Układy logiczne. Część 1

Artykuł wprowadzający o układach logicznych. Opisuje systemy liczbowe i reprezentację liczby binarnej za pomocą sygnałów elektrycznych.

Nowoczesny cyfrowy układ scalony jest miniaturowym urządzeniem elektronicznym, którego obudowa zawiera elementy aktywne i pasywne połączone w określony sposób. Są to tranzystory, diody, rezystory i kondensatory.

Liczba elementów we współczesnych mikroukładach może sięgać kilkuset tysięcy, a nawet milionów elementów. Po prostu pamiętaj mikroprocesory, mikrokontrolery, układy pamięci.

Aby po prostu wymienić wszystkie nowoczesne mikroukłady, nie potrzebujesz jednego artykułu, ale całą dość grubą książkę. W tym artykule rozważymy głównie mikroukłady o małym i średnim stopniu integracji proste elementy logiczne.

Jakieś dwadzieścia lat temu Układy scalone (LSI)Z reguły wykonywali funkcję osadzoną w nich podczas procesu produkcyjnego. W jednym mikroukładzie można ukryć mikrokalkulator, zegar lub węzeł komputera elektronicznego (komputera).

Obecnie szeroko rozpowszechnione wszystkie rodzaje mikrokontrolerów: nawet takie proste urządzenie jak Świąteczna girlanda wyprodukowana w Chinach nie ma nic poza zaprogramowanym mikrokontrolerem.

Zegary elektroniczne, zegary domowe, różne zabawki mówiące i śpiewające są również uzyskiwane poprzez zaprogramowanie odpowiedniego mikrokontrolera. Lub, jak wszyscy słyszą teraz, miganie.

Innymi słowy nie zaprogramowany kontroler Jest to dysk, z którego zostanie uzyskane urządzenie o właściwościach niezbędnych dla programisty. I pomimo takiej uniwersalności sygnały wejściowe i wyjściowe mikrokontrolera są takie same, jak cyfrowe mikroukłady o małym i średnim stopniu integracji. Dlatego bez znajomości tych już przestarzałych i zapomnianych elementów po prostu nie ma drogi.

W sercu pracy obwody cyfrowe leży system liczb binarnych. U podstaw leży także funkcjonowanie nowoczesnych komputerów osobistych i wszystkich systemów obliczeniowych i komunikacyjnych.

W życiu codziennym korzystamy z systemu liczb dziesiętnych zawierającego dziesięć cyfr 0 ... 9. Taki system powstał, ponieważ każda osoba ma dziesięć palców na rękach. Niektóre ludy Północy liczyły do ​​dwudziestu, a dwadzieścia osób nazywano „całym człowiekiem”.

Dziesięć nie jest już cyfrą, ale liczbą składającą się z jednej dziesięciu i zera jednostek: 10 = 1 * 10 + 0 * 1. Dokładnie w ten sam sposób liczba 640 będzie zawierać sześćset + cztery dziesiątki + jednostki zerowe lub w postaci liczb 640 = 6 * 100 + 4 * 10 + 0 * 1.

Taki system nazywa się pozycją dziesiętną, tj. ciężar rozładowania zależy od jego pozycji w liczbie. Łatwo zauważyć, że będą to jednostki, dziesiątki, setki, tysiące, dziesiątki tysięcy, setki tysięcy i tak dalej.

W systemie binarnym liczba jest uzyskiwana dokładnie w ten sam sposób, ale nie dziesięć, ale dwa i jej stopień są wykorzystywane jako podstawa. To znaczy nie 1, 10, 100, 1000, 10000 i tak dalej, ale 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. Każda kolejna liczba jest uzyskiwana przez pomnożenie poprzedniej liczby przez podstawę systemu (w tym przypadku przez 2), tj. podniesienie poprzedniego do następnego stopnia. W systemie dziesiętnym każda poprzednia liczba jest mnożona przez dziesięć, ponieważ podstawą systemu liczb jest dziesięć.

Używając ośmiobitowej liczby binarnej (bajt nazywany jest w technologii komputerowej), możliwe jest reprezentowanie liczb dziesiętnych w zakresie 0 ... 255 lub w postaci binarnej 0000 0000 ... 1111 1111 (b).

Wspomniana wyżej liczba 640 będzie odpowiadać pozycji 640 = 10 1000 0000 (b) lub, jak w poprzednim przykładzie

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

(b) na końcu zapisu wskazuje, że liczba jest binarna.Najłatwiejszym sposobem sprawdzenia poprawności tego wpisu jest kalkulator Windows. Ta forma kodowania informacji okazała się bardzo wygodna dla komputerów, ponieważ odróżnienie zera od jednego jest tak proste, jak styk zamknięty od otwartego lub płonąca lampa od wygasłego.

Jeśli informacje binarne są przesyłane za pomocą sygnałów elektrycznych, wymagane są tylko dwa poziomy napięcia. Z reguły jest bardziej dodatnia (wysoka), a mniej dodatnia, a nawet ujemna (zero).

Najczęściej napięcie wysokiego poziomu jest uważane za jednostkę logiczną, a napięcie niskiego poziomu za logiczne zero. Następnie mówią, że mamy do czynienia z logiką pozytywną.

Ponadto istnieje również logika ujemna: napięcie wysokiego poziomu jest logiczne 0, a niski poziom jest jednostką logiczną. W tym artykule rozważymy tylko logikę pozytywną.

Jednym z najbardziej popularnych i popularnych wówczas wśród amatorów radia był mikroukłady z serii K155. Dla nich logiczne napięcie zerowe wynosi 0 ... 0,4 V, a jednostka logiczna 2,4 ... 5,0 V. Dzieje się tak pomimo faktu, że znamionowe napięcie zasilania dla tej serii wynosi 5 V z tolerancją + - dziesięć procent.

W przypadku innych serii mikroukładów o innym napięciu zasilania liczby te są oczywiście różne, ale w tej samej serii pozostają niezmienione. Z grubsza możemy powiedzieć, że napięcie jednostki logicznej w większości serii mikroukładów waha się od połowy napięcia zasilającego do pełnego napięcia zasilającego.

Na przykład dla mikroukładów serii K561 o napięciu zasilania + 15 V, napięcie jednostki logicznej będzie w zakresie + 7,5 ... 15 V. Seria K561 działa przy napięciu zasilania w granicach 3 ... 15 V. W takim przypadku napięcie jednostki logicznej będzie mieściło się w granicach wskazanych powyżej.

Rozważymy opis obwodów logicznych wykorzystujących serię K155 jako najbardziej powszechny i ​​nie wymagają specjalnych środków ostrożności podczas pracy.

Ta seria żetonów jest uważana za funkcjonalnie kompletną i zawiera około 100 pozycji. Oznacza to, że dzięki tej serii możesz wdrożyć dowolną, nawet najbardziej złożoną funkcję logiczną.

W następnym artykule zapoznamy się z działaniem i urządzeniem mikroukładów cyfrowych. Rozpoczniemy tę znajomość od elementów logicznych realizujących najprostsze funkcje. Algebra boolowska (algebra logiki).

Boris Aladyshkin

Kontynuacja artykułu: Układy logiczne. Część 2 

E-book -Przewodnik dla początkujących po mikrokontrolerach AVR