Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
Предисловие редактора перевода
За последние 30 лет произошло активное обновление технических средств цифровой электроники. Появилась интегральная схемотехника, созданы средние и большие интегральные схемы, В последнее время трудно найти какую-либо отрасль науки и техники, развитие которой не было бы связано с вопросами эффективного применения современных средств интегральной схемотехники. В связи с этим все большее число специалистов, не ра< ботающих непосредственно в области цифровой электроники, в своей научной деятельности связаны с эксплуатацией, проектированием, разработкой и производством различных логических цифровых устройств на интегральных схемах. Такое положение настоятельно требует появления литературы, позволяющей самостоятельно изучить основы цифровой электроники.
Предлагаемый перевод книги Г. Хокинса является по суще-* ству одной из первых и удачных попыток в этом направлении. В небольшом по объем\ издании автор сумел лаконично и весьма доступно изложить логические основы, сущность интегральной схемотехники и технологии печатного монтажа, а также функционального содержания широко используемых схем от вентиля до счетчиков, регистров и сумматоров. Положительной особенностью книги является то, что значительная ее часть отражает практический материал. Во всех главах приведены упражнения и эксперименты с реальными интегральными схемами； обсуждаются полеченные результаты. Заключительная глава содер^ жит вопросы реализации трех проектов. Все эксперименты и проекты, а также методика их проведения ориентированы на использование доступных интегральных схем.
Книга несомненно будет полезна специалистам, связанным с разработкой и применением различных схем цифровой электроники во всех областях современной науки и техники, а также учащимся старших классов средней школы.
匚 Н. Соловьев
Для последних лет характерен бурный рост числа применений цифровой электронной техники во всех областях нашей жизни. Возможно, в скором времени промышленные роботы смогут управлять целыми заводами. Контроль операций обработки, поиска и хранения информации часто уже сейчас более эффективно осуществляется цифровыми устройствами, а не человеком. Цифровое управление постепенно входит в состав оборудования автомобилей и других видов транспорта. С появлением электронных калькуляторов логарифмическая линейка превратилась в музейную редкость. Мини-компьютеры разных типов стали применяться В обучении и в быту. Сегодня в тысячах квартир можно увидеть цифровые настольные и телевизионные игры, а многие бытовые приборы выпускаются программируемыми (некоторые даже с памятью). Почти каждая традиционная область электроники стала объектом для поиска возможности применения в ней цифровой техники.
В недалеком будущем, возможно, цифровые схемы получат такое же распространение, как электронные лампы тридцать лет назад. Для того чтобы использовать их с максимальной эффективностью, необходимо иметь представление о том, как они работают. По всей видимости, обучение цифровой технике будет для будущего поколения так же важно, как обучение арифметике для нынешнего, с той, однако, существенной разницей, что появляющуюся новую технику человеку придется изучать в течение всей трудовой деятельности.
Эта книга, представляющая введение в цифровую электронику, была задумана как начальный курс для неспециалистов, имеющих желание научиться основам цифровой техники. Для понимания материала книги не требуется знания цифровой или иной электроники.
Практические навыки работы с аппаратурой, которые читатель получит после выполнения упражнений в гл. 5——10, пригодятся как любителю, так и специалисту в области техники. В этих упражнениях，сначала приводятся примеры конструирования реально функционирующих моделей цифровых устройств, описанных в книге, после чего показывается, как тестировать эти модели, определять их характеристики и доводить до работоспособного состояния. Все упражнения были разработаны с той целью, чтобы обеспечить практическую демонстрацию изучаемых принципов. Последний пример в гл. 10 иллюстрирует ряд принципов цифровой техники, применяемых при разработке больших систем.
При проверке и доработке упражнений были учтены замечания, высказанные студентами в ходе обсуждений. Однако перед тем, как приступить к вьь полнению упражнений, следует хорошо усвоить вводный материал предшествующих глав, содержащих краткое рассмотрение теоретических вопросов. Математический аппарат в книге был предельно упрощен и использовался только в тех случаях, когда необходимо было предоставить обоснование для выбора структуры электрической схемы.
Используемые в упражнениях интегральные схемы ТТЛ, резисторы и другие компоненты легко доступны, недороги и могут быть приобретены по почте либо куплены почти во всех магазинах электронных това^ ров.
Ниже перечислены студенты Vмоего〉 класса цифровой электроники, помощь которых в проверке и переработке упражнений трудно переоценить. Без таких преданных делу студентов работа над этой книгой вряд ли могла быть завершена.
Роберт Сэлеми Джо Стоун Мэт Тейер Крис Вуд Эд За汇 Джо ЗуберРоберт Сэлеми Джо Стоун Мэт Тейер Крис Вуд Эд За汇 Джо ЗуберФил Бикелхопт Уэйн Дюпре Майкл Миллер Барри О'Мелли Марк Пальмезано Джон Робинсон
Роберт Сэлеми Джо Стоун Мэт Тейер Крис Вуд Эд За汇 Джо Зубер
Роберт Сэлеми Джо Стоун Мэт Тейер Крис Вуд Эд За汇 Джо Зубер
Автор посвящает книгу своей жене Джерри и своим детям Баллу, Эду, Дону и Тому.
Глава 1
ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ
Системы счисления
Наиболее привычной нам системой счисления является десятичная, т. е. имеющая основание 10. Это лишь одна из многих систем, которая получила свое распространение, вероятно, по той причине, что у человека на руках 10 пальцев. Системы счисления с основаниями, отличными от 10, на протяжении многих лет используются учеными, но сфера их применения ограничена специальными разделами математики.
Последние достижения техники заставили обратиться к другим системам счисления. Электронные вычислительные машины, к примеру, потребовали разработки систем, удобных для описания происходящих в них электронных процессов. Оказалось, что для этой цели лучше всего подходят двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы с основаниями соответственно 2, 8, 16. Двоичная система играет роль основного языка вычислительной машины. Две другие применяются для общения человека с вычислительной машиной и для хранения в ней информации.
Поскольку вычислительная машина может работать только с двоичными числами или с числами, выраженными в других системах типа восьмеричной или шестнадцатеричной, десятичные числа перед их поступлением в вычислительную машину должны быть преобразованы к представлению в одной из этих систем. После того как вычислительная машина закончит операции над введенной в нее информацией, результат может быть напечатан или выведен на экран дисплея в системе счисления, отличной от десятичной. Чтобы представить этот результат в более привычной нам форме, его необходимо про образовать обратно к десятичному виду,
В этом разделе кратко описаны десятичная, двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы, показано, как преобразовывать числа из одной системы счисления в другую, приведены примеры использования систем счисления в цифровых устройствах.
Десятичная система
В десятичной системе имеется 10 цифр (0—9), представляющих 10 различных состояний, поэтому говорят, что ее основание равно 10. Здесь числа больше 9 выражаются с использованием степеней числа 10. Например, само число 10 можно представить как 10 X 1, число 100 — как 10 X 10 и т. д. Числа, выражающие степени числа 10, записываются обычно с показателем степени. Так, число 10, записывается как 101, 100 записывается как 102, 1000 — как 103. Показатель степени показывает, сколько раз число 10 умножается само на себя. Любое десятичное число можно записать в виде суммы произведений десятичных цифр на степени числа 10. Например, число 6973 можно представить в виде следующей суммы: 6000(6 X 103)+ 900(9 X 102)+ 70(7 X X 10】)+3 (3 X 10°). Нулевая степень любого числа равна 1.
Запись чисел с помощью степеней числа 10 часто используют для компактного представления очень больших и очень малых чисел. Например, число 125.000.000.000 можно записать в виде 1,25 X Ю11. Обратите внимание на величину показателя степени. Для любого записанного этим способом числа, большего 1, степень числа 10 показывает, на сколько разрядов вправо необходимо сместить десятичную запятую для получения записи числа в привычном нам виде. При записи чисел, меньших единицы, показатели степени будут отрицательными. Так, число 0,000 003 56 можно представить с использованием степени 10 в виде 3,56 X 1°т или 35,6 X 10~7. Для чисел, меньших 1, степень числа 10 показывает, на какое число разрядов влево необходимо сместить десятичную запятую, чтобы получить традиционную запись числа. В табл, 1.1 приведено несколько
Таблица 1.1. Десятичные числа, представленныес помощью сюпеней числа 10
1 =1 乂 10°
10 = 1 х 101
100 =1 乂 W2
WOO = 1 X ю3
WOOD =1 x 廿
WO ООО =1 x W51 000 ОСЮ =1 * №
0,1 =1 х W1
ОДИ = 1 x 1 产
Dg х w3
0,0001 工1 x W~4
0,00001 = 1 x IQ-3
0,000001 =1 X 1O~®
654 = &54 x T”
8,50 = 850 x W~23J41659 m 3,141,659x10-8
примеров записи чисел с помощью степеней чис^ ла 10.
В повседневной жизни, где все вычисления производятся в десятичной системе, указывать явно основание системы счисления нет необходимости. По-иному обстоит дело в цифровой электронике, где могут потребоваться и другие системы счисления. Чтобы отличить одну из них от другой, в записи числа договорились указывать основание системы счисления. Например, 55ц)обозначает число 55 в десятичной системе счисления, а 112 ——число 3 в двоичной.
Двоичная система
Основанием двоичной системы является число 2. Это значит, что в двоичной системе используются только две цифры, 0 и 1, которых достаточно для представления любого числа.
В качестве примера рассмотрим двоичное число 1ЮОЮ2. Единицы и нули в двоичном числе называют разрядами или битами, а положение каждого бита в числе определяет величину показателя степени основания 2. Старший значащий разряд (СЗР) находится в числе слева, а младший значащий разряд
Рис. 1 1. Преобразование двоичных чисел в десятичные.Рис. 1 1. Преобразование двоичных чисел в десятичные.21 245ОстатокPI 122121 61Е 021 302| 15一07121 31101弘5疗= 1111010121 245ОстатокPI 122121 61Е 021 302| 15一07121 31101弘5疗= 11110101卜Завись в обратной порядке'卜Завись в обратной порядке'
Рис. 1 1. Преобразование двоичных чисел в десятичные.
Рис. 1 1. Преобразование двоичных чисел в десятичные.
21 245
Остаток
PI 122
1
21 61
Е 0
21 30
2| 15
一0
7
1
21 3
1
1
0
1
弘5疗
= 11110101
21 245
Остаток
PI 122
1
21 61
Е 0
21 30
2| 15
一0
7
1
21 3
1
1
0
1
弘5疗
= 11110101
卜
Завись в обратной порядке'
卜
Завись в обратной порядке'
Рис. 12 Способ преобразования числа 24510 к его двоичному эквиваленту.
(МЗР) — справа. На рис. 1.1 показано преобразование двоичного числа 1IOOIO2 в десятичное 50ю. Напомним, что при переводе числа из одной позиционной системы счисления в другую вклад каждой цифры исходного числа в образование суммы эквивалента определяется не только значением этой цифры, но и ее положением в числе. Так, если в рассматриваемом числе отбросить крайний правый
1!уль( Получится чйсло 110012. Проведем преобразован^ Как показано на рис. 1.1. Десятичный эквивалент 25 составит ровно половину полученного нами в первый раз числа.
Рис, 1.2 иллюстрирует преобразование десятичного числа в двоичное. Его суть состоит в том, что десятичное число последовательно делят на 2 до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Получающаяся при этом последовательность остат^ ков из нулей и единиц, протатанная при движении снизу вверх, представляет собой двоичный эквивалент десятичного числа. Двоично-десятичное пре* образование заключается в непосредственном представлении каждой единицы двоичного числа ее десятичным эквивалентом. Для получения результата полученные десятичные эквиваленты нужно просуммировать. Это преобразование поясняет рис. 1.1.
Целесообразность применения двоичной системы в цифровой электронике объясняется тем, что два возможных состояния электрической схемы (включено и выключено) можно представить с помощью всего двух цифр 1 и 0. На первый взгляд может показаться неудобным использовать систему счисле* ния, в которой двузначное, к примеру, десятичное число записывается шестью двоичными разрядами. На самом деле преимущества двоичной системы с избытком компенсируют ее недостатки. В тех же случаях, когда существуют ограничения на объем памяти для хранения информации, можно использовать две другие системы счисления — восьмеричную и шестнадцатеричную.
Восьмеричная система
Как видно из названия, восьмеричная система счисления имеет основание 8—для записи чисел в ней используется восемь цифр 0——7. Между восьмеричными и двоичными числами существует полезное соотношение. Максимальное трехразрядное двоичное число равно 7. Иными словами, десятичным эквивалентом двоичного числа 1112 является 7ю- Таким образом, преобразование двоичного числа в восьме-
ричное выполняется очень просто: сначала нужно сгруппировать разряды двоичного числа в группы по три, начиная справа, а затем каждую группу заменить восьмеричной цифрой (рис. 1.3). Простейший
Двоичное
восьмерична
вос&меричное
5
Двоичное
俞市而
13『5
3
276g м
0101111102
Двоичное
ноюр
Вос&меричиое
5 4 3 5
восьмеричное
w
Двоичное
俞俞而str
110Ю02 =
6%
5433& 二
ЮПОООЦОНд
做〃毋侬
ЩЦООЦОООГ
Восшеричное
2 0 0(
Во^Меричное
7 0 6 1
Двоичное
шобообообоТ
ft1000H000l2 = 706fs
2001产
oiooooooooof2
Рис. 1.3. Преобразование двоичных чисел в восьмеричные и обратно.
способ преобразования из восьмеричной системы в десятичную и наоборот состоит в том, что сначала число преобразуется в двоичный эквивалент. Преобразование числа 143210 驳 восьмеричному виду показано на рис. 1.4
Определение двоичного эквивалента числа 1432ю с помощью метода последовательного деления
21 ^2 Остаток21 ^2 Остаток2扌 71621 35621 1792扌 71621 35621 179222222[89呈[89呈Записывая остатки снизу вверх, получаем 1432ю= 10110011000.Записывая остатки снизу вверх, получаем 1432ю= 10110011000.
21 ^2 Остаток
21 ^2 Остаток
2扌 716
21 356
21 179
2扌 716
21 356
21 179
2
2
2
2
2
2
[89
呈
[89
呈
Записывая остатки снизу вверх, получаем 1432ю= 10110011000.
Записывая остатки снизу вверх, получаем 1432ю= 10110011000.
J ОJ О2L 212 2Щ_
J О
J О
Разбиваем двоичное число на группы по три разряда, начиная справа. Преобразуем каждую тройку в цифру 0——7. В результате получим восьмеричный эквивалент числа 14321о・
JOHOO1IO0O
2'WO 14321О-263Оа
Рис. 1.4. Преобразование числа 143210 к восьмеричному виду.
В связи с тем что в восьмеричных числах нет других, не встречающихся в десятичных числах цифр, с ними удобно производить вычисленья, поэтому они находят широкое применение в программировании. Восьмеричное число содержит меньше символов, чем его двоичный эквивалент, а преобразование восьмеричных чисел в двоичные и наоборот выполняется достаточно просто.
Шестнадцатеричная система
Назначением шестнадцатеричной системы является се применение в программировании. «Байты» или 《слова» информации, с которыми оперирует вычислительная машина, обычно состоят из 3, 16, 32 или более разрядов. Программы для вычислительной машины должны быть как можно короче и понятнее. Предположим, программист хочет задать машине команду длиной 8 разрядов. Если он воспользуется двоичной системой, ему нужно будет указать значение каждого из 8 разрядов команды. Если он отдасхшредпочтсние восьмеричной системе, ему понадобится определить 3 разряда. Если же он воспользуется шестнадцатеричной системой, ему достаточно будет задать всего 2 символа. По всей видимости, программист остановит свой выбор на шестнадцатеричной системе, в которой числа записываются короче.
Основанием шее гнадцатеричпой системы служит число 16. Она включает в свой состав 16 символов О ——9 и А ——F. Использование букв для обозначения цифр связано с тем, что если роль шестнадцатеричных цифр будут играть двузначные числа 10—15, то шестнадцатеричная система не будет иметь преимуществ перед восьмеричной. Из анализа рис. 1.5, показывающего преобразование шестнадцатеричного числа С2716 к двоичному, восьмеричному и десятичному виду, становится очевидным удобство шестнадцатеричной системы для программирования. На рис. 1.6 приведены восьмеричные, двоичные и шестнадцатеричные эквиваленты чисел 1ю—1510.
Хорошее знание двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной систем счисления является обязательным для каждого, кто решил серьезно заняться изуче-
Каждый символ шестнадцатеричного числа может быть представлен с помощью четырех двоичных разрядов. Для преобразования числа C27i6 запишем четырехразрядный эквивалент каждой цифры： (напомним, что С представляет собой двенадцатую цифру в шестнадцатеричной системе):
С 27
110000100111
В результате получим двоичный эквивалент числа C27i6： C27i6= HOOOOlOOHh
Разобьем число на группы по три и преобразуем его к восьмеричному виду；
ПО000100111
6047
Получим, что С2716 = 6047s.
Преобразуем число HOOOOIOOHI2 к десятичному виду,как показано иа рис. 1.1:
11ОООО1ОО1112 = 31111о
В результате получим, что
С2716=И 00001001112 = 60478 = 3111ю
Рис. 1.5. Преобразование числа С2716 к восьмеричному виду.
Uecamuwoe
Двоичное
Восьмеричное Шестнадцатеричж
0000
0
0
0001
1
1
0010
2
ООН
3
0100
А
0101
5
0110
6
0111
7
1000
10
3
1001
11
9
10
1010
12
А
11
1011
15
В
12
1100
14
С
13
1101
15
D
14
1110
16
Е
15
1111
17
F
)ис. 1.6. Числа в четырех наиболее распространенных системах счисления.
нием цифровой техники. Выше было приведено лишь краткое введение в системы счисления ——на самом деле их изучение не исчерпывается рассмотрением способов преобразования. Тем не менее представленного в этой книге материала достаточно для усвоения основ цифровой электроники. Более глубокое понимание предмета предполагает знание арифметических операций, связанных с упомянутыми выше системами счисления. В конце книги приведен список литературы, содержащий несколько прекрасных учебников для желающих более детально разобраться в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления.
Коды
Систематические способы представления информации получили название кодов. Простейшими из кодов, представляющих собой, по всей видимости, самую старую форму общения, пользуются даже животные. В человеческом обществе коды появились в результате поиска способов передачи информации между людьми, разделенными физическими и социальными барьерами, такими как расстояние и язык. Например, проблема приема и передачи сообщений между отдаленными пунктами, закодированных в двоичном виде, в гелиографе разрешалась благодаря использованию зеркал и ламп, а с появлением телеграфа двоично-кодированные электрические сигналы стали передаваться по проводам. С развитием техники возникла необходимость в разработке кодов для общения с машинами. Критерии для этих кодов остались неизменными: коды должны быть систематическими и понятными как машине, так н оператору, В этом разделе рассматриваются коды, используемые в устройствах, предназначенных для организации связи с вычислительной машиной. Дело в том, что работа оператора значительно упрощается, если он может обращаться к вычислительной машине на понятном ей языке. Чтобы сделать возможным такой способ связи, были разработаны специальные устройства типа телетайпа. Эти устройства, называемые периферийными, предназначены для перевода языка
программиста в коды, с которыми может работать вычислительная машина. Наиболее распространенным из них является двоично-кодироваиный десятичный код (в дальнейшем будет использоваться применяемый в отечественной терминологии термин — двоично-десятичный код). Коды Бодо и ASCII представляют два других распространенных кода, которые обладают более широкими по сравнению с двоично-десятичным кодом возможностями. Являясь логическим развитием телеграфного кода, они хорошо подходят для работы в клавишных устройствах, таких как телетайп.
Двоично-десятичный код
Двоично-десятичный код представляет собой простой код, который предназначен для преобразования десятичных чисел (чаще всего это числа 0——9) в четырехразрядные двоичные слова. Например, двоич-
Таблица 工». Двоично-десятичные эквиваленты десятичных чисел
Десятичные
Двоична ~ десятцч-
числа
ныв иисла
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 10
0 0 11
0 10 0
0 10 1
0 110
0 111
10 0 0
10 0 1
10 10
10 11
110 0
110 1
1110
1111
но-десятичным эквивалентом числа 5^ является 0101. Число 910 представляется как 1001, а число 7ю — как 0111. В табл. 1.2 приведены преобразования из десятичного в двоично-десятичный код для десятичных чисел до числа 15ю; являющегося
максимальным из чисел, которые могут быть выражены четырьмя двоичными разрядами.
Калькуляторы дают примеры практического применения двоично-десятичного кода. Если нажать любую числовую клавишу, то во внутренние цифровые схемы калькулятора будет послан двоично-десятичный код числа, обозначенного на клавише. Например, при нажатии клавиши числа 4 в калькулятор поступит код 0100. После завершения выбранной вычислительной операции ее результат должен быть преобразован в калькуляторе из двоично-десятичного представления в десятичное для того, чтобы его можно было отобразить на экране индикатора.
Код Бодо
Код Бодо был разработан для передачи сигналов при работе с телетайпами. Оказалось, что двоичнодесятичный код не подходит для этой цели по той причине, что с его помощью можно представить только 16 символов, в то время как количество клавиш в этих устройствах, как правило, намного больше. Код был разработан на основе уже существующих телеграфных кодов и явился их естественным преемником. Типичная клавиатура телетайпа с кодом Бодо для каждой клавиши показана на рис. 1.7. Используя этот код, с помощью 5 разрядов можно представить 32 различные функции клавиатуры.
При вводе информации, набираемой на клавиатуре телетайпа, устройство автоматически кодирует каждую строку символов в последовательность 5-разрядных кодов. Приемное устройство преобразует поток данных в коде Бодо обратно к тому виду, в котором он был введен. 5-разрядные слова отделяются друг от друга специальными импульсами, которые условно показаны на рис. 1.7 с помощью интервалов между изображением клавиатуры и разрядами кодов ниже и справа от нее. Таким образом, при передаче каждого слова после пробела следует 5 разрядов кода Бодо, представляющих функцию нажатой клавиши. Заканчивается слово «импульсом конца》， который немного превышает 《импульс начала» по длительности. Код Бодо называют также
Рис 1 7 Код Бою
Пя〔ь символов Koo,d получаются стыкованием (соединением) двух разрядоз справа и трех разрядов сн^зу Нанрнмер, С = OHIO. Управляющие команд^!： SJ — проосл, CR —возврат карегки, LF — переход к новой строке, SRS — ре- 1к」тр цифр; FIGS —pet и<тр цифр. Bl FS—разряды: BELL —звонок
5-уровневым кодом но той причине, чго каждый символ передаваемой информации содержит 5 двоичных разрядов.
Код ASCH
Название кода ASCII является акронином Аме^ риканского стандартного кода для обмена информ мацией (American Standard Code for Information Interchange). Он появился позже кода Бодо и име-* ет ряд важных преимуществ по сравнению с по следним. С помощью кода Бодо могут быть представлены только 32 функции или символа, которые к тому же расположены в произвольном порядке. Эти два ограничения кода Бодо делают одни операции вычислительной машины трудновыполнимыми, а другие — вообще невозможными. Применение кода ASCII позволяет в значительной степени решить эти проблемы.
Клавиатура ASCII и полный список кодов показаны на рис. 1.8. Аналогично коду Бодо код ASCII
Controls
Charset»»*
NUL %
DLE叱
SP
0
@
p
P
0
0
0
0
SOH +
DC1 »i
1
A
Q
a
q
1
STX h
DC2 °)
2
В
R
b
r
0
1
ETX G
DC3 °i
/
3
C
S
c
s
EOT什
DC4 %
$
4
D
T
d
t
0
0
1
ENQ电
NAK %
%
5
E
и
e
u
1
ACK ”
SYN收
&
6
F
V
f
V
0 i
1
BEL九
ETB Q
7
G
w
g
w
BS
CAN 4
(
8
H
X
h
X
0
0
1
HT >
EM %
}
9
I
Y
У
NL 三
SUB $•
•
J
z
J
z
0
1
1
VT *»
ESC (c
К
I
k
{
FF »r
FS *s
<
L
I
0
1
0
1
CR W
GS 4
M
m
}
SO %
RS "s
>
N
-
n
2 1
1
SI г
US <4
/
О
—
о
OEL/
1
2
3
4
0
1
0
0
1
0
1
5
BITS
0
1
0
1
6
0
1
7
Рис. 1.8. 7-разрядные символы кода ASCII.
Четыре левых бита расположены в таблице справа, а трц правых — внизу. Например, D = 0010001 (с любезного согласия Teletype Corp.).
Управляющие команды: NUL —пусто； SOH — начало заголовка; STX — начало текста； ЕТХ —конец текста; EOT — конец передачи; EN0 — запрос； АСК — подтверждение; BELL —звонок; BS —возврат на шаг; НТ—-горизонтальная табуляция; NL — новая строка; VT — вертикальная табуляция; FP ■— перевал формата： CR — возврат каретки; SO —выход； SI — вход; DLE —авторегисгр 1； DC1 — управление устройством 1; DC2 — управление устройством 2; DC3 — управление устройством 3； DC4 — управление устройством 4; NAK ——отрицание; SYN —синхронизация； ЕТВ —конец блока; CAN — аннулирование; ЕМ — конец носителя; SUB — замена; ESC — авторегистр 2; FS — разделитель файлов； GS — разделитель групп; RS — разделитель записей; US — разделитель устройств; DEL — задержка; BITS — разряды.
хорошо приспособлен для работы с телетайпами и в то же время обладает достаточно широкими возможностями для организации связи клавиатуры с вычислительной машиной.
На рис. 1.8 показано, каким образом 4 разряда справа и 3 разряда внизу кодируют каждый символ
или функцию клавиатуры. Поскольку в коде ASCII для представления каждого символа используется 7 разрядов, его также называют 7-уровневым кодом. Иногда к 7-разрядному коду добавляют восьмой разряд, носящий название контрольного. Его устанавливают в единичное или нулевое состояние с тем расчетом, чтобы число «включенных» или единичных позиций в 8-разрядном слове было соответственно четным или нечетным. Контрольный разряд используется для выявления ошибок в переданном сообщении. Если вычислительной машине, принимающей закодированное в коде ASCII сообщение, будет дано указание принимать слова только с четным числом единиц, слово с нечетным числом единиц в машину не попадет и оператор будет уведомлен о том, что в передаче данных произошла ошибка.
Типичное закодированное в коде ASCII слово показано на рис. 1.9. Обратите внимание, что для обо-
Рис. 1.9. Типичный способ передачи семиразрядного кода ASCII с помощью 11 тактов (один такт используется для бита контроля четности).Рис. 1.9. Типичный способ передачи семиразрядного кода ASCII с помощью 11 тактов (один такт используется для бита контроля четности).二 11 OSSX二 11 OSSX
Рис. 1.9. Типичный способ передачи семиразрядного кода ASCII с помощью 11 тактов (один такт используется для бита контроля четности).
Рис. 1.9. Типичный способ передачи семиразрядного кода ASCII с помощью 11 тактов (один такт используется для бита контроля четности).
二 1
1 OSSX
二 1
1 OSSX
значения начала передается импульс единичной длительности, а для обозначения конца ——двойной. Для передачи собственно кода ASCII, который в данном случае представляет символ клавиатуры 《U》, служат 7 импульсов, расположенных между импульсами начала и конца. При использовании контроля на нечетность на месте восьмого импульса должен находиться сигнал высокого уровня.
В современных вычислительных машинах код ASCII используется для связи с внешним миром, причем оператор может печатать сообщение в привычной ему форме, а схемы пульта переведут его для вычислительной машины в код ASCII. Сообщения, поступающие из вычислительной машины, переводятся обратно из кода ASCII на язык, понятный оператору.
Существуют и другие коды, такие как код EBCDIC, использующийся главным образом в больших вычислительных машинах, код Холлерита, применяемый для записи информации на перфокартах^ но при рассмотрении элементарных цифровых опера“ ций знание этих кодов не требуется,
Глава 2
ОСНОВНЫЕ ЧИСЛОВЫЕ ОПЕРАЦИИ
В этой главе рассматриваются основные цифровые операции и электронные схемы, предназначенные для реализации этих операций. Цифровая электроника представляет собой «логическую》науку. Логика, если говорить в общем, является наукой о формальных принципах рассуждений. Цифровую логику поэтому можно рассматривать как науку рассуждений с числами——она имеет дело с утверждениями типа «если—■ то》в самом буквальном смысле слова. Если имеется в наличии определенный набор обстоятельств, то происходит определенное действие. Для данного набора обстоятельств результат всегда будет один и тот же.
Такая предсказуемость цифровой логики значительно упрощает цифровую электронику. Почти все цифровые функции могут быть реализованы с помощью специальных схем, называемых вентилями. Если сложность логической операции не позволяет обеспечить ее выполнение на одном вентиле, она всегда может быть реализована с помощью комбинации вентилей. Такие логические схемы называются схемами комбинационной логики,
В этой главе дается объяснение основным логическим функциям: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-HE и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Наряду с ними рассматрн* ваются функции инверсии, комбинационные и триг" герные схемы. После чтения этой главы следует приступить к выполнению упражнений в гл. 5, которые помогут закрепить пройденный материал.
Функции И и И-НЕ
Двумя основными логическими функциями являются функции И и И-НЕ* Эти функции связаны между собой таким образом, что одна представляет
собой инверсию другой. Это означает, что они противоположны по своей функции. Электронные схемы, позволяющие реализовать цифровые функции и применяемые в различных устройствах управления, называются вентилями. Использование этого термина объясняется тем, чго эти схемы могут задерживать или пропускать цифровую информацию по принципу обычного вентиля, предназначенного для управления потоком жидкости.
В целях большей ясности иллюстрации принципов работы схем во всех примерах этой книги используется только положительная логика, в которой для обозначения состояния 《истина》 (включено) применяют высокий уровень сигнала, единицу (1) или положительное напряжение. Состояние «ложь» (выключено) представляется с помощью сигнала низкого уровня, нуля (0) или отсутствия положительного напряжения. (В цифровой электронике применяется также и отрицательная логика, которая иногда трактуется как противоположная положительной, поскольку положительное состояние (+) представляется в ней низким уровнем сигнала, а отрицательное (——) —высоким. Более точно можно сказать, что в отрицательной логике низкий уровень (0) означает истинное, или включенное, состояние, а высокий ——ложное, или выключенное.)
Вентиль И
В цифровой логике вентиль И выполняет функ* цию, обеспечивающую высокий (+) уровень выходного сигнала только в том случае, когда на всех входах присутствуют сигналы высокого уровня (+). Символ, применяемый для обозначения вентиля И, представлен на рис. 2.1. Хотя изображенный на рисунке вентиль имеет два входа, А и В1, в общем случае у вентиля может быть до восьми входов.
Принцип действия вентиля И проиллюстрирован на рис. 2.2, где изображена простая схема, состоящая из лампы (С), двух ключей (А и В) и батареи. Ключи в данном случае играют роль входов, лампа — выхода. Работа схемы основана на том принципе, что
假留6〃
♦ С (Выход}
Рис. 2,1. Логическое обозначение двухвходового вентиля И Внутри контура изооражения символа обычно записывают выполняем^ из вентилем логическую функцию, в данном случае И.
Рис. 2 2. Реализация функции логического 1-1 с помощью электрической схемы.Рис. 2 2. Реализация функции логического 1-1 с помощью электрической схемы.
Рис. 2 2. Реализация функции логического 1-1 с помощью электрической схемы.
Рис. 2 2. Реализация функции логического 1-1 с помощью электрической схемы.
состояние выхода однозначно определяется состояниями ключей. Для каждого входа возможны лишь два состояния — включено или выключено. Первое принимается за 1 (высокий уровень), второе ——за О (низкий уровень).
В таблице истинности на рпс. 2.3 показаны все возможные входные условия или логические состояния схемы. Логику каждого состояния можно пояснить следующим образом.
Состояние 1. Оба ключа А и В «разомкнутые (в состоянии логического нуля). По разомкнутой цепи юк течь не может, поэтому лампа выключена (в нулевом состоянии).
Состояния 2——3. В состояниях 2 и 3 один ключ замкнут (1), а другой разомкнут (0). Цепь не
замкнута, и лампа в обоих случаях находится в выключенном (нулевом) состоянии.
Состояние 4. В данном случае оба ключа «замкнуты» (в состоянии высокого уровня). Цепь замкнута и лампа С (выход) находится во включенном состоянии.
