Автоматический телеграфный ключ

Одним из примеров применения логических инте­гральных микросхем (ИМС) в радиолюбительской прак­тике является предлагаемый вниманию читателей ав­томатический телеграфный ключ, отличающийся малы­ми габаритами, высокой надежностью и удобством в эксплуатации.

Для его построения могут быть использованы как диодно-транзисторные, так и транзисторно-транзистор­ные логические ИМС двух типов: многовходовые логи­ческие элементы И-НЕ (вентили) и тактируемые фрон­том JK-триггеры.

Рис. 1. Принципиальная схема автоматического телеграфного ключа

Принципиальная схема ключа приведена на рис. 1. Устройство содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ), построенный на вентилях D1.1 и D1.2, триггеры D3 и D4, схему управления триггерами на элементах D1.S и D1.4, монитор, собранный на вентилях D2.1, D2.2 и D2.3, и оконечный каскад на базе элемента D2.4 и транзисторов V7 и V8. Эпюры напряжений в схеме, иллюстрирующие ее работу, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Эпюры сигналов в схеме

Триггеры D3 и D4 ключа работают в счетном режи­ме и делят частоту тактовых импульсов (рис. 2, а), следующих с периодом Т, на 2. К оконечному каскаду сигналы с выходов D3 и D4 поступают через схему D2.4, осуществляющую операцию И. Таким образом, триг­гер D3 формирует точки и интервалы длительностью Т (рис. 2, б), а добавление с выхода D4 сигнала, показан­ного на рис. 2, в, длительностью 2Т обеспечивает форми­рование тире, длительность которых составит, очевид­но, ЗТ. Суммированный сигнал (см. рис. 2, г) с выхода D2.4 поступает на вход оконечного каскада — на базу транзистора V7.

В процессе передачи манипулятором коммутируют входы вентилей D1.3 и D1.4, при этом к триггерам с вы­ходов элементов D1.3 и D1.4 поступают сигналы, раз­решающие их переключения. Связь инверсного выхода триггера D4 с входом вентиля D1.3 необходима для раз­решения работы триггера D3 в режиме счета при фор­мировании сигнала тире независимо от положения ма­нипулятора во время передачи этого знака. В схему предлагаемого ключа введена также дополнительная связь выхода ГТИ с входом J₄ триггера D4, исключаю­щая возможность одновременного формирования сигна­лов С₃ = 0 и J₄ = 1, что привело бы к вероятности лож­ной передачи тире вместо точки (подстрочный индекс названия входа триггера соответствует порядковому но­меру триггера).

Для оценки преимуществ схемы автоматического те­леграфного ключа с применением тактируемых фронтом JК-триггеров существенно то обстоятельство, что для пе­реключения JK-триггера из нуля в единицу не обязатель­но длительное присутствие единицы на входе J. Чтобы изменить его состояние, достаточно хотя бы кратковре­менного совпадения по времени сигнала J = 1 и верши­ны тактового импульса. Таким образом, совпадение сиг­налов J = 1 и С = 1 при последующих J = 0 и С = 1 обеспечивает запоминание поступившего управляющего сигнала и, следовательно, память положения манипуля­тора. В данном случае тактовые импульсы поступают со скважностью, равной 2 (длительность паузы равна длительности импульса), и положение манипулятора за­поминается здесь в течение той половины интервала между двумя знаками сообщения, которая непосред­ственно примыкает к началу очередного знака. Замыка­ние манипулятора в интервале времени, когда С₃ = О, не будет иметь отклика. Отметим, что при передаче со­общения с малой скоростью, когда реальная длитель­ность прижатия манипулятора может быть много короче точки (или интервала) между знаками сообщения, обе­спечение памяти положения манипулятора требуется во всем интервале, чтобы гарантировать надежный отклик на каждое замыкание манипулятора. Наоборот, при вы­соких скоростях передачи сообщений реальная длитель­ность прижатия манипулятора может быть несколько длиннее точки. В этом случае память положения мани­пулятора вообще не нужна (по крайней мере, во всем интервале), так как при ее наличии даже самая малая передержка манипулятора приведет к отработке лиш­него знака. Таким образом, построение предлагаемого ключа с памятью положения манипулятора именно в по­ловине интервала между знаками сообщения является решением, в известной мере удовлетворяющим одновре­менно обоим этим противоречивым требованиям.

