Андрей Смирнов
Время чтения: ~21 мин.
Просмотров: 0

Цифровая электроника для начинающих

Семейства цифровых микросхем

Современные цифровые микросхемы очень разнообразны по своему функциональному назначению и электрическим параметрам, но среди этого разнообразия можно выделить два принципиально разных семейства цифровых микросхем: микросхемы семейства ТТЛ и микросхемы семейства КМОП. Давайте выясним их принципиальные различия.

Семейство ТТЛ

Цифровые микросхемы семейства ТТЛ (TTL) выполнены на основе биполярных транзисторов по транзисторно-транзисторной логике. Микросхемы семейства ТТЛ за счёт применения биполярных транзисторов обладают высоким быстродействием, но в тоже время для обеспечения высокого быстродействия необходима значительная мощность, то есть относительно большая сила тока.

Для всех ТТЛ-микросхем обычным является напряжение источника питания +5 В. Для правильной работы схемы эта величина должна оставаться в пределах 4,75…5,25 В и ни при каких обстоятельствах не должна превышать напряжения порядка 7 В. Каждый вход «стандартной» ТТЛ-микросхемы потребляет ток 40 мкА, когда на его входе поддерживается логическая 1, и отдает ток 1,6 мА при значении входного сигнала, равного логическому 0. Каждый выход логического элемента способен отдать ток величиной 400 мкА и принимать ток величиной не менее 16 мА. Поэтому к входам и выходам можно подключить до 10 логических элементов ТТЛ (говорят, что «логический элемент имеет нагрузочную способность по выходу равную 10»).

В настоящее время «стандартные» ТТЛ-микросхемы устарели, их заменили маломощные ТТЛ-микросхемы с диодами Шотки (ТТЛШ), которые потребляют в 4 раза меньшую мощность при такай же величине быстродействия, а в некоторых случаях увеличилось и быстродействие.

Сегодня в большинстве промышленных применений микросхемы типа ТТЛ и ТТЛШ заменяются КМОП-микросхемами. Однако ТТЛ-микросхемы продолжают оставаться наиболее удобными для экспериментов. Выходной ток ТТЛ-микросхем достаточен для работы светодиодов, а в некоторых случаях и для непосредственного подключения реле.

Ниже представленны типовые значения параметров различных серий ТТЛ и ТТЛШ микросхем.

ПараметрСерия микросхем
K155K531K555K1531K1533
7474S74LS74F74ALS
tPHL, нс2217,5155,511
tPLH, нс1512155,68
IIL, мА-1,6-1,6-0,4-0,6-0,1
I, мА0,040,040,020,020,02
IОL, мА161682015
IОН, мА-0,4-0,8-0,4-1-0,4
UОL, B0,40,20,50,30,5
UОН, B2,43,42,73,42,5
ICC, мА12114,44,13

Семейство КМОП

Микросхемы семейства КМОП (CMOS) выполнены на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник. То есть КМОП микросхемы выполнены на полевых транзисторах, благодаря чему ток покоя данных микросхем составляет меньше 1мкА, а большое входное сопротивление исключает проблемы нагрузки, приводя к бесконечной нагрузочной способности на низких частотах. Однако при переключениях с высокой частотой (больше 10 МГц), за счёт более частого разряда емкостей, увеличивается ток, и его величина достигает таких же значений, как и у ТТЛШ-микросхем.

Изначально цифровые КМОП-микросхемы обладали большим уровнем задержки (порядка 100 нс против 10 нс у ТТЛШ), что было большим недостатком, но они обладают большой помехоустойчивостью и слабо реагируют на высокочастотные помехи. Однако на сегодня используемые технологии позволяют достигать времени задержки порядка 10 нс, что сравнивает их с ТТЛШ. Разрабатываемые и перспективные серии КМОП-микросхем в настоящее время позволяют достигать величин задержек всего в 3 – 4 нс, а также уменьшить напряжение питания вплоть до нескольких десятых долей вольта.

Ниже представленны типовые значения параметров различных серий КМОП микросхем.

