Применение логических элементов – Цифровая техника – ЧАСТЬ 1

May 26, 2015 by admin Комментировать »

Логический элемент — один из самых многофункциональных разновидностей цифровых микросхем. Помимо своих прямых обязанностей (логические операции с двоичными числами), способны выполнять множество других функций, которые не «по зубам» более сложным микросхемам: генерировать, задерживать и распределять импульсы, согласовывать уровни, управлять источниками сигнала или нагрузками. Благодаря такой универсальности область применения логических элементов очень широка, практически ни одна более-менее сложная схема не обходится без подобных микросхем. Схем на основе логических элементов известно довольно много.

Некоторые общепринятые (по отечественному стандарту) условные обозначения и сокращения на схемах:

•                сокращенное «имя» цифровых микросхем — DD, аналоговых — DA. Сразу после имени ставится порядковый номер микросхемы в составе устройства. Номера могут «раздаваться» в любом порядке, но обычно руководствуются принципом «сверху вниз, слева направо». Пропусков в нумерации деталей быть не должно — это свидетельство лени и признак невежества автора. Если микросхема состоит из нескольких независимых частей (например, логических элементов), то после порядкового номера микросхемы ставится точка, а после точки — порядковый номер «части» микросхемы.

•                Все микросхемы изображаются в виде прямосторонних геометрических фигур (цифровые микросхемы только в виде прямоугольников). Внутри «квадратика» микросхемы ставится герб, который является «сокращенным» названием микросхемы, чтобы не приходилось для «облегчения понимания» писать его полностью, загромождая и так громоздкие схемы. Кроме того, внутри сложных микросхем часто пишут сокращенные имена их входов-выходов; в этом случае от герба они отделяются вертикальными линиями. Разные группы входов или выходов отделяются друг от друга горизонтальными линиями.

•                Цифры за пределами (снаружи) «квадратика» микросхемы — номера ее выводов. Чтобы не загромождать рисунки, номера выводов питания при их стандартном расположении (последний — «плюс»; «половинный» — «минус») обычно не указываются. Весь расчет на то, что читатель способен сам догадаться, куда и что нужно подавать. Ни одна микросхема не будет работать при отключенном напряжении питания от ее выводов питания.

•                Для упрощения графики и уменьшения количества линий (из-за этого рисунки становятся более наглядными) провода, соединяющие между собой большое количество компонентов (например, шины питания), часто убирают, а выводы элементов, которые должны быть соединены между собой, помечают каким-нибудь образом (например, выводы, которые соединены с отрицательным полюсом однополярного источника питания, — знаком «общий» (_L), с положительным — буквами «+U», «+UnHT». «UCc»: также часто используются прописные буквы латинского алфавита — а, б, с…). Все выводы, которые помечены одинаково, должны быть соединены друг с другом.

•                На схемах входы микросхем, а также управляющие входы полупроводников (база, затвор, …) всегда расположены левее выходов. Отступать от этого правила можно только в исключительных случаях. «Молоточек» общего провода нельзя направлять вверх, А «стрелку» шины питания (+U) нельзя направлять вниз. Это так называемое «неписаное правило», и его соблюдают все, кроме хамов и незнаек.

•                Напряжение питания всех схем в этой книге, если оно не указано на рисунках, равно 9 В.

Одно из устройств, собранное на основе логических элементов и которое есть практически во всех схемах, — генератор прямоугольных импульсов. Большинство цифровых схем работают именно с импульсами — считывают их, сравнивают, преобразовывают по специальным алгоритмам… Многие схемы имеют внутренний генератор, но некоторые работают от внешних импульсов — от импульсов, поступающих на их вход. К числу таких схем принадлежит большинство логических пробников, хотя в некоторых «серьезных» схемах пробников внутренний генератор все-таки есть.

Простейший генератор состоит из двух логических элементов (один или оба элемента должны быть с инверсией), а также частотозадающих резистора и конденсатора (рис. 1.46). «Частотозадающими» они названы потому, что от них «и только от них» зависит частота генерации.

Рассмотрим генератор, изображенный на рис. 1.46, а. Разобраться в его работе нам помогут временные диаграммы, изображенные возле схемы. Временные диаграммы можно сравнить с географической картой. Если вы знаете, как ими пользоваться, у вас никогда не возникнет серьезных проблем.

