Loģikas mikroshēmas. 1. daļa

Ievada raksts par loģikas mikroshēmām. Apraksta skaitļu sistēmas un binārā skaitļa attēlojumu, izmantojot elektriskos signālus.

Mūsdienu digitālā integrētā shēma ir miniatūra elektroniska vienība, kuras korpuss satur aktīvus un pasīvus elementus, kas savienoti noteiktā shēmā. Tie ir tranzistori, diodes, rezistori un kondensatori.

Elementu skaits mūsdienu mikroķēdēs var sasniegt vairākus simtus tūkstošus un pat miljonus elementu. Tikai atcerieties mikroprocesori, mikrokontrolleri, atmiņas mikroshēmas.

Lai vienkārši uzskaitītu visas mūsdienu mikroshēmas, jums būs nepieciešams nevis viens raksts, bet gan visa diezgan bieza grāmata. Šajā rakstā mēs galvenokārt apskatīsim mazas un vidējas pakāpes integrācijas mikroshēmas vienkārši loģiski elementi.

Apmēram pirms divdesmit gadiem Integrētās shēmas (LSI)Parasti ražošanas procesā viņi veica tām iestrādāto funkciju. Vienā mikroshēmā varētu būt paslēpts mikrokalkulators, pulkstenis vai elektroniska datora (datora) mezgls.

Pašlaik plaši izplatīta visa veida mikrokontrolleri: pat tik vienkārša ierīce kā Ķīnā ražota Ziemassvētku vītne nav nekas cits kā ieprogrammēts mikrokontrollers.

Programmējot atbilstošo mikrokontrolleri, tiek iegūti arī elektroniskie pulksteņi, mājsaimniecības taimeri, dažādas sarunu un dziedāšanas rotaļlietas. Vai arī, kā visi tagad dzird, mirgo.

Citiem vārdiem sakot, nē ieprogrammēts kontrolieris Šis ir disks, no kura tiks iegūta ierīce ar izstrādātājam nepieciešamajām īpašībām. Un, neskatoties uz šādu universālumu, mikrokontrollera ieejas un izejas signāli ir tādi paši kā mazas un vidējas integrācijas digitālās mikroshēmas. Tāpēc bez zināšanām par šiem jau novecojušajiem un aizmāršīgajiem elementiem vienkārši nav kur iet.

Darba centrā digitālās shēmas atrodas bināro skaitļu sistēma. Tas ir arī moderno personālo datoru un visu skaitļošanas un sakaru sistēmu darbības pamatā.

Ikdienā mēs izmantojam decimālo skaitļu sistēmu, kurā ir desmit cipari 0 ... 9. Šāda sistēma radās, jo katram cilvēkam uz rokām ir desmit pirksti. Dažu ziemeļu tautu skaits bija līdz divdesmit, bet divdesmito cilvēku sauca par "visu cilvēku".

Desmit vairs nav cipars, bet skaitlis, kas sastāv no vienas desmit un nulles vienībām: 10 = 1 * 10 + 0 * 1. Tieši tādā pašā veidā skaitlis 640 saturēs sešus simtus + četrus desmitus + nulles vienības vai skaitļu 640 = 6 * 100 + 4 * 10 + 0 * 1 formā.

Šādu sistēmu sauc par decimālo pozicionālo, t.i. izlādes svars ir atkarīgs no tā stāvokļa skaitlī. Ir viegli pamanīt, ka tās būs vienības, desmitiem, simtiem, tūkstošiem, desmitiem tūkstošu, simtiem tūkstošu un tā tālāk.

Binārā sistēmā skaitli iegūst tieši tādā pašā veidā, bet nevis desmit, bet par pamatu izmanto divus un tā pakāpi. Tas ir, nevis 1, 10, 100, 1000, 10000 un tā tālāk, bet gan 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. Katru nākamo numuru iegūst, reizinot iepriekšējo ar sistēmas pamatni (šajā gadījumā ar 2), t.i. paaugstinot iepriekšējo uz nākamo pakāpi. Decimālajai sistēmai katrs iepriekšējais skaitlis tiek reizināts ar desmit, jo ciparu sistēmas bāze ir desmit.

