыкают
на общий провод выводы 5 тех оптореле, которые в данный момент закрыты;
з) на оптопарах VU1, VU2 выполнен преобразователь уровней 0/+5 В в —15/+15 В. Диоды
VD1, VD2 обеспечивают надёжное запирание оптопары VU2 при включении оптопары VU1, т.е.
при протекании тока через её светоизлучатель. Если источники питания —15 В и +15 В будут
гальванически развязаны от +5 В МК, то получится преобразователь уровней с опторазвязкой

5.5.2. Узлы управления параметрами
На Рис. 5.36, а...в показаны схемы узлов управления параметрами.
Рис. 5.36. Схемы узлов управления параметрами:
а) квазианалоговый «электронный потенциометр» с управлением по каналу ШИМ от МК.
Фильтр R 7, С7 выделяет постоянную составляющую сигнала. «Постоянная составляющая» — не
означает, что напряжение неизменное. Возможна модуляция сигнала с низкой частотой. Диоды
VD1, FZX2 служат для термокомпенсации и в некритичных случаях могут отсутствовать.
Преимущество резисторной оптопары VU1 перед механическим потенциометром заключается в
отсутствии шорохов и контактных шумов. Плавность регулирования обеспечивается программным
способом. Параметры оптопары VU1 (фирма Silonex): быстродействие 5...90 мс, диапазон
изменения сопротивления 400 Ом... 10 МОм;
б) дискретно регулируемый источник тока на транзисторах F77, VT2. Ток задаётся
резисторами R1...R8 (ЦАП «2R»), которые подключаются к общему проводу через внутренние ключи
МК. Тип транзистора VT1 выбирается в зависимости от максимального тока через нагрузку Rw;
в) НИЗКИМ/ВЫСОКИМ уровнем с выхода МК открывается/закрывается транзистор VT1 и
включается/выключается УНЧ DAL Особенности — низкое питание и конденсатор фильтра СЗ

5.6. Электродвигатели
5.6.1. Транзисторное управление двигателями
На Рис. 5.37, а...м показаны схемы подключения электродвигателей к МК
через транзисторные ключи.
Рис. 5.37. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи (начало):
а) плавная регулировка скорости двигателя Ml программным изменением ширины
импульсов на выходе МК. Можно организовать гальваническую развязку двигателя от МК, если
использовать автономный источник питания +Еп;
б) вентилятор Ml большую часть времени вращается с низкой скоростью (транзистор VT1
закрыт, напряжение на двигателе около 3 В). Если на выходе МК НИЗКИЙ уровень, то транзистор
VT1 открывается, диод VD1 закрывается, при этом вентилятор вращается быстрее, поскольку
напряжение на нём возрастает до 5 В;
в) напряжение в средней точке делителя R2, R3 не превышает 5 В, поэтому линии МК
(открытый сток) подключаются напрямую к транзистору VT1. При состоянии Х-обрыва на двух
выходах МК вентилятор Ml вращается с низкой скоростью, т.к. транзистор VT1 открыт примерно
наполовину. При НИЗКОМ уровне на верхнем/нижнем выходе МК транзистор VT1 открывается
больше, соответственно, на 75 и 92%, поэтому вентилятор вращается быстрее;
г) регулирование скорости вращения маломощного двигателя МІ (от игрушки) на низкой
частоте 50 Гц через канал ШИМ МК; О

О Рис. 5.37. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи
(продолжение):
д) формирование трёхступенчатого сигнала на обмотках соленоида Ы. Транзисторы К72,
VT3 и транзистор VT1 открываются по очереди. Если они по ошибке откроются одновременно,
то диод VD1.1 не даст замкнуться отрицательному источнику питания на общий провод;
е) включение мощного двигателя Ml осуществляют 3 ключа на транзисторах VTL..VT3. За-
действуются три разных, последовательно повышающихся напряжения: +5; +12; +24 В. Диоды
VD1, VD2 — ускоряющие. Стабилитрон VD3 защищает транзистор VT3 от всплесков
напряжения. Между стоком и истоком транзистора VT3 иногда ставят конденсатор 470 мкФх47 В;
ж) Ml — это трёхфазный бесколлекторный двигатель «Brushless motor», применяемый в
жёстких дисках и проигрывателях CD/DVD. Двигатель подключается через буферные элементы
микросхемы DDI у которые допускают втекающий и вытекающий ток до 1 А. Изменение
скорости вращения производится регулированием частоты (скважности) импульсов с выходов МК;
з) аналогично Рис. 5.37, ж, но с четырьмя проводами от двигателя Af7, токоограничивающим
резистором R1 и MOSFET-транзисторами VT1...VT3 (их можно выпаять из материнской платы
компьютера). Центральный провод двигателя Ml определяется прозвонкой омметром. Фазные
обмотки А, В, С можно подключить к транзисторам VT1...VT3 в любом порядке, но в
дальнейшем надо подкорректировать программу в части правильного чередования линий портов; О

О Рис. 5.37. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи
(продолжение):
и) узел управления одной из обмоток А, В или С трёхфазного двигателя с применением
биполярных транзисторов с изолированным затвором VT1, VT2. Открываются они противофазными
сигналами с оптопар VU1> VU2. Особенностью схемы является «взвешенное» питание оптопары
VU1, т.е. конденсаторы С7, С2 заряжаются через диод VD1 от источника питания +12 В только
в момент открытого состояния транзистора VT2. Выходные узлы для остальных двух обмоток
(фаз) двигателя выполняются по аналогичным схемам. Цепь общего провода МК может быть
гальванически изолированной или соединяться с общей цепью GND выходного каскада;
к) полевой транзистор VT3 «раскачивают» два транзистора VT1 и VT2. Резистор
/^ограничивает ток заряда/разряда входной ёмкости транзистора VT3;
л) безрадиаторный узел управления мощным двигателем Ml. Питание 12 В подаётся на
двигатель через 8 полевых транзисторов, находящихся в сборках VT4...VT7. Их параллельное
включение снижает рассеиваемую мощность за счёт уменьшения суммарного сопротивления канала
в открытом состоянии. Это позволяет отказаться от радиаторов при токе через двигатель МІ до
10 А. Двухтактный каскад на транзисторах VT2, VT3 имеет низкое выходное сопротивление, что
ускоряет разряд ёмкостей «затвор—исток» транзисторов в сборках VT4... VT7; О

О Рис. 5.37. Схемы подключения электродвигателей через транзисторные ключи
(окончание):
м) опторазвязка мощного 10-амперного двигателя Ml, который управляется от одной линии
МК. Мощный двухтактный транзисторный выход в оптопаре VU1 позволяет обойтись без
дополнительных буферных транзисторов. Если требуется гальваническая развязка, то выводы 3 и
5 оптопары VU1 нужно разомкнуть. Для питания МК тогда придётся использоваться источник
автономного напряжения +5 В
5.6.2. Управление двигателями через мостовые схемы
Мостовые схемы управления электродвигателями (Рис. 5.38, а...е) позволяют
оперативно изменять полярность рабочего напряжения на обмотке, а
следовательно, и направление вращения вала.
С1 0.01
Рис. 5.38. Схемы подключения электродвигателей к МК через мостовые схемы
(начало):
а) мостовая схема с мощными коммутирующими ключами. МК генерирует противофазные
сигналы. Особенность — «автомобильное» напряжение питания ключей и применение
транзисторов Дарлингтона VT3... VT6, имеющих сверхбольшое усиление; О

Рис. 5.38. Схемы подключения электродвигателей через мостовые схемы (продолжение):
б) сигналы с выходов МК (ШИМ) генерируются в противофазе. Они могут подаваться
одновременно или поочерёдно, частота 200 Гц;
в) оптопары VU1...VU4 открывают мощные транзисторы, гальванической развязки нет;
г) гальваническая развязка, питание двигателя МІ от двух аккумуляторов NiCd, NiMH; О

О Рис. 5.38. Схемы подключения электродвигателей к МК через мостовые схемы
(окончание):
д) плавное изменение скорости вращения вала двигателя Ml. Оптопары VU1, VU2 не
обеспечивают гальваническую развязку, но могут это сделать при наличии автономного источника
питания для двигателя. В МК задействованы два противофазных канала ШИМ. Если изменить
их полярность на противоположную, то изменится и направление вращения вала двигателя;
е) механические контакты S1 и S2 размещаются на краях каретки, по которой, как на
салазках, «ездит» двигатель ML Они размыкаются тогда, когда двигатель Ml доходит по упора слева
или справа. В исходном положении оба контакта замкнуты, диоды VD1, VD2 закорочены, вал
двигателя Ml может вращаться в обе стороны (включаются пары транзисторов VT1, VT4 или
VT2, VT3). Как только будет достигнут край, один из контактов S1 или £2 размыкается, двигатель
автоматически останавливается. Теперь он может двигаться только в противоположную сторону,
поскольку будет открыт лишь один из диодов VD1 или VD2
5.6.3. Микросхемы управления двигателями
На Рис. 5.39, а...г показаны схемы подключения двигателей к МК через
интегральные микросхемы.

Рис. 5.39. Схемы подключения двигателей к МК через интегральные микросхемы:
а) на двигатель Ml подаётся напряжение, по форме близкое к сетевому переменному.
Частота переключения 50 Гц формируется от двух нижних выходов МК противофазными сигналами.
Синхронно с ними формируется квазитреугольное ступенчатое напряжение от ЦАП на
резисторах R1...R5 с периодом 20 мс. «Ступеньки» фильтруются элементами R6, С1, после чего
синусоидальное напряжение подаётся на вход VREFдрайвера DA1 для модуляции выхода по амплитуде;
б) логические элементы, входящие в микросхему DDI, позволяют регулировать скорость
вращения вала двигателя Ml через канал ШИМ. Противофазные сигналы с верхней и нижней
линий МК определяют направление вращения, которое индицируется светодиодами НЫ, HL2;
в) микросхема DA1 допускает подключение сразу двух двигателей к выходам OUT1, OUT2 и
OUT1, OUT3, но реально используется только один из них. Достоинство — пониженная нагрузка
на драйвер DA1, возможность использования микросхемы с частичным дефектом одного канала.
Недостаток — увеличение линий управления от МК с двух до трёх;
г) опторазвязка МК и двигателя Ml, управляемого от драйвера на микросхеме DA1. При
обоих НИЗКИХ уровнях на входах 5, 6 DA1 двигатель останавливается. При появлении
ВЫСОКОГО уровня на выводе 5 и НИЗКОМ уровне на выводе 6 его вал вращается в одну, а при смене
уровней на противоположные — в другую сторону. Скорость вращения определяется резистором
R4. Гальваническую изоляцию обеспечивают оптопары VU1, VU2. Ток через их светодиоды
ограничивается резистором R1

5.6.4. Шаговые двигатели
На Рис. 5.40, а...в приведены схемы подключения ШД к МК.
Рис. 5.40. Схемы подключения ШД к МК:
а) особенности схемы — оптоизоляция ШД Ml, разные питающие напряжения,
противофазные сигналы для управления верхней и нижней обмотками;
б) светодиоды HLL..HL4 индицируют подачу сигналов управления на ШД Ml через
микросхему DA 1 по входу, а светодиод HL5 — по выходу;
в) микросхема DA1 содержит внутри мощные ключи на полевых транзисторах и защитные
диоды. Ток на выходе 3 А, напряжение коммутации до 120 В

5.6.5. Серводвигатели
Рис. 5.41 Схемы подключения серводвигателей к МК:
а) управление трёхвыводным серводвигателем Ml через канал ШИМ;
б) на вход PWMсерводвигателя Ml подаются импульсы от канала ШИМ МК. Угол поворота
вала линейно зависит от длительности импульсов — при 1100 мкс двигатель останавливается
(поворот на 0 градусов), при 1900 мкс его вал поворачивается на 180 градусов. Оптопара VU1
обеспечивает гальваническую развязку, что снижает помехи по питанию от серводвигателя
Серводвигатели предназначены для формирования механических
перемещений высокой точности. Это сложные электромеханические устройства,
содержащие «в одном флаконе»: двигатель, датчик вращения и схему управления.
Существуют следующие разновидности серводвигателей [5-103]:
асинхронный серводвигатель;
синхронный серводвигатель;
серводвигатель постоянного тока;
синхронный реактивный серводвигатель.
В любительских конструкциях роботов, вертолётов, дронов, в моделях
автомобилей и кораблей используются, как правило, серводвигатели постоянного тока.
Внутри них находятся: электродвигатель, редуктор, датчик положения и плата
управления. На вал надевается так называемая качалка, к которой крепится
исполнительный механизм устройства. В отличие от ШД, вал серводвигателя
движется практически плавно, а не скачками.
На вход серводвигателя обычно подаётся ШИМ-сигнал с типовым периодом
20 мс. При длительности управляющего импульса 1 мс угол поворота качалки
составляет 0 градусов, при длительности 1.5 мс — 90 градусов, а при длительности
2 мс — 180 градусов. Это стандартизованные значения, но на практике временные
интервалы подбирают экспериментально в широких пределах, поскольку
линейная зависимость длительности импульса от угла поворота соблюдается не всегда.
Типовые параметры серводвигателя НХТ900 фирмы hexTronik: напряжение
питания 3...6 В, рабочая скорость 0.12 с на каждые 60 градусов поворота,
максимальный угол 180 градусов, усилие 1.6 кг-см, габариты 22x12x21 мм, масса 9.1 г.
На Рис. 5.41, а, б приведены схемы подключения серводвигателей к МК.

5.7. Генерация, модуляция, переключение сигналов
5.7.1. Формирование телевизионных сигналов
На Рис. 5.42 а...к показаны схемы формирования телевизионных сигналов.
Рис. 5.42. Схемы формирования телевизионных сигналов (начало):
а) формирование цветного телевизионного видеосигнала формата 3:3:2 (R:G:B, 256
оттенков). На канал «синего» отводится 2 бита (резисторы Л 7, R8), поскольку мелкие детали этого
цвета менее заметны. Синхроимпульсы Н генерируются программно. Видеокодер DA1
тактируется резонатором ZQ1 частотой 4.43 МГц (система PAL). Точная подстройка конденсатором С7;
б) упрощённый вариант формирования телевизионного сигнала системы NTSC на 8
цветовых оттенков — R, G, В, их смеси, а также чёрный фон и белое поле; О

Рис. 5.42. Схемы формирования телевизионных сигналов (продолжение):
в) формирование ПЦТС VIDEO с 16 градациями цветовых оттенков. Оттенки образуются
повышенной яркостью сигналов R, (7, В при ВЫСОКОМ уровне сигнала яркости Ус выхода МК.
Микросхема видеокодера DA1 тактируется частотой 4.433 МГц (система PAL) от линии МК или
от отдельного КМОП-генератора с питанием +5 В;
г) проект «UzeBox», позволяющий воспроизводить ретро-игры на экране телевизора при
помощи МК ATmegal64. Выходная часть содержит видеокодер DA1, формирующий композитный
видеосигнал COMPOSITE VIDEO и две составляющие сигнала S- VIDEO. Каждый из трёх каналов
R, G, В содержит ЦАП на матрице резисторов 2R. Разрядность красного R, зелёного G и синего В
полей выбрана в битах в пропорции 3:3:2 с учётом меньшей разрешающей способности синего
цвета. Тактовая частота МК составляет 28.63636 МГц, чтобы делением на 2 получить точный
сигнал 4FSC (4x3.579545 МГц) для телевизионного формата NTSC; О

О Рис. 5.42. Схемы формирования телевизионных сигналов (продолжение):
д) формирователь видеосигнала ПЦТС в минималистичном стиле, собранный на
высокоточных резисторах нелинейного ЦАП: RL..R3 (красный цвет), R4....R6 (зелёный цвет), R7, R8
(синий цвет), R9 (синхроимпульсы), R10 (нагрузка);
е) формирователь прозрачных надписей на экране телевизора. Кадровые и строчные
синхроимпульсы выделяются микросхемой DA1 (вход через конденсатор С/, выходы VSync и CSync).
Во время ВЫСОКОГО уровня на выходе МК амплитуда видеосигнала, а следовательно, и
яркость изображения немного увеличиваются. Дополнительный ток протекает через резистор R1 и
далее в нагрузку 75 Ом, находящуюся в телевизоре. Выставляя ВЫСОКИЕ уровни на выходе МК
с точной задержкой времени относительно синхроимпульсов, можно сформировать на экране
телевизора требуемую прозрачную надпись из кубиков, фоновый пейзаж, орнамент и т.д.;
ж) для генерации мелкой псевдографики в формате «320 строк, 50 кадров в секунду»
используется канал SPI МК ATmegal63. Микросхема DDI устраняет «иголки» в видеосигнале и
«тянучки» на элементах изображения;
з) два МК в видеоигровой системе выполняют следующие функции: МК(1) — формирование
синхросигналов и спрайтов персонажей, МК(2) — генерация фоновой картинки с пейзажем,
лестницами, препятствиями. Передача информации между двумя МК осуществляется через
канал UART по цепям TxD, RxD. Суммирование сигналов производится логическим элементом
DDI и резисторами RI, R2. Выходной сигнал VIDEO подаётся на видеовход телевизора; О

О Рис. 5.42. Схемы формирования телевизионных сигналов (окончание):
и) формирователь видеосигналов формата YCrCb (8 цветовых оттенков). Суммирование и
вычитание уровней выполняется на высокоточных резисторах R1...R3, R7...R9, подключённых
к инвертирующим и неинвертирующим входам ОУ DA1.1, DA1.2. Сигнал яркости Y-Out и цве-
торазностные сигналы Cr-Out, Cb-Out получаются из сигналов красного (R), зелёного (G) и
синего (В) цвета по формулам: Y-Out = 0.299Л + 0.587-С? + 0.114\0; Сг = 0.5-R - 0.419(7- 0.081-Я;
СЬ = — 0.169І? — 0.331С? + 0.5В. Для получения полного сигнала яркости Y-Out в смесь
добавляются строчные и кадровые импульсы Syn через резистор R11. Нестандартные сопротивления
резисторов получаются их последовательным или параллельным соединением;
к) аналогично Рис. 5.42, и, но с двумя битами на каждый сигнал RGB, т.е. каждому цвету
назначается не один, а два отдельных выхода МК. Итого на изображении формируются 64
цветовых оттенка вместо восьми

5.7.2. Коммутация сигналов с участием МК
На Рис. 5.43 а, б показаны схемы коммутации сигналов с участием МК.
Рис. 5.43. Схемы коммутации сигналов с участием МК:
а) имеется двухканальный УНЧ с разъёмом для подключения стереонаушников. Между
выходом УНЧ (цепи Vin left/right) и стереонаушниками (цепи Vout left/right) включается коммутатор
сигналов на оптопарах VU1, VU2. Чтобы подать звук в наушники, достаточно выставить
ВЫСОКИЙ уровень на выходе МК. Отключаются наушники НИЗКИМ уровнем с выхода МК;
б) движковыми переключателями S1.1...S8.8 программируется порядок
включения/отключения нагрузок OUTPUTS иг. выходе микросхемы DA1. Управление от МК восьмиканальное, при
этом лишь на одной из 8 линий МК может быть одномоментно выставлен ВЫСОКИЙ уровень,
остальные линии переводятся в Z-состояние. Пример. Переключатели S2.1...S2.4 замкнуты,
S2.5...S2.8 разомкнуты. При установке ВЫСОКОГО уровня на второй сверху линии МК будут
активированы нагрузки OUTPUTS по выводам 15... 18 микросхемы DA1 и деактивированы
нагрузки по выводам 11...14. Активация подразумевает подключение к общему проводу,
деактивация — обрыв с открытым коллектором. Преимущество способа — быстрота
перепрограммирования режимов и мнемоническая наглядность управления

5.7.3. Подключение ЭРИ к внешнему тракту
На Рис. 5.44, а...г показаны схемы подключения ЭРИ к внешнему тракту.
Рис. 5.44. Схемы подключения ЭРИ к внешнему тракту:
а) частотная характеристика усилителя на транзисторах VT2, VT3, определяется ёмкостью
конденсаторов С/, С2. Последний из них подключается через транзистор VT1. Поскольку на
истоке транзистора VT1 уже присутствует напряжение около 0.7 В (напряжение «база—эмиттер»
транзистора VT2), то для его отпирания достаточно подать ВЫСОКИЙ уровень с выхода МК;
б) микросхема LM1036 не имеет режима MUTE для оперативного включения/отключения
звука. Если добавить в схему транзистор VT1 и токоограничивающий резистор R1, то от
внешнего МК можно подавать сигналы ВЫСОКОГО/НИЗКОГО уровня и быстро включать/отключать
звук. Полезная схема для доработки старых конструкций;
в) введение функции MUTE (отключение звука) в тракт любого УНЧ. ВЫСОКИМ уровнем с
выхода МК открывается транзистор VT1, который шунтирует регулятор громкости R3\
г) регулируемый источник отрицательного напряжения—Vout. Транзисторы
VT1...VT3управляют ключами VT4...VT6, которые изменяют суммарное сопротивление цепочки резисторов
R11...R13, а значит, и напряжение —Vout. Исходное значение -Vout выставляется резистором R7

5.7.4. Генерация сигналов
На Рис. 5.45, а...е показаны схемы генерации сигналов с помощью МК.
Рис. 5.45. Схемы генерации сигналов с помощью МК (начало):
а) переключение частоты генератора 165/830 кГц, собранного на триггере Шмитта DDI Л,
производится изменением ёмкости варикапа VD1. Если на выходе МК генерируются импульсы,
то выходной сигнал будет проманипулирован по частоте. Резистор R2 подстраивает диапазон;
б) передача цифровых сигналов на длинные расстояния по коаксиальному кабелю с
волновым сопротивлением 75 Ом. Элементы DDL 7, DDL2 восстанавливают форму сигнала;
в) гальванически изолированная передача ВЧ-сигналов (до мегагерцев). Трёхвыводной
стабилитрон VD1 поднимает постоянную составляющую на входе элемента DDI до уровня 2.5 В,
чтобы войти в зону устойчивого переключения. Резистор R2 задаёт ток 2.5 мА через стабилитрон
VDL Резисторы Rl, R3 устраняют «звон» на фронтах сигналов. Конденсатор С1 —
разделительный, С2 — конденсатор фильтра. Импульсный трансформатор 77 наматывается на ферритовом
кольце 12.7x7.1x4.8 мм и содержит две обмотки по 19 витков провода ПЭВ-0.4 в каждой; О

Рис. 5.45. Схемы генерации сигналов с помощью МК (окончание):
г) генератор «синуса» с частотой 40 кГц. МК выставляет на выходах последовательно во
времени следующие комбинации логических уровней: ООО, 001,011,111,111,011, 001,000. Сигналы
с трёх каналов суммируются на резисторах RL..R3 и проходят через ФНЧ на элементах С/, I/,
С2. Выходной сигнал почти не отличается от синусоиды, но для этого частота смены кодов на
выходах МК должна быть в 8 раз выше выходной частоты синусоидального сигнала, т.е. как
минимум 320 кГц;
д) расширение длительности импульса Vout осуществляется элементами R2, С1. Передний
фронт сигнала почти не задерживается, поскольку конденсатор С/ быстро заряжается через диод
VD1. Резистор R1 ограничивает ток заряда конденсатора С/. Устройство может использоваться
для индикации наличия коротких импульсов на выходе МК или выделения огибающей пачек
импульсов;
е) аналогично Рис. 5.45, а, но с кварцевым генератором на инверторе DD1.2, более узким
сдвигом частоты и с диодом VD1 вместо варикапа. Параллельно включённые кварцевые
резонаторы ZQ1, ZQ2 расширяют диапазон сдвига (манипуляции) на основной частоте 10.645 МГц.
Диод VD1 подключает/отключает конденсатор С1 от общего провода, смещая частоту на 800 Гц.
Помехи по питанию снижает ВЧ-фильтр Z,/, который содержит один бифилярный виток,
пропущенный через ферритовую трубку. Элемент DD1.3 служит усилителем мощности и работает на
низкоомную нагрузку 75 Ом. Это позволяет обойтись без отдельной передающей антенны.
Сигнал принимается на рядом расположенный УКВ-FM радиоприёмник, настроенный на восьмую
гармонику сигнала 10.645 МГц в диапазоне 84...85 МГц. В динамике должен слышаться звук с
частотой 800 Гц. Громкость (глубина модуляции) регулируется конденсатором С/

5.8. Силовая электроника
5.8.1. Элементы Пельтье
Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь, принцип
действия которого базируется на эффекте возникновения разности температур при
протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье
обозначаются ТЕС (от англ. ThermoElectric Cooler — термоэлектрический
охладитель).
На Рис. 5.46, а, б показаны схемы подключения элементов Пельтье к МК.
Рис. 5.46. Схемы подключения элементов Пельтье к МК:
а) мостовая схема для управления мощной нагрузкой в виде элемента Пельтье (ЕК1).
Катушки Ы, L2 снижают пульсации. Их индуктивность обратно пропорциональна частоте ШИМ с
нижних выходов МК (10...500 кГц). Смена полярности (нагрев/охлаждение) производится
уровнями на верхних выходах МК, при этом ШИМ-сигналы надо временно отключить;
б) необычное применение драйвера двигателя DAL Противофазными уровнями с выходов
МК можно изменять полярность напряжения на элементе Пельтье ЕК1. Соответственно,
система будет переходить в режим охлаждения (светится НЫ) или нагревания (светится HL2)

5.8.2. Механические реле общего применения
На Рис. 5.47, а...д показаны схемы подключения механических реле к МК.
Рис. 5.47. Схемы подключения механических реле общего назначения к МК:
а) ВЫСОКИМ уровнем с выхода МК одновременно включается реле К1 и открывается
транзистор VT1. При НИЗКОМ уровне на выходе МК транзистор VT1 закрывается обратным
напряжением + 12 В, поступающим на его затвор через обмотку реле. Такой режим работы для
транзистора VT1 является допустимым, т.к. он выдерживает напряжение «затвор—исток» до 20 В;
б) диод VD1 защищает МК от всплесков напряжения, а диод VD2 демпфирует колебания и
снижает помехи по «земле». Элементы Rl, Cl> RV1 уменьшают «искровые разряды». Их
рекомендуется ставить для защиты контактов от «обгорання» и в других релейных схемах;
в) при «просадках» или медленном снижении напряжения 12 В реле К1 будет автоматически
выключено стабилитроном VD1. Порог срабатывания зависит от отношения резисторов R2, R3;
г) транзистор VT1 включён по схеме эмиттерного повторителя. Из-за этого на реле К1
подаётся напряжение не 5 В, а примерно на 0.8... 1.3 В меньше;
д) при включении реле К1 возникает ЭДС самоиндукции, приводящая к большим выбросам
напряжения, способным пробить транзистор VT1. Для его защиты параллельно обмотке реле
обычно ставят диод VD1 в обратном включении, но это снижает быстродействие. Пример. Без
диода время срабатывания 1.2 мс, напряжение выброса 500 В, с диодом — 7.2 мс, напряжение
выброса 0.7 В. Если ввести стабилитрон VD2 с пороговым напряжением, примерно в 2 раза
большим, чем напряжение срабатывания реле, то время уменьшится до 3.5 мс, а амплитуда выброса
увеличится, но всего лишь до 30 В. Налицо компромисс интересов. Транзистор VT1 надо
выбирать с достаточным запасом по обратному напряжению между коллектором и эмиттером

5.9. Прочие схемы узлов вывода
На Рис. 5.48, а...п показаны прочие схемы узлов вывода МК, в том числе
нестандартные, необычные и не поместившиеся в свои прдразделы.
Рис. 5.48. Прочие схемы узлов вывода (начало):
а) резисторы RL..R7 в подобных схемах обычно не ставят, поскольку внутри микросхемы
DA1 по входам 1...7 уже имеются свои ограничивающие резисторы сопротивлением 2.7 кОм. Но
резисторы Rl...R7снижают входной ток DA1, что в сумме составляет экономию примерно 7 мА;
б) ВЫСОКИМ/НИЗКИМ уровнем на выходе МК включается/отключается нагрузка Rw,
которая питается от микросхемы стабилизатора напряжения DA1. Выходное напряжение +4 В
регулируется резистором R2. Конденсатор С1 устраняет самовозбуждение микросхемы DA1.
Достоинство — стабильное напряжение в нагрузке при токе до 3 А. Недостаток — не самое высокое
быстродействие включения/отключения из-за конденсатора С1\
в) схема замещения неисправной выходной линии МК. Пусть, например, сигнал Scan2 в
цепочке «бегущий нуль» исчез из-за неисправности средней линии порта МК. Восстановить его
местоположение на временной оси можно сигналами Scan! (предыдущий) и Scan3
(последующий). Для этого физически отрезается проводник от средней линии МК, а вместо него в схему
добавляется RS-триггер на транзисторах VT1, VT2 и логический элемент 2ИЛИ-НЕ на
транзисторе VT3 и диоде VD3. Диоды VD1, VD2 запирают транзисторы в нужные моменты времени; О

О Рис. 5.48. Прочие схемы узлов вывода (продолжение):
г) имитация контуров семисегментного индикатора при помощи 13 светодиодов НЫ...НЫЗ,
конструктивно расположенных матрицей 3x5 (на рисунке справа). Индикаторы HL11...HL13
светятся постоянно (хотя могут быть подключены и к дополнительным линиям МК).
Индикаторы НЫ, HL3, HL5— вспомогательные. Они загораются совместно с «семисегментными»
светодиодами «A»...«G» (HL2, HL4, HL6...HL8, HL9, НЫО) для визуального улучшения картинки по
образцу: HL1+HL2+HL6, HL3+HL2+HL4, HL5+HL8. Резисторы R1...R12 определяют яркость
свечения;
д) лицо «человечка» с оригинальной мимикой может получиться из трёх однотипных
семисегментных индикаторов HG1...HG3, расположенных на разной высоте. Если подключить
указанные на схеме сегменты индикаторов к МК и добавить в схему фоторезистор к входу АЦП,
то можно заставить «человечка» улыбаться, плакать, зажмуриваться и подмаргивать, заслоняя
фоторезистор от света рукой;
е) повышение громкости звучания пьезогенератора (по-другому, бузера) BF1 производится
установкой НИЗКОГО уровня на выходе МК, имеющего открытый сток. Нижние линии МК
запараллелены, поскольку ток бузера на частоте 2400 Гц составляет 33...40 мА. Диод VD1 снижает
помехи. Резистор R2 может отсутствовать; О

О Рис. 5.48. Прочие схемы узлов вывода (продолжение):
ж) формирователь высоковольтного напряжения для электролюминесцентной подсветки
ЖК-модулей (аналог EL-панели). Транзистор VT1 совместно с дросселем L1, диодами VD1, VD2
и конденсаторами фильтра С2...С4 образует DC/DC-преобразователь, который осуществляет
умножение напряжения до 100 В. Транзистор VT2 служит ключом, который формирует
переменное напряжение с частотой 150 Гц. Это необходимо для нормальной работы EL-панели;
з) микрофон ВМ1 включается в работу НИЗКИМ уровнем с выхода МК, при этом на него
подаётся питание через резисторы R1...R3. Звуковые сигналы с микрофона Vout поступают на
дифференциальный усилитель внешнего устройства. ВЫСОКИМ уровнем с выхода МК
микрофон отключается, при этом логический сигнал на линии ON/OFF может служить индикатором
смены режима, соответственно, включения/отключения микрофона;
и) МК генерирует пачки импульсов с частотой заполнения 40 кГц. Ультразвуковой пьезоиз-
лучатель BQ1 работает на передачу и приём (Vin). Дальность до 10... 15 м. Транзисторы VT1, VT2
надо подобрать с одинаковыми п21э. Напряжение питания может быть увеличено до 40 В;
к) на выходах МК формируется «бегущая единица», которая по очереди активизирует
нагрузки в гальванически развязанных каналах, управляемых через оптопары VUl...VUn.
Сопротивление резистора R1 подбирается так, чтобы через светодиод любой из оптопар протекал ток,
достаточный для управления любой внешней удалённой нагрузкой; О

© Рис. 5.48. Прочие схемы узлов вывода (продолжение):
л) сопротивление фоторезистора R4 изменяется в зависимости от светового потока,
создаваемого светодиодом НЫ. Таким способом увеличивается/уменьшается усиление узла на ОУ
DA1.2. ШИМ-сигнал с нижнего выхода М К должен иметь частоту гораздо выше 20 кГц, чтобы не
попадать в диапазон слышимого звука. Или, наоборот, если сигнал модуляции будет в звуковом
диапазоне частот, это приведёт к тембровым искажениям, которые могут быть желательными,
например, в приставках к электрогитарам;
м) относительно высоковольтный источник регулируемого напряжения 0...+10 В можно
выполнить, используя ключ на транзисторе КГ/, выпрямитель на диоде VD1 и конденсатор фильтра
С/. Канал ШИМ позволяет плавно регулировать выходное напряжение Vout. Диод VD1 не дает
разряжаться конденсатору С/ через открытый транзистор К77;
н) увеличение амплитуды (а значит, и громкости) сигнала пьезоизлучателя HAL
Используется мостовая схема и повышенное питание +15 В. Транзисторы КГ/, VT2 должны иметь низкий
порог включения по затвору;
о) аналогично Рис. 5.48, н, но с управлением от одной линии МК. Оборотная сторона
медали — вводятся резисторы /?/, R2, которые повышают расход тока во время включённого
состояния транзистора VT1; О

О Рис. 5.48. Прочие схемы узлов вывода (окончание):
п) повышение до 10... 11 В амплитуды напряжения на «пьезопищалке» НА1. Это позволяет
увеличить громкость звучания при низком напряжении питания. Частота импульсов меандра с
выхода МК составляет 1.5...5 кГц

Список использованных источников и литературы к главе 5
5-1. [Электронный ресурс] / 2007. — Режим доступа: http://www.kansai-event.com/
kinomayoi/koneta/cycle3.html (яп.). — 07.01.2016.
5-2. No. 21 LED [Электронный ресурс] / 2008. — Режим доступа: http://homepage2.mfty.
com/denshiken/AVR02l.html (яп.). — 07.01.2016.
5-3. Roulette for MC9RS08KA2 [Электронный ресурс] / «noritan.org», 2006. — Режим
доступа: http://room.noritan.org/hc08/FirstRS08/manual.html (яп.). — 07.01.2016.
5-4. Zuinige LCD-Interface [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа:
http://prosje.be/Projects/LCD-Interface.html (нидерл.). — 07.01.2016.
5-5. LED [Электронный ресурс] / «RUU», 2007. — Режим доступа: http://www.mars.dti.
ne.jp/~ogura/e_hobby/led_lantern.html (яп.). — 07.01.2016.
5-6. Easyloc [Электронный ресурс] / Klaus Н. Hirschelmann, 2008. — Режим доступа: http://
www.kh-gps.de/easyloc.htm (нем.). — 07.01.2016.
5-7. 2 series LEDs driven by PIC10F200 with 2NiH battery as 2.6V [Электронный ресурс] /
«Nobcha», 2010. — Режим доступа: http://d.hatena.ne.jp/nobcha23/20100314/
1268569345 (яп.). - 07.01.2016.
5-8. Murata Protects LED Lighting Devices from Overheating [Электронный ресурс] / Kazuto
Miyagawa, AEI, August 2010. — Режим доступа: https://www.elementl4.com/community/
servlet/JiveServlet/previewBody/24253-102-4-179846/ta 1062.pdf (англ.). — 07.01.2016.
5-9. Зихла, Ф. ЖКИ, светоизлучающие и лазерные диоды: схемы и готовые решения /
Франк Зихла (пер. с нем. В. Букирев). — СПб. : БХВ-Петербург, 2012. — 317 с. —
ISBN 978-5-9775-0816-2.
5-10. 78К0 [Электронный ресурс] / 2013. — Режим доступа: http://plaza.rakuten.co.jp/
zwitterion/4005 (яп.). — 07.01.2016.
5-11. [Электронный ресурс] / 2008. — Режим доступа: http://minkara.carview.co.jp/userid/
230785/car/134766/412236/note.aspx (яп.). - 07.01.20.16.
5-12. Яковлев, Е. Переключатели для гирлянд светодиодов / Евгений Яковлев // Радио-
аматор. — 2014. — № 2. — С. 35.
5-13. SCT2024 16xLED Treiber Demo Board [Электронный ресурс] / Ulrich Radig, 2011. —
Режим доступа: http://www.ulrichradig.de/home/index.php/projekte/16x-led-treiber
(нем.).-07.01.2016.
5-14. Selecteur 002 (Schema 002с) [Электронный ресурс] / Remy Mallard, 2011. — Режим
доступа: http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_selecteur_002.html
(фран.).-07.01.2016.
5-15. [Электронный ресурс] / 2013. — Режим доступа: http://www.ni.bekkoame.ne.jp/sogawa/
html/auction/sm_remo.html (яп.). — 07.01.2016.
5-16. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ni.bekkoame.ne.jp/sogawa/html/
auction/level.html (яп.). — 07.01.2016.
5-17. Бегущая строка на AT90S2313 [Электронный ресурс] / Pavel Sirotkin, 2004. — Режим
доступа: http://pol-sem.narod.ru/runrow/rr.htm. — 07.01.2016.
5-18. Светодиодная матрица — МОДЖЕТ (антигаджет) [Электронный ресурс] /
Василий Рубашка (Radan), 2011. — Режим доступа: http://cxem.net/mc/mc61.php. —
07.01.2016.
5-19. SC4. 8x8 LED Dot Matrix Addon Card for Southern Cross I & II [Электронный
ресурс] / Peter Crowcroft & Ladda, 2002. — Режим доступа: http://www.kitsrus.com/pdf/
sc4.pdf (англ.). - 07.01.2016.
5-20. Tengu [Электронный ресурс] / «SolidAlliance Station*. — Режим доступа: http://articles.
solidalliance.com/2000/01/01/690 (яп.). - 07.01.2016.

5-21. 64 pixels How To [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://tinkerlog.com/
howto/64pixels/ (англ.). — 07.01.2016.
5-22. Новиков, О. Охранный концентратор на контроллере / Олег Новиков //
Радиоаматор. - 2013. - № 12. - С. 31-34.
5-23. Honda Fit (GDI) [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://www.yuki-lab.
jp/hw/fit-roomlamp/index.html (яп.). — 07.01.2016.
5-24. [Электронный ресурс] / «пака», 2011. — Режим доступа: http://www.asahi-net.or.jp/
~rn8t-nkmr/family/pic/cp/index.html (яп.). — 07.01.2016.
5-25. ЕСЕ 4760 Final Project: Taiko Trainer [Электронный ресурс] / Adam Jelfo, Gabriel Soares,
Lucas Nissenbaum, Adam Harris, 2012. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/
land/courses/ece4760/FinalProjects/f2012/asj42_gs368_ln226_awh49/asj42_gs368_ln226_
awh49/index.html (англ.). — 07.01.2016.
5-26. Travomer 10. Mini-Travomer — navod pro netrpelive [Электронный ресурс] / Petr Kubace,
2012. — Режим доступа: http://petr-kubac.blog.cz/1204/travomer-10-mini-travomer-
navod-pro-netrpelive (чеш.). — 07.01.2016.
5-27. [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://ameblo.jp/ledeco/entry-
11010846556.html (яп.). - 07.01.2016.
5-28. РІС 59 [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://mkl502.web.fc2.com/
pic/pic_59.htm (яп.). — 07.01.2016.
5-29. РІС 65 [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://mkl502.web.fc2.com/
pic/pic_65.htm (яп.). — 07.01.2016.
5-30. 4-digit display made from minimal parts [Электронный ресурс] / Nick Gammon, 2012. —
Режим доступа: http://www.gammon.com.au/forum/?id=11524 (англ.). — 07.01.2016.
5-31. Plawsiuk, К. Dwukolorowy wyswietlacz z Interfeisem szeregowym AVT-5121 / Krzysztof
Plawsiuk// Elektronika Praktyczna. — 2008. — № 1. — S. 21—24.
5-32. 3x7 Segment und 1 I/O-Pin (Assembler) [Электронный ресурс] / «Ibsimedl», 2007. —
Режим доступа: http://www.mikrocontroller.net/topic/87149#new (нем.). — 07.01.2016.
5-33. Binary DCF-77 Clock [Электронный ресурс] / Ronald Schaten, 2006. — Режим
доступа: http://www.schatenseite.de/2007Z0l/03/binary-dcf-77-clock/?L=2 (нем.). —
07.01.2016.
5-34. [Электронный ресурс] / 2000...2004. — Режим доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/
~ogura/e_hobby/bbspeed.html (яп.). — 07.01.2016.
5-35. [Электронный ресурс] / «пака», 2010. — Режим доступа: http://www.asahi-net.or.jp/
-RN8T-NKMR/family/pic/roman-clock/index.html (яп.). - 07.01.2016.
5-36. Рюмик, С. М.У.З. OLED-индикатор / Сергей Рюмик // Радиохобби. — 2013. —
№ 1.-С. 46-47.
5-37. Рюмик, С. М.У.З. «Военная тайна» четырёхстрочного OLED / Сергей Рюмик //
Радиохобби. — 2013. — № 2. — С. 44—45.
5-38. Hibbett, М. OLED Graphics Display / Mike Hibbett // Everyday Practical Electronics. —
2008. - № 12. - P. 54-56.
5-39. Sander, K. Oszilloskop mit OLED-Display / Klaus Sander // Funkamateur. — 2007. —
№ 11.-P. 1195-1197.
5-40. Белоусов, О. Охранная система из лазерной указки / Олег Белоусов // Радиомир. —
2004. - № 9. - С. 38-40.
5-41. Дайджест зарубежной периодики. Телефон на лазерной указке // Радиохобби. —
2003.-№5.-С. 16.
5-42. Кузнецов, А. Помехоустойчивые устройства / Алексей Кузнецов // Схемотехника. —
2004. - № 8. - С. 18-20 ; - № 9. - С. 22-24.