Состоя^ ниеВходыВыходСАв〔002130[4111Состоя^ ниеВходыВыходСАв〔002130[4111Рис. 2.3. Таблица истинно； сти вентиля И, на которой показаны все возможные входные н соответствующие им выходные состояния.Рис. 2.3. Таблица истинно； сти вентиля И, на которой показаны все возможные входные н соответствующие им выходные состояния.
Состоя^ ние
Входы
Выход
С
А
в
〔
0
0
2
1
3
0
[
4
1
1
1
Состоя^ ние
Входы
Выход
С
А
в
〔
0
0
2
1
3
0
[
4
1
1
1
Рис. 2.3. Таблица истинно； сти вентиля И, на которой показаны все возможные входные н соответствующие им выходные состояния.
Рис. 2.3. Таблица истинно； сти вентиля И, на которой показаны все возможные входные н соответствующие им выходные состояния.
Как можно заметить из вышеизложенного, выход вентиля И будет равен 1 только тогда, когда оба входа (или все входы, если их больше двух) имеют высокий уровень сигнала (十).Эту связь между выходом и входом обычно записывают следующим образом:
А ・ В = С или АВ = С、
Точка, расположенная между буквами А и В, служит для обозначения функции И. Этот тип отношения представляет собой математическую формулу из области булевой алгебры——специального раздела математики, на котором основана цифровая логика. В конце книги приведен список литературы, содержащий отличные пособия по булевой алгебре, к которым следует обратиться для более детального ознакомления с предметом. Хотя для понимания основ цифровой электроники знание булевой алгебры не обязательно, при более глубоком изучении предмета без нее не обойтись.
В'ыражение АВ‘ = С обычно произносится следующим образом: 《если А равняется 1 И В равняется 1, то С будет равняться 1》или 《А И В равно С》・
В качестве примера применения вентиля И на практике рассмотрим рис. 2.4, на котором изображен вентиль, ко входам которого подсоединены датчики. Датчик температуры обеспечивает переключение в
Рис. 2 4. Логическая схема принятия решения на основе логической функции И исходя из показаний датчиков температуры и влажности.
70 * F—十(1); 69 ° F = (0); Нет дождя — + (1); Дождь —(0).
диапазоне температур 69—70° F — если температура больше или равна 70° F, па вход А поступает сигнал высокого уровня (1). На вход В сигнал высокого уровня (1) будет поступать в том случае, если датчик дождя показывает 《сухо》 (нет дождя). С помощью этой схемы на основе анализа состояния сигнала в точке С (《включено》или «выключено») можно принять решение о целесообразности купания. Если температура больше или равна 70° F и нет дождя, то свет горит и можно заключить, что погода благоприятствует купанию. Выключенное состояние лампы будет означать, что условия для купания не подходящие и нужно заняться чем-нибудь другим.
Рассмотренный пример позволяет сделать следующий вывод. Любое логическое заключение, требующее одновременного наличия ряда условий для принятия решения, может быть реализовано электрическим
способом с помощью вентилей И. Хотя в этом примере можно обойтись и без применения вентилей, он приведен здесь для наглядности демонстрации принципа. Следует также отметить, что в реальных схемах вместо ручных тумблеров, показанных на рис. 2.2, используются транзисторные ключи.
Вентиль И-НЕ
Вентиль И-НЕ применяется чаще вентиля И и представляет функцию, инверсную функции вентиля И. Это означает, что они имеют противоположные логические состояния.
Вентили И-НЕ, как правило, дешевле, так как их электронная структура проще, и легче в употреблении, чем вентили И. Ниже в этой главе будет показано, как сделать схему И из вентилей И-НЕ.
ВходВыходАВс (И)С(И-НЕ)000010110011f10ВходВыходАВс (И)С(И-НЕ)000010110011f10Рис. 2,5. Таблицы истинности логических функций И и И-НЕ.Рис. 2,5. Таблицы истинности логических функций И и И-НЕ.
Вход
Выход
А
В
с (И)
С(И-НЕ)
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
f
1
0
Вход
Выход
А
В
с (И)
С(И-НЕ)
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
f
1
0
Рис. 2,5. Таблицы истинности логических функций И и И-НЕ.
Рис. 2,5. Таблицы истинности логических функций И и И-НЕ.
Таблицы истинности для вентилей И и И-НЕ представлены на рис. 2.5 Буквы《НЕ》после И означают «НЕ» И.
В логическом обозначении вентиля И-НЕ для указания инверсии или функции НЕ используется черта сверху. Например,
А • В = С
служит выражением для функции И-НЕ, представленной па рис. 2.5. Произносится это так： А И В равняется НЕ С,
Выходной сигнал вентиля И-НЕ имеет высокий уровень для любых комбинаций входных сигналов, за исключением той, при которой на всех входах находятся сигналы высокого уровня. В последнем случае выходной сигнал вентиля И-НЕ будет иметь низкий
уровень. Рассмотренная на рис. 2.4 схема, помогающая принять решение о целесообразности купания, может быть реализована также с помощью вентиля И-НЕ. В ней выключенное состояние лампы будет указывать на то, что условия для купания подходящие. Включенное состояние лампы будет обозначать такую ситуацию, когда одно из условий не выполняется и необходимо выбрать другое занятие.
Для обозначения вентиля И-НЕ к точке выхода символа, применяемого при обозначении вентиля И* пририсовывается маленький кружок, как показано на
Рис, 2.6. Обозначение вентиля И-НЕ,
рис. 2.6. Он означает, что ожидаемый выходной сигнал вентиля И будет инвертироваться. Этот символ также используется в обозначениях других вентилей и логических устройств. Его появление на входе схе^ мы означает, что логическое состояние входного сигнала должно быть проинвертировано (или будет про- инвертировано в устройстве).
Как уже указывалось ранее, вентиль И-НЕ является наиболее распространенным из вентилей. Удобство применения этого вентиля определяется тем обстоятельством, что на его основе можно реализовать любые логические функции, в том числе и функцию И. Ниже в этой главе использование вентиля И-НЕ будет рассмотрено более подробно.
Функция ИЛИ и ИЛИ-НЕ
Функция, выполняемая вентилем ИЛИ, играет в цифровой технике не менее важную роль, чем функ・ ция вентиля И. Вентили ИЛИ и ИЛИ-HE, противен положные по своей логике, реализуют функции, в
которых результирующее действие происходит при наличии хотя бы одного, причем любого из условий. Рассмотренные вентили наряду с вентилями других типов находят применение в схемах управляющей ло* гики.
Вентиль ИЛИ
Вентиль ИЛИ реализует функцию, которая обеспечивает высокий уровень выходного сигнала в том случае, когда сигнал хотя бы на одном из входов имеет высокий уровень. Общепринятое обозначение для вентиля ИЛИ показано на рис, 2.7. Хотя на рисунке вентиль имеет два входа, обозначенные А и В, часто у вентилей бывает большее число входов.
Рис 2 8. Электрическая схема, иллюстрирующая логическую функцию ИЛИ.
Реализация функции ИЛИ с помощью электрической схемы показана на рис. 2.8. Ключи представляют собой входы А и В, а лампа С — выход. Все возможные комбинации логических состояний входов и выхода приведены на рис. 2.9. Как видно из таблицы
Рис. 2.9. Таблица истинности функции логического ИЛИ.Рис. 2.9. Таблица истинности функции логического ИЛИ.Состоя^ ниеВходыВыход САВ[00[201031004110 IСостоя^ ниеВходыВыход САВ[00[201031004110 I
Рис. 2.9. Таблица истинности функции логического ИЛИ.
Рис. 2.9. Таблица истинности функции логического ИЛИ.
Состоя^ ние
Входы
Выход С
А
В
[
0
0
[
2
0
1
0
3
1
0
0
4
1
1
0 I
Состоя^ ние
Входы
Выход С
А
В
[
0
0
[
2
0
1
0
3
1
0
0
4
1
1
0 I
истинности, появление онгнала высокого уровня (логической 1) в точке С происходит при замыкании любого из входных ключей. Иначе говоря, лампа загорится, если замкнуть хотя бы один ключ.
Таблицу истинности для этой схемы можно пояснить следующим образом.
Состояние 1. Сигналы на обоих входах А и В имеют низкий уровень, поэтому схема разомкнута и лампа С выключена (С = 0).
Состояния 2——3. В каждом из этих случаев один из ключей замкнут, а другой разомкнут, поэтому лампа включена и в точке С присутствует сигнал логической 1.
Состояние 4. Оба ключа замкнуты, вследствие чего сигнал на выходе имеет высокий уровень и лампа горит.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что на выходе С сигнал логической 1 будет появляться всякий раз, когда на один ИЛИ другой вход подается сигнал высокого уровня. Эту закономерность обычно записывают следующим образом:
А + В = С.
Знак 《+》здесь служит для обозначения логической функции ИЛИ. Выражение это произносится так: «Если А ИЛИ В равняется 1, то С равняется 1》.
В качестве примера использования функции ИЛИ рассмотрим ситуацию, когда для принятия положительного решения необходимо наличие по меньшей
4峻6
Рис. 2.10. Схема принятия решения на основе функции ИЛИ. Включено = 1 (да); выключено—-0 (нет).
мере одного из двух битов единичной информации. Предположим, вы хотите сходить на баскетбольный матч, но только при том условии, что один или оба ваших друга составят вам компанию. Если же ни один из них пойти не может, то вы тоже не пойдете. Предположим далее, что три ваших дома соединены по схеме, показанной на рис. 2.10. В домах ваших друзей установлено по ключу, а в вашем доме расположена лампа (индикатор решения). К заранее установленному времени, скажем к пяти часам вечера, каждый из друзей решит, идти ему на игру или нет. В соответствии с принятым решением он установит переключатель во включенное (《па》)или выключенное (《нет》)положение. Результат вы сможете опре^ делить по лампе, играющей роль индикатора решения, ток на которую может поступать через вентиль ИЛИ. Если лампа не горит, это означает, что ни один из друзей не хочет идти на игру и поэтому вы тоже не пойдете； В противном случае вы можете смело готовиться к посещению матча в компании с одним или обоими друзьями.
Конечно, следует признать, что в приведенном примере невозможно определить, один или оба друга желают пойти на матч и если один, то кто именно. Это затруднение можно разрешить с помощью телефонного звонка.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что вентиль ИЛИ удобен для использования в системах, где требуется принятие решения на основе поступаю-' щих извне сигналов о наличии или отсутствии необходимых условий.
Вентиль ИЛИ-НЕ
Вентиль ИЛИ-HE, реализующий сигнал, ннверо ный логической функции вентиля ИЛИ, представляет пример другой часто используемой логической схемы. На рис. 2.11 представлены логические состояния вхо
Рис. 2.11. Таблица истинно-
Состояние
Вэоод
Выход С
А
В
ностн, иллюстрирующая ло-
1
0
о
гику работы двухвходового
вентиля ИЛИ-НЕ.
2
1
0
0
3
0
1
0
4
1
1
1
дов и выхода двухвходового вентиля ИЛИ-НЕ. Буквы НЕ после ИЛИ означают НЕ ИЛИ, т. е. состояние логического сигнала, противоположное вырабатываемому вентилем ИЛИ. Обратите внимание, что
Рис. 2.12. Обозначение двухвходового вентиля ИЛИ-НЕ, Буквы внутри контура обычно не показываются.
это логическое отношение эквивалентно отношению между вентилями И~НЕ и И. Обозначение двухвходового вентиля ИЛИ-HE показано на рис. 2.12. Маленький кружок, расположенный в точке выхода схемы, обозначает инверсию логической функции ИЛИ. Ло-
гическая функция ИЛИ-ЫЕ выражается с помощью формулы—
А 十 В = С,
которая произносится: 《А ИЛИ В равняется НЕ С》・ Другими словами: 《Если сигнал в точке А имеет высокий уровень (1) ИЛИ сигнал в точке В имеет высокий уровень (1), то в точке С (выхода) сигнал должен быть НЕ высокого уровня (О)》. Инверсия логического сигнала обозначается с помощью черты над буквой. Хотя в основном вентили предназначены для использования в логических схемах принятия решений, их можно применять и в сложных системах управления.
Процесс инвертирования, или смены логического состояния высокого уровня (1) на низкий (0) или на” оборот, играет в цифровой электронике важную роль. В связи с использованием в ней двоичной системы счисления инвертирование сводится к переходу от одного логического состояния к его дополнению или противоположному логическому состоянию. Ниже будет показано, как реализовывать функцию инверсии с помощью вентилей и других устройств типа инверторов.
Инверторы на вентилях
Для инвертирования логического сигнала могут применяться вентили И-НЕ и ИЛИ-HE. Рассмотрим первый из них, представленный на рис. 2.13. Обратите внимание, что, поскольку входы инвертора объ-
Рис. 2.13. Инвертор на основе вентиля И-НЕ.
X
с
А
В
Выход
0 ]
0
1
]
0
единены, сигнал, поступающий в точку X, попадет на входы А и В одновременно. Как видно из таблицы истинности на рис. 2.14, в схеме возможны две ком-
Рис. 2 14. Таблица истинности, па которой показаны два возможных состояния входов и выхода для инвертора на вентиле И-НЕ.
бинации сигналов. При поступлении на входы А и В сигналов низкого уровня (0) на выходе (С) появится сигнал высокого уровня, если же на входы А и В подать сигнал высокого уровня (1), то в результате на выходе будет сигнал низкого уровня (0). В связи с тем что на все входы вентиля И-НЕ (ИЛИ-НЕ) поступает один и тот же логический сигнал, выходной сигнал будет представлять собой инверсию входного. При объединении нескольких входов вентилей И-НЕ и ИЛИ-HE их можно рассматривать как один вход.
Обозначение инвертора показано на рис. 2.15. Треугольник является стандартным символом, применяе-
Рис. 2.15 Логическое обозначение и формулы инвертора (А— В или А = В).Рис. 2.15 Логическое обозначение и формулы инвертора (А— В или А = В).
Рис. 2.15 Логическое обозначение и формулы инвертора (А— В или А = В).
Рис. 2.15 Логическое обозначение и формулы инвертора (А— В или А = В).
мым в электронике для обозначения усилителя или буфера, а маленький кружок в точке выхода указывает на функцию инверсии.
В тех случаях, когда инвертирование сигнала не требуется, в качестве буфера можно использовать вентили И или ИЛИ. Хотя буфер может применяться Для усиления сигнала, обычно его назначение состоит в разделении сигнала между двумя схемами с тем,
Рис. 2.16. Обозначение неинвертирующего буфера или уснлнтеля*Рис. 2.16. Обозначение неинвертирующего буфера или уснлнтеля*
Рис. 2.16. Обозначение неинвертирующего буфера или уснлнтеля*
Рис. 2.16. Обозначение неинвертирующего буфера или уснлнтеля*
чтобы работа одной схемы не мешала работе другой. Обозначение неинвертирующего буфера представлено на рис. 2.16. Обратите внимание, что в точке выхода отсутствует кружок, обозначающий инверсию.
Логика работы буфера показана на рис. 2.17. Поскольку входы вентиля объединены, на них поступают
Состоя- нивВасдВыход САВ1000211Состоя- нивВасдВыход САВ1000211Рис. 2.17. Таблица истинности, описывающая работу буфера.Рис. 2.17. Таблица истинности, описывающая работу буфера.
Состоя- нив
Васд
Выход С
А
В
1
0
0
0
2
1
1
Состоя- нив
Васд
Выход С
А
В
1
0
0
0
2
1
1
Рис. 2.17. Таблица истинности, описывающая работу буфера.
Рис. 2.17. Таблица истинности, описывающая работу буфера.
сигналы одинакового уровня, причем низкий (0) уровень на входах (А и В) дает низкий уровень (0) на выходе (С), а высокий уровень на входах (А и В) обеспечивает высокий (1) уровень на выходе (С). Отсюда следует» что при использовании вентиля И с объединенными входами инвертирования не происходит и вентиль можно использовать в качестве буфера. Сказанное справедливо и для вентиля ИЛИ<
Другие инверторы
Инверторы составляют неотъемлемую часть устройств обработки цифровой информации. В н聲
стоящее время выпускаются недорогие интегральные схемы, содержащие шесть инверторов (например, ИС 7404) 1). В тех случаях, когда вентили ИЛИ-НЕ или И-НЕ остаются в схеме неиспользованными, их можно применять в качестве инверторов. Очевидно, что этот способ более удобен, чем установка дополнительных интегральных схем с инверторами.
В случае когда необходима всего одна операция инвертирования, бывает проще и выгоднее с точки зрения стоимости использовать в качестве инвертора транзистор. В одной из последующих глав этой книги дается более подробная информация, касающаяся применения транзистора для переключения и инвер* тирования.
Комбинирование логических функций
Логические вентили составляют основную элемент-» ную базу вычислительной техники). Простые логи-* ческие функции) можно реализовать на одном вентиле, более сложные — с помощью комбинации вентилей. Бывают случаи, когда необходимо функцию вен-* тиля одного типа реализовать на вентилях другого типа. Скажем, что делать проектировщику, если ему нужен вентиль И-НЕ, а в наличии есть только вентили И? То обстоятельство, что проектировщик для получения необходимой логической функции имеет возможность использовать различные сочетания имеющихся в распоряжении интегральных схем, служит доказательством гибкости интегральных схем.
В этом разделе рассматриваются схемы комбинационной логики и показывается, как с помощью вентилей одного типа реализовывать функцию вентилей другого типа.
1) Краткая характеристика используемых в книге интегральных схем, а также их отечественные аналоги приведены в приложении. —Прим. ред.
М НЕ И
Если взглянуть на таблицу истинности для вентиля И-НЕ еще раз (рис. 2.5), можно заметить, что инвертирование выходного сигнала вентиля И-НЕ дает в результате функцию И. Поэтому проектиров- щиЛу? которому требуется функция И и у которого имеются в распоряжении только вентили И-НЕ, следует просто проинвертировать выходной сигнал вентиля И-НЕ. Схема, выполняющая эту операцию, представлена на рис. 2.18, а ее таблица истинности —
иа рис. 2.19. Обратите внимание, что функция, представленная столбцом D, на рис. 2.19 совпадает с функцией И, приведенной на рис. 2.3.
ВходИ-НЕЗыход СИ Выход UАВ0010010t0[010XВходИ-НЕЗыход СИ Выход UАВ0010010t0[010XРис. 2 19. Сравнение таблиц истинности двухвходовых вентилей И-НЕ и И.Рис. 2 19. Сравнение таблиц истинности двухвходовых вентилей И-НЕ и И.
Вход
И-НЕ
Зыход С
И Выход U
А
В
0
0
1
0
0
1
0
t
0
[
0
1
0
X
Вход
И-НЕ
Зыход С
И Выход U
А
В
0
0
1
0
0
1
0
t
0
[
0
1
0
X
Рис. 2 19. Сравнение таблиц истинности двухвходовых вентилей И-НЕ и И.
Рис. 2 19. Сравнение таблиц истинности двухвходовых вентилей И-НЕ и И.
На рис. 2.20 показано, как можно изобразить эту схему по-другому. Все три иллюстрации эквивалентны, поскольку все схемы выполняют одну и ту же логическую функцию. В большинстве случаев исполь-
Рис. 2.20. Реализация функции И с помощью вентилей И-НЕ.Рис. 2.20. Реализация функции И с помощью вентилей И-НЕ.
Рис. 2.20. Реализация функции И с помощью вентилей И-НЕ.
Рис. 2.20. Реализация функции И с помощью вентилей И-НЕ.
зуется самая простая схема вентиля И (рис. 2.20, С)\ В более сложной схеме, изображенной на рис. 2.20, Д, указан способ соединения вентилей, что делаег ее более иллюстративной. Следует помнить, что на основе вентиля И-НЕ с помощью инвертирования можно реализовать функцию И. Аналогичным образом можно получить вентиль И-НЕ из вентиля И, но этот способ применяется реже.
ИЛИ-HE ИЛИ
Функция ИЛИ также может быть реализована на основе вентиля ИЛИ-HE. Инвертирование выходного сигнала вентиля ИЛИ-HE дает в результате логическую функцию, обратную функции соответствующего вентиля.
Этот способ проиллюстрирован на рис. 2.21. Обратите внимание, что все три схемы (4, ^ и С) экви-
®д®©
ИЛИ-HE ИЛИ-HE В ИЛИ-HE Инвертор В ИЛИ
Рис 2 21. Реализация функции ИЛИ с помощью вентилей ИЛИ НЕ
валентны по своей логической функции, таблица истинности для которой приведена на рис. 2.22. На
Рис. 2 22. Таблица истинности, в которой для сравнения показаны функции ИЛИ-HE и ИЛИ.Рис. 2 22. Таблица истинности, в которой для сравнения показаны функции ИЛИ-HE и ИЛИ.ВходИЛИ-НЕВыосод СилиBa氐од DАВ00010101[1IВходИЛИ-НЕВыосод СилиBa氐од DАВ00010101[1I
Рис. 2 22. Таблица истинности, в которой для сравнения показаны функции ИЛИ-HE и ИЛИ.
Рис. 2 22. Таблица истинности, в которой для сравнения показаны функции ИЛИ-HE и ИЛИ.
Вход
ИЛИ-НЕ
Выосод С
или
Ba氐од D
А
В
0
0
0
1
0
1
0
1
[
1
I
Вход
ИЛИ-НЕ
Выосод С
или
Ba氐од D
А
В
0
0
0
1
0
1
0
1
[
1
I
нее можно заметить, что функции ИЛИ-HE и ИЛИ представляют собой инверсию (дополнения) друг друга. Для обозначения этой логической функции на
практике достаточно одного символа, изображенного на рис. 2.2i, С. Рис. 2.21 показывает способ получения функции с помощью вентилей ИЛИ-HE. Все три схемы эквивалентны и представляют функцию ИЛИ.
При инвертировании выходного сигнала вентиля ИЛИ в результате получается функция ИЛИАНЕ. На практике для реализации функции ИЛИ способ с вентилями ИЛИ-HE используется более часто, чем любой другой, в связи с большим распространением и меньшей стоимостью этих вентилей.
И-НЕ ИЛИ
До сих пор для получения требуемых логических функций инвертировались только выходные сигналы вентилей. Однако с этой же целью могут инвертироваться сигналы на входах вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
На рис. 2.23 показан способ получения функции ИЛИ на основе вентиля И-НЕ с помощью анвертн-
Рис. 2.23. Реализация функции ПЛИ на вентилях И-НЕ.
рования его входных сигналов. Из сравнения функ- ции в точке С с функцией ИЛИ, приведенной в правом столбце рис. 2.24, можно увидеть, что они эквивалентны.
Этот метод, который проиллюстрирован на рис. 2.23, полезен тем, что при отсутствии вентиля ИЛИ позволяет реализовать одноименную функцию на более распространенных вентилях И-НЕ, В каче*
стве инверторов кроме вентилей И-НЕ могут также быть использованы вентили ИЛИ-HE и другие. Схема на рис. 2.23, Л более наглядна, так как в ней показан
Рис. 2.24. Таблица истинности функции ИЛИ, полученной в результате инвертирования входных сигналов вентиля И-НЕ.Рис. 2.24. Таблица истинности функции ИЛИ, полученной в результате инвертирования входных сигналов вентиля И-НЕ.ВходыВыход СФункция ИЛИАв000001110111j1ВходыВыход СФункция ИЛИАв000001110111j1
Рис. 2.24. Таблица истинности функции ИЛИ, полученной в результате инвертирования входных сигналов вентиля И-НЕ.
Рис. 2.24. Таблица истинности функции ИЛИ, полученной в результате инвертирования входных сигналов вентиля И-НЕ.
Входы
Выход С
Функция ИЛИ
А
в
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
j
1
Входы
Выход С
Функция ИЛИ
А
в
0
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
j
1
способ получения функции ИЛИ, однако на практике вентиль ИЛИ обозначается, как показано на рис. 2.23, С.
ИП小НЕ И
При инвертировании сигналов на входах вентиля ИЛИ-HE на выходе будет получаться логическая функция вентиля И. На рис. 2.25 показана реализа^ ция этой схемы на вентилях ИЛИ-HE. Все три схемы Л, В и С эквивалентны, поскольку каждая из них реализует одну и ту же логическую функцию И. Хотя рис. 2.25, С достаточно для описания логики, рис. 2.25, Л наглядно иллюстрирует способ получения логической функции. Для инвертирования входных
Рис. 2 25. Реализация функции И с помощью вентилей ИЛИ-НЕ*Рис. 2 25. Реализация функции И с помощью вентилей ИЛИ-НЕ*
Рис. 2 25. Реализация функции И с помощью вентилей ИЛИ-НЕ*
Рис. 2 25. Реализация функции И с помощью вентилей ИЛИ-НЕ*
логических сигналов может быть использован любой инвертор.
Таблица истинности этой системы вентилей пред^ ставлена на рис. 2.26. В правый столбец включена
ВходBbixogСФункция ИАВ000000010001111ВходBbixogСФункция ИАВ000000010001111Рис. 2.26. Таблица истинности функции И, полученной из вентилей ИЛИ-НЕ.Рис. 2.26. Таблица истинности функции И, полученной из вентилей ИЛИ-НЕ.
Вход
Bbixog
С
Функция И
А
В
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
Вход
Bbixog
С
Функция И
А
В
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
Рис. 2.26. Таблица истинности функции И, полученной из вентилей ИЛИ-НЕ.
Рис. 2.26. Таблица истинности функции И, полученной из вентилей ИЛИ-НЕ.
таблица истинности функции И. Обратите внимание, что выход С совпадает полностью с выходом вентиля И.
Сложные логические функции
В цифровой технике часто бывает необходимо с помощью одной схемы реализовать логическую функцию, представляющую собой комбинацию элементарных логических функций (вентилей) различных типов. Цифровые устройства, осуществляющие обработку поступающей информации, могут включать схемы как комбинационной, так и последовательностной логики. В логике последовательностного типа управляющие сигналы вырабатываются один за другим, иначе говоря, последовательно. В комбинационной логике выходной сигнал представляет собой суперпозицию нескольких логических функций, выполняемых отдель- ными частями схемы. Проектирование цифровых устройств обычно начинают с записи задачи на языке алгебры логики и применения принципов последней для ее решения. Этот раздел математики, оперирующий с двоичной системой счисления, представляет теоретические основы минимизации схем цифровой логики по объему оборудования и преобразования одних логических функций в другие с целью умекьше* ния стоимости схемы.
Комбинациояпая логика
Схемы комбинационной логики состоят из совокупности различных вентилей. Выходной сигнал комбинационной схемы определяется типом используемых вентилей, способом их соединения и состоянием входных сигналов. Наиболее широко распространенные схемы комбинационной логики часто выпускают в виде интегральных схем на одном кристалле. Примерами логических комбинационных схем являются счетчики, дешифраторы и драйверы дисплея.
Комбинационная схема с четырьмя входами А, В, С и D и одним выходом Е представлена на рис. 2.27. Таблица истинности для этой схемы приведена на рис. 2.28. Обратите внимание, что из всех 16 возможных комбинаций входных сигналов, поступающих на 4 входа, только при комбинациях с номерами 4, 8, 12, 13, 14, 15 и 16 выходной сигнал в точке Е будет иметь высокий уровень. Приведенная схема обеспечивает на
Рис. 2.27. Схема комбинационной логики, состоящая из двух двухвходовых вентилей И и одного двухвходового вентиля ИЛИ (E=AB+CD),
находятся в состоянии логической 1 (высокий уровень) и ни в каком другом случае. Формула булевой алгебры для этой схемы записывается так
(AB) + (CD) = E・
Этот пример может быть проиллюстрирован с помощью следующей жизненной ситуации, в которой требуется принять определенное решение.
Предположим, один из супругов запланировал мероприятие, для осуществления которого потребуется автомобиль, причем в мероприятии возможно участие второй супружеской пары. Если пара X (входы А и В) или пара Y (входы С и D) решит принять участие в поездке, то мероприятие состоится, но при условии,
1) Так как в алгебре логики операция И имеет более высокий приоритет, это выражение и обозначающую его формулу можно записывать без скобок. — Прим. ред.
что супруги в одной из пар поедут вместе. Ключи от автомобиля есть у каждой пары, поэтому любая из них может воспользоваться им даже в случае отказа другой пары от поездки. Принятие решения в этом случае осуществляется сравнительно просто и может быть проиллюстрировано схемой, представленной на рис. 2.27.
Этот пример может показаться слишком сложным решением простой задачи, но он приведен здесь лишь с целью иллюстрации логики процесса принятия решения. Решения, получаемые на основе схем комбинационной логики, но намного более сложные, принимаются людьми каждый день без формализации туации с помощью таблицы истинности. По мере усложнения решаемых задач возрастает необходимость применения таблиц истинности и систем автоматизированного проектирования логических устройств.
Последовательностная логика
Схемы последовательностной логики обычно применяют в тех случаях, когда выходной сигнал должен быть выработан на основании как новой, модифицированной, так и предыдущей информации. Перед появлением сигнала на выходе схемы должна произойти последовательность событий, часто в определен^ ном порядке. В схемах логики этого тапа обычно hj обходимы синхронизация и наличие элементов памяти.
К схемам последовательностной логики относятся счетчики, регистры сдвига и устройства памяти. В некоторых случаях ко входам добавляются элементы памяти, которые модифицируют обрабатываемую по регулярным сигналам синхронизации информацию. Получающийся в результате выходной сигнал является функцией хранимой и вновь полученной информации.
Большинство схем последовательностной логики составляют счетчики и регистры сдвига, большое количество типов которых выпускается в виде интегральных схем. Как правило, эти схемы включают генераторы импульсов или мультивибраторы, служа*
щие для синхронизации ее частей с помощью прямоугольных импульсов. Ниже эти схемы будут рассмотрены более подробно.
Функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
Вентиль, получивший название «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», имеет в вычислительной технике ряд особых применений. Он используется в схемах цифрового сложения или арифметических схемах, в схемах дешифраторов, а также при обнаружении ошибок и поиске (необходимого) цифрового слова.
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
Обычный вентиль ИЛИ обеспечивает высокий уровень выходного сигнала (логическую 1), когда один или большее число входов находятся в состоянии высокого уровня. В отличие от него вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ дает 1 на выходе только в том случае, когда сигналы на двух входах различны \ Таблицы истинности для обычного вентиля ИЛИ и для вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ представлены на рис. 2.29. Обратите внимание, что в вентиле ИСКЛЮ*
Шаг
Входы
Вентиль ИЛИ
Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩИ ИЛИ
А
В
1
0
0
0
0
2
0
1
1
3
1
0
1
4
1
1
1
0
Рис. 2 29. Таблица истинности двухвходового вентиля ИЛИ и вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
ЧАЮЩЕЕ ИЛИ сигнал высокого уровня появляется на выходе только при шагах 2 и 3. Обозначение вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ показано на рис. 2.30. Две дуги на входе символа вентиля ИСКЛЮЧАЮ-
ЩЕЕ ИЛИ отличают его от обычного вентиля ИЛИ, приведенного на рисунке для сравнения.
В булевой алгебре для обозначения функции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ используется знак《+》，обведенный кружком, как показано на рис. 2.30.
Контроль четности
Одной из важных областей применения вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ являются схемы контроля четности. Четность в цифровой технике определяется количеством разрядов с высоким уровнем сигнала
Рис. 2 32. Схема контроля нечетности четырехразрядных цифровых слов.
четным словом, а изображенное на рис. 2.31,5 — нечетное число единиц и является нечетным словом.
Схема, представленная на рис. 2.32, реализует контроль четности и служит для идентификации нечетного числа единиц в четырехразрядном двоичном слове. В таблице истинности на рис. 2.33 показаны логические состояния для всех комбинаций входных сигналов этой схемы. Столбец четности введен для обозначения тех слов (восьми или половины от общего числа), которые содержат нечетное число единиц. Как видно из рис. 2.33, при поступлении на входы схемы, изображенной на рис. 2.32, четырехраз- рядного двоичного слова с нечетным числом единиц на выходе появляется сигнал высокого уровня. Рас- смотрим реальный случай, когда информация передается с помощью четырехразрядных двоичных слов с четным числом единиц. Слова поступают на схему контроля четности, и для слов, имеющих четное чи-
Входы
Выход Е
Уетность (число единиц)
А
в
с
D
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
Нечет ⑴
0
0
1
0
1
Нечет ⑴
0
0
1
1
0
0
1
0
0
1
Нечет ⑴
0
1
0
1
0
0
[
1
0
0
0
1
1
1
Hgqem (3)
1
0
0
0
1
Нечет (1)
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
Нечет (3)
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
Нечет (3)
1
1
0
1
Нечет (3)
1 1
1
1
1
0
Рис. 2 33. Таблица истинности для схемы на рис. 2 32, на которой выделены слова с нечетным числом единиц.