ПараметрСерия микросхем
K176K561K1561K1554K1564K1564
40004000A4000B74AC74HCT74ACT
tPHL, нс250120508,7183,2
tPLH, нс250120508,7183,2
IIL, мА-0,0001-0,0001-0,0001-0,0001-0,0001-0,0001
I, мА0,00010,00010,00010,00010,00010,0001
UОL, B0,30,30,31,651,651,65
UОН, B8,28,28,23,93,93,9
ICC, мА0,00050,00020,00020,40,082,4

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Математика и электроника

В настоящее время люди умеют считать гораздо лучше, чем в прошлом: у них есть замечательные помощники — умные вычислительные машины. Сегодня вычисления ведутся в сотни тысяч раз быстрее, чем сто лет назад. Как удалось достигнуть этого? Разработчики электронной и компьютерной техники, говорят, что этого достигли тем, что стали считать по другому. Не обязательно считать десятками, сотнями и тысячами ответят они.

Давно известны не десятичные системы счисления, например, система счисления с основанием 12. В роли «десятка» (единицы 2-го разряда) в ней выступает «дюжина», в роли «сотни» (единицы 3-го разряда) — «гросс» (дюжина в квадрате), а единицу четвёртого разряда называют «фут» (дюжина в кубе).

Но в мире цифровой электроники наиболее привлекательными оказались системы счисления с основанием 2, 8 и 16, то есть двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. Наиболее используемая система счисления — это конечно же двоичная. Для этого имеется ряд оснований.

Всякое цифровое устройство должно уметь «читать», «запоминать» и «демонстрировать» цифры и числа, составленные из них. В двоичной системе счисления цифр всего две: 0 и 1.

Легко придумать способ демонстрации двоичных чисел. Двоичное число, например 10012, можно записать при помощи гирлянды электрических лампочек: зажжённая лампочка обозначает «1», а не зажжённая — «0». Так изображенное число легко прочитать.

В цифровое устройство двоичное число можно вводить по проводникам электрического тока, например, 5 вольт значит, что демонстрируется «1», а если напряжение равно нулю, то демонстрируется «0».

Для запоминания двоичных чисел используются различные электрические и физические свойства с ярко выраженными двумя состояниями (например, в жёстких дисках используется эффект намагниченности отдельных участков, в оптических дисках — различие в отражающей способности или же на триггерном эффекте когда сама электронная схема хранит информацию).

Второе важное основание для использования двоичной системы — простота двоичной арифметики. Например, таблица сложения будет выглядеть следующим образом:

+1
1
1110

и таблица умножения

х1
11

Надёжность электронных устройств

Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.

История

Возникновению электроники предшествовало изобретение радио. Поскольку радиопередатчики сразу же нашли применение (в первую очередь на кораблях и в военном деле), для них потребовалась элементная база, созданием и изучением которой и занялась электроника. Элементная база первого поколения была основана на электронных лампах. Соответственно получила развитие вакуумная электроника. Её развитию способствовало также изобретение телевидения и радаров, которые нашли широкое применение во время Второй мировой войны.

Но электронные лампы обладали существенными недостатками. Это прежде всего большие размеры и высокая потребляемая мощность (что было критичным для переносных устройств). Поэтому начала развиваться твердотельная электроника, а в качестве элементной базы стали применять диоды и транзисторы.

Дальнейшее развитие электроники связано с появлением компьютеров. Компьютеры, основанные на транзисторах, отличались большими размерами и потребляемой мощностью, а также низкой надежностью (из-за большого количества деталей). Для решения этих проблем начали применяться микросборки, а затем и микросхемы. Число элементов микросхем постепенно увеличивалось, стали появляться микропроцессоры. В настоящее время развитию электроники способствует появление сотовой связи, а также различных беспроводных устройств, навигаторов, коммуникаторов, планшетов и т. п.

Основными вехами в развитии электроники можно считать:

  • изобретения А. С. Поповым радио (7 мая 1895 года), и начало использования радиоприёмников,
  • изобретение Ли де Форестом лампового триода, первого усилительного элемента,
  • использование Лосевым полупроводникового элемента для усиления и генерации электрических сигналов,
  • развитие твердотельной электроники,
  • использование проводниковых и полупроводниковых элементов (работы Иоффе, Шоттки),
  • изобретение в 1947 году транзистора (Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн),
  • создание интегральной микросхемы и последующее развитие микроэлектроники, основной области современной электроники.

