Угрюмов е п цифровая схемотехника

Цифровая схема

Типичная цифровая схема состоит из входов, выходов и логических элементов, также называемых вентилями. Сигналы поступают на входы схемы, преобразуются по определенным правилам внутри вентилей (об этом чуть ниже) и подаются на выходы.

В комбинационных схемах состояние сигналов на выходе зависит только от состояния на входе. В последовательностных схемах выход зависит не только от входа, но еще и от внутреннего состояния схемы

В любом случае важно понимать, что сигналы на выходе зависят от входа, не наоборот

В этой статье мы будем рассматривать только комбинационные схемы. Они проще для понимания и наглядней. Кстати, в отечественной литературе нет устоявшегося перевода для последовательностных схем. Кто-то называет их последовательными, кто-то предпочитает кальку с английского языка и использует термин «секвенциальные схемы» (sequential). Разницы нет никакой, но все равно учти это, когда будешь читать дополнительные источники.

Литература

• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем. — Москва: Мир, 1982. — 512 с. — ISBN 5-222-00417-1.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. В 2-х томах. Учебник-справочник-энциклопедия. Пер. с нем. — Москва: ДМК Пресс, 2008.
• Гейтс Э. Д. Введение в электронику. — Ростов-на-Дону: Феникс, 1998. — 396 с. — ISBN 5-222-00417-1.
• Горбачёв Г. Н. Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника / Под ред. проф. В. А. Лабунцова. — Москва: Энергоатомиздат, 1988. — 320 с. — ISBN 5-283-00517-8.

Грабовски Б. Справочник по электронике. 2-е изд., испр. — Москва: ДМК Пресс, 2009. — 416 с. — ISBN 978-5-94074-472-6.

Жеребцов И. П. Основы электроники. 5-е изд. — Л: Энергоатомиздат, 1989. — 352 с. — ISBN 5-283-04448-3.

Операции над числами

Как уже упоминалось выше цифровые устройства должно иметь возможность считывать число, запоминать и демонстрировать его. Но для выполнения этих функций не нужно было бы такое разнообразие цифровых устройств. Самое главное что должно уметь выполнять цифровое устройство — это выполнять операции над числами, которые оно принимает на свой вход и на выходе получать какой то результат.

Существует великое множество операций над числами, но в цифровой электронике этих основных операций всего три — это логическое умножение, логическое сложение и логическое отрицание.

1. Логическое умножение (функция «И»). Как же будет зависеть результат на выходе от входных данных? Мы привыкли употреблять союз И так, что слова которые он объединяет понимаются, как неразрывное целое. Например, пусть даны два простых выражения.Володя принёс молоток — А;Володя принёс стамеску — В. Составим их логическое произведение.Володя принёс молоток И Володя принёс стамеску — (АВ). Истинным такое высказывание будет только при условии, что Володя принёс оба предмета (А = 1, В = 1). Зависимость истинности логического произведения от сомножителей можно задать таблицей, называемой таблицей истинности:

2. Логическое сложение (функция «ИЛИ»). Воспользовавшись нашими высказываниями: Володя принёс молоток — А;Володя принёс стамеску — В. Составим их логическую сумму.Володя принёс молоток ИЛИ Володя принёс стамеску — (А + В).

Ясно, что ложным такое высказывание будет при условии, что Володя не принёс ни одного из предметов, а истинным когда есть хотя бы один из них. Таблица истинности в таком случае будет следующей:

3. Логическое отрицание (функция «НЕ»). Указание совершить операцию отрицания на высказыванием А записывается так: А. Ясно, что если данное высказывание истинно, то его отрицание ложно и наоборот.

Солнце всходит на востоке (А = 1); Солнце не всходит на востоке (А = 0).

Таблица истинности будет такой:

Основные законы электротехники

• Закон Ома
• Закон Джоуля — Ленца
• Первый закон Кирхгофа
• Второй закон Кирхгофа

Закон Ома — с этого закона начинается изучение ТОЭ и без него не может обойтись ни один электрик. Он гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению Это значит, что чем выше напряжение, поданное на сопротивление, электродвигатель, конденсатор или катушку (при соблюдении других условий неизменными), тем выше ток, протекающий по цепи. И наоборот, чем выше сопротивление, тем ниже ток.