«Пользоваться» временными диаграммами очень просто. По вертикальной оси (вверх) на них отложено напряжение, а по горизонтальной (вправо) — время. То есть они показывают изменение амплитуды сигнала с течением времени. Очень часто для упрощения рисунка вертикальную ось убирают (и так все зна-

Рис. 1.46. Генераторы импульсов на основе логических элементов: а — типовая схема; б — схема с повышенной крутизной выходных импульсов; в — изменение скважности выходных импульсов с помощью диода; г — схема с раздельной регулировкой скважности; д — схема с возможностью плавной регулировки скважности; в — генератор на одном инверторе и каскаде с ОЭ на биполярном транзисторе ют, что на ней отложено), а иногда убирают и горизонтальную ось времени, т. е. остается одна кривая линия полезного сигнала, без всяких стрелок координат.

Если нужно изобразить сигналы на нескольких выходах, которые зависят от некоторого третьего сигнала, то обычно «самый главный» сигнал изображают сверху, а точно под ним — все зависящие от него сигналы. Для того чтобы показать, как влияет изменение амплитуды «самого главного» сигнала (увеличение амплитуды сигнала называется фронтом импульса, а уменьшение — спадом импульса; спад иногда неправильно называют отрицательным фронтом). На амплитуду остальных сигналов между отдельными группами диаграмм рисуют строго перпендикулярные пунктирные линии, но иногда (когда диаграммы очень сложные) рисуют стрелки. На диаграммах, изображенных на рис. 1.46, а, показано и то и другое, но обычно рисуют что-то одно.

Вернемся к схеме, изображенной на рис. 1.46, а. Допустим, что на входе первого инвертора (диаграмма 1), (диаграммы можно помечать цифрами в кружке со стрелкой, как это делаю я и некоторые другие авторы, а можно занудно писать возле кривой линии диаграммы «вывод №… элемента №…». Кружок со стрелкой более нагляден (не нужно ничего искать)) уровень лог. «0», на его выходе (2) уровень лог. «1», а на выходе второго инвертора — уровень лог. «0». То есть разность потенциалов на обкладках конденсатора С1 равна нулю. Так как на правом по схеме выводе резистор R1 уровень лог. «1», то конденсатор через него начинает заряжаться (1). Как только он зарядится до напряжения, примерло равного напряжению переключения первого инвертора, напряжение на выходе этого элемента начнет плавно уменьшаться, и, если бы не было второго инвертора, оно уменьшилось бы точно до напряжения переключения, при этом возникли бы сквозные токи. Но в схеме есть второй инвертор, и его присутствие нужно учитывать.

Как только напряжение на его входе начнет уменьшаться (2), напряжение на выходе начнет увеличиваться (3). К его выходу подключен один из выводов конденсатора С1. Так как разность потенциалов на выводах С1 резко измениться не может (закон сохранения энергии), а выходное сопротивление второго инвертора гораздо меньше сопротивления резистора R1 и входного сопротивления первого инвертора, то конденсатор превращается в «батарейку», плюсовой полюс который соединен со входом первого инвертора. Напряжение на выходе второго инвертора увеличивается довольно резко, также резко увеличивается напряжение на входе первого инвертора, напряжение на его выходе уменьшается еще резче, а это ускоряет увеличение напряжения на выходе второго инвертора… Развивается лавинообразный процесс переключения обоих логических элементов, он продолжается до тех пор, пока на выходах обоих инверторов не установятся новые логические уровни (2 и 3). Так как напряжение на выходе инвертора равно напряжению питания (9 В), а напряжение на конденсаторе «батарейки» (напряжение переключения первого инвертора) примерно равно 3 В, то напряжение на входе первого инвертора лавинообразно увеличивается до 9 + 3 = 12 (В). Но на самом деле такого не происходит — оно увеличивается максимум до 9,7 В (небольшие «пики» на диаграмме 1), — это начинают действовать входные защитные диоды. Так как максимально допустимый ток через эти диоды больше максимального выходного тока второго инвертора, а емкостное сопротивление конденсатора С1 сравнительно очень мало (поэтому он не успевает разрядиться), то напряжение на выходе второго инвертора резко увеличивается только до 9 – 3 = 6 (В), и потом, по мере разряда конденсатора через защитный входной диод, оно плавно увеличивается до 9 В.

Но некоторые схемы требуют от генераторов импульсов, чтобы их выходные импульсы были максимальной крутизны, безо всяких «плавных переходов». В таком случае в схему нужно ввести дополнительный резистор R2 (рис. 1.46, б) сопротивлением 10…100 кОм. Благодаря резистору падение напряжения произойдет на нем, а не на выходе второго инвертора и на выходе будут импульсы максимальной крутизны (3′). Сопротивление резистора R1 должно более чем в 5… 10 раз превышать сопротивление резистора R2.