Izmantojot astoņu bitu bināru skaitli (dators tiek saukts par baitu), ir iespējams attēlot decimālos ciparus diapazonā no 0 līdz 255 vai binārā formā 0000 0000 ... 1111 1111 (b).

Iepriekš minētais skaitlis 640 atbildīs ierakstam 640 = 10 1000 0000 (b) vai, tāpat kā iepriekšējā piemērā

640=1*512+0*256+1*128+0*64+0*32+0*16+0*8+0*4+0*2+0*1.

b) ieraksta beigās norāda, ka skaitlis ir binārs.Vienkāršākais veids, kā pārbaudīt šī ieraksta pareizību, ir Windows kalkulators. Šāda kodēšanas informācijas forma datoriem izrādījās ļoti ērta, jo ir tikpat viegli atšķirt nulli no viena kā slēgtu kontaktu no atvērtā kontakta vai degošu lampu no nodzisuša.

Ja bināro informāciju pārraida, izmantojot elektriskos signālus, ir nepieciešami tikai divi sprieguma līmeņi. Parasti tas ir vairāk pozitīvs (augsts) un mazāk pozitīvs vai pat negatīvs (nulle).

Visbiežāk augsta līmeņa spriegums tiek uzskatīts par loģisku vienību, un zema līmeņa spriegums tiek uzskatīts par loģisku nulli. Tad viņi saka, ka mums ir darīšana ar pozitīvu loģiku.

Turklāt pastāv arī negatīva loģika: augsta līmeņa spriegums ir loģisks 0, un zems līmenis ir loģiska vienība. Šajā rakstā mēs apsvērsim tikai pozitīvu loģiku.

Viens no visizplatītākajiem un populārākajiem tajā laikā radioamatieru vidū bija K155 sērijas mikroshēmas. Viņiem loģiskais nulles spriegums ir 0 ... 0,4 V līmenī, un loģiskā vienība ir 2,4 ... 5,0 V. Tas notiek neskatoties uz to, ka šīs sērijas nominālais barošanas spriegums ir 5 V ar pielaidi + - desmit procenti.

Citām mikroshēmu sērijām, kurām ir atšķirīgs barošanas spriegums, šie skaitļi, protams, ir atšķirīgi, bet vienas un tās pašas sērijas ietvaros nemainās. Aptuveni mēs varam teikt, ka loģiskas vienības spriegums lielākajā daļā mikroshēmu sēriju svārstās no puses barošanas sprieguma līdz pilnam barošanas spriegumam.

Piemēram, K561 sērijas mikroshēmām ar barošanas spriegumu + 15 V loģiskās vienības spriegums būs diapazonā no + 7,5 ... 15 V. K561 sērija ir darbināma ar barošanas spriegumu 3 ... 15V robežās. Šajā gadījumā loģiskās vienības spriegums būs iepriekš norādītajās robežās.

Mēs uzskatīsim loģisko shēmu aprakstu, izmantojot K155 sēriju, kā visizplatītāko, un darbības laikā nav nepieciešami īpaši piesardzības pasākumi.

Šī mikroshēmu sērija tiek uzskatīta par funkcionāli pilnīgu, un tajā ir aptuveni 100 vienību. Tas nozīmē, ka ar šo sēriju jūs varat īstenot jebkuru pat vissarežģītāko loģisko funkciju.

Nākamajā rakstā mēs iepazīsimies ar digitālo mikroshēmu darbību un ierīci. Mēs sāksim šo iepazīšanu ar loģikas elementiem, kas realizē vienkāršākās funkcijas. Būla algebra (loģikas algebra).

Boriss Aladyshkin

Raksta turpinājums: Loģikas mikroshēmas. 2. daļa 

E-grāmata -Iesācēja rokasgrāmata AVR mikrokontrolleriem