5-43. Долгий, А. Быстродействующая оптронная развязка / Александр Долгий // Радио. —
2005. - № 3. - С. 26-27.
5-44. Кацнельсон, Б. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы:
справочник / Б. В. Кацнельсон, А. М. Калугин и др. — М.: Радио и связь. — 1985. — 864 с.
5-45. Nixie Tube Clock [Электронный ресурс] / S. Shibuichi, 2005. — Режим доступа: http://
www.asahi-net.or.jp/~gt6s-sbic/electro/nixie_l/nixie_clock.htm (яп.). — 07.01.2016.
5-46. [Электронный ресурс] / «RUU», 2008. — Режим доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/
~ogura/e_hobby/nixie_clock.html (яп.). — 07.01.2016.
5-47. Csaszar, P. Nixie Tube Propeller Clock / Peter Csaszar // Circuit Cellar. — 2007. — № 2. —
P. 40-45.
5-48. VFD [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.wa.commufa.jp/~fanduino/
AVR-FanconRev4%2B5/VFDmonitor.html (яп.). — 07.01.2016.
5-49. [Электронный ресурс] / «RUU», 2006. — Режим доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/
~ogura/e_hobby/dekatron.html (яп.). — 07.01.2016.
5-50. Згурский В. Элементы индикации: справочник / В. С. Згурский, Б. Л. Лисицын. —
М.: Энергия, 1980. — 304 с.: ил.
5-51. Нецелевое использование декатронов [Электронный ресурс] / «woddy», 2014. —
Режим доступа: http://we.easyelectronics.ru/woddy/necelevoe-ispolzovanie-dekatronov.
html.-07.01.2016.
5-52. TRON [Электронный ресурс] / «RNA», 2002. — Режим доступа: http://homepage3.nifty.
com/msg-rna/dtron/index.html (яп.). — 07.01.2016.
5-53. SEG-LCD [Электронный ресурс] / Takara Jujurou, 2007. — Режим доступа: http://www.
geocities.jp/chako_ratta/micon/seg_lcd_clock.html (яп.). — 07.01.2016.
5-54. Управляем индикатором TIC по одному проводу [Электронный ресурс] / «dak»,
2012. — Режим доступа: http://www.ekits.ru/bb/viewtopic.php?t=627&p=2617#p3589. —
07.01.2016.
5-55. Рюмик, С. Микроконтроллеры STM. Барьер 9 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2012.-№ 12.-С.46-50.
5-56. MSP430 LaunchPad ve 74hc595 LCD [Электронный ресурс] / Muhammed Fatih Inane,
2011. — Режим доступа: http://www.mcu-turkey.com/msp430-launchpad-ve-74hc595-
lcd/(турец.). - 07.01.2015.
5-57. Universal HAM radio/generator DDS Unit with AD9850 or AD9851 [Электронный
ресурс] / Peter Halicky, 2004. — Режим доступа: http://www.qsl.net/om3cph/dds/dds_ham2.
html (англ.).-07.01.2016.
5-58. PIC16F1823 [Электронныйресурс] /«air_variable», 2011. — Режимдоступа: http://www.
ne.jp/asahi/air/variable/picmel/applications/lcd_serial/index.html (яп.). — 07.01.2016.
5-59. Кравченко, А. Шина І2С для 2-строчных дисплеев LCD и OLED с контроллером
HD44780 / Алексей Кравченко // Радиоаматор. — 2015. — № 1. — С. 44—46.
5-60. Kontrast fur HD44780 LCD Displays per Software (PWM) regeln [Электронный
ресурс] / «krumeltee», 2011. — Режим доступа: https://krumeltee.wordpress.com/2011/08/
27/kontrast-fur-hd44780-lcd-displays-per-software-pwm-regeln/ (нем.). — 07.01.2015.
5-61. Bezuinigen op pinnen [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа:
http://prosje.be/Projects/BezuinigenOpPinnen.html (нидерл.). — 07.01.2016.
5-62. Smart Switch [Электронный ресурс] / NKK Switches, 2015. — Режим доступа: https://
www.nkkswitches.com/pdf/smartswitch.pdf (англ.). — 07.01.2016.
5-63. RGB [Электронный ресурс] / «gokan», 2010. — Режим доступа: http://www.picfun.
com/dsPIC33/dspic33fD5.html (яп.), http://www.picfun.com/LCDBook/NTSC4/Board/
NTSC2_SCH.pdf (англ.). - 07.01.2016.

5-64. [Электронный ресурс] / 2009. — Режим доступа: http://www.geocities.jp/ii2duck/
personal/image/07/s074702.jpg (англ.). — 07.01.2016.
5-65. Japanino Maruduino [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://hamayan.
blog.so-net.ne.jp/2010-05-19-l (яп.). - 07.01.2016.
5-66. Тинкован, С. Музыкальный звонок на микроконтроллере / Сергей Тинкован //
Радиоаматор. — 2012. — № 6. — С. 18—19.
5-67. Petits amplificateurs BF pour signaux «logiques» [Электронный ресурс] / Remy Mallard,
2008...2015. — Режим доступа: http://www.sonelec-musique.com/electronique_bases_
amplis_bf_mini.html (фран.). — 07.01.2016.
5-68. Усилитель класса D на ATtinyl5L [Электронный ресурс] / Юрий Супрун, 2010. —
Режим доступа: http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=64041. — 07.01.2016.
5-69. [Электронный ресурс] /2011. — Режим доступа: http://www.go-gddq.com/html/
sl004/2011-12/852289.htm (кит.). - 07.01.2016.
5-70. [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://plaza.rakuten.co.jp/pasic/diary/
201103250000/(яп.). -07.01.2016.
5-71. Рюмик, С. Разработки турецких радиолюбителей / Сергей Рюмик // Радио. — 2013. —
№ 3. - С. 22-23.
5-72. ЕСЕ 4760 Final Project: Multi-functional Music Box [Электронный ресурс] / Sangchen
Ni, Zexi Hong, Haotian Wu, 2012. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/
courses/ece4760/FinalProjects/f2012/sn464_zh232_hw465/sn464_zh232_hw465/
webpage.html (англ.). — 07.01.2016.
5-73. Simple Theremin controlled by a photoresistor [Электронный ресурс] / Vincent Leclerc,
2006...2015. — Режим доступа: http://uttermatter.com/bs2/EX_Theremin.php (англ.). —
07.01.2016.
5-74. AVR mod player [Электронный ресурс] / «Thomas», 2008...2015. — Режим доступа:
http://www.madwizard.org/electronics/projects/modplayer (англ.). — 07.01.2016.
5-75. Рюмик, С. Разработки японских радиолюбителей (дизайн и технология) / Сергей
Рюмик// Радио. - 2011. - № 9. - С. 37-38.
5-76. Рюмик, С. Интеллектуальный автоинформатор на базе GSM-модуля / Сергей
Рюмик // Радиохобби. — 2011. — № 6. — С. 51—55.
5-77. 200 MHz [Электронный ресурс] / 2009...2013. — Режим доступа: http://www.mars.dti.
ne.jp/~m7030/pic_room/dds/index.html (яп.). — 07.01.2016.
5-78. MIDI-IF for Monotron [Электронный ресурс] / «Beatnic.jp», 2010. — Режим доступа:
http://beatnic.jp/manuals/monotron-midi/img2/mono++midi-schemV2.png (англ.). —
07.01.2016.
5-79. Triti's Elektronik-Bastelseite [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://
bastelmolch.ba.funpic.de/verschiedenes.htm (нем.). — 28.12.2012.
5-80. Belastingen schakelen [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа:
http://prosje.be/Projects/BelastingSchakelen.html (нидерл.). — 07.01.2016.
5-81. PICCAWR1TER [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://qhodo.at.webry.
info/201109/article_6.html (яп.). - 07.01.2016.
5-82. Kincaid, R. Video Switch (Q&A) / Russell Kincaid // Nuts & Volts. — 2010. — № 8. -
P. 22-24.
5-83. Дайджест зарубежной периодики. Оптроны Silonex серии Audiohm // Радиохобби. —
2004.-№5.-С. 12.
5-84. [Электронный ресурс] / 2002. — Режим доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/~ogura/e_
hobby/spcon.html (яп.). — 07.01.2016.

5-85. [Электронный ресурс] / 2009...2013. — Режим доступа: http://www.dz3w.com/sch/
driver/32.html (кит.). - 07.01.2016.
5-86. PWM ile DC motor hiz kontrolu [Электронный ресурс] / Nazim Yildiz, 2011. — Режим
доступа: http://www.mcu-turkey.com/pwm-ile-dc-motor-hiz-kontrolu/ (турец.). —
07.01.2016.
5-87. HarmO [Электронный ресурс] / Godfried-Willem Raes, 2009...2010. — Режим доступа:
http://www.logosfoundation.Org/instrum_gwr/harmo.html#Tech-Specs (англ.). —
07.01.2016.
5-88. Вращаем мотор убитого жёсткого диска [Электронный ресурс] / «Степан Палыч»,
2012. - Режим доступа: https://www.drive2.ru/b/288230376152350272/. - 07.01.2016.
5-89. [Электронный ресурс] / 2007...2011. — Режим доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/
~m7030/pic_room/inverter/index.html (яп.). — 07.01.2016.
5-90. PWM-Mosfet Surucu Devre [Электронный ресурс] / Ferudun Gokcegoz, 2011. —
Режим доступа: http://www.mcu-turkey.com/pwm-mosfet-surucu-devre/ (турец.). —
07.01.2016.
5-91. [Электронный ресурс] / 2009. — Режим доступа: http://iizukakuromaguro.web.fc2.com/
139_autocutAMP2/139_autocutAMP2.html (яп.). — 07.01.2016.
5-92. PIC12F683 ile 10 Amper PWM Motor Kontrol Devresi [Электронный ресурс] / «Mu-
cit23», 2011. — Режим доступа: http://320volt.com/picl2f683-ile-10-amper-pwm-motor-
kontrol-devresi/ (турец.). — 07.01.2016.
5-93. PWM [Электронный ресурс] / 2009. — Режим доступа: http://www.geocities.jp/k_otani3/
working/working_l6.html (яп.). — 07.01.2016.
5-94. [Электронный ресурс] / «RUU», 2002. — Режим доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/
~ogura/e_hobby/raji_can.html (яп.). — 07.01.2016.
5-95. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.hi-ho.ne.jp/mono/bstamp/
bstamp0.htm (яп.). — 07.01.2016.
5-96. Flipflops bedienen met een of meer druktoetsen [Электронный ресурс] / Pros Robaer,
2014. — Режим доступа: http://prosje.be/Projects/FFToets.html (нидерл.). —
07.01.2016.
5-97. [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://www.kansai-event.com/
kinomayoi/post_denki_2010A.html, http://www.kansai-event.com/kinomayoi/img_D/D_
img_20100426_0l_L.gif (яп.). - 07.01.2016.
5-98. USB [Электронный ресурс] / «yoshitsune», 2006. — Режим доступа: http://teramotok.
web.fc2.com/usb_io/usbio_pwml.html (яп.). — 07.01.2016.
5-99. [Электронный ресурс] / 2005. — Режим доступа: http://www.geocities.jp/kuman2600/
m9jikken.html (яп.). — 07.01.2016.
5-100. [Электронный ресурс] / «nice!», 2010. — Режим доступа: http://iruchan.blog.so-net.ne.
jp/2010-09-12 (яп.). - 07.01.2016.
5-101. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.ni.bekkoame.ne.jp/sogawa/html/
auction/step.html (яп.). — 07.01.2016.
5-102. [Электронныйресурс] /2011. — Режимдоступа: http://mothra-ya.at.webry.info/201107/
article_2.html (яп.). — 07.01.2016.
5-103. Безверхий, И. Серводвигатели для роботов и игрушек / Игорь Безверхий //
Радиоаматор. - 2015. - № 1. - С. 22-24.
5-104. Mikrodenetleyici uygulamalari bilgiler РІС с PIC16F877 [Электронный ресурс] / «gew»,
2009. — Режимдоступа: http://320volt.com/mikrodenetleyici-uygulamalari-bilgiler-pic-
c-pic!6f877/ (турец.). - 07.01.2016.

5-105. ЕСЕ 4760 Final Project: Robot Arm [Электронный ресурс] / Aditya Anchuri, Joseph
Swingle, 2008. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/
FinalProjects/s2008/aa349Jjs222/aa349Jjs222/robotarmOPENTHIS.html (англ.). -
07.01.2016.
5-106. ЕСЕ 4760 Final Project: Color Video Game on AVR / Chen Yang, Jeffrey Niu, 2014. -
Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/f2014/
Jn286_cy255/jn286_cy255/ (англ.). - 07.01.2016.
5-107. Uzebox Game Console. Rev. Fl [Электронный ресурс] / Alec Bourque, 2011. —
Режим доступа: http://belogic.com/uzebox/schematics/Uzebox-rev-Fl.pdf (англ.). —
07.01.2016.
5-108. Uzebox Game Console. Rev. CI [Электронный ресурс] / Alec Bourque, 2008. — Режим
доступа: http://belogic.com/uzebox/schematics/uzebox_minimal_v2.pdf (англ.). —
07.01.2016.
5-109. [Электронный ресурс] / 2011...2013. — Режим доступа: http://picavr.uunyan.com/
experiment2_overlay.html (яп.). — 07.01.2016.
5-110. Вывод видео на телевизор [Электронный ресурс] / Михаил Клоков, 2004...2015. —
Режим доступа: http://myavr.narod.ru/video.htm. — 22.03.2012.
5-111. AVR2313 [Электронный ресурс] / 2007. — Режим доступа: http://picavr.uunyan.com/
2313bgv2manual.pdf (яп.). - 07.01.2016.
5-112. TINY2313 [Электронный ресурс] / 2011...2014. — Режим доступа: http://picavr.
uunyan.com/experiment2_64component.html (яп.). — 07.01.2016.
5-113. PIC16F628A DS1844 LM1036 dijital ton kontrol devresi [Электронный ресурс] / Erhan
Yilmaz, 2008. — Режим доступа: http://320volt.com/picl6f628a-dsl844-lml036-dijital-
ton-kontrol-devresi/ (турец.). — 07.01.2016.
5-114. CTRL [Электронный ресурс] / 2007. — Режим доступа: http://gomisai.blog75.fc2.com/
blog-category-6.html (яп.). — 07.01.2016.
5-115. PLL Clock Generator [Электронный ресурс] / Satoshi «Chuck» Takagi, 2009. — Режим
доступа: http://f.hatena.ne.jp/Chuck/20091110045740 (яп.). — 07.01.2016.
5-116. S/PD1F Digital to Analogue Converter [Электронный ресурс] / Randy McAnally. —
Режим доступа: http://sound.westhost.com/project85.htm (англ.). — 07.01.2016.
5-117. Perimeter [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа: http://prosje.
be/Projects/PerimeterZenderOntvanger.html (нидерл.). — 07.01.2016.
5-118. Wireless Morse trainer [Электронный ресурс] / Kazuhiro Sunamura (JFIOZL). — Режим
доступа: http://www.intio.or.jp/jflOzl/wlm.htm (англ.). — 07.01.2016.
5-119. Kincaid, R. Q & A (Current Smoothing From H-bridge) / Russell Kincaid // Nuts &
Volts. - 2007. - № 7. - P. 28-29.
5-120. Juma — TX1 5W CW Transmitter [Электронный ресурс] / Matti Hohtola (OH7SV),
2006. — Режим доступа: http://www.jumaradio.com/juma-txl/juma-txl-main-schematics-
rev-D.pdf (англ.). - 07.01.2016.
5-121. [Электронный ресурс] / «blueknight611», 2008. — Режим доступа: http://solidstate.
exblog.jp/7404707/ (яп.). - 07.01.2016.
5-122. Loudspeaker Protection and Muting [Электронный ресурс] / Rod Elliott, 2007. — Режим
доступа: http://sound.westhost.com/project33.htm (англ.). — 07.01.2016.
5-123. Рюмик, С. Вопрос-ответ (Silicon Chip-2009) / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2011.- №4. -С. 40-43.
5-124. How to fix a matrix keyboard [Электронный ресурс] / Petteri Aimonen, 2010. — Режим
доступа: http://essentialscrap.com/matrix_keyboard_fix/ (англ.). — 07.01.2016.

5-125. [Электронныйресурс] / «yoshidaw», 2010. — Режимдоступа: http://www.eleki-jack.
com/KitsandKids2/2010/09/5_8.html (яп.). - 07.01.2016.
5-126. LCD Backlight — Electroluminescent Inverter [Электронный ресурс] / «NerdKits
L.L.C.», 2014. — Режим доступа: http://www.nerdkits.com/videos/backlight/ (англ.). —
07.01.2016.
5-127. Саволюк, А. Ультразвуковой уровнемер с температурной компенсацией / Александр
Саволюк// Радиоаматор. — 2014. — № 11—12. — С. 17—19.
5-128. Bourdonola [Электронный ресурс] / Godfried-Willem Raes, 2005. — Режим доступа:
http://www.logosfoundation.org/instrum_gwr/bourdonola/SCH_bourdonola_PIC.gif
(англ.).-07.01.2016.
5-129. Microcontroller drives piezoelectric buzzer at high voltage [Электронный ресурс] /
Mehmet Efe Ozbek, EDN Magazine, 2012. — Режим доступа: http://www.edn.com/
design/integrated-circuit-design/4369025/Microcontroller-drives-piezoelectric-buzzer-at-
high-voltage (англ.). — 07.01.2016.
5-130. Microcontroller drives piezoelectric buzzer at high voltage through one pin
[Электронный ресурс] / Mehmet Efe Ozbek, EDN Magazine, 2012. — Режим доступа: http://www.
edn.com/design/systems-design/4394277/Microcontroller-drives-piezoelectric-buzzer-at-
high-voltage-through-one-pin (англ.). — 07.01.2016.
5-131. Белоусов, О. Электронный свисток / Олег Белоусов // Радиоаматор. — 2015. —
№3.-С. 40-41.

ГЛАВА
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ КОМБИНИРОВАННЫХ
УЗЛОВ ВВОДА/ВЫВОДА
Делай для другого, учись для себя
(Абхазская поговорка)
6.1. Информационно-измерительные узлы
На Рис. 6.1, а...к показаны схемы информационно-измерительных узлов.
Рис. 6.1. Схемы
информационно-
измерительных узлов
(начало):
а) измерение амплитуды аналогового (достаточно высоковольтного) сигнала Vin в
промежутках времени между периодическим гашением сегментов индикатора HG1. Гашение требуется,
чтобы не возникали помехи на экране при смене цифр. Узел работает в двух режимах. Первый
режим — индикация цифр при НИЗКОМ уровне на нижнем выходе МК. Второй режим —
измерение амплитуды Vin через канал АЦП при ВЫСОКОМ уровне на нижнем выходе МК;
б) измерение сопротивления резистора Rx по известной ёмкости конденсатора Схили
наоборот. МК постоянно измеряет частоту сигнала на входе «А». Виртуальные инверторы DDI, DD2
(как на схеме справа) создаются программой МК по следующему алгоритму: постоянно
проверять состояние входа «А», при каждой смене уровня формировать на выходе «В»
противофазный, а на выходе «С» синфазный принятому сигнал. Поскольку элементы Rx и Сх включаются
по схеме автогенератора, то на входе «А» будет присутствовать сигнал с частотой Fout, период
которого можно измерить по таймеру ТО МК. Период пропорционален произведению RxCx.
Максимальное сопротивление Лхдо 10 МОм, максимальная ёмкость Сх до 0.01 мкФ; О
6

О Рис. 6.1. Схемы информационно-измерительных узлов (продолжение):
в) микроконтроллерный осциллограф, совмещённый с анализатором спектра звуковых
сигналов, использует на входе «прямоугольный» ФНЧ, выполненный на микросхеме DA1. Полоса
пропускания ФНЧ 0...9.6 кГц изменяется в зависимости от частоты тактовых импульсов,
формируемых на выходе МК. ФНЧ выполняет функцию подавления гармоник выше частоты
дискретизации («anti-aliasing filter*) для более точного разложения сигнала на гармоники. Фильтр DA1
использует взвешенную «землю» отделителя на резисторах R3t R4, чтобы работать с
отрицательными полуволнами сигнала;
г) переключение диапазона входных сигналов для АЦП МК. В исходном состоянии на
выходе МК обрыв (открытый сток). Напряжение на входе АЦП изменяется переменным резистором
R1 в пределах +2.5...+5 В. Если выставить на выходе МК НИЗКИЙ уровень, то предел
регулирования расширится до 0...+5 В;
д) переключение трёх датчиков R1...R3 тремя транзисторными ключами VT1...VT3 по
сигналам с трёх выходов МК. Измерение освещённости и температуры производится аналоговым
компаратором МК. Одномоментно измеряться может только один параметр (опрос только
одного датчика). Общее число каналов зависит от количества транзисторных ключей;
е) в исходном состоянии МК находится в спящем режиме WAKE. Резистор R2 гарантирует
НИЗКИЙ уровень на входе INT. При нажатии на кнопку SB1 МК пробуждается по прерыванию.
Далее линия /Л/Тпереводится в режим выхода с ВЫСОКИМ уровнем, после чего МК через канал
АЦП измеряет напряжение с датчика, которым служит переменный резистор R2. Достоинство
схемы — сокращение числа входных линий и отсутствие потребления тока в режиме сна; О

Рис. 6.1. Схемы информационно-измерительных узлов (окончание):
ж) узел имеет три режима работы: открытый вход (К1 замкнут, К2 разомкнут), закрытый вход
(К1 разомкнут, К2 замкнут), нет сигнала (К1 и К2 разомкнуты). Сопротивление ключей Kl, К2
микросхемы DA1 в открытом состоянии 6.5 Ом, поэтому их наличие не вносит существенной
погрешности при прохождении сигнала Vin на вход ОУ DA2 и далее на вход АЦП МК;
з) сигнализатор превышения порога температуры. Конденсатор С1 сначала разряжается через
линию МК (слева) НИЗКИМ уровнем на её выходе. Затем эта линия переводится в Z-состояние,
и конденсатор заряжается ВЫСОКИМ уровнем через термистор RK1. Затем он снова
разряжается и заряжается ВЫСОКИМ уровнем через переменный резистор R1, проградуированный в
градусах Цельсия. Время заряда конденсатора от нуля до ВЫСОКОГО уровня подсчитывается
таймером на входе МК (слева). Если длительности заряда через RK1 и R1 совпадают, то в пьезо-
динамике НА 1 раздаётся звук, что означает достижение установленного порога температуры;
и) МК генерирует опорное напряжение для компаратора DA1. Используется ШИМ и ФНЧ
(Rl, R2, R4, С1...СЗ) для плавной установки порога, а также верхний выход МК для дискретного
смещения порога «вверх» и «вниз». Результат сравнения с вывода 1 микросхемы DA1 передаётся
на вход МК, после чего принимается решение, надо ли дальше подстраивать опорное
напряжение. Одна из особенностей схемы — разные номиналы і?С-цепочек в звеньях ФНЧ;
к) сопротивление терморезистора RK1 и резистора делителя R1 обычно выбирают одного
порядка. Однако при низком сопротивлении RK1 через него будет протекать большой ток, что
приводит к саморазогреву и ошибкам измерения температуры. Чтобы этого не происходило,
применяется импульсный режим работы, для чего на выходе МК формируются импульсы со
скважностью 10 и длительностью, достаточной для измерения напряжения через АЦП

6.2. Схемы с программной обратной связью
На Рис. 6.2, а...ж показаны схемы с программной обратной связью.
Рис. 6.2. Схемы с программной обратной связью (начало):
а) визуализация входного сигнала. Если выставить НИЗКИЙ уровень на нижнем и
ВЫСОКИЙ уровень на верхнем выходе МК, то индикаторы красного и зелёного цвета НЫ, HL2 будут
светиться, соответственно, при НИЗКОМ и ВЫСОКОМ уровнях на выходе логического
элемента DDL Световой эффект перемигивания «красный-зелёный» усиливается, если во входном
сигнале изменяется частота, скважность и т.д. Микросхема DDI должна иметь нагрузочную
способность не менее 5 мА, иначе необходимо увеличить сопротивления резисторов Rl, R2\
б) аналогично Рис. 6.2, а, но с заменой двух светодиодов одним двухцветным светодиодом
НЫ. На месте DDI может быть другой логический элемент, триггер, счётчик, регистр;
в) оптореле с самоблокировкой. После подачи питания узел находится в ждущем режиме, на
линии МК Z-состояние обрыва, нагрузка Rw (ток не более 40 мА) обесточена. При выставлении
на выходе МК НИЗКОГО уровня включается светодиод оптопары VU1, открывается её
фототранзистор и подаётся питание на нагрузку Rw. Теперь МК можно перевести в режим входа с
«pull-up» резистором и прочитать логический уровень. Если он НИЗКИЙ, значит, через
нагрузку Rw протекает ток. Если уровень ВЫСОКИЙ, значит, нагрузка в обрыве или авария VUL,
г) при каждом переходе сигнала Vin с ВЫСОКОГО в НИЗКИЙ уровень на выходе МК
устанавливается НИЗКИЙ уровень (и наоборот). Тем самым к общему проводу подключается
резистор R2, который вместе с резистором R1 образует делитель, уменьшающий напряжение на входе
МК. Образуется гистерезис, позволяющий отсекать импульсные помехи; О

О Рис. 6.2. Схемы с программной обратной связью (окончание):
д) двоичный счётчик DDI имеет вход сброса MR и информационный вход СР. При
заполнении счётчика наполовину (Q0 = Q10 = лог. 1) вырабатывается ВЫСОКИЙ уровень на выходе
Q11. Этот сигнал МК может использовать для синхронизации своих дальнейших действий или
рассматривать его как тест исправности микросхемы счётчика и отсутствия обрывов в
соединительных проводах между МК и DDI;
е) управляемый генератор пилообразного напряжения. МК полностью контролирует работу
таймера DA1 — запускает его, устанавливает частоту генерации при помощи ЦАП, состоящего из
резисторов R2...R6 (матрица 2R), анализирует выходной сигнал на выводе 3 DA1\
ж) DAI — это тональный декодер фирмы National Semiconductor. На его основе выполнен
перестраиваемый от МК полосовой фильтр. Максимальная частота настройки фильтра 500 кГц.
Логика работы. МК через канал АЦП анализирует амплитуду сигнала Vout~. Если она низкая
(фильтр не настроен на частоту сигнала Vin-), то открывается один или несколько транзисторов
VT1... VT4, которые подключают к GND конденсаторы С4...С7. Центральная частота фильтра
рассчитывается по формуле І^Гц] = 1 / (1.1-/?2[Ом]-(Х..С7[Ф)). Задача контура регулирования
заключается в поиске максимума сигнала АЦП, что означает качественную очистку от гармоник

6.3. Подключение внешних АЦП
На Рис. 6.3, а...г показаны схемы подключения внешних АЦП к МК.
Рис. 6.3. Схемы подключения внешних АЦП к МК (начало):
а) особенности схемы — питание 12-битного АЦП DAJ фирмы Burr-Brown фильтруется
элементами L7, С7, опорное напряжение VREF подстраивается резистором R2. Тактовая частота на
входе CLKDA1 должна быть в 16 раз выше, чем частота выборок (максимум 500 кГц);
б) входная часть цифрового вольтметра выполнена с применением 16-битного АЦП на
микросхеме DA2 (частота до 100 кГц, интерфейс SPI/SSI). Переключателем S1 на вход DA2 подаётся
или постоянное Vin=, или переменное Vin~ напряжение. ИОН выполнен на микросхеме DAL
Резисторы в парах Rl, R2nR3y R4 должны быть точными и равными по сопротивлению;
в) максимально простая схема подключения внешнего АЦП DA 7. Опорное напряжение VREF
соединяется с силовой цепью +5 В, следовательно, источник питания должен быть максимально
стабильным и с низким уровнем шума; О

© Рис. 6.3. Схемы
подключения внешних АЦП к
МК (окончание):
г) внешний 10-битный АЦП на микросхеме DA1 применяется, если в МК отсутствует канал
АЦП или он имеет низкое быстродействие. Например, выборки в АЦП DA1 делаются с частотой
до 200 кГц, что в 2...3 раза выше, чем в обычных AVR- и PIC-контроллерах. Буферный
повторитель на ОУ DA2 является по совместительству активным фильтром (Rl, CI, R2, С2)
6.4. Опрос состояния кнопок и переключателей
На Рис. 6.4, а...з показаны схемы опроса кнопок и переключателей.
Рис. 6.4. Схемы опроса кнопок и переключателей через входы и выходы МК (начало):
а) выходные линии МК подключаются к внешнему устройству (шине данных) и
периодически выставляют требуемую информацию. В перерывах работы внешнего устройства на выходах
МК устанавливаются противофазные уровни, анализируется состояние входной линии МК и
определяется, какой был нажат переключатель S1 или S2. Диоды VD1, VD2 устраняют КЗ между
выходными линиями МК при одновременном замыкании переключателей »S7, S2;
б) линии МК (слева) могут быть как входами, так и выходами, обслуживающими внешнее
устройство. Для опроса состояния переключателей SI, S2 на выходе МК (справа) выставляется
НИЗКИЙ уровень, а линии МК (слева) переводятся в режим входа с «pull-up» резистором. Если
переключатель замкнут, то на каком-то из входов МК будет НИЗКИЙ уровень; О

О Рис. 6.4. Схемы опроса кнопок и переключателей через входы и выходы МК
(продолжение):
в) опрос состояния кнопки SB1, совмещённый с индикацией её включения светодиодами
НЫ, HL2. Сначала МК выставляет ВЫСОКИЙ уровень на выходе, чтобы зажглись индикаторы
НЫ, HL2, при этом замыкание кнопки SB1 на их яркость не влияет. Для определения факта
нажатия кнопки SB1 линия МК на короткое время переводится в режим входа с «pull-up»
резистором. Если регистрируется НИЗКИЙ уровень (ток от внутреннего резистора МК проходит через
резистор R2), то кнопка нажата, и наоборот. Следует учитывать, что через цепочку Rl, НЫ, HL2
протекает микроток от «pull-up» резистора, поэтому светодиоды следует выбирать с большим
начальным напряжением, чтобы они не шунтировали сигнал на входе МК (больше +3...+3.5 В);
г) аналогично Рис. 6.4, в, но с пониженным питанием, благодаря чему можно поставить один
светодиод НЫ, а не два последовательно. Резистор R1 определяет яркость свечения индикатора,
а резистор R2 защищает линию МК от замыкания на общий провод при длительном нажатии на
кнопку SB1;
д) на двух линиях МК попеременно выставляются режимы: выход с НИЗКИМ уровнем и
вход с «pull-up» резистором. Нажатие кнопок SB1, SB2 (или обеих сразу) определяется по
НИЗКОМУ уровню на противоположном входе;
е) аналогично Рис. 6.4, д, но для опроса 6 кнопок по трём проводам. Линии МК поочерёдно
настраиваются в 3 режима: выход с НИЗКИМ уровнем, вход с Z-состоянием и вход с «pull-up»
резистором. Двойное нажатие кнопок не распознаётся; О

О Рис. 6.4. Схемы опроса кнопок и переключателей через входы и выходы МК
(окончание):
ж) диоды VD1... VD12 обеспечивают электрическую изоляцию кнопок SB 1...SB 12 друг от
друга, в связи с чем они могут нажиматься одновременно и в любом количестве. Состояние кнопок
определяется при НИЗКОМ уровне «бегущего нуля» на выходах МК. Допускается
пропорциональное увеличение числа диодов и кнопок, при этом с целью оптимизации следует стремиться
к примерному равенству числа входов и выходов МК. Например, 16 кнопок можно обслужить
16 выходами и 1 входом, 8 выходами и 2 входами, 4 выходами и 4 входами. В последнем случае
общее число задействованных линий МК минимальное;
з) аналогично Рис. 6.4, ж, но с другой полярностью включения диодов VD1...VD8 и с МК,
который имеет режим входа с «pull-down» резистором. Выходные сигналы должны быть
противофазными, при этом состояние кнопок определяется при ВЫСОКОМ уровне на выходе МК.
Допускается увеличение числа диодов и кнопок, но тогда на выходах МК вместо противофазных
сигналов надо сформировать «бегущую единицу»
6.5. Опрос тастатуры
Тастатурой называется малогабаритная клавиатура с ограниченным набором
кнопок, чаще всего с цифрами «О»...«9» и символами «#», «*». Конструктивно
кнопки располагаются матрицей 3x4 или 4x4. На Рис. 6.5, а, б показаны схемы
опроса тастатуры с использованием входов и выходов МК.

Рис. 6.5. Схемы опроса тастатуры с использованием входов и выходов МК:
а) опрос тастатуры S1 проводится во время гашения индикатора HG1 (микросекунды), когда
на общем аноде устанавливается НИЗКИЙ уровень или обрыв. После этого 4 верхние линии
МК переводятся в режим входов, а на 4 нижних линиях формируется «бегущий нуль».
Резисторы R13...R16 и R9...R12 образуют делители напряжения. Резисторы R13...R16 можно заменить
внутренними «pull-up»;
б) аналогично Рис. 6.5, а, но благодаря диодам VD1...VD8 при нажатии нескольких кнопок в
любом горизонтальном ряду паразитная засветка сегментов индикатора HG1 не происходит

6.6. Сокращение числа линий при опросе кнопок
На Рис. 6.6, а...ж показаны схемы сокращения числа соединительных линий
МК при организации опроса блока из 8 кнопок.
Рис. 6.6. Схемы сокращения
числа линии МК при опросе
кнопок (начало):
а) положительным импульсом с верхней линии МК в регистр DDI записывается двоичное
состояние кнопок S1...S8. Выдача информации производится в последовательном виде с выхода
(?7по заднему фронту тактовых импульсов СР. Поскольку вывод DSрегистра DDI соединяется с
общим проводом, то в паузах между опросами выходной сигнал (?7будет НИЗКИМ;
б) аналогично Рис. 6.6,а, но с другим типом регистра DDI, отсутствием подтягивающих
резисторов (поскольку ТТЛ-логика) и с другой полярностью импульса записи с верхнего выхода
МК. Похожая схема применяется в самодельных заменителях Dendy-джойстика;
в) аналогично Рис. 6.6,а, но переключатели (кнопки) SL..S8 запаиваются на плату Dendy-
джойстика на место реальных игровых кнопок. Цоколёвка контактов разъёма ХР1 зависит от
модели джойстика и может отличаться от приведенной на схеме; О

О Рис. 6.6. Схемы сокращения числа линии МК при опросе кнопок (продолжение):
г) аналогично Рис. 6.6, а, но с другим типом регистра DD2 и с двумя (а не тремя) линиями
связи с МК. Элементы Rl, Clt DDI позволяют автоматически сформировать сигнал TL в начале
цикла опроса. Ёмкость конденсатора С1 подбирается методом «вилки» по максимально
устойчивому считыванию состояния переключателей SL..S8. Можно сократить число линий связи с
двух до одной, если отключить вход МК и подключить резистор R10 между цепью Q7n выходом
МК (показано пунктиром). Состояние переключателей S1...S8 при этом будет считываться во
время НИЗКОГО уровня импульсов CP при переводе линии МК в режим входа;
д) подключение 12 переключателей (кнопок) S1...S12 к печатной плате джойстика от
игровой приставки «SEGA MegaDrive-ІІ». Переключатели запаиваются на место реальных игровых
кнопок. И хотя число соединительных проводов к МК уменьшается не значительно, но
появляется возможность использовать в работе удобный конструктив SEGA-джойстика; ©

© Рис. 6.6. Схемы сокращения числа линии МК при опросе кнопок (окончание):
е) DDI — это сдвиговый регистр с параллельным вводом и с последовательным выводом
данных. При НИЗКОМ уровне на входе L состояния кнопок SB1...SB8записываются во внутренние
триггеры регистра DDL При ВЫСОКОМ уровне на входе L по спадам импульсов на входе С
происходит выдача сигналов в МК. Нажатой кнопке соответствует НИЗКИЙ уровень на
определённом месте временной диаграммы. Подтягивающие резисторы RL..R8w* кнопок SBL..SB8
нужны, т.к. микросхема DDI применяется из «высокоомной» серии КР1533;
ж) аналогично Рис. 6.6, е, но с двумя сдвиговыми регистрами DDI, DD2 и опросом 16 кнопок
SBL..SB16. Подтягивающие резисторы отсутствуют, т.к. обе микросхемы из серии К555. По
такому же принципу можно ещё увеличить количество кнопок, но предварительно следует
подсчитать необходимое для полного опроса время, которое будет пропорционально увеличиваться

6.7. Измерение частоты
Рис. 6.7. Схемы программно-аппаратного измерения частоты с помощью МК:
а) точное измерение частоты Fin. На верхнем выходе МК формируется строб длительностью
0.1 или 1 с. По окончании действия строба на нижнем выходе МК генерируются импульсы,
которыми «досчитывается» точный остаток до переполнения таймера МК;
б) измерение частоты Fin путём сравнения с образцовой частотой F0 через таймеры ТО, Т1.
Импульсы стробируются элементами микросхемы DDI и подаются на вход прерывания INT;
в) внешний образцовый кварцевый генератор сигнала FOwin схемы, аналогичной Рис. 6.7, б.
Особенность — низкий ток потребления 0.1 мА и широкий диапазон питания;
г) усилитель-ограничитель для частотомера 0...20 МГц. Дроссель Ы увеличивает усиление на
ВЧ. Сигнал с коллектора транзистора VT1 поступает на вход таймера МК, который
подсчитывает импульсы за промежуток времени, определяемый отсутствием ВЫСОКОГО уровня на выходе
МК. Диод VD3 не нужен, если переводить выходную линию МК в Z-состояние
6.8. Светоизлучатели и фотоприёмники
На Рис. 6.8, а...д показаны схемы подключения светоизлучателей и
фотоприёмников к входам и выходам МК.
На Рис. 6.7, а...г показаны схемы измерения частоты с помощью МК.

Рис. 6.8. Схемы подключения светоизлучателекй и фотоприёмников к МК (начало):
а) особенность схемы — подстройка чувствительности оптического датчика отражения VU1 с
помощью переменного резистора R3\
б) оптопары с открытым оптическим каналом VU1...VU8включаются в работу одним общим
транзистором VT1. Для повышения помехоустойчивости и экономии энергии транзистор VT1
открывается кратковременно, например по прерываниям от МК;
в) В1 — это инфракрасный датчик препятствия, который выпускается в виде модуля (фирма
Pololu) или может быть выполнен на россыпи элементов. Принцип работы. Сначала линия МК
настраивается как выход с ВЫСОКИМ уровнем на время не менее 10 мкс, чтобы конденсатор
С1 разрядился. Далее линия МК переводится в режим входа, конденсатор С1 заряжается через
сопротивление фототранзистора ВЫ, а МК по таймеру измеряет время перехода ВЫСОКОГО
уровня в НИЗКИЙ. Чем больше отражённый от препятствия световой поток, тем меньше
сопротивление между коллектором и эмиттером фотоприёмника ВЫ и тем меньше время,
измеренное МК;
г) аналогично Рис. 6.8, в, но с тремя (и более) интегральными датчиками препятствия. В
системе предусмотрен импульсный режим работы аналогично Рис. 6.8, б, когда светодиоды
оптопар VU1... VU3 включаются по команде от МК на короткое время для экономии энергии; О

О Рис. 6.8. Схемы
подключения
светоизлучателекй и
фотоприёмников к МК
(окончание):
д)
д) узел замедления вращения вала аналогового двигателя Ml с помощью следящей обратной
связи, как в ШД. Квадратурный энкодер ML1 может быть встроен прямо в двигатель, а может
быть и внешний, например от механизма компьютерной мыши. Для формирования ШИМ-
сигнала от МК лучше использовать алгоритм Брезенхема [6-21], согласно которому вместо
одного длинного импульса формируется серия коротких, равномерно распределённых по
интервалу. Это позволяет застабилизировать угол поворота и довольно точно регулировать скорость
вращения вала на малых оборотах
6.9. Датчики со знакопеременным напряжением
Некоторые резистивные датчики требуют, чтобы напряжение на их обкладках
периодически изменяло свой знак. Именно «изменяло знак», а не просто
повышалось и уменьшалось по амплитуде, подобно однополярному пульсирующему
напряжению.
Чаще всего требование знакопеременности предъявляется к датчикам, которые
соприкасаются с водой, например, в бассейне или в почве. Постоянное
напряжение здесь недопустимо из-за эффекта гальванического электролиза, приводящего
к нестабильности показаний во времени. Не случайно металлические электроды
таких датчиков рекомендуют заливать гипсом или обёртывать синтепоном.
Схемотехнику «знакопеременных» датчиков удобно рассмотреть на примере
датчика влажности HS15P фирмы General Electric.
Датчик позволяет измерять относительную влажность воздуха в диапазоне
20... 100%. Его начальное сопротивление при температуре +25°С и влажности 50%
составляет около 60 кОм. Сопротивление датчика увеличивается по
логарифмическому закону от 1 кОм до 1 МОм при снижении влажности от 100 до 20%.
Частота знакопеременного напряжения должна быть 50... 1000 Гц при
амплитуде 1 В. Мощность рассеяния не более 0.3 мВт. Корпус защищен от прямого
попадания влаги. Диапазон рабочих температур 0...+50°С.
На Рис. 6.9, а...д приведены схемы включения датчика HS15P, в которых
знакопеременное напряжение имеет разную форму (синусоидальную,
экспоненциальную, прямоугольную) и разную частоту от 50 Гц до 1 кГц [6-22]. Как показывает
практика, на точность показаний это особо не влияет. Единственное требование,
которого желательно придерживаться, — обеспечить минимальную амплитуду
знакопеременного сигнала, чтобы не происходил саморазогрев датчика.