ГТИ предлагаемого ключа построен по простой схе­ме симметричного мультивибратора на вентилях D1.1 и D1.2 с хронирующими конденсаторами С1 и С2. Час­тоту следования тактовых импульсов и, следовательно, скорость передачи сообщений устанавливают регулиров­кой R3 в зависимости от желания или квалификации оператора. При конструировании ключа следует иметь в виду довольно острую зависимость в такой схеме ГТИ частоты генерации от величины питающего напряже­ния. Так, например, когда положение регулировки R3 соответствует максимальной скорости передачи сообще­ния (движок R3 на корпусе), изменение напряжения питания на 1 % вызывает изменение частоты следования тактовых импульсов на 3 — 5%. Это обстоятельство предъявляет определенные требования к стабильности источника питания. В процессе наладки ГТИ иногда наблюдается срыв или неустойчивость генерации. Суть этого явления состоит в том, что при одновременном заряде конденсаторов С1 и С2 до одинакового напряже­ния, на входы обоих вентилей мультивибратора посту­пают уровни логического нуля, а на выходах оказыва­ются уровни логической единицы, и генерация, следова­тельно, отсутствует. Если в процессе настройки в ГТИ произошел такой срыв генерации, следует отключить питание и разрядить оба конденсатора. С точки зрения устойчивой генерации ГТИ напряжение питания в схему ключа следует подавать резким фронтом, например с помощью тумблера. Диоды VI и V2 предназначены для защиты входов вентилей D1.1 и D1.2 от отрицательных полуволн напряжения, образующихся при перезаряде конденсаторов С1 и G2. Отсутствие этих диодов может привести к сбоям в работе ключа.

Как уже говорилось, в устройстве, изображенном на рис. 1, на выходе ГТИ формируются импульсы со скваж­ностью, равной 2 (меандр), что обеспечивает память по­ложения манипулятора в половине интервала между знаками сообщения. В пределах этого интервала память может быть увеличена или сокращена по желанию кон­структора. Для этого достаточно нарушить симметрию плеч мультивибратора путем изменения емкостей кон­денсаторов С1 и С2.

Наличие в схеме ключа монитора, хотя бы в виде макета, существенно упрощает процесс наладки устрой­ства, а использование монитора в окончательной кон­струкции не ухудшает общей надежности и помехо­устойчивости ключа, но зато облегчает работу опера­тора.

В данном случае монитор — низкочастотный генера­тор сигналов прямоугольной формы, собран по схеме мультивибратора на логических элементах D2.1 и D2.2. В состав монитора входит также ключевой буферный каскад на вентиле D2.3. К входу монитора могут быть подключены один высокоомный или ряд низкоомных наушников. Наиболее эффективно применение микроте­лефона ТМ-2М.

Выходной каскад телеграфного ключа можно строить по различный принципиальным схемам, как с исполь­зованием транзисторов, так и микросхем. На рис. 3 при­веден вариант построения выходного каскада ключа с применением микросхем серии К155, а на рис. 4 и 5 — с применением транзисторов, например КТ315. Каждый из этих вариантов обладает своими достоинствами и недостатками, которые следует учитывать при конструи­ровании. В частности, при построении транзисторного варианта выходного каскада для его питания можно использовать относительно высокие напряжения, огра­ничиваемые лишь величиной предельно допустимого на­пряжения «коллектор — эмиттер» применяемого транзистора, — отсюда широкий выбор типов реле Р1, номи­нальные токи срабатывания которых не должны превы­шать 100 мА (применительно к транзисторам КТ315). К тому же площадь монтажа, занимаемая двумя транзи­сторами КТ315, меньше площади, занимаемой микросхемой. При построении же интегрального варианта выход­ного каскада питание реле и логических микросхем должно осуществляться одним и тем же напряжением, а ограничение максимального выходного тока каждого вентиля (15 — 30 мА) затрудняет выбор реле с надлежа­щими уровнями напряжения и мощности срабатывания. Кроме того, конструкция в этом варианте загружается достаточно большим количеством навесных элементов (R10 — R13 на рис. 3) для равномерного распределения нагрузки на каждый вентиль.

Рис. 3. Вариант построения вы­ходного каскада ключа на ло­гических микросхемах

Рис. 4. Вариант построения вы­ходного каскада ключа на тран­зисторах (срабатывание на за­мыкание реле Р1)

Рис. 5. Вариант построения выходного каскада ключа на транзисторе (срабатыва­ние на размыкание реле P1)

Применять микросхемы в выходном каскаде ключа целесообразно лишь в тех случаях, когда вся оперативная автоматика радиостанции выполнена на логических элементах с тем же напряжением питания ( + 5 В), при­чем источник питания обладает достаточной выходной мощностью. Применение транзисторных каскадов, изо­браженных на схемах рис. 4 и 5, обосновано в случаях, когда с целью сокращения количества микросхем из кон­струкции исключены монитор и вентиль D2.4. В осталь­ных случаях целесообразно построение оконечного кас­када по схеме рис. 1.