2.1.3. Представление отрицательных чисел в двоичной системе счисления

Положительные
числа нами были рассмотрены ранее.
Рассмотрим способы представления
отрицательных чисел в двоичном коде.
Существует несколько способов такого
представления. Мы рассмотрим три:

  1. прямой
    код (в этом случае в двоичном числе
    выделяется бит-знака — старший бит).
    Рассмотрим однобайтное (8 бит) двоичное
    число со знаком.

Старший
бит младший бит

бит-знак
мантисса

Рисунок
2.5 — Представление однобайтных чисел со
знаком

Если
бит-знак равен 0, то число считается
положительным, а если бит-знак равен 1
= отрицательным.

Например,
1210=000011002

-1210=100011002

Недостатком
прямого кода является невозможность
выполнения арифметических операций.

Рассмотрим
сложение: 12+(-12)=0

00001100

+10001100

10011000
(-24)

Как
видим в результате сложения получились
число -24, что не равно 0.

2.
смещенный код (аналогично прямому коду
двоичное число, в смещенном число
разделяется на бит-знак и мантиссу,
причем, если бит-знак равен 0, то это
число отрицательное, а если бит-знак
равен 1 — положительное).

Числа
здесь представляются так:

Таблица
2.1

Число
в смещенном коде

Двоичный
код

Число
без знака

127

11111111

255

……….

………

..…….

2

10000010

130

1

10000001

129

10000000

128

-1

01111111

127

……….

……….

………

-127

00000001

1

-128

00000000

Достоинством
данной системы является то, что в ней
выполняются арифметические операции,
правда с учетом коррекции результата.
А недостатком является то, что 0
соответствует числу 128.

Рассмотрим
сложение: 12+(-12)=0

10001100

+01110100

100000000
(0)

Как
видим, в результате операции получилось
число 256. Ограничив предел рассмотрения
одним байтом, получим 00000000, к этому
результату надо прибавить смещение
128.

Рассмотрим
сложение: 12+(-13)=0

10001100

+01110011

11111111
(-1)

Как
видим, и в данном случае к результату
необходимо прибавить 128 и ограничить
рассмотрение одним байтом.

3.
дополнительный код (это наиболее широко
используемый код для представления
отрицательных чисел). В нем в числе также
выделяется бит-знак в старшем разряде.
В дополнительном коде ноль в старшем
разряде соответствует положительным
числам, а единица —
отрицательным числам, но при этом
положительные числа представляются
как обычно, а отрицательные —
в виде записи дополнительного кода.

Рассмотрим
порядок перевода числа -9 из десятичной
системы в дополнительный код:

1.
запишем число без знака: 9;

2.
преобразуем число в двоичный код:
00001001;

3.
получим обратный код: 11110110;

4.
прибавим 00000001 и получим: 11110111.

Если
результат операции представлен в
дополнительном коде, то для перевода
его в десятичный вид используем
нижеследующую процедуру

1.
запишем дополнительный код: 11110111;

2.
получим обратный код: 00001000;

3.
прибавим 00000001: 00001001;

4.
преобразуем число в десятичный код: -9

Знак
минус мы добавили, так как знаем, что
наше исходное число в дополнительном
коде отрицательное (старший бит равен
1)

Рассмотрим
таблицу соответствия чисел представленных
в дополнительном коде.

Таблица
2.2

Число
со знаком

Двоичный
код

Число
без знака

+127

01111111

127

……………………….

…………………………

…………………………

+2

00000010

2

+1

00000001

1

+0

00000000

-1

11111111

255

-2

11111110

254

-3

11111101

253

……………………….

…………………………

…………………………

-128

10000000

128

В
дополнительном коде сохраняются все
правила выполнения арифметических
операций.

Что делать дальше, освоив HTML и CSS?