Рис. 6.9. Схемы подключения датчиков со знакопеременным напряжением (начало):
а) датчик влажности В1 совместно с резистором Rl (R2) входит в состав делителя
напряжения (сопротивление DA1 и С/ по переменному току не учитывается). Источником сигнала
служат импульсы меандра, формируемые на выходе МК. Они поступают на мультиплексор DA1
через резисторы R1 и R2. Какой из резисторов будет активным, определяет НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ
уровень на нижнем выходе МК. Таким образом, получается два разных диапазона измерения
влажности (широкий и узкий). Оцифровка показаний производится в канале АЦП МК;
б) на выходе МК генерируются прямоугольные импульсы меандра частотой 500 Гц. Эти
импульсы теряют постоянную составляющую в конденсаторе С1 и поступают далее на датчик
влажности В1 и на верхний АЦП МК. Разность напряжений, измеренная между верхним и средним
АЦП МК, пропорциональна влажности 40... 100%. Разность напряжений, измеренная между
верхним и нижним АЦП МК, пропорциональна влажности 20...80%. Логарифмирование
промежуточных значений производится программно;
в) ступенчатое треугольное напряжение для датчика влажности В1 генерирует МК на выходе
VREF. «Ступеньки» напряжения длительностью 100 мкс выставляются программно в пяти
уровнях от внутреннего ИОН в диапазоне 0.2... 1.2 В. Логарифмирование производится внутренним
ОУ DA1 и диодами VD1... VD3. Напряжение оцифровывается в канале АЦП МК (вход AN5)\О

Рис. 6.9. Схемы подключения датчиков со знакопеременным напряжением (окончание):
г) на датчик влажности В1 подаётся нарастающее, а затем спадающее экспоненциальное
напряжение, связанное с процессом заряда/разряда конденсатора С1. На левом и правом выходе
МК формируются противофазные уровни с частотой в диапазоне 50... 1000 Гц, что необходимо
для нормальной работы датчика влажности HS15P. В промежутках между формированием
импульсов левая линия МК переводится в режим входа, после чего по таймеру измеряется время
заряда конденсатора С1 через сопротивление датчика В1 (300 Ом...30 МОм) до смены логического
уровня. Измеренное время обратно пропорционально влажности;
д) на датчик влажности В1 подаётся знакопеременное напряжение прямоугольной формы,
которое образуется противофазными уровнями на цифровых выходах МК. Влажность пропор-
цинальна напряжению, измеренному в канале АЦП МК. Резистором R1 подстраивается
диапазон измерения влажности. При желании таких резисторов (диапазонов) может быть больше
6.10. Прочие схемы узлов ввода/вывода
На Рис 6.10, а...л показаны прочие (нестандартные, необычные,
неклассифицированные) схемы узлов ввода/вывода.
Рис. 6.10. Прочие схемы
узлов ввода/вывода
(начало):
а) умножитель частоты Fin 10 кГц на дробное число. Используется микросхема ФАПЧ DDI,
на входы 14 и 3 которой поступает сигнал Fin и меандр с выхода МК частотой 10 кГц. На выходе 4
DDI формируется сигнал разбаланса частотой 1 МГц, который подаётся в МК, внутри делится на
64 и выводится в порт Fout (15 625 Гц). При изменении Fin частота Fout будет изменяться; О

О Рис. 6.10. Прочие схемы узлов ввода/вывода (продолжение):
б) многоразрядный расширитель линий портов на восьми микросхемах фирмы Microchip
Technology, интерфейс SPI. Микросхемы DD1...DD8 имеют разные программные адреса,
задаваемые уровнями на линиях А0...А2;
в) подключение к МК резистивного сенсорного экрана Touchscreen HG1. На выходах МК
формируются сигналы, которые открывают/закрывают транзисторы VT1...VT5. Измеряя через
каналы АЦП напряжения на конденсаторах С/, С2, можно вычислить координаты точки
нажатия на сенсорном экране (изменяются сопротивления его внутренних резисторов); О

Рис. 6.10. Прочие схемы узлов ввода/вывода (продолжение):
г) светодиоды HLL..HL9 конструктивно размещаются матрицей 3x3, образуя «сенсорную
кнопку». Из них 8 светодиодов HL1...HL8 работают только на излучение, а один центральный
HL9 — на излучение и приём. Время работы на приём очень короткое, поэтому кажется, что
все светодиоды постоянно включены. При поднесении пальца руки к светодиодам
центральный из них начинает освещаться сильнее за счёт отражения лучей с периферии. Сопротивление
светодиода изменяется, и МК фиксирует нажатие «кнопки». Физика работы. Если приложить к
HL9 обратное напряжение, а затем на левом выводе МК установить режим входа АЦП, то через
закрытый р—«-переход светодиода будет разряжаться монтажная ёмкость вывода МК. Чем ярче
освещается светодиод, тем меньше время разряда, и наоборот;
д) конструктивно аналогично Рис. 6.10, г, но светодиоды HL 1...HL8 управляются от линий
МК и могут параллельно образовывать на поверхности «кнопки» разные световые узоры,
декоративные рисунки, эмблемы, символы, цифры и т.д.;
е) сопряжение двухосевого IBM-джойстика с МК через аналогово-цифровой конвертор DA1
фирмы Analog Devices. Сигнал выборки кристалла CS и тактовый сигнал CLKформирует МК.
Ток через кнопки SB 1, SB2 определяют резисторы R2y R3; О

Рис. 6.10. Прочие схемы узлов ввода/вывода (продолжение):
ж) датчик запаха В1 (фирма Figaro Engineering) реагирует на малые количества паров
этанола, соединений серы и сероводорода. Когда на нижнем выходе МК выставляется ВЫСОКИЙ
уровень, то образуется делитель из резистора R3 и сопротивления между выводами Rs и GND
внутри датчика В1 (5.6...56 кОм в зависимости от чистоты воздуха). Сигнал оцифровывается
каналом АЦП МК и переводится в условные единицы степени загрязнённости. Для нормальной
работы датчика требуется нагрев. Для экономии энергии он производится не постоянным, а
импульсным током 130... 150 мА через открытый транзистор VT1. Частота импульсов 4 Гц,
длительность 8 мс. Конденсатор С/ устраняет шумы датчика. Для повышения достоверности измерений
на корпус датчика рекомендуется наклеивать поролоновую прокладку;
з) аналогично Рис. 6.10, ж, но со стабилизацией напряжения нагрева датчика В1 диодами
VD1, VD2n с импульсным разрядом конденсатора С1 через открытый транзистор VT1\
и) виртуальная тастатура на резистивном экране (тачскрине). HG1 — это сенсорный экран от
игровой приставки «Nintendo DS Lite» (продаётся отдельно). Его можно превратить в
малогабаритную тастатуру, если поверх экрана наклеить трафарет из бумаги с таблицей из кнопок 3x4,5x7
или 8x8. При нажатии стилусом/пальцем в какую-либо точку экрана изменяются его внутренние
сопротивления по горизонтали и вертикали. МК выставляет ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ уровни на
двух вертикальных выводах HG1 и считывает через канал АЦП напряжение с горизонтального
вывода. Затем выставляет такие же уровни на горизонтальных выводах и считывает напряжение
с вертикального вывода. Далее по калибровочной таблице вычисляется нажатая кнопка;
к) транзистор VT1 открывается переводом линии МК в режим входа с «pull-up» резистором,
а закрывается НИЗКИМ уровнем с выхода МК. Сопротивление «pull-up» резистора составляет
30...70 кОм, поэтому нагрузка Rw должна быть маломощной или VT1 со сверхвысоким Ь21э; О

О Рис. 6.10. Прочие схемы узлов ввода/вывода (окончание):
л) линии МК поочерёдно настраиваются в режимы: выход с НИЗКИМ уровнем, выход с
ВЫСОКИМ уровнем, вход с Z-состоянием (обрыв линии с открытым стоком). Определённые
комбинации этих сигналов приводят к засвечиванию одного из 6 светодиодов. Например,
НИЗКИЙ уровень на верхней и ВЫСОКИЙ уровень на нижней линии МК приводят к отпиранию
транзисторов К77, VT2, формированию резисторами R4, Переднего напряжения в точке
соединения светодиодов HL3...HL6 и прохождению тока через индикатор HL2 и резистор R1. Чтобы
организовать последовательное свечение всех индикаторов, для управления надо использовать
короткие импульсы, при этом светодиоды должны обладать повышенной яркостью свечения
при низком токе 2...5 мА

Список использованных источников и литературы к главе 6
6-1. Microcontroller Measures Resistance Without an ADC [Электронный ресурс] / Ashish
Aggarwal, EDN Magazine, 2008. — Режим доступа: http://www.edn.com/design/other/
4314164/Microcontroller-measures-resistance-without-an-ADC (англ.). — 07.01.2016.
6-2. Audio Spectrum Monitor [Электронный ресурс] / «ElmChaN», 2005. — Режим доступа:
http://elm-chan.org/works/akilcd/report_e.html (англ.). — 07.01.2016.
6-3. PIC12F675 [Электронный ресурс] / JH3DBO, 2004...2006. — Режим доступа: http://
www.oct.zaq.ne.jp/i-garage/tool/ek04a.htm (яп.). — 07.01.2016.
6-4. ХМ EGA [Электронный ресурс] /2010. — Режимдоступа: http://suz-avr.sblo.jp/category/
834262-l.html (яп.). - 07.01.2016.
6-5. Asuroglu, В. PIC Uygulamalari-39 [Электронный ресурс] / Barbaras Asuroglu. — Режим
доступа: http://www.antrak.org.tr/~ta2cba (турец.). — 07.06.2008.
6-6. Микрошаговый контроллер биполярного шагового двигателя V5.1 [Электронный
ресурс] / «RoboZone.SU», 2010. — Режим доступа: http://robozone.su/cnc-home/72-
mikroshagovyj-kontroller-bipolyarnogo-shagovogo.html. — 07.01.2016.
6-7. CDC-232 [Электронный ресурс] / Osamu Tamura, 2015. — Режим доступа: http://www.
recursion.Jp/prose/avrcdc/cdc-232.html#schematic (англ.). — 07.01.2016.
6-8. [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://qhodo.at.webry.info/201005/
articlej.html (яп.). — 07.01.2016.
6-9. Саволюк, А. Цифровой вольтметр / Александр Саволюк // Радиоаматор. — 2014. —
№ 1.-С. 15-16.
6-10. Low Frequency Digital Oscilloscope [Электронный ресурс] / «Sepica», 2010. — Режим
доступа: http://sepicaelab.blog61.fc2.com/blog-entry-102.html (яп.). — 07.01.2016.
6-11. Михайлов, А. Как подключить кнопку и светодиоды к одному выводу
микроконтроллера / А. Михайлов // Радио. — 2012. — № 3. — С. 27.
6-12. Подключение микроконтроллера. Ликбез [Электронный ресурс] / «DI HALT»,
2008. — Режим доступа: http://easyelectronics.ru/podklyuchenie-mikrokontrollera-
likbez.html. - 07.01.2016.
6-13. AN529. Multiplexing LED Drive and a 4x4 Keypad Sampling (Appnote, Rev. DS00529E)
[Электронный ресурс] / Stan D'Souza, Microchip Technology, 1997...2002. — Режим
доступа: http://wwl.microchip.com/downloads/en/appnotes/00529e.pdf (англ.). —
07.01.2016.
6-14. Shift register hacks [Электронный ресурс] / «Ореп Music Labs», 2012...2015. — Режим
доступа: http://www.openmusiclabs.com/learning/digital/input-matrix-scanning/hacks/
(англ.).-07.01.2016.
6-15. Clarke, J. A Low-Cost 50 MHz Frequency Meter / John Clarke // Everyday Practical
Electronics. — 2006. — № 9. - P. 10—19.
6-16. Fimiarz, M. Czestosciomierz, czesc 1 AVT-5106 / Maciej Fimiarz // Elektronika Praktyc-
zna. - 2007. - № 7. - S. 22-25.
6-17. ATtinyl3-Mutteruhr [Электронный ресурс] / Ralf Beesner (DK5BU), 2011. — Режим
доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/Mutteruhr.html (нем.). — 07.01.2016.
6-18. A new multi-function power supply unit for my Embedded Lab [Электронный ресурс] /
«R-B», 2011. — Режимдоступа: http://embedded-lab.com/blog/a-new-multi-function-
power-supply-unit-for-embedded-lab/ (англ.). — 07.01.2016.
6-19. [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://ameblo.jp/ledeco/archivel-
201109.html (яп.).-07.01.2016.
6-20. QTR-xRC Sensor Output (Intended for Digital I/Os) [Электронный ресурс] / Pololu,
2009. — Режимдоступа: https://www.pololu.eom/docs/0J13/2 (англ.). — 07.01.2016.

6-21. Алгоритм Брезенхема для регулирования мощности [Электронный ресурс] / «troll»,
2013. — Режим доступа: http://trolsoft.ru/ru/articles/bresenham-algo. — 07.01.2016.
6-22. Рюмик, С. Конструкции с «Агсшіпо». Часть 4 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2011.-№ 10.-С. 41-45.
6-23. НС15Р [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://homepage3.nifty.com/
sudamiyako/zk/hsl5/hsl5.htm (яп.). — 07.01.2016.
6-24. Friedrich, N. Betagtes Videofrequenznormal im DVB-T-Zeitalter weiter nutzen / Norbert
Friedrich // Funkamateur. — 2006. — № 7. — P. 780—781.
6-25. Hibbett, M. More on I/O port expansion / Mike Hibbett // Everyday Practical
Electronics. - 2008! - № 8. - P. 57-59.
6-26. TouchPanel Controller [Электронный ресурс] / MikroElektronika, 2010. — Режим
доступа: http://www.mikroe.com/downloads/get/1555/tp_controller_manual_v 100.pdf
(англ.).-07.01.2016.
6-27. ЕСЕ 4760 Final Project: LED Sensor Piano Keyboard Array [Электронный ресурс] /
Cristina Guzman, Joe Vulih, 2009. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/
courses/ece4760/FinalProjects/s2009/cgg27Jpv23/cgg27Jpv23/webpagef.htm#_Patents
(англ.).-07.01.2016.
6-28. Williams, J. Where's Waldo? / Jon Williams // Nuts & Volts. - 2007. - № 9. - P. 80-85.
6-29. TGS2450 [Электронный ресурс] /2011. — Режим доступа: http://mtana.at.webry.info/
201110/article_3.html (яп.). - 07.01.2016.
6-30. Touch Screen Nintendo DS LITE con PIC16F88 [Электронный ресурс] / IT9DPX,
2012. — Режим доступа: http://www.gdevnet.it/2012/06/27/touch-screen-nintendo-
ds-lite-con-pic-16f88/ (итал.). — 07.01.2016.
6-31. Два вывода микроконтроллера РІС управляют шестью светодиодами [Электронный
ресурс] / Benabadji Noureddine, 2014. — Режим доступа: http://www.rlocman.ru/shem/
schematics.html?di=151907. — 07.01.2016.

ГЛАВА
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ИНТЕРФЕЙСНЫХ УЗЛОВ
Афоризмы — это интерфейсы, по которым
передаётся оценка и понимание
(АланДжей Перлис)
7.1. СОМ-порт
СОМ-порт появился в первых моделях IBM PC и долгое время считался
основным при подключении устройств, содержащих МК, к компьютеру. Сейчас
актуальность применения СОМ-порта значительно уменьшилась ввиду
повсеместного применения USB, однако интересные схемные идеи остались, и они
заслуживают внимания.
На Рис. 7.1, а...з показаны схемы подключения сигналов СОМ-порта
компьютера к МК.
Рис. 7.1. Схемы подключения сигналов от СОМ-порта компьютера к МК {начало):
а) простая двухтранзисторная схема сопряжения с СОМ-портом компьютера, не критичная
к номиналам элементов. Отрицательное напряжение —10 В поступает с линии TxD СОМ-порта
на конденсатор С/. В процессе передачи данных полярность напряжения на линии TxD
периодически изменяется, но конденсатор С/ не разряжается ввиду наличия диода VD1. Схема
рассчитана на небольшие расстояния до компьютера и относительно низкие скорости;
б) сопряжение с СОМ-портом через малогабаритный приёмопередатчик на восьмивывод-
ной микросхеме DA1. Надо ли соединять в разъёме цепи RTS-CTS, DTR-DSR, зависит от
применяемого программного обеспечения в компьютере; О
7

Рис. 7.1. Схемы подключения сигналов от СОМ-порта компьютера к МК
(продолжение):
в) аналогично Рис. 7.1, а, но на одном транзисторе и со светодиодом НЫ, который
индицирует моменты передачи информации от МК;
г) аналогично Рис. 7.1, а, но на трёх транзисторах и с использованием сигнала DTR, который
служит источником питания +10 В и на котором необходимо программно от компьютера
выставлять положительное напряжение. Во время приёма данных в СОМ-порт на линии TxD надо
выставлять от компьютера отрицательное напряжение;
д) аналогично Рис. 7.1, г, но на двух транзисторах, с защитными стабилитронами VD2, VD3u
с формирователем отрицательного напряжения на элементах VD1, С1\
е) драйвер RS-232 на микросхеме DAI МАХ233 не требует установки внешних конденсаторов
(по сравнению с МАХ232), но и по цене он дороже. Снятие перемычки XT J аппаратно
запрещает передачу сигналов в компьютер, что бывает полезно при выяснении причин «почему не
работает». Микросхему DA1 можно заменить обычными драйверами из серии «202» (при
питании +5 В) или из серии «3202» (при питании +3...+3.6 В), а также практически любыми из серий
«202...249», «3221...3243» разных фирм-изготовителей. Важно лишь правильно выбрать ёмкости
внешних конденсаторов и включить их строго по схемам из даташитов; О

Рис. 7.1. Схемы подключения сигналов от СОМ-порта компьютера к МК (окончание):
ж) МК может подключаться на выбор к одному из двух СОМ-портов. Для этого достаточно
выставить ВЫСОКИЙ/НИЗКИЙ уровень на нижнем выходе МК, после чего нужным образом
переключится мультиплексор на микросхеме DDL Коммутируются сигналы TxD, RxD как на
приёме, так и на передаче;
з) оптоизолированный двунаправленный интерфейс RS-232, функционирующий на
скорости до 19200 бит/с. На выходе RTSнеобходимо программно установить положительный (+10 В),
а на выходе DTR отрицательный (—10 В) уровень
7.2. Интерфейс USB
Схемы подключения интерфейса USB были подробно рассмотрены в
«Выпуске 2». На Рис. 7.3, а...д показаны дополнительные схемы, относящиеся как к МК
с встроенным каналом USB, так без него.

Рис. 7.3. Схемы подключения
компьютеров к МК через
интерфейс US В:
а) МК имеет встроенный модуль работы с USB. После подачи питания +5 В от разъёма XS1
(VBus) транзистор VT1 открывается, резистор R5 подключается к цепи —Д что определяет
низкоскоростной режим USB. НИЗКИМ уровнем на выходе МК закрывается транзистор VT1,
резистор &5 отсоединяется от цепи —Д и компьютер перестаёт «видеть» US В-тракт МК;
б) аналогично Рис. 7.3, а, но с транзистором структуры р—п—р;
в) аналогично Рис. 7.3, б, но без транзистора, функцию которого выполняет ключ в МК.
Элементы Rl, С1 нужны, когда экранирующая оплетка кабеля соединяется с защитной «землей»;
г) МК не имеет встроенного модуля USB. Стабилизаторами напряжения выступают
светодиоды НЫ, HL2 синего цвета, которые одновременно индицируют прохождение сигналов;
д) аналогично Рис. 7.3, г, но с защитными резисторами Rl, R2. Резистор R3
включает/отключает «видимость» канала USB. Его сопротивление выше, чем 1.5 кОм, из-за питания МК +5 В

7.3. Интерфейс CAN
Рис. 7.4. Схемы подключения сигналов интерфейса CAN к МК (начало):
а) внутри МК находится встроенный контроллер сигналов CAN. Микросхема DDI — это
приёмопередатчик CAN. Делитель на резисторах Rl, R2 согласует уровни +3.3 и +5 В.
«Терминатор» R4 ставится, если DDI находится в самом конце линии связи. При НИЗКОМ уровне
сигнала STBYустройство работает в доминантном режиме с активными сигналами CAN-L, CAN-H.
При ВЫСОКОМ уровне сигнала STBYвыходы отключаются (рецессивный режим). Резистор R3
поддерживает НИЗКИЙ уровень на входе STBYnpn сбросе или начальном включении МК;
б) аналогично Рис. 7.4, а, но с низковольтным приёмопередатчиком CAN DDI;
в) приёмопередатчики CAN DDI, DD2 используются для передачи сигналов UART между
МК(1) и МК(2). Резисторы R2, вставятся экспериментально при неустойчивой связи на
больших расстояниях. Логический протокол интерфейса CAN в данной схеме не используется; О
Интерфейс CAN (Control Area Network) — это последовательная сетевая
магистраль, широко используемая в автомобильной технике. На Рис. 7.4, а...г
показаны схемы подключения сигналов интерфейса CAN к МК.

О Рис. 7.4. Схемы подключения сигналов интерфейса CAN к МК (окончание):
г) DDI — это контроллер CAN, DD2 — это приёмопередатчик CAN. Сопряжение с МК
осуществляется по многопроводной шине со своей системой команд. МК применяется обычный,
без встроенного контроллера CAN. Он получает тактовую частоту 24 МГц на вход ХТ1 от
контроллера DDI. Резистор R3 ставится, если устройство находится на оконечной стороне
7.4. Интерфейс «1 -Wire»
В конце 1980-х годов фирма Dallas Semiconductor (ныне Maxim Integrated)
разработала однопроводной интерфейс «І-Wire». Была предложена оригинальная
концепция объединения в общую микросеть различных интегральных датчиков,
ПЗУ, АЦП, цифровых потенциометров и т.д. По одной и той же линии в «1-Wire»
проходит трафик сигналов и приёма, и передачи.
Длина соединительных линий между узлами сети может достигать 300 м при
скорости 15.4 Кбит/с, при этом допускается использовать неэкранированные
витые пары или даже обычные телефонные провода.
Несмотря на «единицу» в названии, в состав однопроводного интерфейса
«І-Wire» реально входят две или три физические линии.
Полный интерфейс «І-Wire» насчитывает три провода: DATA —
информационный, VCC— питание, GND — общий.
Упрощённый интерфейс «І-Wire» использует два провода: DATA —
информационный и питание, GND — общий. Провод VCC отсутствует из-за режима так
называемого «паразитного питания» через совмещённую линию DATA.
Линии с двумя проводами применяются, например, в домофонах, где
электронным ключом служит «таблетка» DS1990 с логотипом «iButton». Каждая такая
«таблетка» имеет свой заводской 64-битный номер, который служит паролем для
электронного замка, установленного в двери подъезда, сейфе, автомобиле и т.д.
Представить особенности подключения шины «І-Wire» к МК можно на
примере электрических схем Рис. 7.5, а...г.

Рис. 7.5. Схемы подключения «таблеток» iButton с интерфейсом «І-Wire» к МК:
а) дополнительные защитные и токоограничивающие элементы вводятся в интерфейс
«1 -Wire» при значительном удалении датчика от МК. Датчиком в данном случае могут выступать
различные «температурные» микросхемы, например из серии DS18B20. Резисторы R2,
/Услужат коллекторной нагрузкой датчика. Диоды VD1, VD2, VD4 и стабилитрон VD3 защищают МК
от всплесков напряжения при попытке преднамеренного вывода изделия из строя внешним
воздействием. Переключателем S1 можно оперативно отключить датчик и протестировать входную
цепь на отсутствие КЗ, т.е. имеется ли ВЫСОКИЙ уровень на линии порта МК;
б) упрощённая схема подключения двухпроводного электронного ключа «iButton». Диод
VD1 и стабилитрон VD2 защищают МК от внешних воздействий;
в) транзистор VT1 используется для периодического блокирования работы шины «І-Wire».
При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК шину шунтирует постоянно открытый переход
«коллектор—эмиттер» транзистора VTL Это делается специально для перевода интерфейса в
пассивный «короткозамкнутый» режим с целью снижения риска внешнего повреждения МК;
г) элементы FU1, RV1, Rl, VD1, VD2 служат для защиты МК от вандального повреждения,
когда злоумышленники могут попытаться подать на вход устройства высокое напряжение. Ток
срабатывания предохранителя, сопротивление резистора R1, а также пороговые напряжения
стабилитрона и варистора выбираются в зависимости от предполагаемого источника угрозы
7.5. Интерфейс «К-Line»
Однопроводной двунаправленный интерфейс «К-Line» (ISO-9141, ISO-14230)
применяется в системах диагностики электронной начинки автомобилей. Он
является промышленным стандартом, предназначенным для организации связи
удалённого устройства с компьютерно-диагностическим комплексом.

Интерфейс низкоскоростной 1...10 Кбит/с. Напряжение в линии 12 В.
Существует также низковольтный подстандарт «L-Line» с напряжением 5 В.
Обычно сигналы интерфейса «К-Line» подаются от компьютера в
электронный блок управления (ЭБУ) автомобиля через специальный адаптер.
Применительно к МК этот интерфейс используют в следующих случаях. Во-
первых, если МК выступает в качестве приёмника сигналов от удалённого
датчика. Во-вторых, если МК служит имитатором сигналов компьютера для
оперативной проверки автомобильной системы. И в том, и в другом случаях МК работает
через канал UART, дополненный элементами сопряжения (Рис. 7.6, а...г).
Рис. 7.6. Схемы подключения устройств с интерфейсом «К-Line» к МК:
а) упрощённый вариант адаптера «К-Line». Резистором R6 подбирается ток в линии связи
15...20 мА. Диод VD1 защищает от переполюсовки автомобильного аккумулятора +12 В;
б) применение специализированного драйвера «К-Line» на микросхеме DDI гарантирует
хорошее качество связи. Питание +5 В для МК обеспечивает стабилизатор DA1;
в) входной сигнал поступает в МК через элементы VTlb DD1.1. Выходной сигнал
формируется элементами DDI.2, VT2. При обмене данными используется канал UART. Стабилитрон VD1
повышает помехоустойчивость. Диоды VD2y VD3 защитные по выходу;
г) DDI — это специализированный конвертор сигналов «UART — К-Line/LIN-bus».
ВЫСОКИЙ уровень на верхнем выходе МК активирует приём/передачу данных. Выбор спецификации
«К-Line» или «LIN-bus» производится установкой, соответственно, НИЗКОГО/ВЫСОКОГО
уровня на выводе 8 микросхемы DDL Питание +5 В для МК обеспечивает внутренний
стабилизатор микросхемы DDI, допускающий ток нагрузки 50 мА

7.6- Интерфейс I2C
Двухпроводной интерфейс «Inter Integrated Circuit Bus» был разработан
фирмой Philips в начале 1980-х годов. Сокращённые названия: «Inter-ІС», «ИС»,
«І2С», «12С», «ай-ту-си», «и-два-цэ», «и-два-си».
В настоящее время интерфейс PC и его аналоги применяются в микросхемах
EEPROM, таймерах, МК, ЖКИ, датчиках, АЦП, ЦАП, а также различных видео-
и аудиочипах.
Лицензионные ограничения заставляют многие фирмы выпускать
микросхемы, имеющие совместимость со стандартом PC, под другим названием,
например «Two-wire», «I2C-Like», «ACCES.bus», «TWI», «C2-bus», «SMBus» или просто
«двухпроводная шина». Различия между ними заключаются в допустимой токовой
нагрузке по выходу, максимальной и минимальной скорости передачи данных, в
диапазоне питающих напряжений. Но главное, что алгоритм функционирования
микросхем, количество, назначение, а иногда и названия сигналов остаются
одинаковыми или легко идентифицируемыми.
Аппаратные двухпроводные интерфейсы имеются в большинстве
современных МК с разрядностью 8...32 бита. На физическом и программном уровнях они
совместимы между собой. На бытовом сленге их упорно называют «РС», хотя в
даташитах МК такой термин не фигурирует.
Известны три спецификации параметров интерфейса PC, начиная от первой
официально утверждённой версии 1.0 (1992 г.) и заканчивая версией 2.1 (2000 г.).
В стандарте имеются два обязательных сигнала: информационный SDA (Serial
DAta) и тактовый SCL (Serial CLock). Иногда двунаправленный сигнал SDA
разделяют на две составляющие: входной SDAINn выходной SDAOUT.
Линии SDA, SCL со стороны приёмника и со стороны передатчика
выполняются на основе схем с открытым коллектором/стоком. Это означает, что для
нормальной работы требуются внешние нагрузочные «pull-up» резисторы. В
спецификации параметров PC не регламентируются их точные номиналы. Сопротивления
резисторов рассчитывают, исходя из максимального тока (3 мА) и допустимой
ёмкости нагрузки (не более 400 пФ) [7-14]. Общее правило: чем больше расстояние,
тем меньше нагрузочное сопротивление. На практике стараются выбирать ток в
районе 1 мА и, соответственно, сопротивление 4.7 кОм при питании +5 В.
Интерфейс PC предполагает, что одно из устройств на шине является
«мастером», а все остальные «ведомыми». Различаются они сетевыми адресами, которые
прописываются в ПЗУ каждого «ведомого» или выбираются логическими
уровнями на вспомогательных выводах микросхемы АО...An.
Сигнал SCL по стандарту двунаправленный, но в МК часто применяют
упрощённый алгоритм, согласно которому сигнал SCL генерируется только в одну
сторону, от «мастера» к «ведомому». Максимальная скорость передачи
составляет 100 или 400 Кбит/с. «Крейсерская» длина шины PC — 0.5 м, реже до 2...3 м,
хотя реально работает и на 100 м при сверхнизкой частоте SCL 500 Гц.
МК может формировать сигналы интерфейса PC обычными линиями портов,
а может вести обмен данными через регистры из области SFR и специальные
линии с маркировкой «SCL», «SDA» (если таковые имеются в условном обозначении
микросхемы). Какой путь выбрать, решать разработчику (Рис 7.7, а...н).

Рис. 7.7. Схемы подключения устройств с интерфейсом 12С к МК (начало):
а) типовая схема с двумя нагрузочными резисторами Rl, R2. К линиям SDA, SCL могут
параллельно подключаться ещё несколько PC-совместимых микросхем, подобных DDI;
б) питание внешней микросхемы DDI производится напряжением ВЫСОКОГО уровня с
верхнего выхода МК. Установив на этом выходе НИЗКИЙ уровень, можно полностью
отключить внешнее устройство и сэкономить общее энергопотребление;
в) МК является «мастером» для нескольких «ведомых» микросхем. Резисторы R2, R4...R6
устраняют отражения сигналов в длинной линии и уменьшают взаимовлияние между
«ведомыми». Такие же резисторы (для универсальности) можно поставить и к двум линиям «мастера»;
г) выдача сигналов 12С на внешний разъём XI через защитные делители Rl, R2 и R3, R4;
д) фильтр Rl, С1 по питанию ставят для устранения импульсных помех и наводок, например
от работающего вблизи тиристорного коммутатора. Сигнал SCL обычно имеет форму меандра,
поэтому линию SYN можно использовать для синхронизации других узлов и микросхем;
е) микросхема DDI, поддерживающая интерфейс PC, получает питание +5 В через резистор
R1. Если на время снять это питание НИЗКИМ уровнем с двух выходов МК, то произойдёт
удалённый «горячий сброс» микросхемы DDI и гарантированная инициализация её регистров; О

© Рис. 7.7. Схемы подключения устройств с интерфейсом PC к МК (продолжение):
ж) двунаправленное сопряжение «пятивольтового» МК с «трёхвольтовым» внешним РС-
устройством. Согласование уровней осуществляют полевые транзисторы VT1, VT2.
Аналогичную схему можно применять для других цифровых интерфейсов;
з) увеличение примерно в 10 раз дальности связи по шине 12С за счёт применения усилителей
тока DDI, DD2 фирмы Philips. Замена микросхем — Р82В96;
и) применение двух нелинейных нагрузок «active pull-up» на ключах микросхемы DA1. При
НИЗКОМ уровне на линиях SCL, SDA ключи DA1.1, DA1.2 размыкаются, резисторы R2, R4
отключаются. При ВЫСОКОМ уровне на линиях SCL, SDA ключи замыкаются, суммарное
сопротивление нагрузки уменьшается из-за параллельного включения резисторов R1 и R2, R3 и R4.
Заряд ёмкости шины будет происходить быстрее, фронты сигналов SCL, SDA станут более
крутыми, что в сумме должно повысить скорость передачи информации; О

О Рис. 7.7. Схемы подключения устройств с интерфейсом 12С к МК (окончание):
к) светодиод НЫ является индикатором передачи сигналов по шине SDA. Транзистор VT1
служит ключом и снижает нагрузку по току на линию SDA. Конденсатор С1 способствует
уменьшению мерцания светодиода НЫ;
л) сопряжение двух шин 12С с разными напряжениями питания через двунаправленный
специализированный буфер DDI;
м) двунаправленный оптоизолятор шины 12С. Скорость передачи информации определяется
быстродействием оптопар VU1, VU2, например для РС817С это 10 Кбит/с;
н) аналогично Рис. 7.7, м, но с повышенным быстродействием ввиду применения оптопар
VU1, VU2, которые содержат внутри дополнительный интегральный усилитель с открытым
коллектором. Резисторы RL..R4 имеют низкие сопротивления, что также способствует повышению
быстродействия

7.7. Интерфейсы UART/USART
UART (Universal Asynchronous serial Receiver and Transmitter) — это интерфейс
универсального асинхронного приёмопередатчика, широко применяемый для
связи МК с внешними устройствами по двухпроводной схеме.
USART (UART Synchronous) отличается от UART расширенным составом
сигналов и дополнительными режимами работы.
Интерфейсы UART и USART являются полнодуплексными (и приём, и
передача), работающими в диапазоне скоростей до 5 Мбит/с. Модули их
приёмопередатчиков построены по идентичной схеме. Общего между интерфейсами UART и
USART гораздо больше, чем различий, поэтому на практике их условно
объединяют одним общим универсальным термином «UART» (Рис. 7.8, а...д).
Главные действующие сигналы интерфейсов UART/USART — это входной
RxD (Receive Data) и выходной TxD (Transmit Data). Строчная буква «х» в середине
аббревиатуры никак не расшифровывается, это связка.
Рис. 7.8. Схемы подключения
устройств с интерфейсом
UART к МК (начало):
а) джампером ХТ1 выбирается один из двух режимов ввода сигналов в МК: от СОМ-порта
(верхнее положение, инверсия) или от UART (нижнее положение, без инверсии);
б) £С-фильтры ставят для снижения излучаемых ВЧ-помех и уменьшения скорости
нарастания напряжения на фронтах сигналов для подавления так называемого «звона»;
в) линия МК в режиме входа используется для программирования МК через «звуковой» бут-
лоудер (загрузка аудиофайлов от компьютера или МРЗ-плеера). Эту же линию МК можно
перестроить как выход UART и передавать цифровые данные в компьютер через звуковую карту;
г) входной сигнал одновременно поступает на UART (линия RxD) и на обычную цифровую
линию порта. Это надо, например, для анализа достоверности данных, принимаемых по каналу
UART. Можно также подавать сигнал UART на АЦП МК (ADQ для контроля амплитуды; О

О Рис. 7.8. Схемы подключения
устройств с интерфейсом UART
к МК (окончание):
д) на выход TxD(2) поступают цифровые сигналы или от входа TxD(l) через транзистор VTly
или от обычной линии МК с открытым стоком (логическое ИЛИ)
На Рис. 7.9, а...е показаны сетевые применения интерфейса UART,
позволяющие объединить два и более МК между собой.
Рис. 7.9. Схемы сетевых применений интерфейса UART (начало):
а) подключение двух (или нескольких) МК к одному СОМ-порту на скорости 9600 бит/с.
Используются параллельный приём по цепи TxD и поочерёдная передача по цепи RxD. Диоды
VD1, VD2 лучше поставить Шоттки;
б) передача/приём сигналов UART по одному проводу. Применяется в программаторах МК.
Буферный элемент DD2 имеет выход с открытым стоком, нагрузкой служит резистор R1. На
время передачи сигнала TxD приёмный тракт блокируется элементом DD1.2 (устраняется «эхо»);
в) аналогично Рис. 7.9, б, но с отсутствием аппаратной блокировки тракта приёма RxD во
время передачи сигнала TxD (присутствует эффект «эхо»);
г) сопряжение двух МК с одинаковыми напряжениями питания. Резисторы Rl, R2 могут
понадобиться при больших скоростях передачи для устранения «звона» на фронтах сигналов; О

О Рис. 7.9. Схемы сетевых применений интерфейса UART (окончание):
д) сопряжение двух МК с разным питанием по каналу UART на скорости до 38400 бит/с;
е) аналогично Рис. 7.9, д, но с резистивным делителем в канале передачи от МК(1) к МК(2).
В канале приёма делитель не нужен из-за того, что уровень +3.3 В воспринимается как лог. 1
7.8. Интерфейс RS-485
Основным недостатком интерфейсов «1-Wire», PC, UART является их низкая
помехоустойчивость. Из-за внешних электромагнитных наводок наблюдаются
кратковременные сдвиги абсолютных уровней сигналов ниже допуска, что
расценивается как ошибка. Длина линии связи в зависимости от типа драйвера
ограничивается 1... 15 м, иначе приходится резко снижать скорость обмена данными.
Преодолеть трудности можно с переходом на дифференциальные
двухпроводные системы, где используются противофазные сигналы с разностью напряжения
1.5...2 В. На дальней стороне линии чувствительный приёмник анализирует знак
разности — положительный или отрицательный, затем он же выносит решение,
какое логическое состояние передаётся в данный момент времени. И хотя
внешние электромагнитные помехи будут по-прежнему сдвигать абсолютные уровни
сигналов, но разность между ними останется прежней. Отсюда вытекает основное
достоинство дифференциальных интерфейсов — высокая помехоустойчивость.
Интерфейс RS-485 (официальное название TIA/EIA-485-A) построен по
дифференциальной схеме. Соединительная линия представляет собой два скрученных
провода «А» и «В», по которым передаются противофазные сигналы. Для связи
часто пользуются компьютерным кабелем UTP категории 5, желательно в экране
или с дополнительным «земляным» дренажным проводом.
Стандартом ограничивается максимальная дальность связи 1.2 км. Допускается
сетевое расширение до 32 (реально до 64...256) узлов по схеме «общая шина».
Иногда встречается двойное обозначение — интерфейс RS-485/RS-422. Здесь
подразумевается совместимость снизу вверх. Интерфейс RS-422 похож на RS-485,
но в чистом виде используется редко. Связано это с тем, что полнодуплексную
передачу сигналов по четырем проводам «точка-точка» можно осуществить через
дешёвые и более мощные приёмопередатчики RS-485. Поэтому вводят разделение
на двухпроводные (полудуплекс) и четырёхпроводные (дуплекс) варианты RS-485.
Частным случаем последнего можно считать интерфейс RS-422.

На Рис. 7.10, а...ж показаны схемы подключения устройств с интерфейсом
RS-485 к МК.
Рис. 7.10. Схемы подключения устройств с интерфейсом RS-485 к МК (начало):
а) базовая схема конвертора «UART — RS-485» на стандартном драйвере DDI из серии «485».
Направление передачи/приёма выбирается уровнями на выводах 2 и 3 микросхемы DDI.
Перемычками S1...S3 выбирается один из двух режимов: «Master» (мастер, ведущий) или «Slave»
(подчинённый, ведомый), при этом в режиме «мастер» обеспечивается начальная разность
потенциалов между проводами «А» и «В». Управляющий МК в системе должен быть один,
остальные — «ведомые». Элементы VD1...VD6, FU1, FU2, FV1 защищают от промышленных помех и
наведённых грозовых разрядов. Резисторы R3, R4 обеспечивают связь с сигнальной и защитной
«землей» для уменьшения «блуждающих» токов. Линия «С» соединяется с металлической
оплеткой кабеля или с отдельным дренажным проводом;
б) аналогично Рис. 7.10, а, но с коротким замыканием выводов 2 и 3 микросхемы DDI. Это
упрощает логику работы, но не позволяет полностью отключать драйвер RS-485 от линии связи
и делать его не видимым для остальных участников сети;
в) аналогично Рис. 7.10, б, но с дополнительными резисторами RL..R3. Они обеспечивают
«привязку» к питанию и общему проводу входов микросхемы DDI в момент рестарта МК или
при включении питания, чтобы в линию связи не посылались ложные данные. МК может
работать через канал UART или через обычный порт со своим протоколом обмена информацией; О

Рис. 7.10. Схемы подключения устройств с интерфейсом RS-485 к МК (продолжение):
г) аналогично Рис. 7.10, а, но с дополнительными резисторами R1...R3, которые позволяют
осуществить «горячее» подключение устройства к линии. Вход прерывания INT используется
для определения момента прихода нового пакета импульсов;
д) узел на транзисторе VT1 автоматически переключает направление приём/передача при
появлении импульсов на линии TxD. Постоянная времени цепочки R2, С1 рассчитывается так,
чтобы в паузах сигнала TxD не происходило переключение напряжения на выводах DE и RE с
НИЗКОГО в ВЫСОКИЙ уровень;
е) организация связи между двумя МК на расстояние несколько сотен метров (аналог
интерфейса RS-422). Микросхемы DDI, DD4 настраиваются только на передачу, а микросхемы
DD2, DD3 — только на приём. Согласующие резисторы Rl, R2 не обязательны при малой длине
между устройствами и низком уровне помех. Их отсутствие уменьшает потребление тока. Если
используется экранированный соединительный кабель, то необходимо установить по «земле»
ещё два дополнительных резистора сопротивлением 100 Ом по аналогии с Рис. 7.10, а.
Вместо микросхем DD1...DD4 можно поставить их более низковольтные аналоги STM3485 фирмы
STMicroelectronics, при этом напряжение питание следует уменьшить с +5 до +3...+3.6 В; О

О Рис. 7.10. Схемы подключения устройств с интерфейсом RS-485 к МК (окончание):
ж) светодиоды НЫ, HL2 индицируют приём/передачу сигналов. На выходе микросхемы
DDI отсутствуют защитные элементы, следовательно, устройство не предназначено для работы
на длинную линию и в сложной помеховой обстановке
7.9. Интерфейс «Токовая петля»
Интерфейс «Токовая петля» широко распространён в промышленной
автоматике и в системах сбора данных с удалённых датчиков. Он похож на RS-232, но
информация в нём передаётся не перепадами напряжения, а посылками тока.
Преимущества интерфейса «Токовая петля»:
длина линии передачи и омическое сопротивление проводов не столь
существенны, как в RS-232, поскольку источник тока автоматически
поддерживает необходимое напряжение в линии;
удалённый датчик можно запитывать непосредственно через линию
передачи на стороне «мастера» (МК);
допускается последовательное соединение нескольких датчиков в одну
общую цепь.
Различают «цифровую» и «аналоговую» версии интерфейса [7-27].
К «цифровым» интерфейсам относятся: «ИРПС 20 мА», «ИРПС 40 мА»,
«МШІ». Здесь посылки тока имеют два дискретных уровня с максимумом,
соответственно, 20; 40 и 5 мА. Например, в интерфейсе «ИРПС 20 мА»
регламентируется посылка «нуля» 0..3 мА и «единицы» 15...25 мА при нагрузке 100 Ом.
«Аналоговый» интерфейс носит название «Токовая петля 4-20 мА» или,
сокращённо, на английский манер, «4-20 тА». Здесь информация от удалённого
датчика преобразуется в ток, плавно изменяющийся в диапазоне 4...20 мА, т.е.
наименьшее значение сигнала соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Полное
отсутствие тока в цепи означает аварию из-за физического обрыва проводов.
На Рис. 7.11, а...в показаны схемы ввода/вывода сигналов через интерфейс
«Токовая петля».

Рис. 7.11. Схемы ввода/вывода сигналов через интерфейс «Токовая петля»:
а) на низкоомном резисторе R1 при протекании в линии передачи тока 20 мА падает
напряжение, достаточное для того, чтобы открылся транзистор VT1 и сработал триггер Шмитта DDI;
б) на элементах VD1, VD2, VT2, R2, R3 собран генератор тока, которым управляет МК через
транзистор VT1. Если на выходе МК НИЗКИЙ уровень — ток отсутствует, если ВЫСОКИЙ —
ток, близкий к 20 мА, который рассчитывается по формуле /[А] = 0.7 / R3[Ou\;
в) оптоизолированный интерфейс «Токовая петля». Резистором R1 подбирается порог
срабатывания оптопары VU1 в зависимости от протекающего в линии тока
7.10. Часы реального времени RTC
Данные о текущем времени МК может получить следующими способами:
от внешней микросхемы таймера RTC (Real Time Clock). Связь
осуществляется по двух- или трёхпроводному последовательному интерфейсу;
программной организацией внутренних часов в МК, синхронизируемых
отдельным кварцевым резонатором частотой 32768 Гц;
от GSM-модуля или персонального компьютера, имеющего доступ в
Интернет к сайту службы точного времени;
от радиотрансляционной сети по «часовым» сигналам точного времени;
от радионавигационных приёмников или GPS/GLONASS-модулей.
Два первых способа аппаратно и программно проще (дешевле, компактнее),
чем остальные. Именно их чаще всего и применяют на практике.
Опытные электронщики рекомендуют вариант с внешним таймером RTC. Они
считают, что лишние радиоэлементы окупаются простотой программирования.
Кроме того, микросхема-таймер содержит календарь на 100 лет вперёд и перена-

страиваемый будильник. К ней можно подсоединить внешний аккумулятор,
батарею или ионистор, чтобы не сбивался ход времени при отключении питания.
Маститые программисты ратуют за второй вариант, поскольку он содержит
меньше навесных деталей и гибче в адаптации к конкретному устройству.
На Рис. 7.12, а...д показаны схемы организации часов реального времени в МК.
Рис. 7.12. Схемы организации часов реального времени в МК (начало):
а) аппаратный вариант RTC. Текущее время считывается из внутренних регистров
микросхемы-таймера DDI фирмы Philips. Точность хода регулируется конденсатором С2. Сигнал
будильника с вывода 7 микросхемы DDI может подаваться на вход прерывания МК.
Конденсатор большой ёмкости С1 поддерживает почти час работу микросхемы DDI при отключённом
питании +5 В. Диод VD1 не даёт разряжаться конденсатору С1 через внутренние цепи МК;
б) аналогично Рис. 7.12, а, но с микросхемой DDI фирмы Maxim Integrated и с резервным
питанием от литиевой батареи G1. Конденсатором С2 регулируется точность хода часов. Диоды
VD1, VD2 соединяются по схеме «ИЛИ», что обеспечивает автоматическое подключение батареи
к микросхеме DDI при пропадании питания +5 В;
в) аналогично Рис. 7.12, а, но часы реального времени на микросхеме DDI получают
резервное питание от ионистора С1. Это конденсатор сверхбольшой ёмкости. Заряжается он
достаточно медленно через токоограничивающий резистор R 7, что надо учитывать в программе МК; О

О Рис. 7.12. Схемы организации часов реального времени в МК (окончание):
г) программная организация часов реального времени при отсутствии в МК аппаратного
RTC. На вход прерывания INT поступают стабильные импульсы от кварцевого генератора;
д) аналогично Рис. 7.12, г, но «часовой» кварцевый резонатор ZQ2 подключается к
специальным выводам МК, имеющим альтернативную функцию RTC1, RTC2. Программа должна
отсчитывать секундные метки по внутреннему таймеру МК и сама расчитывать минуты, часы, дни,
месяцы, годы. Рекомендуется опытным программистам
7.11. Интерфейс SPI
Последовательный периферийный интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface)
реализован практически во всех современных МК. С его помощью, во-первых,
можно осуществлять обмен данными между МК и различными периферийными
устройствами, например флеш-ПЗУ, ЦАП, АЦП и т.д. Во-вторых, через
интерфейс SPI производится внутрисхемное последовательное программирование.
При обмене данными по интерфейсу SPI МК может выступать как «ведущий»,
«мастер» (Master) или как «ведомый» (Slave). Программист через регистры
устанавливает скорость, направление и формат передачи информации.
На Рис. 7.13, а...в и в Табл. 7.1 представлен полный набор сигналов интерфейса
SPI. Не обязательные цепи CS7, CS2, CSмогут отсутствовать. Оставшиеся три
сигнала — базовые, в связи с чем интерфейс SPI часто называют трёхпроводным.
Таблица 7.1. Раскладка сигналов интерфейса SPI
Сигнал
Расшифровка
Функция
Назначение
SCK
Serial ClocK
Вход МК
Тактовый сигнал
MOSI
Master Output — Slave Input
Вход МК
Входной информационный сигнал
MISO
Master Input — Slave Output
Выход МК
Выходной информационный сигнал
CS1
Chip Select 1
Выход МК
Выбор направления «ведомый—ведущий»
CS2
Chip Select 2
Вход МК
Выбор направления «ведущий—ведомый»
CS(NSS)
Chip Select
Вход/выход
Выбор «ведущего» или «ведомого»
МК может формировать сигналы интерфейса SPI обычными линиями
цифровых портов, но быстрее это делается аппаратным способом через специальные
регистры и альтернативные функции назначенных выводов.

