Układy logiczne. Część 3

Układy logiczne. Część 1

Układy logiczne. Część 2 - Bramy

Poznaj układ cyfrowy

W drugiej części artykułu mówiliśmy o warunkowych oznaczeniach graficznych elementów logicznych i funkcjach pełnionych przez te elementy.

Aby wyjaśnić zasadę działania, podano obwody kontaktowe pełniące funkcje logiczne AND, OR, NOT i AND-NOT. Teraz możesz zacząć praktyczną znajomość mikroukładów serii K155.

Wygląd i wygląd

Podstawowym elementem 155. serii jest układ K155LA3. Jest to plastikowa obudowa z 14 odprowadzeniami, na której górnej stronie jest zaznaczony i klawisz wskazujący pierwsze wyjście układu.

Klucz to mały okrągły znak. Jeśli spojrzysz na mikroukład z góry (z boku obudowy), wówczas wnioski należy policzyć przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a jeśli od dołu, a następnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Rysunek skrzynki mikroukładu pokazano na rysunku 1. Taki futerał nazywa się DIP-14, co w tłumaczeniu z języka angielskiego oznacza plastikową obudowę z dwurzędowym układem pinów. Wiele mikroukładów ma większą liczbę styków, a zatem skrzynia może mieć postać DIP-16, DIP-20, DIP-24, a nawet DIP-40.

Rysunek 1. Obudowa DIP-14.

Co zawiera ta sprawa

W pakiecie DIP-14 mikroukładu K155LA3 zawiera 4 niezależne elementy 2I-NOT. Jedyną rzeczą, która ich łączy, są tylko ogólne wnioski dotyczące mocy: 14. wyjście mikroukładu to + źródło zasilania, a pin 7 to biegun ujemny źródła.

Aby nie zaśmiecać obwodu niepotrzebnymi elementami, linie energetyczne z reguły nie są pokazane. Nie jest to również zrobione, ponieważ każdy z czterech elementów 2I-NOT może być umieszczony w różnych miejscach obwodu. Zwykle po prostu piszą na obwodach: „+ 5 V prowadzi do wniosków 14 DD1, DD2, DD3 ... DDN. -5 V prowadzi do wniosków 07 DD1, DD2, DD3 ... DDN. ”. Oddzielnie rozmieszczone elementy są oznaczone jako DD1.1, DD1.2, DD1.3, DD1.4. Rysunek 2 pokazuje, że układ K155LA3 składa się z czterech elementów 2I-NOT. Jak już wspomniano w drugiej części artykułu, wnioski wejściowe znajdują się po lewej stronie, a wyniki po prawej.

Obcy analog K155LA3 to układ SN7400 i można go bezpiecznie stosować we wszystkich eksperymentach opisanych poniżej. Mówiąc ściślej, cała seria układów K155 jest analogiem do zagranicznej serii SN74, więc sprzedawcy na rynkach radiowych właśnie to oferują.

Rysunek 2. Układ pinów układu K155LA3.

Aby przeprowadzić eksperymenty z mikroukładem, będziesz potrzebować zasilacz Napięcie 5 V. Najprostszym sposobem na zbudowanie takiego źródła jest użycie mikroukładu stabilizującego K142EN5A lub jego importowanej wersji, która nazywa się 7805. Jednocześnie nie jest konieczne nawijanie transformatora, lutowanie mostka, instalowanie kondensatorów. W końcu zawsze będzie jakiś chiński adapter sieciowy o napięciu 12 V, do którego wystarczy podłączyć 7805, jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Proste źródło zasilania do eksperymentów.

Aby przeprowadzić eksperymenty z mikroukładem, musisz wykonać płytkę o małym rozmiarze. Jest to kawałek getinaxu, włókna szklanego lub innego podobnego materiału izolacyjnego o wymiarach 100 * 70 mm. Do takich celów nadaje się nawet prosta sklejka lub gruba tektura.

Wzdłuż długich boków płyty ocynowane przewody należy wzmocnić o grubości około 1,5 mm, przez które moc będzie dostarczana do mikroukładów (szyn zasilających). Między przewodami na całej powierzchni płyty chlebowej wywierć otwory o średnicy nie większej niż 1 mm.

