Вы собираетесь войти в сферу чистой цифровой электроники, где используются логические элементы (логические вентили), являющиеся фундаментальной основой каждого электронного вычислительного устройства. Когда вы работаете с ними по отдельности, то они чрезвычайно просты для понимания, но когда вы начинаете соединять их друг с другом, то получаете нечто, что кажется недостижимым по своей сложности. Поэтому давайте начнем разбираться с ними последовательно.
Логические элементы намного более требовательны, чем таймер 555 или счетчик 4026, которые вы использовали ранее. Логическим элементам необходимо абсолютно точное напряжение питания — 5 В постоянного тока без каких-либо отклонений или «пиков» в токовых сигналах. К счастью, этого не так трудно добиться: достаточно добавить в вашу макетную плату стабилизатор напряжения LM7805, который показан на схеме на рис. 1 и на фотографии на рис. 2. Стабилизатор получает напряжение питания 9 В от обычного источника питания и уменьшает его до напряжения 5 В. В схеме включения используются два конденсатора. Вы подаете 9 В на стабилизатор, а от него напряжение 5 В поступает на обе стороны вашей макетной платы вместо нерегулируемого напряжения, которое вы использовали ранее. Для проверки напряжения примените ваш мультиметр и убедитесь, что вы точно соблюдаете полярность подключения и маркировку этой полярности.
Рис. 1. Эта простая схема очень важна для того, чтобы обеспечить подачу стабилизированного напряжения питания, равного 5 В постоянного тока, на логические микросхемы
Рис. 2. Стабилизатор напряжения и два его конденсатора могут быть удобно установлены в верхней части макетной платы. Следует помнить, что напряжение питания 9 В нужно подавать с левой стороны стабилизатора, а снимать выходное напряжение 5 В на шины питания макетной платы
После установки стабилизатора возьмите пару кнопок, два резистора с сопротивлением 10 кОм, светодиод с низким потреблением тока и резистор с сопротивлением 1 кОм, а затем подключите логическую микросхему 74HC00 так, как это показано на схеме (рис. 3). Вы можете заметить, что множество выводов микросхемы закорочены между собой и подсоединены к минусу источника питания. Разъяснения этого я приведу немного позже.
Рис. 3. Нажимая по одной кнопке или же сразу обе и наблюдая при этом за светодиодом, вы можете легко понять логическую функцию элемента И-НЕ
|
Фундаментальные сведения |
| Стабилизаторы напряжения
Самые простые модели этих маленьких полупроводников на входном выводе получают более высокое постоянное напряжение и выдают на выходе меньшее по амплитуде стабилизированное напряжение. Третий вывод стабилизатора (он обычно находится в середине) используется для подключения общего вывода источника питания (минуса источника). Кроме того, вам также нужно установить пару конденсаторов для сглаживания пульсаций тока, как это показано на рис.3. Обычно для пятивольтового стабилизатора со стороны его «входа» можно подавать напряжение 7,5 или 9 В, а со стороны «выхода» снимать точное значение напряжения, равное 5 В. Если же вы интересуетесь куда девается избыток напряжения, то ответ следующий — стабилизатор превращает его в тепло. По этой причине небольшие стабилизаторы (как тот, который показан на рис. 5) на одной из сторон корпуса часто имеют металлическую пластину с отверстием в ее верхней части. Назначение пластины — рассеивать тепло. Выполнение этой задачи будет упрощено, если вы закрепите пластину стабилизатора винтом к алюминиевой пластинке, поскольку алюминий очень хорошо проводит тепло. Такую алюминиевую пластинку называют радиатором, вы же можете легко купить один из видов радиаторов, у которого есть набор охлаждающих ребер.  рис. 4. Это расположение компонентов на макетной плате полностью идентично электрической схеме, приведенной на рис. 3 Для наших учебных экспериментов рассеивания большого теплового потока не нужно, поэтому радиаторы нам не потребуются.  