Рис. 7.13. Состав сигналов интерфейса SPI:
а) в системе, состоящей из двух МК, сигналами CS1 и CS2 определяется, какой из
контроллеров будет «Master», а какой — «Slave». Эти функции программист в любой момент времени
может поменять местами. Сигналы GS7, CS2, как правило, формируются через обычные цифровые
линий портов;
б) аналогично Рис. 7.13, а, но с использованием двунаправленного сигнала CS;
в) классическая трёхпроводная схема соединения с жёстко заданными ролями «ведомый» и
«ведущий»
На Рис. 7.14, а...н показаны схемы организации связи через интерфейс SPI.
Рис. 7.14. Схемы организации связи через интерфейс SPI (начало):
а) резисторы Rl, R2 не дают «висеть в воздухе» входам MISO и SCK при физическом
отключении «ведущего» устройства от разъёма SPI или переводе его линий в Z-состояние. Если
интерфейс SPI используется для программирования, то вместо двух резисторов R7, R2 часто ставят
один (R3) — между линией SCK и общим проводом, чтобы предотвратить процесс изменения
прошивки МК при сильном уровне помех;
б) конденсаторы C/...CJ устраняют «звон» на фронтах сигналов при больших расстояниях
между объектами;
в) совместное использование трёх линий интерфейса SPI как для программирования, так и
для выдачи данных на ЖКИ HGL Линии DB5...DB7B индикаторе HG1 являются входами и не
оказывают никакого влияния на процесс передачи данных к программатору; О

О Рис. 7.14. Схемы организации связи через интерфейс SPI (продолжение):
г) четырёхпроводное подключение флеш-ПЗУ DS1 фирмы Atmel к МК. Используется
интерфейс, совместимый с SPI, — «DO» (MISO), «DI» (MOSI), «SC» (SCK). Управляющий сигнал CS
имеет ВЫСОКИЙ активный уровень, что не принципиально;
д) аналогично Рис. 7.14, г, но с совмещением линий DI, DO;
е) резистор R1 не даёт «висеть в воздухе» входу CS микросхемы DS1 при начальном рестарте
МК. Резистор &2развязывает вход Din выход DO микросхемы DS1;
ж) к стандартному набору сигналов интерфейса SPI — «SO» (MISO), «SI» (MOSI), SCK,CS —
добавляется сигнал RDY, который индицирует готовность «ведомой» микросхемы памяти DS1
(фирма Atmel) к обмену данными с МК;
з) МК может выступать в качестве «Master» (работа) или «Slave» (программирование), при
этом резисторы R1...R3 не дают соединяться цепям накоротко;
и) если интерфейс SPI используется для программирования МК «высоковольтным» (+5 В)
адаптером, то в схему вводятся ограничительные резисторы Rl, R2. По линии MISO резистор не
нужен, поскольку «мастер» в программаторе воспринимает уровень +3.3 В, как лог. 1; О

Рис. 7.14. Схемы организации связи через интерфейс SPI (окончание):
к) приём сигналов SCK и MISO от звуковой карты компьютера. Выходной сигнал MOSI
обратно в компьютер не возвращается, он выводится на светодиод Я/, 7 для индикации работы;
л) при штатной работе выходные сигналы шины SPI используются как обычные линии
цифровых портов. Через них засвечивается индикатор НЫ и звучит «пьезопищалка» HAL Эти же
элементы в режиме программирования МК будут индицировать светом и звуком ход процесса;
м) для снижения амплитуды сигналов SPI с 5 до 3.3 В используются маломощные
кремниевые диоды VDL..VD3. Ток нагрузки определяется резистором RL Достоинство — крутые
передние фронты из-за низкого динамического сопротивления диодов. Недостаток — затягивание
задних фронтов, когда диоды закрыты;
н) параллельное подключение 5 панелей для установки разных типов МК, программируемых
через интерфейс SPI. В данной схеме используются AVR-контроллеры, но по такому же
принципу можно организовать многопосадочный программатор для других семейств МК
7.12. Интерфейс карт памяти MMC/SD
Среди многочисленных разновидностей карт памяти радиолюбители успешно
освоили ММС и SD (Табл. 7.2), подключая к ним МК через интерфейс SPI.
Различают три форм-фактора карт памяти ММС и столько же SD — обычный,
«мини» и «микро» (Рис. 7.15, а...е). Применять можно любой из них, но с учётом раз-

ницы в габаритах и цоколёвке. Размеры форм-факторов стандартизованы и жёстко
соблюдаются вне зависимости от страны изготовления и фирмы-разработчика.
В комплекте с картами памяти иногда прилагаются пластиковые переходные
колодки — с «мини» на обычный размер или с «микро» на обычный размер.
Таблица 7.2. Характеристики карт памяти MMC/SD
Карта памяти
Тип
Фирма-разработчик
Год
Число
выводов
Разновидности
MultiMedia
Card
ммс
SanDisk, Siemens AG
1997
7 или 13
ММС, MMCplus, MMCmobile,
RS-MMC, MMCmicro, HS-MMC
Secure Digital
Card
SD
SanDisk, Panasonic,
Toshiba
2001
8
(9 или 11)
SD, miniSD, microSD,
microSDHC, TransFlash
Рис. 7.15. Карты памяти MMC/SD разных форм-факторов:
а) обычный ММС; б) miniMMC; в) microMMC; г) обычный SD; д) miniSD; е) microSD
Типовые параметры современных карт памяти: хранение информации не
менее 10 лет при выключенном питании, наработка на отказ не менее 1 млн. часов,
100ООО... 1000000 циклов «запись—стирание», ёмкость памяти 1...512 Гбайт.
Последний показатель каждый год удваивается, а цена снижается, что делает карты
памяти очень привлекательными в любительских разработках.
Исторически первыми появились ММС (MultiMedia Card), вслед за ними SD
(Secure Digital Card [7-33]). Электрические сигналы и протокол работы у них
похожи, поэтому часто можно встретить двойное обозначение MMC/SD. Однако

сейчас карты памяти SD являются самыми массовыми по производству в мире, и
именно о них пойдёт речь дальше.
Физическое соединение карт памяти с МК легко осуществляется через
классический интерфейс SPI, дополненный сигналом выбора кристалла CS (Табл. 7.3).
Питание трёхвольтовое, поэтому может понадобиться согласование уровней.
Таблица 7.3. Раскладка сигналов интерфейса карт памяти MMC/SD
Контакт
Сигнал
Расшифровка
Функция
Назначение
1
CS
Chip Select
Вход
Выбор кристалла
2
DI
Data Input
Вход
Вход данных
3
Vss
Voltage Source-to-Source
Общий
Общий питания
4
VCC
Voltage Collector-to-Collector
Питание
Плюс питания +2.7...+3.6 В
5
SCLK
Synchro CLocK
Вход
Тактовые импульсы
6
Vss2
Voltage Source-to-Source 2
Общий
Общий питания
7
DO
Data Output
Выход
Выход данных
8...13
NC
No Connect
—
Не используется
В качестве ответных частей для физической стыковки карт памяти
применяют специальные покупные разъёмы-держатели или переходные колодки,
поставляемые вместе с ними (Рис. 7.16, а...в). Как крайний вариант металлизированные
контакты разъёма карты памяти можно распаять тонкими проводами прямо на
дорожки печатной платы устройства, содержащего МК.
Рис. 7.16. Переходные колодки для установки карт памяти SD (a), miniSD (б), microSD (в)
Контакты CD-GND замыкаются накоротко при физической установке карты
памяти в переходную колодку. Для МК это означает, что с картой памяти можно
начинать работу. И наоборот, размыкание контактов означает изъятие карты
памяти из переходной колодки и прекращение работы.
Контакты WP-GND позволяют осуществить защиту информации от
несанкционированного стирания или перезаписи. Для этого пользователь сдвигает в
сторону рычажок, находящийся на корпусе переходной колодки. Защита происходит
не аппаратная, а программная, т.е. МК должен сам проанализировать состояние
цепи WPn запретить любую коррекцию данных.

На Рис. 7.17, а...з показаны схемы подключения карт памяти MMC/SD к
Рис. 7.17. Схемы подключения карт памяти MMC/SD к МК (начало):
а) микросхема DDI служит защитным буфером между МК и картой памяти MMC/SD в
случае нештатных электрических воздействий через внешний разъём. Резистор R1 устраняет
возможные наводки на «висящий в воздухе» вход микросхемы DDI при рестарте МК;
б) согласование «пятивольтовых» выходов МК с «трёхвольтовыми» входами карты памяти
MMC/SD с помощью резистивных делителей RL..R3, R5...R7. Делитель напряжения в
обратную сторону (от MMC/SD к МК) не требуется. Вместо него достаточно буферного резистора R4,
т.к. вход МК воспринимает напряжение +3.3 В как ВЫСОКИЙ уровень. Стабилизатор питания
DA1 можно заменить любым другим, маломощным, обеспечивающим выходное напряжение
+3.0...+3.3 В с ограничением тока на уровне 100 мА на случай КЗ в разъёме;
в) полное электрическое отключение карты памяти SDcard (парковка). Выходы нижней
половины микросхемы DDI переводятся в Z-состояние НИЗКИМ уровнем на выводе 19.
Одновременно закрывается транзистор VT1, и карта памяти обесточивается. Резисторы Rl, R3...R8
не дают «висеть в воздухе» контактам карты памяти в режиме парковки. Резистор R9 ускоряет
разряд конденсаторов С7, С2. Светодиод HL 1 индицирует обращение МК к карте памяти; О

О Рис. 7.17. Схемы подключения карт памяти MMC/SD к МК (продолжение):
г) питание МК и карты памяти MMC/SD осуществляется от одного низковольтного
источника напряжения +3.0...+3.6 В. Резисторы R1...R6 устраняют влияние внешних наводок при
рестарте МК, когда все линии портов переходят в Z-состояние. Резисторы R7...R10 защищают
выходы МК от электрических замыканий, связанных с механическим сдвигом ламелей в
соединительном разъёме;
д) непосредственное подключение карты памяти MMC/SD к МК. Наличие/отсутствие
контактов WP (защита записи), DET (наличие карты), СОМ (общий для WPvlDET) зависит от
конструкции держателя или переходника, в который устанавливается карта;
е) транзистор VT1 включает/выключает питание карты памяти MMC/SD для осуществления
корректной парковки. Фильтр Z,/, С1 уменьшает ВЧ-помехи. Резистор R2 устраняет наводки в
цепи тактового сигнала SCLK. Парковка карты памяти заключается в установке на трёх
верхних выходах МК НИЗКИХ уровней, после чего следует отключить транзистор VT1 ВЫСОКИМ
уровнем с нижнего выхода МК. Резистор R1 в упрощённом варианте может отсутствовать, а
катушку индуктивности Ы допускается закоротить перемычкой; О

О Рис. 7.17. Схемы подключения карт памяти MMC/SD к МК (окончание):
ж) аналогично Рис. 7.17, е, но с меньшим числом деталей. Парковка карты памяти
заключается в установке на 5 нижних выходах МК НИЗКИХ уровней, после чего следует закрыть
транзистор VT1 ВЫСОКИМ уровнем с верхнего выхода МК. Выводы карты памяти CD (наличие
устройства) и WP (защита от записи) могут отсутствовать или быть незадействованными;
з)для сопряжения с картой памяти используется интерфейс SPI. Диоды VD1...VD3 отводят
избыточный ток, при этом стабилизатор DA 1 должен обязательно иметь обратную связь по
выходному напряжению, чтобы «поглощать» излишки тока (78L033 для этих задач не годится)
7.13. Работа с навигационными модулями GPS
GPS (Global Positioning System) — это глобальная спутниковая
навигационная система. Позволяет в любом месте Земли (исключая приполярные области)
определять с точностью до метров местоположение и скорость объекта.
Достижения микроэлектроники последнего времени сделали доступными дешёвые
модули приёмников GPS. Работают они на одной (1575.42 МГц) или на двух
(1575.42/1227.6 МГц) частотах, имеют встроенную антенну. Входные/выходные
сигналы совместимы по уровням с КМОП (3 В), по логике работы — с UART, а по
протоколу обмена информацией — с NMEA 0183.

На Рис. 7.18, а...г показаны схемы подключения модулей GPS к MKi
Рис. 7.18. Схемы подключения модулей GPS к МК:
д)А1 — это двухчастотный 1227/1575 МГц модуль GPS новозеландской фирмы Navman.
Батарея G1 поддерживает активность модуля GPS при снятии основного питания +5 В.
Напряжение Va требуется для питания внешней активной антенны;
б) А1 — это навигационный модуль GPS фирмы Position (возможная замена GPS-54). МК
принимает информацию по входу RxD на скорости 9600 бит/с. Элементы Rl, VD1 служат для
сопряжения логических уровней. По цепи TxD сопряжение не требуется, т.к. входы GPS-модуля
толерантные к напряжению 5 В. Модуль А1 по умолчанию настроен для работы в локальной
японской системе координат Tokyo Mean Solution (переключатель SI разомкнут). Если
переключатель S1 замкнут, то МК сразу после подачи питания автоматически передаёт блок команд,
настраивающих модуль GPS на работу во всемирной системе координат WGS-84. Системы
основаны на разных математических моделях формы геоида Земли. Разница показаний 30...450 м;
в) модуль GPS А1 (фирма CanMore Electronics), кроме обычных ТТЛ, имеет также
«высоковольтные» входы/выходы с уровнями RS-232 (RS232_Out, RS232_In). Это позволяет для
сопряжения применить драйвер RS-232 DA1 и (при необходимости) значительно увеличить длину
линии связи. Скорость передачи данных 4800...38 400 бит/с;
г) особенность схемы — связь МК с модулем GPS А1 осуществляется не через аппаратный, а
через программный soft-UART Ионистор С7 поддерживает до двух дней спящий режим модуля
А1. Резистор R3 снижает ток заряда ионистора при начальном включении питания +3.3 В

7.14. Интерфейс MIDI
Рис. 7.19. Схемы
подключения входов МК к
интерфейсу MIDI (начало):
а) простая схема опторазвязки сигналов. Диод VD1 обеспечивает симметричность нагрузки;
б) VU1 — это оптопара со встроенным предварительным усилителем и триггером Шмитта,
что обеспечивает высокую скорость передачи данных. Резистор R2 является нагрузкой
транзистора оптопары VU1. Его низкое сопротивление увеличивает крутизну фронтов сигнала;
в) светодиод НЫ индицирует приём сигналов MIDI. Токовое зеркало на транзисторах К77,
VT2 увеличивает скорость нарастания сигналов (повышает достоверность приёма данных); О
MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface) — это цифровой интерфейс
музыкальных инструментов. Большинство клавиров, музыкальных синтезаторов,
сэмплеров поддерживают протокол MIDI. В компьютерной технике в первых
звуковых картах имелся даже специальный разъём «Game/MIDI». Через него можно
было подключить MIDI-клавиатуру и использовать компьютер в качестве
синтезатора музыкальных композиций.
Информация в протоколе MIDI передаётся в последовательном виде со
скоростью 31250 бит/с. Имеются входные и выходные пятиштырьковые разъёмы форм-
фактора DIN. Все цепи по стандарту должны быть оптоизолированными.
Интерфейс MIDI применительно к МК используется как по входу, так и по
выходу. В первом случае МК выполняет функцию генератора программных
сообщений, из которых формируются ноты мелодии для воспроизведения в компьютере
или синтезаторе. Во втором случае МК принимает текстовые сообщения
определённого формата и по ним воспроизводит музыку, как MIDI-roieep.
На Рис. 7.19, а...д показаны схемы подключения входов, а на Рис. 7.20, а...д —
выходов МК к интерфейсу MIDI.

© Рис. 7.19. Схемы подключения входов МК к интерфейсу MIDI (окончание):
г) разъём XS2 «MIDI THRU» называется промежуточным. На него копируются данные,
поступающие от разъёма XS1 «MIDI IN», для подключения дополнительных MIDI-устройств
(расширение системы). Светодиод НЫ индицирует приём сигналов по каналу MIDI;
д) аналогично Рис. 7.19, б, но с применением транзисторной оптопары VU1, имеющей
сверхвысокий коэффициент передачи сигнала
Рис. 7.20. Схемы подключения выходов МК к интерфейсу MIDI (начало):
а) простая схема выдачи сигналов от МК на разъём XS1 «MIDI_OUT»;
б) визуализация процесса передачи сигналов MIDI светодиодом НЫ. Частота сигналов
составляет десятки килогерц, поэтому мигание будет видно только при перерывах в посылках; О

О Рис. 7.20. Схемы подключения выходов МК к интерфейсу MIDI
(окончание):
в) аналогично Рис. 7.20, а, но с буферными транзисторами К77, VT2. Это позволяет сделать
выход «MIDI» с настоящим открытым коллектором и защитить МК от всплесков напряжения.
Другая идея целесообразности применения данной схемы — если МК имеет «слабые» по
нагрузке порты и их надо «усилить». Конденсатор С1 повышает крутизну переднего фронта сигнала;
г) полное подключение МК к разъёму «Game/MIDI» компьютера, включая питание +5 В.
Гальваническая развязка отсутствует. Буферные инверторы DD1.1, £0/.2 установлены, чтобы не
«спалить» МК при случайной перекоммутации разъёмов. Если страха нет, эти буферные
элементы можно не устанавливать;
д) передача сигналов интерфейса MIDI от МК в компьютер с оптоизоляцией через
оптопару VU1. Используется старинный разъём «Game/MIDI», который имеется далеко не на всех
современных звуковых картах (нужна раритетная звуковая карта). Используется канал UART со
скоростью передачи 31.25 Кбит/с

7.15- Интерфейс S/PDIF
Рис. 7.21. Схемы генерации сигналов через интерфейс S/PDIF:
а) простая схема генерации сигналов S/PDIF с трансформаторной развязкой. Сигналы на
выходах МК должны выставляться синхронно. Запараллеливание выходов МК позволяет
противодействовать завалу фронтов импульсов;
б) в данной схеме сигналы S/PDIF разделяются на два канала: коаксиальный выход через
разъём XS1 и оптический выход через модуль фирмы Toshiba. Запараллеливание выходов МК
нужно только для коаксиального выхода, для оптического достаточно одной линии порта;
в) генерация сигналов интерфейса S/PDIF («цифровой звук») через буферные инверторы на
микросхеме DDL Выходное сопротивление 75 Ом, размах напряжения на нагрузке 0.5...0.8 В
S/PDIF (Sony/Philips Digital Interconnect Format) — это формат, описывающий
передачу «цифрового звука» высокого качества на расстояние до 10 м.
Первоначально применялся в CD-плеерах, затем стал общим для разных аудиосистем, от
компьютерных до автомобильных.
На физическом уровне различают электрический и оптический стыки. В
первом случае нужен телевизионный коаксиальный кабель с волновым
сопротивлением 75 Ом. При оптическом соединении применяются оптоконнекторы Toslink.
Высокая скорость передачи данных 3...15 Мбит/с ограничивает (пока) сферу
применения интерфейса S/PDIF в МК. Но наработки уже имеются [7-49], а в
будущем можно ориентироваться на схемы, изображённые на Рис. 7.21, а...в. Они
также пригодятся в тех случаях, когда, например, требуется организовать передачу
цифровых сигналов на более низкой скорости через коаксиальный тракт.

7.16. Прочие интерфейсы
Рис. 7.22. Схемы подключения устройств с прочими интерфейсами к МК (начало):
а) сопряжение с интерфейсом JTAG, который обычно используется при прошивке МК и
отладке программ. МК может формировать сигналы через обычные линии портов или через
внутренний аппаратный контроллер JTAG. Имеется ли он в наличии в конкретном МК, можно
узнать по даташиту, поиском альтернативных названий выводов: ТСК, TMS, TDO, TDI\
б) упрощённая схема подключения устройств через интерфейс JTAG;
в) МК генерирует сигналы для электронной ударной установки, имеющей вход «Секвенсор».
Другие названия установки: «ритм-бокс», «драм-машина». На выходах МК устанавливаются
НИЗКИЕ/ВЫСОКИЕ уровни, соответствующие исполняемому ритмическому рисунку;
г) двунаправленный «цифровой» оптоизолятор. Для вхождения в связь нужен специальный
программный протокол, поскольку схемы на обеих сторонах симметричны; О
На Рис. 7.22, а...п показаны схемы подключения устройств с прочими
(необычными, оригинальными, узкоспециализированными,
малораспространёнными) интерфейсами к МК.

О Рис. 7.22. Схемы подключения устройств с прочими интерфейсами к МК (продолжение):
д) приём и передача цифровых сигналов со скоростью 250... 1000 Кбит/с через два
одинаковых модуля Al, А2, применяемых в беспроводных клавиатурах и беспроводных мышах. Один
из них программно настраивается как приёмник сигналов, другой — как передатчик. Диапазон
частот 2.4...2.524 ГГц, число каналов 125, дальность до 8 м. Связь с МК осуществляется через
цепи СЕ, CS, DATA. Тактовый сигнал CLK1, генерируемый модулем А1, используется в МК для
расшифровки принимаемых данных. Тактовый сигнал CLK1 для модуля А2 генерируется с
выхода М К синхронно с передачей данных. Светодиод НЫ индицирует работу приёмника сигналов;
е) XI — это информационный разъёма привода CD-ROM. Силовое питание на CD-ROM
подаётся через отдельный разъём (на схеме не показан). Связь с МК многопроводная;
ж) двунаправленный низковольтный интерфейс. Подключаемое устройство получает
питание 1.5...З В по проводам. Преобразование уровней и уплотнение каналов приёма и передачи в
одну линию производятся транзисторами VTJ...VT3; О

О Рис. 7.22. Схемы подключения устройств с прочими интерфейсами к МК (продолжение):
з) подключение к МК периферийных плат с разъёмом ISA от старых персональных
компьютеров. Источник питания +5 В должен иметь запас по току, поскольку от него питается внешняя
плата. Резисторы Л7.../?/7устраняют отражения в линии и «звон» на фронтах сигналов;
и) модуль Bluetooth Л1 фирмы Bluegiga подключается к МК через канал UART. Используется
собственная система команд;
к) МК принимает информацию от клавиатуры PS/2 (разъём слева) и транслирует её в
компьютер (разъём справа). При необходимости МК может вставлять свои макросы, блокировать
какие-либо клавиши, проверять пароль и т.д. Кроме того, МК способен работать и без внешней
клавиатуры, имитируя нажатие клавиш, например при срабатывании каких-либо датчиков; О

О Рис. 7.22. Схемы подключения
устройств с прочими интерфейсами к
МК (окончание):
л) передача и приём сигналов UART в компьютер через звуковую карту (20...30 Кбит/с);
м) DA1 — это конвертор сетевого однопроводного интерфейса LIN (Local Interconnect
Network), работающего по принципу «один мастер и много ведомых». Применяется в
автомобильной технике, дополняя интерфейс CAN и позволяя объединить все электронные узлы в
одну общую многофункциональную бортовую сеть;
н) подключение к МК смарткарты А1 через канал UART на скорости 12711 бит/с. Замыкание
контактов 9 и 10 происходит автоматически при установке смарткарты в держатель;
о) подключение мобильных телефонов Nokia-5110/6110/3210/3310, Siemens-35/45/55 к МК.
При снижении питания МК до +3 В следует уменьшить сопротивления резисторов Я], R2;
п) подключение к МК беспроводного Wi-Fi-маршрутизатора А1 фирмы Asus.
Маршрутизатор надо доработать установкой разъёма XI и изменением программного обеспечения

Список использованных источников и литературы к главе 7
7-1. Курс AVR. Задача-упражнение 4 [Электронный ресурс] / «AVR123.nm.ru». — Режим
доступа: http://picl6ft528.narod.ru/z4.htm. — 07.01.2016.
7-2. Wbtiz, R. Earth Field Magnetometer / Richard Wotiz // Circuit Cellar. — 2006. — № 6. —
P. 62-70.
7-3. APR2VOICE [Электронный ресурс] / Klaus H. Hirschelmann, 2008. — Режим доступа:
http://www.kh-gps.de/apr2voice.htm (нем.). — 07.01.2016.
7-4. LPC11U14 LPCXpresso [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://shinta-
main-jp.blogspot.com/201 l/06/lpcxpressolpcxpresso_24.html (яп.). — 07.01.2016.
7-5. Hid_blaster [Электронный ресурс] / 2010. — Режим доступа: http://hp.vector.co.jp/authors/
VA000177/html/hid_blaster.html (яп.). - 07.01.2016.
7-6. No. 21 HIDaspx [Электронный ресурс] / 2008. — Режим доступа: http://homepage2.niny.
com/denshiken/AVW021.html (яп.). - 07.01.2016.
7-7. Kosh Module: Update 3 [Электронный ресурс] / «Boseji», 2010. — Режим доступа: https://
forbharat.wordpress.com/2010/09/02/kosh-module-update-3/ (англ.). — 07.01.2016.
7-8. Рюмик, С. М. Сетевые МК. Соединение 9 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. — 2008. —
№ 12. - С. 32-36.
7-9. USBtin — USB to CAN Interface [Электронный ресурс] / Thomas Fischl, 2011...2014. —
Режимдоступа: http://www.fischl.de/usbtin/ (англ.). — 07.01.2016.
7-10. Воскобойников, А. Охранное устройство с управлением ключами-«таблетками» iBUT-
TON / А Воскобойников // Радио. — 2003. - № 10. — С. 41—42.
7-11. Довнар, А Охранная сигнализация с электронным ключом / А. Довнар, В. Русецкий //
Радиолюбитель. — 2001. — № 3. — С. 18.
7-12. Диагностический адаптер K-Line [Электронный ресурс] / «HASS_78». — Режим
доступа: http://chiptuner.ru/content/kline/. — 07.01.2016.
7-13. Бортовой компьютер Ml.5.4. Версия 1.01 [Электронный ресурс] / Александр Алехин,
2004. — Режимдоступа: http://www.radioland.net.ua/sxemaid-167.html. — 07.01.2016.
7-14. Рюмик, С. М. Интерфейс 12С. Технические подробности / Сергей Рюмик //
Радиоаматор. - 2004. - № 1. - С 35-39; № 2. - С. 29-31.
7-15. Мартышевский, Ю. Универсальный РІС-контроллер / Ю. Мартышевский, А.
Киселёв // Радиомир. — 2004. — № 6. — С. 12—15.
7-16. Nutzung von DTMF-Tonen zur Ubertragung von GPS-Daten [Электронный ресурс] /
Klaus H. Hirschelmann, 2007. — Режим доступа: http://www.kh-gps.de/dtmf.htm (нем.). —
07.01.2016.
7-17. GND [Электронный ресурс] / 2008. — Режим доступа: http://gomisai.blog75.fc2.com/
blog-entry-301.html (яп.). — 07.01.2016.
7-18. Easyloc [Электронный ресурс] / Klaus Н. Hirschelmann, 2008. — Режим доступа: http://
www.kh-gps.de/easyloc.htm (нем.). — 07.01.2016.
7-19. AUDIOINO, the Arduino with audio bootloader [Электронный ресурс] / «chris», 2011. —
Режим доступа: http://www.hobby-roboter.de/forum/viewtopic.php?f=4&t=-l 28&р=531
(англ.).-07.01.2016.
7-20. [Электронный ресурс] / 2007. — Режим доступа: http://www.ni.bekkoame.ne.jp/sogawa/
html/auction/sm_dir.html (яп.). — 07.01.2016.
7-21. CDC-232 [Электронный ресурс] / Osamu Tamura, 2015. — Режим доступа: http://www.
recursion.Jp/prose/avrcdc/cdc-232.html#schematic (англ.). — 07.01.2016.
7-22. Локотков, А. Интерфейсы последовательной передачи данных. Стандарты EIA
RS-422A/RS-485 / Александр Локотков // Современные технологии автоматизации. —
1997.-№3.-С. 110-119.

7-23. Тумакин, А. Преобразователь интерфейса RS-232/485 / Алексей Тумакин //
Схемотехника. — 2006. — № 5. — С. 38-40 ; № 6. — С. 36—38.
7-24. Kesselring, Е. Multipurpose Automotive Gauge / Eric Kesselring // Circuit Cellar. — 2007. —
№ 7. - P. 44-54.
7-25. Рюмик, С. M. Сетевые МК. Соединение 4 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. — 2008. —
№ 6. - С. 32-34.
7-26. Gadre, D. Network of Keypads / Dhananjay Gadre, Anurag Chugh, Parag Shah, Sneha Lele //
Circuit Cellar. - 2007. - № 6. - P. 16-23.
7-27. Рюмик, С. M. Вопрос? Ответ! / Сергей Рюмик // Радиоаматор. — 2010. — № 5. —
С. 38-39.
7-28. Миргородская, С. И. Восьмиразрядные RISC-микроконтроллеры/Светлана
Миргородская // Радиоаматор. — 2001. — № 10. — С. 28—29.
7-29. Фролов, Д. Программируемый речевой информатор / Д. Фролов // Радио. — 2005. —
№ 7. - С. 26-29.
7-30. ISP mit der Soundkarte V2 [Электронный ресурс] / Burkhard Kainka, 2014. — Режим
доступа: http://pichub.de/seiten/www.elektromk-labor.de/AVR/Soundprog2.html (нем.). —
07.01.2016.
7-31. Arduino [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://nekosanO.bake-neko.net/making_
equ_controller.html (яп.). — 07.01.2016.
7-32. Smith, P. AVR ISP SocketBoard / Peter Smith // Everyday Practical Electronics. — 2007. —
№ 12.-P. 64-68.
7-33. SD Association [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.sdcard.org/about_
sda/index.html (англ.). — 07.01.2016.
7-34. Рюмик, С. М. Микроконтроллеры USB. Задача 7 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2007.-№8.-С. 34-38.
7-35. SD [Электронный ресурс] / Takara Jujurou, 2010. — Режим доступа: http://www.geocities.
jp/chako_ratta/micon/audio_sd_card_transport.html (яп.). — 07.01.2016.
7-36. Ricci, В. The Witness Camera // Alberto Ricci Bitti // Circuit Cellar. — 2007. — № 5. —
P. 48-56.
7-37. FFM RDS Tuner Module for mobile applications [Электронный ресурс] / TechDesign
Electronics. — Режим доступа: http://www.techdesign.be/projects/086/086.htm (англ.). —
07.01.2016.
7-38. ЕСЕ 4760 Final Project: Embedded Foot Pronation Detection [Электронный ресурс] / Wen
Jie Zhou, Yilok Wong, 2011. — Режим доступа: http://people.ece.cornell.edu/land/courses/
ece4760/FinalProjects/s2011/ylw3/webpage/ (англ.). — 07.01.2016.
7-39. Sander, К. Prazise Zeit — weltweit / Klaus Sander // Funkamateur. — 2006. — № 4. —
P. 417-419.
7-40. PIC16F88 [Электронный ресурс] / 2009...2013. — Режим доступа: http://www8.plala.or.jp/
InHisTime/page087.html (яп.). — 07.01.2016.
7-41. GPS [Электронный ресурс] / 2009. — Режим доступа: http://www.momose.com/hirofumi/
elec/gpslogger/, http://www.momose.com/hirofumi/elec/gpslogger/sch.png (яп.). —
07.01.2016.
7-42. FPGA Synthesizer 2 [Электронный ресурс] / Chris Strellis, 2006...2009. — Режим доступа:
http://www.strellis.com/fpga2.shtml (англ.). — 07.01.2016.
7-43. TINY2313 [Электронный ресурс] / «m.suga», 2009. — Режим доступа: http://picavr.uunyan.
com/avr_m_uart_midi.html (яп.). — 07.01.2016.
7-44. redKontrollers: Cv-midi boxes [Электронный ресурс] / Fredrik Olafsson, 2003. — Режим
доступа: http://v^ww.fredrikolofsson.com/pages/hardware.htrnl (англ.). — 07.01.2016.

7-45. Clark, D. MIDI Activity Detector / David Clark // Everyday Practical Electronics. —
2008.-№4.-P. 38-40.
7-46. MIDI 34 Pedal [Электронный ресурс] / Satoshi Takagi, 2005. — Режим доступа: http://pds.
exblog.jp/pds/l/200506/12/77/aOOl 1077_21204362.gif (англ.). - 07.01.2016.
7-47. Пахомов, А. Простая MIDI-клавиатура из синтезатора-игрушки / А. В. Пахомов //
Радио. - 2009. - № 1. - С. 20-22.
7-48. Clarke, J. MIDI Drum Kit / John Clarke // Everyday Practical Electronics— 2007. — № 12. —
P. 12-23.
7-49. S/PDIF Digital Audio on a Microcontroller [Электронный ресурс] / «Місап», 2011. —
Режим доступа: http://scanlime.org/2011/04/spdif-digital-audio-on-a-microcontroller/
(англ.).-07.01.2016.
7-50. 24 bit 74АС574 [Электронный ресурс] / «minor-audio.com», 2007. — Режим доступа:
http://www.minor-audio.com/bibou/DAC/24bitDAC200701.html (яп.). — 07.01.2016.
7-51. РСМ2704 USB-Digital/Analog Converter [Электронный ресурс] / «RUU», 2005. — Режим
доступа: http://www.mars.dti.ne.jp/~ogura/e_hobby/usbdac.gif (англ.). — 07.01.2016.
7-52. Кожухов, В. Упрощённый ритм-бокс / В. Кожухов // Радио. — 1996. — № 4. —
С. 44-46.
7-53. Communication of TRW-24G with AVR micro [Электронный ресурс] / Vasilis Serasidis,
2005. — Режимдоступа: http://www.serasidis.gr/circuits/TRW-24G_transceivers/TRW-
24G_transceivers.htm (англ.). — 07.01.2016.
7-54. Дайджест зарубежной периодики. Автономный контроллер на PIC16F871 для ATAPI
CD-ROM // Радиохобби. - 2004. - № 2. - С. 19-20.
7-55. Wiazania, М. Bezprzewodowy termometer Bluetooth (ВТ) / Marcin Wiazania // Elektronika
Praktyczna. — 2008. - № 5. — S. 10-17.
7-56. Savage, S. ATir Keyboard Interface / Steven Savage // Circuit Cellar. — 2007. — № 4. —
P. 12-19.
7-57. audioSerial [Электронный ресурс] / «ГО», 2014. — Режим доступа: http://www.
fredrikolofsson.com/roblog/?q=node/628 (англ.). — 07.01.2016.
7-58. Kremin, V. LIN-Based Ultrasound Parking Assistant / Victor Kremin, Weriy Kyrynyuk //
Circuit Cellar. - 2007. - № 6. - P. 58-64.
7-59. Cossio, C. Internet Password Manager / Carlos Cossio // Circuit Cellar. — 2007. — № 7. —
P. 22-32.
7-60. Smith, P. SMS Controller — Part 1 / Peter Smith // Everyday Practical Electronics. — 2007. —
№3.-P. 10-19.
7-61. Building a Wifi Radio — Part 8, Adding a Tuning Control [Электронный ресурс] / Jeff Keyzer,
2009. — Режим доступа: http://rmghtyolmi.com/blog/2009/02/buUding-a-wifi-radio-part-8-
adding-a-tuning-control/ (англ.). — 07.01.2016.

ГЛАВА
8
ТИПОВЫЕ СХЕМЫ АВТОНОМНЫХ
УСТРОЙСТВ
Пример учит лучше наставления
(Английская поговорка)
8.1. Микроконтроллерные модули питания
На Рис. 8.1, а...г показаны схемы автономных микроконтроллерных модулей
питания с DC/DC-преобразователями повышающего типа.
Рис. 8.1. Схемы
микроконтроллерных
модулей питания (начало):
а) удвоитель напряжения на малогабаритном шестивыводном МК PIC10F200. На трёх
выходах МК синхронно генерируются импульсы меандра с частотой несколько сотен килогерц.
Стабилизация отсутствует, ток нагрузки не более 80 мА. Размер печатной платы 5x13 мм;
б) источник отрицательного напряжения на дешёвом восьмивыводном МК PIC12F629.
Частота импульсов 25... 100 кГц. Конденсаторы С7, С2на ВЧ можно уменьшить до 0.22... 1 мкФ;
в) двухтактный умножитель напряжения. Транзисторы следует выбирать с запасом по
мощности. Если применить диоды VD1...VD41N4007, то уменьшится напряжение на выходе; О

©Рис. 8.1. Схемы
микроконтроллерных модулей
питания (окончание):
г) трансформаторный DC/DC-преобразователь напряжения содержит сборку транзисторов
К77, в которой VT1.1 — это защитный диод, a VT1.2 — силовой ключ. На выходе формируется
изолированное переменное напряжение 5 В и неизолированное постоянное напряжение +45 В
8.2. Встраиваемые микроконтроллерные узлы
Предположим, имеется некоторое обособленное устройство, прибор или
модуль. Для повышения его эксплуатационных возможностей требуется
доработка. Заключаться она может, например, в добавлении платы с
микроконтроллерным узлом. Если встраиваемый узел будет получать питание от дорабатываемого
устройства, то формируется новая автономная система (Рис. 8.2, а...д).
Рис. 8.2. Схемы встраиваемых микроконтроллерных узлов (начало):
а) аккумулятор GB1 работает на внешнюю нагрузку Чтобы следить за его напряжением и
отдаваемым током, в устройство вводится микроконтроллерный узел с питанием от стабилизатора
DA2. Узел содержит два канала: измеритель напряжения (R4, R5, НЫ) и измеритель тока (R1,
DAI, HL2). Светодиоды срабатывают при превышении определённого порога. Умножив ток на
напряжение, можно рассчитать потребляемую мощность и вывести её на индикацию; О

Рис. 8.2. Схемы встраиваемых микроконтроллерных узлов (окончание):
6)А1 — это модуль АМ-приёмника цифровых сигналов, работающий на частоте 433 МГц.
Питание на него подаётся через транзистор VT1, который включается/отключается сигналами
с выхода МК. Резистор R1 нужен для согласования уровней в том случае, когда МК питается от
отдельного понижающего стабилизатора с выходным напряжением 3 В;
в) подключение МК к мультиметру А1 (шкала 3.5 разряда) для снятия информации об
измеряемой величине: напряжение, ток, сопротивление. Выводы МК подпаиваются прямо к БИС
DDI, которая является аналогом микросхемы SH7108F фирмы Sino Wealth. Тактовый сигнал на
МК частотой 40 кГц поступает от мультиметра, что позволяет синхронизировать процесс приёма
данных (SDO) по фронтам импульсов CLK;
г) определитель «подсевших» батарей без их изъятия из прибора. МК периодически
формирует на одном из выходов импульс напряжения, который открывает транзистор VT1 (VT2) и
подключает к батарее мощную нагрузку в виде резистора Rl (R2). Измеряя через канал АЦП
напряжение в средней точке соединения батарей, МК выясняет, какая из двух батарей «подсела»;
д) аналогично Рис. 8.2, г, но с литий-полимерными аккумуляторами Gl, G2, суммарное
напряжение на которых больше напряжения питания МК. Из-за этого в схему добавляются
стабилизатор DA1 и транзистор VT2. Используется не один, а два канала АЦП — для измерения
напряжения в средней точке соединения резисторов Rl, R2nc делителя R5, R6

8.3. Измерительные устройства
Рис. 8.3. Схемы измерительных устройств на основе МК (начало):
а) логический пробник. Исследуемый сигнал подаётся на контакт XI, при этом
индицируются: лог. 1 (НЫ, BF1), лог. О (HL2, BF1) и обрыв (нет индикации). Быстрые импульсные сигналы
сопровождаются вспышками света длительностью 0.2 с независимо от частоты следования;
б) искатель сетевой проводки. Антенна WA1 — это кусок проволоки, расположенный
параллельно (и близко) сетевому проводу 50 Гц. МК программно выделяет импульсы частотой 50 Гц и
использует их для отсчёта стабильных интервалов времени. Светодиод НЫ служит индикатором
наводок сетевого напряжения. Вместо него можно поставить пьезоизлучатель;
в) металлодетектор. Чувствительным элементом служит проволочная катушка Ы, которая
вместе с конденсаторами CJ, С2 определяет тактовую частоту МК. Индуктивность Ы
изменяется при приближении к металлу, частота генерации тоже. Сдвиг частоты измеряется через канал
Watch-Dog МК. Светодиод НЫ — калибровка, светодиод HL2 — превышение порога;
г) микросхема цифрового компаса В1 формирует на выходах £>0.../Х2трёхпозиционный код,
соответствующий четырём сторонам света и четырём промежуточным направлениям между
ними. Светодиоды HL/...HL8 располагаются по кругу через 45 градусов. Из них светится лишь
тот светодиод, который показывает направление на север. Калибруется компас кнопкой SB Г, О
На Рис. 8.3, а...п показаны схемы измерительных устройств на основе МК.