ело единиц, выходной сигнал будет оставаться в состоянии низкого уровня. Это означает, что слова передаются без ошибок. Однако, если помеха какого-либо рода приводит к изменению слова, заклю^ чающемуся в добавлении или потере 1, в результате получится слово с нечетным числом единиц. Это означает, что в передаче слова произошла ошибка. Появляющийся на выходе схемы контроля сигнал высокого уровня может быть использован для остановки процесса передачи информации и печати со общения об ошибке. На основе принципа контроля на четность конструируют устройства, которые не только обнаруживают ошибку, но и печатают на ме* сте соответствующего разряда символ наличия ошибки.
Более сложные схемы контроля по четности могут применяться и для ряда целей, таких как по* строение корректирующих тестов, при использований
которых любой результат, не удовлетворяющий предварительно установленному требованию по четности, считается ошибочным.
Схема сравнения слов
Другим применением вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ является их использование в схеме сравнения двоичных слов. Схема сравнения четырехразрядных слов, спроектированная на двух вентилях ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и одном вентиле ИЛИ (или И), показана на рис. 2.34. Таблица истинности, описывающая работу этой схемы, приведена на рис. 2.35. Из нее видно, что, когда слова А и В равны (шаги 1—4), сигнал на выходе С имеет низкий уровень. Если же слова неодинаковы, например при шагах 5—7, выходной сигнал в точке С имеет высокий уровень.
Схему сравнения слов применяют в тех случаях, когда требуется найти необходимое слово среди большого количества информации (слов). На основе этой схемы можно спроектировать устройство, позво-
Рис. 2 34 Схема сравнения двух лвухразрядных слов на основа вен гилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
ляющее подсчитать, сколько раз встречается данное слово, и, исходя из этого, вычислить часпсиу его по・ явления. Предположим, необходимо выяснить, сколько человек среди населения той или иной страны (база данных) имеют рост 170 см. Пусть в базе
закодирована словом 00110. Тогда при прохождении базы данных через детектор каждый раз, когда встречается указанное слово, на выходе схемы будет появляться сигнал высокого уровня. Конечно, кроме этого, существует много других применений вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, например в схемах блокировки определенных цифровых комбинаций.
Сложение
Сложение двоичных чисел является одной из основных операций вычислительной техники. Фактически любая арифметическая операция реализуется в вычислительной машине на основе сложения. Так, команды умножения и деления сводятся к сложной системе операций сложения и так называемых сдвигов, Устройства сложения вычислительных машин могут быть построены на основе вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, поскольку они являются хорошими компараторами: при сравнении двух или более электрических сигналов эти вентили вырабатывают сигнал, показывающий, эквивалентны они пли различны.
Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ имеет в двоичном сумматоре то же назначение, что и в схеме сравнения слов. Двоичное сложение не является таковым в буквальном смысле слова, поскольку в двоичной системе используются только две цифры, а для получения суммы достаточно сравнить сигналы, поступающие на вход сумматора. Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подходит для этой цели наилучшим образом.
Принцип двоичного сложения нетрудно понять, если вспомнить, что двоичное число 102 играет в двоичной системе ту же роль, что н число Юю—■ в десятичной. Хотп они не равны (десятичный экви-
Десятичное (
сложеипе:
Перенос 一
^ 1
Прибавить 9
к 7
+V9
16
Примеры двоичного ело-
жения:
Перенос -
… > 0
1. Прибавить
1 к 0
р
01
Перенос —
► 1
2. Прибавить
1 к 1
I1
+♦1
10
Перенос —
ir 0
3. Прибавить
10 к 1
10
тг
Перенос 一
'"'Е А 1
4. Прибавить
10 к 10
I10
100
Перенос r
5. Прибавить
11 к 11
W
+♦11
110
Рис. 2.36. Примеры двоичного сложения,
валент числа 102 составляет 2^), общим между ними является то, что оба представляют собой первое по порядку двузначное число в соответствующей системе. Принимая это за основное правило, для двоичного сложения получим тот же алгоритм, что и для десятичного. При сложении десятичных чисел всякий раз, когда сумма двух цифр больше 9, цифра младшего разряда полученной суммы записывается в столбце под двумя складываемыми цифрами, а цифра старшего разряда переносится в следуюиъп! столбец. Тот же принцип используется и в двоечном сложении. Каждый раз, когда сумма двух цифр больше 1, цифра младшего разряда суммы записывается в столбец складываемых цифр, а старший разряд (единица) переносится в следующий столбец. На рис. 2.36 приведено несколько примеров двоичного сложения.
Схема двухразрядного двоичного сумматора показана на рис. 2.37. Этот простой сумматор, предназначенный для сложения двух двоичных разрядов, называется полусумматором по той причине, что
у него отсутствует вход для приема сигнала пере* носа от предыдущего сумматора. Сумматор, имеющий вход для приема сигнала переноса, называется полным. На рис. 2.38 приведена таблица истинности
ШагВмдыВыходыАВСуммаПеренос1000О201103101041101ШагВмдыВыходыАВСуммаПеренос1000О201103101041101Рис. 2.38. Таблица истинности для схемы полусумматора.Рис. 2.38. Таблица истинности для схемы полусумматора.
Шаг
Вмды
Выходы
А
В
Сумма
Перенос
1
0
0
0
О
2
0
1
1
0
3
1
0
1
0
4
1
1
0
1
Шаг
Вмды
Выходы
А
В
Сумма
Перенос
1
0
0
0
О
2
0
1
1
0
3
1
0
1
0
4
1
1
0
1
Рис. 2.38. Таблица истинности для схемы полусумматора.
Рис. 2.38. Таблица истинности для схемы полусумматора.
для полусумматора, показанного на рис. 2.37. Обратите внимание, что перенос вырабатывается единственный раз в состоянии 4, когда оба входа равны 1.
Генераторы синхроимпульсов и мультивибраторы
Чтобы цифровые схемы работали правильно, не* обходима их своевременная и точная синхрониза- иия D. Например, в карманном калькуляторе при выполнении сравнительно простой арифметической операции для получения результата исходные данные должны пройти через сумматоры, в которых будет выполнено несколько десятков сложений и сдвигов. Очевидно, что при наличии всего одного сумматора эти операции нельзя выполнить одновременно. По* этому в этом случае их выполняют последовательно, причем каждое вычисление должно синхронизоваться по входу и по выходу в установленные моменты времени. При последовательном выполнении не может быть никакого перекрытия выполнения различных операций во времени, поскольку поступление в одно и то же время на входы сумматоров данных, относящихся к различным операциям, приведет к ошибочным результатам.
J) Речь идет о последовательных схемах. — Прим, ре。*
Синхронизация
Специальные периодические импульсы, называемые сигналами синхронизации, используются для установки необходимого временного режима работы схемы. При этом одного импульса часто бывает достаточно для управления сотнями различных операций в цифровой вычислительной машине. Существует много способов генерации сигнала синхронизации. Некоторые схемы способны вырабатывать свой собственный сигнал синхронизации и поэтому во внешней синхронизации не нуждаются. В таких схемах для генерации импульсов могут быть предусмотрены специальные секции, разработанные на основе циклических или реверсивных счетчиков. Схемы, не имеющие своей собственной синхронизации, управляются с помощью сигналов от внешнего мультивибратора.
Мультивибраторы
Мультивибратор представляет собой цифровой генератор колебаний, который вырабатывает последовательный поток импульсов, или волн. В радиотехнических устройствах и других нецифровых генераторах колебаний выходные сигналы обычно имеют синусоидальную форму и могут различаться по частоте и амплитуде. Форма выходного сигнала в цифровых схемах ——прямоугольная. Его частота определена заранее и постоянна, а все импульсы имеют одинаковую амплитуду. Оба типа выходных сигналов рассмотренных генераторов колебаний показаны на рис. 2.39. Применение в цифровой электронике им-
Рис. 2.39. Формы выходных сигналов генератора колебаний, а —сигнал прямоугольной формы; б—сигнал синусоидальной формы.
Рис. 2.40. Выходные сигналы нестабильного и моностабильного мультивибраторов.
а — импульсы нестабильного мультивибратора (запускаются одним импульсом синхронизации); 6 — импульсы Моностабильного мультивибратора (запускаются с началом первого импульса синхронизации и заканчиваются с концом второго).
пульсов прямоугольной формы объясняется тем, что переход от низкого к высокому или от высокого к низкому уровню сигнала должен происходить быстро, и чем больше степень прямоугольности сигнала, тем быстрее цифровые вентили и другие логические схемы могут изменять свои состояния. К двум наиболее распространенным типам мультиви(5рато- ров в цифровой электронике относятся нестабильный и моностабильный мультивибраторы.
Нестабильный мультивибратор
При запуске нестабильного мультивибратора он начинает генерировать последовательность прямоугольных импульсов. Его называют нестабильным по той причине, что когда он начинает работать, то не может оставаться длительное время в одном состоянии. Схема мультивибратора спроектирована таким образом, что когда выходной сигнал имеет высокий уровень, она стремится перевести его в состояние низкого уровня и наоборот. Выходной сигнал не яв* ляется стабильным ни в состоянии высокого, ьш в со«
стоянии низкого уровня. Обычно частота и длительность выходного сигнала могут регулироваться, что делает нестабильный мультивибратор очень точным устройством. В цифровых схемах синхронизации обычно используется тот или иной тип нестабильного мультивибратора, в результате чего их точность часто достигает 1 с/мес. Форма выходного сигнала нестабильного мультивибратора показана на рис. 2.40, а,
Моностабильный мультивибратор
Моностабильные мультивибраторы иногда называют мультивибраторами с однократным запуском. Они стабильны только в одном состоянии, обычно низкого уровня. При запуске моностабильного мультивибратора он генерирует одиночный импульс прямоугольной формы, после чего возвращается в состояние низкого уровня до поступления следующего импульса. Ширину импульса выходного сигнала мультивибратора обычно можно регулировать. Типичная форма выходного сигнала моностабильного мультивибратора показана на рис. 2.40, б.
Промышленный таймер типа 555
Промышленный таймер типа 555, несмотря на свое название, фактически представляет собой моно- стабильный/нестабильный мультивибратор, который прост в употреблении, гибок !\ недорог и легко доступен. Эта схема используется в некоторых из последующих упражнений этой книги, и поскольку она фактически представляет из себя мультивибратор, здесь уместно привести краткое описание ее работы.
Схема таймера типа 555 не относится к ТТЛ-схе* мам. Она принадлежит к аналогичному типу схем, известному под названием линейных интегральных схем, и используется при построении устройств управления в промышленности. Поскольку выходной сигнал схемы имеет прямоугольную форму, а частота
9 Под гибкостью в данном случге понимается возможность работы схемы в различных режимах и в широком диапазоне значений временных параметров. 一 Прим, ред^
и длительность импульсов регулируемы, ее можно использовать вместо мультивибратора. Промежуток времени между соседними выходными импульсами может составлять от нескольких микросекунд до нескольких часов. Схема 555 обладает способностью работы в двух режимах ——либо моностабильного, либо нестабильного мультивибратора. В режиме нестабильного мультивибратора схема поддерживает точно контролируемую частоту и длительность сигнала, которые устанавливаются двумя внешними резисторами и одним конденсатором. При наиболее часто используемом напряжении питания в 5 В выходное напряжение высокого уровня схемы 555 будет составлять около 3,5 В (величина, достаточная для управления ТТЛ-схемами). Ниже в упражнениях этой книги схема 555 будет использована в качестве генератора сигналов прямоугольной формы различных частоты и длительности. Эти параметры могут регулироваться изменением величин внешних ре” зисторов и конденсаторов. Как это делать ——описывается в каждом упражнении, где это необходимо.
Триггеры и регистры сдвига
Триггер является элементом хранения информации, который широко применяется при построении счетчиков, регистров сдвига и других устройств памяти. Триггер простейшего типа может быть построен на двух вентилях И-НЕ. Регистры сдвига состоят из нескольких триггеров, соединенных последовательно, так что информация «вдвигается» в один конец регистра и ^выдвигается» из другого. Существуют различные типы сдвиговых регистров, большинство из которых работает по принципу «первый вошел — первый вышел». Промежуток времени, в течение которого данные находятся в регистре, называется временем хранения. В этом разделе будет описано, как работает триггер и как с его помощью можно реализовать регистр сдвига.
Несколько существующих типов триггеров получили название в соответствии с принципом, по которому они работают. К наиболее распространенным
Рис. 2 41. Схема и таблица истинности базового RS-триггера.
типам триггеров относятся RS-(Reset-Set)n, D- и JK-триггеры, среди которых наиболее широко применяется RS-триггер.
RS-триггер
Схема RS'Tpnrrepa показана на рис. 2.41. Этот триггер, как и любой другой, имеет два выхода, Q и Q, каждый из которых является дополнением другого. Это означает, что если Q = 1, то Q = 0, и если Q = 0, то Q = 1.
Предположим, что на S-вход триггера, показанного на рис. 2.41, подан сигнал низкого уровня (0), а R-вход установлен в состояние высокого уровня (1). Предположим далее, что сигнал на выходе Q высокого уровня (1). Тогда вентиль / И-НЕ будет «включен», поскольку на обоих входах имеется сигнал низкого уровня. Сигнал с выхода Q поступает на один из входов вентиля И-НЕ, в связи с чем сигнал на его выходе будет иметь высокий уровень [(логическую 1). Поскольку на другом входе вентиля 2 И-НЕ ——также сигнал высокого уровня, выходной сигнал вентиля 2 И-НЕ будет низкого уровня (0). Это состояние, при котором Q ~ 1 и Q = 0, яв^ ляется стабильным. Если на R-входе сигнал переходит в 0, а на S-входе ——в 1, то выходной сигнал вен、
Q Reset — сброс, set — установка.—Прим. ped.
Рис. 2.42. Блок-схема D-триггера на двухвходовых вентилях И-НЕ.
тиля 2 (Q) должен перейти в состояние высокого уровня. В свою очередь поступление этого сигнала на вход вентиля / изменит состояние его выхода на 0 (низкий уровень). Так как выход каждого вентиля соединен со входом другого, наличие одинаковых логических состояний на двух выходах триггера одновременно невозможно.
В результате получим, что если S-вход установлен в состояние низкого уровня, то RS-триггер имеет выходное состояние Q = 1, Q — 0. Если R-вход установлен в 0, то выходы будут находиться в состоянии Q = 0, Q = 1. При работе с триггером нужно следить за тем, чтобы на обоих входах одновременно не было сигналов низкого уровня, поскольку в этом случае триггер будет неуправляемым.
D-триггер
Триггер D-типа, блок-схема которого представлена на рис. 2.42, имеет ряд отличительных особенностей по сравнению с RS-триггером. D-триггер
представляет собой «синхронизируемое» устройство. Это_ означает, что изменение выходных сигналов Q и Q управляется входным сигналом синхронизации прямоугольной формы некоторой частоты. Логический сигнал, поступающий на D-вход, передается на выход Q с некоторой задержкой после изменения сигнала синхронизации из 0 в 1 (от низкого к высокому уровню), который часто называют «передним фронтом». В некоторых случаях для управления уст« ройством используется задний фронт, который определяет переход сигнала синхронизации из 1 в 0. Триггер D-типа применяют -в тех случаях, когда необходимо либо передать разряд данных от D к Q, либо сохранить его в памяти.
D-триггеры позволяют спроектировать регистр,- носящий название регистра типа 《защелка》. Выходные сигналы какого-либо цифрового устройства постоянно поступают на входы регистра-кзащелки», но заносятся в него лишь при подаче импульса синхронизации одновременно на все триггеры регистра 】* Дальнейшее изменение сигналов на входах регйстра- «защелки» не оказывает влияния на его состояние до прихода следующего сигнала синхронизации. При определении количества триггеров регистра-«защел* ки» исходят из разрядности фиксируемых слов. Так, для «защелкивания» четырехразрядных слов ре- гистр-<кзащелка» должен состоять из четырех триггеров. Использование регистра-«защелки» в цифровых часах позволяет совместить процесс счета с отображением времени на экране индикатора.
JK -триггер
Возможности JK-триггера предоставляют ему ряд преимуществ по сравнению с RS-или D-триггерами. Блок-схема JK-триггера, который иногда называют двухступенчатым, показана на рис. 2.43). Наряду
9 Работа регистра-«защелки» аналогична принципу действия затвора фотоаппарата. — Прим. ред.
RQ
J 0 О Q
Синзсрони-задан °
К оо Q
S
Рис. 2 43 Блок-схема JK-триггера.
с управляющими входами установки и сброса, име* ющимися и в триггерах других типов, у JK-триггера имеется вход синхронизации, служащий для управления выходным сигналом. J- и К-входы используются для управления входной логикой. Типичный JK-трнггер работает по следующим правилам:
Сигналом низкого уровня на входе R или S производят 《сброс》триггера в О (Q = О, Q = 1) или «установку» триггера в 1 (Q = 1, Q — 0). На входах R и S одновременно не должно быть сигналов низкого уровня, в противном случае схема выйдет из-под контроля.
Если на входы J и К подать сигнал высокого уровня (1), выходной сигнал будет иметь частоту в два раза меньше частоты сигнала синхронизации.
Если на входах J и К будет сигнал логического 0, состояние выходов Q и Q останется неиз- менным. Это хороший способ временного отключения устройства.
Если J = 1 и К = 0, с очередным сигналом синхронизации триггер установится в состояние Q = 1, Q = 0е
СинхронизацияСинхронизацияBbixoffBbixoffа 叫 к=1)а 叫 к=1)/J=7, К=О) Синхронизация/J=7, К=О) СинхронизацияООII СинхронаII зацияII СинхронаII зацияККККООQQООQQВремнВремнаа
Синхронизация
Синхронизация
Bbixoff
Bbixoff
а 叫 к=1)
а 叫 к=1)
/J=7, К=О) Синхронизация
/J=7, К=О) Синхронизация
О
О
II Синхрона
II зация
II Синхрона
II зация
К
К
К
К
О
О
Q
Q
О
О
Q
Q
Времн
Времн
а
а
Рис. 2.44. Временная вание JK-триггера отРис. 2.44. Временная вание JK-триггера отдиаграмма, на которой показано срабаты* переднего фронта импульса синхронизации.
Рис. 2.44. Временная вание JK-триггера от
Рис. 2.44. Временная вание JK-триггера от
Если J = 0 и К = 1, очередной сигнал синхронизации приведет к установке Q в 0 и Q в 1.
На рис. 2.44 показано изображение JK-триггера, а также приведены временные диаграммы, иллюстрирующие логику работы схемы при наличии на входах J и К сигналов различного уровня.
На основе JK-триггеров строятся сдвиговые реги- стры и другие схемы цифровой электроник%
Сдвиговые регистры
Сдвиговый регистр строят на нескольких триггерах, в которых «сдвиг» информации происходит от одного триггера к другому ——отсюда название «сдвиговый регистр». Сдвиговый регистр принадлежит к такому типу устройств, в которых информация может вводиться и выводиться в последовательном и параллельном виде. На основе регистров сдвига возможно конструирование устройств, выполняющих другие операции, такие как прямой и обратный счет. Ниже будет описан принцип работы сдвигового регистра на JK-триггерах, а также будет рассмотрена схема специального кольцевого регистра.
4-разрядный сдвиговый регистр
• Регистр сдвига, состоящий из четырех JK-триг- геров, показан на рис. 2.45. Выходы Q и Q каждого триггера соединены непосредственно с J- и К-вхо-
JLTL
Синхрон изация
Рис. 2 45 Схема четырехразрядного сдвигового регистра.
дами следующего триггера (АсВиСс D). Предварительно все триггеры очищаются (сбрасываются) в состояние Q = 0, Q = 1. Проследим движение информации в схеме, фиксируя сигналы на выходах Q каждого триггера.
Введем бит данных (1) в триггер А нажатием кнопки 《установка》， Состояние регистра будет иметь
следующий вид:
А В С D10 0 0
Выходные сигналы Q и Q триггера А приведут входы триггера В в состояния J = 1 и К = 0.
Очередной сигнал синхронизации приведет к изменению состояний триггеров А и В. Так как на входах остальных триггеров находится комбинация 二=0, К == 1, они останутся в состоянии Q = 0? Q = L Слово примет следующий вид：
А В С D 0 10 0
Очередной сигнал синхронизации установит триггер В в нулевое состояние, а триггер С в единич* ное, Слово будет выглядеть таким образом
А В С D 0 0 10
Очередной сигнал синхронизации приведет к изменению слова в состояние
А В С D 0 0 0 1
Последний импульс сдвинет 1, которая была в триггере D, на выход, и слово станет таким
А В С D 0 0 0 0
На рис. 2.46 показано движение бита через регистр во время его 《сдвига» слева направо. Сдвиг такого типа позволяет эффективно реализовать операцию деления, которая проиллюстрирована на
Рис. 2 46. Таблица истинности, иллюстрирующая процесс сдвига одного разряда данных в регистре.
А
в
с
D
Установка в О
Ввод бита А Импульс / Импульс 2 Импульс 3 Импульс 4
0 1
0 0
0 0
.0
0
1
0
0 0
0 0
0
1 0
0
0
0
0
3 Зак. 692
65
рис. 2.47. Обратите внимание на то, что всякий раз, когда разряд слова сдвигается на один разряд вправо, десятичный эквивалент числа делится на 2. Процесс сдвига в регистре справа налево на один разряд эквивалентен операции умножения на 2.
Шаг
Цифровое с^юво
Десятичный эквивалент
А
В
с
D
1
1
0
0
0
8
0
1
0
0
4
0
0
1
0
2
0
О
0
1
1
Рис. 2.47. Таблица истинности сдвига слева направо, используемого при делении.
Как видно из таблицы истинности на рис. 2.46, информация вводится в регистр последовательно (один разряд за другим), а выводится параллельно (т. е. все разряды могут быть считаны одновременно). На практике в регистрах сдвига используются оба вида ввода и вывода данных. Это означает, что информация может вводиться или считываться в последовательном или параллельном виде в зависимости от того, как спроектирован регистр.
Циклический счетчик
В регистре сдвига, который показан на рис. 2.45, после прохождения четырех импульсов синхрониза^ ции информация выдвигается из регистра и теряется. Информация может вводиться в регистр единствен' ным способом через установочный вход левого триггера. Этот регистр может находиться в одном из пяти различных состояний. Циклический счетчик, проектируют на основе сдвигового регистра, в котором осуществляется циркуляция разрядов информации, и каждое состояние регистра периодически повторяется.
На рнс. 2.48 показана схема циклического четырехразрядного сдвигового регистра. Бит данных вводился в триггер А и сдвигается с каждым последу^
ющим сигналом синхронизации. Обратите внимание, что выходы Q и Q крайнего правого D-триггера соединены с J-, К-входами триггера А, в результате чего разряд с крайнего правого регистра попадает обратно в триггер А, и таким образом осуществляется его циркуляция в регистре, как в кольце. Рассматриваемый счетчик делает полный цикл через
Рис. 2.48 Схема четырехразрядного циклического счетчика.
каждые пять сигналов синхронизации. Регистр та« кого типа может использоваться для подсчета импульсов, чисел или других числовых событий.
Процесс счета играет в цифровых схемах важную роль. В основе счетчиков обычно лежат регистры сдвига на триггерах. Комбинационные схемы позволяют модифицировать сдвиговый регистр для счета с произвольным периодом. Некоторые распространенные счетчики (десятичные и двоичные) используются так часто, что для их реализации были разработаны специальные интегральные схемы.
Глава 3
ЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКФ1И
В этой главе рассматриваются примеры реализации логических функций с помощью различных вычислительных устройств. Сначала изучается использование транзистора для переключения и генерации тока. Затем объясняется принцип работы светодиода и приводятся примеры его использования в качестве устройства отображения информации в цифровых схемах. Изучаются также ТТЛ и КМОП, наиболее распространенные технологии изготовления логических схем, после чего следует рассмотрение применяемых на практике интегральных схем и принципов их использования.
Биполярные переключающие транзисторы
Транзисторы, применяемые в цифровой технике, обычно работают как ключи, хотя в традиционных применениях типа радиоприемников и высококачественных усилителей они чаще используются в качестве усилителей. Тип используемого для переключения транзистора должен обладать способностью очень быстро переходить из одного состояния в другое для того, чтобы поступающая на него информация была своевременно обработана. Ниже будет по казано, как типичные р ——п — р- и п ——р — п-транзи- сторы используются для управления током через нагрузку и переключения цифровых импульсных сигналов.
Биполярный транзистор
Существует ряд типов транзисторов. Из них наиболее широко применяемым в цифровой технике является биполярной транзистор, который отличает
Рис. 3.1. Транзисторы в различных корпусах.
Внизу изображен транзистор большой мощности, превышающий по размерам остальные (фото Мери Дункан из Oswego Learning* Resources Center)
высокая скорость переключения. Внешнее исполнение биполярных транзисторов может быть различно. Корпуса, в，которых выпускаются различные типы транзисторов, показаны на рис. 3.1, а обозначения двух основных типов р — п ——р- и 几一р ——n-транзисторов приведены на рис. 3.2. В обоих случаях роль
Рис. 3.2. Обозначение р — п — р-транзистора (а) и п — р — п- транзнстора (б).
Местонахождение эмиттера можно определить 口。стрелке.
Ла 加 паЛа 加 паЛЯВходЛЯВход
Ла 加 па
Ла 加 па
ЛЯ
Вход
ЛЯ
Вход
Рис. 33 Ключ на основе р—и一р-транзистора.
Стрелкой показано направление тока при «включенном» состояния транзн、 стора.
входного, или управляющего, играет сигнал, посту* лающий на базу. Он определяет состояние тока (включено или выключено) через эмиттерно-коллекторную цепь.
Во многих случаях переключение можно осуществить, используя вентили типа И-НЕ, ИЛИ-HE, а также инверторы. При отсутствии вентилей для этой цели можно использовать транзистор. Предпочтение обычно отдается вентилю по той причине, что он не потребляет тока такой величины, как большинство биполярных транзисторов. На рис. 3.3 показано, как использовать 卩一п ——р-транзистор в качестве переключателя. В данном случае для индикации выходного сигнала используется лампа, для работы которой транзистор должен обеспечить сравнительно большой ток (порядка 40 мА). Эта величина тока превышает ту, которую обычно может дать вентиль. Если сигнал на входе схемы, показанной на рис. 3.3, отсутствует (логический 0), транзистор выключен и ток от отрицательного (—) полюса источника питания в лампу и далее через Е (эмиттер) и С (коллек-
Рис. 3.4. Использование транзистора для устранения дребезга в схеме с механическим ключом.
тор) к положительному (*•) полюсу источника пе течет (). При подаче на вход положительного сигнала (логическая 1) транзистор включается, давая возможность току протекать через Е—С-связь в лампу, которая в данном случае играет роль нагрузки и ограничивает величину протекающего тока. В некоторых случаях, особенно когда напряжение источника питания намного превышает величину рабочего напряжения лампы, для еще большего ограничения тока последовательно с лампой устанавливают резистор. Если вместо лампы используется светодиод, включение резистора последовательно с ним является обязательным.
Другой пример переключения с помощью транзистора представлен на рис. 3.4. Транзистор в этом
9 Здесь и далее под током автор понимает поток электронов в отличие от принятого по отечественным стандартам направления движения тока от полоя:ительного полюса источника питания к отрицательному.——Прим ред.
случае предназначен для очистки сигнала, поступи* ющего с тумблера, от дребезга. Следует заметить, что такое применение транзистора на практике встречается реже, чем его использование для переключения сигнала и генерации тока.
На рис. 3.5 изображена схема переключения с использованием транзистора п ——р ——n-типа. Обратите внимание, что в п ——р ——/г-транзисторе ток течет от эмиттера к коллектору, в то время как в р — п — р-транзисторе (рис. 3.3)— в противоположном направлении. Главное различие между ними состоит в том, что логический уровень выключенного состояния противоположен в двух случаях: у р ——п ——р-транзистора это низкий уровень (логический 0), а у п ——р ——п-транзистора ——высокий (логическая 1). Рис. 3.6 иллюстрирует эти два условия. В данном случае транзисторы заменены простыми переключателями по той причине, что их функция сводится к переключению. Величина логического уровня выключенного состояния важна в тех случаях, когда выходной сигнал предназначен для передачи в другие логические устройства. Если транзистор применяется для включения индикаторной лампы, как в рассмотренных выше примерах, вели-
Рис. 3 5. Использование 办一р —几-транзистора в качестве ключа. Стрелкой показано направление тока при «включенном» состоянии транзистора.
Рис. 3.6. Условное изображение р — п — р-транзистора (а) и п ——р ——/г-транзистора (6) с помощью механических ключей, по* зволяющих увидеть разницу между логическими уровнями вы* ключенного состояния.
чина логического уровня покоя значения не имеет. В этих случаях важно только《включен》или《вн« ключей» транзистор.
Инверторы
Транзистор может также применяться для инвертирования логического сигнала (состояния). Схема инвертора на основе р — п — р-транзистора пред* ставлена на рис. 3.7. Если на вход поступает сигнал низкого уровня, транзистор 《выклюнитсл》и ток те* чет, минуя транзистор, через 100-омный резистор в лампу, которая включается, обеспечивая на вы* ходе инверсию входного сигнала. Если подать на вход сигнал высокого уровня (1), транзистор свклю- чится». Теперь ток будет протекать через транзистор и 100-омный резистор, поскольку этот путь имеет значительно меньшее сопротивление, чем путь рези* стор — лампа. Напомним, что включенный транзи* стор аналогичен замкнутому ключу и имеет небольшое сопротивление. Когда транзистор включается, лампа выключается. И в этом случае выходной сигнал представляет собой инверсию входного. На
Рис 3 7. Реализация функции инверсии с помощью р — п — р・ транзистора.
Стрелками показано направление тока при «включенном» и «выключенном» состояниях транзистора.
рис. 3.8 показана реализация инвертирования с использованием п — р ——/г-транзистора.
Для большинства случаев, в которых транзистор используется для переключения или инвертированно, хорошо подходят транзисторы обычных марок: 2N2222 (п — р — п) или 2N2907 (р — п — р). Каждый из них дает ток около 800 мА, которого достаточно для включения большинства индикаторных ламп. Эти транзисторы могут работать с напряжениями (коллектор — эмиттер) до 30 В и на частотах до 30 МГц I).
Между приведенными двумя типами транзисторов существуют некоторые различия, поэтому в общем случае для определения точных параметров любого задействованного в схеме транзистора следует обратиться к справочнику по транзисторам. Хотя в рассмотренных примерах в выходных цепях использованы лампы, транзисторы могут служить
1) Наиболее гочпо этим параметрам отвечают отечественные транзисторы КГ608Б и П609 Для получения более детальной информации с 1едует обратиться к книге: А. В Нефедов, В И Гордеева «Отечественные полупроводниковые приборы и Их зарубежные аналоги» —- М.: Энергия, 1978.——При w. ред.
Рис 3 8 Схемы инвертора на основе п — р ——п-транзистора.
Стрелками показано направление тока при «включенном» и «выключенном» состояниях транзистора.
источником тока и для других устройств. Катушки реле, светодиоды, кремниевые управляемые вентили, триаки — вот некоторые из устройств, которые могут быть нагрузкой для выходного сигнала транзистора.
Поскольку в большинстве цифровых схем используется двоичная система счисления, необходимы удобные средства ввода и изображения этого «языка». Ввод информации обычно осуществляется с пультов различных типов. При нажатии какой-либо клавиши происходит генерация последовательности цифровых импульсов, которая представляет двоичное слово. Выводится информация по-другому: для ее отображения могут применяться простые светодиодные индикаторные лампы, различные принтеры или дисплеи с телевизионным экраном. Применение для индикации светодиода и 7-сегментного индикатора будет описано ниже.
Светодиод
Светодиод (светоизлучающий диод) представляет собой диод, испускающий свет при том условии, что ток протекает через него в прямом направлении (от ратода к аноду). Обозначение светодиода показано йа рис. 3.9. На нем также изображены два типа светодиодов и способ определения вывода катода.
По мере увеличения тока, протекающего через светодиод в прямом направлении, возрастает также интенсивность излучаемого им света. Однако, если последовательно со светодиодом не подсоединять ограничивающий резистор, светодиод может выйти из строя. Расположение светодиода в схеме должно быть такта, чтобы ток протекал через него в прямом направлении (от катода к аноду). Если же он установлен в схеме н-аобарот, свет излучаться не будет. На рис, 3.10 показано, как правильно располагать диод в схеме.