Рис. 5. Устройство и функцию элемента И-НЕ легче представить с помощью упрощенной схемы, в которой нет напряжения питания микросхемы и нет попытки разместить провода таким образом, чтобы их расположение соответствовало расположению проводов на макетной плате Когда вы подключаете напряжение питания, светодиод должен загореться. Нажмите на одну из кнопок, светодиод продолжит гореть. Отпустите первую кнопку и нажмите на другую — светодиод продолжит гореть. Теперь нажмите на обе кнопки, и светодиод погаснет. Выводы 1 и 2 являются логическими входами одного из четырех логических элементов микросхемы 74HC00. Изначально на них подается напряжение, близкое к напряжению минусового вывода источника питания, поскольку они подключены к нему через подтягивающие резисторы с сопротивлением 10 кОм. Но каждая из кнопок при нажатии подает на вход микросхемы положительное напряжение. На выходе логического элемента микросхемы, как вы можете видеть, практически всегда имеется положительное напряжение — за исключением случая, когда первый и второй входы микросхемы одновременно становятся положительными. Поскольку интегральная микросхема выполняет логическую операцию И-НЕ, то ее называют логическим элементом И-НЕ (NAND). Вы можете посмотреть расположение компонентов схемы на макетной плате на рис. 4. На рис. 5 приведена упрощенная для понимания версия схемы. U-образное графическое условное обозначение с маленьким кружком в нижней части — это изображение двухвходового логического элемента И-НЕ. На этой схеме не показано напряжения питания логического элемента, но на практике любые логические микросхемы обязательно требуют питания, которое дает им возможность выдать сигнал с большим значением тока, чем те сигналы, которые они получают. В любом случае, когда вы увидите перед собой графическое условное обозначение логической микросхемы, постарайтесь запомнить, что она для выполнения своей функции обязательно должна иметь питание. На самом деле микросхема 74НС00 содержит 4 элемента И-НЕ, каждый из которых имеет по два логических входа и один выход. Внутри микросхемы выводы всех четырех логических элементов расположены так, как это показано на рис. 6. Поскольку для выполнения этого простейшего эксперимента нам необходим только один логический элемент, входные выводы неиспользуемых элементов напрямую подключены к минусовому выводу источника питания.  Рис. 6. Расположение выводов на микросхеме 74HC00 (четыре двухвходо-вых логических элемента И-НЕ) Вывод 14 используется для подачи напряжения питания на интегральную схему; вывод 7 — минусовой вывод источника питания (общий). Почти все микросхемы семейства 7400 используют одни и те же выводы для подачи напряжения питания, поэтому вы всегда сможете легко выполнять их замену. Давайте сделаем это прямо сейчас. Сначала надо выключить напряжение питания. Затем аккуратно извлеките и отложите микросхему 74НС00, предварительно закоротив ее выводы проводящей губкой. Вместо нее установите микросхему 74НС08, которая содержит 4 двухвходовых элемента И. Следует убедиться, что вы установили точно так же, как и предыдущую микросхему — вырез (ключ) должен быть расположен сверху. Снова подсоедините напряжение питания и, используя кнопки, выполните проверку работы микросхемы аналогично тому, как вы это выполняли ранее. На этот раз вы должны заметить, что светодиод загорается, если одновременно на первый и второй входы элемента подаются положительные напряжения, в противном случае светодиод остается выключенным. Таким образом, функция этой микросхемы в точности противоположна функции микросхемы И-НЕ. Расположение выводов микросхемы показано на рис. 7.  Рис. 7. Расположение выводов на микросхеме 74HC08 (четыре двухвходо-вых логических элемента И) Вы, вероятно, удивитесь, насколько полезными могут оказаться эти элементы. Скоро вы увидите, что мы сможем, соединяя эти логические микросхемы вместе, создавать такие вещи, как электронный комбинированный замок, или спаренную электронную игральную кость (домино), или компьютеризованную версию телевикторины, в которой пользователи будут соревноваться, пытаясь дать правильные ответы. И если вы достаточно амбициозны, то вы из обычных логических элементов сможете даже построить компьютер. |
| Базовые сведения |
|