Закон Джоуля — Ленца. С помощью этого закона можно определить количество тепла, выделившегося на нагревателе, кабеле, мощность электродвигателя или другие виды работ, выполненных электрическим током. Этот закон гласит, что количество тепла, выделяемого при протекании электрического тока по проводнику, прямо пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению этого проводника и времени протекания тока. С помощью этого закона определяется фактическая мощность электродвигателей, а также на основе этого закона работает электросчётчик, по которому мы платим за потреблённую электроэнергию.

Первый закон Кирхгофа. С его помощью рассчитываются кабеля и автоматы защиты при расчёте схем электроснабжения. Он гласит, что сумма токов, приходящих в любой узел равна сумме токов, уходящих из этого узла. На практике приходит один кабель из источника питания, а уходит один или несколько.

Второй закон Кирхгофа. Применяется при подключении нескольких нагрузок последовательно или нагрузки и длинного кобеля. Он также применим при подключении не от стационарного источника питания, а от аккумулятора. Он гласит, что в замкнутой цепи сумма всех падений напряжений и всех ЭДС равна 0.

Специалисты рекомендуют знать характеристики и распиновки vga-разъемов.

Пример

Настало время применить полученные знания и собрать что-то практически полезное. Логические операции — это, конечно, прекрасно, но хотелось бы и работать с числами, хотя бы для разнообразия!

Представим, что наши требования к безопасности таковы, что мы не можем доверять даже процессорам крупных компаний. Мы опасаемся возможных закладок, на уровне компании — разработчика схемы или на уровне компании — производителя кристалла, каких-либо гипотетических уязвимостей, которые могут эксплуатировать недоброжелатели, — словом, мы опасаемся всего и сразу. Значит, нужно собрать все самостоятельно, не доверяя никому!

Начинать стоит именно с процессора, а если еще конкретнее, то с сумматора в АЛУ. Это ключевой блок всего компьютера. Как если бы мы захотели приехать в Москву и очутились бы сразу на Красной площади.

Полусумматор

Конкретизируем задачу — пусть нам надо сложить два восьмибитных положительных значения друг с другом. Если использовать алгоритм сложения столбиком, то это будет выглядеть примерно так.

Мы последовательно складываем цифры в каждом разряде, справа налево, и получаем результат для этого разряда. При этом мы распространяем дальше перенос, если у нас возникло переполнение. Таким образом, у нас в схеме должно быть два входа (A и B) и два выхода (S и C). Составим таблицу истинности для всех возможных комбинаций А и В.

Рассматривая по отдельности получившиеся колонки S и C, легко заметить, каким логическим элементам они соответствуют. Теперь можно представить схему полностью.

Сумматор

Предыдущий блок носил несколько обидное название «полусумматора». Почему только половинка — догадаться нетрудно, ведь здесь мы никак не учитываем выход с предыдущего разряда. Логично предположить, что, комбинируя два таких блока, мы можем составить схему полного сумматора. Это как с Землей — есть Северное и Южное полушария. Хотя стоп, есть же еще Западное и Восточное…

Вопрос, куда девали вторую Землю, остается открытым

Теперь, когда мы получили возможность полноценно складывать биты из одного разряда, мы можем последовательно вычислить полную сумму нашего числа, каким бы большим оно ни было. Да, вот так все просто!

Надёжность электронных устройств

Надёжность электронных устройств складывается из надёжности самого устройства и надёжности электроснабжения. Надёжность самого электронного устройства складывается из надёжности элементов, надёжности соединений, надёжности схемы и др. Графически надёжность электронных устройств отображается кривой отказов (зависимость числа отказов от времени эксплуатации). Типовая кривая отказов имеет три участка с разным наклоном. На первом участке число отказов уменьшается, на втором участке число отказов стабилизируется и почти постоянно до третьего участка, на третьем участке число отказов постоянно растёт до полной непригодности эксплуатации устройства.