Podczas przeprowadzania eksperymentów możliwe będzie włożenie do nich kawałków ocynowanego drutu, do którego zostaną przylutowane kondensatory, oporniki i inne elementy radiowe. W rogach planszy powinieneś wykonać niskie nogi, co pozwoli na umieszczenie drutów od dołu.Projekt płyty chlebowej pokazano na rycinie 4.

Rysunek 4. Plansza rozwoju.

Po przygotowaniu planszy możesz zacząć eksperymentować. Aby to zrobić, należy zainstalować na nim co najmniej jeden układ K155LA3: wlutować piny 14 i 7 do szyn zasilających i wygiąć pozostałe piny, aby leżały na płycie.

Przed rozpoczęciem eksperymentów należy sprawdzić niezawodność lutowania, prawidłowe podłączenie napięcia zasilania (podłączenie napięcia zasilania w odwrotnej polaryzacji może uszkodzić mikroukład), a także sprawdzić, czy nie ma zwarcia między sąsiednimi zaciskami. Po tej kontroli możesz włączyć zasilanie i rozpocząć eksperymenty.

Najlepiej nadaje się do pomiarów woltomierz tarczowyktórego impedancja wejściowa wynosi co najmniej 10 K / V. Każdy tester, nawet tani chiński, w pełni spełnia ten wymóg.

Dlaczego lepiej jest zmienić? Ponieważ obserwując fluktuacje strzałki, można zauważyć pulsacje napięcia, oczywiście o wystarczająco niskiej częstotliwości. Multimetr cyfrowy nie ma tej zdolności. Wszystkie pomiary powinny być wykonywane w stosunku do „minus” źródła zasilania.

Po włączeniu zasilania zmierz napięcie na wszystkich stykach mikroukładu: na stykach wejściowych 1 i 2, 4 i 5, 9 oraz 10, 12 i 13 napięcie powinno wynosić 1,4 V. A na zaciskach wyjściowych 3, 6, 8, 11 około 0,3 V. Jeśli wszystkie napięcia mieszczą się w określonych granicach, mikroukład działa.

Rysunek 5. Proste eksperymenty z elementem logicznym.

Testowanie działania elementu logicznego 2 ORAZ NIE można rozpocząć na przykład od pierwszego elementu. Jego piny wejściowe 1 i 2 oraz wyjście 3. Aby zastosować logiczny sygnał zerowy do wejścia, wystarczy po prostu podłączyć to wejście do ujemnego (wspólnego) przewodu źródła zasilania. Jeśli wymagane jest wejście jednostki logicznej, to wejście to należy podłączyć do magistrali + 5 V, ale nie bezpośrednio, ale poprzez rezystor ograniczający o rezystancji 1 ... 1,5 KΩ.

Załóżmy, że podłączyliśmy wejście 2 do wspólnego przewodu, tym samym dostarczając mu logiczne zero, a do wejścia 1 zasililiśmy jednostkę logiczną, jak właśnie wskazano przez rezystor końcowy R1. To połączenie pokazano na rysunku 5a. Jeśli przy takim połączeniu mierzone jest napięcie na wyjściu elementu, wówczas woltomierz pokaże 3,5 ... 4,5 V, co odpowiada jednostce logicznej. Jednostka logiczna da pomiar napięcia na pinie 1.

Jest to całkowicie zbieżne z tym, co pokazano w drugiej części artykułu na przykładzie obwodu stykowego przekaźnika 2I-NOT. Na podstawie wyników pomiarów można wyciągnąć następujący wniosek: gdy jedno z wejść elementu 2I-NOT jest wysokie, a drugie jest niskie, z pewnością poziom wyjściowy będzie wysoki.

Następnie wykonamy następujący eksperyment - dostarczymy jednostkę do obu wejść jednocześnie, jak pokazano na rysunku 5b, ale podłączymy jedno z wejść, na przykład 2, do wspólnego przewodu za pomocą zworki. (Do takich celów najlepiej użyć zwykłej igły do ​​szycia przylutowanej do elastycznego okablowania). Jeśli teraz zmierzymy napięcie na wyjściu elementu, wówczas, podobnie jak w poprzednim przypadku, pojawi się jednostka logiczna.