Сопротивление последовательного ограничивающего резистора, используемого с большинством светодиодов, зависит от приложенного напряжения. Большая часть светодиодов работает при токе примерно 10 мА и напряжении 5 В. Закон Ома дает следующую величину сопротивления:
r = E/I = 5/0,01 =500 Ом.
Для большинства применений, в которых для обеспечения работы светодиода используется 5-воль- товый источник, подходит 330-омный резистор. Если напряжение источника выше, скажем 12 В, то величина ограничивающего сопротивления должна быть увеличена примерно до 1 кОм.
Светодиоды могут выпускаться с излучением красного, желтого, зеленого и белого света. Красный свет до сих пор является наиболее популярным. Индикацию другого цвета бывает трудно различить, особенно при ярком дневном свете. Светодиоды могут иметь различные размеры в диапазоне от точеч* ных до больших устройств диаметром около 1 см. В последних для распределения света по большой площади используются пластмассовые увеличиваю*
Рис. 39 Внешний вид светодиода (вверху) и символ (внизу), используемый для его обозначения.
На рисунке показано, как определять вывод катода (фото, Мерл Дуикап из Oswego Learning Resources Center).'
Рис. 3.10 Схема включения светодиода в цепь.
Сопротивление ограничивающего резистора зависит от приложенного напряжения; стрелка показывает направление движения электронов.
щие линзы. Светодиоды обычно заключаются в пластмассовые корпуса, окрашенные под цвет излучаемого света.
7-сегментная индикация
Другим полезным устройством отображения информации является семисегментный светодиодный индикатор. Его внешний вид показан на рис. 3.11. Семь сегментов могут включаться каждый по отдельности или несколько в любом нужном сочетании.
Рис. 3.11. Семисегментный светодиод (D. Р. — десятичная точка).
Рис. 3.12. ТаблицыРис. 3.12. Таблицыистинности логических функций, представистинности логических функций, представ!4:i 9: iy 1 心plМИ-G 区 6 VcM-dM!4:i 9: iy 1 心plМИ-G 区 6 VcM-dM
Рис. 3.12. Таблицы
Рис. 3.12. Таблицы
истинности логических функций, представ
истинности логических функций, представ
!4:i 9: iy 1 心plМИ-G 区 6 VcM-dM
!4:i 9: iy 1 心plМИ-G 区 6 VcM-dM
ляющих сегменты 7-сегментного индикатора, от десятичных и
двоично-десятичных аргументов.
0 = ннзкн自 уровень (выкл.); 1 ==высокий уровень (вкл.)«
Ограничивающиео
резисторы
зwv-e~1^°
оWV&
оVW&-
0vw■s■
ОW/4
оVWO-
оWV&
о—ЛЛЛг^
Рис. 3.13. Реализация схемы семисегментного индикатора с общим анодом (D. Р.——десятичная точка)
Ограничивающне резисторы обычно располагают вне индикатора.
щим катодом (D. Р.—~ десятичная точка).щим катодом (D. Р.—~ десятичная точка).Ограничивающие резисторы обычно располагают вне корпуса светодиода.Ограничивающие резисторы обычно располагают вне корпуса светодиода.
щим катодом (D. Р.—~ десятичная точка).
щим катодом (D. Р.—~ десятичная точка).
Ограничивающие резисторы обычно располагают вне корпуса светодиода.
Ограничивающие резисторы обычно располагают вне корпуса светодиода.
Каждый сегмент строится на одном или нескольких светодиодах. Часто светодиоды покрывают по лоской из цветного пластика, которая «загорается» при включении расположенных под ней светодиодов. Комбинацией соответствующих сегментов могут быть представлены цифры 0—9, а также ряд букв алфавита. Такая форма отображения позволяет осуществлять вывод информации непосредственно в десятичном виде (как на экране калькулятора), что намного удобнее вывода в двоичном виде. Таблицы истинности семисегментных, двоично-десятичных и десятичных чисел 0—9 представлены на рис. 3.12.
Существуют два основных типа семисегментных индикаторов: с общим анодом (рис. 3.13) н общим катодом (рис. 3.14). В первом случае аноды объединяются и подключаются к положительному (+) полюсу источника питания, а последовательно с каж・ дым сегментом-светодиодом подключается ограничивающий резистор. Когда на входной резистор подается напряжение низкого уровня (—)? светодиод за-
горается, В схеме с общим катодом все катоды под-» ключаются к отрицательному (——)полюсу источника питания и включение каждого сегмента осуществляется сигналом высокого уровня (+), подаваемым через ограничивающий резистор*
Другие устройства
Существуют и другие устройства отображения информации: буквенно-цифровые индикаторы, неоновые трубки и флуоресцентные индикаторы. В последнее время широкое распространение получило отображение информации на жидких кристаллах. Это объясняется тем, что они потребляют очень мало тока. Для индикации буквенно-цифровых символов предназначены устройства, состоящие из массивов светодиодов, которые обычно имеют высокую стоимость. В тех случаях, когда есть необходимость изображения многих букв алфавита одновременно, используют видеоэкраны или телепринтеры.
Логические семейства интегральных схем
В электронике цифровые логические операции обычно реализуются интегральными схемами. Различные семейства интегральных схем имеют свои собственные характеристики, преимущества и недостатки. Наиболее распространенными в настоящее время семействами интегральных схем являются ТТЛ- и КМОП-схемы, составляющие большую часть находящихся в употреблении интегральных схем. Самым популярным является семейство ТТЛ, но перспективы КМОП-схем быстро возрастают. В последующих разделах будут рассмотрены характеристики ТТЛ- и КМОП-схем, а также даны определения различных степеней интеграции.
Ранние типы
Стимулом для разработки первых интегральных схем (ИС) послужило стремление уменьшить размеры функционально завершенной схемы. Так, число ламп в схеме удалось сократить благодаря тому, что
несколько ламп стали помещать в один стеклянный колпак. Это дало возможность обойтись только одним патроном вместо нескольких, что привело к значительному сокращению количества проводов в схеме. Тот же принцип был использован и в интегральных схемах для размещения большого количества транзисторов на одном и том же 《кристалле》 из твердотельного материала, в качестве которого использовался кремний. В дальнейшем на кристалл были добавлены и другие компоненты, такие как диоды, резисторы (полоски проводящего материала)； и конденсаторы (проводящие слои, разделенные диэлектрическими слоями), что позволило изготовлять законченную схему типа радиоприемника на одном крохотном кристалле, помещенном в отдельную упаковку. Название для типа логики выбиралось исходя из того, какие компоненты использовались для реализации переключения. К раннему типу логики можно отнести диодно-транзисторную логику (ДТЛ). В интегральных схемах ДТЛ транзисторы служат в качестве вентилей, что позволяет реализовывать на них любую логическую функцию. Другим ранним типом логики была резисторно-транзисторная логика (РТЛ).
Семейство ТТЛ
В настоящее время наиболее широко распространенным семейством логических интегральных схем является семейство ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики). Серии интегральных схем 5400/7400, используемые во всех примерах и упражнениях этой книги, изготовлены по ТТЛ-технологии. Сегодня самые разнообразные интегральные схемы ТТЛ различной мощности и быстродействия почти для всех логических применений можно приобрести за небольшую плату.
Семейство КМОП
Популярность семейства КМОП растет очень быстро, и, очевидно, оно станет доминирующим семейством цифровых ИС в ближайшем будущем. КМОП
схемы имеют много преимуществ по сравнению с ТТЛ-схемами, основным из которых является то, что они потребляют очень небольшую по сравнению с ТТЛ-устройствами мощность. То обстоятельство, что плотность (число компонентов на единицу площади) у КМОП-схем намного выше, чем у ТТЛ-схем, позволяет располагать КМОП-схемы на кристаллах меньшего размера. Одним из недостатков КМОП-схем является то, что они в общем случае медленнее, чем ТТЛ-схемы. Этим обстоятельством можно пренебречь, когда в конкретном случае применения не требуется очень высоких скоростей переключения. Так как первые КМОП-схемы были чувствительны к статическому разряду, с ними надо было обращаться чрезвычайно осторожно. В более поздних устройствах для устранения этого недостатка были добавлены внутренние схемы защиты входа, позволившие работать с этими устройствами без специальных предосторожностей.
Имеющиеся в наличии в настоящее время КМОП ИС способны выполнять почти все логические функции. Их обычно помещают в корпус DIP (duel-in-line package ——корпус с расположением выводов в два ряда). Стоимость КМОП ИС намного больше стоимости ТТЛ-схем, однако это компенсируется тем обстоятельством, что для выполнения большого количества функций требуется меньшее число КМОП- устройств. Например, при проектировании десятичного счетчика на ТТЛ-схемах необходимы собственно счетчик (ИС 7490), драйвер (ИС 7447) и, возможно, затвор (ИС 7475). Счетчик и драйвер могут быть заменены одной КМОП-схемой (ИС 4026), потребляющей к тому же намного меньше мощности, чем эквивалентные ТТЛ-схемы.
Степени интеграции
С ростом числа разработок и производства новых интегральных схем возникла тенденция уменьшения размеров «кристаллам, которое достигается упаковкой большего числа компонентов па меньшую площадь, что увеличивает плотность размещения. В соответствии с числом компонентов на единицу площгди
Рис. 3.15. Законченный калькулятор на одном кристалле Ehl* Верхняя крышка снята, чтобы была видна внутренняя поверхность кристалла. Обратите внимание на маленькие проводнички, служащие для сое- диненая контактов самого кристалла с выводами на подложке. Кристалл имеет площадь примерно 1,6 см2 (фото Мерн Дункан из Oswego Learning Resources Center)»
различные интегральные схемы относят к одной из категорий. При этом основной единицей измерения обычно служит логический вентиль.
Интегральная схема М.СИ (малая степень интеграции)——это схема, выполняющая функции, аналогичные реализуемым вентилем или триггером. Как правило, ИС МСИ включает в себя не более 12 вентилей или их эквивалентов.
Интегральная схема ССИ (средняя степень интеграции) обычно представляет функционально законченное устройство, содержащее 12—100 вентилей или их эквивалентов на кристалле. Цифровой счетчик или драйвер — примеры устройств ССИ.
Интегральные схемы БСИ (большой степени интеграции) содержат не менее 100 вентилей или их эквивалентов. На кристаллы БИС обычно выпускаются функционально завершенные устройства, такие как калькуляторы или цифровые часы. Целый калькулятор на одной интегральной схеме представ^ лен на рис. 3.15. В продаже можно встретить устройства БИС с I тыс. транзисторов на одном кристалле.
В настоящее время разрабатываются устройства СБИС (сверхбольшие ИС), содержащие, как правило, целые схемы, такие как ЦВМ. Их часто исполь-
зуют для снабжения мини- и микроЭВМ устройствами памяти небольшого объема. На кристалле СБИС содержится не менее 1 тыс. вентилей или их,эквивалентов.
Для производства очень тонких деталей, необходимых в интегральных схемах, в современной технике используются фотографические процессы. Плотность расположения компонентов на кристалле СБИС так высока, что применение обычно световой технологии не дает хороших результатов. Ведутся эксперименты по использованию рентгеновских лучей и лазеров вместо видимого света. Ведутся постоянные поиски и разработки новых технологических решений, и можно предположить, что в будущем будут достигнуты более высокие степени миниатюризации,
Интегральные схемы ТТЛ
В этом разделе будут описаны характеристики интегральных схем ТТЛ, а также будет рассмотрена практическая сторона использования ИС ТТЛ наряду с информацией относительно скорости, электрических характеристик и внешних соединений интегральных схем.
DIP-упаковка
Почти все интегральные схемы ТТЛ заключаются в корпусе DIP, Это корпуса, имеющие 14, 16 или более выводов или контактов, расположенных в два ряда. Типичное внешнее исполнение и порядок нумерации контактов корпуса DIP показаны на рис. 3.16. Корпуса того же типа используются и для других логических семейств, таких как КМОП.
Для того чтобы облегчить нахождение контакта с номером 1, в одном из углов корпуса делают идентифицирующую зарубку или ставят точку (или и то и другое вместе). Вывод 1 располагается слева (вид сверху) от зарубки или около точки. Контакты считаются (или нумеруются), начиная с вывода 1 и далее двигаясь против часовой стрелки. Существует ряд справочников, в которых показано расположение выводов распространенных ИС, Фирмы-изготовители
Рис. 3.16. Вид сверху DIP-корпусов с 14 и 16 выводами.
Нижний вывод слева (7 или 8) обычно представляет отрица гельяый полюс источника питания, а верхний вывод справа (14 или 16) — положительный.
обычно предоставляют такую информацию в тех случаях, когда изготовление устройства производится по индивидуальному заказу. В качестве примера можно привести корпус преобразователя солнечной энергии на корабле.
Напряжение питания
Для интегральных схем ТТЛ обычно требуется напряжение питания 5 В1. Напряжение источника питания необходимо регулировать с той целью, чтобы изменения тока сопровождались лишь небольшими изменениями напряжения. В нерегулируемом источнике колебания тока сопровождаются изменениями напряжения, которые в отдельных случаях могут составлять значительную величину. Что касается интегральных схем, изменения напряжения питания могут привести к их неправильному функционированию, в результате чего на выходе может появиться ошибка в логике или величине сигнала. Для предотвращения этого явления выпускаются недорогие и легкие в употреблении твердотельные регуляторы. Принципиаль^
ИС регулятораИС регулятора〜6Т2В〜6Т2В78057805ЗемляЗемлявыпрямительвыпрямительДвухпол^пе- риодныи постовойДвухпол^пе- риодныи постовойВыходВыход■о■о+ Рвгулируе- ллый-выход 5В—Ао+ Рвгулируе- ллый-выход 5В—АоЫнФ “ТанталовыйконденсаторЫнФ “Танталовыйконденсатор
ИС регулятора
ИС регулятора
〜6Т2В
〜6Т2В
7805
7805
Земля
Земля
выпрямитель
выпрямитель
Двухпол^пе- риодныи постовой
Двухпол^пе- риодныи постовой
Выход
Выход
■о
■о
+ Рвгулируе- ллый
-выход 5В
—Ао
+ Рвгулируе- ллый
-выход 5В
—Ао
ЫнФ “
Танталовыйконденсатор
ЫнФ “
Танталовыйконденсатор
Рис. 3.17 Схема источника регулируемого напряжения 5В. В качестве регулятора можно использовать ИС 7805 (для тока 750 мА) или ИС 309К (для тока 1 А)
ная схема типичного источника питания, используемого для работы с ИС ТТЛ, показана на рис. 3.17. Наряду с S'-вольтовым регулятором в ней используется трансформатор, назначением которого является выработка достаточной величины тока. Установка величины тока и напряжения производится подбором соответствующих конденсаторов и включением в схему выпрямителя. Регулятор 7805 обеспечивает выработку напряжения 5 В1 при постоянном токе 750 мА, достаточном для большинства применений ТТЛ. Ток величиной до 1 А может быть получен с помощью регулятора LM309K*
При проектировании источника питания для ТТЛ необходимо предварительно для каждой ИС определить требования по току и объединить их с целью получения конечного значения необходимого тока. При этом всегда следует предусматривать определенный запас тока по величине. Данные о требованиях по току для конкретной ИС могут быть получены из руководств, например The TTL Data Book, выпущенного фирмой Texas-Instruments.
Коэффициент объединения и коэффициент разветвления
Коэффициент объединения определяет количество входных сигналов, которые могут поступать па используемую ИС. Коэффициент разветвления показывает,
на сколько устройств может поступать сигнал с вы* хода рассматриваемой ИС, Типичная величина ко? эффициента разветвления у ТТЛ-схем равняется 10* Это означает, что с одного выхода ТТЛ ИС сигнал может подаваться на 10 ТТЛ ИС. Коэффициент разветвления у КМОП-схем намного больше, чем у ТТЛ* схем, и составляет 50, что объясняется очень малой величиной возбуждения, требуемой для работы КМОП ИС.
Коэффициент объединения, как правило, равняет， ся 1, поскольку каждый вход обычно имеет свой соб* ственный источник возбуждения. Если же на одну ИС поступают сигналы с нескольких источников, следует принять специальные меры, чтобы исключить возможность смешивания или потери этих сигналов.
Условия переключения
Для нормальной работы большинства ИС ТТЛ необходимо, чтобы поступающий на них сигнал имел прямоугольную форму. Часто оказывается, что триггеры, счетчики, регистры сдвига «отсчитывают» любой поступающий на них импульс, даже вызванный искажениями сигнала при передаче. Ложное срабатывание этих устройств происходит по той причине, что они способны реагировать даже на очень короткие (по длительности) импульсы. Одним из источников ложных импульсов являются механические клкн чи.《Дребезг》， который происходит при открывании или закрывании механического ключа, показан на рис. 3.18. На нем же приведен тип схемы, используемой для подавления дребезга. В определенных типах ТТЛ-схем, в которых применяются механические ключи, необходимо предусмотреть очистку сигнала от дребезга (получение установившегося режима). Ложные импульсы могут также быть вызваны слишком высокими требованиями по току, необходимому для работы нескольких интегральных схем. Эти импульсы, представляющие собой обычно нежелательные им* пульсы неизвестного происхождения, принято назы* вать 《всплесками》. Трудности такого рода разрешаются, как правило, с помощью подключения шунтирующих конденсаторов к положительным выводам
®
* ЛI* ЛI.Дребезг.ДребезгНет дребезга.Нет дребезга.一 на клейму（+）一 на клейму（+）Хтои замыкается, на клемму оХтои замыкается, на клемму о
* ЛI
* ЛI
.Дребезг
.Дребезг
Нет дребезга.
Нет дребезга.
一 на клейму（+）
一 на клейму（+）
Хтои замыкается, на клемму о
Хтои замыкается, на клемму о
Рис. 3 18.
А — иллюстрация явления дребезга при использовании механического ключа; В—схема устранения дребезга контактов при использовании механического ключа.
питания примерно каждой пятой ИС. Емкости шунтирующих конденсаторов должны быть небольшими, порядка 0,01 мкФ,
Вывод информации
Отображение логического состояния ИС ТТЛ обычно осуществляется с помощью светодиода. В тех случаях, когда переключение в схеме происходит
(~\ЛА—0(~\ЛА—0уу77㈠Истоковая ИС㈠Истоковая ИССветодиодСветодиод丄丄
(~\ЛА—0
(~\ЛА—0
у
у
7
7
㈠
Истоковая ИС
㈠
Истоковая ИС
Светодиод
Светодиод
丄
丄
Рис. 3 19 Примеры интегральных схем, играющих роль источника и приемника тока.
Стрелка показывает направление тока для каждого случая.
медленно, скажем с частотой меньше 1 Гц, включение светодиода последовательно с ограничивающим резистором в 333 Ом позволяет контролировать работу схемы в течение продолжительного времени.
Если желателен вывод информации в цифровой форме, то, вероятно, лучшим решением будет использование семисегментного индикатора с интегральной схемой запуска. Большинство светодиодных индикаторов хорошо работает от выходного сигнала ИС ТТЛ напряжением 5 В. В1 некоторых случаях ток вытекает из ИС (называемой истоковой ИС), в других — втекает 6 ИС. Последние ИС называют стоковыми по той причине, что ток как бы 《втекает》в них. Типичные примеры тех и других схем показаны на рис. 3.19. В каждом случае интегральная схема работает в режиме переключения. Для того чтобы схема работала правильно, светодиод должен быть установлен в ней с учетом полярности. Обратите внимание, что в двух схемах на рис. 3.19 светодиоды включены в противоположных направлениях. В1 некоторых применениях,
когда схема работает с большим током или напряжением, ее включение производят с помощью специально установленного транзистора, выполняющего в данном случае функцию реле. Всегда необходимо обращать внимание на ограничения используемой ИС по выходному току. Если устройство не может выделить или потребить ток, который требуется для его нормальной работы, использование транзистора в качестве источника тока или нагрузки может быть луч* шим решением проблемы.
Глава 4
ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
‘ Эта глава посвящена работе с интегральными схемами и печатными платами (ПП). После краткого рассмотрения вопросов проектирования и изготовления печатных плат будут приведены практические рекомендации по работе с макетами, способам соединения проводов, использованию источников питания и ряду других вопросов.
В заключение будут представлены эскизы стенда для экспериментов, который предназначен для коммутации схем в упражнениях гл. 5—10. Вопросы производства печатных плат более подробно рассмотрены в книге [6].
Печатные платы
В этой главе будут описаны процессы проектирования и изготовления печатных плат, получивших в современной электронике широкое распространение. В качестве составных частей в эти процессы входит пайка, травление, сверление и применение резиста.
Прежде чем приступить к изготовлению печатной платы на омедненном куске слоистой пластмассы, необходимо нарисовать на бумаге ее эскиз. Чтобы убедиться в том, что спроектированная схема работает правильно, следует предварительно собрать ее на макете или спаять, после чего можно приступать собственно к процессу изготовления на куске пластмассы, роль проводников на котором будут играть омедненные участки поверхности печатной платы. Просверленные на плате отверстия предназначены для установки необходимых компонентов, выходные контакты которых припаиваются к меди. Законченная печатная плата не только играет роль фундамента, на котором
установлены компоненты, но также служит для образования схем путем реализации проводящих путей между компонентами.
Проектирование
Чтобы необходимые компоненты схемы можно было разместить на наименьшей площади, печатную плату перед изготовлением рекомендуется проектировать на бумаге. Изображение схемы, которая должна
Рис. 4 1. Электрическая схема, которая должна оыть размещена на печатной плате.
быть реализована на печатной плате, приведено на рис. 4.1. В этом примере важны не столько значения электрических величин используемых компонентов (резисторов и конденсаторов), сколько их физические размеры, на основе которых можно определить возможность их совместного размещения на печатной плате. Для этой цели на практике удобнее работать не с изображениями компонентов, а с самими компонентами.
Первоначальное размещение компонентов, которое является следующим шагом при проектировании печатной платы, часто в общих чертах повторяет эскиз принципиальной схемы. «Первая попытка» размещения показана на рис. 4.2, Передвижением компонентов
Рис 42 Первоначальное размещение схемы рис. 4.1.
Детали, которые показаны примерно в натуральную величину, размещаются с лицевой стороны, а правадищие аута нз меди— на аборатнай.
качество размещения может быть несколько улучшено в том смысле, что компоненты будут расположены наиболее удачно на наименьшей площади. Следует проводить размещение таким образом, чтобы избегать использования перемычек, или навесных проводников, применяемых для соединения компонентов, проводящая связь между которыми на печатной плате отсутствует. Перемычки усложняют сборку схемы, но в некоторых случаях без них в схеме невозможно обойтись. При размещении следует располагать все входные и выходные контакты печатной платы ближе к ее краям и избегать направления проводников в центр платы. Соблюдение этих требований упростит диагностику отказов впоследствии.
Улучшенный вариант размещения изображен на рис. 4.3, где показаны обе стороны печатной платы. Следует убедиться в том, что бескомпонентная сто* рона печатной платы разработана правильно, поскольку она войдет в окончательный вариант размещения в неизменном виде. Практика показывает, что начинающему проектировщику для получения хоро-
Рис. 4 3. Лицевая (а) и оборотная (6) стороны окончательного варианта размещения для печатной платы, показанные в натуральную величину.
Изготовление печатной платы будет начинаться с оборотной (бескомпанент- Ной) стораны.
шего размещения обычно требуется порядка трех попыток, в то время как опытный проектировщик может найти хорошее размещение с первого раза.
Резист
После того как размещение проводящих слоев на бескомпонентной стороне печатной платы завершено, его необходимо проверить еще раз, используя красный карандаш и принципиальную схему. Этой
проверкой не следует пренебрегать, так как лучше обнаружить ошибки на данной стадии проектирования, чем после того, как будет получена завершенная печатная плата.
Если ошибок нет, можно приступить к процессу травления. Резист представляет собой кислотостойкий материал, который наносят на медь в соответствии с размещением, полученным для бескомпонентной сто* роны печатной платы. Назначение резиста состоит в том, что он препятствует вступлению травителя в контакт с медью, которой покрыта поверхность печатной платы, в результате чего участки «защищенной» меди остаются на плате, а «незащищенной»—* очищаются. Получившийся рисунок покрытия фактически эквивалентен совокупности проводников принципиальной схемы.
В качестве резиста могут быть использованы многие материалы. К ним можно отнести большинство эмалей, лаков для ногтей и т. д. Специально для нанесения резиста разработано устройство, напоминающее по форме карандаш, которое может быть приобретено в большинстве радиомагазинов.
Рассмотрим процесс нанесения резиста подробнее. Прежде всего необходимо очистить поверхность меди мелкозернистой шкуркой. Затем на поверхность меди помещают рисунок бескомпонентной стороны, выполненной в натуральную величину, после чего на медь в местах сверления через бумагу наносят отметки с помощью керна. Далее рисунок размещения убирается с поверхности меди и служит в качестве указателя для соединения отметок материалом резиста. В1 результате на бескомпонентной стороне печатной платы получается необходимый рисунок. Следует иметь в виду, что перед тем, как приступать к травлению, следует подождать, пока резист высохнет. В некоторых случаях он высыхает почти мгновенно, в других его необходимо высушить или прокалить,
Травление
Травление представляет собой процесс удаления ненужной медной фольги с печатной платы. Веществом, с помощью которого осуществляется травление^
Рис. 4.4. Дешевое устройство травления распылительного типа, используемое при изготовлении печатных плат небольших размеров.
Он вмещает до 8 л травителя (фото Мери Дункаи из Oswego Learning Resources Center).
обычно служит слабая кислота. Для этого печатную плату помещают в ванну с травителем, который поддерживают в постоянном движении с той целью, что^ бы на место отработанного травителя для вступления в контакт с медью поступали его новые порции. Травитель также можно распылять по поверхности меди. И в том и в другом случае его температура должна составлять не менее 38 ℃, что позволит ускорить химическую реакцию и завершить процесс травления в более короткое время. На рис. 4.4 показано устройство травления распылительного типа, которое было разработано для использования в промышленной лаборатории. Это устройство, позволяющее протравить печатную плату примерно за 4 мин, содержит твердотельную1 времязадающую схему, которая автоматически выключает насос травителя по прошествии уста* новленного времени.
На практике в качестве травителей очень часто используют два вещества: хлорид железа и персульфат
аммония. Первый, применяемый наиболее широко, сравнительно недорог, но обладает способностью обесцвечивать кожу пальцев и одежду, поэтому с ним надо обращаться осторожно. Последний сравнительно прост в употреблении и позволяет получить хороший результат при травлении, однако его использование сопровождается выделением тепла, поэтому при работе с ним необходимо соблюдать меры предосторожности.
После того как процесс травления будет завершен, печатную плату необходимо промывать в холодной воде в течение по меньшей мере одной минуты для того, чтобы удалить остатки травителя. Затем резист можно будет удалить шкуркой.
Сверление
Для установки компонентов в печатной плате должны быть просверлены отверстия, что обычно де* лается с помощью высокоскоростной дрели. Люби* тельская дрель Dremel® и совместно используемые с ней тиски существенно облегчают процесс сверления. Наиболее часто используются сверла размером 0,7— 0,9 мм. Если возникают сомнения в выборе размера отверстия, необходимо измерить диаметр проводника, который должен входить в это отверстие и выбрать сверло чуть большего диаметра.
Пайка
После того как просверлены все отверстия, можно приступать к установке компонентов. Обычно деталь устанавливают таким образом, чтобы ее поверхность соприкасалась с поверхностью печатной платы, а выводы вставлялись в соответствующие отверстия. Затем вывод припаивают к залуженному отверстию, после чего выступающую часть вывода отрезают ножницами. На рис. 4.5 показана последовательность действий при размещении элементов на печатной плате: монтаж (/), пайка (2), удаление выступающей части вывода (3).
Для пайки схем на печатных платах лучше всего подходит паяльник мощностью 30 Вт. Необходимо
Монтаж
ПайкаПайкаОбрезкаОбрезка
Пайка
Пайка
Обрезка
Обрезка
Рис 4 5 Последовательность действий при припаивании компонента к печатной плате
постоянно поддерживать жало паяльника в чистоте, протирая его губкой, а в качестве флюса использовать только канифоль. Как правило, материал используемого в электронной технике припоя содержит внутри канифоль. Не следует пользоваться свинцовым припоем или кислотным флюсом. В случае применения
последнего можно повредить спаянные соединения и разрушить медь, как при травлении. Если соединение на печатной плате со временем зеленеет, значит, оно скорее всего было спаяно с помощью кислотного флюса. Канифольный флюс очищает припаиваемые контакты с той целью, чтобы припой мог крепко со единиться с проводом и медью. Для пайки большинства печатных плат используется припой, состоящий из 60 % олова и из 40 % свинца, который обес* печивает хорошую проводимость и надежное соединение.
Макетирование и экспериментирование
В этом разделе будут рассмотрены практические аспекты экспериментирования с цифровыми схемами, будут описаны два способа соединения проводов: накруткой и на протравленных печатных платах, а также будут представлены эскизы стенда для экспериментов, источника питания и магазина компонентов. Детальное ознакомление с этими структурными элементами намного облегчит проведение экспериментов и выполнение упражнений, которые будут приведены в последующих главах. В конце главы представлен список элементов схемы (конденсаторов, резисторов и интегральных схем), которые потребуются в этих упражнениях.
Первым шагом в разработке модели работающей схемы является изготовление макета, предназначенного для проверки правильности функционирования, на котором можно закоммутировать все компоненты в соответствии с принципиальной схекгой устройства. Поскольку желательно, чтобы коммутация носила временный характер, часто прибегают к использованию разъемов «макетного» типа, которые установлены на блоки, содержащие источники питания и другие функциональные устройства, необходимые для эксперимента. Большинство современных макетных панелей представляет собой перфорированные пластмассовые пульты, которые спроектированы с тем -расчетом, чтобы интегральные схемы могли быть «вставлены» без затруднений. Современная макетная па-
Рис. 4.6. Современный стенд с источником питания и широкими функциональными возможностями для испытания цифровых и электронных схем (фото Мери Дункан из Oswego Learning Resources Center).
нель, спроектированная специально для исследования цифровых электронных схем, показана на рис. 4.6.
Подача питания
Цифровым интегральным схемам ТТЛ для работы необходим регулируемый источник питания с напряжением 5 В. Даже в том случае, когда для питания используются батареи, напряжение должно быть регулируемо для того, чтобы изменения напряжения, происходящие вследствие изменения тока, не оказывали влияния на работу схем цифровой логики. Принципиальная схема регулируемого источника питания с напряжением 5 В, который может быть использован для экспериментов с большинством ТТЛ-схем, показана на рис. 4.7. Этот источник питания при совместной работе с регулятором типа 7805 может давать ток до 750 мА при регулируемом напряжении
o+
Регули- + руемый ~ выход 5 В
Мостиковый конденсатор выпр.
Рис. 4.7. Принципиальная схема регулируемого источника посто
янного напряжения 5 В.
в 5 В. В случае если необходима величина выходного тока в 1 А, можно воспользоваться регулятором типа LM309K. При этом трансформатор и выпрямитель также должны быть рассчитаны на работу с током 1 А. Ниже будут приведены детали конструкции такого источника.
Соединение проводов скручиванием
Способ соединения проводов скручиванием находит широкое распространение как в промышленности (особенно в вычислительной технике), так и среди радиолюбителей. Он является альтернативным пайке, и, для того чтобы им воспользоваться, обычно необходим провод примерно 36-го калибра (диаметр 0,12 мм). Механическое устройство, снимающее на проводе изоляцию для обеспечения хорошего электрического контакта с соединительным штифтом, на
Рис. 4.8. Устройство slit-n-wrap для снятия изоляции с провода Для обеспечения хорошего электрического контакта со штырьком, на который он накручивается (с любезного согласия 而нрмн Vector Electronics Со., Inc.).
Рис. 4.9. Соединение нескольких штырьков методом скручивания (с любезного согласия фирмы Vector Electronics Со., Inc.).
Слева показано увеличенное изображение штырька (в разрезе) после накрутки изолированного провода Tefzel.
Phq 4.10. Ручной инструмент для соединения проводов методом скручивания (с любезного согласия фирмы OK Machine and Tool Corp.).
который он будет накручиваться, показано на рис. 4.8< На рис. 4・9 изображено, как накручивать провод вокруг штифта. В соответствии со схемой соединения провод направляют от штифта к штифту, которые обычно нумеруются, чтобы свести ошибки в соединении к минимуму. Для этой же цели в схеме используются провода с изоляцией разного цвета.