От Буля к Шеннону Джордж Буль (George Boole) был британским математиком, который родился в 1815 году и который сделал то, что за всю историю человечества сделало всего лишь несколько людей. Он был достаточно удачлив и умен, чтобы изобрести совершенно новую область математики.Интересно, что в этой математике не используются числа. Буль имел жесткий логический ум и хотел уменьшить мир до набора утверждений типа «истина/ложь», которые могли бы сочетаться друг с другом разными способами. Например, предположим, у нас есть пара Энн и Боб, у которых настолько мало денег, что они могут приобрести только одну шляпу. Очевидно, что если вы случайно увидите Энн и Боба, гуляющими по улице, то в этом случае возможны 4 различных ситуации: ни один из них шляпу не надел; шляпа может быть на голове у Энн или шляпа может быть на голове Боба, но они оба никак не могут быть в шляпе.Эти ситуации отражает диаграмма, приведенная на рис. 8. Все эти состояния возможны за исключением одного, когда круги перекрываются. (Эта диаграмма известна, как диаграмма Венна (Venn diagram). Я предоставляю вам самостоятельно разобраться в этом термине, если он вам, конечно, интересен, и если вы хотите узнать больше). Буль продвинул свою идею намного дальше и показал, как создавать и упрощать существенно более сложные логические построения.  Рис. 8. Эта несколько поверхностная диаграмма Венна иллюстрирует различные возможности двух человек — Энн и Боба, у которых имеется только одна шляпа Другой способ обобщить ситуацию с ношением шляпы это создать таблицу истинности (табл.1). В крайней правой колонке приведены комбинации предположений, которые могут быть истинными или ложными. Теперь давайте проверим их по табл. 2. Таблица 1. Таблица истинности возможностей, связанных с ношением шляпы
Буль опубликовал свой научный трактат в 1854 году задолго до того, как это все стало применяться в электрических или электронных устройствах. Фактически в течение его жизни его работа выглядела бесполезной с практической точки зрения. Но человек по имени Клод Шеннон (Claude Shannon) изучил булеву логику, когда учился в Массачусетском технологическом институте (MIT), в 1930 и 1938 годах он опубликовал работы, описывающие каким образом булев анализ мог бы быть применен в схемах, использующих реле. Они сразу получили практическое применение, поскольку в это время быстро росли телефонные сети, создавая сложные проблемы переключения. Очень простая телефонная проблема может быть выражена аналогичным образом. Предположим два абонента в сельской местности пользуются одной телефонной линией. Если один из них хочет использовать линию или никто из них не хочет использовать линию, то проблем не возникает. Но они оба не могут пользоваться линией одновременно. Вы можете заметить, что это в точности такая же ситуация, что и ситуация с использованием одной и той же шляпы у Энн и Боба (рис. 9).  Рис. 9. Энн и Боб пытаются преодолеть ограничения булевой логики Мы можем легко нарисовать схему с применением двух нормально замкнутых реле, которые создают желательный результат (рис. 10), но если вы представите телефонный коммутатор, который обслуживает тысячи абонентов, то ситуация может стать очень сложной. На практике во времена Шеннона не существовало логического процесса для поиска наилучшего решения и проверки того, что оно использует меньше компонентов, чем некоторое другое решение.  Рис. 10. Это цепь с использованием реле иллюстрирует необходимую логику для двух телефонных абонентов, которые хотят пользоваться одной линией, а их поведение фактически идентично схеме логического элемента И-НЕ, приведенной на рис. 5 Шеннон видел, что булев анализ может быть использован для этой цели. Точно также, если применить состояние «включено» для представления «1» и состояние «выключено» для представления «0», вы можете построить систему реле, которая сможет выполнять вычисления. А если система может считать, то она может выполнять арифметические действия. Когда вакуумные лампы заменили работу реле, были построены первые цифровые компьютеры. Транзисторы пришли на место вакуумных ламп, а интегральные микросхемы заменили транзисторы, что привело к созданию настольных компьютеров, которые являются достижением сегодняшнего времени. Но если проникнуть глубоко внутрь и опуститься на самые нижние уровни этих безумно сложных устройств, то мы увидим, что они все еще используют законы логики, открытые Джорджем Булем. Сегодня, когда мы используем поисковые системы в Интернете и вводим операторы «И» и «ИЛИ», чтобы сузить поле поиска, мы фактические используем булевы операторы. |
| Важные сведения |
| Основные сведения о логических элементах
Логический элемент И-НЕ это одна из наиболее фундаментальных конструкций в основе цифровых компьютеров, поскольку предоставляет возможность выполнять цифровое сложение. Если же вы хотите узнать об этом больше, то можете попробовать поискать в Интернете с помощью таких запросов, как «двоичная арифметика» и «полусумматор». В общем случае существует 7 типов логических элементов.