Bez przerywania pomiarów usuwamy zworkę z drutu - woltomierz pokaże wysoki poziom na wyjściu elementu. Jest to w pełni zgodne z logiką elementu 2I-NOT, co można zweryfikować, odwołując się do schematu styków w drugiej części artykułu, a także patrząc na pokazaną tam tabelę prawdy.

Jeśli ta zworka jest teraz okresowo zamknięta do wspólnego przewodu któregokolwiek z wejść, symulując zasilanie niskiego i wysokiego poziomu, wówczas za pomocą woltomierza wyjście może wykryć impulsy napięcia - strzałka oscyluje w czasie, gdy zworka dotyka wejścia mikroukładu.

Z eksperymentów można wyciągnąć następujące wnioski: napięcie niskiego poziomu na wyjściu pojawi się tylko wtedy, gdy wysoki poziom jest obecny na obu wejściach, to znaczy warunek 2I jest spełniony na wejściach.Jeśli co najmniej jedno z wejść zawiera logiczne zero, wyjście ma jednostkę logiczną, możemy powtórzyć, że logika mikroukładu jest w pełni zgodna z logiką obwodu stykowego 2I-NIE uwzględnionego w druga część artykułu.

Tutaj należy wykonać jeszcze jeden eksperyment. Ma to na celu wyłączenie wszystkich pinów wejściowych, pozostawienie ich w „powietrzu” i zmierzenie napięcia wyjściowego elementu. Co tam będzie Zgadza się, będzie logiczne napięcie zerowe. Sugeruje to, że niepołączone wejścia elementów logicznych są równoważne wejściom z zastosowaną do nich jednostką logiczną. Nie należy zapominać o tej funkcji, chociaż zwykle zaleca się, aby gdzieś nieużywane wejścia były podłączone.

Rysunek 5c pokazuje, jak element logiczny 2I-NOT można po prostu przekształcić w falownik. Aby to zrobić, wystarczy podłączyć oba wejścia. (Nawet jeśli są cztery lub osiem wejść, takie połączenie jest dopuszczalne).

Aby upewnić się, że sygnał na wyjściu ma wartość przeciwną do sygnału na wejściu, wystarczy podłączyć wejścia za pomocą zworki do wspólnego przewodu, to znaczy zastosować zero logiczne na wejściu. W takim przypadku woltomierz podłączony do wyjścia elementu pokaże jednostkę logiczną. Jeśli otworzysz zworkę, na wyjściu pojawi się napięcie niskiego poziomu, które jest dokładnie przeciwne do napięcia wejściowego.

To doświadczenie sugeruje, że falownik jest w pełni równoważny działaniu obwodu stykowego NIEuwzględnionego w drugiej części artykułu. Takie są na ogół cudowne właściwości układu 2I-NOT. Aby odpowiedzieć na pytanie, jak to wszystko się dzieje, należy wziąć pod uwagę obwód elektryczny elementu 2I-NOT.

Wewnętrzna struktura elementu 2 NIE jest

Do tej pory rozważaliśmy element logiczny na poziomie jego oznaczenia graficznego, przyjmując go, jak mówią w matematyce, jako „czarną skrzynkę”: bez wchodzenia w szczegóły wewnętrznej struktury elementu, badaliśmy jego reakcję na sygnały wejściowe. Teraz nadszedł czas, aby przestudiować wewnętrzną strukturę naszego elementu logicznego, co pokazano na rysunku 6.

Rysunek 6. Obwód elektryczny elementu logicznego 2I-NOT.

Obwód zawiera cztery tranzystory o strukturze n-p-n, trzy diody i pięć rezystorów. Istnieje bezpośrednie połączenie między tranzystorami (bez kondensatorów izolujących), co pozwala im pracować ze stałymi napięciami. Obciążenie wyjściowe układu pokazane jest konwencjonalnie jako rezystor Rn. W rzeczywistości jest to najczęściej wejście lub kilka wejść tych samych obwodów cyfrowych.