Более совершенный ручной инструмент для скру* чивания, который быстрее большинства других, по-， казан на рис. 4.10. Когда необходимо проделать большой объем работы по соединению проводов, большую помощь могут оказать электрические инструменты для скручивания. В общем случае для реализации рассмотренного способа соединения проводов требуются специальные контакты, панели и разъемы с рыводными штифтами, которые можно приобрести в большинстве радиомагазинов.
Диагностика
Перед тем как приступить к макетированию схемы, следует проверить правильность соединений компонентов путем отслеживания красным карандашом ли- Нн立 на принципиальной схеме. При макетировании каждый элемент вставляют в соответствующий разъем на макете, после чего элементы соединяют между собой проводами-перемычками согласно принципиальной схеме. По мере установки проводов-перемычек рекомендуется отмечать красным карандашом соответствующие им линии на принципиальной схеме. Когда все они отмечены, это означает, что схема сма* кетирована. Теперь можно приступать к ее тестированию. Хотя метод макетирования с использованием красного карандаша может показаться утомительным, усилия будут вознаграждены тем, что схема с боль* шой степенью вероятности с первого раза будет ра* ботать правильно. Если же смакетированная схема работает неправильно, следует просто проделать следующие операции для поиска возможных источников бшибок.
Проверьте работу источника питания. Убеди* ^есь, что на соответствующих выводах каждой И« йапряжение составляет 5 В, Для этого лучше всегд
воспользоваться вольтметром постоянного тока или светодиодом с включенным последовательно резисто* ром.
Удостоверьтесь в том, что все выводы ИС действительно вставлены в соответствующие им отверстия. Бывает, что вывод интегральной схемы подги* бается и не дает контакта. Снимите интегральные схемы и проверьте выводы. Если некоторые из них подогнуты, осторожно распрямите их пинцетом и вставьте ИС обратно на места.
Убедитесь в том, что интегральные схе+ мы расположены правильно, т. е. так, что пер* вый вывод ИС соответствует первому отверстию разъема.
Проверьте, все ли отверстия разъемов макета имеют внутри и в окрестности слой проводящего материала, который иногда может быть поврежден или отсутствовать.
Проверьте, правильно ли работают сами эле^ менты (интегральные схемы, резисторы, конденсато* ры). Убедитесь, что конденсаторы, имеющие отметку полярности (особенно большие электролитические конденсаторы), установлены правильно. -Покомпонентное тестирование схемы лучше всего проводить, отслеживая прохождение сигнала в схеме цифровым логическим пробником или другим устройством, предназначенным для этой цели. Если такого инструмента нет в наличии, схему можно тестировать заменой спорных компонентов на имеющиеся под рукой заведомо исправные.
6 Еще раз проверьте, правильно ли соединены между собой элементы схемы, поскольку теверная коммутация часто служи/г источником ошибок. Например, можно ош!Йочно вставить проводник з отверстие 10 вместо отверстия 11. Вообще было 'бы неплохо, если бы кто-либо другой имел возможность проверить вашу схему, используя красный карандаш и принципиальную схему.
Макетирование часто используется при проектировании новых схем. Преимущество этого процесса, который сводится к коммутации компонентов на панели, заключается в простоте внесения изменений в схему и возможности немедленного наблюдения
wsij
Рис. 4.11. Магазин для хранения установленных на нем компонентов, каждый из которых может вставляться и выниматься до тех пор, пока не износится наружный слой пластмассы (фото Мери Дункан из Oswego Learning Resources Center).
Рис. 4.12. Способ хранения магазинов компонентов, каждый из которых пронумерован, чтобы их можно было легко отличить Друг от друга (фото Me;ри-Дункан из Oswego Learning Resources Center).
Рис. 4.13. Лист бумаги, предназиачеииый для обозначения используемых компонентов^ его можно приклеивать иа лицевую часть магазина.
Отверстия проделываются самими компонентами при нх установке на панель.
Рис. 4.14. Вид эксперил!енгального стенда с источником питания. Слева изображен отсек для хранения запасных проводов (фото Л^ери Дункан нз Oswego Learning Resources Center).
Рис. 4.15. Внутренний вид экспериментального стенда с источником питания.
Показано изображение источника питания и трансформатора (фото Мери Дункан нз Oswego Learning Resources Center).
Рис. 4.16. Общие размеры (в см) экспериментального стенда с источником питания (масштаб не соблюден).
полученных результатов. После того как макетирование устройства завершено, вычерчивается его принципиальная схема для дальнейшего изготовления/
Экспериментальный стенд
В этом разделе представлен ориентировочный проект недорогого стенда для экспериментов, предназначенного для того, чтобы оказать помощь в выполнении упражнений, приведенных в следующих главах. Стенд состоит из двух частей: коммутационной панели с источником питания' и магазина .компонентов. Последний с установленными на него деталями показан на рис. 4.11. Магазин выполнен из дерева, к которому приклеен кусок полистирола толщиной около 1 см. На пластмассу наложен лист бумаги с условными обозначениями используемых элементов, который в случае изнашивания может быть заменен, так же как и лист пластмассы, отверстия на котором станут слишком большими от длительного употребления. На рис. 4J2 показан способ
Рис. 4.17. Изображение оборотной стороны печатной платы источника питания в натуральную величину.
Рис. 4.18. Изображение лицевой стороны печатной платы источника питания в натуральную величину.
расположения нескольких магазинов компонентов для хранения. Изображение лицевой панели приведено на рис. 4.13.
Экспериментальный стенд с источником питания показан на рис. 4.14. Его вид с обратной стороны изображен на рис. 4.15, где можно увидеть печатную плату и трансформатор. Общие размеры этого устройства показаны на рис. 4.16. В качестве разъема используется устройство Proto-Board® 100. Изображение обеих сторон печатной платы источника питания в натуральную величину приведено на рис. 4.17 и 4.18,
Компоненты
Ниже приведен список деталей, необходимых для выполнения упражнений в последующих -главах. Резисторы могут иметь мощность 0,5 Вт и допуск в 10%, а конденсаторы рассчитаны на напряжение 20 или 25 В (если не указано другое).
КоличествоОписание
11 11 ол 11 4* 11 «1 11 О1 11 11 11 1Л 11 11 1111 11 ол 11 4* 11 «1 11 О1 11 11 11 1Л 11 11 11Потенциометр, 5 МОм
11 11 ол 11 4* 11 «1 11 О1 11 11 11 1Л 11 11 11
11 11 ол 11 4* 11 «1 11 О1 11 11 11 1Л 11 11 11
Резистор, 330 Ом
Резистор, 1 кОм
Резистор, 1,5 кОм
Резистор, 2,2 кОм
Резистор, 10 кОм
Резистор, 100 кОм
Резистор, 220 кОм
Резистор, 470 кОм
Резистор, 1 МОм
Резистор, 4,7 МОм
Светодиод (красный)
ДинамЪк сопротивлением 8 Ом (диаметр 50 мм)
Электролитический конденсатор емкостью 1 мкФ
Электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ
Дисковый конденсатор емкостью 0,1 мкФ 7-сегментный светодиод MAN-1
Переключатель двухполюсный двухперекидиой Таймер ИС 555
ИС 7400 (4 вентиля И-НЕ с 2 входами)
ИС 7402 (4 вентиля ИЛИ-HE с 2 входами)
ИС 7404 (6 инверторов)
ИС 7432 (4 вентиля ИЛИ с двумя входами)
ИС 7447 (преобразователь двоично-десятичного ко* да в 7-сегментное представление числа)
ИС 7474 (двойной триггер D-типа)
ИС 7476 (двойной триггер JK-типа)
ИС 7486 (4 вентнля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ)
ИС 7490 (десятичный счетчик)
ИС 74192 (реверсивный десятичный счетчик с предва* рительной установкой кода)
Экспериментальный стеид с источником питания
Разъемное устройство Proto-Board ® 100
Держатель предохранителя на 1 А
Соединительный шнур со штепсельным разъемом
Экспериментальный стенд с источником пи гания
1
Миниатюрный переключатель двухполюсный двухперекидной
1
Понижающий трансформатор переменного тока со 120 В до 6 или 12 В, 1 А
]
Мостиковый выпрямитель, 1 А, 50 В пикового ин-< версного напряжения
1
Электролитический конденсатор емкостью 2000 мкФ, 25 В
1
1
5 вольтовый регулятор LM309K
Резистор 220 Ом, 0,5 Вт
Различные бруски дерева, провода, соединители, на< бор печатных плат, припой, аппаратура
Глава 5
УПРАЖНЕНИЯ С ВЕНТИЛЯМИ
В связи с тем что логические вентили И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-HE и инверторы предназначены для реализации логических функций с помощью электронных схем, они составляют основу устройств циф^ ровой вычислительной техники. Ниже в этой главе будет показано, как реализовать любую из приведенных логических функций на интегральных схемах трех типов. Для индикации выходного сигнала будет использоваться светодиод, выключенное состояние которого будет представлять сигнал низкого уровня [(логический 0), включенное ——сигнал высокого уровня ](логическая 1). Такое соответствие уровней сигналов логическим состояниям характерно для системы по^ ложительной логики, которая будет применяться во всех упражнениях этой главы.
Важно помнить, что со светодиодом нельзя работать без включенного последовательно с ним резистора, играющего роль огранрщителя тока, сопротивление которого для тех случаев, когда напряжение пи* тания не превышает 5 В, может составлять 330 Ом. Если ограничивающий резистор не включить в схему, через светодиод потечет избыточный ток, который приведет к его выходу из строя.
На рис. 5.1 представлена внутренняя структура и расположение выводов трех интегральных схем, которые понадобятся при выполнении последующих упражнений. При сборке схем, когда придется соединять интегральные схемы между собой, этот рисунок окажет большую помощь. При подключении интегральных схем к источнику питания необходимо внимательно следить за соблюдением полярности: отрицательный полюс источника соединить с выводом 7, положительный ——с выводом 14.
Рис. 5.1. Внутренняя структура и расположенне выводов инге* гральных схам? используемых в гл. 5.
Упражнения в этой и последующих главах разработаны с тем расчетом, чтобы дать возможность применить на практике те сведения по цифровой технике, которые были приведены в первых четырех главах этой книги. Каждая серия упражнений завершается небольшим набором тестов, предназначенных для проверки понимания рассмотренных вопросов. Следует обратить внимание на ю, что ответить на все вопросы и проанализировать результаты не менее важно, чем выполнить }7пражнения. Неудачные ответы на вопросы будут означать, что теорию необходимо повторить, после чего выполнить упражнения еще раз. Напомним, что вопросы теории логических функций и схем, используемых в упражнениях, рассмотрены в гл. 2 и 3. Для проверки правильности ответов на вопросы в конце книги приведены ответы.
Упражнения с логическими вентилями
После выполнения этих упражнений вы должны уметь:
Различать символы, принятые для обозначения схем цифровой логики, таких как И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-HE и инверторы
Применять распространенные логические вентили на интегральных схемах для реализации логических функций типа И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-HE и инверсии, которые заданы своими таблицами истинности.
Проектировать комбинационные вентильные схемы, реализующие логические функции нескольких различных типов, которые заданы в стандартном виде.
Понимать и иметь возможность реализовывать функцию ИЛИ на вентилях И-НЕ и функцию И на вентилях ИЛИ-НЕ.
Необходимые элементы
Четыре вентиля И-НЕ (ИС 7400);
четыре вентиля ИЛИ-HE (ИС 7402);
шесть инверторов (ИС 7404); светодиод;
резистор 330 Ом;
стенд для эксперимента и источник питания (напря“ жением 5 В).
Соберите схему, представленную на рис. 5.2, с ис- пользованием одного вентиля и ИС 7400. Проверьте,
АВС0 01101 0 0АВС0 01101 0 0Рис. 5.3Рис. 5.3
А
В
С
0 0
1
1
0
1 0 0
А
В
С
0 0
1
1
0
1 0 0
Рис. 5.3
Рис. 5.3
чтобы положительный полюс источника питания был подсоединен к выводу 14, а отрицательный — к выводу 7. Используя проводники от источника питания, подавайте в точки А и В сигналы в соответствии с таблицей истинности, приведенной на рис. 5.3, имея в виду, что положительный потенциал представляет логическую 1, а отрицательный (нулевой)——логический 0. Включенное состояние светодиода будет означать наличие на выходе С схемы логической 1, выклю* ченное — логического 0.
Заполните столбец С на
рис. 5.3 нулями или единицами в соответствии с ре』 зультатами работы с вентилями.
Напишите корректное логическое выражение для таблицы истинности на рис. 5.3.—
С =(инверсия А записывается А),
Как называется эта операция?,
Не разбирая предыдущую схему, соберите новую, как показано на рис. 5.4.
Заполните таблицу истинности на рис. 5.5, подавая сигналы с различными логическими уровнями на входы и фиксируя уровни сигнала в точках С н D
А
В
С
D
0 0
1 j
0 /
0
Рис. 5.5
330 0/и330 0/иРис. 5.4Рис. 5.4
330 0/и
330 0/и
Рис. 5.4
Рис. 5.4
Напишите логическое выражение для таблицы Истинности на рис. 5.5:
6・ Как называется функция в точке D?
Обсуждение результатов
Обратите внимание, что, хотя схема построена на вентилях И-НЕ, в результате получается функция И. Действительно, выходной сигнал вентиля И-НЕ инвертируется, 《口Е》отбрасывается, и в итоге выходной сигнал в точке D схемы на рис. 5.4 представляет собой функцию логического И. Инвертирование было реализовано путем объединения входов второго вентиля И-НЕ. Продемонстрированную в этом упражнении функцию можно изобразить одним из трех способов, показанных на рис. 5.6, которые эквивалентны между собой.
Соберите схемы, показанные на рис. 5.7 и 5.9. Убедитесь в том, что источник питания подключен к используемым ЙС правильно.
Рис. 5 6
Заполните таблицы истинности (рис. 5.8, 5.10) для каждой из упомянутых схем.
Как видно из таблицы истинности на рис. 5.8, в качестве инвертора также может быть использован вентиль ИЛИ-HE. Действительно, функция, представленная таблицей истинности на рис. 5.10 и соответствующая инвертору на ИС 7404, эквивалентна логической функции, выполняемой вентилем ИЛИ-НЕ из ИС 7402. При проектировании цифровых устройств на интегральных схемах принято в случае необходимости использовать свободные вентили И-НЕ или ИЛИ-HE в качестве инверторов. Такая необходимость возникает, когда требующееся проектировщику количество инверторов превышает имеющееся на ннте* гральной схеме. В одном корпусе ИС 7404 содер*
жится 6 инверторов, поэтому она широко используется в цифровых устройствах.
АВс000I011АВс000I011Рис. 5 13Рис. 5 13
А
В
с
0
0
0
I
0
1
1
А
В
с
0
0
0
I
0
1
1
Рис. 5 13
Рис. 5 13
Соберите схему, показанную на рис. 5.11, в которой используются вентили ИЛИ-HE ИС 7402.
Заполните таблицу истинности на рис. 5.12, подавая сигналы различного уровня на входы вентиля и записывая состояние выходного сигнала.
Напишите логическое выражение для таблицы истинности на рис. 5.12：_
С = или С =
=Рис. 5 12
Как называется логиче
ская функция, представленная таблицей истинности на рис. 5.12?
Что представляет схемы на рис. 5.14?Что представляет схемы на рис. 5.14?Соберите схему, показанную на рис. 5.13. Подавая различные логические сигналы на выходы, заполните таблицу истинности на рис. 5.14.Напишите логическое выражение для выхода D в таблице на рис. 5.14：D ==собой функция в точке DСоберите схему, показанную на рис. 5.13. Подавая различные логические сигналы на выходы, заполните таблицу истинности на рис. 5.14.Напишите логическое выражение для выхода D в таблице на рис. 5.14：D ==собой функция в точке D
Что представляет схемы на рис. 5.14?
Что представляет схемы на рис. 5.14?
Соберите схему, показанную на рис. 5.13. Подавая различные логические сигналы на выходы, заполните таблицу истинности на рис. 5.14.
Напишите логическое выражение для выхода D в таблице на рис. 5.14：
D ==
собой функция в точке D
Соберите схему, показанную на рис. 5.13. Подавая различные логические сигналы на выходы, заполните таблицу истинности на рис. 5.14.
Напишите логическое выражение для выхода D в таблице на рис. 5.14：
D ==
собой функция в точке D
Обсуждение результатов
Как видно из только что выполненного упражнения, при инвертировании выходного сигнала вентиля ИЛИ-HE в результате получается функция, эквива^ лентная выполняемой вентилем ИЛИ. В' данном случае вентиль ИЛИ-HE играет роль инвертора, полученного объединением двух входов. Этот способ аналогичен примененному в упражнении с вентилем И-НЕ, который показан на рис. 5.5. Полученная логическая функция может быть изображена с помощью одной из трех эквивалентных схем, приведенных на рис. 5.15.
Рис. 5.15
Рис. 5.16Рис. 5.16
Рис. 5.16
Рис. 5.16
Соберите схему, показанную на рис. 5.16.
Заполните таблицу истинности на рис, 5.17#
Рис. 5.17Рис. 5.17
Рис. 5.17
Рис. 5.17
Какое логическое выражение соответствует функции, представленной на рис. 5,17? С =
Чему равна функция в точке С?
Соберите схему, как показано на рис. 5.18.
Заполните таблицу истинности на рис. 5,19.
А
В
С
0
0
0
j
[
1
0
1
Рис. 5.19
Что представляет собой логическое выражение для функции на рис. 5.19: С =
Чему равна функция в точке С?
Обсуждение результатов
Как видно из рис. 5.17 и 5.19, функции И и ИЛИ могут быть получены инвертированием входных сигналов определенных вентилей. Так, на рис. 5.20 по- казан способ реализации функции ИЛИ на вентилях
И-НЕ. Очевидно, что при инвертировании сигналов на входах вентиля И-НЕ в результате на выходе получится функция ИЛИ. Аналогичный способ реализации функции И с помощью вентилей ИЛИ-HE при- веден на рис. 5.21. И снова видно, что инвертирование
Рис. 5.21
входов вентиля ИЛИ-HE дает на выходе функцию И. Хотя функции И и ИЛИ часто встречаются при описании функционирования управляющих устройств, не-
посредственно реализующие их вентили И и ИЛИ не получили широкого распространения в связи с тем, что инверсные по отношению к ним вентили И-НЕ и ИЛИ-HE проще в реализации и удобнее в работе. Поскольку не важно, каким именно способом получать необходимую логическую функцию, часто на практике оказывается полезным реализовать функции И и ИЛИ с помощью вентилей И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Соберите схемы, изображенные на рис. 5.22 и 5.24.
Заполните таблицы истинности на рис. 5.23 и 5.25.
Напишите логическое выражение для таблицы истинности на рис. 5.23: D ==
Е =
Рис 5 25Рис 5 25
Рис 5 25
Рис 5 25
Напишите логическое выражение для таблицы истинности на рис. 5.25: D =
Для каждого из приведенных ниже выражений спроектируйте и нарисуйте реализующую его логическую схему, используя для этого вентили И-НЕ, ИЛИ-HE и инверторы,
а)五 + ВС = D; б) АВ + CD = Е; s) АВ + С = D.
Тесты
Выберите ответ, кажущийся вам наиболее пр а， вильным среди перечисленных, обведите стоящую перед ними букву кружком.
Символ, используемый для обозначения логической функции, выполняемой вентилем И, выглядит следующим образом：
2. Какой ответ представляет корректное булево истинности?
А
В
с
0
0
0
0
0
j
0
0
1
1
Какая из приведенных схем не является инвертором:
Инвертирование входов вентиля И-НЕ изменяет его функцию на функцию:
вентиля И2
вентиля ИЛИ,
проинвертированного вентиля И, г) вентиля ИЛИ-НЕ,
вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
Инвертирование входов вентиля ИЛИ-HE изменяет его функцию на функцию:
)вентиля И, вентиля ИЛИ, вентиля ИЛИ-НЕ, проинвертированного вентиля И, вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Какое из перечисленных ниже выражений является правильным представлением следующего выражения: НЕ А, ИЛИ НЕ В, И С РАВНО D?
a) AB + C = D，夕, + B + C=D, в) ABC = D, а) А + ВС = D, 0) А == ВС = D.
Какой из приведенных символов используется для обозначения вентиля ИЛИ-НЕ?
с=О
е・=£>—
Нарисуйте схему, реализующую следующее ло* гическое выражение: А + ВС ~ D. Используйте лишь вентили ИЛИ-HE или И-НЕ и обозначьте все входы и выходы.
Заполните таблицу истинности для следующего логического вентиля:
ввАА
в
в
А
А
Заполните таблицу истинности для следующего логического вентиля:
А
В
с
□ О 1 1
0 1
0
1
Глава 6
Относясь к одному из основных элементов вычис- ли1ельной техники, триггер находит в ней самые разнообразные применения. Триггеры часто используются прп построении устройств, предназначенных для счета цифровых сигналов. Когда необходимо выделить серию цифровых импульсов из их неограниченной последовательности, вырабатываемой, например, генератором, триггеры могут применяться в качестве устройств, определяющих начальный и конечный импульс серии. В схемах с цифровыми ключами триггеры могут служить для подавления дребезга электрического сигнала, возникающего при замыкании и размыкании ключей. В устройствах индикации выходной информации триггеры играют роль《защелок》, которые хранят последние поступившие на них при считывании цифровые сигналы. Одним из основных типов триггеров является RS-триггер, схема которого представлена на рис. 6丄
Рис. 6.1
Как видно из рисунка, триггер состоит из двух вентилей И-НЕ, обозначенных цифрами 1 и 2, которые охвачены взаимной обратной связью. Предполо^ 128
жим^то в данный момент времени вентиль 2 триггера (Q) имеет на выходе сигнал низкого уровня (0).- Поскольку этот сигнал поступает на один из входов вентиля /, этот вентиль независимо от того, какой сигнал находится на втором его входе, дает на выходе сигнал высокого уровня (логическую 1). Если на вход R вентиля 2 подать сигнал низкого уровня, на его выходе появится сигнал высокого уровня, который установит вентиль 1 в состояние логического 0? Очевидно, что являясь противоположными по своему логическому уровню, сигналы на двух выходах триггера не могут находиться в одинаковых логических состояниях одновременно. Эту схему можно назвать моно- стабильной, так как она сохраняет состояние, в которое была установлена, до тех пор, пока изменения соответствующих сигналов на входах R и S не заставят ее перейти в другое.
Особенностью этой схемы, которая может привести к неприятным последствиям, является то, что если сигналы на входах S (установка) и R (сброс) имеют один и тот же уровень2), состояние триггера является непредсказуемым. Триггер D-типа имеет по сравнению с RS-триггером то преимущество, что он может быть «синхронизирован» таким образом, что изменение его состояния станет возможным лишь при подаче импульса от генератора на вход синхронизации.
В интегральной схеме 7474, внутренняя структура и расположение выводов которой показаны на рис. 6.2, содержатся два D-триггера, управляемых по переднему фронту сигнала синхронизации 3\
При изменении сигнала синхронизации, поступающего на вход CLK триггера, из состояния низкого в состояние высокого уровня, сигнал со входа D пере* дается на его выход. Сигнал низкого уровня на входе R (reset — сброс) устанавливает выход Q в состояние низкого уровня, Q — высокого, а сигнал низкого уров-
1)При наличии на другом входе вентиля / сигнала высокого уровня. — Прим. ред.
力 Имеется в виду высокий уровень; при наличии сигналов низкого уровня триггер сохраняет свое состояние. — Прим, ред^ з)Триггеры, управляемые передним или задним фронтом сигнала синхронизации, в отечественной литературе называют триггерами с динамическим управлением записою. — Прим, ред^
(СБРОС)
(ТРИГГЕР 1)
Рис. 6.2
ня на входе S (set — установка) переводит триггер в единичное состояние (Q = 1, Q = 0). Установочными входами пользуются в тех случаях, когда необходимо одновременно установить или сбросить несколько соединенных между собой триггеров. Следует помнить, что сигналы на входах S n R не должны быть низ- кого уровня одновременно, так как в этом случае триггер будет неуправляемым. Рассмотренный триггер D-типа может изменить свое состояние только при переходе сигнала синхронизации (в данном случае из низкого уровня в высокий), поэтому его называют триггером, управляемым передним фронтом сигнала синхронизации.
JK-триггер представляет собой другой тип синхронного триггера. Внутренняя структура и расположение выводов интегральной схемы 7476, содержащей два JK-триггера, представлены на рис, 6.3, 130
Условия перехода этого триггера в то или иное состояние (Q и Q) при подаче сигнала синхронизации определяются уровнями логических сигналов на входах J и К. Если оба сигнала на этих входах имеют низкий уровень, поступающий сигнал синхронизации не окажет влияния на состояние выходов Q и Q и триггер останется в том же логическом состоянии, какое он имел до прихода сигнала синхронизации. Отсюда очевиден простой способ поддерживания триггера в необходимом состоянии. Если же на вхо* ды J и К подан сигнал высокого уровня, каждый сигнал синхронизации будет переводить триггер в противоположное состояние. В результате сигнал на выходе будет периодическим с частотой, в два раза меньшей частоты сигнала синхронизации.
Если J = 1 и К = 0, сигнал синхронизации установит триггер в состояние Q = 1 и Q = 0. Если J =0 и К = 1, сигнал синхронизации переведет триггер в состояние Q = 0, Q = 1.
Аналогично D-триггеру у JK-триггера, когда сигнал низкого уровня имеет на входе《сброс》или суста-
новка》，происходит соответственно сброс (Q = О, ◎ = 1) или установка (Q = 1, Q = 0), причем наличие двух сигналов логического нуля одновременно на обоих установочных входах является запрещенной комбинацией. Рассмотренные интегральные схемы 7474 и 7476 могут работать на частотах до 20 Мгщ
Упражнения с триггерами
В результате выполнения упражнений этой главы вы должны научиться:
объяснять принцип работы D- и JK-триггеров на интегральных схемах;
проектировать и налаживать различные схемы на триггерах, заданные таблице переходов;
проектировать и налаживать ключ без дребезга на основе RS-триггера;
собирать простой счетчик на основе JK-тригге-* ра (схему деления частоты входного сигнала на 2).
Требуемые элементы
Четыре вентиля И-НЕ (ИС 7400);
два D-триггера (ИС 7474);
два JK-триггера (ИС 7476);
светодиод (4);
таймер 555 (1);
резистор 1 МОм (1);
резистор 470 кОм (1);
конденсатор емкостью 1 мкФ;
стенд и источник питания 5 В постоянного тока.
ИС 7400
На основе ИС 7400, содержащей 4 вентиля И-НЕ, соберите схему, которая изображена на рис. 6.4. Вь卜 воды《+》и《一》должны быть подключены к соот* ветствующим клеммам источника питания. Если вы забыли порядок расположения выводов интегральной схемы, обратитесь к рис. 5.1.
Заземлите (подключите к клемме 《——》 источника питания) точку А. Каким будет состояние све^
Рис. 6 4
тодиодов?
Q =>
Q =
Отсоедините《землю》от точки А и подсоедините ее к точке В. Запишите состояние светодиодов:
Q = ,
Q =
Обсуждение результатов
Отсоедините светодиод от выхода Q. Наблюдая за состоянием другого светодиода и зная, что два выхода триггера инверсны друг другу, можно легко определить состояние триггера. Если заземлить точ- ку А (скажем, нажатием кнопки), выход Q будет «включен» (в состоянии высокого уровня), если же заземлить точку В, выход Q «^выключится» (перейдет в состояние низкого уровня). Поскольку переключение сигнала из высокого уровня в низкий и наоборот происходит очень быстро, эту схему целесообразно использовать в качестве ключа, который в от* личие от механического не дает при переключении дребезга, вызывающего нежелательные явления в электронных схемах.
ИС 7474
Соберите схему на основе ИС 7474, содержащей один триггер, как показано на рис. 6 5. Чтобы не ошибиться в подключении выводов, вернитесь к рис. 62 Не забудьте подключить питание.
Заземлите вход СБРОС, Запишите состояние светодиодов:
Q =,
Q =
Отсоедините землю от входа СБРОС и заземлите вход УСТАНОВКА. Запишите состояние светодиодов;
Q =,
Q —
Отключите от земли вход УСТАНОВКА и заземлите вход D. Заземлением входа УСТАНОВКА переведите триггер в состояние Q = 1, Q = 0. (Это состояние назовем «предыдущим состоянием^.) Заземлите вход СИНХРОНИЗАЦИЯ. При разрыве этой связи сигнал синхронизации будет переходить в со-
стояние высокого уровня. В качестве источника синхроимпульсов можно также использовать ключ без дребезга.
Запишите состояние светодиода:
Предыдущее состояние Последующее состояние
Q в 1,Q =,
Q — О,Q =
Подайте в точку D сигнал высокого уровня (1* после чего заземлите вход СБРОС. Таким образом будет установлено «предыдущее состояние».
Осуществите на входе СИНХРОНИЗАЦИЯ переход сигнала в состояние высокого уровня (1) и за* пишите состояние светодиода:
Предыдущее состояние Последующее состояние
Q = 0,Q =,
Q = l,Q=
Обсуждение результатов
Как должно было показать последнее упражнение, заземление входа УСТАНОВКА переводит триггер в состояние Q = 1, Q = 0, а заземление входа СБРОС — в состояние Q = О, Q = L Из него также видно, что сигнал со входа D передается на выход Q при переходе сигнала синхронизации из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня, который носит название «управление по переднему фронту».
Схема 555
Закоммутируйте таймер 555 и ИС 7474 по схеме, приведенной на рис. 6.6. Схема 555 будет играть роль генератора импульсов синхронизации прямоугольной формы, поступающих на ИС 7474 с частотой 1 Гщ После включения питания наблюдайте за тремя светодиодами.
Отсчитайте в точке А десять импульсов и посмотрите, сколько раз сигнал изменит свое состояние на выходах Q и Q. Заполните столбцы Q и Q на рис. 6.7 в соответствии с полученными результатами.
Рис. 6.6Рис. 6.6А а 3H^ny/IbCbl 10А а 3H^ny/IbCbl 10Рис. 6.7Рис. 6.7
Рис. 6.6
Рис. 6.6
А а 3
H^ny/IbCbl 10
А а 3
H^ny/IbCbl 10
Рис. 6.7
Рис. 6.7
8・ Совпадает ли частота импульсов в точке А в частотой импульсов в точках Q и Q?
Обсуждение результатов
Схема, представленная на рис. 6.6, при поступлении очередного сигнала синхронизации изменяет свое состояние на противоположное. При наличии несколь* ких сигналов синхронизации с помощью комбинационной схемы можно выбрать передний фронт одного из них, необходимый для переключения. Поскольку выходной сигнал D-триггера отслеживает входной '^ схема фактически играет роль повторителя. При по-* Ступлении одиночного положительного импульса на вход синхронизации D-триггер принимает («защелки-
"При наличии сигнала высокого уровня на входе синхронизации.—Прим. ред.
вает》) сигнал, находящийся в данный момент на его входе D. Если это, скажем, сигнал высокого уровня, то его переход в состояние низкого уровня не изменит состояния D-триггера до прихода следующего импульса синхронизации. Эта особенность D-триггера позволяет ему реализовать функцию хранения состояний логического сигнала, зафиксированных в отдельные моменты времени. Чтобы исследовать процесс прохождения сигнала в цифровых схемах более подробно, рассмотрим следующее упражнение.
Каскадное соединение триггеров
Соберите схему на основе ИС 7474, как показано на рис. 6.8. Для этого необходимо подключить 330-омный резистор и светодиод к выводу 9 и соединить выводы 5 и 11, 12 и 8, 2 и 6. В этой схеме один триггер служит для управления другим. Чтобы избежать ошибок в коммутации, следует обратиться к схеме расположения ИС (рис. 6.2).
Подавайте на вход синхронизации последовательно по одному импульсу, что позволит наблюдать изме* нения сигналов на выходах. Это можно делать замыканием и размыканием проводника, идущего к выводу 6 схемы 555. Установите систему в такое состояние, чтобы сигналы в точках А, В и С равнялись 1 (высокий уровень). Исследуйте работу схемы в режиме пересчета, записывая изменения состояний выходных сигналов.
Рис. 6.8
Рис. 6.9Рис. 6.9"W7"/7дв)仁4)синхронизациа 77"W7"/7дв)仁4)синхронизациа 77
Рис. 6.9
Рис. 6.9
"W7"/7дв)仁4)
синхронизациа 77
"W7"/7дв)仁4)
синхронизациа 77
Запишите изменения логических состояний в таблицу на рис. 6.9.