Среди шести элементов с двумя входами элемент «Исключающее ИЛИ-НЕ» практически не используется. Элемент НЕ имеет один вход и на его выходе присутствует сигнал низкого логического уровня, близкий к напряжению отрицательного вывода источника питания (общему выводу), когда на вход подается сигнал высокого уровня, практически равный напряжению положительного вывода источника, или же на выходе имеется сигнал высокого уровня, когда на входе присутствует сигнал низкого логического уровня, соответствующий напряжению отрицательного вывода источника питания. Элемент НЕ гораздо чаще называют инвертором. Символические обозначения всех семи элементов приведены на рис. 11.  Рис. 11. Условные графические обозначения, принятые в США, для шести элементов с двумя входами и инвертора с одним входом Здесь я привел условные графические обозначения логических элементов, которые приняты в США. В Европе применяются несколько другие условные обозначения, но традиционные обозначения, приведенные здесь, являются теми, которые вы будет встречать чаще даже тогда, когда эти элементы используют европейцы. Я также привожу обозначения элементов и соответствующие таблицы истинности (рис. 12), где показаны сигналы на логические выходах (высокого или низкого уровня) для каждой пары сигналов на входах для всех элементов.  Рис. 12. Входы и соответствующие выходы шести типов логических элементов (следует помнить, что элемент «Исключающее ИЛИ-НЕ» (XNOR) используется крайне редко). Знак «-» означает напряжение низкого уровня, очень близкое к потенциалу земли. Символ «+» означает напряжение высокого уровня, очень близкое к напряжению источника питания цепи. Точные значения напряжений будут изменяться в зависимости от других активных компонентов цепи Если у вас возникнут трудности с наглядным представлением логических элементов, то вам могут помочь сравнения из области механики. Вы можете представить их как автоматы для продажи жевательной резинки с подвижными пластинами с отверстиями. Два человека, «А» и «В», могут перемещать эти пластины. Люди представляют собой входные сигналы, которые считаются положительными, если они что-либо предпринимают. (Существует также система отрицательной логики, но она не так распространена, поэтому я буду рассматривать только систему положительной логики). Поток жевательных резинок представляет собой поток положительных зарядов. Весь набор возможных вариантов представления логических элементов приведен на рис. 13 — 18.  Рис. 13. Наглядное представление двухвходового логического элемента И  Рис. 14. Наглядное представление двухвходового логического элемента И-НЕ  Рис. 15. Наглядное представление двухвходового логического элемента ИЛИ  Рис. 16. Наглядное представление двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ  Рис. 17. Наглядное представление двухвходового логического элемента «Исключающее ИЛИ»  Рис. 18. Наглядное представление двухвходового логического элемента «Исключающее ИЛИ-НЕ»
|
| Базовые сведения |
| Сложный мир TTL и CMOS
В конце 1960-х были построены первые логические элементы с использованием транзисторно-транзисторной логики — сокращенно ТТЛ (Transistor-Transistor Logic — TTL), что означало, что микроскопические биполярные транзисторы были созданы методом травления на одной пластине кристалла кремния. Вскоре за ними появились комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник — сокращенно КМОП (Complementary Metal Oxide Semiconductors — CMOS). Каждая из таких микросхем представляла собой набор полевых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, сокращенно МОП-транзистор (metal-Oxide Field-Effect Transistor — MOSFET). Микросхема 4026, которую вы использовали ранее, это микросхема, выполненная по технологии КМОП (CMOS).Вы, наверное, помните, что биполярные транзисторы усиливают ток. Микросхемы ТТЛ являются аналогичными устройствами: они более чувствительны к току, чем к напряжению. Это требует использования довольно больших токов для их функционирования. А микросхемы КМОП являются аналогами программируемых однопереходных транзисторов (PUT), которые я использовал ранее. Они чувствительны к напряжению, что дает им возможность почти не потреблять ток, когда они ожидают входного сигнала или выдерживают паузу после подачи сигнала.