Азы электроники для чайников

Книга «Электроника для чайников» содержит сотни микросхем и фотографий, позволяющих даже самому далекому от этого дела человеку разобраться в принципах электроники. Подробнейшие советы и инструкции по проведению опытов помогут разобраться, как функционируют те или иные электронные детали. Также материал содержит рекомендации по выбору важнейших инструментов для работы в этой области и их полные описания.

Важно! По мере ознакомления с каждой главой читатель постепенно погружается в предмет, который увлекает его все больше и больше. Теоретические знания закрепляются практикой путем сборки простейших, но интересных устройств

Книга содержит следующие разделы:

• «Основы теории электрических цепей», в котором дается определение напряжению, силе тока, проводникам, рассеиваемой мощности.
• «Компоненты электросхем», где рассказывается о том, как простейшие элементы по типу резисторов, транзисторов, диодов и конденсаторов управляют током и задают его характеристики.
• «Электрические схемы универсального предназначения». Здесь будет рассказано, как использовать простейшие цифровые и аналоговые схемы в сложных устройствах.
• «Анализ электрических цепей», который познакомит с основными законами электроники и научит управлять силой тока и напряжением в электрической сети, научит применять эти закономерности на практике.
• «Техника безопасности и рекомендации по ней». Этот раздел обучит безопасной работе с электрическими цепями и током в целом, поможет защищать себя и свои приборы от поражения током.

Обложка книги «Электроника для чайников»

Основы на пальцах. Часть 1

Ток, напряжение, сопротивление.

Если сравнить электроцепь с канализацией, то источник питания это сливной бачок, текущая вода – ток, давление воды-напряжение, а несущееся по трубам говнище – полезная нагрузка. Чем выше сливной бачок, тем больше потенциальная энергия воды, находящейся в нем, и тем сильней будет напор-ток проходящий по трубам, а значит больше дерьма-нагрузки он сможет смыть.Кроме текущего дерьма, потоку препятствует трение о стенки труб, образуя потери. Чем толще трубы тем меньше потери (гы гы гы теперь ты помнимаешь почему аудиофилы для своей мощной акустики берут провода потолще 😉 ).Итак, подведем итог. Электроцепь содержит источник, создающий между своими полюсами разность потенциалов – напряжение. Под действием этого напряжения ток устремляется через нагрузку туда, где потенциал ниже. Движению тока препятствует сопротивление, образуемое из полезной нагрузки и потерь. В результате напряжение-давление ослабевает тем сильней, чем больше сопротивление. Ну, а теперь, положим нашу канализацию в математическое русло.

Для примера просчитаем простейшую цепь, состоящую из трех сопротивлений и одного источника. Схему я буду рисовать не так как принято в учебниках по ТОЭ, а ближе к реальной принципиальной схеме, где принимают точку нулевого потенциала – корпус, обычно равный минусу питания, а плюс считают точкой с потенциалом равным напряжению питания. Для начала считаем, что напряжение и сопротивления у нас известны, а значит нам нужно найти ток. Сложим все сопротивления (о правилах сложения сопротивлений читай на врезке), дабы получить общую нагрузку и поделим напряжение на получившийся результат – ток найден! А теперь посмотрим как распределяется напряжение на каждом из сопротивлений. Выворачиваем закон Ома наизнанку и начинаем вычислять. U=I*R поскольку ток в цепи един для всех последовательных сопротивлений, то он будет постоянен, а вот сопротивления разные. Итогом стало то, что Uисточника = U1 +U2 +U3. Исходя из этого принципа можно, например, соединить последовательно 50 лампочек рассчитанных на 4.5 вольта и спокойно запитать от розетки в 220 вольт – ни одна лампочка не перегорит. А что будет если в эту связку, в серединку, всандалить одно здоровенное сопротивление, скажем на КилоОм, а два других взять поменьше – на один Ом? А из расчетов станет ясно, что почти все напряжение выпадет на этом большом сопротивлении.

Закон Кирхгоффа.

Согласно этому закону сумма токов вошедших и вышедших из узела равна нулю, причем токи втекающие в узел принято обозначать с плюсом, а вытекающие с минусом. По аналогии с нашей канализацией – вода из одной мощной трубы разбегается по кучи мелких. Данное правило позволяет вычислять примерный потребляемый ток, что иногда бывает просто необходимо при расчете принципиальных схем.