Проходит ли сигнал из точки А в точку В?
Проходит ли сигнал из точки В в точку С?
Внимательно изучите записи, сделанные вами в таблицу рис. 69
Какая связь существует между частотой в точке Л и частотой в точке С? (А =),
(С =)•
Обсуждение результатов
При изучении данных, собранных при экспериментальном исследовании схемы на рис. 6.8, можно увидеть, что сигнал передается из точки А в точку В и из точки В в точку С. Отсюда можно сделать вывода что триггеры включены последовательно и передача информации, поступающей в точку D, происходит при каждом изменении сигнала синхронизации из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня. Триггеры в схеме также могут управляться раздельно, каждый своим собственным сигналом синхронизации, в результате чего будет обеспечена независимость их работы друг от друга.
После включения питания схемы производите раз- мыкание проводника, идущего на D-вход, поперемен*
но у каждого триггера. Тот триггер, у которого со входа D удален сигнал высокого уровня, будет хранить то состояние, в которое он был установлен последним сигналом синхронизации, а другой при этом будет продолжать работу в режиме переключения^ Отсюда становится понятным, как применять триггеры для сохранения (^защелкивания») информации, о котором упоминалось ранее.《Защелка》，как правило, включает в себя 4 триггера, заключенные в одном корпусе, которые служат для отслеживания и по мере надобности запоминания четырехразрядного параллельного цифрового кода с целью его последующей индикации в десятичном виде. Например, использование «защелки» в цифровых часах позволяет циф-* ровому счетчику продолжать работу, пока защелка хранит только что выведенное на экран время.
ИС 7476
Соберите схему JK-триггера на основе ИС 7476, как показано на рис. 6.10. В качестве источника сигналов синхронизации с частотой 1 Гц используйте
-TLTL(А) Ммпу/lbcbl синхр. с вывода 3 схемв 555
Рис. 6」0
ранее закоммутированный таймер 555. Обратите внимание на то, что расположение выводов питания у этой схемы отличается от рассмотренных ранее ИС, Включите питание и наблюдайте за светодиодом.
Определите частоту работы схемы на рис. 6.11 путем подсчета числа импульсов в точке В1, приходящихся на 10 импульсов в точке А.
Каково соотношение сигналов в точках А и В?
А = В.
Какой функции соответствует передача информации из точки А в точку В на рис. 6.11?
Обсуждение результатов
Изменение сигнала на выходе JK-триггера можег произойти лишь при изменении сигналов на входах J и К. При наличии на входе J сигнала высокого уровня, а на входе К сигнала низкого уровня импульс синхронизации переводит триггер в состояние логической 1 (Q — 1, Q ~ 0). Если же сигналы на входах J и К поменять местами, то после поступления сигнала синхронизации триггер перейдет в состояние логического нуля (Q =0, Q = 1). Все сказанное хорошо иллюстрируется экспериментами с JK-триггером. Установка или сброс триггера возможны лишь при заземлении (подаче сигнала низкого уровня) соответствующего входа S или R, при этом на другом установочном входе обязательно должен быть сигнал высокого уровня. Схема, показанная на рис, 6.10, фактически представляет собой схему деления частоты на 2, по* скольку частота выходного сигнала в точке В составляет половину частоты входного сигнала синхронизации. Это свойство триггеров позволяет осуществлять эффективную реализацию счетчиков и устройств деления на их основе. Та% поскольку в одном корпусе
ИС 7476 находится два JK-триггера, с их помощью можно реализовать устройство деления на 4 путем коммутации выхода одного триггера на вход другого. Гибкость и адаптируемость JK-триггера делают его весьма удобным при проектировании устройств управления и передачи информации.
Тесты
Среди перечисленных выберите ответ, который кажется вам наиболее правильным.
Выходы Q и Q обычного триггера являются:
дополнениями,
парными,
асимметричными,
противоположными,
0) астабильными.
JK-триггер реагирует на:
один сигнал синхронизации,
сигнал синхронизации и состояния входов J и К,
уровень логического сигнала на входе D,
только на сигнал на входе J,
продолжительность сигнала синхронизации.
Какой из следующих триггеров обычно используется в качестве《защелки》？
JK-триггер,
RS-триггер,
FF-триггер,
СР-триггер,
d) D-триггер.
Триггер лежит в основе построения схем】"
регистров,
синхронизации,
графов,
датчиков,
счетчиков.
Чтобы получить устройство деления на 10, сколько триггеров необходимо соединить последовательно (выберите наименьшее достаточное число) ?
D На этот вопрос имеется два правильных ответа. — Прим, ред.
2 (один делит на 5, другой — на 2),
5 (каждый делит на 2),
10 (каждый делит на 5),
20 (каждый делит на 2),
0) 50 (каждый делит на различные числа).
Если подать на вход А схемьг на рис. 6.12 сигнал низкого уровня, выходы Q и Q будут находиться в состояниях:
Рис. 6.12
Q = 0, Q = 1;
Q = О, Q = 0;
Q = 1, Q = 1;
Q = 1, Q = 0；
0) неопределенном.
Если на вход В схемы на рис 6.12 подать сигнал низкого уровня, выходы Q и Q перейдут в состояния:一
Q = 1, Q = 0;
Q = 0, Q = I；
Q = 1, Q = 1;
Q = 0, Q = 0；
неопределенное.
Если десять триггеров соединены последовательно и вы желаете сбросить их в состояние Q = 0, Q = I, каким способом лучше всего воспользоваться:
установить все триггеры с помощью сигнала синхронизации,
подать сигнал на вход УСТАНОВКА одновременно всех триггеров,
выключить на мгновение питание,
повысить напряжение питания, пока не установятся нужные состояния,
d) подать сигнал на вход СБРОС всех триггеров одновременно,
В JK-триггере (рис. 6.13) входы J и К находятся в состоянии низкого уровня (0). Выберите фор-
Рис. 6 13
му выходного сигнала, правильно иллюстрирующутр работу ^триггера (предыдущее состояние триггера Q =0, Q = 1).
Если подать на входы J и К того же триггера сигнал высокого уровня, выход Q будет:
сигналом с частотой, в два раза меньшей частоты сигнала синхронизации,
высоким (1),
низким (0),
повторять входной сигнал удвоенной частоты, d) повторять входной сигнал*
Глава 7
ЦИФРОВЫЕ СЧЕТЧИКИ И ИНДИКАТОРЫ
Цифровой счет играет важную роль в цифровой электронике и находит широкое применение в электронных вычислительных машинах, счетчиках частоты и других устройствах. Как правило, цифровые счетчики подразделяются на два типа: синхронные, в которых изменение состояния происходит после прохождения импульса синхронизации, и асинхронные, которые непосредственно реагируют на изменения входных сигналов. Асинхронные счетчики иногда на* зывают счетчиками с прямым управлением. В этой главе будут рассматриваться счетчики только этого типа. Синхронизируемые или синхронные счетчики применяют в тех случаях, когда необходимо осуществлять частое стробирование сигнала, как, напри* мер, в аналого-цифровых преобразователях.
Цифровые счетчики оперируют с информацией^ представленной в двоичном виде (в частности, в двоично-десятичном коде), Для вывода данных на экран индикатора в десятичном виде необходимо предусмотреть возможность преобразования чисел из одной системы в другую. Это преобразование обычно осуществляют при помощи дешифратора, выходные сигналы с которого поступают на семисегментный индикатор, построенный на светодиодахг
Упражнения со счетчиком
В результате выполнения упражнений этой главы вы должны научиться:
работать с интегральной схемой десятичного счетчика 7490;
объяснять принцип двоичного счета и выполнять операции с числами в двоично-десятичном коде^
преобразовывать числа из двоично-десятичного кода в десятичный и пользоваться ИС 7447 преобразователя двоично-десятичного кода в семисегментное представление числа;
пользоваться реверсивным счетчиком типа 74192 с предварительной установкой кода.
Необходимые элементы
Десятичный счетчик (ИС 7490);
преобразователь двоично-десятичного кода в 7-сег- ментное представление числа (ИС 7447);
резистор 330 Ом (11);
7-сегментный индикатор с общим анодом MAN-1 (1); реверсивный счетчик с предварительной установкой кода (ИС 74192);
четыре вентиля И-НЕ (ИС 7400);
рычажный или кнопочный переключатель (1);
резистор 2,2 кОм (2);
стенд и источник питания 5 В;
светодиод (4).
ИС 7490
Соберите схему десятичного счетчика (т. е. такого, который считает до 10) на основе ИС 7490 в соответствии с рис. 7.1. Для управления счетчиком по входу синхронизации в этой схеме используется ключ, реализованный на вентиле И-НЕ ИС 7400. Индикация выходных (двоично-десятичных) сигналов счетчика производится с помощью светодиодов.
После включения питания схемы на рис. 7.1 светодиоды будут показывать произвольное число ——это будет означать наличие в счетчике случайного кода. В нулевое состояние счетчик может быть установлен (светодиоды могут быть выключены) с помощью кратковременного размыкания соединения выводов 2 и 3 ИС 7490 с землей.
Установите ключ в положение《0》D.
* Здесь и в дальнейшем, если не оговорено противное, под ключом будет подразумеваться ключ без дребезга. — Прим. ред.
Рис. 7.1, Схема десятичного счетчика с выходными сигналами в двоично-десятичном коде.
Исследуйте работу счетчика в режиме счета, устанавливая ключ попеременно в состояния 1 и 0% Запишите состояния светодиодов в таблицу на рис. 7.2, учитывая, что включенное состояние све* тодиода соответствует логической 1, выключенное —0.
Объясните, что вы наблюдаете при переходе счетчика из состояния 10 в последующее состояние.
Обсуждение результатов
Это упражнение должно было показать, что схема, собранная на основе ИС 7490, работает как счетчик, который считает в двоично-десятичном коде до 10, а затем возвращается в первоначальное (нулевое) состояние. Выходной код счетчика может считываться в двоично-десятичном виде или подвергаться дальнейшему преобразованию к виду, необходимому для поступления в другие цифровые устройства. Иногда в счетчике предусматривают дополнительный выход, на котором в процессе счета при достижении числа 10 появляется одиночный импульс. Этот выход может быть реализован с помощью дешифратора на вентилях, на входы которого поступает двоично-десятичный код счетчика.
ИС 7447 и MAN -1
Отключите светодиоды от ИС 7490 и соедините ИС 7447 и МА№1, как показано на рис. 7.3. Будьте внимательны и не допускайте короткого замыкания в точках подключения 330-омных резисторов. Заком- мутируйте ИС 7490 и ИС 7447 таким образом, чтобы
MAN7
+ о+ о<<«А<<«АРезисторы330 Ом (7)Резисторы330 Ом (7)
+ о
+ о
<<«А
<<«А
Резисторы330 Ом (7)
Резисторы330 Ом (7)
16 15 |4 13 12 II J0 9 f g a 6Gde
7447
(В) (C)(D) (А)
1,2, Зи 4Q 5Q б? 7[ 8
А в сА в с
А в с
А в с
Двоично-десяттный ebixoff со схв/мы 74 go
Рис. 7.3. Схема на основе дешифратора-драйвера 7447 и светодиодного индикатора MAN-1,
двоично-десятичный код с выходов схемы 7490 ПО" ступал на входы схемы 7447.
После завершения сборки схемы на рис. 7.3 установите ее в нуль путем кратковременного размыка-* ния контакта выводов 2 и 3 схемы 7490 с землею
в результате чего индикатор должен установиться в《0》.
Исследуйте работу схемы 7490 в режиме счета, осуществляя, как и в предыдущем примере, переклю* чение ключа и наблюдая за состоянием индикатора MAN-1. Повторяйте эту процедуру на протяжении нескольких циклов счета, пока принцип работы счет* чика не станет вам ясен окончательно.
Обсуждение результатов
Двоично-десятичный выходной код ИС 7490 преобразуется с помощью ИС 7447 в семисегментное представление, являющееся системой 7 логических функций, управляющих сегментами индикатора MAN-1. В результате включения определенной комбинации сегментов на экране индикатора получают изображения цифр 0——9. Индикатор этого типа очень удобен благодаря быстроте появления изображения, но имеет тот недостаток, что с его помощью нельзя показывать буквы. Добавление устройства памяти, или защелки, между ИС 7490 и ИС 7447 позволяет совместить процесс изображения времени на экране индикатора с продолжением счета ИС 7490. Этот способ используется в устройствах типа цифровых часов или счетчиков большого числа событий.
ИС 74192
Замените ИС 7490 на ИС 74192 реверсивного счетчика с предварительной установкой кода. Обратите внимание, что расположение выводов у ник различно и в отличие от ИС 7490, имеющей 14 выводов, число выводов ИС 74192 равно 16. При коммутации воспользуйтесь схемой, показанной на рис. 7.4. '
Осуществите последовательную установку кодов, приведенных на рис. 7.5, на входы Lb L2, L4, Ls ИС 74192. Для этого каждый раз после задания на входах нужного кода необходимо на мгновение подключить вывод 11 (вход подключения нагрузки) к земле. Исследуйте работу счетчика в режиме счета, следя за тем, чтобы после завершения очередного шага счетчик находился в состоянии, отличном от
心*? без дреМзу К^|-
Рис. 7.4. Схема коммутации реверсивного счетчика типа 74192 с предварительной установкой кода.
МА№1
°вон OZOHhhEHO- •CWAAOge DNQOHDE'R
Установка де -дес кода
Десятичный эквивалент
L8
ц
L2
L,
0 0
0 0
0 0 0
0
0
0 0
1
0
0
0 0
1 0
0 j
1 0
0
0 1
0
0 ]
0
1
0
1
того, которое требуется установить на следующем шаге.
Заполните правый столбец на рис. 7.5. Отсоедините вывод 16 (+) от вывода 4 и подключите его к выводу 5, а также закоммутируйте вывод 4 на вход ИС 7400. Повторите п. 2, осуществляя последовательную загрузку двоично-десятичных чисел в счетчик и исследуя работу схемы в режиме счета.
Происходит ли возрастание счета?
Как называется такой режим счета?
Обсуждение результатов
Счетчик на ИС 74192 имеет ряд отличительных особенностей, делающих его удобным для применения, Его относят к программируемым устройствам, поскольку он обладает способностью к предварительной загрузке в него определенного числа перед началом счета. Установка кода в счетчик может производиться либо вручную, как в этом упражнении, либо с помощью переключателей двоично-десятичного кода. Поскольку этот счетчик может работать в режиме прямого и обратного счета, его удобно применять в тех случаях, когда требуется частое «стробирование» изменяющейся частоты периодического сигнала. Частота стробирующих импульсов выбирается равной необходимой частоте периодического сигнала. При равенстве частот результаты стробирования на каждом периоде (Т = 1/f) одинаковы, а при изменении частоты периодического сигнала они начинают отличаться друг от друга. Таким образом, различие результатов стробирования на двух соседних периодах свидетельствует об изменении частоты контролируемого периодического сигнала. По тому, на какой участок (возрастания или убывания) периодического сигнала приходится стробирующий импульс, возрастают или убывают результаты стробирования, можно определить, уменьшилась или увеличилась частота периодического сигнала. Следует заметить, что для реализации этого способа наряду со счетчиками требуется значительный объем дополнительного оборудования. Вывод 12 представляет собой выход переноса, позволяющий осуществлять каскадное (последовательное 1 соединение несколькпх
счетчиков. Вывод 13 предназначен для приема сигнала заема при работе счетчика в режиме обратного счета. Подачей импульса высокого уровня (1) на вывод 14, который при работе счетчика в режиме пересчета должен иметь на входе сигнал низкого уровня, производится сброс счетчика в состояние «О».
Тесты
Выберите правильный ответ среди перечисленных. Обведите соответствующую букву кружком.
В устройствах цифрового счета до 10 наиболее часто используется следующий двоичный код：
шестнадцатеричный,
код Грея,
двоично-десятичный,
код с остатком 3,
восьмидесятеричный.
Сигнал синхронизации, поступающий в счетчик, построенный на ИС ТТЛ, должен быть очищен от дребезга. Для этой цели используется специальный ключ. Устранение дребезга необходимо для того, чтобы
поддерживать стабильный уровень напряжения,
устранить возможность подсчета избыточных импульсов, возникающих при включении и выключении,
6)сбросить триггеры счетчика,
а) предотвратить случайный обрыв серии импульсов,
0) предотвратить нагревание схемы в процессе работы.
3. Числа 10—15 на экране семисегментного индикатора имеют следующий вид (следует отметить, что хотя эти числа в двоично-десятичном коде не используются, в принципе код одного из них может быть подан на вход дешифратора семисегментного индикатора, вследствие чего на нем появится определенное изображение):
10, 11, 12, 13, 14, 15;
а, Ь, с, d, е, f;
01, 001, 010, ОН, 100, 110;
2)01, 02, 03, 04, 05, 06;
0) A], Bi, Ci, Di, Ei, Fi，
Интегральная схема ТТЛ 7447 является источником входных сигналов светодиодного индикатора, а также предназначена для того, чтобы
обеспечить сопротивление нагрузки для светодиодов,
использоваться в качестве «защелки» или элемента памяти для счетчика,
осуществлять хранение данных по типу буфера в параллельном виде;
г) изолировать серию импульсов от светодиодного индикатора;
проводить преобразование двоично-десятичного кода к семисегментпому представлению,
На рис. 7.6 показан семисегментный индикатор. Данное соединение светодиодов называется со* единением с общим
Рис. 7 6
катодом,
входом базы,
ВХОДОМ,
анодом, д) током.
Счетчик на ИС 7490 в основном используется как
счетчик для обратного счета,
реверсивный счетчик,
счетчик для прямого счета,
сбрасывающий счетчик,
0) установочный счетчик.
Последовательно со светодиодами в сегментах семисегментного индикатора устанавливают резн- стор, чтобы
ограничить яркость светодиода,
обеспечить смещение рабочей точки диода,
обеспечить нагрузку для источника управляющих сигналов,
увеличить ток через светодиод,
0) ограничить величину тока, протекающего через светодиод и предохранить его от сгорания.
ИС 7490 состоит из двух счетчиков, которые могут использоваться независимо друг от друга или соединяться покаскадно. Один из них представляет схему деления частоты сигнала синхронизации на 2, а другой ——на
3,
4,
5,
2)8,
д) 10.
Выводы «установка в 0》ИС 7490 используются для:
тестирования двоично-десятичного выходного сигнала,
установки счетчика в состояние 8,
тестирования десятичной точки,
подавления избыточных ведущих нулей в длин* ной последовательности,
установки счетчика в нуль.
Пусть схема состоит из двух счетчиков, один из которых считает до 5, а другой делит частоту входного сигнала на 2, причем выход первого заком- мутирован на вход второго. В результате получается устройство, делящее частоту входного сигнала на 10, Оно называется
кодированным счетчиком,
пульсирующим счетчиком,
6)счетчиком обратного счета,
одновременным счетчиком,
d) параллельным счетчиком»
Глава 8
СДВИГОВЫЕ РЕГИСТРЫ
Сдвиговые регистры представляют собой еще один пример применения триггеров. Для построения сдвиговых регистров наиболее часто используют JK- и D-триггеры. Сдвиговые регистры можно рассматривать как устройства, осуществляющие преобразование последовательной информации в параллельную и наоборот. Последующие упражнения имеют своей целью изучение применений JK-триг- гора как наиболее часто используемого в устройствах цифрового счета.
Упражнения со сдвиговым регистром
В результате выполнения упражнений этой главы вы должны научиться:
объяснять принцип работы сдвигового регистра на JK-триггерах;
осуществлять с помощью сдвигового регистра преобразование информации из параллельного представления в последовательное и наоборот;
объяснять организацию и принцип работы кольцевого регистра.
Необходимые элементы
Светодиод (4);
резистор 330 Ом (4);
два JK-триггера (ИС 7476);
ИС таймера 555 (1);
конденсатор емкостью 1 мкФ (1);
резистор 220 кОм (1);
резистор 4,7 кОм (1);
резистор 470 кОм (1);
стенд и источник питания 5 В.
4-разрядный сдвиговым регистр
Соберите схему, представленную на рис. 8.1. За- коммутированная таким образом схема 555 работает в режиме астабильного генератора прямоугольных ймпульсов. Исследуйте работу схемы сначала на малой частоте, установить которую можно с помощью резистора 470 кОм, а затем на более высокой, определяемой другим резистором (4,7 кОм) и позволяющей наблюдать эффект пульсации кольцевого счетчика. Пока не коммутируйте связи, представленные
ккУстанодна wСброс *Устанодна wСброс *1675167512 34 5 б7812 34 5 б78% 76% 76—С—Г—С匚 т—С—Г—С匚 т12345 б7812345 б78©©©©7476747616 朽14 乃72П10916 朽14 乃72П109
к
к
Устанодна w
Сброс *
Устанодна w
Сброс *
16
75
16
75
1
2 3
4 5 б
7
8
1
2 3
4 5 б
7
8
% 76
% 76
—С
—Г
—С
匚 т
—С
—Г
—С
匚 т
1
2
3
4
5 б
7
8
1
2
3
4
5 б
7
8
©
©
©
©
7476
7476
16 朽
14 乃
72
П
10
9
16 朽
14 乃
72
П
10
9
Рис. 8.1. Схема 4-разрядного сдвигового регистра.
Связи, обозначенные штриховыми линиям и, коммутируются при сборке кольцевого счетчика; R\=22Q кОм； R2=4,7 кОм (быстрый), 470 кОм (мед- лечный).
Рис. 8.2. Таблица истинности для схемы, представленной на рис. 8.1.
на рисунке штриховыми линиями,——они будут ис・ пользованы в дальнейшем при реализации кольцевого счетчика. Собранная схема представляет собой четырехразрядный сдвиговый регистр, в котором к выходу Q каждого триггера подключены светодиоды, предназначенные для индикации состояния регистра. После завершения сборки схемы включите питание и установите регистр в нулевое состояние (0000) заземлением вывода СБРОС.
Кратковременным заземлением входа УСТАНОВКА переведите триггер А в состояние 1. Включение светодиода А будет означать переход регистра в состояние 1000.
Для отключения синхронизации следует перебросить провод с вывода 6 на вывод 7. Когда сигнал синхронизации понадобится вновь, необходимо будет осуществить обратную коммутацию.
Подайте на регистр одиночный импульс, осуществив кратковременное включение синхронизации. Повторяя несколько раз эту операцию, произведите запись логического состояния регистра в таблицу на
рис. 8.2. Упрощенная схема сдвигового регистра представлена на рис. 8.3.
Запишите, как изменяются состояния светодиодов при переходе регистра из начального состояния, показанного на рис. 82
Какие явления наблюдаются при поступлении на триггер очередного сигнала синхронизации?
Сколько импульсов необходимо для того, чтобы возвратить счетчик в нулевое состояние (0000)?
Обсуждение результатов
Последнее упражнение было предназначено для демонстрации функции сдвига или прохождения сигнала через схему. Выходной сигнал каждого триггера является входным сигналом соседнего с ним триггера, принимающего информацию с поступлением сигнала синхронизации. Следует помнить, что для переключения триггера в состояние Q — 1, Q=0 его входы J и К к моменту поступления сигнала синхронизации должны быть установлены в состояние высокого и низкого уровня соответственно, а чтобы перевести триггер в состояние Q = 0, Q = 1 на входах J и К должны находиться сигналы 0 и 1 соответственно. Для того чтобы обеспечить возможность установки в состояние нуля всех триггеров сразу, их входы СБРОС объединяют. Сброс фактически представляет собой форму параллельного вво да информации. Триггер может быть установлен в определенное логическое состояние посредством подачи на его установочные входы соответствующих сигналов. Поскольку несколько битов информации могут быть введены или считаны одновременно, они представляют «параллельное слово». Если к выходу триггера младшего разряда (D) подключить светодиод, то, поочередно подавая на триггеры регистра импульсы синхронизаиии, можно наблюдать процесс сдвига информации от триггера к триггеру вправо до полной очистки регистра (установки в состояние 0000). Такой вывод информации при сдвиге называют последовательным (поразрядным), а поскольку информация была введена в параллельном виде, схему фактически можно считать преобразователем
Рис. 8.4. Таблица истинности для кольцевого счетчика.
параллельного кода в последовательный. Последовательный ввод информации состоит в том, что данные поступают на триггер А разряд за разрядом и сдвигаются вправо до тех пор, пока все слово не будет занесено в регистр. Так как регистр фактически представляет собой устройство преобразования последовательного кода в параллельный, при подключении светодиодов к выходу Q каждого триггера можно производить параллельный контроль вводи^ мой и сдвигаемой информации. Количество триггеров регистра определяют исходя из размера хранимого слова, так как триггер может «запомнить» только 1 бит информации. Поскольку хранение явля^ ется одной из функций сдвиговых регистров, они представляют собой разновидность устройств памяти.
Кольцевой счетчик
Внесите в схему сдвигового регистра следующие изменения: соедините вывод 11 триггера А с выводом 4 триггера D и вывод 10 триггера D с выво^ дом 16 триггера А, а также заземлите вход УСТА-
НОВКА. Таблица истинности кольцевого регистра приведена на рис. 8.4.
Установите триггер А в состояние 1 н исследуйте работу регистра в режиме пересчета.
Запишите выходные состояния триггеров регистра для 10 импульсов на рис. 8.4.
На основе анализа информации, представленной на рис. 8.4, объясните, как работает регистр.
Произошел ли на каком-либо шаге переход регистра в состояние 0000?
Обсуждение результатов
Как вы, вероятно, заметили, в тот момент, когда регистр был близок к установке в нулевое состояние, произошла передача единицы из триггера D в триггер А, которые в схеме соединены друг с другом. После этого сдвигание сигнала продолжалось неоднократно. Эта схема носит название кольцевого счетчика и составляет основу многих устройств циф* рового счета, применяемых в цифровой электронике. Досчитав до четырех (выполнив операцию сдвига 4 раза), схема возвращается в исходное положение, после чего процесс счета продолжается. Поскольку в нашем примере первоначально в триггер А регистра была записана единица, с каждым четвертым импульсом синхронизации триггер D переходит в состояние 1. Установка дополнительных триггеров и схем управляющей логики позволяет реализовать счетчики более сложных типов. Примером такого счетчика является десятичный счетчик, который широко используется в цифровой электронике по той причине, что операции с десятичными числами, как правило, требуют счета до 10.
Если генератор синхроимпульсов 555 включен с «быстрым» резистором (4,7 кОм), а сдвиговый ре- гпетр закоммутирован в виде кольцевого счетчика, при работе такой схемы будет наблюдаться световой эффект, напоминающий мелькание серпантина. С помощью генератора и сдвигового регистра можно реализовать много других интересных эффектов.
Рис. 8.5
Тесты
Выберите наиболее правильный ответ среди перечисленных, Отметьте ваш выбор кружком вокруг соответствующей буквы.
Информация на выходах А, В, С и D четырехразрядного сдвигового регистра представлена в следующем виде:
последовательном,
параллельном,
8)сдвигаемом,
завершенном,
0) установочном.
Информация, которая ^вдвигается» в регистр, упоминаемый в предыдущем вопросе, сдвигается в нем поразрядно в следующем виде:
последовательном,
параллельном,
сдвигаемом,
битовом,
0) установочном.
Одновременной установкой всех триггеров регистра информация вводится в следующем виде!
последовательном,
параллельном,
установочном,
регистровом,
предопределенном.
В качестве примера одного из основных Применений сдвигового регистра можно привести:
генератор двоично-десятичного коп%
мультивибратор,
элемент памяти,
г) моностабильный блок синхронизации с однократным запуском,
0) дешифратор кода Грея.
К типу сдвигового регистра, который передает информацию с кра访него правого на крайний левый триггер, относится следующий счетчик:
двоично-десятичный счетчик,
счетчик кода Грея,
модульный счетчик,
кольцевой счетчик,
@) десятичный счетчик.
Глава 9
ВЕНТИЛЬ ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ находит широкое применение в таких устройствах, как сумматоры, компараторы, преобразователи кода и схемы контроля на четность. В этой главе будут рассмотрены функции контроля на четность и сравнения цифровых слов, выполняемые схемами на вентилях ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
Упражнения с вентилем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
В результате выполнения упражнений этой главы вы должны:
понимать логику работы вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
уметь собирать схемы контроля на четность на основе вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
уметь собирать схемы сравнения цифровых слов на основе вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
уметь работать с ИС 7486, содержащей 4 вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
Необходимые элементы
Четыре вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (ИС 7486J; светодиод (1), резистор 330 Ом (1), четыре 2-входовых вентиля ИЛИ (ИС 7432), стенд и источник напряжения 5 В.
ИС 7436
Соберите схему на основе ИС 7486, как показано на「нс. §丄
Рис. 9 1. Структура ИС 7486 с вентилями ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
АВС0 0 [10 10 1АВС0 0 [10 10 1Рис. 92 Таблица истинности для ИС 7486.Рис. 92 Таблица истинности для ИС 7486.
А
В
С
0 0 [
1
0 1
0 1
А
В
С
0 0 [
1
0 1
0 1
Рис. 92 Таблица истинности для ИС 7486.
Рис. 92 Таблица истинности для ИС 7486.
1. Заполните таблицу истинности на рис. 9.2,
2・ Сравните заполненную таблицу истинности а таблицей истинности для вентиля ИЛИ*
Обсуждение результатов
Как видно из таблицы истинности, вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ может иметь на выходе сш> нал логической единицы только в том случае, когда два входных аргумента различны. В выражениях функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ обозначается
знаком《+》，обведенным кружком и записывается 由 виде
АфВ = С.
Функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ предоставляет широкие возможности при проектировании устройств цифровой электроники, В частности, ее можно использовать в устройствах сравнения двоичных чисел и проверки групп двоичных разрядов на наличие в них ошибок.
Схема контроля четности
Соберите схему на основе вентиля ИСКЛЮЧАВ ЮЩЕЕ ИЛИ, предназначенную для контроля цифровых слов на четность, как показано на рис. 9.3.
Заполните таблицу истинности на рис. 9.4.
Определите, четному или нечетному числу единиц в каждой строке таблицы соответствуют единичные значения колонки F.
Рис, 9.3. Схема контроля четности.
6. Если в строке четное число единиц, чему рав hoF?-
Обсуждение результатов
Как вы должны были уяснить из проделанного упражнения, собранная схема играет роль детектора условия четности или нечетности 5-разрядных двоичных слов, который называют схемой контроля чет* ности 1). Она предназначена для определения того, какое число единиц (четное или нечетное) содержится в контролируемом 5-разрядном слове. В качестве примера применения схемы контроля четности на практике можно привести телепринтер, в котором она используется для обнаружения ошибок при передаче информации. Код, используемый при работе с телспринтерами (например, 8-разрядный код ASCII) организован таким образом, что к информационной части каждого слова добавлен разряд четности, установленнн访 в логическое состояние 0 или 1 с таким расчетом, чтобы общее число единиц в слове было четным или нечетным. Слова по мере поступления проверяются схем。访 контроля четности. Если слово не имеет ожидаемой четности (вследствие дребезга ключа, искажения в процессе передачи и т. д.), оно считается ошибочным. Поскольку сигналы движутся по проводам с высокой скоростью, простого
d Другое название — схема свертки. — Прим, ред,
Рис. 9.6. Таблица истинности для схемы сравнения слов.
сообщения об ошибке в передаче недостаточно ——необходимо обеспечить ее исправление. Для этого в сочетании со схемой контроля на четность преду- смотрено соответствующее дополнительное оборудование. В результате вид, который слово имело до искажения вследствие ошибки при передаче, будет восстановлен.
ИС 7486 и ИС 7432
Закоммутируйте ИС 7486 и ИС 7432 в соответствии со схемой, показанной на рис. 9.5.
Заполните таблицу истинности на рис. 9.6.
Сравните слова А и В и ответьте на следующие вопросы.
Когда слово А равно слову В, С =.
Когда слово А не равно слову В, С =,
Обсуждение результатов
Из таблицы истинности на рис. 9.6 видно, что, если слова А н В одинаковы, внхоано访 сигнал в точке С находится в состоянии низкого уровня (0), в противном случае — в состоянии высокого уровня (1). Сравнение цифровых слов необходимо в тех случаях, когда требуется просмотреть большое колнче- ство двоичных слов и подсчитать частоту появления определенного слова. Когда оно встречается при просмотре, на выходе схемы появляется единица, кото* рая поступает на вход счетчика, увеличивая его содержимое на единицу.
Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ также применяется в устро访ствах преобразования информации из двоично-десятичного кода в код Грея, который был специально разработан для работы с электромеханическими устро访ствамя. Поскольку цифровые устройства могут быть рассчитаны на работу как с тем, так и с другим кодом, необходимо обеспечить воз^ можность преобразования чисел из одного кода в другой. Устройства, состоящие из небольшого числа вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, способны выполнить эту операцию точно и эффективно.
Вентили ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ могут также использоваться в устро访ствах блокировки опреде* ленно访 комбинации цифровых слов, в основе построения которых лежит реализация операции сравнения цифровых слов.
Тесты
Выберите наиболее правильный ответ среди перечисленных. Сво访 выбор отметьте кружком вокруг соответствующей буквы.
Логическая функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ обозначается с помощью следующего символа:
а)》，
6) +,
а) ©,
0) AV.
Выходной сигнал вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ будет иметь высокий уровень, когда сигналы на его входах
одинаковы,
различны,
имеют низкий уровень,
имеют высокий уровень,
непостоянны.
а 6 6 2 虱а 6 6 2 虱Контроль может осуществляться по четности или по нечетности. Какая строка в таблице на рис. 9.7 обозначает условие контроля по четности в точке С:
а 6 6 2 虱
а 6 6 2 虱
А
В
С (четность)
0
0
0
О'
0
[
[
]
О
0
Рис. 9.7 口
D
используется в цифровой электронику
для
а)' обнаружения ошибок,
счета,
генерации кодов,
Рис. 9 8Рис. 9 8
Рис. 9 8
Рис. 9 8
а) устранения дребезга ключа,
д) отключения устройств индикации,
5. Схема на рис. 9.8 представляет
ьентиль И,
генератор четности,
формирователь импульса*
г) бистабильный ключ,
О) компаратор слов.
6, Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ обозначается следующим символом, приведенным на рис. 9。9:
в.гГ>-
Е・ПС>—
Рис. 9.9
Глава 10
ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА
В этой главе приведено упражнение, в котором осуществляется проектирование схемы на основе комбинации таймера 555, счетчика 7490, дешифратора ——драйвера 7447 и светодиодного индикатора. Теоретические вопросы, излагаемые в этой книге* иллюстрируются работой реального цифрового устройства. Это устройство, схема- которого показана на рис. 10.1, представляет собой цифровой омметр, обладающий возможностью калибровки.
Рнс, 10.1. Блок-схема цифрового омметра.
Перед тем как начать работать с устройством, его индикатор устанавливают на нуль, подавая положительное напряжение (высокого уровня) на соответствующий вывод счетчика 7490. После этого измеряемое сопротивление R помещают между двумя клеммами схемы 555, закоммутированной для работы в режиме моностабильного мультивибратора, включение которого производят, заземляя на мгновение вывод 2 схемы. При включении моностабиль- ный мультивибратор генерирует сигнал высокого уровня, длительность которого зависит от величины измеряемого сопротивления R. Этим сигналом включается схема 555 в режиме астабильного мультивибратора, которая генерирует серию импульсов, количество которых сначала подсчитывается счетчиком, а потом отображается на экране 7-сегментного индикатора, обозначая величину измеряемого сопротивления.
В результате выполнения проекта этой главы вы • должны уметь
использовать схему 555 в цифровых устройствах в качестве моностабильного и астабильного мультивибраторов;
определять величину измеряемого сопротивления по изображению на экране 7-сегментного индикатора;
объяснить принцип работы цифрового вольт* метра и производить с его помощью измерение и установку на нуль.
Необходимые элементы
Светодиодный индикатор MAN-1 (1);
7-сегментный дешифратор ——драйвер (ИС 7447);
десятичный счетчик (ИС 7490);
таймер (ИС 555) (2);
резистор 330 Ом (7);
конденсатор емкостью 0,1 мкФ (1);
конденсатор емкостью 1 мкФ ⑴；
резистор 1 кОм (2);
Рис. 10.2. Схема коммутации цифрового омметра.
резистор 1 МОм (1)1
резистор 220 кОм (1)';
резистор 470 кОм (1);
потенциометр 5 МОм (1),
Соберите схему, представленную на рис. 102 Свободные выводы микросхем могут быть нспользО* ваны для считывания и установки на нуль. Убеди* тесь, чтобы были сделаны все необходимые соединения. Чтобы избежать ошибок в коммутации, удобно отмечать на схеме реализованные соединения кра& ным карандашом.
После завершения сборки схемы подайте на вход 2 или 3 счетчика 7490 сигнал высокого уровня (+)； Индикатор при этом должен установиться в нуль. Установите резистор 1 МОм на место измеряемого сопротивления R схемы 555 в режиме моностабиль-
кого мультивибратора (к выводам 8 и 6, соединен* ным с 7).
Осуществите кратковременное замыкание вывода 2 схемы 555 в режиме моностабильного мультивибратора на землю (—). После этого процесс счета можно наблюдать на экране индикатора вплоть до установления конечного значения.
Повторяйте процедуру «установки в 0» и «чтения», каждый раз осуществляя регулировку положения потенциометра 5 МОм до тех пор, пока счетчик не будет установлен в нуль (при счете до 10)】).
Резистор
Показание индикар
220KoM 470 KoM I MOM
Осуществите процесс измерения, заменяя резистор 1 МОм сопротивлениями, величины которых приведены на рис. 10.3.
Рис. 10.3. Таблица показаний цифрового омметра для ряда измеряемых резисторов.
1. Запишите число, наблюдаемое на экране индикатора для каждого измеряемого резистора.
Обсуждение результатов
Цифры, соответствующие резисторам, должны указывать величину сопротивления (X Ю5 Ом). Предел измерения, соответствующий максимальному по казанию счетчика (——),составляет 1 МОм. Так, показание счетчика, равное 5, будет соответствовать сопротивлению 0,5 МОм или 500 кОм. Счет за пределы 10 будет означать, что при вычислении величины измеряемого сопротивления необходимо учесть количество циклов счетчика. Например, при измерении резистора 2,2 МОм счетчик дважды досчитает до 10 и остановится на цифре 2. В итоге сопротивле^ ние получится равным 1 祖Ом + 1 МОм + 0,2 МОм, или 2,2 МОм. Собранная схема не обеспечивает большой точности при измерении сопротивлений ниже 220 кОм и выше 1 МОм. Следует заметить, что
D Этот предшествующий измерению процесс носит название «калибровка». — Прим, реб*
Лум
Рис 10.4. Временные диаграммы работы схем 555 в различных режимах с сигналами установки и сброса.
обычно используемые на практике резисторы имеют 10 %-ный разброс величины сопротивления.
Для удобства пользования устройством необходимо обеспечить автоматический сброс счетчика перед началом измерения. Это можно сделать, включив в состав устройства третью схему 555, работающую в режиме астабильного мультивибратора. Ее настройка на малое отношение длительностей включенного и выключенного состояний (порядка 1 : 10) позволит получить на выходе периодические импульсы, предназначенные как для установки счетчика 7490 на нуль, так и для запуска моностабильного мультивибратора на основе другой схемы 555. В результате в течение одного цикла измерения можно будет произвести сброс счетчика, собственно измерение и отображение величины сопротивления на индикаторе. Чтобы на экране индикатора в процессе измерения не было видно смены цифр, необходимо увеличить скорости работы всех схем 555 ». Работа описанного
D В одно и то же число раз. — Прим, ред.
Рис. 10.5 Блок-схема цифрового омметра с кварцевым генератором, используемым для повышения точности.
устройства проиллюстрирована временными дла* граммами на рис. 10.4.
В принципе с помощью этой схемы можно осуществить измерение емкости конденсатора. Учитывая то обстоятельство, что от емкости конденсатора, подключаемого к выводам схемы 555, также зависят длительности включенного и выключенного состояний моностабильного мультивибратора, величину емкостей можно определять по описанной выше методике при фиксированном значении сопротивления R. Следует помнить, что перед началом измерения конденсатор должен быть полностью разряжен.
Для получения более точных результатов в соче-* тании с моностабильным мультивибратором часто нс«. пользуют кварцевый генератор D. Пример такой схемы приведен на рис. 10.5. Обычно используют кварц с собственной частотой 100 кГц, поскольку он имеет большее распространение и его легко приобрести.
Как правило, в большинстве цифровых омметров для индикации величины измеряемого сопротивления
D Точность измерения обеспечивается высокой стабильностью частоты кварцевого генератора. Относительное отклонение частоты кварцевого генератора от номинальной составляет стотысячные доли процента. — Прим, ред,
используется несколько цифр. Для точного установления положения десятичной точки в случае индикации величины сопротивления дробными числами используют автонормирующие схемы.
При построении цифровых измерительных устройств, включающих сложные счетчики частоты, счет-* чики событий и т. д., наряду с принципами, рассмотренными в этой главе, могут применяться принципы,, лежащие в основе работы, скажем, генератора, управляемого по напряжению-
Глава 11
ПРОЕКТЫ ТРЕХ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
Цифровая игральная кость
Во многих играх необходим тот или иной способ получения случайных чйс^л, к которому поочередно прибегает каждый игрок. Для реализации способа часто используют игральную кость.
В первой части главы представлены сведения, необходимые для изготовления электронной игральной кости, которая генерирует случайные числа таким же образом, как они получаются при бросании обычной игральной кости. Отличительной особенностью проекта является то, что устройство помещают в корпус, имеющий вид большой игральной кости.
Принцип действия
Схема цифровой игральной кости изображена на рис. ILL Генератор, построенный на двух вентилях И-НЕ ИСЗ, срабатывает при нажатии кнопки 1}. Выходной сигнал с генератора поступает на ИС1, представляющую собой счетчик типа 4018, который делит частоту на 6. Выходной код этого счетчика дешифрируется вентилями И-НЕ и диодами, выходные сигналы с которых приводят к включению определенной комбинации из семи светодиодов в верхнем левом углу. Второй счетчик типа 4018 на ИС2, который определяет состояние семи светодиодов, расположенных в правом верхнем углу, управляется сигналом с выхода 5.
Светодиоды располагают на панели таким образом, что при включении их определенной комбинации
D Изображенная на рис 11 1 ИС 4011 (четыре 2-входовых вентиля И-НЕ) может быть заменена эквивалентной ИС 7400,— Прим. рсо.
gi/i
6
io
LD
9
P4
16
!N
14 J3 12 21 历PS词
4018 ICI
门 m，…n
>+
I£
i 15
rE
У
te
9
Ю
2 q
1>SS<IL
工
Рис. 11.1. Схема игральной -кости (с разрешения фирмы "Howard W. Sams Inc, CMOS Cookbook by Don Lancaster).
P2 02 Of 03
3 4 5 6
IC3
1 2 3 4 5 6 7 6
получается изображение, напоминающее одну из граней игральной кости. В связи с тем, что скорости работы двух счетчиков различны, выпадающие числа являются случайными.
Источником питания устройства служит батарея напряжением 9 В, которая обеспечивает необходимый ток 15——20 мА. Если одной батареи недостаточно для длительной работы устройства, параллельно с ней можно подключить вторую.
Изготовление
Печатная плата
Обе стороны печатной платы, на которой распола* гается проектируемое устройство, показаны на рис. 11.2】），Для установки интегральных схем рекомендуется использовать разъемы, поскольку пайка может привести к выходу интегральных схем из строя вследствие выделения тепла. Вид полностью собранной печатной платы приведен на рис. 11.3*
Корпус
Корпус изготавливают из дерева и окрашивают в черный цвет. Размеры корпуса представлены на рис. 11.4. После склеивания корпуса необходимо отпилить его верхнюю часть, которая в дальнейшем 6у« дет использоваться в качестве плотно прилегающей крышки. Чтобы ее можно было легко открывать, е задней стороны к ней прикрепляют маленькие петли. Общий вид устройства с закрытой крышкой показан на рис. 11.5.
Передняя панель
Готовую печатную плату прикрепляют к передней панели, следя за тем, чтобы светодиоды попали в соответствующие отверстия панели, расположение которых показано на рис. 11.6. Ниже светодиодов устанав* ливают два переключателя. Общий вид устройства с
" Схема перепечатана из журнала Industrial Education с разрешения издателя. Copyright © 1980 by Macmillan Professional Magazines, Inc., 77 Bedford Street Stamford, CT 06901, All rights reserved.
®
Рис. 11.2. Полномасштабное размещение элементов на оборотной (А) и лицевой (В) сторонах печатной платы (с разрешения фирмы Industrial Education).
открытой крышкой, на котором видны панель и светодиоды, приведен на рис. 11,7.
Размещение точек
Как видно из рис. 11.8, точки на корпусе располагают таким же образом, как и на обычной игральной кости. Они имеют диаметр 19 мм и изготавливаются из белой бумаги.
Последовательность действий
При изготовлении цифровой игральной кости необходимо придерживаться следующего порядка:
приобретите все необходимые детали. Наличие каждой из них проверьте по списку;
Рис. 11.3. Законченная печатная плата со всеми связями.
Рнс. 11.4. Размеры корпуса (в см) Для игральной кости (масштаб не соблюден) (с разрешения фирмы Industrial Education),
Рнс. 11,5. Внешний вид устройства (фото Мерн Дуикан из Oswego Learning Resources Center, с разрешения фирмы Industrial Education).
2
666>6>
6
6
6>
6>
一* 伞伞一冲^отверстий.N5一* 伞伞一冲^отверстий.N5
一* 伞伞一冲
^отверстий.
N5
一* 伞伞一冲
^отверстий.
N5
Рис. 11.6. Размеры (см) передней панели (масштаб не соблюден) (с разрешения фирмы Industrial Education).
Рис. 11.7. Вид устройства с открытой крышкой (фото Мерн Дут кан из Oswego Learning Resources Center, с разрешения фирмы Industrial Education),
Рис. 11.8. Развертка игральной кости,
выполните размещение и травление печатной платы, показанной на рис. 11.2;
просверлите необходимые отверстия;
установите проводники и разъемы, затем припаяйте их;
установите светодиоды таким образом, чтобы они значительно возвышались над остальными компонентами, после чего припаяйте их;
установите и припаяйте резисторы и другие компоненты;
вставьте в разъемы' интегральные схемы, со блюдая правильность расположения выводов;
установите ключи и батарею, после чего про верьте работу схемы;
если схема работает, перейдите к следующему пункту. В противном случае отыщите неисправность: проверьте батарею, наличие необходимых контактов и т, д.;
изготовьте корпус в соответствии с рис. 11.4«
отпилите крышку, прикрепите петли, отшлифуйте и покрасьте корпус в черный цвет;
изготовьте белые точки и прикрепите их к корпусу в соответствии с образцом, показанным на рис. 11.8. Убедитесь, что точки держатся крепко;
покройте точки лаком, чтобы они не стирались при использовании;
изготовьте переднюю панель в соответствии с рис. 11.6;
окрасьте переднюю панель в белый цвет;
зачерните небольшое пространство вокруг от« верстий для светодиодов;.
сделайте надписи для обозначения положения ключей;
установите ключи;
прикрепите печатную плату к передней панели таким образом, чтобы светодиоды проходили через отверстия. Все светодиоды должны выступать над по-* верхпостью панели на одно и то же расстояние порядка 3 мм;
приклейте по внутреннему периметру корпуса боковые деревянные рейки;
слегка надавливая, вставьте панель в корпус, предварительно подключив батарею* Если панель
держится слишком свободно, для надежности укрепите ее шурупами;
проверьте работу устройства.
Перечень элементов схемы
ОписаниеОписаниеКоличествоКоличество
Описание
Описание
Количество
Количество
123456 7 89012345123456 7 89012345
123456 7 89012345
123456 7 89012345
Светодиод, красный14
Резистор, 1000 Ом6
Резистор, 1500 Ом2
Диод общего назначения, тип 914"4
Резистор, 330 кОм1
Керамический дисковый конденсаторемко-1
стью 0,047 мкФ
Перекидной ключ (нормально разомкну-1
тый)
Ключ кнопочного типа SPST (вкл./выкл.)1
Батарея напряжением 9 В1
Зажим для батареи1
Разъем DIP с 14 контактами1
Разъем DIP с 16 контактами2
ИС типа 4011, 4 вентиля И-НЕ1
ИС счетчика типа 40182
Различные винты, кусок пластмассы, дере- — вянный брусок, клей, краска, провод, припой, петли и т. д.
«Взберись на гору»
«Взберись на гору》представляет собой цифровую игру для двух игроков, победить в которой можно только по воле случая. Научиться играть в нее так, чтобы иметь преимущество над соперником, невозможно. В этом разделе сначала будет рассмотрен принцип, на котором основана игра, а затем будет приведено подробное описание процесса ее изготовления.
Принцип действия
В распоряжении каждого игрока имеется схема, которая представлена на рис. 11.9. Она работает следующим образом. При включении таймера на ИС1
Отечественный аналог—КД521А. — Прим, ред.
工
%仙 220 Ом —「 *
歹
d
12 3 4 5 5 7 8
泪
一3 8 8 6 8 片 1675 К 13 12 11 10 9 )А В JR “
16 15 u 13 12 н ю g
,7^76
'IC4
16 15 14 J3 12 11 10 g
7476JC5
X схеме определения побе^ищеля
16 )5 J4 )3 12 U 10 9
74761С6
12 3 4 5 6 7 8
Г 2 3 4 5 б 7 8
16 J5 14 13 12 10 9
% 76
' JC7
1 2 3 Z, 5 б 7 В
,]ЮкОм
8 7 6 5
555£1
12 3 4
才2345678
14 J3 12 il 】U 9 8
ч А В D )74go
丿 IC2(+) 12 3 4 5 6 7
1
и
；卜 Кнопка
1rq
u
Рис. 11.9. Схема для одного игрока в игре «Взберись на гору》 (необходимы две идентичные схемы)±
перекидным ключом он начинает генерировать импульсы с частотой порядка 1000 Гц. Эти импульсы определяют режим пересчета десятичного счетчика на ИС2, выходные сигналы с которого в двоично-десятичном коде поступают на вход ИСЗ.
ИСЗ представляет собой дешифратор с десятью выходами. По мере возрастания на единицу поступающих на него чисел поочередно на каждом из десяти выходных контактов появляется импульс низкого уровня (логического нуля), в то время как другие выходы остаются в состоянии высокого уровня. Если отпустить кнопку, сигнал низкого уровня зафиксируется на одном из десяти выходов ИСЗ. Выходные контакты ИСЗ через кнопочные переключатели подключены к триггерам на ИС4—ИС7, соединенным последовательно и образующим сдвиговый регистр.
Восемь триггеров сдвигового регистра соединены между собой таким образом, что каждый из них может переключиться только при наличии двух условий: на вход соответствующего ключа должен поступать сигнал низкого уровня с ИСЗ, а предыдущий триггер должен находиться во включенном состоянии.
Поскольку количество ключей равно восьми, а выходов у дешифратора на ИСЗ— 10, то выходы 8, 9 и 10 подсоединяют к ключу с номером 8, в результате чего вероятность переключения соответствующего триггера увеличиваетсяг). Этот ключ символизирует вершину горы и его включение означает достижение одним из игроков выигрыша. Опишем процесс игры более подробно. Один из игроков включает ИС1 и нажимает кнопку с номером L Если нажатие кнопки совпадает во времени с поступлением на первый ключ разрешающего сигнала низкого уровня с соответствующего выхода ИСЗ, происходит включение первого светодиода. Каждый игрок имеет три попытки включения светодиода (три нажатия кнопки), после чего наступает очередь другого игрока. Если одному из игроков удается зажечь первый светодиод, на следующем ходу он переходит к кнопке с номером 2, В процессе игры каждый игрок стремится продвинуть-
Рис. 11.10. Схема определения победителя.
ся ближе к вершине горы, переходя последовательно от уже включенного к светодиоду, расположенному «выше», до тех пор, пока одному из игроков не удастся включить восьмой светодиод. Это будет означатьг что вершина горы достигнута.
Схема определения победителя
Когда один из игроков включает восьмой свето диод, последний начинает мигать и при этом раздается звуковой сигнал, обозначающий конец игры и победу одного из игроков. Схема, реализующая эти функции, включает в свой состав два таймера 555 Дрис, 11.10^
Рис. 11.11. Изображение оборотной стороны печатной платы (масштаб 1:2).
Изготовление
Построение устройства начинают с изготовления двух одинаковых печатных плат, по одной для каждого из игроков. Их оборотная сторона показана на рис. 11.11. В качестве кнопочных переключателей на этих платах можно использовать запасные клавиши калькулятора, на которые нужно нанести цифры 1——8. Буквы, которые ранее были нанесены на эти клавиши, можно стереть шкуркой. Размещение компонент для упомянутых печатных плат показано на рис. 11.12.
Размещение оборотной стороны печатной платы схемы звукового сигнала представлено на рис. 11.13, а лицевой стороны — на рис. 11.14. Все интегральные схемы установлены на разъемах с той целью, чтобы
CHDN8
Рис. 11.12. Размещение компонент на лицевой стороне печатной платы.
облегчить поиск неисправностей и избежать повреж-< дения от нагрева при пайке. Соединения между схемой звукового сигнала и печатными платами двух игроков показаны на рис. 11.15. Обратите внимание на то, что для питания схемы используется батарея напряжением 6 В, хотя при желании ее можно заменить на регулируемый источник питания.
Корпус
Корпус изготавливают из дерева и твердого картона. Размеры заготовки представлены на рис. 11.16« Пульт для игроков располагают таким образом, чтобы перед «горой» были видны клавиши.
На рис. 11.17 показаны примерные размеры индрь каторов на светодиодах, которые служат для обозна^
Рис. 11.13. Изображение оборотной стороны печатной платы зву* кового сигнала (в натуральную величину).
Рис. 11.14. Изображение лицевой стороны печатной платы звукового сигнала (в натуральную величину).
Рис. 11.15. Схема соединений для игры «Взберись на гору》.
чения подъема в гору. Чтобы включенные светодиоды были лучше видны, панель, на которой они устанавливаются, окрашивают в черный цвет.
Сборка
Вид спереди законченного устройства, готового для игры, представлен на рис. 11.18, а вид сзади — на рис. 11.19. Напомним, что в распоряжении каждого игрока имеется свой набор светодиодов. Вид устройства снизу представлен на рис. 11.20. Батарея располагается слева, а схема звукового сигнала и динамики—справа. Более подробно схема звукового сигнала изображена на рис. 11.21. Динамики прикрепляются к дереву при помощи деревянных шурупов и шайб.
Порядок действий
При изготовлении устройства необходимо строго придерживаться следующих этапов:
Рис. 11.16. Размещение и детали конструкции подставки (см) (масштаб не соблюден).
подберите необходимые детали. Проверьте наличие каждой из них по списку;
изготовьте две печатные платы для игроков и одну для схемы звукового сигнала. Выполните, как обычно, размещение, травление и сверление；
установите на каждую плату компоненты и припаяйте все выводы, за исключением внутренних соединений;
изготовьте подставку в соответствии со схемой;,
окрасьте панели и нанесите на ннх необходимые надписи;
I 加立效 \ !в отверстий
Рис. 11.17. Размеры (в см) горы (масштаб не соблюден).
Рис. 11.18. Законченный вид игры, готовой к употреблению.
Рис. 11.19, Вид устройства сзади с проводами, идущими к светодиодам, а также печатными платами (внизу).
Рис. 11.20. Вид устройства снизу (схема звукового сигнала при^ креплена справа к стенке корпуса),
Рис. 11.21. Вид с близкого расстояния печатной платы схемы определения победителя и динамиков, монтируемых внутри кор* пуса. Динамики прикрепляются к внутренней поверхности корпус са винтами в любом удобном месте.
установите печатные платы игроков, укрепив их шурупами и гвоздями;
изготовьте макет горы;
окрасьте гору в черный цвет;
разместите на горе индикаторные светодиоды и приклейте их в нужных местах;
приклейте макет горы к подставке；
поместите динамики и схему звукового сигнала внутрь подставки;
произведите коммутацию установленных на горе светодиодов и реализуйте в соответствии со схемой все необходимые связи;
установите батарею и проверьте, работает лн устройство;
произведите установку горы и укрепите ее на месте.
Правила игры
Для игры «Взберись на гору» предлагаются еле* дующие правила, хотя по желанию игроков нх можно изменить,
Цель игры
Цель игры состоит в том, чтобы зажечь восемь светодиодов, ведущих к вершине горы. Светодиоды следует включать поочередно один за другим, начиная с «подножия» горы, где расположен светодиод с номером 1.
Игроки по очереди пытаются включить свои светодиоды. Первый, кому удастся зажечь все восемь светодиодов, объявляется победителем.
Проигравший имеет право первого хода в следующей игре.
Начало игры
Включите питание. При этом должна загореться лампа《готов》.
Выключите все лампы на горе нажатием кнопки сброса.
Игра
Первый игрок нажимает кнопку начала и через несколько секунд отпускает ее.
Этот же игрок нажимает кнопку с номером 1. Если попытка будет удачной, загорится первый светодиод. Вероятность успеха при нажатии кнопки составляет 10 % D.
При своем ходе каждый игрок имеет право на три попытки, после чего наступает очередь другого игрока.
При удачной попытке игрок на следующем ходе стремится зажечь очередной светодиод. Для этого он должен использовать кнопку, расположенную рядом с соответствующим светодиодом.
Игроки делают ходы по очереди до тех пор, пока один из них не станет победителем.
Для того чтобы начать игру заново, необходимо нажать кнопку сброса.
D За исключением восьмой. — Прим. ред.
Перечень элементов схемы
№п. п.№п. п.ОписаниеОписаниеКоличествоКоличество
№п. п.
№п. п.
Описание
Описание
Количество
Количество
12346678901234 б12346678901234 б62244649498226 2 1 2221"*-62244649498226 2 1 2221"*-
12346678901234 б
12346678901234 б
62244649498226 2 1 2221"*
-
62244649498226 2 1 2221"*
-
ИС таймера типа 555
Динамики, 8 Ом, диаметром 50 мм
Транзистор п — р — n-типа $N2222 口
Резистор, 68 кОм
Резистор, 10 Ом
Резистор, 1000 Ом
Конденсатор емкостью 1 мкФ
Резистор, 220 Ом
Конденсатор емкостью 0,1 мкФ
Светодиод, красный
ИС типа 7476 (JK-триггер)
ИС типа 7490 (десятичный счетчик)
ИС типа 7442 (дешифратор)
Клавиша, используемая в калькуляторах (нормально разомкнутая)
Переключатель кнопочного типа (нормально разомкнутый)
Батарея напряжением 6 В
Разъем DIP с 8 контактами
Разъем DIP с 14 контактами
Разъем DIP с 16 контактами
Переключатель SPST кнопочного типа
(вкл /выкл.)
Разнообразные проводники, припой, пластмасса, гвозди, шурупы, краска, клей и т. д.
I)Отечественный аналог—КТ6086. — Прим, ped.
Музыкальный генератор на 14 нот
В этом разделе описано, как изготовить звуковой генератор, который можно запрограммировать для генерации последовательности из 14 нот. Эти ноты могут быть или случайными, или представлять отрывок какой-либо мелодии, по окончании которой устройство автоматически выключается.
Схема
Законченная принципиальная схема данного устройства представлена на рис. 11.22. Сложная на вид в действительности она довольно проста. Прежде чем
Рис. 11.22. Схема музыкального генератора на 14 нот.
перейти к описанию работы всего устройства, рассмотрим функционирование его отдельных частей, после чего определим, как они взаимодействуют между собой. Ниже приведено подробное описание принципа действия отдельных частей устройства.
Таймеры
В проектируемом устройстве используются таймеры 555 двух различных типов. Первый из них, расположенный на ИС1, предназначен для генерации импульсов, которые определяют порядок смены нот звукового генератора. Кнопка с названием《пауза》позволяет оператору приостановить последовательность импульсов, продлевая таким образом время звучания той или иной ноты.
Второй таймер, расположенный на ИС2, закомму-* тирован в виде ключа и предназначен для включения и выключения устройства при окончании последовав тельности импульсов. Включение ИС2 происходит при нажатии кнопки《начало》,а выключение, определяющее завершение последовательности импульсов ——при получении импульса окончания с ИС5 (вывод 17),
Счетчик
ИСЗ представляет собой 16-разрядный двоичный счетчик. В результате поступления сигнала на вывод 14 происходит генерация двоично-десятичного кода на выходах 8, 9, 11, 12 счетчика. При нулевом состоянии счетчика сигналы на этих выходах имеют низкий уровень.
Дешифратор двоично-десятичного кода
Двоично-десятичный код на выходах ИСЗ дешифрируется схемой ИС5. При последовательном увеличении двоично-десятичных чисел поочередно на одной из 16 выходных клемм (выводы 1——11 и 13——17) появляется нулевой импульс. Остальные 15 выходов при этом остаются в состоянии высокого уровня.
Когда схема находится в состоянии покоя, сигнал на выводе 1 ИС5 имеет низкий уровень. После нажатия кнопки 《начало》первый импульс с выхода ИС1 устанавливает вывод 1 ИС5 в состояние низкого уровня, в результате чего воспроизводится первая нота.
Когда сигнал на выводе 17 переходит в состояние низ* кого уровня, указывая на окончание последовательности нот, ИС2 выключается, а ИСЗ возвращается в состояние покоя. Вследствие этого сигнал на выводе 1 ИС5 переходит в состояние низкого уровня, а все устройство возвращается в исходное состояние.
ИС сброса
Выключение ИС2 производится сигналом низкого уровня с вывода 17 ИС5. Поскольку для выключения ИСЗ необходим сигнал высокого уровня, в схему вводят ИС4, предназначенную для инвертирования сигнала останова низкого уровня на выходе ИС5 в состояние высокого уровня с последующим поступлением его на ИСЗ.
Звуковой генератор
Звуковой генератор спроектирован на двух транзисторах, Q1 и Q2. Для установки необходимого диапазона воспроизводимых звуковых частот прибегают к так называемому контролю тона. Частота генератора может регулироваться потенциометром при условии поступления на него разрешающего сигнала низкого уровня с выхода ИС5. Чтобы устройство воспроизводило отрывок какой-либо мелодии, каждую из 14 нот настраивают с помощью соответствующего ей потенциометра, причем потенциометр, соединенный с вмво дом 2 ИС5, определяет частоту первой ноты, а потен噫 циометр, соединенный с выводом 16,——последней.
Источник питания
Для обеспечения работы устройства требуется ре* гулируемый источник питания с напряжением 5 В* Его располагают на отдельной печатной плате, включающей трансформатор, дающий напряжение 12 В, мостовой выпрямитель и регулятор.
Включение и выключение
Для включения устройства необходимо в схеме ИС2 с помощью кнопочного переключателя устано* вить вывод 2 на нуль. Выходной сигнал с ИС2 вклю* чает ИС1, которая начинает посылать импульсы в ИСЗ. Выходные сигналы с ИСЗ, работающей в режиме
пересчета, в двоично-десятичном виде поступают на вход ИС5. При этом поочередно на каждом из выходов схемы появляется импульс низкого уровня. Переход импульса низкого уровня от одного выхода к другому приводит к смене воспроизводимой в мелодии ноты.
Последний вывод с номером )7 не подключен к генератору, а используется для перевода устройства в начальное состояние. Поступление импульса с этого вывода на вывод 4 ИС2 приводит к выключению этой схемы (сбросу в нулевое состояние). В результате ИС1 тоже выключается и до нового включения устройства подача импульсов прекращается.
После включения устройство не требует дальнейшего управления. Независимо от того из какой мелодии (быстрой или медленной) взят отрывок, устройство доиграет его до конца и остановится в ожидании следующей команды.
Когда сигнал на выводе 1 имеет низкий уровень, ИС5 находится в состоянии покоя. Поскольку первый и последний выходные контакты схемы предназначены для установки и сброса, только 14 из 16 выводов может быть использовано для задания нот. Темп мелодии можно изменять, регулируя потенциометр сопротивлением 6 МОм, соединенный с ИС1. Переключатель паузы кнопочного типа, находящийся в нормально замкнутом состоянии, используется для ручного управления, которое позволяет настраивать каждую ноту в отдельности.
Использование
Данное устройство можно использовать в качестве оригинального дверного звонка или в качестве генератора звукового сигнала. Когда случайные ноты воспроизводятся в быстром темпе, получается пример своеобразной 《компьютерной» музыки, которую можно использовать при организации звуковых эффектов.