Два семейства микросхем ТТЛ- (TTL) и КМОП-типа (CMOS) существуют и поныне. В таблице на рис. 19 обобщены их основные преимущества и недостатки. Элементы серии КМОП с номерами микросхем 4000 и выше могут быть легко повреждены статическим электричеством, но они имеют большую ценность, поскольку потребляют очень малую энергию. Серия ТТЛ с номерами микросхем от 7400 и выше потребляет больше энергии, но обладают меньшей чувствительностью и работают очень быстро. Поэтому, если вы хотите построить компьютер, то будете использовать серию ТТЛ, ну, а если вы хотите построить какую-то электронную штучку, которая должна работать неделями от небольшой батарейки, то будете использовать семейство КМОП-микросхем.  Рис. 19. Основные различия между двумя семействами логических микросхем. В последующих поколениях эти различия постепенно стираются С этой точки зрения все становится очень сложным, поскольку производители КМОП-микросхем желали бы увеличить свою долю на рынке за счет приобретения преимуществ ТТЛ. Новые поколения микросхем КМОП также изменили свои номера и стали начинаться с цифр «74», чтобы подчеркнуть их совместимость, а функции их выводов распределяются так, чтобы они соответствовали функциям и выводам микросхем ТТЛ. В результате расположение выводов микросхем КМОП и ТТЛ теперь, как правило, совпадает, но значения напряжений для «высокого» и «низкого» логического уровня сигнала меняются для каждого нового поколения, а максимальные напряжения питания КМОП-микросхем пересматриваются в сторону уменьшения. Помните я добавил вопросительные знаки позади двух категорий в колонках для КМОП, поскольку эти микросхемы начинают преодолевать свои прежние недостатки, по меньшей мере, в некоторых аспектах. Здесь приведена краткая сводка, которая может быть полезна вам, если вы ищете микросхему, которую можно найти в Интернете, но сомневаетесь в ее технических характеристиках. Там, где вы в обозначении типа микросхемы видите букву «х» это означает, что в этом месте могут присутствовать различные цифры. Таким образом, обозначение «74хх» включает в себя микросхему 7400 (четыре двухвходовых логических элемента И-НЕ), микросхему 7402 (четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ-НЕ), микросхему 74150 (16-битовый селектор данных) и т. д. Комбинация букв, которые находятся перед цифрами «74», идентифицирует производителя микросхемы, а буквы после этих цифр могут означать тип корпуса, а также содержание тяжелых металлов, которые загрязняют окружающую среду, и другие технические особенности. Семейство ТТЛ (TTL)
Семейство КМОП (CMOS)
|
Как вы можете видеть, в настоящее время мы должны относиться к интерпретации номера детали очень внимательно.
Да, но какое семейство и поколение микросхем мы должны использовать? Это зависит от очень многого! Далее приведены некоторые основополагающие принципы выбора.
Что вам не нужно
- Различия в скоростях работы с нашей точки зрения не имеют особого значения, поскольку мы не собираемся монтировать схемы, которые будут работать на частотах, измеряемых в мегагерцах.
- Различия в ценах семейств и поколений микросхем столь незначительные, что их практически можно не учитывать.
- КМОП-микросхемы с низким значением напряжения (серии 74LVхх) для небольших экспериментальных схем не очень интересны.
- Старайтесь избегать использования в одной и той же схеме микросхем различных семейств и различных поколений одного и того же семейства. Они могут оказаться несовместимыми.
- Некоторые вариации современных микросхем могут выпускаться только для схем поверхностного монтажа. Поскольку с ними гораздо труднее обращаться и их основное преимущество заключается только в том, что они имеют маленькие размеры, то я не рекомендую пользоваться такими микросхемами.
- Компоненты семейства ТТЛ серии 74LSхх и 74ALSхх не могут выдавать такой же ток, который выдают такие серии, как 74Sхх и 74Fхх. Поэтому они вам не нужны.
Что вы должны использовать
- Старые серии 74LSхх семейства ТТЛ были настолько популярны, что их все еще можно найти в схемах, которые были специально созданы под эти микросхемы. Их еще можно приобрести в Интернете в различных источниках, но, если это невозможно, то их можно заменить интегральными схемами серии 74HCTхх, которые спроектированы с идентичными функциями.