Рис. 6. Принципиальная схема ГТИ

Особый интерес представляет использование в со­ставе телеграфного ключа ГТИ, принципиальная схема которого изображена на рис. 6. Здесь с помощью рези­стора R3 одновременно регулируется частота и скваж­ность тактовых импульсов. Это позволяет при малых скоростях передачи работать с памятью положения ма­нипулятора практически во всем интервале между зна­ками сообщения, обеспечивая тем самым однозначный отклик ключа на любое кратковременное замыкание ма­нипулятора. При максимальной же скорости работы ключа память положения манипулятора в интервале между смежными знаками сообщения практически от­сутствует, что исключает отработку лишних знаков со­общения при возможных передержках манипулятора. Отметим, что в середине диапазона регулирования ско­рости память положения манипулятора, как и в схеме ключа рис. 1, охватывает половину интервала между смежными знаками сообщения.

Параметры навесных элементов и номера выводов микросхем указаны на рисунках для случая применения ИМС серий К155 или К136. В качестве вентилей D1.1 — D1.4 и D2.1 — D2.4 можно использовать К155ЛАЗ или К136ЛАЗ, а в качестве триггеров D3 и D4 — ИМС К155ТВ1 или К136ТВ1. Таким образом, схема построена на четырех интегральных микросхемах. Однако, исклю­чив из схемы монитор и изменив построение выходного каскада, можно обойтись тремя микросхемами, а при­менение ИМС, содержащих два JK-триггера в одном корпусе, например К134ТВ14, сокращает количество микросхем до двух.

Можно применять любые кремниевые или германие­вые малогабаритные диоды с малыми токами утечки, но удачнее всего с микросхемами сочетаются микроми­ниатюрные диоды КД102 или КД104 с любыми буквен­ными индексами.

Некоторые входы микросхем при построении схемы ключа остаются незадействованными. В общем случае для повышения помехоустойчивости ключа на незадей-ствованные входы следует подавать напряжение логиче­ской единицы ( + 2,5 — Ь4 В), а также шунтировать выводы питания каждой микросхемы в месте ее установ­ки конденсатором емкостью 0,1 мкФ. Однако, учитывая отсутствие в схеме рис. 1 длинных линий, разводящих мощные импульсы с крутыми фронтами, и достаточ­но большие мощности срабатывания элементов серий К155 и К136, вполне допустимо незадействованные вхо­ды оставлять неподключенными (как, например, уста­новочные входы R и 5 триггеров D3 и D4). Незадейство­ванные входы J и К триггеров можно также оставлять неподключенными, либо объединять между собой неза­действованные входы J с одним из задействованных вхо­дов J или же с выходом Q; а входы К — с выходом каж­дого триггера, тем более что конструктивно входы J большинства интегральных JK-триггеров расположены рядом с выходом Q, а входы К — с выходом Q. Это ре­шается в каждом конкретном случае в процессе состав­ления монтажной схемы. Незадействованные входы вен­тилей 2И-НЕ объединяются с рабочими. В стадии маке­тирования и наладки, однако, незадействованные выводы подключать не рекомендуется; тогда в случае выхода из строя одного из рабочих входов можно будет исполь­зовать ранее незадействованный.

Для повышения общей помехоустойчивости ключа в случаях недостаточно эффективно экранированного вы­ходного каскада передатчика или при наличии других помех в местах подключения к устройству проводников от движка потенциометра R3 и электродов манипулято­ра при необходимости следует установить развязываю­щие конденсаторы С_р емкостью 0,022 — 0,068 мкФ. Диод V4 установлен для защиты входа вентиля D1.3 от наво­док положительной полярности, что повышает помехо­устойчивость по цепям манипуляции. Конденсатор С5 не­обходим для исключения воздействия на схему ключа коммутационных помех, возникающих при работе реле PL Контакты реле Р1 в цепи манипуляции передатчика шунтированы RС-цепью для исключения их искрения, а также для электрической нейтрализации вибрации кон­тактов в момент коммутации. Это требование не являет­ся специфическим в связи с применением микросхем в конструкции ключа; его, однако, важно иметь в виду, особенно при попытках имитировать кнопкой действие ГТИ, для проверки действия логической части схемы ключа. Конденсатор С_п емкостью 0,047 — 0,068 мкФ включен на шины питания для предотвращения импульс­ных всплесков напряжения в моменты переключения элементов схемы в процессе работы ключа.