Когда вы изучите язык разметки и таблицы стилей, советую учить JavaScript. Это язык программирования, который позволяет создавать различные интерактивные элементы на странице, а также использовать технологию AJAX. С ее помощью можно обновлять части страниц без перезагрузки, что значительно ускоряет взаимодействие с сайтом. Пример реализации AJAX – бесконечная загрузка новой информации в ленте новостей.

Зная разметку и JavaScript, вы сможете стать начинающим Frontend-разработчиком и получить высокооплачиваемую работу в веб-студии или выполнять заказы на фрилансе.

Как быстро освоить JavaScript, мы постараемся рассказать в следующих статьях.

  • Как и сколько можно заработать на верстке сайтов?
  • Как зарабатывают на создании сайтов в интернете?
  • Как стать JavaScript программистом?

Рекомендуем

Где найти работу в Интернете?

В данном разделе мы собрали ссылки на сайты вакансий, бирж, полезные сайты для отдельных специалистов, на которых можно найти хорошую работу или …

18 сайтов для инженеров-конструкторов и проектировщиков, где можно найти удаленную работу

В обзоре собраны лучшие сайты с вакансиями для инженеров-конструкторов и проектировщиков, где можно найти в том числе удаленную работу. …

Основные твердотельные приборы

Основные твердотельные активные приборы, используемые в электронных устройствах:

  • Диод — проводник с односторонней проводимостью от анода к катоду. Разновидности: туннельный диод, лавинно-пролётный диод, диод Ганна, диод Шоттки и др.;
  • Биполярные транзисторы — транзисторы с двумя физическими p-n-переходами, ток Коллектор-Эмиттер которого управляется током База-Эмиттер;
  • Полевой транзистор — транзистор, ток Исток-Сток которого управляется Напряжением на p-n- или n-p-переходе Затвор-Сток или потенциалом на нём в транзисторах без физического перехода — с затвором, гальванически изолированным от канала Сток-Исток;
  • Диоды с управляемой проводимостью динисторы и тиристоры, используемые как переключатели, светодиоды и фотодиоды используемые как преобразователи э/м излучения в электрические сигналы или электрическую энергию или обратно;
  • Интегральная микросхема — комбинация активных и пассивных твердотельных элементов на одном или нескольких кристаллах в одном корпусе, используемые как модуль, электронная схема в аналоговой и цифровой микроэлектронике.

Примеры использования

Примеры использования твердотельных приборов в электронике:

  • Умножитель напряжения на выпрямительном диоде;
  • Умножитель частоты на нелинейном диоде;
  • Эмиттерный повторитель (напряжения) на биполярном транзисторе;
  • Коллекторный усилитель (мощности) на биполярном транзисторе;
  • Эмулятор индуктивности на интегральных микросхемах, конденсаторах и резисторах;
  • Преобразователь входного сопротивления на полевом или биполярном транзисторе, на интегральной микросхеме операционного усилителя в аналоговой и цифровой микроэлектронике;
  • Генератор электрических сигналов на полевом диоде, диоде Шоттки, транзисторе или интегральной микросхеме в генераторах сигналов переменного тока;
  • Выпрямитель напряжения на выпрямительном диоде в цепях переменного электрического тока в разнообразных устройствах;
  • Источник стабильного напряжения на стабилитроне в стабилизаторах напряжения;
  • Источник стабильного напряжения на выпрямительном диоде в схемах смещения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора;
  • Светоизлучающий элемент в осветительном приборе на светодиоде;
  • Светоизлучающий элемент в оптоэлектронике на светодиоде;
  • Светоприёмный элемент в оптоэлектронике на фотодиоде;
  • Светоприёмный элемент в солярных панелях солярных электростанций;
  • Усилитель мощности на биполярном или полевом транзисторе, на интегральной микросхеме, Усилитель мощности в выходных каскадах усилителей мощности сигналов, переменного и постоянного тока;
  • Логический элемент на транзисторе, диодах или на интегральной микросхеме цифровой электроники;
  • Ячейка памяти на одном или нескольких транзисторах в микросхемах памяти;
  • Усилитель высокой частоты на транзисторе;
  • Процессор цифровых сигналов на интегральной микросхеме цифрового микропроцессора;
  • Процессор аналоговых сигналов на тразисторах, интегральной микросхеме аналогового микропроцессора или на операционных усилителях;
  • Периферийные устройства компьютера на интегральных микросхемах или транзисторах;
  • Входной каскад операционного или дифференциального усилителя на транзисторе;
  • Электронный ключ в схемах коммутации сигналов на полевом транзисторе с изолированным затвором;
  • Электронный ключ в схемах с памятью на диоде Шоттки.