- Старые серии 4000В микросхем семейства КМОП все еще используются любителями электроники, поскольку их способность применяться с высокими значениями напряжения очень удобна. Если микросхемы семейства ТТЛ и ТТЛ-совместимые ИС требуют точного значения напряжения питания, равного 5 В, то микросхемы серии 4000В способны работать от напряжения 15 В и могут напрямую использоваться для включения светодиодов и срабатывания небольших реле. Некоторые любители также испытывают ностальгические чувства к серии 74Cxx, которая имеет такие же функции выводов, что и микросхемы ТТЛ, но при этом в состоянии работать с более высокими напряжениями и выдавать большие значения тока. Проблема заключается в том, что некоторые интегрированные схемы серии 74Cxx почти «вымерли», в то время как микросхемы 4000B все еще доступны, хотя и считаются полностью устаревшими.
В итоге: я предлагаю использовать микросхемы 4000B только в том случае, если вы хотите сделать копию старой схемы (устройства) или если современный эквивалент недоступен (именно поэтому я выбрал микросхему 4026B для таймера измерения реакции человека, поскольку я не мог найти современный эквивалент, который в состоянии управлять 7-сегментными индикаторами напрямую, и я не хотел иметь дело с большим количеством деталей, чем это необходимо).
Если вы обратитесь к некоторым поставщикам, работающим через Интернет, например, такой компании, как Mouser Electronics, то вы обнаружите, что в настоящее время наиболее популярно семейство 74Cхх. Эти микросхемы доступны для монтажа в сквозные отверстия (что требуется при использовании макетной и перфорированной плат). Они имеют высокое значение входного сопротивления, характерное для семейства КМОП (что очень полезно), и то же самое назначение выводов, что и уже устаревшая серия 74LSxx.
Сокращения
При изучении листов технических данных на микросхемы вы, вероятно, обнаружите некоторые или все из приведенных далее сокращений.
- VOH min — минимальное выходное напряжение высокого логического уровня.
- VOL max — максимальное выходное напряжение низкого логического уровня.
- VIH min — минимальное входное напряжение, которое может считаться напряжением высокого уровня.
- VIL max — максимальное выходное напряжение, которое может считаться напряжением низкого уровня.
| Базовые сведения |
|
Происхождение логических элементов Семейство интегральных микросхем серии 7400 было представлено компанией Texas Instruments, начиная с логического элемента И-НЕ (микросхемы7400), еще в 1962 г. Некоторые компании уже продавали свои логические ИС и до этого, но серия 7400 стала доминировать на рынке. Лунная миссия Аполлонов использовала компьютеры, построенные на микросхемах серии 7400, и они были основным элементом миникомпьютеров в течение всех 1970-х.Компания RCA представила серию логических микросхем 4000 в 1968 г., которые были построены на КМОП-транзисторах; компания Texas Instruments выбрала технологию ТТЛ. Микросхемы КМОП потребляют меньшую мощность, поэтому излучают меньше тепла и обладают большей универсальностью при использовании в схемах, поскольку каждая микросхема может быть источником напряжения для других. Семейство КМОП было более терпимым к диапазону изменения напряжения (от 3 до 15 В), но не могло использоваться при частотах переключения выше 1 МГц. Семейство ТТЛ было в 10 раз быстрее. Конструкции постепенно улучшались, что приводило к более высоким скоростям работы КМОП-микросхем, что стало приводить к более редкому использованию ТТЛ. Правда до сих пор некоторые люди испытывают специфические ностальгические чувства к логическим элементам, которые «летали на Луну». На рис. 20 показана одна из плат, сделанных вручную, из которых Билл собрал свой компьютер.  Рис. 20. Любитель Билл Базби (Bill Buzbee) самостоятельно собрал веб-сервер полностью на логических микросхемах серии 7400, самая старая из которых была произведена в конце 1969 г.
|
| Фундаментальные сведения |
| Наиболее распространенные номера деталей
Каждый вывод микросхемы с 14 выводами может содержать 4 двухвходовых логических элемента, три элемента с тремя входами, один элемент с восемью входами или 6 инверторов с одним входом и выходом, как это показано в приведенной далее табл. 3.Таблица 3.