Мощность и потериМощность которая расходуется в цепи выражается как произведение напряжения на ток.Р = U * IПотому чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Т.к. резистор (или провода) не выполняет какой либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая него это потери в чистом виде. В данном случае мощность можно через закон ома выразить так:P= R * I2

Как видишь, увеличение сопротивления вызывает увеличение мощности расходующееся на потери, а если возрастает ток, то потери увеличиваются в квадратичной зависимости. В резисторе вся моща уходит в нагрев. По этой же причине, кстати, аккумуляторы нагреваются при работе – у них тоже есть внутреннее сопротивление, на котором и происходит рассеяние части энергии.Вот для чего аудиофилы для своих сверхмощных звуковых систем берут толстенные медные провода с минимальным сопротивлением, чтобы снизить потери мощности, так как токи там бывают немалые.

Есть закон полного тока в цепи, правда на практике мне он никогда не пригождался, но знать его не помешает, поэтому утяни из сети какой либо учебник по ТОЭ (теоретические основы электротехники) лучше для средних учебных заведений, там все гораздо проще и понятней описано – без ухода в высшую математику.

Часть 2. Резистор. Конденсатор. Индуктивность

Практическое пособие.

В популярной форме изложены основы цифровой электроники, элементами логики, микропроцессорами, программируемыми микросхемами, приводится описание девяти цифровых самодельных приборов, которые читатель может изготовить самостоятельно. Показаны способы компоновки и исполнения печатного монтажа, даются рекомендации по настройке и тестированию самодельных приборов. В приложениях приводится справочный материал по микросхемам, таблицы зарубежных изделий электронной техники и нх отечественных аналогов и схемы самодельных приборов. Представленная книга по основам цифровой электроники рассчитана в первую очередь на радиолюбителей самостоятельно изучающих цифровую схемотехнику и не имеющих специальной подготовки. ISBN 5-283-02492-Х

Оглавление.

Глава 1. Введение в интегральные схемы
1.1. Интегральные схемы
1.2. Логические семейства
1.3. Блоки питания
1.4. Поиск неисправностей в блоке питания

Глава 2. Основные логические элементы
2.1. Логические диаграммы
2.2. Цифровые сигналы
2.3. Тристабильная логика
2.4. Логические уровни
2.5. Запас помехоустойчивости
2.6. Логические элементы
2.7. Таблицы истинности
2.8. Схема охранной сигнализации
2.9. Прослеживание логических состояний

Глава 3. Моностабильные и бистабильные схемы
3.1. Моностабильные схемы
3.2. Расширители импульсов
3.3. RS-триггеры
3.4. IK-триггеры
3.5. Двоичные счетчики/делители
3.6. Регистры сдвига
3.7. Логические пульсаторы

Глава 4. Таймеры
4.1. Таймер 555
4.2. Семейство таймеров 555
4.3. Поиск неисправностей в схемах с таймерами

Глава 5. Микропроцессоры
5.1. Внутренняя архитектура
52. Линии управления
5.3. Микропроцессорные системы
5.4. Поиск неисправностей в микропроцессорах
5.5. Логический анализатор

Глава 6. Полупроводниковая память
6.1. Постоянные запоминающие устройства
6.2. Запоминающие устройства с произвольной выборкой
6.3. Дешифрирование адреса
6.4. Практические схемы ЗУПВ
6.5. Поиск неисправностей в полупроводниковой памяти

Глава 7. Микросхемы для ввода-вывода
7.1. Требования к вводу-выводу
7.2. Способы организации ввода-вывода
7.3. Параллельный и последовательный ввод-вывод
7.4. Методы управления вводом-выводом
7.5. Микросхемы параллельного ввода-вывода
7.6. Микросхемы последовательного ввода-вывода
7.7. Поиск неисправностей в микросхемах ввода-вывода

Глава 8. Интерфейсы
8.1. Интерфейс RS-232C
8.2. Виды сигналов в интерфейсе RS-232C
8.3. Тестовое оборудование для интерфейса RS-232C
8.4. Поиск неисправностей в системах RS-232C
8.5. Универсальная приборная шина IEEE-488
8.6. Поиск неисправностей в системах IEEE-488