Технология получения элементов

Активные и пассивные элементы в твердотельной электронике создаются на однородном сверхчистом кристалле полупроводника, чаще всего кремния, методом инжекции или напыления новых слоев в определённых координатах тела кристалла атомов иных химических элементов, молекул более сложных, в том числе и органических веществ. Инжекция меняет свойства полупроводника в месте инжекции (легирования) меняя его проводимость на обратную, создавая таким образом диод или транзистор или пассивный элемент: резистор, проводник, конденсатор или катушку индуктивности, изолятор, теплоотводящий элемент и другие структуры. В последние годы широко распространилась технология производства источников света на кристалле. Огромное количество открытий и разработанных технологий использования твердотельных технологий ещё лежат в сейфах патентообладателей и ждут своего часа.

Технологию получения полупроводниковых кристаллов, чистота которых позволяет создавать элементы размером в несколько нанометров, стали называть нанотехнологией, а раздел электроники — микроэлектроникой.

В 1970-е годы в процессе миниатюризации твердотельной электроники в ней наметился раскол на аналоговую и цифровую микроэлектронику. В условиях конкуренции на рынке производителей элементной базы победу одержали производители цифровой электроники. И в XXI веке производство и эволюция аналоговой электроники практически были остановлены. Так как в реальности все потребители микроэлектроники требуют от неё, как правило не цифровые, а непрерывные аналоговые сигналы или действия, цифровые устройства снабжены ЦАП-ами на своих входах и выходах.

Миниатюризация электронных схем сопровождалась ростом быстродействия устройств. Так первые цифровые устройства ТТЛ технологии требовали микросекунды на переключение из одного состояния в другое и потребляли большой ток, требовавший специальных мер для отвода тепла.

В начале XXI века эволюция твердотельной электроники в направлении миниатюризации элементов постепенно приостановилась и в настоящее время практически остановлена. Эта остановка была предопределена достижением минимально возможных размеров транзисторов, проводников и других элементов на кристалле полупроводника ещё способных отводить выделяемое при протекании тока тепло и не разрушаться. Эти размеры достигли единиц нанометров и поэтому технология изготовления микрочипов называется нанотехнологией.

Следующим этапом в эволюции электроники возможно станет оптоэлектроника, в которой несущим элементом выступит фотон, значительно более подвижный, менее инерционный чем электрон/«дырка» в полупроводнике твердотельной электроники.

Источники напряжения и тока

Под источниками часто понимают элементы, которые питают цепь электромагнитной энергией. Эту энергию потребляют пассивные элементы, запасают накопительные и расходуют в активном сопротивлении. Пример источника такой энергии – генератор постоянных, синусоидальных или импульсных сигналов различных форм. Для анализа электронных цепей удобно вводить идеализированные источники тока и напряжения, учитывающие основные свойства реальных источников.

Под источником напряжения понимается элемент цепи, обладающий двумя полюсами. Между этими полюсами образуется напряжение, которое задается некоторыми функциями от времени и не зависит тока в цепи. Этот источник в идеальном состоянии способен отдавать неограниченную мощность. Реальные же источники имеют внутреннее сопротивление, поэтому к ним сопротивление подключается последовательно.

Идеальный источник тока – это элемент цепи, через полюса которого протекает ток с заданной закономерностью изменения во времени. Он не зависит от напряжения между его выводами. Эта независимость означает, что внутренняя проводимость источника равно нулю, а внутреннее сопротивление бесконечно.

Реальный источник тока

Основные различия аналоговой и цифровой электроники

Поскольку в аналоговых и цифровых схемах информация кодируется по-разному, у них отличаются и процессы обработки сигналов. Следует при этом заметить, что все операции, которые могут быть совершены над аналоговым сигналом (в частности, усиление, фильтрация, ограничение диапазона и т. п.) могут быть осуществлены и методами цифровой электроники и программного моделирования в микропроцессорах.