На рис. 21-29 показаны внутренние соединения для некоторых наиболее распространенных логических микросхем, которые вы, скорее всего, и будете использовать. Следует помнить, что в микросхеме 7402 элемент входов и выходов логических элементов ИЛИ-НЕ расположены несколько иначе по сравнению с другими микросхемами.  Рис. 21. Микросхема 7402 (четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ-НЕ). Следует помнить, что входы микросхемы 7402 расположены несколько в ином порядке по сравнению с другими микросхемами  Рис. 22. Микросхема 7404 (шесть инверторов)  Рис. 23. Микросхема 7410 (три трехвходовых логических элемента И-НЕ)  Рис. 24. Микросхема 7411 (три трехвходовых логических элемента И)  Рис. 25. Микросхема 7420 (два четырехвходовых логических элемента И-НЕ)  Рис. 26. Микросхема 7421 (два четырехвходовых логических элемента И)  Рис. 27. Микросхема 7427 (три трехвходовых элемента ИЛИ-НЕ)  Рис. 28. Микросхема 7432 (четыре двухвходовых логических элемента ИЛИ)  Рис. 29. Микросхема 7486 (четыре двухвходовых логических элемента «Исключающее ИЛИ»)
|
Правила соединения логических элементов
Допускается:
- Вы можете подключать вход логического элемента напрямую к вашему источнику стабилизированного напряжения (к его плюсовому выводу), либо к его минусовому выводу (общему).
- Вы можете подключать выход одного элемента напрямую к входу другого элемента.
- Выход одного логического элемента может служить источником напряжения для входов многих других ИС (это называется разветвлением по выходу (fanout)). Точное соотношение зависит от микросхемы, но вы можете почти всегда запи-тывать до 10 входов с помощью одного логического вывода. Выход логической микросхемы может управлять запуском (вывод 2) таймера 555. На выходе таймера может быть до 100 мА, что вполне достаточно для включения полдюжины светодиодов или небольших реле.
- Входной сигнал низкого уровня не обязательно должен быть равен 0 В. Логический элемент серии 74НСхх будет считать любое напряжение, которое ниже 1 В, низким логическим уровнем.
- Входной сигнал высокого уровня не обязательно должен быть 5 В. Логический элемент серии 74НСхх будет считать любое напряжение выше 3,5 В высоким логическим уровнем.
На рис. 30 и 31 приведено сравнение допустимых напряжений для входных и выходных сигналов микросхем серий 74НСхх и 74LSхх.
Рис. 30. Каждое семейство логических микросхем и каждое поколение такого семейства обладает различными стандартами для минимальных и максимальных входных и выходных уровней напряжений. На этой схеме показаны стандарты, используемые для поколения «НС» семейства КМОП-микросхем. Следует помнить, что необходимый ток для входного сигнала является минимальным по сравнению с сигналом, который доступен на выходе. Напряжение питания микросхемы создает такую разницу
Рис. 31. Поскольку поколение «LS» ТТЛ-семейства имеет настолько большие допуски для входных напряжений и различные стандартные значения для выходных напряжений, то поколение «LS» микросхем ТТЛ-семейства не следует использовать совместно с поколением «НС» микросхем семейства КМОП без использования нагрузочных резисторов, которые необходимы для того, чтобы привести микросхемы «LS» в соответствие со стандартами, применимыми к микросхемам «НС». В качестве примера использования микросхемы «LS» обратитесь в «Эксперимент 21. Гонка до места»
Не допускается:
- Не должно быть неподсоединенных выводов! При применении КМОП-микросхем, таких как семейство «НС», вы должны всегда подключать все выводы входов к известному значению напряжения, даже если эти выводы не используются. При применении однополюсного однопозиционного переключателя типа SPST для управления входом, помните, что в положении «выключено» он оставляет вход не подключенным. Для предотвращения такой ситуации используйте подтягивающий или согласующий резистор (рис. 32).
Рис. 32. Поскольку КМОП-микросхемы очень чувствительны к изменениям на входе, логический вход никогда не следует оставлять «плавающим» или неподключенным к определенному источнику напряжения. Это означает, что многие переключатели или кнопки должны использоваться с подтягивающими или согласующими резисторами таким образом, что, когда контакты переключателей будут разомкнуты, входы микросхем должны оставаться в определенном состоянии
- Для подачи напряжения питания на логические элементы семейства 74НСхх или 74LSхх не следует использовать нестаби-лизированные источники питания с напряжением более 5 В.
- Будьте очень внимательны при использовании выхода логического элемента даже для подключения светодиодов с низким потреблением тока. Всегда следует знать сколько точно миллиампер для этого необходимо. Кроме того, будьте внимательны при использовании выхода логического элемента для одновременного подключения его к входу другого элемента и для включения светодиода. На светодиоде может падать такое выходное напряжение, что после этого другой логический элемент неверно определит истинный уровень выходного сигнала. Всегда следует проверять токи и напряжения при модификации или разработке новых схем.