Глава 9. Микропроцессорные шины
9.1. Шина STE
9.2. Поиск неисправностей в шинных системах

Приложения

Приложение 1. Справочные данные по микросхемам
Приложение 2 Самодельные приборы
П2.1. Инструменты и приборы
П2.2. Стабилизированный блок питания
П2.3. Логический пробник
П2.4. Логический пульсатор
П2.5. Генератор импульсов
П2.6. Тестер цифровых микросхем
П2.7. Индикатор тока
П2.3. Звуковой логический индикатор
П2.9. Врезка для интерфейса RS-232C
П2.10. Цифровой счетчик-частотомер
Приложение 3. Осциллограф
Приложение 4. Таблица обозначений основных логических элементов
Приложение 5. Указатель зарубежных изделий электронной техники и нх отечественных аналогов
Приложение 6. Функциональное назначение зарубежных изделий электронной техники

Похожая литература

LabVIEW практикум по электронике

Удивительные электронные устройства

Raspberry Pi для любознательных

Устройства на микроконтроллерах avr

Электроника шаг за шагом

13

Поделиться

Параметры цифровых микросхем

Прежде чем говорить о параметрах цифровых логических микросхем, необходимо сказать о том, что не все они учитываются и не всегда. Как это можете задать вопрос. Но тут очень просто, при разработке и моделировании цифровых устройств исходят из различных моделях логических микросхем. Всего таких модели три:

1. Логическая модель.

2. Модель с временными задержками.

3. Электрическая модель.

Для логической модели всё очень просто, здесь главным параметром является таблица истинности или описание алгоритма работы логического элемента. Примерно 20% всех схем строят на основе логической модели. В данной модели можно считать, что логический элемент срабатывает мгновенно.

Для модели с временными задержками необходимо учитывать то, что выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного сигнала. Данная модель позволяет разрабатывать около 80% всех устройств. Данная модель учитывает параметры задержки при переходе сигнала из единицы в нуль (t_PHL) и переход сигнала из нуля в единицу (t_PLH).

Для электрической модели логической микросхемы уже учитывают входной и выходной токи, а также входные и выходные напряжения. Данная модель говорит о том что уровни напряжений и токов устанавливаются не мгновенно, а с учётом переходных процессов внутри микросхем. С учётом этой модели разрабатываются все остальные цифровые устройства. Приведу некоторые из них: входной ток нуля (I_IL)и входной ток единицы (I_IH); входное напряжение нуля (U_IL) и входное напряжение единицы (U_IH); выходной ток нуля (I_OL) и выходной ток единицы (I_OH); выходное напряжение нуля (U_OL) и выходное напряжение единицы (U_OH).

Также для цифровых логических микросхем имеются общие электрические параметры: допустимое напряжение питания (U_CC) и максимальный ток потребляемой микросхемой (I_CC).

Измерительная техника

На протяжении всего развития радиоэлектронных устройств и компонентов, существовала необходимость объективной оценки исправности и параметров как отдельных радиодеталей, так и готовых изделий. Это приводило и приводит к необходимости иметь парк измерительных приборов. Функциональные особенности их весьма разнообразны. При этом, измерительные приборы сами по себе также являются отдельной областью электроники. Точность измерительной техники является важнейшим фактором, от которого напрямую зависит качество разработанной и отлаженной с их помощью радиоаппаратуры

Не менее важно и соблюдение методики измеренией (см. Метрология)

Наиболее точные приборы используются для специальных применений, и недоступны большинству разработчиков. Приборы начального уровня (мультиметр, блок питания лабораторный) нередко изготавливались энтузиастами самостоятельно.

Электротехника и электрооборудование транспортных средств

Электротехника и электрооборудование транспортных средств. Книга представляет собой учебное издание, в котором с системотехнических позиций представлены конструктивные решения основных систем электрооборудования транспортных средств, закономерности функционирования и особенности их работы. Целью данного учебного пособия является обобщение, систематизация вопросов конструкции диагностирования и обслуживания современных электронных и микропроцессорных систем электрооборудования автомобиля, дать определения основным понятиям, описание некоторым электронным системам автомобиля.