Основное различие аналоговой от цифровой электроники можно найти в наиболее характерных для той или иной электроники способах кодирования информации.

Аналоговая электроника использует простейшее пропорциональное одномерное кодирование — отражение физических параметров источника информации в аналогичные физические параметры электрического поля или напряжения (амплитуды в амплитуды, частоты в частоты, фазы в фазы и т. д.).

Цифровая электроника использует n-мерное кодирование физических параметров источника данных. Минимально в цифровой электронике используется двумерное кодирование: напряжение (ток) и моменты времени. Данная избыточность принята исключительно для гарантированной передачи данных с любым программируемым уровнем добавленных в устройстве шумов и искажений в исходный сигнал. В более сложных цифровых схемах используется методы программной микропроцессорной обработки информации. Методы цифровой передачи данных позволяют реально создавать физические каналы передачи данных абсолютно без потерь (без возрастания шумов и других искажений)

В физическом же смысле поведение всякой цифровой электронной схемы и всего устройства ничем не отличается от поведения аналогового электронного устройства или схемы и может быть описано теорией и правилами, описывающими функционирование аналоговых электронных устройств.

Шум

В соответствии со способом кодирования информации в аналоговых схемах они в существенно большей степени уязвимы для воздействия шума, нежели цифровые цепи. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате; в свою очередь, цифровые сигналы принимают лишь одно из двух возможных значений, и для того, чтобы вызвать ошибку, помеха должна составлять примерно половину их общей величины. Это свойство цифровых схем может быть использовано для повышения устойчивости сигналов к помехам. Кроме того, противодействие шуму обеспечивается средствами восстановления сигналов на каждом логическом вентиле, которые уменьшают или ликвидируют помехи; такой механизм становится возможным благодаря квантованию цифровых сигналов. До тех пор, пока сигнал остаётся в пределах определённого диапазона значений, он ассоциируется с одной и той же информацией.

Шум является одним из ключевых факторов, влияющих на точность сигнала; в основном это шум, присутствующий в исходном сигнале, и помехи, вносимые при его передаче (см. Отношение сигнал-шум). Фундаментальные физические ограничения — к примеру, т. н. «дробовой» шум в компонентах — устанавливают пределы разрешения аналоговых сигналов. В цифровой электронике дополнительная точность обеспечивается использованием вспомогательных разрядов, характеризующих сигнал; их количество зависит от производительности аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Сложность разработки

Аналоговые схемы сложнее разрабатывать, нежели сравнимые с ними цифровые; это одна из причин, по которым цифровые системы приобрели большее распространение, нежели аналоговые. Аналоговая схема разрабатывается вручную, и процесс её создания обеспечивает меньше возможностей для автоматизации. Следует, впрочем, заметить, что для взаимодействия с окружающей средой в той или иной форме цифровое электронное устройство нуждается в аналоговом интерфейсе. К примеру, у цифрового радиоприёмника имеется аналоговый предусилитель, который является первым звеном приёмной цепи.

Азы электроники для чайников

Книга «Электроника для чайников» содержит сотни микросхем и фотографий, позволяющих даже самому далекому от этого дела человеку разобраться в принципах электроники. Подробнейшие советы и инструкции по проведению опытов помогут разобраться, как функционируют те или иные электронные детали. Также материал содержит рекомендации по выбору важнейших инструментов для работы в этой области и их полные описания.

Важно! По мере ознакомления с каждой главой читатель постепенно погружается в предмет, который увлекает его все больше и больше. Теоретические знания закрепляются практикой путем сборки простейших, но интересных устройств

Книга содержит следующие разделы:

  • «Основы теории электрических цепей», в котором дается определение напряжению, силе тока, проводникам, рассеиваемой мощности.
  • «Компоненты электросхем», где рассказывается о том, как простейшие элементы по типу резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов управляют током и задают его характеристики.
  • «Электрические схемы универсального предназначения». Здесь будет рассказано, как использовать простейшие цифровые и аналоговые схемы в сложных устройствах.
  • «Анализ электрических цепей», который познакомит с основными законами электроники и научит управлять силой тока и напряжением в электрической сети, научит применять эти закономерности на практике.
  • «Техника безопасности и рекомендации по ней». Этот раздел обучит безопасной работе с электрическими цепями и током в целом, поможет защищать себя и свои приборы от поражения током.