- Никогда не следует подавать значительное напряжение или ток на выходной вывод логического элемента.
- Никогда не следует непосредственно соединять выходы двух или более логических элементов. Если же все же необходимо сделать общую выходную шину для нескольких микросхем, то на их выходах следует использовать диоды для защиты выходов от воздействия друг на друга (рис. 33).
Рис. 33. Выход одного логического элемента не должен использоваться для непосредственного подключения к выходу другого логического элемента. Для изолирования выходов микросхем могут использоваться диоды или они могут подключаться через другой логический элемент
В семействе логических микросхем 74HCxx каждый вход логического элемента потребляет всего лишь микроамперы, а выход может быть источником тока порядка 4 мА. Это выглядит несколько парадоксальным: как может микросхема выдавать больше, чем она получает на входе? Ответ заключается в том, что она потребляет дополнительную энергию от источника питания, который подключен к выводам 7 и 14. Это тот самый источник, от которого и поступает дополнительный ток.
Поскольку на логическом выходе микросхемы может быть больший ток, чем на логическом входе, мы можем установить интегральную схему в состояние, в котором она остается во «включенном» состоянии и становится похожей на реле в устройстве охранной сигнализации, которое подключается так, что может самофиксироваться. Простейший способ добиться этого — использовать в микросхеме части выходного сигнала в качестве одного из входных.
На рис. 34 показан логический элемент И, у которого один их входов подключен к плюсовому выводу источника питания, а другой вход с помощью подтягивающего резистора удерживается на низком логическом уровне до тех пор пока не будет нажата кнопка, подающая на этот вход высокий логический уровень сигнала. Импульсный диод соединяет выход логического элемента с входом, к которому подключена кнопка и подтягивающий резистор. Следует отметить, что анод диода должен быть подключен к выходу логического элемента, а катод к входу, соединенному с резистором сопротивлением 10 кОм и кнопкой.
Рис. 34. Использование диода дает возможность подать выходной сигнал логического элемента на один из его входов, что, в свою очередь, позволяет зафиксировать элемент в определенном состоянии после получения короткого логического сигнала на входе
На схеме, которая приведена на рис. 34, показано каким образом все это должно быть выполнено на макетной плате. На рис. 35 показана простейшая схема реализации этой идеи.
Рис. 35. В данном случае показана простейшая схема, позволяющая продемонстрировать способ, с помощью которого логический элемент может сам себя зафиксировать после получения входного импульса
Когда вы на схему подадите напряжение питания, светодиод гореть не будет, как это было ранее. Для того чтобы на выходе двухвходового логического элемента И сформировать положительное напряжение, требуется наличие высокого логического уровня напряжения на обоих своих логических входах. В данной схеме в исходном состоянии высокий логический уровень сигнала будет присутствовать только на одном из входов, в то время как другой вход с помощью резистора с сопротивлением 10 кОм будет удерживаться на низком логическом уровне. Теперь нажмите на кнопку и светодиод загорится. Отпустите кнопку и светодиод продолжит гореть, поскольку высокий уровень сигнала на выходе логического элемента И через диод передается назад на его вход, и этого вполне достаточно, чтобы «преодолеть» отрицательное напряжение, которое подается подтягивающим резистором.
Выходной сигнал этого элемента И подается на один его вход, поэтому светодиод остается в этом состоянии до тех пор, пока не будет отключено питание. Такое схематическое решение называется защелкой и может быть очень полезно, когда вы на выходе хотите получить сигнал, который должен сохраняться даже после того, как пользователь нажал и отпустил кнопку.
Вы не можете взять и просто подключить выход логического элемента к одному из его входов, используя кусок обычного провода, поскольку это даст возможность положительному напряжению от сенсорного выключателя попасть на выход и повлиять на выходной сигнал. Запомните, вы никогда не должны подавать напряжение на выходной вывод логического элемента. Диод предотвращает возможность возникновения такой неприятности.
Теперь, если вы усвоили базовые сведения о логических элементах, вы готовы продолжить ваш первый реальный проект, в котором мы будем использовать всю ту информацию, которую я вам успел предоставить.
Автор: Чарльз Платт