О Рис. 8.3. Схемы измерительных устройств на основе МК (продолжение):
д) система защиты от краж. На выходе МК генерируются пачки импульсов в ультразвуковом
диапазоне, которые создают электромагнитное поле в катушке Ы. При приближении к катушке
специальной акустомагнитной бирки возникает резонанс на частоте 58 кГц. МК анализирует
через канал АЦП амплитуду сигнала на катушке Ы. Максимальная амплитуда 0.3 В будет на
частоте 58 кГц. Для надёжности МК сканирует более широкий диапазон 56...60 кГц, после чего
принимает решение о присутствии/отсутствии акустомагнитной бирки и выдаёт сигнал Vout;
е) универсальный тестер транзисторов. Проверяются: биполярные транзисторы
(кремниевые и германиевые), полевые транзисторы MOSFET с внутренними диодами, а также тиристоры
и триаки. Устройство автоматическое определяет цоколёвку выводов. Используются три канала
АЦП и разные комбинации подключаемых резисторов R1...R6;
ж) простой тестер биполярных транзисторов структуры п—р—пу р—п—р. МК измеряет через
канал АЦП напряжение на коллекторе или эмиттере транзистора и рассчитывает коэффициент
п21э. Для индикации можно использовать ЖКИ или выход на компьютер;
з) измеритель коэффициента передачи п21э для биполярных транзисторов структуры п—р—п
и р—п—р. Резисторами Rl, R2 выставляется точное значение тока коллектора /к, что позволяет
проводить измерение в конкретной рабочей точке. Токи базы и коллектора измеряются по
падению напряжения на резисторах R3 и R4 (R5) через четыре канала АЦП МК; О

© Рис. 8.3. Схемы измерительных устройств на основе МК (продолжение):
и) экономичный температурный сигнализатор. Резисторы Rl, R2 и терморезистор RK1
образуют делитель напряжения. МК через канал АЦП измеряет это напряжение, переводит его
в градусы температуры и выдаёт сигнал на пьезодинамик ПАЇ, когда превышен заданный
программно порог. В целях экономии энергии на верхнем выходе МК устанавливается ВЫСОКИЙ
уровень только на время измерения. Стабилизация питания не требуется, поскольку канал АЦП
МК измеряет относительные единицы 0...1023, а не абсолютное напряжение в вольтах.
Резистором R2 производится компенсация начального разброса сопротивления терморезистора RK1
990... 1010 Ом при температуре +25°С;
к) ваттметр постоянного тока. Используются каналы амперметра (R1...R3, DAT) и вольтметра
(R4, RS). МК оцифровывает ток їх и напряжение Vx и вычисляет мощность в нагрузке по
формуле Лс[Вт] = 1х[А]-Их[В]. Резисторы RL..R5высокоточные. Напряжение Их не более 28 В;
л) входная цепь высокоточного вольтметра. Оцифровка напряжения производится
прецизионным дельта-сигма АЦП DA1 с разрядностью 22 бита. Питание для DA1 и опорное напряжение
ИКЕРобеспечивает микросхема DA2. Полный размах амплитуды по входам +Vin,— Vin составляет
0...+4.096 В. Элементы С1, С2, С4, R2, R3защищают микросхему DA1 от всплесков напряжения и
импульсных помех. Элементы Rl, СЗ, C5wR6, R7, С6...С8 фильтруют питание. Резисторы R4, R5
согласуют уровни, поскольку напряжения питания МК и DA1 отличаются на 1 В; ©

© Рис. 8.3. Схемы измерительных устройств на основе МК (продолжение):
м) измеритель цвета. МК последовательно во времени формирует на каждом из трёх
выходов по 15 импульсов с частотой 2 кГц, которые поочерёдно открывают транзисторы VT1...VT3 и
включают три рядом расположенных разноцветных светодиода HL1...HL3. Излучаемые ими
световые импульсы отражаются от тестируемой поверхности и попадают на фототранзистор ВЫ.
Сигнал усиливается в ОУ DA1 и оцифровывается через АЦП МК. Светодиоды и фототранзистор
должны быть расположены под углом друг к другу. Устройство требует калибровки;
н) мегаомметр. Основой служит ОУ DA1 с очень высоким входным сопротивлением (тера-
омы). В измерении участвует делитель напряжения — первое плечо образовано резистором Rx
0... 100 МОм, второе — образцовым резистором R1. МК через два канала АЦП измеряет разность
напряжений, которая пропорциональна сопротивлению Rx. Опорное напряжение +2.5 В VREF
формирует трёхвыводной стабилитрон VD1. Кнопкой SB1 калибруется нуль при КЗ на входе; О

О Рис. 8.3. Схемы измерительных устройств на основе МК (окончание):
о) балансир для аккумуляторов. При последовательном соединении литиевых (Li-Ion, Li-
Ро, Li-Fe) аккумуляторов G1...G8 в батарею возникает опасность перезаряда наиболее слабых из
них. Для контроля процесса и уравнивания напряжений применяют специальные устройства,
называемые балансирами (нивелирами). Балансир состоит из измерительной части (VU9... VU16,
VT9...VT16) и токоотводящей части (VU1... VU8, VTL..VT8). МК поочерёдно открывает оптопары
VU9... VU16 и через канал АЦП измеряет напряжения на аккумуляторах G1...G8. Затем
вычисляются наиболее «резвые» аккумуляторы, и ток их заряда уменьшается через мощные транзисторы
Дарлингтона VT1...VT8 (открываются оптопарами VU1...VU8). Нагрузка в виде транзисторов (а
не резисторов) обладает тем преимуществом, что их легче установить на радиаторы;
п) аналогично Рис. 8.3, л, но более просто. Для измерения входного напряжения Vin
используется высокоточный дельта-сигма АЦП с разрядностью 22 бита на микросхеме DAL Питание
МК +5 В должно быть очень стабильным, поскольку с него получается образцовое напряжение
VREF для DAL Напряжение регулируется резистором R2, который должен иметь «червячную
передачу», как у подстроечных резисторов СП5-22А

8.4. Самостоятельно значимые устройства
На Рис. 8.4, а...н показаны схемы самостоятельных (независимых,
автономных) устройств и приборов на основе МК.
О Рис. 8.4. Схемы
самостоятельно значимых
устройств (начало)'.
а) прибор для лечения комариного укуса. После включения питания транзистор VT1
открывается импульсами с выхода МК и нагревается за 5 с до +50 °С. Горячий корпус транзистора
следует приложить на несколько секунд к месту укуса, что облегчает боль. Датчиком температуры
служит переход «база—эмиттер» транзистора VTL МК через канал АЦП измеряет напряжение
Убэ, рассчитывает температуру (2 мВ/град) и подстраивает скважность выходных импульсов;
б) очки для релакса. МК генерирует бинауральные звуки в стереонаушниках (выходы RIGHT,
LEFT) и световые вспышки (НЫ, HL2). Форма сигнала треугольная, сдвиг частоты между
каналами 400 Гц. Светодиоды размещаются на оправе очков. Релакс 14 минут с закрытыми глазами;
в) световое кольцо. Светодиоды HL 1...HL6 управляются от двух МК PIC10F222T в корпусе
SOT-23/6. В исходном состоянии оба МК «спят». При нажатии на кнопку SB1
активизируется МК(1). Он генерирует волну «бегущего нуля» и включает светодиоды HLL..HL3, после чего
опять «засыпает». Фронтом последнего импульса «пробуждается» по прерыванию МК(2),
который аналогичным образом зажигает светодиоды HL4...HL6. При постоянном нажатии на кнопку
SB1 оба МК работают поочерёдно, а светодиоды HL 1...HL6 включаются по кругу; О

Рис. 8.4. Схемы самостоятельно значимых устройств (продолжение):
г) радиочастотная идентификация объектов RFID. В схеме совмещаются функции
передатчика (RIO, VT2, Rl, LI, С1) и приёмника (VD1, JDA1.1, VT1, DA1.2). С выхода МК генерируется
сигнал меандра частотой 125 кГц, который излучается в пространство катушкой Ы (58 витков
на оправе диаметром 120 мм). Стандартная карта RFID (транспондер) подносится на близкое
расстояние к катушке L1. Электромагнитное поле улавливается внутренней антенной транспон-
дера и преобразуется в напряжение питания для её микромощных радиоэлементов. Далее
транспондер передаёт в МК свой уникальный 10-битовый код на скорости 500...8000 бод, используя
амплитудную модуляцию. На приёмной стороне ВЧ-сигнал детектируется диодом VD1,
усиливается в DAL1, DA1.2 и поступает в МК, который идентифицирует транспондер по базе данных;
д) система индуктивной связи. Система состоит из двух идентичных трансиверов, которые
поддерживают связь на расстоянии до 15 см. Сигнал передачи частотой 118 кГц поступает в
колебательный контур Z,/, С/, С2 от МК через резистор R1. В приёмную часть входят все
оставшиеся элементы, включая тот же самый контур, с которого принятый сигнал через конденсатор С1
поступает на ОУ DA1. В качестве ОУ нельзя применять широко распространённый LM358,
поскольку у него недостаточно большое произведение коэффициента усиления на полосу частот.
Катушка Ы содержит 32 витка, намотанных на квадратной оправе с длиной стороны 5.5 см; О

О Рис. 8.4. Схемы самостоятельно значимых устройств (продолжение):
е) искусственная свеча с электронным управлением. SMD-светодиод НЫ заливается
прозрачным компаундом в форме капли пламени свечи. Включение красного и жёлтого излучателей
светодиода НЫ производится случайным образом и с разной яркостью, чтобы создать эффект
«дрожания» от дуновения ветра. Суммарный цвет получается жёлто-оранжевый, близкий к
реальному пламени. Питание от двух батарей GB1, которые размещаются в деревянном корпусе
свечи. Поднесение магнита к геркону SF1 приводит к замыканию его контактов, выходу МК из
«сна» и к эффектному появлению иллюминации «пламени»;
ж) двухрежимная активации передатчика 418 МГц. В исходном состоянии питание на
передатчике/ не подаётся, МК находится в «спящем» режиме с низким потреблением тока. При
нажатии на кнопку SB1 или SB2 общий провод передатчика подключается к минусовому контакту
батареи G1 через диод VD1 или напрямую. МК «пробуждается», проверяет состояние входов и
посылает в передатчик по линии TxD определённую команду, которая соответствуют нажатию
кнопки SB1 или SB2 (теоретически можно проверять ещё и нажатие обеих кнопок вместе);
з) заменитель пульта ДУ для цифровой зеркальной фотокамеры. МК после подачи питания
формирует на выходе импульсную последовательность с частотой заполнения 38 кГц в виде
пакета со следующими длительностями (импульсы—пауза): 2.2—27—0.7—1.4—0.6—3.4—0.7—62—
2.2—27—0.7—1.4—0.6—3.4—0.7 мс. Ток через светодиод ограничивается нагрузочной
способностью выхода МК. Тип и фирма-изготовитель ИК-светодиода НЫ особого значения не имеют;
и) автономный стереофонический радиоприёмник. Используется тюнер А1 FM/TV фирмы
Philips с управлением по шине 12С от МК. Кнопками SB1, SB2 можно перестраивать каналы
вверх и вниз по частоте. Для нормальной работы приёмника требуется подключить внешнюю
антенну, стереофонический усилитель или наушники; О

Рис. 8.4. Схемы самостоятельно значимых устройств (окончание):
к) генератор тестового сигнала NTSC для цветного телевизора. На выходах МК (ATtiny45)
формируются строчные и кадровые синхроимпульсы, поднесущая цветности и сигнал яркости.
Нагрузкой «TV» служит сопротивление 75 Ом внутри телевизора по входу «VIDEO». Цветовая
поднесущая формируется от частоты кварцевого резонатора ZQ1 делением на четыре. На экране
телевизора высвечиваются 6 цветных и 4 чёрно-белые полосы. Следует учитывать, что
параметры видеосигнала получаются упрощённые и не полностью соответствуют стандартам;
л) генератор «белого» полупроводникового шума на трёхвыводном стабилитроне VD1.
Питание батарейное, чтобы исключить влияние сетевых помех. Допускается широкий диапазон
изменения элементов Rl, С1. Амплитуда шума (от пика до пика) без усиления составляет 30 мВ,
чего достаточно для получения 8...10 случайных уровней, измеренных 10-битным АЦП МК;
м) упрощённый вариант подключения к МК модуля беспроводной связи А1 (стандарт ХВее,
дальность 60... 1500 м, ток потребления 45... 170 мА, размеры 24x32 мм, фирма Digi International).
Используется программный протокол UART без сигналов подтверждения RTS, CTS, DTR;
н) коротковолновый сверхрегенеративный приёмник цифровых сигналов. Генератор на
транзисторе VT1 работает в режиме срыва колебаний. Срывы происходят каждые 5 мс, т.к. МК
выставляет на линии НИЗКИЙ уровень с частотой 100 Гц. При каждом новом запуске
генератора формируется экспоненциально нарастающий пакет, скважность импульсов которого зависит
от наличия/отсутствия сигнала с антенны WA1 от внешнего передатчика 14.31818 МГц.
Принятый сигнал детектируется элементами VD1, R3, С2 и поступает в МК. Поскольку кварцевый
резонатор имеет узкую полосу пропускания, то информация принимается на низкой скорости,
примерно 20 бод. Для выполнения простейших операций «ON/OFF» этой скорости достаточно

8.5. Вблизи оттерменвокса
Рис. 8.5. Обобщённая структурная схема «микроконтроллерного» терменвокса
Звукоизвлечение в классическом терменвоксе производят двумя руками.
Одной рукой изменяют частоту звука (датчик частоты), а другой рукой
регулируют громкость и тембр композиции (датчики громкости/тембра). После обработки
информации от всех датчиков в МК формируется один суммарный звуковой
сигнал, пригодный для воспроизведения на внешнем УНЧ (канал звука).
Схемы формирования звука на выходе МК особенностей не имеют.
Используются стандартные каналы ШИМ с фильтром или ЦАП.
Датчиками громкости и тембра в простейшем случае могут быть кнопки,
подключённые к входам МК (Рис. 8.6).
Рис. 8.6. Схема подключения дискретных датчиков громкости и тембра в терменвоксе
В начале 1920-х годов молодой российский инженер Лев Сергеевич Термен
разработал уникальный для того времени бесклавишный электромузыкальный
инструмент. Согласно патенту 1921 г., это был «Музыкальный прибор с
катодными лампами». Журналисты быстро окрестили его «терменвокс» — что означает
«голос Термена», взамен оригинального авторского названия «этерофон».
Терменвокс примерно на полвека опередил электрогитары и синтезаторы.
Первые 500 промышленных терменвоксов AR-1264 (на английский манер «Тпегетіп»)
были изготовлены в 1930 г. в США на фирме RCA. Конструкция была ламповой,
хорошо продуманной. В дальнейшем появились терменвоксы на транзисторах и
микросхемах, причём многие из них были самодельными, с упрощёнными
функциями, но с богатыми музыкальными возможностями.
Профессиональных исполнителей игры на терменвоксе в настоящее время
мало. На концертах этот инструмент представляет диковинку, поскольку далеко
не ко всем музыкальным произведениям можно сделать красивые аранжировки.
Наиболее удачной и запоминающейся считается партия терменвокса в
знаменитом «Вокализе» (Vocalise) С. Рахманинова.
Терменвокс можно выполнить с применением МК (Рис. 8.5).

Но гораздо большими возможностями обладают специальные типы датчиков,
которые с одинаковым успехом можно использовать и в канале частоты, и в
канале громкости/тембра. Их особенность — плавное изменение параметра.
Различают следующие типы «плавных» датчиков в терменвоксе:
ёмкостные (внесение ёмкости тела человека в частотозависимую цепь);
оптические (перекрытие рукой светового потока к фотодатчику);
сонарные (отражение ультразвуковых волн или ИК-лучей от руки);
механические (вращение ручки переменного резистора, энкодера);
звуковые (формирование огибающей сигнала голосом через микрофон);
компьютерные (имитация звучания терменвокса мышью, ЗО-джойстиком,
сенсорными перчатками, а также оцифровка движений рук музыканта
видеокамерой, подключённой к компьютеру).
Объединяет все разновидности датчиков плавное изменение высоты звука,
громкости и тембра благодаря сложным скоординированным движениям рук.
Звучание правильно настроенного терменвокса одновременно напоминает голос
человека, свист ветра и глиссандо гавайской гитары.
На Рис. 8.7, а...з показаны схемы подключения «плавных» датчиков, которые
могут применяться в «микроконтроллерном» терменвоксе [8-34].
Рис. 8.7. Схемы
подключения
«плавных» датчиков к
МК (начало):
а) частота генератора, собранного на элементах DDI. 7, DDI.2, зависит от настройки контура
L1, С/. Поднесение руки к антенне WA1 вносит в контур дополнительную ёмкость и изменяет
частоту генерации. Антенна телескопическая или в виде широкой металлической пластины;
б) датчик внесения ёмкости. Микросхема DDI фирмы Quantum Research измеряет ёмкость в
пределах 0...48 пФ, вносимую рукой человека при приближении к сенсорной площадке ХТ1\ О

Рис. 8.7. Схемы подключения «плавных» датчиков к МК (окончание):
в) оптический датчик. Свет от внешнего светодиода HL1 (или от солнца, лампы)
направляется перпендикулярно поверхности фоторезистора R3 (СФ2-5, СФ2-6, ФС-К1). Музыкант рукой
закрывает доступ света, при этом изменяется сопротивление R3 и напряжение на входе АЦП;
г) сонарный ИК-датчик. Модуль В1 (фирма Sharp) — это измеритель расстояния до
препятствия, которым является рука музыканта. Чем меньше/больше расстояние (10...80 см), тем
больше/меньше амплитуда выходного сигнала (3.1 ...0.4 В), подаваемого на АЦП МК;
д) сонарный ультразвуковой датчик на модуле В1 «Рагаїїах P1NG». Диапазон измеряемых
расстояний до препятствия 2...3000 см. Работает при любом освещении;
е) аналогично Рис. 8.7, д, но с другим типом ультразвукового сонара. Дальность
обнаружения препятствия 2... 450 см, угол обнаружения 15 градусов. Ток потребления 2 мА. МК посылает
короткий импульс и измеряет задержку Echo, пропорциональную расстоянию до отражённого
предмета. При измерении надо учитывать зависимость скорости звука от температуры воздуха;
ж) звуковой сенсор с оригинальным звукоизвлечением. Музыкант сильнее или слабее «дует»
в микрофон, тем самым формируя огибающую (детектор VD1, R4, С2) для канала громкости;
з) простейший механический датчик положения на переменном резисторе R1.
Конструктивно устройство может быть оформлено в виде ножной педали, что разгружает руки музыканта

8.6. Устройства автоматики
Рис. 8.8. Схемы устройств автоматики:
а) однократное включение устройства. В исходном состоянии МК «спит», энергия от
батареи GB1 практически не потребляется, транзистор VT1 закрыт, повышающий DC/DC-
преобразователь А1 отключён. При нажатии на кнопку SB1 происходит «пробуждение» МК по
прерыванию. На выходе МК выставляется ВЫСОКИЙ уровень, транзистор VT1 открывается,
на выходе DC/DC-преобразователя появляется питание +5 В для внешнего устройства. МК
отсчитывает программно заданное время, например одну минуту, после чего выставляет НИЗКИЙ
уровень на выходе, обесточивает устройство и переходит в режим «сна» до следующего сеанса;
б) оптоизолированный съём сигнала дверного звонка. При нажатии на кнопку SB1
открывается транзистор оптопары VU1, и уровень сигнала на входе МК становится НИЗКИМ;
в) организация дежурного режима. В исходном состоянии на выходе МК НИЗКИЙ уровень,
ток через оптопары VU1, VU2hq протекает, транзистор VT1 закрыт. Устройство, подключённое к
вторичной обмотке трансформатора 77, находится в дежурном режиме с пониженным питанием
из-за падения напряжения на мощном резисторе R1. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК
сначала закрывается транзистор VT2, а через секунду (задержка определяется элементами R2,
С1) открывается транзистор VT1. Резистор R1 шунтируется элементами VD1, УТ1, и устройство
переходит из дежурного в штатный режим работы с полной мощностью в нагрузке
На Рис. 8.8, а...в показаны схемы устройств автоматики.

8.7. Дорабатываемые устройства
Рис. 8.9. Схемы доработок существующих устройств (начало):
а) электронная регулировка громкости. В разрыв аудиотракта вводятся резисторы R3, R4.
МК через канал ШИМ устанавливает большую или меньшую яркость свечения светодиода НЫ.
Соответственно, сопротивление фоторезистора R3 будет пропорционально изменяться.
Достоинство — плавное увеличение и уменьшение громкости без щелчков, гальваническая развязка;
б) аналог цифрового потенциометра. Элементы С7, R7y С2 встраиваются в существующий
звуковой тракт. Конденсаторы С7, С2 устраняют постоянную составляющую, чтобы нормально
работал микроконтроллерный ЦАП с матрицей 2R на резисторах R1...R6;
в) датчик положения с гальванической развязкой. Доработка устройства, содержащего
переменный резистор R1, заключается в замене одиночного резистора сдвоенным того же номинала.
Поскольку вращение осей двух резисторов происходит синхронно, то, измерив напряжение на
входе АЦП от резистора R1.2, можно узнать угол поворота резистора R1.1;
г) МК(2) вводится в схему дополнительно к МК(1). Тактовые частоты МК(1) и МК(2)
различаются на 1/64, что составляет 1.56%, или 27 музыкальных центов. На выходах Voutl, Vout2
генерируются идентичные звуковые сигналы. Сдвиг частоты между ними составляет примерно
7... 15 Гц в зависимости от октавы. Если подать выходные сигналы на стереоУНЧ, то получится
красивый двухточечный унисон. Чтобы засинхронизировать начало звучания, между МК(1) и
МК(2) проложена отдельная линия связи со своим протоколом общения. Кварцевые
резонаторы могут иметь другие частоты, например 10.0 и 9.84375; 13.7 и 13.5; 18.2912 и 18.0 МГц; О
На Рис. 8.9, а...д показаны схемы доработок существующих устройств (блоков,
узлов), которые улучшают их потребительские или иные свойства.

Рис. 8.9. Схемы доработок существующих устройств (окончание):
д) регулируемый стабилизатор напряжения. В стандартную схему включения микросхемы
DA1 вводятся элементы Rl, CI, R2, СЗ, R3, С5и, естественно, МК. Выходное напряжение +Кза-
висит от напряжения на выводе 1 стабилизатора DA1. МК через канал ШИМ подстроивает это
напряжение. Ёмкости конденсаторов С/, С?, С5выбраны большими, чтобы качественно
сглаживались пульсации импульсного сигнала с выхода МК. Это позволяет производить перестройку
напряжения +Vc очень мелким шагом, вплоть до 15 мкВ

Список использованных источников и литературы к главе 8
8-1. Миниатюрный конденсаторный преобразователь [Электронный ресурс] / «Eddy71»,
2011. — Режим доступа: http://vrtp.ru/index.php?act=categories&CODE=article&articl
е=2761.-07.01.2016.
8-2. [Электронный ресурс] / 2010...2014. — Режим доступа: http://picavr.uunyan.com/
experiment_nega2.html (яп.). — 07.01.2016.
8-3. Remote controlled sphere. Electronics [Электронный ресурс] / Petteri Aimonen, 2012. —
Режимдоступа: http://essentialscrap.com/sphere/electronics.html (англ.). — 07.01.2016.
8-4. Serielle Schnittste fur UT70A [Электронный ресурс] / Arne Rossius, 2012. — Режим
доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/T13contest/Seriell.html (нем.). —
07.01.2016.
8-5. Lipo-battery balancer [Электронный ресурс] / Kaneko Katsuya, 2011. — Режим
доступа: http://www.gaia.h.kyoto-u.ac.jp/-homura/circuit/lipobalancer.html (яп.). —
07.01.2016.
8-6. AVR014 [Электронный ресурс] / «TAD», 2007. — Режим доступа: http://homepage2.
nifty.com/denshiken/AVR014.html, http://homepage2.nifty.com/denshiken/LOGIC13T.
LZH (яп.).-07.01.2016.
8-7. 50Hz-Taktquelle fur den Attinyl3-Timer [Электронный ресурс] / Ralf Beesner, 2013. —
Режим доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/Tl 3contest/TimeR50Hz.html
(нем.). -07.01.2016.
8-8. Metal Dedektor Yapimi [Электронный ресурс] / Eren Basturk, 2011. — Режим доступа:
http://www.mcu-turkey.com/metal-dedektor-yapimi/ (турец.). — 07.01.2016.
8-9. [Электронный ресурс] / Takara Jujurou, 2008. — Режим доступа: http://www.geocities.jp/
chako_ratta/micon/digital_compass.html (яп.). — 07.01.2016.
8-10. Akustomagnetische Etiketten auswerten [Электронный ресурс] / Burkhard Kainka,
2015. — Режим доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/AMetikett.html (нем.). —
07.01.2016.
8-11. AVR Transistortester [Электронный ресурс] / Karl-Heinz Kubbeler, 2015. — Режим
доступа: http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_Transistortester (нем.). —
07.01.2016.
8-12. Transistor-Testgerat [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://www.
elektronik-labor.de/AVR/NPNpnp.html (нем.). — 07.01.2016.
8-13. PIC16F88 [Электронный ресурс] /2012...2013. — Режимдоступа: http://www8.plala.or.
jp/InHisTime/page069.html (яп.). — 07.01.2016.
8-14. Das Morse-Thermometer [Электронный ресурс] / Ralf Beesner (DK5BU), 2010. — Режим
доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/Morsetemp.html (нем.). — 07.01.2016.
8-15. [Электронный ресурс] / 2010...2011. — Режим доступа: http://www.picfun.com/
dsPIC33/dspic33f07.html (яп.). - 07.01.2016.
8-16. A/D [Электронный ресурс] /2007...2013. — Режимдоступа: http://www.picfun.com/
equipj69.html (яп.). — 07.01.2016.
8-17. [Электронный ресурс] / Kumagai, 1998...2003. — Режим доступа: http://hirose.sendai-
nct.ac.jp/~ckuma/tech-doc/colorsensor/index.html (яп.). — 07.01.2016.
8-18. PIC16F88 [Электронный ресурс] / 2012...2013. — Режим доступа: http://www8.plala.or.
jp/InHisTime/pagel78.html (яп.). — 07.01.2016.
8-19. Development of a Lithium Battery Management System [Электронный ресурс] / Ian
Hooper, 2012. — Режим доступа: http://zeva.com.au/Research/BMS/ (англ.). —
07.01.2016.

8-20. PIC16F88 [Электронный ресурс] /2012...2013. — Режим доступа: http://www8.plala.or.
jp/lnHisTime/page009.html (яп.). — 07.01.2016.
8-21. Hot-Spot-Temperaturregler [Электронный ресурс] / Burkhard Kainka, 2013. — Режим
доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/HotSpot.html (нем.). — 07.01.2016.
8-22. [Электронный ресурс] / «hijiri», 2007. — Режим доступа: http://hijiri3.s65.xrea.com/
sorekore/develop/avr/04_brain.htm (яп.). — 07.01.2016.
8-23. LED [Электронный ресурс] / «yuta», 2011. — Режим доступа: http://yuta3005.seesaa.
net/article/189506329.html (яп.). - 07.01.2016.
8-24. 125 kHz RFID Tag reader [Электронный ресурс] / Vasilis Serasidis, 2012...2014. —
Режим доступа: http://www.serasidis.gr/circuits/RFID_reader/125kHz_RFID_reader.
htm (англ.).— 07.01.2016.
8-25. ЕСЕ 4760 Final Project: A Remote Controlled DMM With Minimum Mass Wireless Coupler
[Электронный ресурс] / Xiaofeng Gu, Jia Yang, 2012. — Режим доступа: http://people.
ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/FinalProjects/s2012/xg46Jy363/xg46Jy363/index.
html (англ.).-07.01.2016.
8-26. aCANDLE — an atTINY45 based artifical candle [Электронный ресурс] / Simon Schulz,
2006. — Режим доступа: https://web.archive.Org/web/20130630064000/http://avr.
auctionant.de/aCANDLE/index.html (англ.). — 07.01.2016.
8-27. 2 channels RF remote control [Электронный ресурс] / Vasilis Serasidis, 2004. — Режим
доступа: http://www.serasidis.gr/circuits/RF_remote_control/RF_remote_control.htm
(англ.).-07.01.2016.
8-28. DSLRIR DO Infracervene dalkove ovladani pro fotoaparaty znacky Nikon [Электронный
ресурс] / Martin Olejar, 2010. — Режим доступа: http://www.elweb.cz/clanky.php?
clanek=113 (чеш.). -07.01.2016.
8-29. Einfacher UKW-Stereoempf nger mit Philips-Tuner «FM1216ME» und Bascom-I2C-
Steuerung [Электронный ресурс] / Klaus H. Hirschelmann, 2013. — Режим доступа:
http://www.kh-gps.de/fml216.htm (нем.). — 07.01.2016.
8-30. [Электронный ресурс] / «коуата», 2007...2015. — Режим доступа: http://siva.cc.
hirosaki-u.ac.jp/usr/koyama/video/ (яп.). — 07.01.2016.
8-31. Simple Noise Generator Using TL431 [Электронный ресурс] / Osamu Hoshuyama,
2009. — Режим доступа: http://houshu.at.webry.info/200901/article_l.html (яп.). —
07.01.2016.
8-32. [Электронный ресурс] / 2011. — Режим доступа: http://ameblo.jp/ledeco/entry-
11080184154.html (яп.). - 07.01.2016.
8-33. MCU Controlled Super-regeneration with Quartz Oscillators [Электронный ресурс] /
Alan Yates, 2010. — Режим доступа: http://www.vk2zay.net/article/235 (англ.). —
07.01.2016.
8-34. Рюмик, С. Вблизи от терменвокса / Сергей Рюмик // Радиоаматор. — 2011. — № 1. —
С. 45-49 ; — № 2. — С. 41-43.
8-35. Рюмик, С. Микроконтроллеры DUINO. Сборка 6 / Сергей Рюмик// Радиоаматор. —
2010.- №9. -С. 54-59.
8-36. Power Amplifier [Электронный ресурс] / «shinka», 2012. — Режим доступа: http://www.
ne.jp/asahi/evo/amp/K3497J618/report.htm (яп.). — 07.01.2016.
8-37. Hats [Электронный ресурс] / Frederik Olofsson, 2012. — Режим доступа: http://www.
fredrikolofsson.com/f0blog/?q=node/582 (англ.). — 07.01.2016.
8-38. Саволюк, А. Цифровой регулятор громкости на микроконтроллере / Александр
Саволюк// Радиоаматор. — 2014. — № 7—8. — С. 9—11.

8-39. Рюмик С. Псевдоквадрафония в «Sega Mega Drive-2» / Сергей Рюмик // Радио. —
2001.-№6.-С. 20-22.
8-40. FrequentieStandaard [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2014. — Режим доступа:
http://prosje.be/Projects/FrequentieStandaard.html (нидерл.). — 07.01.2016.

ГЛАВА
9
СХЕМЫ ДЛЯ ARDUINO
Выбирай удилище по лову, а крючок по рыбе
(Русская пословица)
9.1. Кратко про Arduino
9.1.1. Постановка задачи
Arduino — это открытая микроконтроллерная программно-аппаратная
платформа. «Открытая» — потому что схемы и программы не засекречены и
свободно доступны в Интернете. «Микроконтроллерная» — потому что
содержит МК. «Платформа» — потому что для Arduino разработано и производится
множество модификаций плат и шилдов.
Считается, что Arduino в лаборатории современного радиолюбителя должен
занимать примерно такое же место, как вольтметр, частотомер или
осциллограф. С его помощью можно отладить узлы сложного проекта, оценить
звуковые и световые эффекты, провести макетирование, а также изготовить за один
день полезную конструкцию. Arduino станет хорошим помощником в
освоении азов программирования и приобретении новых знаний.
Визуально Arduino представляет собой небольшую печатную плату с
установленным МК, кварцевым резонатором, стабилизатором питания,
конвертором USB-UART и унифицированной «гребенкой» контактов, которые
подводят сигналы к цифровым и аналоговым портам.
Электронная «обвязка» МК, входящего в Arduino, гарантирует
безошибочную работу устройства на аппаратном уровне, высокую помехоустойчивость и
простоту программирования. Пользователю остается лишь собрать схему,
подсоединить Arduino к компьютеру и запустить бесплатную среду
проектирования, которая содержит компилятор, отладчик и программатор.
К плате Arduino можно пристыковать этажеркой различные шилды (Shield).
Это отдельные модули со своими печатными платами и стандартным набором
сигналов. Шилды значительно облегчают жизнь электронщикам в части
сопряжения МК с интеллектуальными периферийными устройствами, например
с модулями GSM, GPS, Ethernet, Bluetooth, Х-Вее и т.д. Приобретение шилда
экономит массу времени, которое пришлось бы потратить на его
самостоятельное изготовление. Шилды позволяют абстрагироваться от проблем
схемотехники и сосредоточиться исключительно на программировании.
На базе Arduino можно отмакетировать какой-либо электронный узел, а
затем перенести техническую идею в свою разработку или промышленный при-

бор. Схемы с Arduino легко собираются и так же легко разбираются. Процесс
пайки сводится к минимуму. Конструкции с Arduino часто делаются на беспа-
ечных макетных платах, в которых монтаж ведётся с помощью отрезков
проводов и навесных радиоэлементов, вставляемых в гнёзда.
Процесс программирования занимает секунды, отдельный программатор
не требуется. Программы составляются на алгоритмическом языке высокого
уровня Wiring, являющемся усечённой версией языка Си.
9.1.2. На кого рассчитан проект Arduino?
Во-первых, на начинающих радиолюбителей, которые горят желанием
сделать что-то полезное своими руками, но не знают, с чего начать.
Во-вторых, на опытных электронщиков старшего поколения, которые
хорошо ориентируются в аналоговых и цифровых микросхемах, но испытывают
затруднения с программированием МК, ссылаясь на отговорку «не те годы».
В-третьих, на старшеклассников, мечтающих поступить в технический вуз и
желающих проверить себя в деле, чтобы в будущем не разочароваться в выборе
профессии.
В-четвертых, на студентов, пишущих курсовые и дипломные работы, в
которых имеется практическая часть.
В-пятых, на инженеров электронной техники, которые используют Arduino
для макетного проектирования, чтобы заранее оценить правильность
предлагаемого технического решения.
В-шестых, на мастеровитых людей, абсолютно не связанных с электроникой
и программированием (медики, строители, юристы и т.д.). Для них это хобби,
которое легко освоить с помощью здравого смысла и логического мышления.
Чем подкупает рядового пользователя Arduino?
Недорогое устройство, которое приобретается один раз и может быть
многократно использовано в разных конструкциях.
Питание от компьютера через разъём USB.
Простота составления программ, много учебных проектов с пошаговыми
инструкциями и подробными фотографиями в Интернете.
Наличие хорошо проработанных библиотек функций. Это означает, что
не надо изнурительно долго изучать дата шиты специализированных
микросхем, боясь запутаться в бесчисленных регистрах.
Исчезает проблема с неверно запрограммированными фьюзами, что
характерно было при эксплуатации AVR-контроллеров.
9.1.3. Платформа «Ореп»
Тем, кто желает самостоятельно изготовить модуль Arduino, бесплатно
предоставляются: электрическая схема, эскизы печатных плат, прошивка AVR-
контроллера, а также программная среда проектирования [9-1]. Подвоха здесь
нет, поскольку разработчики Arduino исповедуют концепцию «Ореп Hardware*,
или «Открытые аппаратные средства».

«Ореп» в переводе с английского означает «открытый». Программисты
первыми догадались использовать это слово для обозначения программ с
доступным исходным кодом. Мало того, появились энтузиасты, которые
предложили рассекретить не только алгоритмы, но и вообще всю техническую начинку
любого устройства. По их замыслу, ничто не должно мешать другому человеку
своими руками изготовить (повторить) понравившуюся ему конструкцию.
Можно выделить следующие разновидности открытых проектов:
Open Source (открытое программное обеспечение);
Open Hardware (открытые аппаратные средства);
Open Core (открытое «ядро»).
Open Source — это парафия программистов. Следует отличать свободное
(free software) и бесплатное (freeware) программное обеспечение. Первое из
них можно без ограничений использовать, распространять, модифицировать и
улучшать, а второе — только использовать и распространять.
Бесплатность программы не означает, что она не имеет лицензии. Например,
лицензия GPL (General Public License), на которую часто ссылаются авторы
свободных программ, вполне легальная и признаваемая интернет-сообществом.
Свободно распространяемые программы, начиная с 2003 г., включаются в
официальное делопроизводство некоторых стран. Налицо прямая экономия
финансов без ущерба качеству используемого программного продукта.
Open Hardware — это парафия электронщиков, в том числе разработчиков
Arduino. Базируется на идеологии, сходной с Open Source, но вместо программ
речь идёт об электрических схемах. Направление Open Hardware появилось
благодаря стараниям Ричарда Столлмана (Richard Stallman) и Джона Эйкерма-
на (John Ackermann). Открытость аппаратных средств подразумевает лицензию
OHL (Open Hardware License). Человеку предоставляется право свободно
использовать, копировать, модифицировать и распространять полную
техническую документацию, а также сам материальный объект. Под
«распространением объекта» понимается всё, что угодно, — от любительского «слепого»
копирования схемы до продажи (лизинга) промышленных серийных образцов.
Важное условие OHL-лицензии заключается в том, что разработчик
обязуется в масштабах всего мира не предъявлять иски в защиту своих патентов и
прочей интеллектуальной собственности, включённых в состав изделий Open
Hardware. Соответственно, каждый, кто самостоятельно модифицирует эти
изделия и добавляет свои «ноу-хау», непременно должен согласиться с OHL-
лицензией. Поскольку под действие лицензии попадает и документация, и
объект как единое целое, то диалектически получается процесс непрерывного
совершенствования устройства при сохранении бесплатности его
изготовления любым желающим.
В целом общество выигрывает от такого процесса. Например,
предприниматель может вполне легально наладить производство и продажу товаров Open
Hardware. Тот, кто побогаче или у кого мало свободного времени на хобби,
купит изделие целиком и будет вполне доволен. Остальные — кто полюбопытнее,
поэкономнее и у кого руки «прямые» — смогут сделать устройство
самостоятельно, не опасаясь проблем защиты авторского права.

Open Core — это одновременно и для программистов, и для электронщиков.
Относится к открытым публичным проектам, использующим
конфигурируемые ПЛИС (PLD) и заказные логические матрицы ASIC. Они, в отличие от
МК, поставляются без внутренней системы команд и инструкций. ПЛИС —
это «чистый лист» из триггерных и логических ячеек, на котором можно
разместить в том числе программно-аппаратное ядро МК разных семейств. Коды
прошивки ядра, согласно лицензии Open Core, должны быть рассекречены,
иначе знание электрической схемы становится бесполезным.
9.1.4. Историческая справка
В 2005 г. преподаватель технологического института из г. Ивреа (Пьемонт,
Италия) Massimo Banzi решил помочь своим студентам в поисках дешёвого и
мощного МК для робототехнических проектов. Возникла идея — разработать
миниатюрный функционально законченный микроконтроллерный блок с
собственным языком программирования, похожим на Си. Была создана команда
единомышленников, и работа началась.
Проект Arduino быстро вышел за рамки академического университета.
Разработка получилась настолько удачной, что освоить Arduino оказалось под силу
даже людям, слабо разбирающимся в компьютерной технике. Энтузиасты-
самодельщики начали внедрять разработки на базе Arduino в самые разные
сферы человеческой деятельности — от систем полива комнатных растений и
беспилотных летательных аппаратов до роботов и автомобилей.
Arduino — это, по сути дела, спецвычислитель, который способен управлять
несколькими внешними устройствами по типу «включено-выключено»,
преобразовывать в цифровую форму аналоговые сигналы, формировать на выходе
постоянные напряжения и импульсные сигналы. Небольшой, но весьма
функциональный набор возможностей.
Слово «Arduino» никак не переводится. Это имя одного из древних
итальянских королей. Сторонним производителям, дабы не нарушать авторских прав,
не разрешается присваивать своим изделиям фирменное название «Arduino»,
но и не запрещается тиражировать клоны с общим корнем «duino» или «guino»,
например Roboduino, StickDuino, Seeduino, Freeduino, Boarduino, Pinguino,
Japanino и т.д.
9.1.5. Особенности Arduino
На Рис. 9.1 приведена обобщённая структурная схема популярной платы
Arduino-UNO. Это разработка 2011 г., ставшая классикой жанра.
Ядром Arduino является AVR-контроллер, тактируемый от кварцевого
резонатора частотой 16 МГц. Линии портов МК выводятся наружу на контактную
«гребёнку» платы без каких-либо ограничительных или защитных элементов.
Начальный сброс производится кнопкой SBL На плате имеются 4
светодиодных индикатора, из которых 3 служебные и один («L») пользовательский.
Связь с компьютером производится через конвертор USB-UART. Питание
на него и на Arduino 5 В поступает от компьютера. Также предусмотрено
внешнее питание через разъём POWER от «сетевой вилки» с напряжением 9... 12 В.

Рис. 9.1. Структурная схема Arduino-UN О
Входные и выходные сигналы МК разделяются по функциональному
признаку на следующие группы: цифровые входы (IN), цифровые выходы (OUT),
аналоговые входы (АЦП), аналоговые выходы (ШИМ). Схемотехника
подключения внешних узлов по входу и выходу будет такой же, как и для обычных
МК. Как следствие, в разработках с Arduino можно использовать подавляющее
большинство схем из книг «Выпуск 1», «Выпуск 2».
Система питания Arduino-UNO показана на Рис. 9.2. Здесь надо чётко
представлять, что питание может поступать из разных источников: от сети 220 В
через понижающий адаптер в разъём POWER, от компьютера через разъём US В,
от источника постоянного напряжения +9... 12 В через контакт «гребёнки» Vin.
Рис. 9.2. Схема организации питания в Arduino-UNO
Цепи на контактах «гребёнки» 5V и 3V3 защищены от КЗ на общий провод
GND внутренними стабилизаторами DAI, DA2.
Интересная деталь. МК в Arduino-UNO питается от стабилизатора 5 В, но
на контакт 3V3 выводится дополнительное (незадействованное) напряжение
3.3 В. Это сделано для унификации, чтобы пользователь имел определённую
гибкость при подключении внешних микросхем, рассчитанных на пониженное
питание. С другой стороны, существуют модели Arduino, в которых для пита-

ния МК используется напряжение 3.3 В, но и у них для унификации на
«гребёнку» выведен контакт со стабильным напряжением 5 В.
Количество программно доступных портов в Arduino не является
константой. В зависимости от установок регистров допускается разное сочетание
цифровых и аналоговых входов и выходов (Рис. 9.3, а...г).
Рис. 9.3. Конфигурация пинов Arduino:
а) полная; б) без сигналов UART; в) без аналоговых выходов; г) без аналоговых входов
Линии портов в Arduino принято называть «пинами» (англ. «ріп» — булавка,
контакт). В Интернете часто применяются термины «порт», «линия».
Нумерация пинов сквозная. Цифровые пины обозначаются буквой «D»,
аналоговые пины — буквой «А». Цифровые пины DO и D1 играют особую роль.
Они настроены на канал UART, который может в любую минуту понадобиться
для передачи данных в компьютер при отладке программы.
9.1.6. Тестовая проверка Arduino
Разработчики не устанавливают ограничений на тип МК, применяемый
в Arduino, поэтому в его многочисленных клонах используют 8...32-битные
AVR-, PIC-, ARM-, Cortex-контроллеры. Количество пинов (портов
ввода/вывода) также может отличаться. Но для всех моделей Arduino остаётся
неизменным принцип разделения портов на цифровые и аналоговые, на входы и
выходы. Следовательно, каждый из них можно проверить на функционирование по
отдельной методике, создавая нагрузки и формируя входные напряжения.