Обложка книги «Электроника для чайников»

Напряжение и ток – понятия

Для работы любого электронного компонента требуется наличие электрического тока. Он создается электрическим потенциалом, то есть «напором» частиц. Самого потенциала недостаточно для течения тока. Нужен также проводник, способный пропустить его через себя. Если проводника нет, то потенциал уходит в воздух, который очень хорошо препятствует распространению тока. Объекты, которые останавливают ток, называются диэлектриками, а позволяющие протекать через них – проводниками.

Помимо проводника, для  течения тока нужна разность потенциалов, возникающая в цепи. Аналогию можно провести с водопроводной трубой. Если с обеих ее сторон подается одинаковый напор, то каким бы сильным он ни был, вода не будет течь. Разность потенциалов называется напряжением. Оно обозначается буквой «U» и измеряется в  вольтах. Сила тока же обозначается «I» и измеряется в амперах.

Важно! По общей договоренности считают, что ток течет от плюса к минусу, но на самом деле это условность. Все дело в том, что отрицательные электроны были открыты уже после этой договоренности

В схемах и на практике никто не вспоминает, откуда и куда течет ток.

Наглядное определение напряжения

Практическое пособие.

В популярной форме изложены основы цифровой электроники, элементами логики, микропроцессорами, программируемыми микросхемами, приводится описание девяти цифровых самодельных приборов, которые читатель может изготовить самостоятельно. Показаны способы компоновки и исполнения печатного монтажа, даются рекомендации по настройке и тестированию самодельных приборов. В приложениях приводится справочный материал по микросхемам, таблицы зарубежных изделий электронной техники и нх отечественных аналогов и схемы самодельных приборов. Представленная книга по основам цифровой электроники рассчитана в первую очередь на радиолюбителей самостоятельно изучающих цифровую схемотехнику и не имеющих специальной подготовки. ISBN 5-283-02492-Х

Оглавление.

Глава 1. Введение в интегральные схемы
1.1. Интегральные схемы
1.2. Логические семейства
1.3. Блоки питания
1.4. Поиск неисправностей в блоке питания

Глава 2. Основные логические элементы
2.1. Логические диаграммы
2.2. Цифровые сигналы
2.3. Тристабильная логика
2.4. Логические уровни
2.5. Запас помехоустойчивости
2.6. Логические элементы
2.7. Таблицы истинности
2.8. Схема охранной сигнализации
2.9. Прослеживание логических состояний

Глава 3. Моностабильные и бистабильные схемы
3.1. Моностабильные схемы
3.2. Расширители импульсов
3.3. RS-триггеры
3.4. IK-триггеры
3.5. Двоичные счетчики/делители
3.6. Регистры сдвига
3.7. Логические пульсаторы

Глава 4. Таймеры
4.1. Таймер 555
4.2. Семейство таймеров 555
4.3. Поиск неисправностей в схемах с таймерами

Глава 5. Микропроцессоры
5.1. Внутренняя архитектура
52. Линии управления
5.3. Микропроцессорные системы
5.4. Поиск неисправностей в микропроцессорах
5.5. Логический анализатор

Глава 6. Полупроводниковая память
6.1. Постоянные запоминающие устройства
6.2. Запоминающие устройства с произвольной выборкой
6.3. Дешифрирование адреса
6.4. Практические схемы ЗУПВ
6.5. Поиск неисправностей в полупроводниковой памяти

Глава 7. Микросхемы для ввода-вывода
7.1. Требования к вводу-выводу
7.2. Способы организации ввода-вывода
7.3. Параллельный и последовательный ввод-вывод
7.4. Методы управления вводом-выводом
7.5. Микросхемы параллельного ввода-вывода
7.6. Микросхемы последовательного ввода-вывода
7.7. Поиск неисправностей в микросхемах ввода-вывода