Pierwszy tranzystor jest wielosystemowy. To on wykonuje wejściową operację logiczną 2I, a kolejne tranzystory wykonują wzmocnienie i inwersję sygnału. Mikroukłady wykonane zgodnie z podobnym schematem nazywane są logiką tranzystorowo-tranzystorową, w skrócie TTL.

Skrót ten odzwierciedla fakt, że wejściowe operacje logiczne, a następnie wzmocnienie i inwersja są wykonywane przez tranzystorowe elementy obwodu. Oprócz TTL istnieje również logika diodowo-tranzystorowa (DTL), której wejściowe stopnie logiczne są wykonywane na diodach znajdujących się oczywiście wewnątrz mikroukładu.

Rycina 7

Na wejściach elementu logicznego 2I-NOT między emiterami tranzystora wejściowego a wspólnym przewodem zainstalowane są diody VD1 i VD2. Ich celem jest ochrona wejścia przed napięciem o ujemnej polaryzacji, który może wystąpić w wyniku samoindukcji elementów montażowych, gdy obwód działa na wysokich częstotliwościach, lub po prostu złożony przez pomyłkę ze źródeł zewnętrznych.

Tranzystor wejściowy VT1 jest podłączony zgodnie ze schematem ze wspólną bazą, a jego obciążeniem jest tranzystor VT2, który ma dwa obciążenia. W emiterze jest to rezystor R3, a w kolektorze R2. W ten sposób uzyskano falownik fazowy dla stopnia wyjściowego na tranzystorach VT3 i VT4, co sprawia, że ​​działają one w fazie przeciwfazowej: gdy VT3 jest zamknięty, VT4 jest otwarty i odwrotnie.

Załóżmy, że oba wejścia elementu 2 NIE są zasilane niskim poziomem. Aby to zrobić, wystarczy podłączyć te wejścia do wspólnego przewodu.W takim przypadku tranzystor VT1 będzie otwarty, co pociągnie za sobą zamknięcie tranzystorów VT2 i VT4. Tranzystor VT3 będzie w stanie otwartym, a przez niego i przez diodę VD3 prąd przepływa do obciążenia - na wyjściu elementu znajduje się stan wysokiego poziomu (jednostka logiczna).

W przypadku, gdy tranzystor logiczny VT1 jest zamknięty na obu wejściach, otworzą tranzystory VT2 i VT4. Z powodu ich otwarcia tranzystor VT3 zamyka się, a prąd płynący przez odbiornik zatrzymuje się. Na wyjściu elementu ustawiany jest stan zerowy lub niskie napięcie.

Niski poziom napięcia jest spowodowany spadkiem napięcia na złączu kolektor-emiter otwartego tranzystora VT4 i, zgodnie ze specyfikacją, nie przekracza 0,4 V.

Wysokie napięcie na wyjściu elementu jest niższe niż napięcie zasilające o wielkość spadku napięcia na otwartym tranzystorze VT3 i diodzie VD3 w przypadku, gdy tranzystor VT4 jest zamknięty. Wysokie napięcie na wyjściu elementu zależy od obciążenia, ale nie powinno być mniejsze niż 2,4 V.

Jeżeli bardzo powoli zmieniające się napięcie, w zakresie od 0 ... 5 V, jest przykładane do wejść połączonego elementu, wówczas można zauważyć, że przejście elementu z wysokiego poziomu na niski następuje krokowo. Przejście to jest wykonywane w momencie, gdy napięcie na wejściach osiąga poziom około 1,2 V. Takie napięcie dla 155. serii mikroukładów nazywane jest progiem.

Można to uznać za ogólną znajomość elementu 2I-NOT complete. W dalszej części artykułu zapoznamy się z urządzeniem różnych prostych urządzeń, takich jak różne generatory i kształty impulsów.

Boris Alaldyszkin

Kontynuacja artykułu: Układy logiczne. Część 4

E-book -Przewodnik dla początkujących po mikrokontrolerach AVR