На Рис. 9.4 приведена электрическая схема тестового стенда, который
позволяет оценить работоспособность основных узлов Arduino. Чтобы облегчить
процесс измерения, к стенду подключается компьютер через разъём USB.
Рис. 9.4. Электрическая схема тестового стенда для проверки Arduino
Назначение элементов: SB1 — кнопка сброса, R1 — резистор, через который
подаётся опорное напряжение на вывод AREF Arduino, R2 — резистор,
определяющий яркость свечения двухцветного индикатора HL 1, R3 — переменный
резистор, которым проводятся все основные тесты, как по входам, так и по
выходам. Индикатор НЫ можно заменить двумя дискретными светодиодами.
Проверка цифровых выходов. Подключить резистор R2 к проверяемому пину
D0...D13, А0...А5. Запустить тестовый скетч в среде Arduino-1.6.7 (Листинг 9.1).
//Проверка цифровых выходов Arduino-UNO (DO...D13, АО...А5)
const int Pin = 3; //Проверка цифрового пина D3(0...13 или АО.. .А5)
void setupf) // Инициализация
{ pinModef Pin, OUTPUT); //Установка пина в режим цифрового выхода
void 1оор() // Основная программа, цикл
{ digitalWrite(Pin, HIGH); // Установка ВЫСОКОГО уровня на выходе
delayf 10ОО); // Пауза 1 с(1 ООО мс)
digitalWrite(Pin, LOW); // Установка НИЗКОГО уровня на выходе
delayf200); // Пауза 0.2 с (200 мс)
} //Arduino-1.6.7, скетч использует память 1030 байтов (3%)
Листинг 9.1. Проверка цифровых выходов Arduino
На выходе пина генерируется цифровой сигнал с длинным ВЫСОКИМ и
коротким НИЗКИМ уровнями. При переводе движка переменного резистора

R3 из одного крайнего положения в другое индикатор НЫ должен загореться,
соответственно, зелёным или красным цветом. При этом в одном случае он
будет больше светиться, чем гаснуть, в другом случае — наоборот.
Ток в прямом и обратном направлениях проходит через резистор R2. Его
сопротивление выбрано достаточно низким, чтобы протестировать выходы МК
на нагрузке примерно 20 мА.
В программе можно подобрать оптимальный период мигания светодиода,
изменяя длительности ВЫСОКОГО и НИЗКОГО уровней в операторе «delay».
Проверка аналоговых выходов. Подключить резистор R2 стенда к
проверяемому пину D3, Z>5, D6t D9, D10, D11 и программно перевести его в режим
аналогового выхода ШИМ (Листинг 9.2).
Проверка аналоговых выходов Arduino-UNO (D3, D5, D6, D9, D10, D11)
int Pin = 9; // Проверка пина D9, канал ШИМ (3; 5; 6; 9; 10; 11)
int brightness = 0; //Начальная яркость свечения 0...255
int fadeAmount = 5; // Число градаций яркости 3...10
void setup() // Инициализация
{ pinMode(Pin, OUTPUT); //Установка пина в режим аналогового выхода
void 1оор() // Основная программа, цикл
{ analogWrite(Pin, brightness); //Установка текущей яркости
brightness = brightness + fadeAmount; // Следующая градация яркости
//Проверка диапазона яркости 0...255, смена направления
if (brightness <=0\ \ brightness >= 255) fadeAmount = -fadeAmount;
deiay(30); //Пауза 30 мс, чтобы проявился эффектдиммирования
} //Arduino-1.6.7, скетч использует память 1286 байтов (3%)
Листинг 9.2. Проверка аналоговых выходов Arduino
На выходе пина генерируется двухуровневый сигнал с ШИМ-заполнением.
При переводе движка переменного резистора R3 из одного крайнего
положения в другое индикатор НЫ должен светиться, соответственно, зелёным или
красным цветом. Яркость должна сначала плавно увеличиваться, а затем
плавно уменьшаться. Процесс симметричный независимо от цвета свечения.
Период цикла составляет примерно 3 с. Его можно подрегулировать в программе
изменением переменной «fadeAmount».
Проверка аналоговых входов. Подключить резистор R2 стенда к
проверяемому пину А0...А5. Программно перевести его в режим аналогового входа АЦП, а
опорное напряжение AREF переключить с внутреннего источника (по
умолчанию) на внешнее напряжение, в данном случае это +3.3 В (Листинг 9.3).

// Проверка аналоговых входов Arduino-UNO (АО.. .А5)
const int Pin = АО; // Проверка пина АО, канал АЦП (АО.. .А5)
int sensor = О; // Переменная для хранения показаний АЦП
void setup() // Инициализация
{ Serial. begin(9600); // Связь с компьютером на скорости 9600 бод
//По умолчанию режимы всех пинов устанавливаются на «вход»
analogReferencef EXTERNAL); // Подключение внешнего ИОН для АЦП
void 1оор() // Основная программа, цикл
{ sensor = analogReadfPin); // Чтение данных сАЦП(0...1023)
Serial. println( sensor); // Вывод данных в компьютер (0...1023)
delay(50); // Пауза времени 50 мс до следующего замера
} //Arduino-1.6.7, скетч использует память 2386 байтов (7%)
Листинг 9.3. Проверка аналоговых входов Arduino
МК Arduino периодически опрашивает выбранный канал АЦП.
Оцифрованное напряжение в диапазоне условных чисел 0...1023 передаётся в
компьютер. Измерения повторяются вновь и вновь через небольшую паузу 50 мс.
В терминальном окне среды Arduino-1.6.7 («Инструменты — Плоттер по
последовательному соединению») будет наблюдаться график, отображающий
принимаемые данные (Рис. 9.5). Вращением движка переменного резистора R3
можно сдвигать линию графика по вертикали.
«Бабочки» на графике обязаны своим присутствием индикатору НЫ. Если
его выводы замкнуть, то линии сгладятся. Волнистость говорит о
работоспособности АЦП. Прямая полка на графике соответствует опорному напряжению
+3.3 В, поступающему через резистор R1 на вход AREF. Полка свидетельствует
о «насыщении» АЦП, поскольку резистор R3 соединяется с цепью +5 В.
Рис. 9.5. График плоттера при проверке аналоговых входов Arduino

Проверка цифровых входов. Подключить резистор R2 стенда к проверяемому
пину D0...D13, А0...А5. Запустить тестовый скетч (Листинг 9.4).
//Проверка цифровых входов Arduino-UNO (DO...D13, АО...А5)
int Pin = АО; //Проверка пина АО (0...13,А0..Л5)
int onoff = 70; // Время подключения/отключения «pull-up» резистора
int pullup = 0; // Переменная для переключения состояния
int timer = 0; // Счётчик времени
void setup() // Инициализация
{ Serial, beginf9600); // Связь с компьютером на скорости 9600 бод
pinModefPin, INPUT_PULLUP); //Установка пина в режим входа с «pull-up»
void loop() // Основная программа, цикл
{ int sensor = digitalRead(Pin); // Чтение цифрового входа
Serial.println(sensor); // Вывод данных в компьютер («О» или «1»)
if(++timer > onoff) // Отсчёт времени для чередования состояний
{ timer = 0; // Обнуление счётчика
if(++pullup%2 == 0) //Если требуется установить режим «pull-up»
{ Serial.println(3); //Вывод в компьютер числа «3» («pull-up»)
digitalWritefPin, HIGH); //Установка режима «pull-up»
}
else // Если требуется установить режим Z-состояния
{ Serial.println(2); //Вывод в компьютер числа «2» (Z-состояние)
digitalWritefPin, LOW); // Установка режима Z-состояния
}
}
delayf 100); // Пауза времени 0.1 с до следующего замера
} //Arduino-1.6.7, скетч использует память 2904 байтов (9%)
Листинг 9.4. Проверка цифровых входов Arduino
После запуска скетча выбранная линия порта Arduino настраивается в
режим цифрового входа с внутренним «pull-up» резистором. С периодом
несколько секунд «pull-up» резистор то подключается, то отключается, при этом
в компьютер посылается маркер в виде пика с уровнем 2 или 3 В.
Напряжение на входе линии порта регулируется переменным резистором
R3. Опрос линии производится каждые 100 мс. Результатом служит число 0 или
1, которое передаётся в компьютер.
В терминальном окне среды Arduino-1.6.7 будет наблюдаться график,
состоящий из точек логических нулей и единиц, а также маркеров смены
сопротивления на входе с удвоенной и утроенной амплитудами (Рис. 9.6).
Отклик на вращение движка переменного резистора R3 будет разный при
«pull-up» резисторе и Z-состоянии. В первом случае переход уровней
происходит почти без гистерезиса, во втором случае — с большим гистерезисом.

Рис. 9.6. График плоттера при проверке цифровых входов Arduino
Периодичность подключения и отключения внутреннего «pull-ир»
резистора регулируется переменной «onoff». Частота опроса состояния входа может
изменяться в широких пределах оператором задержки времени «delay». Число в
скобках после него означает время в миллисекундах.
Скорость связи с компьютером через виртуальный СОМ-порт может быть
отличной от 9600 бод. Но в этом случае необходимо ввести одинаковую
коррекцию чисел в блоке инициализации программы и в терминальном окне
среды Arduino-1.6.7.
Дополнительные проверки Arduino. Казалось бы, канал сброса отдельно
проверять не надо, поскольку на плате Arduino имеется своя кнопка начальной
инициализации. Всё правильно, однако не факт, что сигнал сброса физически
доходит до нужного контакта «гребёнки». Целостность цепи проверяется
нажатием на кнопку SB1 стенда, что должно сопровождаться полным сбросом
Arduino и временным прекращением свечения индикатора НЫ.
Кнопку SB1 припаивать не обязательно, что на электрической схеме
отмечено пунктиром. Её можно сымитировать пинцетом или закороченным на GND
проводником.
В заключение надо проверить разъём подачи питания от внешней «сетевой
вилки». При её подстыковке должен засветиться зелёный светодиод «ON» на
плате Arduino и нескоько раз мигнуть светодиод с маркировкой «Ь>.
Расшифровка результатов тестирования. Пониженная яркость свечения
индикатора НЫ может свидетельствовать о неисправности транзисторов
выходного каскада МК Arduino. Отсутствие плавной регулировки яркости
указывает на неисправность внутренних регистров МК.
По внешнему виду графиков, построенных на компьютерном плоттере,
можно судить об исправности стабилизатора напряжения 3.3 В и цепи AREF.
Проверка цифровых входов позволяет выяснить, имеется ли внутри триггер
Шмитта и исправен ли «pull-ир» резистор.

9.1.7. Философия Arduino
Говорят, что нужно мысленно вернуться в прошлое, для того чтобы понять
настоящее. Если вспомнить далёкий 2005 г., то следует отметить, что в
радиолюбительских журналах того времени и в Интернете уже публиковались
микроконтроллерные схемы, похожие на Arduino. Технология программирования
BootLoader была известна. Компиляторы языка Си прошли успешную
адаптацию к разным семействам МК. Теоретически любой специалист, который
находился «в теме», мог бы изобрести Arduino. Как говорится, «идея витала в
воздухе».
Заслуга разработчиков Arduino заключается в том, что они собрали воедино
все составляющие «пазла» и первыми догадались упростить алгоритмический
язык, ввести стандартизацию на тактовую частоту, напряжение питания,
входные и выходные сигналы, процедуру программирования, конструктив.
Сработал житейский закон перехода количества в качество, и получился
новый продукт, который быстро завоевал признание. Ценно то, что аппаратную и
программную части сразу же рассекретили, благодаря чему к проекту
подключились самоделыцики и энтузиасты по всему миру.
Постепенно выработалась философская линия Arduino — превратить МК
в стандартный радиоэлемент наподобие транзистора, при этом имея
возможность изменять его свойства программным способом.
Упрощённая схемотехника Arduino и уклон на использование чужих
программных библиотек не всеми специалистами воспринимаются однозначно.
Многие критикуют «ардуино-стиль» в разработках и программировании, но
при этом понимают, что запретить его нельзя.
В любом случае, проект под названием «Arduino» состоялся «де-факто»
и «де-юре». В подтверждение тому свежая новость. Фирма Intel совместно с
разработчиками Arduino осенью 2015 года представила новую модель под
названием Genuino 101 (для США — Arduino 101). На борту устройства
быстродействующий МК Intel Quark, 196 КБ флеш-памяти, 24 КБ ОЗУ, шестиосный
комбинированный сенсор (акселерометр плюс гироскоп) и модуль Bluetooth со
сверхнизким энергопотреблением. Поставки обновлённых плат намечены на
первый квартал 2016 года, продолжение следует...
9.2. Схемы подключения Arduino
Электрические схемы подключения Arduino рассортированы по
функциональному признаку: цифровые и аналоговые входы, цифровые и аналоговые
выходы, комбинированные и автономные узлы.
Схемы приводятся «ходовые», для массового пользования, поэтому они
не насыщены радиодеталями [9-1]...[9-6]. Комментарии к схемам в основном
краткие, поскольку многие технические решения уже встречались ранее при
рассмотрении обычных МК. Тем не менее у ардуинщиков есть свои
оригинальные микроконтроллерные находки, заслуживающие внимания.

9.2.1. Схемы с цифровыми входами
Рис. 9.7. Схемы подачи сигналов на цифровые входы Arduino (начало):
а) резистор R1 определяет ток 0.5 мА через кнопку SB1 при замыкании контактов;
б) аналогично Рис. 9.7, а, но кнопка SB1 имеет соединение с цепью питания, а не с общим
проводом GND. Вход Arduino может быть настроен на срабатывание по прерываниям INT;
в) аналогично Рис. 9.7, а, но с внутренним «pull-ир» резистором МК 30...50 кОм;
г) устранение «дребезга» контактов кнопки SB1 с помощью /?С-фильтра на элементах Rl, CL
Если кнопка имеет длинные соединительные провода, то для надёжности её контакты можно
зашунтировать керамическим конденсатором ёмкостью 1 мкФ;
д) базовая схема защиты входов Arduino ограничительным резистором R1 и диодами
Шоттки VD1.1, VD1.2. Кремниевые маломощные диоды типа 1N4148, КД522Б здесь не обеспечивают
эффективную защиту. Сборку диодов VD1 можно заменить двумя одиночными диодами Шоттки
1N5817...1N5819. Оборотная сторона медали — внесение дополнительной ёмкости на входе;
е) грубая (R1) и точная (R2) подстройка чувствительности срабатывания фототранзистора
ВЫ. Резистор R3 ограничивает ток через фототранзистор на уровне 25 мА при нулевых
сопротивлениях переменных резисторов и большом уровне освещённости датчика. Если резисторы
Rl, R2 заменить одним постоянным резистором 10 кОм, то резистор R3 можно закоротить;
ж) интегральный фотомодуль В1 подключается к Arduino по типовой схеме с фильтрацией
питания элементами Rl, С1. Управляется устройство с пульта ДУ, частота модуляции 38 кГц. При
близком расстоянии до пульта резистор RJ можно замкнуть, а конденсатор С1 удалить; О
На Рис. 9.7, а...о показаны схемы подачи сигналов на цифровые входы
Arduino.

© Рис. 9.7. Схемы подачи сигналов на цифровые входы Arduino (продолжение):
з) компьютерная клавиатура PS/2 может подключаться к Arduino напрямую, но для
надёжности приёма данных схему лучше дополнить элементами, отмеченными пунктиром;
и) детектор перехода сетевого напряжения 220 В через нуль (Zero-Cross);
к) помехоустойчивая схема подключения квадратурного энкодера В1\
л) предварительный усилитель для пьезодатчика. Рабочая точка транзистора VT1
регулируется резистором R1, а усиление задаётся резистором R4. Вместо «пьезопищалки» НЛ1 можно
установить электретный микрофон или подать внешний аналоговый сигнал через конденсатор;
м) аналогично Рис. 9.7, л, но с защитным стабилитроном VD1, более высоким усилением
(DA1.1, R3, R4) и более чётким порогом срабатывания по уровню (R5, DA1.2); О

О Рис. 9.7. Схемы подачи сигналов на цифровые входы Arduino (окончание):
н) аналогично Рис. 9.7, к, но с кнопкой внутри энкодера В1 и программной (а не аппаратной)
фильтрацией помех. Нагрузками контактов энкодера служат «pull-ир» резисторы МК;
о) приём звуковых сигналов «комариного» диапазона 10...20 кГц. На высоких частотах микрофон
ВМ1 обладает пониженной чувствительностью, поэтому применяются два ОУ DA1.1, DA1.2 с большим
коэффициентом усиления. Переменным резистором /?J устанавливается ВЫСОКИЙ уровень на входе
Arduino в отсутствие звука. Измерение частоты входного сигнала ведётся по таймеру-счётчику МК
9.2.2. Схемы с аналоговыми входами
На Рис. 9.8, а...у показаны схемы подачи сигналов на аналоговые входы Arduino
(АЦП).
Рис. 9.8. Схемы подачи сигналов на аналоговые входы Arduino (начало):
а) резисторы RK1 и R1 образуют делитель, напряжение в средней точке которого изменяется
в зависимости от температуры. Сопротивления двух резисторов выбирают равными или
близкими по номиналу. Конденсатор С/ устраняет ВЧ-наводки от работающего мобильного телефона.
Такой конденсатор рекомендуется ставить и в других аналогичных схемах на входе АЦП;
б) аналогично Рис. 9.8, а, но с интегральным термодатчиком DA1. Напряжение калибровки
между выводами 2 и 3 DA1 составляет 2.98 В при +25°С и токе 1 мА (задаётся резистором R1);
в) аналогично Рис. 9.8, а, но с фотосопротивлением R1 вместо терморезистора;
г) универсальный регулятор параметров. Напряжение на среднем контакте переменного
резистора R1 пропорционально углу поворота его ручки. За один полный оборот напряжение
изменяется от 0 до +5 В, чему соответствуют отсчёты АЦП в диапазоне от 0 до 1023; О

Рис. 9.8. Схемы подачи сигналов на аналоговые входы Arduino (продолжение):
д) DA1 — это аналоговый датчик влажности 0... 100% с точностью 3.5% (3.268 В при 75.3%);
е) галетный переключатель S1 имеет 3 положения и N направлений. Какое именно
положение выбрано, измеряется через АЦП Arduino: «1» (0 В), «2» (+5 В), «3» (+2.5 В);
ж) на вход АЦП подаётся разное напряжение в зависимости от положения роторного
переключателя S1. Резисторы R1...R6 образуют делители напряжения;
з) DA1 — это аналоговый датчик температуры с коэффициентом 10 мВ/град. Диоды VD1, VD2
создают смещение для измерения отрицательных температур 0...-55°С. Без диодов диапазон
сокращается до +2...+ 150°С. Входы АЦП можно зашунтировать конденсаторами 0.1 мкФ;
и) аналогично Рис. 9.8, з, но с другим типом датчика DA1 (—40...+125°С; 750 мВ при +25°С);
к) аналогично Рис. 9.8, з, но с другим типом датчика DAL Конденсаторы С7,
С2рекомендуется запаивать прямо между выводами DA1 или максимально близко от них;
л) измерение постоянного тока Jx9 протекающего через измерительное сопротивление Rx;
м) резистором R1 смещается напряжение на входе АЦП (средняя точка); О

О Рис. 9.8. Схемы подачи сигналов на аналоговые входы Arduino (продолжение):
н) микрофонный усилитель на ОУ DA1 с регулировкой чувствительности резистором R3. Если
требуется фиксировать превышение звукового порога по принципу «да — нет», то вместо АЦП можно
использовать обычный цифровой вход;
о) В1 — это аналоговый ИК-измеритель дистанции 10...80 см фирмы Sharp. Чувствительность
составляет 23...30 мВ/см, ток потребления 30...40 мА. Фильтр питания выполнен на элементах Rl, С1, С2\
п) аналогично Рис. 9.8, г, но с конденсаторами большой ёмкости С/, С2. Они повышают плавность
регулирования, устраняют «шорох» контактов переменного резистора R1, сглаживают пульсации питания
+5 В. Резистор R2 защищает вход МК от всплесков напряжения, кроме того, его наличие позволяет, при
желании, использовать линию МК в режиме выхода;
р) кремниевый диод VD11N4148 может служить достаточно точным (0.5 °С) датчиком высокой
температуры +200...+400°С. Падение напряжения на нём изменяется линейно с коэффициентом 2 мВ/°С при
прямом токе 0.1...1 мА. Опорное напряжение 1.024 В выбрано для того, чтобы 10-битный АЦП выдавал
результат в милливольтах. Интересный нюанс. В даташитах на диоды 1N4148 фирм NXP, ROHM, Semtech
максимальная температура +200°С, в таких же диодах фирм Vishay, Fairchild, WTE, Rectron — + 175°C.
Диоды 2Д522Б допускают температуру кристалла +150°С, а КД522 — +125°С, что следует учитывать при
замене VDL Эксперименты с температурой +400°С любители тоже проводят [9-10], но на свой страх и риск;
с) внутреннее сопротивление датчика влажности В1 изменяется в зависимости от насыщенности
воздуха водяными парами. Для его нормальной работы требуется знакопеременное напряжение, чтобы не
происходил электролиз и меньше изнашивались контакты. Сначала на верхней линии Arduino
выставляется ВЫСОКИЙ уровень, нижняя линия переводится в режим входа АЦП, делается небольшая пауза,
после чего производится замер напряжения. Чем оно больше, тем влажность выше. Затем линии портов
программно меняются местами, и измерение повторяется вновь, но уже через верхний АЦП Arduino; О

О Рис. 9.8. Схемы подачи сигналов на аналоговые входы Arduino (окончание):
т) напряжение на входе АЦП будет дискретно изменяться в пределах 0...5 В в зависимости от
нажатой кнопки SBL..SB12. Резисторы R1...R6 образуют делитель напряжения;
у) вход опорного напряжения AREF принимает активное участие в измерениях с АЦП. На
него можно подавать как внутреннее, так и внешнее стабильное напряжение, например от цепи
+3V3 Arduino. Резистор R1 защитный, но он может быть закорочен. Этот резистор рекомендуют
ставить разработчики Arduino, чтобы случайно не повредить МК при ошибках в программе
9.2.3. Схемы цифровых выходов
На Рис. 9.9, а...т показаны схемы подключения к цифровым выходам Arduino.
Рис. 9.9. Схемы подключения к цифровым выходам Arduino (начало):
а) «пьезопищалка» НА1 — это непременный атрибут всех начальных экспериментов со
звуком в Arduino. Практикой доказано, что порты Arduino не выходят из строя от ёмкостной
нагрузки пьезоизлучателей, будь то из серии ЗП или «попате» от китайских игрушек и звуковых
открыток. Достоинство таких пьезоизлучателей — тонкий корпус, широкий диапазон частот;
б) согласование уровней КМОП «5 В — 12 В». Транзистор VT1 инвертирует сигнал, что надо
учитывать в программе. К выходу Vout могут подключаться микросхемы серии CD4xxx;
в) пьезогенератор (бузер) В1 звучит значительно громче, по сравнению с «пьезопищалкой».
Он может использоваться как аварийный сигнализатор, правда, только на одной частоте; О

О Рис. 9.9. Схемы подключения к цифровым выходам Arduino (продолжение):
г) динамик ВЛ1 имеет слишком низкое сопротивление, чтобы его подключать без Rl\
д) простейшая схема генерации видеосигнала для подачи его на вход 75 Ом телевизора;
е) стандартная схема включения реле К1 через транзистор VT1. Его тип выбирается в
зависимости от тока срабатывания реле. При мощном реле следует применить транзисторы TIP 102,
КТ972 и уменьшить сопротивление резистора R1. Вместо реле может быть маломощный мотор;
ж) «невидимые» вспышки ИК-светодиода HL2 визуализируются внутренним «видимым»
светодиодом НЫ, который размещается на плате Arduino и имеет маркировку «Ь>;
з) источник стабильного напряжения +1.5 В для устройств с батарейным питанием;
и) Ml — это пятивольтовый сервопривод. Угол поворота его вала определяется
длительностью импульса управления с выхода Arduino: 1.25—1.5—1.75 мс равняется 0—90—180 градусов.
Если посылать импульсы каждые 25...50 мс, то ротор сервопривода будет плавно вращаться;
к) платы Arduino могут применяться для управления светотехникой по цифровому
протоколу DMX. Для связи используется линейный драйвер RS-485 на микросхеме DDI; О

© Рис. 9.9. Схемы подключения к цифровым выходам Arduino (продолжение):
л) для питания мощного светодиода ЕЫ требуется стабильный ток, который обеспечивается
стабилизатором на микросхеме DAL Ток регулируется резистором ЯЗ. На выходе Arduino можно
генерировать импульсы через канал ШИМ, чтобы обеспечить плавное изменение яркости
светодиода. Конденсатор С1 снижает ВЧ-помехи, возникающие при коммутации;
м) классический Arduino не имеет встроенного канала ЦАП. Аналоговые выходы ШИМ в
действительности не совсем «аналоговые», поскольку генерируют импульсные, а не ступенчатые
сигналы. Микросхема DA2 — это настоящий 12-битный ЦАП с ИОН на микросхеме DA1. Для
связи с Arduino используется интерфейс SPI;
н) интеллектуальная светодиодная RGB-лента ELl...ELn (30 секций на метр) имеет
встроенный контроллер WS2812B и обеспечивает установку любого цвета с разрешением 24 бита в
каждой из 1024 (максимум) последовательных секций. Лента управляется с выхода Arduino по
одному проводу путём битового сдвига команд (3 байта) из секции в секцию до полного
заполнения данных. Частота смены пакетов до 30 Гц, что позволяет формировать сложные светодина-
мические эффекты, например, в блоке тыловой подсветки монитора или телевизора (эмбилайт).
Внешний источник питания +5V(ext) должен быть достаточно мощным и гарантировать ток
нагрузки из расчёта 20 мА на один RGB-светодиод (а их в ленте может быть несколько сотен!);
о) прямое подключение 64 светодиодов к 16 линиям МК. Управление ведётся короткими
импульсами методом построчной развёртки. Ограничительные резисторы отсутствуют, поэтому в
программе надо блокировать ситуацию, когда включаются все светодиоды одновременно; ©

О Рис. 9.9. Схемы подключения к цифровым выходам Arduino (окончание):
п) подключение семисегментного светодиодного индикатора HG1 (общий анод) к Arduino.
Индикаторы с общим катодом подключаются аналогично, только вывод справа следует
соединить с цепью GND Arduino. Резисторы RL..R8определяют яркость свечения индикатора;
р) все входы индикатора HG1 толерантные к напряжению +5 В, поэтому соединение с Arduino
производится напрямую. В некоторых разновидностях индикаторов для мобильных телефонов
Nokia вывод подсветки BL надо отключить от цепи VCC и подключить к цепи GND. Для
подобных индикаторов разработана специальная библиотека функций Adafruit_GFX_Library;
с) мультиплексирование светодиодов #£7...Я£6'методом «Charlieplexing» («чарлиплексинг»).
Этот метод предложил Charlie Allen в 1995 году. Заключается он в попеременном выставлении
НИЗКИХ и ВЫСОКИХ уровней на трёх выходных пинах;
т) ВЫСОКИМ уровнем с выхода Arduino включается оптореле VU1 и замыкается цепь между
контактами ~V1, ~V2- Устройство может коммутировать как переменное, так и постоянное
напряжение. Если соединить вместе выводы 4 и 6 оптореле VU1 и подключить цепь ~V2 к выводу 5
VU1, то можно увеличить ток коммутации вдвое, но только для постоянного напряжения
9.2.4. Схемы аналоговых выходов
На Рис. 9.10, а...к показаны схемы подключения к аналоговым выходам Arduino
(аппаратный канал ШИМ).

Рис. 9.10. Схемы подключения
к аналоговым выходам Arduino
(начало):
а) совмещение функций цифрового выхода (1/0) и аналогового выхода (ШИМ). В первом
случае светодиод НЫ включается/выключается, во втором — изменяется яркость его свечения;
б) для выделения полезного НЧ-сигнала из модулированных ВЧ-импульсов канала ШИМ
необходим внешний ФНЧ. В данной схеме его образуют элементы Rl, С1;
в) регулируя скважность импульсов в трёх каналах ШИМ, можно установить требуемую
яркость свечения и оптимальный цветовой оттенок в трёхцветном светодиоде НЫ;
г) аналогично Рис. 9.10, в, но с трёхцветной светодиодной лентой ЕЫ;
д) для подсветки ЖК-модуля HG1 нужен ток всего лишь 20 (!) мА, поэтому на вывод 15 HG1
сигнал ШИМ подаётся прямо с линии Arduino. Резистор R1 задаёт максимальную яркость; О

Рис. 9.10. Схемы подключения к аналоговым выходам Arduino (окончание):
е) формирование звука с разрядностью 16 бит из двух 8-битных частей — младшей (нижний
выход ШИМ) и старшей (верхний выход ШИМ). Резистором /^устанавливается минимум
шумов в выходном сигнале. Инверторы, входящие в DDI, DD2, для снижения выходного
сопротивления включаются параллельно. Фильтр Rl, С1 устраняет помехи от источника питания;
ж) яркость светодиодов HL 1...HL8 изменяется плавно и одновременно;
з) типовая схема плавной регулировки скорости вращения двигателя Л/7;
и) £С-фильтр Ы, С1 устраняет ВЧ-составляющую в звуковом ШИМ-сигнале более
эффективно, чем ЛС-цепочка;
к) мощные цветные светодиоды EL1...EL3 конструктивно размещаются в светильнике.
Изменяя в канале ШИМ скважность выходных сигналов, можно создать любой цветовой оттенок

9.2.5. Комбинированные схемы со входами и выходами
На Рис. 9.11, а...с показаны комбинированные схемы со входами и выходами.
Рис. 9.11. Схемы подключения
к входам/выходам Arduino
(начало):
а) Ml — это трёхвыводной компьютерный вентилятор, имеющий датчик вращения, с
которого снимается сигнал обратной связи в Arduino. Резистор R1 служит нагрузкой;
б) стандартное подключение к Arduino различных периферийных приёмопередающих (и не
только) модулей. Основное требование — одинаковое питание +5 В;
в) подключение комплексного цифрового датчика влажности и температуры DDI;
г) датчик температуры DDI использует для двунаправленной связи и питания шину 1-Wire;
ц)Л1 — это джойстик от игровой приставки Nintendo-Wii. Содержит трёхосевой
акселерометр (10 бит), двухосевой аналоговый джойстик (8 бит) и 2 кнопки. Управляется через интерфейс
PC. Вывод питания «+» можно подключить к цифровому выходу Arduino (экономия энергии);
е) увеличение числа доступных цифровых портов ввода/вывода через микросхему DDI (шина
12С). К качестве нагрузки используют: ЖКИ, тастатуру 4x4, светодиоды, кнопки и т.д.; О

О Рис. 9.11. Схемы подключения к входам/выходам Arduino (продолжение):
ж) согласование уровней Arduino (5 В) и внешнего цифрового устройства (3 или 5 В);
з) аналогично Рис. 9.11, ж, но с меньшим количеством резисторов;
и) подключение внешней «часовой» микросхемы DDI. Батарея G1 — резервное питание;
к) НИЗКИМ уровнем с выхода Arduino включается оптопара VU1. Чтобы узнать, прошла ли
команда, организуется обратная связь через оптопару VU2 на вход Arduino;
п) DAI — аналоговый двухосевой акселерометр. Ток потребления меньше 1 мА, поэтому для
питания ИХ, GND используются два выхода Arduino. Конденсаторы С/, С2 определяют полосу
пропускания ФНЧ 1...500 Гц. Вход ST служит для тестирования. Если на него подать
ВЫСОКИЙ уровень, то на выходах X-OUT, Y-OUTгенерируются тарированные уровни амплитуды;
м) аналогично Рис. 9.11, л, но с трёхосевым аналоговым акселерометром DA1. Диапазон
питание 1.8...3.6 В. Если тестирование не требуется, то вывод STможно оставить свободным; О

О Рис. 9.11. Схемы подключения
к входам/выходам Arduino
(окончание):
н) ИК-светодиод НЫ конструктивно размещается в пределах прямой видимости с
фототранзистором ВЫ. При внесении какого-либо предмета, закрывающего видимость,
сопротивление ВЫ снижается, и на входной линии порта слева появляется ВЫСОКИЙ уровень;
о) подключение карты памяти microSD к Arduino. Резистивные делители согласуют уровни;
п) HG1 — это цветной графический интеллектуальный OLED-дисплей с встроенным
процессором и слотом для карты памяти microSD. Дисплей управляется через канал UART и имеет
собственную систему команд;
р) МК выставляет на линии НИЗКИЙ уровень, при этом конденсатор С1 заряжается до
напряжения 5 В. Затем линия переводится в режим входа АЦП, и МК измеряет число
машинных тактов (время), за которое конденсатор разряжается до определённого уровня. Измеренное
время обратно пропорционально освещённости фотодиода ВЫ;
с) измеритель температуры 0...+40°С. Сначала на линии порта выставляется ВЫСОКИЙ
уровень, конденсатор С7 заряжается почти до +5 В. Затем линия порта переводится в режим
Z-входа и по таймеру измеряется время разряда конденсатора С/ через резисторы RK1, R1 до
появления НИЗКОГО уровня. Показания таймера переводятся по внутренней калибровочной
таблице в градусы температуры. Диапазон измерения подстраивается резистором R1

9.2.6. Конструкции на базе Arduino
Рис. 9.12. Схемы конструкций на базе Arduino (начало):
а) макет управляемого транспортного и пешеходного светофора содержит кнопку остановки
движения SB1, а также светодиоды НЫ...НЬЗцдя автомобилей и HL4, НЬ5ддя пешеходов. В
исходном состоянии путь транспорту открыт зелёным цветом светодиода НЫ, а путь пешеходам
закрыт красным цветом светодиода HL4. Если пешеходу необходимо перейти через улицу, то он
нажимает кнопку SB1. После этого начинают последовательно включаться светодиоды жёлтого
(HL2) и красного (HL3) цвета, транспорт останавливается перед переходом. По сигналу зелёного
«пешеходного огонька» (HL5) человек переходит через дорогу. За 5 с до окончания назначенного
времени начинает предупреждающе мигать зелёный светодиод (HL4). Далее система приходит в
исходное состояние — транспорт продолжает движение до следующего нажатия на кнопку SB1\
б) главным элементом «видеокарты» на базе Arduino служит специализированная
микросхема DA1. «Видеокарта» генерирует чёрно-белое изображение на экране телевизора в системах
PAL/NTSC. Режимы, шрифты и символы в микросхеме DA1 программируются по шине SPI от
МК Arduino. На вывод 22 микросхемы DA1 может быть подан внешний цветной ТВ-сигнал,
который будет служить фоном изображения (режим OSD — On-Screen-Display); О
На Рис. 9.12, а...з показаны схемы функционально законченных устройств
(конструкций, узлов) с применением Arduino.

О Рис. 9.12. Схемы конструкций на базе Arduino (продолжение):
в) звуковой генератор на базе Arduino. Выходной сигнал пьезоизлучателя НА1 изменяется
по частоте в зависимости от положения движка переменного резистора R1 (напряжение
оцифровывается в канале АЦП). Чем ближе к общему проводу GND перемещается средний вывод
резистора R1, тем ниже частота, и наоборот. Резистор R2 не обязательный, но он значительно
улучшает спектр сигнала. Приёмником звуковой информации служит планшет с микрофоном
(Tablet). Вместо резистора R1 может быть установлен датчик температуры, влажности и т.д.;
г) связка ИК-светодиода НЫ от ПДУ и планшета с видеокамерой (Tablet) позволяет
организовать скрытый от чужих глаз канал передачи данных. Arduino измеряет напряжение от
датчика R1 через канал АЦП и генерирует одну, две или три вспышки через ИК-светодиод VDL На
приёмной стороне планшет переводится в режим фотокамеры или видеосъёмки и наводится на
излучатель VD1. На экране планшета ИК-вспышки проявляются в виде ярких белых точек,
которые легко подсчитать визуально. Если расстояние большое, то используется зум в планшете;
д) сигнализатор землетрясений на базе компьютера, Интернета и Arduino. В компьютере
запускается специальная программа, которая периодически просматривает в Интернете
новостную ленту RSS о происходящих в мире землетрясениях. Как только событие произошло, Arduino
получает от компьютера условный сигнал, после чего включает двигатели Ml, М2 (имитация
колебаний почвы) и сирену бузера В1. Двигатели применяются из джойстиков Sony PlayStation
«DualShock». Они имеют диаметр 24 мм и маховики со сдвинутым центром тяжести.
Сопротивления обмоток 25... 100 Ом, ток потребления 0.2 А, стартовое напряжение 2...3 В. Питание
двигателей производится не от компьютера, а от блока батарей 4x1.5 В, чтобы избежать импульсных
просадок питания и аварийных сбросов МК Arduino; О

О Рис. 9.12. Схемы конструкций на базе Arduino (окончание):
е) «световая» кнопка. Светодиод НЫ выполняет две функции: излучатель (линия слева —
НИЗКИЙ уровень, линия справа — ВЫСОКИЙ уровень) и датчик освещённости (линия слева —
ВЫСОКИЙ уровень, линия справа — НИЗКИЙ уровень). Большую часть времени светодиод, как и
положено, излучает свет. При измерении освещённости напряжение на его обкладках изменяется на
противоположное, после чего делается пауза на 50 мс для заряда ёмкости светодиода, которая
составляет 15...30 пФ. Затем линия порта слева переводится в режим входа с Z-состоянием, и по
таймеру подсчитывается время, за которое ВЫСОКИЙ уровень на входе сменится НИЗКИМ. Показания
таймера обратно пропорциональны освещённости светодиода HLL Если светодиод постоянно
находится в светлом месте, то, прикасаясь к его корпусу пальцем и заслоняя световой поток, можно
организовать «световую» кнопку. Если использовать не один, а несколько светодиодов, то получится
тастатура. Конструктивно её удобно изготовить на базе малогабаритных SMD-светодиодов;
ж) ёмкость Li-Ion-аккумулятора GB1 прямо пропорциональна времени, за которое напряжение
на нём снижается от полного заряда до программно задаваемого предела 5...7 В. Ток нагрузки 0.1... 1А
обеспечивается периодическим подключением низкоомного резистора R3 через открытый
транзистор VT1. Текущее напряжение на аккумуляторе измеряется через канал АЦП Arduino.
Конденсатор С2 сглаживает просадки напряжения, возникающие при работе канала ШИМ. Низкопороговый
транзистор VT1 выпаивается из материнской платы компьютера, радиатор для него не требуется;
з) двухчастотные сигналы с модуляцией AFSK передаются от наушника НА 1 по воздуху и
поступают в канал UART Arduino по пути: микрофон ВМ1, усилитель DA1, тональный декодер DA2. Частота
сигнала лог. 1 составляет 12 345 Гц, лог. 0 — 9876 Гц, скорость передачи информации 300...600 бод

Список использованных источников и литературы к главе 9
9-1. Arduino [Электронный ресурс] / «Arduino.cc», 2015. — Режим доступа: https://www.
arduino.cc/ (англ.). — 07.01.2016.
9-2. Все проекты с Arduino [Электронный ресурс] / 2015. — Режим доступа: http://arduino-
projects.ru/. — 07.01.2016.
9-3. Путеводитель по Arduino [Электронный ресурс] / Радиоежегодник, январь 2015. —
Вып. 34. — 417 с. — Режим доступа: http://www.rlocman.ru/book/book.html?di=
157783.-07.12.2015.
9-4. Hack n Mod [Электронный ресурс] / «HacknMod.com», 2015. — Режим доступа: http://
hacknmod.com/ (англ.). — 07.01.2016.
9-5. Рюмик, С. Микроконтроллеры DUINO. Сборка 1...7 / Сергей Рюмик //
Радиоаматор. - 2010.-№ 2...9 ; 11.
9-6. Рюмик, С. Конструкции с «Arduino». Часть 1...5 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
20П.-№3;6;8; 10; 12.
9-7. Рюмик, С. Планшет, Android и МК. Ракурс 6 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2014.-№ 10.-С. 36-39.
9-8. Measuring DC current (With LT1495) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://
www.pighixxx.com/test/portfolio-items/measuring-dc-current-with-ltl495/ (англ.). —
07.01.2016.
9-9. VochtMeter [Электронный ресурс] / Pros Robaer, 2013. — Режим доступа: http://prosje.
be/Projects/VochtMeter.html (нидерл.). — 07.01.2016.
9-10. Laminator-Temperatur-Regelung [Электронный ресурс] / Thomas Pfeifer, 2013. —
Режим доступа: http://thomaspfeifer.net/laminator_temperatur_regelung.htm (нем.). —
07.01.2016.
9-11. Светодиоды WS2812B с пиксельной адресацией [Электронный ресурс] / «Аіехеу»,
2014. — Режим доступа: http://samopal.pro/led-pixell/. — 07.01.2016.
9-12. Подключение графического модуля-дисплея Nokia5110 к Arduino [Электронный
ресурс] / «Zelectro», 2013. — Режим доступа: http://zelectro.cc/nokia5110_module_
arduino.— 07.01.2016.
9-13. Charlieplexing [Электронный ресурс] / Wikipedia. — Режим доступа: https://en.wikipedia.
org/wiki/Charlieplexing (англ.). — 07.01.2016.
9-14. SimpleSDAudio [Электронный ресурс] / «Tut», 2013. — Режим доступа: http://
hackerspace-ffm.de/wiki/index.php?title=SimpleSDAudio (нем.). — 07.01.2016.
9-15. Color Wheel with Wii Nunchuck and Arduino [Электронный ресурс] / Mario Bohmer,
2011. — Режим доступа: http://marioboehmer.blogspot.com/2011/01/color-wheel-with-
wii-nunchuck-and.html (англ.). — 07.01.2016.
9-16. BASCOM-Steuerung serieller Grafik-Displays am Beispiel des «uOLED-128-Gl» von Fa.
4dsystems [Электронный ресурс] / Klaus H. Hirschelmann, 2011. — Режим доступа:
http://www.kh-gps.de/oled.htm (нем.). — 07.01.2016.
9-17. Milli-Lux messen [Электронный ресурс] / Burkhard Kainka, 2011...2015. — Режим
доступа: http://www.elektronik-labor.de/AVR/Lichtl.html (нем.). — 07.01.2016.
9-18. Видеокарта для Arduino (Carduino VideoCard) [Электронный ресурс] / «Спір», 2010. —
Режим доступа: http://www.compcar.ru/forum/showthread.php?t=6064. — 07.01.2016.
9-19. Рюмик, С. Планшет, Android и МК. Ракурс 4 /Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2014.-№7.-С. 34-36.
9-20. Рюмик, С. М. Вопрос? Ответ! / Сергей Рюмик // Радиоаматор. — 2010. — № 12. —
С. 44-47.

9-21. Устройство для измерения ёмкости аккумуляторов [Электронный ресурс] / «RI», 2014. —
Режим доступа: http://arduinor.blogspot.com/2014/07/blog-post.html. — 07.01.2016.
9-22. Canny the Robot: Programming With Headphones [Электронный ресурс] / Adam Kumpf,
2015. — Режимдоступа: http://research.kumpf.cc/2015-ProgrammingWithHeadphones/
(англ.).-07.01.2016.