Глава 8. Интерфейсы
8.1. Интерфейс RS-232C
8.2. Виды сигналов в интерфейсе RS-232C
8.3. Тестовое оборудование для интерфейса RS-232C
8.4. Поиск неисправностей в системах RS-232C
8.5. Универсальная приборная шина IEEE-488
8.6. Поиск неисправностей в системах IEEE-488

Глава 9. Микропроцессорные шины
9.1. Шина STE
9.2. Поиск неисправностей в шинных системах

Приложения

Приложение 1. Справочные данные по микросхемам
Приложение 2 Самодельные приборы
П2.1. Инструменты и приборы
П2.2. Стабилизированный блок питания
П2.3. Логический пробник
П2.4. Логический пульсатор
П2.5. Генератор импульсов
П2.6. Тестер цифровых микросхем
П2.7. Индикатор тока
П2.3. Звуковой логический индикатор
П2.9. Врезка для интерфейса RS-232C
П2.10. Цифровой счетчик-частотомер
Приложение 3. Осциллограф
Приложение 4. Таблица обозначений основных логических элементов
Приложение 5. Указатель зарубежных изделий электронной техники и нх отечественных аналогов
Приложение 6. Функциональное назначение зарубежных изделий электронной техники

Похожая литература

Особенности мобильных телефонов

Энциклопедия электронных схем

Конструкции юных радиолюбителей

В помощь радиолюбителю. Средства наблюдения

Эксперименты с электроникой

34

Поделиться

Выводы микросхем

Как говорилось ранее, все выводы делятся на три группы. Выводы питания можно напрямую подключать к соответствующим проводникам: общему проводу и шине питания, потому что режим работы микросхемы по току и напряжению обеспечивается её внутренними цепями. Иначе же дело обстоит с входами и выходами микросхем.

Начнём с входов логических микросхем. В самом простом случае входы микросхем можно рассматривать как очень большое сопротивление, которое не влияет на выходы микросхем, но бывают ситуации, когда один или несколько входов логической микросхемы не подсоединен, ни к одному из выходов, ни к цепям питания или общему проводу. В таком случае образуется так называемый висящий вход и микросхема может работать неустойчиво, потому, как её нормальная работа подразумевает наличие логических уровней. А на неподключённых входах микросхем (особенно серии ТТЛ) формируется некоторое напряжение («висячий потенциал»), который воспринимается как сигнал логической единицы. Поэтому неиспользуемые выводы необходимо подключать к общему проводу, а в случае микросхем ТТЛ к шине питания через резистор сопротивлением 1кОм (достаточно одного резистора на 20 входов).

Выходы цифровых микросхем коренным образом отличаются от их входов. Различают три принципиально разных выходных каскада логических микросхем:стандартный выход или выход с двумя состояниями (имеет обозначение 2C, 2S или просто ТТЛ, TTL);выход с открытым коллектором (имеет обозначение OK, OC);выход с тремя состояниями или отключаемый вывод (имеет обозначение 3C, 3S).



Типы выходов цифровых микросхем

Рассмотрим стандартный выход 2С. Он имеет всего два состояния: логическую единицу и логический нуль. Данный выход можно представить в виде двух контактов, которые замыкаются по очереди.

Выход с открытым коллектором также имеет два состояния, только состояние логического нуля здесь является активным, оно обеспечивается контактом, а состояние логической единицы обеспечивается нагрузочным резистором R (так называемый pull-up).

Выход с тремя состояниями 3С похож на стандартный выход, но к двум стандартным состояниям добавляется ещё третье состояние, так называемое пассивное состояние. В схематическом исполнении с контактами, в случае со стандартным выходом должно быть включен или логический нуль, или единица, а в случае с тремя состояниями оба контакта могут быть разомкнуты одновременно. Такое третье состояние называется высокоимпендансным или Z-состоянием. Для перевода выводов в Z-состояние используется специальный вход, который имеет обозначение ОЕ (Output Enable– разрешение выхода) или EZ (Enable Z-state – разрешение Z-состояния).

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации