Світ електроніки - Цифрові мікросхеми та робота з ними
Інтегральними мікросхемами називають мініатюрні електронні пристрої, що виконують певні функції перетворення та обробки сигналів і містять велику кількість активних та пасивних елементів (від кількох сотень до кількох десятків тисяч) у порівняно невеликому корпусі.
Інтегральні мікросхеми поділяють на дві групи -аналогові та цифрові. Аналогові мікросхеми призначені до роботи з безперервними у часі сигналами. До них можна віднести підсилювачі високої, звукової та проміжної частот, операційні підсилювачі, стабілізатори напруги та ін. Для аналогових мікросхем характерно те, що вхідна та вихідна електричні величини можуть мати будь-яке значення в заданому діапазоні. У цифрових мікросхемах вхідні і вихідні сигнали можуть бути одного з двох рівнів напруги: високого або низького.
Логічні мікросхеми
У першому випадку кажуть, що ми маємо справу з напругою високого логічного рівня, або логічної 1, а в другому - з напругою низького логічного рівня, або логічним 0. Технічні умови, що використовуються радіоаматорами, обумовлюють для високого логічного рівня напругу не менше 2,4 В, а для низького логічного рівня — не більше 0,4 В. Фактично ж ці значення напруг становлять 3,2. 3,5 та 0,1. 0,2 Ст.
У своїх розробках радіоаматори поряд з мікросхемами ТТЛ широко використовують мікросхеми на польових транзисторах, з яких найбільшого поширення набули серії мікросхем КМОП (комплементарні польові транзистори зі структурою ме-тал-окис-напівпровідник). До них відносять, наприклад, мікросхеми серій К164 К176 К561 К564. Для таких мікросхемпри живильній напрузі 9 значення напруг, відповідних високому і низькому логічним рівням, становлять відповідно 8,6. 8,8 та 0,02. 0,05 Ст.
Таким чином, у мікросхемах ТТЛ і КМОП високий та низький рівні напруги досить різко різняться, що полегшує спільну роботу мікросхем з транзисторами, тиристорами та іншими електронними приладами.
Чому ж рівні напруги називають логічними?
Справа в тому, що цифрові мікросхеми призначені для виконання певних логічних процесів над вхідними сигналами. Якщо на виході цифрової мікросхеми має з'явитися напруга високого рівня у випадку, коли напруга високого рівня є присутньою хоча б на одному з входів, то кажуть, що дана мікросхема виконує логічну операцію АБО (логічне додавання). Якщо ж логічний сигнал на виході мікросхеми повинен дорівнювати добутку логічних сигналів на входах мікросхеми, то говорять про операцію логічного множення. Існує безліч інших правил обробки сигналів у цифрових мікросхемах. Існує навіть спеціальна галузь математики, яка досліджує ці закони — булева алгебра (на ім'я англійського математика Дж. Буля). Ось чому цифрові мікросхеми називають ще й логічними.
У основу роботи цифрових мікросхем покладена двійкова система числення. На відміну від добре знайомої нам десяткової системи, що складається з десяти цифр, двійкова система спирається лише дві цифри: 0 і 1. Цифра 0 відповідає відсутності напруги на виході логічного пристрою, 1 — наявності напруги. За допомогою нулів та одиниць двійкової системи можна записати (закодувати) будь-яке десяткове число. Так, для запису однорозрядного десяткового числа потрібно чотири двійкові розряди. Сказане пояснюється табл.1.
Упершому стовпці таблиці (її називають таблицею істинності) записані десяткові числа від 0 до 9, а наступних чотирьох стовпцях - розряди двійкового числа. Видно, що число в наступному рядку утворюється в результаті додавання 1 до першого розряду двійкового числа. За допомогою чотирьох розрядів можна записати числа від 0000 до 1111, що у десятковій системі відповідає діапазону чисел 0. 15. Таким чином, якщо двійкове число містить N розрядів, то за його допомогою можна записати максимальне десяткове число, що дорівнює 2^N - 1. По таблиці також неважко помітити, як можна перевести число з двійкової системи до десяткової. І тому досить скласти ступеня числа 2, відповідні тим розрядам, у яких записані логічні 1. Так, двійкове число 1001 відповідає десятковому числу 9 (2^3+2^0).
Двійкову систему числення застосовують у більшості сучасних ЕОМ.
Розглянемо властивості та роботу деяких найпростіших логічних елементів, що широко використовуються радіоаматорами в конструйованих пристроях.
Логічний елемент І (рис. 9, а) має два входи та один вихід. У верхній частині прямокутника стоїть знак & (амперсанд), що означає операцію об'єднання, перемноження. Це означає, що напруга високого рівня на виході присутня в тому і тільки в тому випадку, якщо на обох входах напруги високого рівня. Це таблицею істинності, наведеної на рис.9,6.
Логічний елемент АБО (рис. 10,а) має два входи та один вихід. Якщо хоча б на одному з входів є напруга високого рівня, то така напруга буде і на виході (рис. 10,6).
Логічний елемент НЕ (рис. 11,а) має по одному входу та виходу. Якщо на вхід подати напругу високого рівня, то на виході встановлюється напруга низькогорівня, і навпаки, тобто. кажуть, що вхідний сигнал інвертується елементом (рис. 11.6).
Ці три різновиди логічних елементів дозволяють реалізувати будь-яку як завгодно складну логічну функцію. Однак для полегшення роботи конструкторів цифрової техніки розроблено та випускається безліч інших логічних елементів (ЗІ-НЕ, 4ІЛІ-НЕ, 2-2-3-ЗІ-2ІЛІ-НЕ та ін), реалізованих в окремих корпусах мікросхем.
Одним із найбільш широко застосовуваних радіоаматорами у своїх конструкціях є логічний елемент 2І-НЕ (рис. 12, а), призначений для виконання логічного множення з запереченням (рис. 12,6). Якщо подавати вхідний сигнал на з'єднані разом входи, він працюватиме як інвертор (рис. 12,в). За допомогою двох логічних елементів 2І-НЕ можна робити операцію логічного множення (рис. 12, г), а за допомогою трьох логічних елементів — операцію логічного додавання (операцію АБО, рис. 12, д). Таким чином, елементи 2І-НЕ дозволяють реалізовувати практично будь-яку логічну операцію.
Однією з найпопулярніших у радіоаматорів серій цифрових мікросхем є серія К 155, що налічує понад 100 найменувань.
Живлення мікросхем серії До 155 здійснюється від джерела постійної напруги 5±5%. Струм споживання мікросхеми (на 1 корпус) в залежності від призначення дорівнює 10. 100 мА. Їх напруга високого рівня фактично становить близько 3,5 У, а низького — близько 0,1 У. Щоб подати на вхід логічного елемента напруга низького рівня, досить цей вхід з'єднати із загальним проводом харчування. Для подачі напруги високого рівня достатньо залишити цей вхід вільним, проте щоб зменшити вплив перешкод, бажано підключити цей вхід до джерела напругою +5 В через резисторопором 1. 1,5 ком. До одного резистори можна підключати до 10 входів мікросхем. Напруга на входах логічних елементів можна вимірювати вольтметром звичайного ампервольтомметра на межі вимірювання постійної напруги, але краще використовувати спеціальний пробник.
Логічні пробники
Найпростіший пробник складається із світлодіода та резистора (рис. 13). Якщо при підключенні до виходу логічного елемента світлодіод світиться, це означає, що на цьому виході напруга високого рівня, якщо світлодіод не світиться, то на вході пробника напруга низького рівня.
На рис. 14 а наведена схема логічного пробника, який індикує рівні логічних 0 і 1 запаленням одного з двох світлодіодів. За відсутності вхідного сигналу на виході логічного елемента DD1.1 діє напруга низького рівня, але в виході логічного елемента DD1.2 — високого рівня. У цей час світлодіоди HL1 та HL2 нс світяться. При подачі на вихід напруги низького рівня (0. 0,4 В) стан логічного елемента DD1.2 нс змінюється,а на виході DD1.1 з'являється напруга високого рівня (оскільки на входи DD1.1 через відкритий діод VD подана напруга низького рівня). В результаті спалахує світлодіод HL1, індикуючи рівень логічного 0. Якщо ж на вхід подано напругу високого рівня, то через діод VD2, що відкрився, ця напруга подастся на входи логічного елемента DD1.2, на виході DD1.2 з'являється напруга низького рівня і спалахує світлодіод HL2, показуючи рівень логічної 1. Стан елемента DD1.1 при цьому нс змінюється, світлодіод HL1 світитися не буде.
На рис. 14,6 показано схему ще одного логічного пробника, аналогічного за принципом роботи попереднього. Відмінність полягає в тому, що інформація про логічні рівнінапруги виводиться на світлодіодний семисегментний цифровий індикатор АЛС324Б (HL1). Для управління сегментами до пробника додані логічні елементи DD1.3, DD1.4 та діоди VD3, VD4. Сегменти, що мають висновки 10 і 13, індикують логічну 1, а всі шість сегментів-логічний 0. Сегмент, що має висновок 6 знак комою, використовується як індикатор включення пробника. Логічні елементи DD1.3 та DD1.4 включені паралельно для отримання сумарного вихідного струму, що забезпечує нормальну роботу одночасно шести сегментів цифрового індикатора.
Для запобігання подачі на пробники напруги зворотної полярності в їх плюсові шини включені діоди (VD3 - на рис. 14,а і VD5 - на рис. 14,6). К555ЛАЗ. Замість К155ЛА8 можна застосувати К133ЛА8, К155ЛАЗ, але у разі опору резисторів R3—R8 необхідно збільшити до 820 Ом. Світлодіодний індикатор АЛС324Б можна замінити на АЛ113, АЛС312 з будь-яким літерним.
ним індексом, а також на АЛ305, АЛС321Б, АЛС337Б, АЛС338Б, АЛС324Б. Діоди можуть бути будь-якими із серій Д7, Д9, Д311.
Пробник зі світлодіодним індикатором можна зібрати, наприклад, у корпусі від електрозапальнички, що вийшла з ладу.
Такі пробники придатні для роботи з мікросхемами, розрахованими на живлення від джерела напругою +5 В (серії К 155, К555, К133, К134). Для роботи з мікросхемами КМОП (серії К164, К176, К561, К564) мікросхеми КМОП, але для управління сегментами цифрового індикатора доведеться застосувати транзисторні ключі.
Поради щодо монтажу мікросхем
1. Під час паяння нс слід перегрівати корпус мікросхеми. Слід використовувати припій з температурою плавлення нс більше 260 ° С, потужність паяльника не повиннаперевищувати 40 Вт, тривалість паяння одного виводу – не більше 5 с, а проміжок часу між пайками виводів однієї мікросхеми – не менше 30 с. Якщо ведеться монтаж кількох мікросхем, то спочатку паяють перший висновок першої мікросхеми, потім перший висновок другий і т.д., потім другий висновок першої мікросхеми, другий висновок другий і т.д. Завдяки такому прийому мікросхеми встигають остигати у проміжок часу між пайками.
Мікросхеми КМОП можуть бути виведені з ладу розрядом статичної електрики, основним джерелом якої є людина. Щоб цього не сталося, слід заземлювати жало паяльника і руки радіомонтажника.
2. Монтаж мікросхем може бути виконаний друкованим способом чи проводами. При монтажі проводами зручно використовувати багатожильний провід у тугоплавкій ізоляції типу МГТФ перетином 0,07. 0,1 мм2 або одножильний луджений провід 0,25. 0,35 мм, також у тугоплавкій ізоляції. Спочатку на виведення мікросхеми намотують 1-1,5 витка дроту, а потім виробляють паяння. Цей спосіб хороший тим, що дозволяє неодноразово проводити перепаювання проводів, а така необхідність може виникнути в процесі налагодження пристрою.
Друкарський монтаж мікросхем слід застосовувати тоді, коли є впевненість, що пристрій працездатний, а також при виготовленні кількох однакових пристроїв на однакових платах. Друковані плати можуть мати одно- та двостороннє розташування друкованих провідників. Нижче наведено малюнки друкованих плат для більшості пристроїв.
3. Виводи мікросхем ТТЛ, що не використовуються, слід об'єднувати в групи по 10 шт. і підключати їх до плюсової шини живлення через резистор опором 1. 1.5 кОм, висновки мікросхем КМОП, що не використовуються, можна безпосередньо підключати до плюсової шини.
4. Для покращенняпомехозащищенности між шинами літання слід встановлювати конденсатори типів КМ-6, К10-7, К10-17 ємністю 0,047. 0,15 мкф з розрахунку один конденсатор на два-три корпуси мікросхем. p align="justify"> Особливу увагу слід приділяти забезпеченню завадостійкості пристроїв, що мають у своєму складі мікросхеми пам'яті - тригери, лічильники і т.п.
5. З'єднувальні провідники повинні мати довжину не більше 20. 30 см. Якщо ж потрібно передати сигнал на більшу відстань, то використовують так звані кручені пари. Два дроти скручують разом, по одному з них подають сигнал, а другий "заземлюють" (з'єднують із загальним дротом) з обох кінців. Доцільно також обидва кінці сигнального дроту підключити до плюсової шини через резистори опором 1 кОм (для мікросхем ТТЛ) або 100 кОм (для мікросхем КМОП). Довжина провідників кручений пари може бути 1,5. 2м.