ГЛАВА
СХЕМЫ, НЕ РЕКОМЕНДУЕМЫЕ К
ПРИМЕНЕНИЮ
Errare humanum est
(лат. «Человеку свойственно ошибаться»)
10.1.0 достижении цели
В хобби нет обязательств ни перед кем. Если электронщик при создании
своего микроконтроллерного «чуда» напишет программу не сегодня, а завтра,
или получит параметры прибора ниже планируемых, то он никого не подведёт
и ничего не нарушит. Хобби есть хобби. С другой стороны, знание типичных
ошибок и внимательный анализ чужих промахов никому не повредят.
Микроконтроллерные проекты имеют свою специфику. Практика
показывает, что большой по объёму проект лучше всего разбить на несколько мелких
частей. Например, сперва ставится цель отладить узел питания, потом входную
часть, далее ШИМ-контроллер, после чего запустить прибор в целом.
Выполняя небольшие работы, человек чаще получает положительный результат, а это
ведёт к стимуляции воображения и улучшению самооценки.
Следует взять себе за правило качественно планировать все этапы
предстоящих работ и заранее просчитывать результаты на несколько ходов вперёд, как в
шахматах или шашках. Тогда и цель будет видна, и подводные камни тоже.
Существует ли методика, помогающая настроиться на достижение своей
цели? Существует, и называется она «методика тройного прыжка» [10-1].
Прыжок 1 — текущая действительность. Вернитесь полностью на землю к
своим текущим заботам и событиям, оцените реальное состояние дел,
почувствуйте его, побудьте в нём.
Прыжок 2 — идеальное состояние. Помечтайте вволю, не ограничивая себя
ни в чём. Вы — маленькое божество и можете думать о чём угодно. Представьте
идеальный исход своего дела и то блаженное состояние, которое вы
почувствуете, достигнув результата. Наберитесь творческого вдохновения.
Прыжок 3 — желаемая реальность. Теперь разумно, не завышая рамок и
умерив аппетит, подумайте, как бы воплотить идею в жизнь. Адекватно
действительности оцените свою работоспособность, «богатырское» здоровье
интеллигента, профессиональные навыки, финансы и время — главный
невосполнимый ресурс у любого человека.
Итак, цель поставлена, средства найдены, план расписан, время выкроено.
Осталось лишь запастись терпением и подстраховаться на случай ошибок, а от
них убежать всё равно не удастся.

10.2. Примеры анализа электрических схем
Чтобы не нарушать традицию, принятую в аналогичных разделах книг
«Выпуск 1» и «Выпуск 2», схемы «с подвохом» будут рассматриваться в три этапа по
методике [10-2]. Схемы относятся к МК общего назначения и к Arduino.
10.2.1. Разноцветный «светодинамик»
Часть А (формулировка начальных условий).
Светодиоды HLL..HL24 (Рис. 10.1, а) управляются каждый от своей линии
МК. Если их выбрать разноцветными (красный, зелёный, жёлтый, синий,
белый, оранжевый) и конструктивно расположить кольцом вокруг
громкоговорителя звуковой колонки, то получится оригинальный «светодинамик». Он будет
окружён искрящейся радугой из светодиодов, которые мигают в такт музыке или
исполняют свою независимую сольную партию.
Алгорит работы. На выходных линиях МК формируются импульсы ШИМ,
ВИМ, «бегущей единицы», «бегущего нуля», причём в разном порядке и с
разной частотой. Это необходимо, чтобы световые эффекты были интересными и
максимально не повторяющимися. В идеале следует также подать звуковой
сигнал на АЦП МК и управлять яркостью светодиодов методом ШИМ соразмерно
громкости (спектру) музыки.
Для выполнения поставленной задачи МК должен быть многовыводным и
достаточно быстродействующим. Чтобы светодиоды HL7...HL24светились ярко,
сопротивления резисторов R1...R24 выбираются низкоомными.
Вопрос: не повредится ли МК в случае одновременного включения сразу всех
светодиодов на полную яркость?
Рис. 10.1. Схема подключения линейки светодиодов к МК:
а) нерекомендуемая, б) рекомендуемая

Часть Б (предварительный анализ схемы).
Светодиоды HL1...HL24 загораются при НИЗКОМ уровне на выходах МК.
Если брать в расчёт стандартные светодиоды, то максимальный ток через них
обычно ограничивается 20 мА. Исходя из этого, выбираются сопротивления
резисторов R1...R24. Поскольку допустимая нагрузка по выходу для МК широкого
применения составляет в среднем 25...40 мА, то внутренние КМОП-транзисторы
микросхемы из строя не выйдут.
Другое дело, что в даташитах на МК оговаривается предельный суммарный
ток через контакты общего провода GND и через контакт питания VCC.
Иногда эти параметры завуалированы фразами: «Махіггшт current sunk by PORTs» и
«Махітит current sourced by PORTs», что, по сути дела, одно и то же.
Максимальные суммарные токи в подсистеме питания, как правило,
составляют не более 200...300 мА. Следовательно, если в рассматриваемой схеме
загорятся все 24 светодиода одновременно, то суммарный ток через общий провод
получается 480 мА, что вдвое превышает допустимый предел.
Часть В (варианты разрешения проблемы):
уменьшить ток через каждый светодиод в 2 раза или следить программно,
чтобы за один раз включалось не более 12 светодиодов. Отрицательный
момент — снижается общая яркость свечения, ведь физику обмануть сложно;
добавить в схему 24 транзисторных ключа, по одному на каждый светодиод.
Это кардинально решает вопрос, но ведёт к увеличению сложности
разработки и к повышению стоимости конструкции;
перенаправить половину тока от светодиодов вместо цепи GND на провод
питания, изменив схему согласно Рис. 10.1, б. Здесь учитывается тот факт,
что предельный ток в даташите регламентируется отдельно для VCC и
отдельно для GND, т.е., грамотно распределив потоки, можно удвоить
допустимую нагрузку. Доработка сводится к изменению полярности включения
светодиодов HL13...HL24, по сравнению с НЫ...НЫ2, а также к
программной инверсии логических уровней на нижних выходах МК.
10.2.2. Помехи в канале АЦП
Часть А (формулировка начальных условий).
В микросхеме DDI ATmegal28A все линии порта «F» являются
комбинированными, т.е. через них могут приниматься аналоговые сигналы АЦП ADC0...ADC7H
формироваться на выходе КМОП-импульсы PF0...PF7[10-3].
Вопрос: будут ли мешать работе АЦП на пине PF0 помехи от рядом
расположенного пина PF1, через который генерируется импульсный ВЧ-сигнал,
нагруженный на низкоомный резистор Rw (Рис. 10.2, а)?
Часть Б (предварительный анализ схемы).
Помехи в канале АЦП разделяются на внутренние и внешние.
Внутренние помехи связаны с тем, что все линии порта «F» микросхемы DDI
подключаются к аналоговому (а не цифровому) питанию AVCC. Следовательно,
импульсные броски тока, вызванные переключением логических уровней на вы-

ходе PF1, приведут к колебаниям напряжения AVCC. Нестабильность питания
ещё ни одному АЦП на пользу не шла [10-4].
Внешние помехи связаны с тем, что пины PFOnPFl располагаются в корпусе
микросхемы DDI физически рядом. Это означает, что при длинных
параллельных проводниках наводки от генератора импульсов с пина PF1 будут улавливаться
приёмником АЦП на пине PF0.
Рис. 10.2. Схема подключения входов и выходов микросхемы ATmegal28A:
а) нерекомендуемая, б) рекомендуемая
Часть В (варианты разрешения проблемы):
следить за тем, чтобы в программе во время преобразования «аналог-
цифра» выход PF1 находился в одном и том же состоянии, лучше всего в
НИЗКОМ;
максимально снизить ток нагрузки на выходе PF1, для чего добавить в схему
истоковый или эмиттерный повторитель с питанием от VCC. Это уменьшит
колебания тока в цепи AVCC, но приведёт к снижению амплитуды
импульсов в нагрузке Rw;
заменить «аналоговый» выход PF1 «цифровым» выходом РАО, как показано
на Рис. 10.2, б. Здесь имеется в виду, что первый из пинов подключается к
аналоговому питанию AVCC, а второй — к цифровому питанию VCC.
Внутренние помехи АЦП при таком разделении функций должны исчезнуть;
внешние помехи можно снизить, если сделать правильную разводку
печатных проводников. Дорожки сигналов передатчика и приёмника надо
направить в разные стороны, развести их в разных слоях платы и т.д.
10.2.3. Внешняя нагрузка на выходе Arduino
Часть А (формулировка начальных условий).
Имеется условный узел А1 (блок, устройство, плата, модуль и т.д.). Главной
его характеристикой является напряжение питания 3.3 В ± 10% и ток
потребления 40 мА. Задача Arduino — включить узел А1 в работу, для чего надо подать на
него питание. Учитывая, что на «гребёнку» контактов уже выведено напряжение

3.3 В от внутреннего стабилизатора напряжения, можно попытаться это сделать
прямо от линии порта Arduino (Рис. 10.3, а).
Формальности соблюдены, поскольку, согласно справочным данным, любая
линия Arduino с AVR-контроллером допускает нагрузку по току до 40 мА, а
источник питания 3.3 В рассчитан на ток не менее 100 мА и поддерживает
напряжение с точностью 1...2%.
Вопрос — какое реальное напряжение питания будет подаваться на узел А1 и
не выйдет ли оно за допуск?
Рис. 10.3. Схема подключения внешнего блока А1 к Arduino:
а) нерекомендуемая, б) рекомендуемая
Часть Б (предварительный анализ схемы).
Выходная линия Arduino в данном случае выступает в качестве электронного
ключа. Если бы его сопротивление было нулевым, то на узел А1 действительно
подавалось бы полное напряжение питания 3.3 В.
Реалии более суровы, и сопротивление канала полевого транзистора Arduino
имеет конечную, не нулевую величину. При токе 40 мА начнём может падать
значительное напряжение. На Рис. 10.4 показан график нагрузочной способности
МК ATmegal68 [10-5], входящего в Arduino-UNO, при НИЗКОМ логическом
уровне на линии. Как видно, при токе 40 мА падение напряжения составляет 1 В,
т.е. узел А1 будет работать значительно ниже допуска.
Рис. 10.4. Нагрузочная
характеристика цифрового
выхода Arduino-UNO

Часть В (варианты разрешения проблемы):
соединить параллельно несколько выходных портов Arduino, как показано
на Рис. 10.3, б. Если на них синхронно выставлять ВЫСОКИЕ и НИЗКИЕ
уровни, то можно снизить падение напряжения с 1 В до примерно 0.25 В.
Это чисто радиолюбительское решение, поскольку при параллельном
включении транзисторов не гарантируется одинаковость их выходных
сопротивлений. Однако практика показывает, что ВАХ однотипных цифровых линий
портов одного и того же кристалла МК если и отличаются, то не
значительно;
корректное, но финансово более затратное решение — это добавить между
Arduino и узлом А1 инвертор на низкопороговом полевом транзисторе, при
этом в программе надо не забыть изменить полярность управляющего
сигнала.
10.2.4. Arduino в качестве конвертора USB-UART
Часть А (формулировка начальных условий).
Как известно, в Arduino-UNO имеется внутренний аппаратный конвертор
USB-UART. Его можно использовать для двухпроводной связи компьютера с
внешним МК через цепи TxD, RxD. Чтобы конвертор не конфликтовал с
встроенным в Arduino AVR-контроллером, сигнал RESET необходимо замкнуть на
общий провод.
Вопрос: почему не работает схема при подключении выходов ТХ, TxD к
входам RX, RxD (Рис. 10.5, а)?
Рис. 10.5. Схема включения Arduino в качестве конвертора USB-UART:
а) нерекомендуемая, б) рекомендуемая
Часть Б (предварительный анализ схемы).
Для начала надо определиться с терминологией. Названия сигналов
придумывает разработчик. Если он называет какой-либо контакт входом RxD (Receive),
то надо уточнить, какой режим работы имеется в виду. Для получения доступа
к МК, находящемуся в Arduino, направление сигнала должно быть внутрь. Если
это доступ к конвертору USB-UART, то направление сигнала — наружу.

Именно такая ситуация произошла с Arduino. Названия контактов
«гребёнки» RX9 ТХ условны, поскольку в эти точки сходятся внутри как выходные, так
и входные сигналы 7xD, RxD от конвертора и МК (Рис. 10.5, б). Сами сигналы
между собой не конфликтуют из-за наличия развязывающих резисторов Rl, R2.
Часть В (варианты разрешения проблемы):
поменять местами сигналы ТХ, RX, как показано на Рис. 10.5, б;
не изменять электрическую схему, но в программе перейти от аппаратного
канала UART на софтовый UART. Переход должен быть осознанным,
поскольку могут возникнуть проблемы со стабильностью связи и
недоступностью высоких скоростей передачи информации.

Список использованных источников и литературы к главе 10
10-1. О подходе к делу (порассуждать хочу) [Электронный ресурс] / Ozze, 2012. — Режим
доступа: http://robocraft.ru/blog/950.html. — 07.01.2016.
10-2. Маковецкий, П. В. Смотри в корень!: сборник любопытных задач и вопросов / Пётр
Маковецкий. — М.: Наука, 1979. — 384 с.
10-3. ATmegal28A. Datasheet Complete [Электронный ресурс] / Atmel, 2015. — Режим
доступа: http://www.atmel.com/images/atmel-8151-8-bit-avr-atmegal28a_datasheet.pdf
(англ.).-07.01.2016.
10-4. АЦП на меге 128, соседство цифровых и аналоговых пинов [Электронный ресурс] /
Форум разработчиков электроники ELECTRONIX.ru, 2015. — Режимдоступа: http://
electronix.ru/forum/index.php?showtopic=130918. — 07.01.2016.
10-5. ATmega48/88/168. Datasheet Complete [Электронный ресурс] / Atmel, 2015. — Режим
доступа: http://www.atmel.com/images/doc2545.pdf (англ.). — 07.01.2016.

ГЛАВА
СРЕДА МОДЕЛИРОВАНИЯ MICRO-CAP
Кто учит других, тот обучает сам себя
(Ян Коменский)
11.1. Компьютерное моделирование
В настоящее время компьютерное моделирование электрических схем
является важной составляющей профессии электронщика. Это объясняется тем, что
сокращается время проектирования, повышается точность расчётов, появляется
возможность применения виртуальных измерительных приборов. Физическое
макетирование электронных устройств достаточно дорого обходится, и его не
всегда возможно осуществить за короткое время.
Если изобрести машину времени и вернуться назад в 1960... 1990-е годы, то
главным аргументом в спорах между радиолюбителями тогда был тезис: «Сделай
на практике прибор (блок, аппарат, схему) и докажи свою правоту». Сейчас,
вместо «железного» воплощения идеи, легче провести компьютерное моделирование
и заранее предсказать результат. Именно моделирование позволяет на ранних
стадиях отсеивать неверные конструкторские решения, улучшать параметры,
повышать надёжность в эксплуатации. Моделирование можно использовать в качестве
неподкупного схемотехнического судьи или арбитра, заменяющего практическую
интуицию строгим математическим расчётом.
Детальное изучение программ компьютерного моделирования входит в
обязательный учебный курс вузов электронного профиля. Молодые инженеры подчас
лучше ориентируются в виртуальных параметрах радиоэлементов, чем в
мощности паяльника, необходимого для монтажных работ. А вот людям, самостоятельно
осваивающим электронику, приходится догонять прогресс в части
компьютеризации, и это стремление похвально.
Современные программы компьютерного моделирования представляют собой
большие электронные лаборатории. В идеале они должны позволять делать весь
(или почти весь) цикл разработки от начальной идеи до изготовления печатной
платы опытного образца.
К профессиональным лабораторным комплексам относятся:
среда сквозного проектирования Proteus Design Suite фирмы Labcenter
Electronics;
система интерактивной эмуляции N1 Multisim фирмы National Instruments,
работающая совместно с измерительной средой Lab VIEW;
модульная система сквозного проектирования OrCAD фирмы Cadence
Design Systems;
11

профессиональная версия программы схемотехнического анализа Micro-
Cap фирмы Spectrum Software;
САПР Altium Designer фирмы Altium, оснащённая новым модулем
симуляции CircuitStudio;
вычислительная среда MATLAB фирмы The MathWorks, использующая
библиотеку Simulink для построения моделей электрических схем.
Перечисленные комплексы можно назвать CASE-системами, включающими
в себя один или несколько редакторов визуальных языков, средства генерации
целевого кода, инструменты анализа, синтеза, вариации, мониторинга и
оптимизации. Их достоинствам «не счесть легионов», но всё перевешивает главный
недостаток (для любительского творчества) — это высокая цена фирменного
программного продукта.
На другом полюсе располагаются бесплатные, свободно распространяемые
программы схемотехнического моделирования, а также демоверсии некоторых
коммерческих продуктов, не имеющие ограничений по сроку эксплуатации.
Наиболее известные из них приведены в Табл. 11.1.
Таблица ILL Математические и логические операции в языке Си
Среда
моделирования
Фирма, автор
(автор)
Сайт в Интернете
ОС
Подробности
(ключевые слова)
Micro-Cap
(студенческая
версия)
Spectrum Software
http://www.
spectrum-soft.com/
demoform.shtm
Windows
Графический редактор схем,
SPICE-модели, временной,
числовой и спектральный
анализы
Qucs
Qucs Team
http://qucs.
sourceforge.net/
Windows,
Linux
Симулятор схем с
графическим интерфейсом и
открытым исходным кодом
Tina-TI
(упрощённая
версия Tina)
Texas Instruments
http://www.ti.com/
tool/tina-ti
Windows
Мультиязычный SPICE-
симулятор для отладки и
проектирования схем
LTspice
Linear Technology
http://www.linear.
com/designtools/
software/
Windows,
Mac OS
SPICE-симулятор,
моделирование аналоговых
и цифровых цепей
SIMetrix/
SIMPLIS Intro
SIMetrix
http://www.simetrix.
co.uk/site/demo.php
Windows
Высокоскоростной анализ
аналоговых и смешанных
цепей
SEQUEL
I IT Bombay
https://www.ee.iitb.
ac.in/~sequel/
Windows,
Linux
Не требует инсталляции,
смешанное моделирование,
громоздкий интерфейс
KTechlab
A. K. Karthikeyan
http://sourceforge.
net/projects/
ktechlab/
Linux
IDE, PIC-контроллеры,
пошаговая симуляция,
FlowCode, Microbe
Если сравнивать между собой коммерческие и свободные проекты, то базовой
тройкой среди первых можно считать: Proteus Design Suite, N1 Multisim, OrCAD.
На «пьедестале почёта» freeware-программ размещаются: Micro-Cap (demo), Qucs,
Tina-TI, LTspice, SIMetrix. Здесь количество отобранных программ получилось
больше трёх, чтобы не искать явного фаворита. Имеется в виду, что при
выборе пользователем программы большую роль играет субъективный человеческий
фактор, в частности кто к чему привык, кому как удобнее нажимать горячие
клавиши или, в конце концов, какая программа «первой попалась под руку».

Специфика моделирования МК
Моделирование внутреннего устройства МК имеет специфические
особенности, связанные с тем, что это не резистор и не транзистор, а сложный прибор с
памятью программ, центральным процессором и периферийными интерфейсами.
Моделирование устройства, содержащего МК, может быть сквозным
(полным) или частичным, допускающим определённые ограничения. В связи с этим
выделяются следующие группы программ:
симулирующие только выполнение кода МК;
моделирующие электрические процессы, происходящие на границе портов
МК, включая внешние узлы;
объединяющие симуляцию кода и внешнее электрическое моделирование.
К первой группе относятся многочисленные IDE (Integrated Development
Environment) — интегрированные среды разработки программ на языках
высокого уровня и Ассемблере, например IAR, AVR Studio, MPLAB, CoIDE. Почти все из
них имеют в своём составе полноценные симуляторы программного кода, иногда
с виртуальным осциллографом, показывающим цветные картинки
входных/выходных сигналов. Это сфера влияния программистов-эмбеддеров, облегчающая
им составление и отладку программ.
Ко второй группе относятся программы моделирования электрических
цепей, причём не простые, а более сложные, поддерживающие симуляцию
цифровых логических элементов, компараторов, ОУ, АЦП, ЦАП. Это сфера влияния
электронщиков-эмбеддеров, которые отвечают за правильность применения МК,
соответствие режимов работы, схемотехнику подключения внешних узлов.
К третьей группе относятся программы, подобные VMLab фирмы Advanced
Micro Tools (см. «Выпуск 2»), которые объединяют возможности первой и
второй групп. Такие программы как нельзя лучше подходят в тех случаях, когда один
человек должен быть и программистом, и схемотехником. Но симулятор VMLab
узкоспециализированный, к тому же в 2010 году он был остановлен в развитии.
Надеяться на аналогичную профессиональную среду Proteus Design Suite нет
смысла, поскольку её демоверсия имеет неприемлемые для практики
ограничения, а полный продукт стоит денег, причём не малых.
Для справки: Proteus Design Suite поддерживает большое число МК разных
фирм-изготовителей с разрядностью 8...32 бита. Имеются библиотеки для
периферийных устройств — индикаторов, температурных датчиков, виртуальных
портов, терминалов, измерительных приборов. Разрешается ввод данных из hex-
файлов, а также из исходных текстов программ на языке Си с последующей
интерактивной симуляцией кода.
Но в данный обзор среда Proteus Design Suite не вписывается по
идеологическим соображениям — программный продукт для любительского и студенческого
творчества должен быть бесплатным.
Кроме того, многие специалисты считают, что полное симулирование
микроконтроллерного проекта похоже на радугу — красиво, но не достижимо. Слишком
уж много факторов влияния, неопределённостей, для учёта которых надо
проводить длительные по времени исследования и эксперименты, иначе пострадает
точность конечного результата.

В связи с этим предлагается более простая методика, а именно разделить
процесс симуляции на программную и электрическую части. Соответственно,
использовать отдельно программы первого и второго типов.
Программы моделирования первого типа будут разными для разных типов
МК. Специализация идёт им на пользу. Например, для AVR-контроллеров это
AVR Studio, для МК с ядром Cortex — CoIDE и т.д.
Если моделировать программу по каким-то причинам не хочется, то можно
использовать интерактивную отладку. В частности, если МК имеет связь с
компьютером, то отладочную информацию о состоянии регистров, портов выводят на
экран монитора. Если в микроконтроллерном устройстве имеется ЖКИ, то он же
может служить отладочным экраном. На крайний случай пригодится одиночный
светодиод, который своим миганием (точнее, количеством «вспышек») будет
индицировать нахождение программы в конкретной точке.
Программы моделирования второй группы нужны для проверки
электрических режимов. Здесь можно предложить достаточно простую универсальную
методику, которая будет удовлетворять подавляющему большинству МК разных
фирм-изготовителей, разных разрядностей, разных функциональных
возможностей, в разных конструктивных корпусах. Именно об этом пойдёт речь дальше.
Выбирая между программами второй группы, доступными в свободном
скачивании с Интернета, легко запутаться, поскольку их достоинства и недостатки
взаимно компенсируются. Но, чтобы не распылять внимание, предлагается
вначале освоить одну, популярную среди специалистов среду. Затем, при желании,
полученные знания можно перенести на платформу другой (третьей, четвёртой)
программы моделирования.
Исторически сложилось так, что одной из самых известных является
программа Micro-Cap (demo), которая с успехом применяется в учебном процессе в
вузах по всему миру, в том числе и в русскоязычном сегменте. Большое количество
пользователей применяет её в аналоговой (цифровой, импульсной,
преобразовательной) технике. Ценно то, что люди голосуют не словом, а делом, поэтому в
Интернете можно найти большое количество примеров моделирования,
воплощённых в реальные проекты.
Если сравнивать среду Micro-Cap (demo) с программой VMLab, ранее
рассмотренной в «Выпуске 2», то можно отметить следующее.
Достоинства VMLab:
простота интерфейса управления;
совместимость с пакетом WinAVR;
хорошие визуальные инструменты;
возможность пошагового прохождения программ на языке Си.
Недостатки VMLab:
низкая скорость симуляции;
ограниченный состав библиотеки компонентов;
невозможность моделирования разделительных конденсаторов;
привязанность к ограниченному кругу семейств МК.

Достоинства Micro-Cap (demo):
графическое рисование электрических схем;
поддержка всех значимых радиоэлементов;
точность моделирования параметров;
частотный, временной и спектральный анализы;
универсальность моделирования схем для разных типов МК.
Недостатки Micro-Cap (demo):
отсутствие компонента «микроконтроллер»;
невозможность работы с Си-программами;
ограниченное число доступных в студенческой версии компонентов.
11.2. Micro-Cap: ограничения, версии, установка
Программа Micro-Cap (Рис. 11.1) разработана фирмой Spectrum Software.
Коллектив авторов в титрах: Andy Thompson, Tim O'Brien, Bill Steele. Студенческая
демоверсия «Evaluation Version* распространяется бесплатно и, самое главное, без
лимита на время пользования. Последнее обстоятельство позволяет работать не с
одной, а сразу с несколькими вариантами программы.
Рис. 11.1. Эмблема программы Micro-Cap: а) версия 9; б) версия 11
Физические ограничения демоверсии:
уменьшенная скорость некоторых расчётов, иногда до трёх раз в
зависимости от решаемой задачи;
сокращённая номенклатура библиотек элементов;
недоступность некоторых «профессиональных» пунктов меню;
отсутствие технической поддержки от разработчиков программы;
количество моделируемых компонентов на одной схеме не более 50;
количество соединительных узлов на одной схеме не более 75 (100 в ранних
версиях).

Первое ограничение не существенно, если моделируются устройства с малым
количеством деталей. Задержка времени расчётов на секунду-другую погоды не
сделает.
Второе, третье и четвёртое ограничения не затрагивают МК, поскольку
стандартного компонента под названием «Місгосопігоііег» в библиотеках Micro-Cap
не существует (а жаль). Его придётся создавать самостоятельно, используя
фантазию и смекалку.
Пятое и шестое ограничения практически полностью удовлетворяют схемам,
приведенным в разделах 2... 10 настоящей книги, а также схемам из предыдущих
книг «Выпуск 1» и «Выпуск 2».
Таким образом, выстраивается идеология применения студенческой версии
Micro-Cap в качестве начального инструмента для моделирования небольших
узлов на границе портов ввода/вывода МК.
Разновидности Micro-Cap
Первая версия Micro-Cap появилась в 1982 году. В дальнейшем, год за годом, с
завидной регулярностью начали выходить обновления программы. По состоянию
на начало 2016 года последняя версия 11.0.1.5.
По логике вещей, в последней версии любой программы должны быть учтены
все неточности предшественников и добавлены новые функциональные
возможности. Казалось бы, свежая версия должна быть кандидатом номер один на
скачивание, инсталляцию и практическое использование. Но в случае с Micro-Cap
имеется один важный нюанс, который заставляет выбрать иное, не совсем
стандартное решение.
Дело в том, что интерфейс меню в оригинальном Micro-Cap выполнен на
английском языке, без кириллицы. Чтобы облегчить работу с программой,
желательно провести русификацию надписей. И эту полезную работу проделали Марина
и Сергей Амелины при подготовке своих книг [11-1], [И-2]. Единственное, что
смущает, — локализация была выполнена давно, и история её изменений
остановилась на версии программы 9.0.7.0 образца 2009 года.
С другой стороны, нововведения, отличающие версию 9.0.7.0 от последующих
версий 10.x... 11.x, не столь существенны для задач по моделированию
микроконтроллерных узлов. Надо принять во внимание, что новинки свежих версий
касаются в основном ускорения вычислений при статистическом анализе,
динамических вариациях и параметрической оптимизации применительно к многоядерным
процессорам и 64-битным операционным системам. Вводятся также некоторые
дополнительные функции в отдельных закладках меню, но рядовой пользователь
отличий практически не заметит, по крайней мере при решении традиционных
задач анализа.
Следовательно, предлагается оснастить компьютер не одной, а двумя
версиями программы Micro-Cap (к счастью, они между собой не конфликтуют). Первая
версия — 9.0.7.0 с русификацией, вторая версия — последняя по счёту, скачанная с
фирменного сайта в Интернете с последующим её периодическим обновлением.
«Русский» вариант позволит составлять проекты быстро и с комфортом.
«Английский» вариант будет полезен для углублённого анализа схемы или для
перепроверки результатов моделирования, чтобы не сомневаться.

Порядок действий
1) Установить программу Micro-Cap (demo) версии 9.0.7.0 в папку C:\MC9demo\,
скачав инсталлятор [11-3].
2) Установить программу Micro-Cap (demo) версии 11.0.1.5 (или старше) в папку
C:\MC1 ldemo\, скачав инсталлятор [11-4]. На жёстком диске для двух
программ потребуется примерно 90 Мбайт свободного места.
3) Выполнить русификацию интерфейса версии 9.0.7.0, для чего скопировать
файлы «MC9demoru.dll», «MC9demorus.dll» [11-5] в папку C:\MC9demo\.
Запустить на выполнение программу в первый раз: «Пуск — Программы —
Micro-Cap Evaluation 9». Выбрать язык общения: «Options — Preferences... —
International Settings — Русский — ОК» (Рис. 11.2). Закрыть программу: «File —
Exit — Yes», затем вновь открыть её и наблюдать приятный бонус в виде
русифицированных надписей на экране монитора.
4) Ознакомиться со справкой помощи «Помощь — Содержание...», а ещё лучше с
добротными учебниками по Micro-Cap [11-1], [11-2] и студенческими
«шпаргалками» [11-6], [11-7]. Изложенную в них информацию нет смысла подробно
пересказывать, это обширный раздел для самостоятельного изучения.
Рис. 11.2. Установка русского языка в программе Micro-Cap (демо) версии 9.0.7.0
Если русифицированный текст окажется не совсем читаемым и будет
напоминать китайские иероглифы, то следует заменить в системном реестре компьютера
кодовые таблицы с номерами 1250...1258 на 1251. Для этого следует запустить на
выполнение программу редактирования реестра: C:\Windows\regedit.exe. Открыть
в реестре папку HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\
Nls\CodePage. Внести изменения по образцу Рис. 11.3, после чего обязательно
перезагрузить компьютер.
Рис. 11.3. Коррекция реестра Microsoft Windows-XP

Функциональные возможности Micro-Cap
Возможности Micro-Cap выглядят приблизительно так: с помощью
программы можно нарисовать электрическую схему устройства, подключить питание,
источники входного сигнала, нагрузку, затем выполнить компьютерное
моделирование, просмотреть графики напряжения (тока, фазы, задержки, мощности) в
разных точках схемы, исследовать спектр сигнала, посмотреть АЧХ, ФЧХ,
температурные зависимости, провести варьирование номиналов элементов и т.д.
Результаты могут выводиться в числовом и графическом виде. Моделирование
проводится для аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых схем.
Пользователей Micro-Cap можно условно разделить на следующие категории:
профессионалы — знают программу в совершенстве. Почему? Потому, что
это их заработок (преподаватели, авторы книг по моделированию,
специалисты так называемых «пластмассовых» лабораторий, где занимаются
исключительно компьютерными расчётами);
студенты — знают о функциях программы почти всё, но урывками. В памяти
откладывается только то, что необходимо для сдачи лабораторной, курсовой
или дипломной работы по состоянию «на сегодня». К ним же можно
отнести аспирантов и научных работников, периодически использующих Micro-
Cap в качестве добросовестного инженерного помощника;
любители — знают некоторые, но самые важные функции программы.
Зазубрив на память или механически проделав записанный на бумаге порядок
действий, они гарантированно получают результат. То, что моделирование
можно провести полнее и эффективнее, их не смущает.
К какой из трёх групп примкнуть и на какую глубину изучить программу
моделирования — каждый решает сам.
11.3. Технология рисования схем в Micro-Cap
Порядок создания схем во всех версиях Micro-Cap одинаков.
Требуемые радиоэлементы выбираются из встроенной библиотеки через меню
«Компоненты». Допускается напрямую перетаскивать шаблоны радиодеталей на
рабочее поле, используя мышь.
Соединительные связи рисуют иконками: «Выбор объекта», «Ввод
компонента», «Ортогональный проводник», «Диагональный проводник». Нумерация узлов
и текстовые надписи высвечиваются при нажатии иконок «Номера узлов» и
«Показ текстовых атрибутов» (Рис. 11.4).
Рисунки, выполненные в формате Micro-Cap, получаются легко узнаваемыми,
поскольку используются специфические шаблоны. Для каждого установленного
на схеме радиоэлемента надо первоначально заполнить панель свойств, которая
открывается при первом обращении к нему. Изменить свойства можно в любой
момент времени двойным кликом мыши на его графическом изображении.
Практическая работа с русифицированным интерфейсом программы
затруднений не вызывает. К органам управления и «горячим» клавишам надо просто
привыкнуть — это ремесло.

Рис. 11.4. Внешний вид интерфейса программы Micro-Cap
Расшифровка свойств базовых компонентов, которые могут пригодиться при
компьютерном моделировании узлов с МК, показана в Табл. 11.2.
Таблица 11,2. Расшифровка свойств наиболее употребительных компонентов
Компонент
Основные свойства
Путь к компоненту
Характеристика
С/
CAPACITANCE = 2.5р
Analog Primitives — Passive
Components — Capacitor
Конденсатор ёмкостью 2.5 пФ
(«р» = пФ, «п» = нФ, «и» = мкФ)
и
INDUCTANCE = 10п
Analog Primitives — Passive
Components — Inductor
Катушка индуктивности 10 нГн
(«п» = нГн, «и» = мкГн, «т» = мГн)
R1
RESISTANCE = 330k
Analog Primitives — Passive
Components — Resistor
Резистор сопротивлением 330 кОм
(без буквы = Ом, «т» = мОм,
«к» = кОм, «meg» = МОм)
VD1
MODEL = 1N914
Analog Primitives — Passive
Components — Diode
Кремниевый маломощный диод
1N914 (Vnp = 0.6 В при 1пр = 2 мА,
Vnp = 0.7 В при 1пр = 10 мА)
VT1
MODEL = Q4 (Ql)
Analog Primitives — Active
Devices - PMOS (NMOS)
Полевой транзистор
PMOS (структура Р) или
NMOS (структура N)
11
VALUE = 500n
Analog Primitives —
Waveform Sources —
ISource
Источник тока 500 нА
(«п» = нА, «и» = мкА, «т» — мА,
без буквы — А)
Switch 1
RON= lm,
ROFF=lel5
Animation — Animated
SPST Switch
Тумблер (RON/ROFF —
сопротивление в открытом/закрытом
состоянии 1 мОм/«обрыв»)
Конденсаторы, индуктивности и резисторы при моделировании
микроконтроллерных узлов предлагается выбирать обезличенные, без привязки к
конкретным промышленным компонентам. В частотном диапазоне входных/выходных
сигналов МК такие детали примерно эквивалентны «ширпотребовским»
конденсаторам К10-17, дросселям ДМ, резисторам ОМЛТ. Они же с успехом будут
моделировать работу чип-конденсаторов, чип-индуктивностей и чип-резисторов в
SMD-исполнении для поверхностного монтажа.

Интересно заметить, что в Micro-Cap постоянные резисторы имеют
полярность (!), и её надо соблюдать, иначе ток в элементе может стать отрицательным
вместо положительного. Смену полярности можно осуществить, переворачивая
резистор на схеме клавишами <Ctrl+R>.
Маломощные диоды с маркировкой 1N914,1N4148 — это аналоги популярных
в странах СНГ диодов КД503А, КД522Б. Мощные диоды с током до 1 A — 1N4007.
Диоды Шоттки — 1N5817. Уточнить ВАХ любого из диодов можно в панели его
свойств, нажав кнопку «График» (Рис. 11.5).
Рис. 11.5. ВАХ диода 1 N4148 в полулогарифмическом масштабе
Тумблер Switch 1 допускается многократно переключать из одного положения
в другое кликом левой кнопки мыши. Прицеливаться курсором надо точно-точно
в изображение электрического контакта. Такие компоненты называются «аними-
рованными», то есть динамически изменяемыми.
Начинать рисование новой схемы проще не всего с нуля, а редактируя один из
учебных примеров, размещённых в папке C:\MC9demo\DATA\. Полезно
запомнить, что файлы электрических схем в Micro-Cap имеют расширение *.cir.
Первоначально надо выбрать пункты меню: «Файл — Открыть — <найти в
списке нужный файл примера> — ОК». Далее, для надёжности, следует сохранить
схему под другим именем: «Файл — Сохранить как... — <ввести имя файла> —
О К». Теперь можно без опаски редактировать и видоизменять связи, не опасаясь
за повреждение исходного примера.
Сложные, нестандартные и специфические компоненты лучше создавать по
шаблону, корректируя учебные схемы, входящие в поставку фирменного пакета.
В противном случае легко ошибиться при заполнении свойств компонентов.
Если требуется перенести какой-либо компонент себе в схему, то это можно
сделать через буфер обмена ОС Windows клавишами <Ctrl+C>. Обратная вставка
скопированного компонента производится клавишами <Ctrl+V>.
Освоение техники моделирования в программе Micro-Cap не должно стать
самоцелью. Надо приучить себя к мысли, что это повседневный инструмент
разработчика-эмбеддера, и следует почаще применять его на практике.

11.4. Базовые логические элементы
11.4.1. Схема замещения КМОП-инвертора
Электрическая схема стандартного КМОП-инвертора изображена Рис. 11.6.
Это синтез нескольких эквивалентных схем из разных источников.
Рис. 11.6. Эквивалентная схема КМОП-инвертора в МК
Входные диоды VD1, VD2 защищают инвертор от пробоя статическим
электричеством. Выходные диоды VD3, VD4 •— технологические. Они образуются на
подложке кристалла при изготовлении микросхемы.
Индуктивности выводов L1...L4 имеют столь малые значения, что на
практике заменяются перемычками. Из четырёх внутрисхемных конденсаторов С1...С4
самыми важными являются входной С1 и выходной С4. Ограничительный
диффузионный резистор R1 входит в распределённую диодно-резисторную структуру.
Часто его считают имплантированным в диоды VD1, VD2, которые в открытом
состоянии имеют сопротивление порядка сотен омов.
Резистор R2 на схемах приводится редко, поскольку его обычно заменяют
перемычкой. Он не оказывает заметного влияния на характеристики схемы из-
за высокого входного сопротивления комплементарной пары транзисторов VT1,
VT2. Эта пара, собственно, и организует инвертирование сигнала. При
ВЫСОКОМ уровне на входе инвертора открывается нижний транзистор VT2, и сигнал
на выходе становится НИЗКИМ. При НИЗКОМ уровне на входе инвертора
открывается верхний транзистор VT1, и сигнал на выходе становится ВЫСОКИМ.
Внутреннее устройство МК можно представить в виде большой матрицы
однотипных логических ячеек со сложными взаимосвязями между ними.
Логические ячейки строятся на основе базовых элементов. Какими они
должны быть? В идеале — не рассеивать мощность, иметь нулевую задержку
распространения сигнала и высокую помехоустойчивость. Все эти три желания хорошо
вписываются в концепцию современных КМОП-микросхем, характеристики
которых с каждым новым поколением приближаются к идеалу. Неудивительно, что
в МК используются базовые ячейки, собранные именно по такой технологии.
Базовым элементом КМОП-логики считается единичный инвертор, имеющий
один вход и один выход. Вход может быть обычный или толерантный к
повышенному напряжению. Выход может быть «push-pull» или с открытым стоком.

Ток нагрузки по выходу определяется мощностью транзисторов VT1, VT2,
которые могут быть «сильными», «средними» или «слабыми». Соответственно, у них
будет разное сопротивление канала «сток—исток» в открытом состоянии.
При ВЫСОКОМ уровне на выходе ток «вытекает» из цепи питания +VDD
через транзистор VT1, линию OUT в нагрузку. При НИЗКОМ уровне на выходе ток
«втекает» в общую цепь GND из нагрузки через линию OUT и транзистор VT2.
Подобные инверторы реально применяются в МК всех типов.
Устанавливаются они непосредственно на границе портов и служат буфером, передающим и
принимающим сигналы во внутренний массив КМОП-ячеек.
Если из схемы удалить транзистор VT1, то получится выходной инвертор с
квазиоткрытым стоком. Если дополнительно удалить ещё и диод VD3, то получится
инвертор с «истинно» открытым стоком.
Если из схемы удалить диод VD1 и применить «высоковольтный» транзистор
VT1, то получится схема с входом, толерантным к повышенному входному
напряжению. Если параллельно диоду VD1 (VD2) включить резистор сопротивлением
30...80 кОм, то получится схема входа с «pull-up» («pull-down») резистором.
11.4.2. Компоненты замещения из библиотеки Micro-Cap
В подборке учебных схем, входящих в комплект поставки среды Micro-Cap, в
проекте «CMOS.cir» представлены упрощённые КМОП-инверторы (Рис. 11.7).
Рис. 11.7. Три КМОП-инвертора в проекте «CMOS.cir»
По сравнению с полной схемой замещения, здесь удалены все «архитектурные
излишества». В принципе, при моделировании стандартных цифровых трактов
на базе микросхем низкой и средней степени интеграции с этим вполне можно
мириться. Однако если речь заходит о подключении аналоговых цепей к линиям
МК, то надо предусмотреть защитные диоды и конденсаторы на входе и выходе.
Виртуальное напряжение питания МК допускается изменять в широких
пределах в свойствах батареи VI. «Pull-ир» и «pull-down» резисторы имитируются дис-

кретными резисторами сопротивлением 50 кОм (зависит от типа МК).
Подключаются они одним выводом к точке соединения затворов транзисторов, а другим — к
питанию батареи или к общему проводу GND.
Нагрузочная способность КМОП-инверторов определяется типом
транзисторов в парах: Q1 и Q4, Ml и Л/2, МЗ и М4. Если нужно смоделировать выход с
открытым стоком, то верхний транзистор М4 удаляется из схемы.
В библиотеке компонентов Micro-Cap имеются стандартные модели
логических микросхем из семейства 74ххх. Относительно КМОП-инверторов, они
широко представлены в профессиональной версии программы. В демоверсии, если
отсеять лишнее, получается «всего ничего» (Табл. 11.3).
Таблица 11.3. Модели КМОП-инверторов в Micro-Cap
Инвертор
Путь к компоненту
Характеристика
74НС04
Digital Library — 74хх00 — 04
6 инверторов с обычным выходом
74НС05
Digital Library — 74хх00 — 05
6 инверторов с открытым стоком
74НС14
Digital Library — 74xx00 — 14
6 инверторов с триггерами Шмитта
Моделирование цифровых входов МК
Следует учитывать, что в моделях микросхем 74НСхх имеется лишь один
встроенный «нижний» защитный диод. Это позволяет имитировать входы МК,
толерантные к повышенному напряжению 5 В при трёхвольтовом питании.
Если надо смоделировать обычный вход с Z-состоянием, то в схему вводят
дополнительный внешний диод типа 1N4148 анодом к входу, катодом к питанию.
Моделирование цифровых выходов МК
Модели выходных линий микросхем 74НСхх построены на «слабых» полевых
транзисторах с допустимой нагрузкой в единицы миллиампер. Такие выходы в
современных МК встречаются редко.
Гораздо чаще используются «сильные» выходы с токами до 20...40 мА.
Максимально близкими к ним по параметрам являются микросхемы серии 74АСххх, но
в демоверсии Micro-Cap доступ к ним заблокирован. Один из способов обойти
проблему — запараллелить выходы нескольких компонентов 74НСххх через
«нулевые» резисторы.
11.4.3. Схема замещения КМОП-триггера Шмитта
В современных МК буферные элементы, размещаемые на границе портов, всё
чаще содержат не обычные инверторы, а инверторы с КМОП-триггерами
Шмитта. На аппаратном уровне это в разы повышает помехоустойчивость, что для МК
совсем не лишнее.
Пример — входной сигнал имеет форму синусоиды с небольшой аддитивной
ВЧ-помехой. Обычный инвертор в момент перехода сигнала через точку порога от
НИЗКОГО в ВЫСОКИЙ уровень выдаст серию импульсов с частотой ВЧ-помехи.
Триггер Шмитта имеет не один, а два порога срабатывания (верхний по переднему
фронту, нижний по заднему фронту), следовательно, на его выходе будет
сформирован один крутой фронт сигнала без ВЧ-помехи.

Теоретически триггеры Шмитта могли бы применяться в МК повсеместно с
самого начала, но сдерживающими факторами являются: более сложная
схемотехника, связанная с необходимостью стабилизации порогов срабатывания, и
пониженное быстродействие. В сумме это влияет на конечную цену МК и его
потребительскую привлекательность.
Первые схемы КМОП-триггеров Шмитта были разработаны в Японии и
защищены патентами Japanese Patent Specification No. 54-121051 (19 сентября 1979
года) и No. 57-67319 (23 апреля 1982 года). В дальнейшем эти патенты
многократно совершенствовались на предмет повышения быстродействия, снижения
напряжения питания, улучшения стабильности порогов переключения. Фирмы-
изготовители относят такие разработки к сфере «ноу-хау» и делиться секретами
не спешат.
На Рис. 11.8 показана упрощённая схема внутренней структуры триггера
Шмитта в КМОП-исполнении.
Рис. 11.8. Эквивалентная схема КМОП триггера Шмитта
Отличительной особенностью триггера Шмитта, по сравнению с обычным
инвертором, является обратная связь с выхода на вход. В узле сдвига уровня
порог срабатывания по входу адаптивно подстраивается, причём в нужное время и в
нужных пределах.
Эквивалентом триггера Шмитта для МК в Micro-Cap может служить модель
микросхемы 74НС14. У неё во входной части отсутствует «верхний» защитный
диод. При необходимости этот диод добавляют извне.
11.4.4. Схема замещения КМОП-инвертора
с регулируемыми фронтами
Новинкой схемотехники современных МК являются базовые элементы, в
которых регулируется максимальная частота выходных импульсов, что в переводе
на понятный язык обозначает программное изменение наклона (длительности)
переднего и заднего фронтов сигнала. Такие базовые элементы отличаются от
обычных инверторов только конфигурацией выходного каскада. Входы у них
могут быть стандартными КМОП или с характеристикой триггера Шмитта.
Если проанализировать патенты США US6,160,416; US6,262,617; US7,902,885,
правообладателем на которые является фирма STMicroelectronics, то можно
составить обобщённую электрическую схему входной части КМОП-инвертора с
регулируемыми фронтами (Рис. 11.9, [11-5]).

Рис. 11.9. Моделирование схемы КМОП-инвертора
с регулируемыми фронтами выходных импульсов
Транзисторы VT5, VT6 — выходные, инвертирующие. Транзисторы К77, VT2
входят в узел регулирования переднего, а транзисторы VT3, VT4 — заднего фронта
сигнала.
Время заряда входной ёмкости транзистора VT5 определяется сопротивлением
резистора R1. Время заряда входной ёмкости транзистора VT6 определяется
сопротивлением резистора R2. Изменяя сопротивления резисторов Rl, R2 от
максимума до нуля (замкнуть тумблеры SL1, S1.2), можно регулировать быстродействие
элемента в широких пределах. Нагрузочная способность по току определяется
выходными транзисторами VT5, VT6, и она ничем не отличается от обычного
«нерегулируемого» КМОП-инвертора.
Если быть точным, то в реальных микросхемах резисторов Rl, R2 нет, их
замещают генераторы тока на полевых транзисторах со сложными перекрёстными
связями, что в данном случае не принципиально.
В даташитах МК параметр «регулируемости фронтов» указывается не в
наносекундах, а в мегагерцах, например Fmax = 2 МГц (25; 50; 100 МГц). Не следует
путать это значение с тактовой частотой синхронизации процессорного ядра,
которая определяет вычислительные возможности системы. Тактовая частота может
быть как выше, так и ниже Fmax.
Снижение крутизны фронтов импульсов (англ. Slew Rate) устраняет выбросы
и затухающий «звон», приводящий к сбоям в аппаратуре и к паразитным
радиоизлучениям в эфир.
Регулирование фронтов сигнала означает, что на линии порта МК нельзя
сформировать корректные импульсы с частотой меандра, большей, чем Fmax.
«Корректные» — имеется в виду по форме осциллограммы, когда передний фронт
не сливается с задним фронтом, а НИЗКИЙ уровень можно визуально отличить
от ВЫСОКОГО.

Для такого случая специалисты используют термин «маска импульсов 4Т»,
когда 77 приходится на ВЫСОКИЙ уровень, Т2 — на спад, ТЗ — на НИЗКИЙ
уровень, Т4— на нарастание сигнала (Рис. 11.10, а).
Рис. 11.10. КМОП-инвертор с регулируемыми фронтами:
а) временная диаграмма 4Т; б) упрощённая схема замещения
Длительности переднего и заднего фронта сигнала меандра с маской «4Т»
рассчитываются по формуле Тфр[яс] = 250 / Fmax[MYu]. Например, при параметре
Fmax 50 МГц получаются фронты 5 не в диапазоне частот 0...50 МГц, при
параметре Fmax 10 МГц — длительность фронтов 25 не в диапазоне 0... 10 МГц и т.д.
Полную эквивалентную схему выходов МК с регулируемым наклоном фронтов
используют редко, как правило, для перепроверки результатов, поскольку в ней
задействуется достаточно большое количество деталей и соединительных узлов
(вспомним об ограничениях в студенческой версии среды Micro-Cap!).
Следовательно, связи стараются упростить, но не в ущерб физическим принципам.
В качестве примера на Рис. 11.10, б показана имитация процесса затягивания
фронтов сигнала конденсатором С1 на выходе линии порта. Его ёмкость
подбирается экспериментально, так чтобы при моделировании в Micro-Cap получилось
заданное время переднего и (или) заднего фронта, которое соответствует
программно установленной частоте Fmax.
11.4.5. Моделирование аналоговых входов/выходов МК
Аналоговые входы и выходы МК можно смоделировать стандартными
компонентами из библиотеки Micro-Cap (Табл. 11.4).
Таблица 11.4. Модели замещения аналоговых входов/выходов МК в Micro-Сар
Компонент
Путь к компоненту
Характеристика
AtoD4...16
Digital Primitives — AtoD Converters
Аналого-цифровой преобразователь
DtoA4...l6
Digital Primitives — DtoA Converters
Цифроаналоговый преобразователь
Opamp
Analog Primitives — Active Devices
Операционный усилитель
Comp
Analog Primitives — Macros
Аналоговый компаратор
Если входные или выходные сигналы будут выходить за рамки створа
напряжения питания 0... ИХ, то на входах и выходах «аналоговых» схем замещения
следует поставить два микроконтроллерных защитных диода, на питание и GND.

В качестве защитных диодов обычно выбирают кремниевые 1 N4148. По
падению напряжения они подходят. Однако при моделировании надо всегда проверять
ток через эти диоды. Если он получается больше, чем 1...5 мА, то МК
теоретически может выйти из строя, следовательно, в электрическую схему надо вводить
серьёзные изменения.
Моделирование канала ШИМ
Моделирование сигналов канала ШИМ требует особого подхода. По
физической сути они являются цифровыми, но с их помощью после фильтрации
формируются аналоговые сигналы. На Рис. 11.11 показана схема замещения канала
ШИМ, выполненная на управляемом «триггерном» генераторе [11-8].
Рис. 11.11. Моделирование генератора ШИМ
Модель генератора ШИМ состоит из двух источников линейно-нарастающего
сигнала VI, V2 и одного компаратора (ключ -57). Регулировать можно частоту и
скважность выходных импульсов. Какими они должны быть в килогерцах и
процентах, зависит от задачи, поставленной перед конкретным МК, — параметры
всех генерируемых сигналов должен заранее рассчитать разработчик устройства.
11.4.6. Модели в формате IBIS
Существует ещё один общий способ создания моделей компонентов, но уже не
в графическом, а в текстовом виде. Речь идёт о формате IBIS. Примечательно, что
слово «ibis» в переводе с английского языка обозначает птицу ибис, а она, как
известно из древнеегипетской мифологии, символизирует стремление и упорство.
Небольшой экскурс в историю. В 1980-х годах разработчики электронной
техники старались проводить моделирование по полным эквивалентным схемам.
Это, с одной стороны, повышало точность и достоверность результатов, но, с
другой стороны, значительно снижало быстродействие расчётов.
В конце 1980-х годов фирмой Intel был опробован альтернативный подход,
который позволял описывать модель устройства как «чёрный ящик», по его
входным/выходным графикам и вольт-временным характеристикам. Текстовая модель
получила аббревиатуру IBIS (Input/output Buffer Information Specification).
IBIS как метод описания характеристик устройства на поведенческом уровне
пригоден для большинства цифровых компонентов, в том числе и базовых инвер-

торов, входящих в МК. Более того, на сайтах фирм-изготовителей можно скачать
официальные IBIS-файлы с расширением *.ibs для разных типов МК, при разных
напряжениях питания, температуре, нагрузках [11-9].
Фирменные модели компонентов IBIS работу подсистем МК не описывают,
программная часть в них отсутствует. Они только имитируют структуру буферных
окончаний, но это как раз то, что нужно для идеализированного МК!
В Micro-Cap предусмотрена работа с IBIS-файлами, для чего необходимо их
предварительно конвертировать в специальный текстовый формат через меню:
«File — Translate — IBIS То SPICE File». Типичный файл формата IBIS содержит
таблицы токов и напряжений ВАХ, пакет паразитных ёмкостей и индуктивностей
выводов, характеристики защитных диодов и встроенных резисторов.
Вопреки ожиданиям оптимистов, трансляция IBIS-моделей фирменных МК в
формат, понятный Micro-Cap, приводит к многочисленным сообщениям и
замечаниям транслятора, разобраться в которых без специальных знаний сложно.
Но главное разочарование поджидает в конце работы, когда оказывается, что
конвертированная модель МК содержит слишком много соединительных узлов,
что выходит за лимит демоверсии Micro-Cap.
Следовательно, формат IBIS интересен сам по себе, но его пока придётся
отложить в сторону. Единственная польза от IBIS-файлов в том, что можно оценить
ёмкости, индуктивности, сопротивления встроенных элементов.
11.4.7. Текстовая макромодель инвертора для МК
Следует отличать модели от макромоделей. Электронные компоненты в среде
Micro-Cap представляются в виде схем замещения, или моделей. Сложные модели
интегральных компонентов, как правило, состоят из упрощённых
функциональных блоков, называемых подсхемами, или макромоделями [11-2]. Они
характеризуют поведение устройства относительно его внешних зажимов, не доходя до
уровня отдельных транзисторов.
Макромодели обычно составляются в виде текстовых описаний на языке
SPICE. Это особый язык моделирования электронных схем, синтаксис которого
чем-то похож на Си.
Почему желательно использовать макромодели? Потому что, например,
типичный ОУ содержит 20...30 транзисторов. Если каждый транзистор заменить
моделью из 10 элементов, то анализируемое устройство будет состоять уже из
200..300 компонентов, что слишком много для демоверсии Micro-Cap.
Макромодель же снижает число элементов в десятки-сотни раз. Следовательно,
применение макромоделей при синтезе эквивалентных схем МК является обязательным, а
освоение языка SPICE для описания макромоделей — весьма полезным.
Базовым элементом подсистемз ввода/вывода МК является КМОП-инвертор.
Описать его свойства можно через макромодель. Если сделать её универсальной,
то получится компонент, который легко перенастраивается под обычный Z-вход,
вход триггера Шмитта, выход «push-pull», выход с открытым стоком и т.д.
За основу инвертора предлагается взять библиотечную макромодель «INV», в
окне «Source» которой надо изменить текст согласно Рис. 11.12. Текст содержит
операторы, написанные на языке SPICE.

Рис. 11.12. Свойства обновлённой макромодели «INV»
Расшифровка операторов:
«.SUBCKT INV 1 2» — начало описания подсхемы компонента INV,
который имеет один узел входа (1) и один узел выхода (2). На языке SPICE все
макромодели начинаются с директивы .SUBCKT;
«Е1 3 О VALUE = { IF (V(1)>2.5V, 0, 5 ) }» - источник питания Е1
подключается между вспомогательным узлом (3) и общим проводом в узле
(0). Он изменяет своё напряжение в зависимости от уровня входного
сигнала К в узле (1). Если входное напряжение К больше 2.5 В, то Е1 = 0 В,
если входное напряжение К меньше или равно 2.5 В, то Е1 = 5 В. По
выполняемым функциям это КМОП-инвертор с порогом переключения
2.5 В. Если установить порог 2.0 В, то получится инвертор ТТЛ-КМОП.
Число «5» в конце строки определяет напряжение питания в вольтах.
Его можно заменить числом «3», не забыв подобрать порог переключения.
Чтобы превратить однопороговый инвертор в двухпороговый триггер
Шмитта, надо исправить числа в константах XI, Х2 в средней строке
экрана, там, где прописаны свойства макромодели. В частности, для МК Atmel
ATmegal6 при напряжении питания 5 В и температуре 25°С надо установить
пороги XI = 1.35 В, Х2 = 1.8 В. Значения порогов берутся из даташита;
«R0 3 2 {IF(V(2)>5V| V(2)<0V, 1Е7, ЗО)}» — резистор R0подключается между
плюсом источника питания El в узле (3) и выходом инвертора в узле (2). Его
сопротивление будет разным в зависимости от уровня выходного
напряжения Кв узле (2). Если оно больше 5 В или меньше 0 В (отрицательное), то
сопротивление Я0= 10 МОм (обрыв), иначе R0= 30 Ом;
«.ENDS INV» — окончание описания макромодели.

Текст SPICE-модели получился слишком абстрактным, хотя и логически
понятным при внимательном прочтении. Улучшить восприятие информации
помогает превращение текста в эквивалентную электрическую схему обновлённого
компонента INV (Рис. 11.13).
Рис. 11.13. Эквивалентная схема обновлённого компонента INV
Узел (1) имеет бесконечное сопротивление, что символизирует вход КМОП-
инвертора. Источник Е1 определяет напряжение питания МК. Два
переключателя SI, S2 — это условия логических проверок. Резистор R0 задаёт наклон
нагрузочной характеристики. Его сопротивление 30 Ом специально подобрано так,
чтобы соответствовать «сильному» выходу идеализированного МК.
При большом положительном или отрицательном напряжении, которое может
попасть на выход МК в нештатном режиме, резистор R0 автоматически
увеличивает своё сопротивление до 10 МОм, чтобы не мешать работе внешних защитных
диодов. Эти диоды в схему инвертора не входят, они устанавливаются отдельно.
Физический смысл резистора R0 заключается в имитации сопротивления
канала открытых полевых КМОП-транзисторов. На начальном участке ток и
напряжение у них меняется практически линейно, как в резисторах.
Токи нагрузки I0ff, I0L при ВЫСОКОМ (V0H) и НИЗКОМ (V0L) уровнях на
выходе зависят от сопротивления резистора R0 и рассчитываются по формулам,
вытекающим из законов Ома и Кирхгофа:
11.4.8. Экспериментальное уточнение параметров макромодели
Как известно, в даташите любого МК указываются не только типовые, но и
минимальные/максимальные значения практически всех важных параметров.
Рассчитывать на то, что конкретный МК будет обязательно иметь средние
параметры, наивно, хотя именно так и поступают в большинстве случаев, пренебрегая
погрешностью.
Судя по фирменным IBIS-моделям, приводимым в Интернете,
технологический разброс электрических параметров МК составляет от ±2...6% до ±20...30%.
Здесь учитываются колебания тока, напряжения, уход значений в зависимости от
температуры окружающей среды и т.д.
Зная про разброс параметров и имея на руках несколько однотипных
экземпляров МК, радиолюбитель может позволить себе роскошь индивидуального их
подбора по оптимальным входным/выходным электрическим характеристикам.

Подбирали же раньше транзисторы в пары по одинаковому коэффициенту п21э в
самодельных УНЧ, а чем МК хуже?
В домашних условиях реально определить две вещи: пороги срабатывания по
входу МК и нагрузочную способность по выходу. Эти данные пригодятся в том
числе для коррекции макромодели универсального инвертора в Micro-Cap. Если
подправить макромодель идеализированного МК под реальные (а не
теоретические) характеристики, то качество моделирования станет лучше.
Определение порогов срабатывания МК по входу
Модифицированный ранее компонент инвертора INV, применяемый в
качестве базового в МК, имеет один порог срабатывания по входу, причём разный для
элементов КМОП и ТТЛ-КМОП. Компонент «Триггер Шмитта» имеет не один,
а два порога — нижний и верхний. Какие именно, с точностью до сотых долей
вольта, и предстоит выяснить.
Методика испытаний будет проиллюстрирована на примере платы Arduino и
тестового стенда, изображённого на Рис. 9.4.
Проверке подлежит одна линия порта МК, которая предварительно
переводится в режим входа. Напряжение на линии регулируется переменным резистором и
измеряется цифровым вольтметром. Управляющая программа для Arduino должна
в бесконечном цикле опрашивать состояние выбранного входа. Как только
уровень станет ВЫСОКИМ, то засвечивается внутренний светодиод Arduino с
маркировкой «L», и наоборот. Пользователь вращает ручку переменного резистора и
следит за моментом включения/выключения светодиода. Показания вольтметра,
соответствующие этим двум событиям, и будут определять верхний и нижний
пороги срабатывания МК по входу.
Разность напряжений между порогом включения светодиода VIH и порогом его
выключения VIL составляет гистерезис триггера Шмитта. Если пороги равны
между собой, значит, входной элемент — обычный КМОП, без триггера Шмитта.
Реальные замеры, произведённые для МК ATmegal68, входящего в плату
Arduino-UNO, следующие: VIH= 2.48 В, VIL = 2.28 В, гистерезис 0.2 В.
Аналогичные измерения для МК ATmegal6, ATmega8: VIH = 1.8...1.85 В, VIL =
1.35... 1.4 В, гистерезис 0.4...0.45 В. Экспериментальные данные хорошо
совпадают с графиками из даташита [11-10]).
Практика показывает, что пороги срабатывания по входу у разных портов в
одном и том же МК хорошо коррелируют между собой. Очевидно, сказывается
тот факт, что полевые транзисторы конкретной микросхемы выполняются в
едином технологическом цикле, на химически однородной подложке и при
стабильных параметрах производственного оборудования.
Подобные проверки полезны не только для домашнего хозяйства, но и на
производстве, например при выборочном контроле приобретённых МК, при
исследовании отказов аппаратуры и при опытно-конструкторских работах.
Определение нагрузочной способности по выходу МК
Сопротивление канала «сток—исток» внутренних выходных транзисторов МК
считается линейным в узком диапазоне токов нагрузки. Так ли это на самом деле,
предстоит выяснить в ходе экспериментов.

Снятие нагрузочной характеристики производится известным методом
«вольтметра—амперметра». К выходной линии МК подключается магазин
сопротивлений или переменный резистор 1...4.7 кОм мощностью 0.5 Вт, чтобы создать
нагрузку по току. Последовательно с резистором включается миллиамперметр, а
параллельно линии порта включается вольтметр.
Сначала на выходе МК программно устанавливается ВЫСОКИЙ уровень.
Затем движок переменного резистора постепенно переводится вниз к общему
проводу GND. Для каждого нового положения движка резистора снимаются
показания тока и напряжения.
Далее на выходе МК устанавливается НИЗКИЙ уровень, движок резистора
переводится вверх, к питанию, и опять по точкам снимается зависимость тока от
напряжения, как в лабораторной работе.
Важный момент. Надо обязательно следить за тем, чтобы ток нагрузки не
превышал предел, допустимый по даташиту. У разных семейств МК он будет разный,
в среднем от 20 до 40 мА в зависимости от напряжения питания. Для страховки
рекомендуется поставить последовательно с переменным резистором защитный
постоянный резистор сопротивлением 100... 150 Ом. Так сделано в тестовом
стенде Arduino.
Полученные в результате замеров «вольты» и «миллиамперы» размещают на
графиках. Для примера на Рис. 11.14, а, б показаны нагрузочные
характеристики МК STM32F407 фирмы STMicroelectronics, снятые вручную по приведенной
выше методике [11-11].
Рис. 11.14. Нагрузочные характеристики МК STM32F407:
а) при ВЫСОКОМ уровне на выходе МК; б) при НИЗКОМ уровне на выходе МК
Как видно, зависимости тока от напряжения действительно линейные. По
крайней мере, в реально используемом на практике диапазоне токов нагрузки.
Следовательно, схема замещения с резистором R0, принятая в базовой SPICE-
макромодели на Рис. 11.13 идеализированного МК, имеет право на
существование.

11.5. Моделирование подсистем МК
В основе моделирования электронных цепей лежат эквивалентные схемы.
Применительно к МК это означает, что для каждого его вывода надо составить
схему замещения. Сложность в том, что порты МК обладают функцией
многозадачности, следовательно, в разных режимах один и тот же вывод будет иметь
разные эквивалентные схемы.
Перед проектированием разработчик должен чётко представлять, какие
сигналы, какой амплитуды и в какие моменты времени поступают на входы МК, а
также какие сигналы, какой формы и с какими задержками должны
формироваться на выходах МК. Этой информации достаточно, чтобы выбрать элементную
базу «обвязки», составить электрическую схему и назначить входные и выходные
линии портов МК согласно их выполняемым функциям.
Задача моделирования — проверить, какие реально сигналы поступают на
входы портов и какие уровни формируются на выходе под нагрузкой, не повредят
ли МК замыкания в соединительном кабеле, удостовериться в правильности
согласования логических уровней, определить частотные и временные параметры,
сымитировать воздействие помех и отказов аппаратуры. После этого принять
решение об оптимизации или полной переделке электрической схемы. Всё
остальное — забота программиста.
Среда Micro-Cap позволяет провести моделирование всех основных подсистем
МК, а именно подсистемы питания, подсистемы начального сброса, подсистемы
тактирования, подсистемы портов ввода/вывода.
Схемы и результаты моделирования представлены ниже. Думается, что общего
вида графических материалов (даже без подробных пояснений) должно хватить
для оценки потенциальных возможностей средств компьютерного
моделирования применительно к МК.
11.5.1. Моделирование подсистемы питания
Если глубоко не вдаваться в детали, то цепь питания МК можно смоделировать
одним эквивалентным нагрузочным резистором. Его сопротивление динамически
изменяется во времени в зависимости от тока, потребляемого МК по цифровым
и аналоговым каналам. Рассчитать точно его значение не представляется
возможным из-за нехватки информации, да и надо ли? Ориентировочное усреднённое
потребление тока в зависимости от режимов работы приводится в даташитах на
конкретный тип МК.
В качестве примера можно взять наугад МК ATtiny43U фирмы Atmel. При
напряжении питания 3 В, тактовой частоте 4 МГц и температуре окружающей среды
от —40 до +85°С он потребляет ток:
в активном режиме — 1.3...2.5 мА (эквивалентный резистор 1.2...2.3 кОм);
в ждущем режиме — 0.25...0.6 мА (эквивалентный резистор 5... 12 кОм);
в состоянии «сна» — 0.35...2 мкА (эквивалентный резистор 1.5...8.5 МОм).
Моделирование подсистемы питания требуется не часто, но иногда оно
помогает обнаружить узкие места разрабатываемого прибора в критических режимах.

11.5.2. Моделирование подсистемы начального сброса
Рис. 11.15. Моделирование подсистемы начального сброса:
а) электрическая схема; б) временные диаграммы при выключении тумблера SJ
Целью моделирования электрической схемы Рис. 11.15, а [11-12] является
проверка функционирования узла BOD (Brown-Out Detector), входящего в
подсистему начального сброса МК. Иными словами, хотелось бы на этапе виртуального
тестирования оценить «живучесть» микроконтроллерной системы при
неполадках питания, и если надо, то заранее ввести в неё схемотехнический запас.
Как видно (Рис. 11.15, б), система не реагирует на отключение сетевого
напряжения в пределах 30 мс до срабатывания узла BOD. Чтобы увеличить это время,
надо повышать ёмкости конденсаторов С7, С2 или ставить резерную батарею.

11.5.3. Моделирование подсистемы тактирования
Рис. 11.16. Моделирование подсистемы тактирования МК:
а) электрическая схема, б) временная диаграмма «мягкого» запуска генератора
Если МК тактируется от внутреннего RC-генератора, то доступа к нему извне
нет и моделировать работу подсистемы тактирования не имеет смысла. Другое
дело, если частота стабилизируется внешним кварцевым или керамическим
резонатором, подключённым к выводам XTAL1, XTAL2.
Моделирование подсистемы тактирования проще всего проводить не на
эквивалентных схемах с ОУ, а на двухтранзисторном генераторе с обратной связью, что
обеспечивает большую степень совпадения результатов с практическими
данными (Рис. 11.16, а, б [11-12]).

11.5.4. Моделирование подсистемы портов ввода/вывода
Рис. 11.17. Моделирование подсистемы ввода сигналов:
а) электрическая схема, б) временные диаграммы фильтрации сигнала
Моделирование удобно проводить отдельно для входов и отдельно для выходов
МК, хотя физически это может быть один и тот же контакт микросхемы.
Схема для моделирования входной части показана на Рис. 11.17, а [11-12]. На
вход устройства поступает смесь полезного синусоидального сигнала G1 и
источника высоковольтной импульсной помехи G2. Результаты моделирования
представлены на Рис. 11.17, б, где хорошо видно, как последовательно фильтруется
помеха в двухзвенном ФНЧ и как сдвигается по фазе результирующий сигнал.

Моделирование выходной части МК показано на Рис. 11.18, а, б [11-12].
Цифровые сигналы с восьми линий МК суммируются в матрице резисторов 2R,
проходят через ФНЧ и поступают на выход OUT.
На временных диаграммах, полученных в результате моделирования, показан
процесс формирования ступенчатого сигнала ЦАП и его превращения в почти
чистую синусоиду с теоретическим коэффициентом гармоник 0.185%.
Рис. 11.18. Моделирование подсистемы вывода сигналов:
а) электрическая схема, б) временные диаграммы в разных точках схемы

Список использованных источников и литературы к главе 11
11-1. Амелина, М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 / Марина
Амелина, Сергей Амелин. — М.: Горячая линия-Телеком, 2007. — 464 с. — ISBN 978-
5-93517-339-5.
11-2. Амелина, М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии
9, 10 [Электронный ресурс] / Марина Амелина, Сергей Амелин. — Смоленск,
Смоленский филиал НИУ МЭИ, 2013. — 618 с. — Режим доступа: http://microcap.
forum24.ru/?l-3-0-00000005-000-20-0#000. - 07.01.2016.
11-3. Русификация Micro-CAP 9 [Электронный ресурс] / Сергей Амелин, 2014. — Режим
доступа: http://microcap.forum24.ru/71-12-0-00000001-000-10001-0. - 07.01.2016.
11 -4. Программа Micro-Cap (demo), текущая версия [Электронный ресурс] / Spectrum
Software, 2015. — Режимдоступа: http://www.spectrum-soft.com/down/demo.zip (англ.). —
07.01.2016.
11-5. Рюмик, С. Микроконтроллеры STM32. Барьер 3 / Сергей Рюмик // Радиоаматор. —
2012.- №5. -С. 42-46.
11-6. Галас, В. П. Имитационное моделирование электрических схем с использованием
программы Micro-Cap : практикум для студентов специальности 210100 / Валерий
Галас. — Владимир, Владимирский государственный университет, 2003. — 52 с. —
ISBN 5-89368-420-6.
11-7. Основы компьютерного проектирования и моделирования радиоэлектронных
средств в среде Micro-Сар: методические указания к лабораторным работам /
сост. А. Н. Копысов, Е. М. Зайцева. — Ижевск, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени
М. Т. Калашникова», 2013. — 66 с.
11-8. Ewb, Microcap, Multisim. Вопросы и ответы [Электронный ресурс] / Форум по
электронике, Сергей Амелин, 2009. — Режим доступа: http://forum.cxem.net/index.
php?showtopic=18849&st=340. - 07.01.2016.
11-9. AVR IBIS files [Электронный ресурс] / Atmel, 2010...2013. — Режим доступа: http://
www.atmel.com/tools/AVRIBISFILES.aspx (англ.). — 07.01.2016.
11-10. ATmega48/88/168 (Datasheet Complete, Rev. 2545T—AVR—05/11) [Электронный
ресурс] / Atmel, 2011. — Режим доступа: http://www.atmel.com/Images/doc2545.pdf
(англ.).-07.01.2016.
11-11. Рюмик, С. STM32F4Discovery в аудиотехнике #1 / Сергей Рюмик // Радиохобби. —
2014.-№ 1.-С. 42-45.
11-12. Рюмик, С. Моделирование микроконтроллеров в программе «Місго-Сар 9» / Сергей
Рюмик // Радиохобби. - 2010. - № 4. - С. 55-57 ; № 5. - С. 43-46 ; № 6. -
С. 48-52.

ПОСЛЕСЛОВИЕ
Если Вы чего-то на самом деле хотите,
то вся Вселенная поможет Вам достигнуть этого/
(Пауло Коэльо)
В 1965 году один из основателей фирмы Intel Гордон Мур сформулировал
эмпирическое наблюдение, согласно которому количество транзисторов,
размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 1.5...2 года.
Как ни удивительно, но «закон Мура» и по сегодняшний день соблюдается с
более или менее приемлемой точностью. Специалисты предполагают, что
такие темпы роста могут сохраняться ещё много лет вперёд.
Действие «закона Мура» изначально было ориентировано на
персональные компьютеры. Действительно, их габариты за последние 50 лет постоянно
уменьшаются, а вычислительная мощность стремительно растёт. Если
внимательно приглядеться, то такая же тенденция касается и бытовых электронных
устройств: мобильных телефонов, планшетов, носимых гаджетов.
Не обошёл стороной «закон Мура» и сектор производства МК. Здесь
улучшение потребительских свойств связано в первую очередь с достижениями
технологии. Микроконтроллерные компоненты по этому параметру отстают всего
лишь на один-два шага от ультрасовременных компьютеров.
Цепочка инноваций выглядит примерно так: сначала внедряются новые
технологические нормы в компьютерные чипы, затем в мощные процессоры
применений и далее в МК. Например, по нормам 65 нм в 2006 году были
изготовлены процессоры Intel Core 2. По тем же нормам в 2009 году на фирме
Freescale Semiconductor были выпущены процессоры применений І.МХ5, а в
2013 году на фирме Texas Instruments — МК семейства ТМ4С123х.
Информация о новинках компьютерных технологий позволяет уже на
ранней стадии «заглянуть за горизонт» и увидеть перспективы, которые ожидают
микроконтроллерную отрасль через несколько лет вперёд. Однозначно будет
увеличиваться тактовая частота, повышаться быстродействие, объём памяти,
число доступных интерфейсов. С другой стороны, снизится ток потребления
(особенно в спящем режиме), уменьшится напряжение питания для
процессорного ядра, сократятся габариты корпусов.
Нет ни малейшего сомнения, что будут и дальше выпускаться и
совершенствоваться микроконтроллерные модули и платы, подобные Arduino.
Думается, что для всех новых семейств МК станут обязательными стартовые наборы,
аналогичные STMDiscovery, которые помогают быстрее осваивать технику
создания и отладки программ.
Интересным и многообещающим направлением может оказаться замена
микросхемы МК небольшой дешёвой платой в формфакторе «почтовая марка».
На ней будут размещаться: МК в малогабаритном корпусе, резисторы, конден-

саторы и прочая «обвязка». Установка начальных режимов работы — на выбор,
пайкой перемычек или джамперами.
Не исключено, что в перспективе разработчик микроконтроллерной
системы сможет собирать МК из отдельных взаимозаменяемых кубиков, как в
«пятнашках». Подсистемы и интерфейсы будут размещаться в малых твёрдотельных
корпусах с торцевыми микроразъёмами. Пользователю останется лишь
соединить их механически между собой и получить на общей плате «составной МК»
с требуемыми техническими параметрами.
И последнее. В любом случае, при разных раскладах, новомодных веяниях
и совершенствованиях, в силе останутся базовые законы схемотехники.
Хотелось бы надеяться, что их изучение на основе сведений из настоящей книги
ещё долгое время будет актуальным и востребованным.

ПРИЛОЖЕНИЕ
ССЫЛКИ И АДРЕСА В ИНТЕРНЕТЕ
Кто посеял любезность,
тот пожнёт благодарность!
(Сирийская пословица)
В Табл. П1.1, Табл. П1.2 приведены списки основных печатных и электронных
журналов разных лет выпуска, в которых публиковались и публикуются
радиолюбительские статьи на микроконтроллерную тематику.
Таблица П1.1. Печатные и электронные издания стран СНГ (тематика МК)
Журнал
Страна
Интернет-адрес на 07.01.2016 г.
Радио
Россия
http://www.radio.ru/
Радиоаматор
Украина
http://www.ra-publish.com.ua/
Радиодело
Россия, Беларусь
Журнал закрылся в 2006 г.
Радиоежегодник
Интернет-издание
http://www.rlocman.ru/radioyearbook/
Радиокомпоненты
Украина
http://www.ra-publish.com.ua/
Радиоконструктор
Россия
http://radiocon.nethouse.ru/
РадиоЛоцман
Интернет-издание
http://www.rlocman.ru/magazine/
Радиолюбитель
Беларусь
http://radioliga.com/
Радиомир
Беларусь, Россия
http://radio-mir.com/
Радиомир. Ваш компьютер
Беларусь, Россия
Журнал закрылся в 2005 г.
Радиомир. KB и УКВ
Беларусь, Россия
http://radio-mir.com/
Радиохобби
Украина
Журнал закрылся в 2014 г.
Современная электроника
Россия
http://www.soel.ru/
Схемотехника
Россия
Журнал закрылся в 2007 г.
Электрик
Украина
http://www.ra-publish.com.ua/
CHIP NEWS Украина
Украина
http://chipnews.com.ua/
Таблица Ш.2. Печатные и электронные издания стран дальнего зарубежья (тематика МК)
Журнал
Страна
Интернет-адрес на 07.01.2016 г.
Circuit Cellar
США
http://www.circuitcellar.com/
EDN
Интернет-издание
http://www.edn.com/
Elektor Electronics
Великобритания
http://www.elektor.com/
Elektronika Praktyczna
Польша
http://www.ep.com.pl/
Everyday Practical Electronics
Великобритания, США
http://www.epemag.com/
Funkamateur
Германия
http://www.funkamateur.de/
Nuts & Volts
США
http://www.nutsvolts.com/
1

В Табл. П1.3, Табл. П1.4 приведены списки фирм дальнего зарубежья и стран
СНГ, которые упоминаются в книге.
Таблица П1.3. Интернет-адреса фирм дальнего зарубежья, которые упоминаются в книге
Фирма
Интернет-адрес на 07.01.2016 г.
Actel
Сейчас в составе фирмы Microsemi Corporation
Advanced Photonix
http://advancedphotonix.com/
Advanced Micro Tools
http://www.amctools.com/about.htm
Altera
https://www.altera.com/
Altium
http://www.altium.com/
American Semiconductor
http://www.americansemi.com/
Analog Devices
http://www.analog.com/
ARM
http://www.arm.com/
Asus
http://www.asus.com/
Atmel Corporation
http://www.atmel.com/
Avago Technologies
http://www.avagotech.com/
BBC
http://www.bbc.com/
Bluegiga
https://www.bluegiga.com/
Bolymin
http://www.bolymin.com.tw/
Bosh Sensortec
https://www.bosch-sensortec.com/
Burr-Brown
Сейчас в составе фирмы Texas Instruments
Cadence Design Systems
http://www.cadence.com/
CanMore Electronics
http://www.canmore.com.tw/
Canon
http://www.canon.com/
Cypress Semiconductor
http://www.cypress.com/
Dallas Semiconductor
Сейчас в составе фирмы Maxim Integrated
Densitron Technologies
http://www.densitron.com/
Digi International
http://www.digi.com/
EM Microelectronic
http://www.emmicroelectronic.com/
Ember
Сейчас в составе фирмы Silicon Laboratories
Energy Micro
Сейчас в составе фирмы Silicon Laboratories
Fairchild Semiconductor
https://www.fairchildsemi.com/
Figaro Engineering
http://www.figaro.co.jp/en/
Freescale Semiconductor
Сейчас в составе фирмы NXP Semiconductors
Fujitsu
http://www.fujitsu.com/
Futurlec
http://www.futurlec.com/
General Electric
http://www.ge.com/
GigaDevice Semiconductor
http://www.gigadevice.com/
Hewlett Packard
http://www.hp.com/
hexTronik
http://www.hextronik.com/
Hitachi
http://www.hitachi.com/
Holtek Semiconductor
http://www.holtek.com.tw/
HOPERF
http://www.hoperf.com/
Infineon Technologies
http://www.infineon.com/
I IT Bombay
http://www.iitb.ac.in/

Фирма Интернет-адрес на 07.01.2016 г.
Inmos
Сейчас в составе фирмы STMicroelectronics
Intel
http://www.intel.com/
Jennie
Сейчас в составе фирмы NXP Semiconductors
Kodak (Eastman Kodak)
http://www.kodak.com/
Labcenter Electronics
http://www.labcenter.com/
Linear Technology
http://www.linear.com/
Maxim Integrated
https://www.maximintegrated.com/
Microchip Technology
http://www.microchip.com/
Microsoft
https://www.microsoft.com
MikroElektronika
http://www.mikroe.com/
Microsemi Corporation
http://www.microsemi.com/
Mitsubishi Electric
http://www.mitsubishielectric.com/
Mostek
Сейчас в составе фирмы STMicroelectronics
Motorola
http://www.motorola.com/
Navman
http://www.navman.co.nz/
National Instruments
http://www.ni.com/
National Semiconductor
Сейчас в составе фирмы Texas Instruments
NEC
http://www.nec.com/
Newhaven Display
http://www.newhavendisplay.com/
Nichia
http://www.nichia.co.jp/en/
Nippon Ceramic
http://www.nicera.co.jp/indexe.html
NKK Switches
http://www.nkkswitches.com/
Noritake Itron
http://www.noritake-itron.com/
Nuvoton Technology
http://www.nuvoton.com/
NXP Semiconductors
http://www.nxp.com/
Olivetti
http://www.olivetti.com/
OptoSupply
http://www.optosupply.com/
OSRAM
http://www.osram.com/
Panasonic
http://www.panasonic.com/
Philips
http://www.philips.com/
Pololu
https://www.pololu.com/
Position
http://www.posit.co.jp/
Qucs Team
http://qucs.sourceforge.net/
Quantum Research Group
Сейчас в составе фирмы Atmel
Ramtron
Сейчас в составе фирмы Cypress Semiconductor
Raystar Optronics
http://www.raystar-optronics.com/
RCA
Сейчас в составе фирмы General Electric
Rectron Semiconductor
http://rectron.com/
Renessas Electronics
http://am.renesas.com/
ROHM Semiconductor
http://www.rohm.com/
Samsung
http://www.samsung.com/
SanDisk
https://www.sandisk.com/
Schneider Electric
http://www.schneider-electric.com/
Продолжение таблицы П1.3

Фирма
Интернет-адрес на 07.01.2016 г.
SEMITEC
http://semitec.co.jp/english/
Semtech
http://www.semtech.com/
Sharp
http://www.sharp-world.com/
Siemens AG
http://www.siemens.com/
Silicon Laboratories
http://www.silabs.com/
Silonex
Сейчас в составе фирмы Advanced Photonix
Sino Wealth
http://www.sinowealth.com/en/
Solid Alliance
http://www.solidalliance.com/
Spectrum Software
http://www.spectrum-soft.com/
StarChips Technology
http://www.starchips.com.tw/
STMicroelectronics
http://www.st.com/
Texas Instruments
http://www.ti.com/
The MathWorks
http://www.mathworks.com/
Toshiba
http://www.toshiba.com/
Unitronics
http://www.unitronics.com/
Viatron Computer
Фирма обанкротилась в 1971 году
Vishay
http://www.vishay.com/
Winbond
http://www.winbond.com/
WINSTAR Display
http://www.winstar.com.tw/
WTE (Won-Top Electronics)
http://wontop.manufacturer.globalsources.com/
Xilinx
http://www.xilinx.com/
XMOS
http://www.xmos.com/
Таблица П1.4. Интернет-адреса фирм стран СНГ, которые упоминаются в книге
Фирма
Интернет-адрес на 07.01.2016 г.
АО «ПКК Миландр» (г. Зеленоград, Россия)
http://milandr.ru/
ОАО НПЦ «ЭЛВИС» (г. Зеленоград, Россия)
http://multicore.ru/
ООО «Умная электроника» (г. Дубна, Россия)
http://www.black-swift.ru/
Окончание таблицы Ш.З

ПРИЛОЖЕНИЕ
2
СПИСОК АББРЕВИАТУР
Краткость — сестра таланта
(А. П. Чехов)
АЦЖК — алфавитно-цифровой жидкокристаллический индикатор
АЦП — аналого-цифровый преобразователь
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БИС — большая интегральная схема
ВАХ — вольт-амперная характеристика
ВИМ — времяимпульсная модуляция
ВЧ — высокочастотный
ГОСТ — государственный стандарт
ДУ — дистанционное управление
ЖКИ — жидкокристаллический индикатор
И К — инфракрасный
ИОН — источник опорного напряжения
КЗ — короткое замыкание
КМОП — комплементарная структура «металл—оксид—полупроводник»
КПД — коэффициент полезного действия
МК — микроконтроллер
МП — микропроцессор
НЧ — низкочастотный
ОЗУ — оперативное запоминающее устройство
ОУ — операционный усилитель
ПДП — прямой доступ в память
ПДУ — пульт дистанционного управления
ПЗУ — постоянное запоминающее устройство
ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема
ПЛК — программируемый логический контроллер
ПЛМ — программируемая логическая матрица
ПЦТС — полный цветовой телевизионный сигнал
ПЭВ — провод эмалированный влагостойкий
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
СВЧ — сверхвысокочастотный
СНГ — Содружество Независимых Государств
ТКС — температурный коэффициент сопротивления
ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика
УКВ — ультракороткие волны
УМЗЧ — усилитель мощности звуковой частоты
УНЧ — усилитель низкой частоты

ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты
ФВЧ — фильтр высоких частот
ФНЧ — фильтр низких частот
ФЧХ — фазочастотная характеристика
ЦАП — цифроаналоговый преобразователь
ЦПУ — центральное процессорное устройство
ШД — шаговый двигатель
ШИМ — широтно-импульсная модуляция
ЭВМ — электронная вычислительная машина
ЭБУ — электронный блок управления
ЭДС — электродвижущая сила
ЭРИ — электрорадиоизделие
ЭСПЗУ — электрически стираемое ПЗУ