Уровень громкости устройства рассчитан на обычное помещение. Его можно уменьшить, установив последовательно с динамиком резистор. Если же необходима большая громкость, следует подключить к устройству усилитель.
Количество исполняемых нот можно увеличить* для этого в схему необходимо внести некоторые изменения. Так, добавление второго дешифратора, переход к которому будет осуществляться при переключен нии специального триггера, позволит довести число исполняемых нот до 28.
Изготовление
Основная печатная плата
Вид оборотной стороны основной печатной платы показан на рис. 11.23. Для установки интегральных схем используют разъемы. Обратите внимание, что так как ИС5 расположена в корпусе с 24 выводами, то
Рис. 11,23. Размещение проводников на обратной стороне печати ной платы в натуральную величину.
разъем для нее имеет большие размеры по сравнению с остальными разъемами. Плату изготавливают обыч* ным способом. О деталях процесса изготовления см* гл. 3.
Лицевая сторона основной печатной платы изобра* жена на рис. 11.24. Не забудьте перед тем, как при-* ступить к припаиванию разъема для ИС5, установить под ним необходимые перемычки.
Источник питания
Для установки выпрямителя, конденсатора и регут лятора источника питания используют печатную плату небольших размеров, размещение обеих сторон кото”
Рис. 11.24. Размещение элементов на лицевой стороне печатной платы.
Рис. 11.24. Продолжение,
рой представлено на рис. 11.25. Трансформатор установлен в нижней части корпуса.
Корпус
Корпус устройства лучше всего сделать из прозрачной пластмассы толщиной 3 мм, чтобы через нее были видны печатные платы. Примерные размеры корпуса, которые при желании можно уменьшить, приведены на рис. 11.26. К углам основания корпуса необходимо приделать ножки.
Полный вид устройства показан на рис. 11.27. Изнутри к верхней части корпуса прикрепляется динамик, там же монтируются кнопки《начала» и《паузы». Гнездо для подключения питания D расположено сзади. Печатные платы и трансформатор прикрепляются к основе болтами, а верхняя крышка привинчивается шурупами, для которых в основе просверлены отверстия.
На рис. 11.28 основная печатная плата показана с близкого расстояния. Специальная прорезь в корпусе обеспечивает доступ к набору потенциометров, которые служат для настройки каждой из нот.
Порядок действий
Подберите необходимые компоненты;
изготовьте печатные платы для схемы и для источника питания;
изготовьте корпус. Перед тем как согнуть пластмассу с целью придания ей окончательной формы, не забудьте просверлить все отверстия;
установите ключи и трансформатор;
соберите схему источника питания, схему генератора и другие необходимые узлы;
установите динамик в верхней части корпуса;
закончите сборку корпуса;
прикрепите ножки к углам основания корпуса;
подсоедините шнур питания;
проверьте работу устройства, регулировкой различных компонентов устанавливая желаемый темп и высоту звука.
* 120 В переменного тока.—Прим. ред.
Задняя сторона
■ т 5取N
朦眩1
Все вырезуmgi&c
(Все согнута,тдзо*)
35
一2 T*30十-彦 f
Боковая I\ баковая
сторона I Zto卜zw^xwtz
Рис. 11.26. Вариант развертки wasTM3£Cfi₽Qr& корпусу 銀acunaQ не соблюден).'
Рис. 11.27. Законченный вид музц^а^ного генератора и^ 14 но% Кнопки включения и паузы расположены в верхней части корпу* са справа от динамика>
Рис. 11.28. Вид с близкого расстояния генератора, па котором можно различить потенциометры, используемые для настройки йот. "
Перечень элементов схемы
1
ИС таймера 555
2
Круговой потенциометр, 5 МОм
3
Ключ (нормально разомкнутый)
4
Ключ (нормально замкнутый)
5
Разъем DIP с 8 выводами
6
Разъем DIP с 14 выводами
7
Разъем DIP с 24 выводами
8
ИС 7400, четыре вентиля И-НЕ
9
ИС 7493, счетчик
10
Конденсатор емкостью 10 мкФ, 10 В
11
Конденсатор емкостью 1 мкФ, 10 В
12
Динамик, 8 Ом, 2 дюйма
13
Резистор, 1 кОм, 0,25 Вт
14
Резистор, 2,2 кОм, 0,25 Вт
15
Круговой потенциометр, 50 кОм
1
16
Круговой потенциометр 100 кОм
14
17
Транзистор /г — р — /г-типа 2N2222
1
18
Транзистор р — п~ p-типа 2N2907 口
1
19
ИС дешифратора типа 74154
1
20
Трансформатор, 120 В на 12 В переменного
1
тока
21
Шнур со штепселем
1
22
Конденсатор емкостью 1000 мкФ, 20 В ,
1
23
Мостовой выпрямитель, 20 В, 1 А
1
24
Регулятор типа 7805, 5 В
1
25
Переключатель двухполюсный
1
26
Предохранитель на 1 А и корпус для него
1
27
Проводники, болты, припой, акриловая
пластмасса и т. д.
№
Описание
Количество
D Примерный отечественный аналог — транзистор П609. — Прим. ред.
Ртветы
Глава 5. Логические вентили.Глава 5. Логические вентили.8.8.СС
Глава 5. Логические вентили.
Глава 5. Логические вентили.
8.
8.
С
С
Упражнения
С
彳
рис. 5.3
О О
О
Рис. 5.12
1О1О
1О
1О
9.
10.
С = А + В или С — А + В
Это функция ИЛИ-НЕ.
2. С = А • В или С = А • В
3. Это функция И-НЕ.
С7
1
1 о
DУоо
Рис. 5.5
12.
13.
С
о 0
0
D О" 1 j
Рис. 5.14
D = А + В.
ИЛИ.
5. С = АВ или С = АВ, D = АВ.
14.
С?
6. Это функция И.
Рис. 5.17
7. Рис* 5.8.
Рис. 5.10
в
7о
国
1
о
15.
1
1
А+ В.
ИЛИ.
17.区 К о о 丄
АВ.
И.
20.
6)АВ + С = D
D
Е
1
[
1
1 0 0
0
1
0
[
0
1
1
[
Тесты
С 5. А
А 6 Е
В 7. Е
В
8.Функция ИЛИ
21. D= AB
E = (A + В) + C 22. D = (A + В) C
10.
9.
Глава 6. Триггер Упражнения
1, Q = 1, 5. Q = 0, 0 = 0.Q=l・
0
0
део123456789део123456789Рис. 7.5Рис. 7.5
део123456789
део123456789
Рис. 7.5
Рис. 7.5
Q == 0, 6, Q = 1, Q = L Q = 0.
Q = 0, 7. Q Q Q=l, 5 5
Q = 1, 8. Нет Q = 0.
11・ Да.
А = 4*С(С = А/4) (Счетчик деления на 4)
А = 2ХВ
Деление (на 2).
Тесты
26.г
б7・6
д8・а
д9・6
а10.а
Глава 7. Цифровые счетчики я десятичные индикаторы
Упражнения
D С В А
Рис. 7.2Рис. 7.2
Рис. 7.2
Рис. 7.2
Счетчик переходит в состояние 0000, а затем работает * режиме прямого счета.
Нет.
Работает в режиме обратно* го счета, пока не дойдет до 0а
Тесты
1.
6
6.
6
2.
6
7.
d
3.
6
8.
8
4.
d
9.
@
5.
10.
0
СОООО111СОООО111Рис. 9.6Рис. 9.6
СОООО111
СОООО111
Рис. 9.6
Рис. 9.6
Глава 8. Сдвиговые регистры Упражнения
А В С D
1
0
0
0
0
1
0
0
О
0
1
О
0
0
0
1
0
0
0
0
Единица сдвигается от триггера к триггеру вправо, пока вся информация не выдвинется и регистр не установится в состояние 0000.
4.
4» D С В А
0
0
0
!
0
0
1
0
0
1
0
0
[
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
!
0
0
[
0
0
Сдвиг продолжается все время, поскольку сигнал из точки D попадает в точку А.
Нет.
Тесты
L 6 4. е
а5. а
6
Глава 9. Вентиль ИСКЛЮЧА
ЮЩЕЕ ИЛИ
Упражнения
с
о
Рис. 9.2
О
Вентиль ИЛИ дает 1 при включении сигнала единичного уровня на одном из входов. Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ обеспечивает 1 на выходе только в том случае, когда два входных сигнала различны.
F
О
О
? Рис. 9.4
1
О
1
1
Когда в ABCDE появляется четное число единиц, выход F всегда равен 1. Когда в ABCDE появляется нечетное число еди-< ниц, выход F всегда равен О,
1.
0.
0.
1.
Тесты
г 4. а
б 5. д
8 6. д
Глава 10. Цифровая система
Упражнение
Счет
2-3
4—5 Рис. 10.3
9-0
Приложение 1
ОПИСАНИЕ СЕРИИ ТТЛ 5400/7400
Следующие короткие описания избранных интегральных схем ТТЛ серий 54/74 приводятся здесь с той целью, чтобы предоставить читателю справочные материалы относительно интересующей его схемы. Для каждой схемы приводится расположение выводов, а также краткое объяснение принципа действия и (или) ее отличительные особенности.
Материалы для этого приложения заимствованы из публикаций, любезно предоставленных фирмой Texas Instruments, Inc. Для получения более детальной информации по вопросам использования той или иной схемы следует обратиться к одному из справочников по ТТЛ-схемам, например к книге The TTL Data Book for Design Engineers, Second Edition, Texas Instruments Inc., 1976.
Таймер 555 (рис. П.1)
ИС таймера 555 можно использовать в качестве недорогого и точного а стабильного устройства или
十，〃с% Порог 6т)киро8ка
ППГ!Г!
87б5
1234
口U□
J Запуск ВыходСброс
Рис. П.1. Расположение выводов таймера 555.
моностабильного устройства с однократным запуском. Таймер 555 выпускается в корпусе DIP с 8 выводами и может выделять или потреблять ток в 200 мА. Ниже приведены способы коммутации и объяснения принципов работы схемы в режиме моностабильного (рис. П.2) и астабильного (рис. П.З) мультивибраторов.
Описание работы
Когда на вход запуска (вывод 2) подается отрицательный импульс, выходной сигнал с вывода 3 пере^ ходит из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня. Время пребывания выходного сигнала в состоянии высокого уровня определяется времязадаю- щей цепью. По истечении некоторого времени выходной сигнал возвращается в состояние низкого уровня и остается в нем до прихода следующего импульса запуска. Время длительности включенного состояния вычисляется с помощью следующего выражения:
Т-1,IRC,
где R *** сопротивление (в МОм); С — емкости (в мкФ); Т ——время (в с). Вывод 5 должен быть подключен к земле через танталовый конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Хотя схема может работать и без него, в литературе рекомендуют подобное подключение.
При коммутации схемы для работы в астабиль- ном режиме частота определяется следующим выра^ жением:
f=l,5/(Ri + 2RjC，
где f — частота (в Гц); Ri, R2 — сопротивление (в МОм); С — емкость (в мкФ), Если R2 намного превышает Ri по величине, времена включенного и выключенного состояний схемы будут примерно одинаковы. Соотношения времен включения и выключения можно изменить с помощью изменения соотношения сопротивлений двух резисторов.
Вывод 5 должен быть подключен на землю через танталовый конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Целесообразность такого подключения проверена на прак* тике.
Рис П.2. Подсоединение таймера 555 для работы в режиме мо- ностабильного мультивибратора.
Рис. П.З Подсоединение таймера 555 для работы в режиме аста- бильного мультивибратора.
Рис. П 4. Расположение выводов ИС 7400 (логика вентиля А=ВС),
ИС 7400 — четыре 2-входовых вентиля И-НЕ (рис. П・4)
Особенности
Каждый вентиль может быть использован отдельно. Схема требует напряжения питания 5 В.
Максимальный ток схемы достигает 20 мА.
Устройство удобно в эксплуатации и отличается малой стоимостью.
Часто используется в качестве инверторов, а также вентилей И-НЕ.
ИС 7402 — четыре 2-входовых вентиля
MJ1/HE (рис. П.5)
Особенности
Необходимо напряжение питания 5 В.
Возможность использования каждого вентиля в отдельности.
Максимальный ток в схеме 20 мА.
Рис. П.5. Расположение выводов ИС 7402 (логика вентиля А = В + С).
ИС 7404 — шесть инверторов (рис. П.6)
Особенности
Необходимое напряжение питания 5 В.
Возможность использования каждого инвертора в отдельности. Максимальный ток в схеме 20 мА,
Рис. П.6. Расположение выводов ИС 7404 (логика инвертора А н В),
вентилявентиляИС 7432 — четыре 2-входовых вентиля ИЛИ (рис. П.7|ИС 7432 — четыре 2-входовых вентиля ИЛИ (рис. П.7|
вентиля
вентиля
ИС 7432 — четыре 2-входовых вентиля ИЛИ (рис. П.7|
ИС 7432 — четыре 2-входовых вентиля ИЛИ (рис. П.7|
Особенности
Необходимое напряжение питания 5 В*
Возможность использования каждого вентиля в отдельности.
Максимальный ток в схеме 20 мА.
ИС 7447 — дешифратор — драйвер 7-сегментного индикатора (рис. П.8)
Особенности
Необходимо использовать источник питания с напряжением 5 В. Светодиоды 7-сегментного индикатора подключаются к выходным клеммам интегральной схемы через резисторы с сопротивлением 330 Ом. Во включенном состоянии сигналы на выходах имеют низкий уровень (——)и потребляемый ток достигает величины порядка 40 мА. При подаче сигнала низкого уровня (—) на вывод 3, предназначенный для контроля индикатора и находящийся обычно в состоянии высокого уровня (+), загораются все сегменты индикатора. Установка индикатора на нуль происходит при подаче сигнала низкого уровня (——)на вывод 5, Вьь
вод 4 используется для подавления избыточных нулей в предыдущих индикаторах цифр числа. Максимальный ток в схеме составляет порядка 64 мА.
ИС 7476 — два JK-триггера
с установочными входами (рис. П.9)
Особенности
Напряжение питания составляет 5 В. Обратите внимание, что выводы питания расположены не как обычно, а на клеммах 5 и 13. Каждый триггер можно по пользовать в отдельности.
Максимальный ток составляет 40 мА.
Максимальная рабочая частота равна 20 МГц.
При подаче сигнала низкого уровня (——)на вход СБРОС (CLR) происходит установка триггера в состояние Q = 0, Q = 1.
При подаче сигнала низкого уровня (—)' на вход УСТАНОВКА (PR) триггер устанавливается в состоя^ ние Q = 1, Q = 0,
Нельзя подавать сигналы низкого уровня одновременно на оба установочных входа, так как в этом случае триггер будет неуправляемым. Если сигналы J = 0 и К = 0, то лпри поступлении импульса синхро-
IQ IQ (-) 2K 2Q、2Q 2J
15141312HTO0
PRPRCLRCLRCLKCLKППППППП
PR
PR
CLR
CLR
CLK
CLK
U — UП
1234567 g
1CLK %# JCLR Л/ (十)2CLK 2PR 2CLR
Рис. П.9. Расположение выводов ИС 7476.
низации изменения состояния триггера не произойдет. Так как переключение триггера происходит при подаче импульса синхронизации, изменение сигналов на входах J и К разрешено только после окончания сигнала синхронизации. Если J = 1, а К = 0, то импульс синхронизации (CLK) установит триггер в состояние Q = 1, Q = 0.
Если J — 0, а К = 1, то с поступлением сигнала синхронизации триггер перейдет в состояние Q = 0, Q = L
При наличии на входах J и К сигналов высокого уровня (+) с каждым импульсом синхронизации триггер будет переходить в противоположное состояние, в результате чего частота выходного сигнала будет в два раза меньше частоты входного сигнала.
КС 7486 — четыре 2-входовых вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (рис. ПЛО)
Особенности
Требуется источник питания напряжением 5 В, Максимальный ток составляет 30 мА,
Рис. П.10. Расположение выводов и таблица истинности для ИС 7486 (логика вентиля А = ВФС = ВС + ВС).Рис. П.10. Расположение выводов и таблица истинности для ИС 7486 (логика вентиля А = ВФС = ВС + ВС).
Рис. П.10. Расположение выводов и таблица истинности для ИС 7486 (логика вентиля А = ВФС = ВС + ВС).
Рис. П.10. Расположение выводов и таблица истинности для ИС 7486 (логика вентиля А = ВФС = ВС + ВС).
Каждый вентиль может быть использован в отдельности.
Как видно из таблицы истинности, сигнал высокого уровня появляется на выходе в том случае, когда логические сигналы на входах различны.
ИС 7490 — десятичный счетчик (рис. ПЛ1)
Особенности
Необходимо использовать источник питания с напряжением 5 В. Обратите внимание, что полюса источника питания подключаются к выводам 5 и 10.
Синхр. / (60S613C.
141312И109 в
L门门门П门口门
爲4孕
0a8專
т-5
Cu^xp, 2 ①工)Cu^xp, 2 ①工)9Gmан、нум9Gmан、нумU4НЗ.U4НЗ.ииuА67(+•) Устакаека на 9ииuА67(+•) Устакаека на 9
Cu^xp, 2 ①工)
Cu^xp, 2 ①工)
9Gmан、нум
9Gmан、нум
U4
НЗ.
U4
НЗ.
ииu
А67
(+•) Устакаека на 9
ииu
А67
(+•) Устакаека на 9
Рис. П.11. Расположение выводов ИС 7490.
Максимальная рабочая частота составляет 16 МГц< В корпусе содержатся два независимых счетчика. Вход счетчика деления частоты на 2 расположен на выводе 14, а деления частоты на 5 ——на выводе 1. Чтобы получить счетчик деления частоты на 10, необходимо вывод D (вывод 14) закоммутировать на вход синхронизации 1 (вывод 14), а вывод 1 использовать в качестве входа синхронизации. В результате будет получен выходной сигнал в двоично-десятичном коде. Счетчик может быть установлен на нуль с помощью подачи сигнала высокого уровня на вывод 2 или 3 (или на оба сразу). Установка в состояние 9 произ* водится подачей сигнала высокого уровня на один или оба входа 6 и 7.
Входной сигнал синхронизации должен быть без дребезга. Во время работы на оба установочных входа (0 и 9) должен подаваться сигнал низкого уровня (—)• Возможен только прямой счет (счет с увеличе* нием содержимого счетчика),
счетчик типа 74192 с установочными входами (рис П.12)
В зависимости от того к какому из двух входов (UP или DN) закоммутирован генератор синхроимпульсов, счетчик считает в прямом или обратном направлении. На входе синхронизации, остающемся сво~
(+)
16 15 14 13 12 И IO g
ПГ1ППГ；Г1ПП
(С) (D)
N
0в % WN и卩 Qc qd
12 3 45678
(-)
Рис. П.12. Расположение выводов ИС 74192.
ABCD ^двоично-десятичный нходной ко又；<^двс£)=двоа11но-десятцчный выходной код.
бодным при выбранном режиме счета, во время работы счетчика должен находиться сигнал высокого уровня (+). Сигнал на выходе Qabcd появляется в двоично-десятичном коде.
Информация может быть «загружена» в счетчик посредством подачи необходимого двоично-десятичного кода на входные шины А, В, С и D и кратковремен^ ной подачи сигнала низкого уровня на нагрузку (вывод 11). Во время счета на входе нагрузки должен находиться сигнал высокого уровня.
Установку счетчика на нуль можно произвести с по* мощью подачи сигнала высокого уровня ( + ) на вход сброса (вывод 14), который во время счета должен находиться в состоянии низкого уровня (——).
При каскадном соединении нескольких счетчиков выходы переноса предыдущего счетчика должны быть соединены со входами приема сигнала переноса по следующего.
Используйте источник питания с напряжением 5 В. Максимальный ток составляет 65 мА.
Максимальная частота равна 32 МГц.
Приложение 2
Ниже приводятся не вошедшие в приложение 1 сведения по интегральным схемам серии SN 54/74 — стандартной серии биполярных интегральных схем фирмы Texas Instruments Inc.
Потребляемая мощность схем почти не зависит от частоты переключения, диапазон температуры для серии SN 54 составляет от ——55 до 十12$℃, для серий SN 74 —от 0 до +70℃.
Список отечественных аналогов используемых в книге интегральных схем
ИС 7400 —К155ЛАЗ,
ИС 7402 —К155ЛЕ1,
ИС 7404 —К155ЛН1,
ИС 7432 —К155ЛА1,
ИС 7474 —К155ТМ2,
ИС 7486 —К155ЛП5,
ИС 7490 —К155ИЕ2,
ИС 7493 —К155ИЕ5,
ИС 74154 —К155ИДЗ.
Для получения более детальной информации по параметрам интегральных схем, не имеющих отечественных аналогов, следует обратиться к справочнику Кутыркина К). М., Нефедова А. В., Савченко А. М. «Зарубежные интегральные микросхемы широкого применения»/п°Д ред, А. А, .Чернышева. —■ М.: Энергоатомиздат, 1984.
Библиография
Воусе J., Digilal Logic and Switching Circuits. Englewood Cliffs, NJ, Prentice-Hall, Inc., 1975.
Dempsey J. A, Experimentation with Digital Electronics (Laboratory Manual). Reading, MA. Addison-Wesley, Publishing Co., 1977.
Doyle J. M., Digital Switching and Timing Circuits. North Sei* tuate, MA. Duxbury Press, 1976.
Floyd T. L., Digital Logic Foundation. Columbus, OH. Charles E. Merril Publishing Co., 1977.
Gothmann W. H., Digital Electronics. An Introduction to Theory and Practice. Englewood Cliffs. NJ. Prentice-Hall, Inc., 1977* Hawkins H., Digiti Electronics Projects. Blue Ridge Summit, PA.' TAB BOOKS Inc, 1983.
Kershaw J. D., Digital Electronics: Logic and System. North Situate, MA. Duxbury Press, 1976.
I ancaster D., TTL Cookbook. Indianapolis, IN. Howard Sams & Co., Inc., 1974.
Lancaster D., CMOS Cookbook, Indianapolis, IN. Howard Sams & Co.. Inc., 1977.
Leach D. P., Experiments in Digital Principles (Laboratory Manual ).New York, NY. McGraw-Hill Book Co./Gregg Division, 1976.
Levine M. E., Digital Theory and Practice Using Integrated Circuits. Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall, Inc., 1978.
Levine M. E., Digital Theory and Esperimentation Using Integrated Circuits (Laboratory Manual). Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall, Inc., 1974.
Malvino A., Lech D. Digital Principles and Applications (Second Edition). New York, NY. McGraw-Hill Book Co., 1975.
New York Institute of Technology, A Programmed Course in Basic Pulse Circuits. McGraw-Hill Book Co./Gregg Division, New York, NY. 1978.
Porat D., Barna A., Introduction to Digital Techniques. New York, NY. John Wiley and Sons, 1979.
Rhyne T. V., Fundamentals of Digital Systems Design. Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall Inc., 1973.
Rutkovski G , Oleski J., Fundamentals of Digital Electronics (Laboratory Text). Englewood Cliffs, NJ. Prentice-Hall, Inc., 1978. Sandige R. S., Digital Concepts Using Standard Integrated Circuits. New York, NY. McGraw-Hill Book Co., 1978.
Williams G. E., Digital Technology, Principles and Practices. Chicago, IL. Science Associates, Inc., 1977.
Williams G. E., Digital Technology (Laboratory Manual). Chicago, IL. Science Research Associates, Inc., 1977.
Wojslaw C., Integrated Circuits: Theory and Applications. Reston, VA. 1978. Publishing Co., Inc., 1978.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аргумент двоично-десятичный 79
一 десятичный 79
Буфер 35
Вентили 23
Вентиль И 24
一 ИЛИ 30
一 ИЛИ-НЕ 33
———двухвходовый 33
一 И-НЕ 28
—ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 46, 163
«Взберись на гору》186
Вывод информации 89
Генератор музыкальный на
14 нот 199
Генераторы синхроимпульсов 54
Запуск однократный 57
Инверторы 73
—на вентилях 34
——на основе вентиля И-НЕ
34
Индикация 7-сегмептиая 78
Изготовление 92
—макета (макетирование)
105
Источник питания для ТТЛ 87
-постоянного напряжения
5 В 102
ИС истоковая 90
—сверхбольшая 84
—стоковая 90
ИС 7400 132, 218
一 7402 218
一 7404 219
—74192 149, 224
—7432 167, 220
一 7447 220, 221
—7449 147
—7474 134
一 7476 139, 221, 222
—7486 163, 167, 222, 223
—7490 145, 223
Ключ на основе n — p — п- транзистора 72
— — 一卩一га — p-транзистора 70
Код 16
—Бодо 18
— двоично-десятнчный 17
—ASCII 19
Комбинирование логических функций 37
Компаратор 51
Контроль четности 47
Кость игральная цифровая 178
Коэффициент объединения 87
—разветвления 87
Логика диодно-транзисторная (ДТЛ) 82
—комбинационная 23, 43
—положительная 113
—последовательная 45
■— резисторно-транзисторная (РТЛ) 82
—цифровая 23
Макетирование н экспериментирование 100
Мультивибратор 54, 55
—моностабильный 57
—нестабильный 56
Обозначение вентиля И-НЕ 29
——ИЛИ двухвходового 30
一 логическое н формулы инвертора 35
Омметр цифровой 171
Ответы 211
Пайка 98
Переключение 70
Платы печатные 92
Подача питания 101
Представление компактное 9
Преобразование восьмеричных чисел в двоичные 13
—двоичных чисел в восьмеричные 13
一 一 ：—一 десятичные 11
Проектирование 93
Проекты трех цифровых устройств 178
Разряд значащий младший
(МЗР) 10, 11
——старший (СЗР) 10
Реализация функции И на вентилях И-НЕ 38
•ИЛИ на вентилях И-НЕ 40
с помощью вентилей
ИЛИ-НЕ 39
Регистр сдвиговый 58, 64, 155
一 一 4-разрядный 64, 156
Резист 95
Светодиод 76
Сверление 98
Сегменты 7-сегментного индикатора 79
Семейство интегральных схем 81
一 КМОП 82
—ТТЛ 82
Серия ТТЛ 5400/7400 215
Синхронизация 55
Система восьмеричная 8* 12
■двоичная 8, 10
—■ десятичная 9
—счисления 8
<—цифровая 171
■— шестнадцатеричная 8± 14
Слово нечетное 48
— четное 48
Сложение 51
Соединение проводов скручиванием 102
109109Стенд экспериментальный
109
109
Степень интеграции 83
большая (БСИ) 84
малая (М.СИ) 84
—■ — средняя (ССИ) 84
Схема контроля нечетности четности 165
4848—полусумматора 53
48
48
—принятия решения на осно, ве функции ИЛИ 32
—сравнения 50
—一 слов 50
■двухразрядная 51
■— ТТЛ интегральная 85
Счетчик кольцевой 159
Счетчик циклический 66
Счетчики и индикаторы цифровые 144
Таблица истинности 33
■~亠 для полусумматора 54
логических функций И и И-НЕ 28
*описывающая работу буфера 36
Таймер 555 57, 135, 215
Тесты 141, 152, 161, 168
Типы ранние 81
Травление 96
Транзистор биполярный 68
Транзисторы переключающие биполярные 68
Триггер 128
—каскадное соединение 137
—О-Т1ша 60
Упражнения с вентилями 113
———логическими вентилями
115
•триггерами 132
—со сдвиговыми регистрами 155
——счетчиком 144
Условия переключения 88
Устранение дребезга 51
Устройства отображения информации 75
Формы выходных сигналов 55
Функции инвертирования 34
■— логические 68
сложные 42
Функция И 23
—ИЛИ 23
一 ИЛИ-НЕ 23, 29
一 一0 41
ИЛИ 39
—И-НЕ 23
-И 38
ИЛИ 40
一 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
23, 46
DIP-упаковка 85
MAN-1 147
JK-триггер 61
RS-триггер 59
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
Ваши замечания о содержании книги, ее оформлении, качестве перевода и другие просим присылать по адресу: 129820, Москва, И-110, ГСП, 1-й Рижский пер., д. 2, изд-во《Мкр》.
Гарри Хокинс
ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ
Научный редактор В. С. СоболевМладший научный редактор М 10 ГригоренкоХудожник А. В. ЛисицынХудожественный редактор Н. М. ИвановТехнический редактор Е Н ПетрунинаКорректор Н. А. Гиря
ИБ № 5455
Сдано в набор 06.06.85, Подписано к печати 21.01.86. Формат 84X108'/i2. Бумага кн -журй. Печать высокая. Гарнитура литературная. Объем 3,63 бум. л. Усл. печ. л. 12,18. Усл. кр.-отт. 12,51. Уч. изд л. )0,18. Изд. № 41/4240. Тираж 100 000 экз. Зак. 692. Цена 80 коп.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МНР»
129820, ГСП, Москва, И-110, 1-й Рижский пер., 2.
Ленинградская типография № 2 головное предприятие ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» нм. Евгении Соколовой Союзполнграфпрома при Г осу дарственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, 198052, г. Ленинград, Л 52, Измайловский проспект, 29.
Перевод с английского
А. В. ЛУКАЧЕРА
под редакцией д-ра техн, наук 二 Н. СОЛОВЬЕВА
Scan Pirat
Москва «Мир» 1986
Рглавление
Предисловие редактора перевода > 5
Введение .- . .6
Глава 1. Введение в цифровую электронику . . .....8
Системы счисления 8
Коды16
Глава 2. Основные числовые операции 23
Функции И и И-НЕ.23
Функции инвертирования 34
Комбинирование логических функций37
Сложные логические функции 42
Функция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ46
Генераторы синхроимпульсов и мультивибраторы . , . 54
Триггеры и регистры сдвига58
Глава 3. Логические функции68
Биполярные переключающие транзисторы68
Устройства отображения информации75
Ло( ические семейства интегральных схем81
Интегральные схемы ТТЛ85
Глава 4. Процессы изготовления92
Печатные платы 92
Макетирование и экспериментирование . . , . .... 100
Экспериментальный стенд109
Глава 5. Упражнения с вентилями .. ,113
Упражнения с логическими вентилями 115
Теста . 124
Глава 6. Триггер 128
JK-триггер130
Упражнения с триггерами132
Тесты141
Глава 7. Цифровые счетчики и индикаторы 144
Упражнения со счетчиком144
Тесты 152
Глава 8. Сдвиговые регистры155
Упражнения со сдвиговым регистром155
Тесты 161
Глава 9. Вентиль ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ163
Упражнения с вентилем ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ . , . 163
Тесты . 168
Глава 10. Цифровая система , .171
Проект172
Глава 11. Проекты трех цифровых устройств178
Цифровая игральная кость 178
«Взбепись на сору»186
Музыкальный генератор на 14 нот 199
Ответы211
Приложение 1. Описание серии ТТЛ 5400/7400 215
Таймер 555 215
ИС 7400 — четыре 2~входовых вентиля И-НЕ . . . . . 218
ИС 7402 — четыре 2-входовых вентиля ИЛИ-HE . . . 218
ИС 7404 — шесть инверторов219
ИС 7432 — четыре 2-входовыхвентиля ИЛИ220
ИС 7447 — дешифратор 一 драйвер 7~сегментного индикатора 220
ИС 7476 — два JK-триггера с установочными входами 221
ИС 7486 — четыре 2-входовых вентиля ИСКЛЮЧАЮ
ЩЕЕ ИЛИ222
ИС 7490 — десятичныйсчетчик223
Синхронный реверсивный двончно-десятичный счетчик типа 74192 с установочнымивходами224
Приложение 2 226
Библиография 227
Предметный указатель228
ББК §2.973 Х75
УДК 621.38
Хокинс Г.
X 75 Цифровая электроника для начинающих: Пер, с англ. — М.: Мир, 1986. — 232 с., ил.
В книге американского автора излагаются основные сведения о логических операциях и способах их реализации на интегральных элементах, пользуясь которыми радиолюбители могут создавать различные цифровые электронные схемы, предназначенные для управления роботами, моделями кораблей и самолетов, а также цветомузыкальными устройствами. Приведены практические рекомендации по изготоелеяию печатных плат и вспомогательных деталей на основе новых технологических приемов, достаточно просто осваиваемых радиолюбителями.
Для радиолюбителей и читателей, увлекающихся самодеятельным техническим творчеством.
V 2401000000-120 Ой .ББК 32.973
X '141(01)-86 163-86, ч. 16Ф7.3
Редакция литературы 〃о информатике и электронике
© 1983 by Harry М. Hawkins
© перевод на русский язык, «Мир»» 1986