После переключения генератора на выходе первого инвертора устанавливается лог. «0». и конденсатор С1 через резистор R1 начинает заряжаться отрицательно (относительно правой по схеме обкладки). Как только напряжение на его левой по схеме обкладке снизится до напряжения переключения (3 В), напряжение на входе первого инвертора, благодаря второму инвертору и конденсатору С1, станет меньше нуля и ограничится на уровне 0,7 В благодаря защитному диоду. Уровни на выходах инверторов снова изменяются, и конденсатор С1 начнет заряжаться.

Так как напряжение переключения инверторов меньше половины напряжения питания, то импульсы на выходе генератора (выходе второго инвертора) не симметричны: длительность уровня лог. «1»больше, чем длительность уровня (полупериода) лог. «0» (соответственно Tj и Т0). Связано это с тем, что при уровне лог. «1»на выходе второго инвертора конденсатор должен разрядиться через резистор R1 на 9 – 3 = 6 (В), а при уровне лог. «0» — зарядиться на 0 + 3 = 3 (В), т. е. в 2 раза меньше. Длительность импульса можно определить по формуле:

где R — сопротивление резистора R1, МОм; Т — длительность импульса, с;

С — емкость конденсатора С1, мкФ;

—       напряжение питания, В;

—       напряжение до которого конденсатор С1 должен зарядиться/разрядиться;

In — натуральный логарифм выражения

Длительность импульса лог. «1»примерно равна, а импульса лог.; длительность периода импульсов равна

частота генератора. Эти цифры очень приблизительны — у разных логических элементов разное напряжение переключения, кроме того, оно незначительно зависит от напряжения питания генератора.

Для того чтобы длительность импульса стала равной длительности паузы между импульсами, схему генератора нужно немножко усложнить, введя цепочку R2VD1 (названия цепочек или групп элементов, соединенных вместе, пишут-

ся сплошным текстом, без пробелов и запятых; но иногда отдельные элементы отделяются друг от друга дефисами — маленькими «тире»), В такой схеме при уровне лог. «Ь на выходе первого инвертора конденсатор С1 заряжается только через резистор R1, диод VD1 в это время закрыт обратным напряжением и его сопротивление огромно. Когда на выходе первого инвертора появится уровень лог. «0», диод VD1 откроется и параллельно резистору R1 подключится резистор R2. Суммарное сопротивление цепочки R1R2VD1 уменьшится, и конденсатор С1 станет разряжаться быстрее, чем заряжаться. Подбирая сопротивление резистора R2 (оно обычно в 2…3 раза больше сопротивления резистора R1), можно добиться абсолютной симметрии импульсов.

Часто бывают нужны сильно несимметричные импульсы (например, длительность импульса Т, = 5 с, а длительность паузы Т0= 0,1 с, или наоборот). Такого можно добиться, резко уменьшая сопротивление резистора R2 и изменяя полярность включения диода VD1 (если на выходе второго инвертора должно быть Т, >;> Т„). Для того чтобы можно было отдельно регулировать длительности импульса и паузы, в схему нужно ввести второй диод (рис. 1.46, г). В этой схеме длительность импульса на выходе второго инвертора регулируется резистором R2, а длительность паузы между импульсами — резистором R1.

Иногда необходимо иметь возможность изменить скважность импульсов (скважность — отношение длительности импульса к длительности паузы) при неизменной частоте генератора. В таком случае можно воспользоваться схемой, нарисованной на рйс 1.46, д; работает она так же, как и схема в пункте 2. В верхнем по схеме положении движка переменного резистора R1 конденсатор С1 через диод VD1 заряжается гораздо быстрей, чем через диод VD2 — разряжается, поэтому длительность импульса на выходе генератора гораздо больше длительности паузы. Когда движок переменного резистора находится в нижнем по схеме положении, то длительность импульса гораздо меньше длительности паузы. Так как суммарное сопротивление обеих «половинок» переменного (или подстроечного) резистора R1 при этом не изменяется, то период следования импульсов и соответственно частота генератора при этом также не изменяются.

Во всех схемах, изображенных на рис. 1.46, второй инвертор можно заменить на биполярный резистор, включенный по схеме с ОЭ (рис. 1.46, е)\ этот транзистор может быть любой структуры. В таких схемах нагрузку лучше всего подключать к выходу ^микросхемного» инвертора — там импульсы более «прямоугольны». Сопротивление резистора в коллекторной цепи транзистора (R3) должно быть в пределах 1…10 кОм (чем оно больше, тем меньше потребляемый генератором ток и тем хуже он работает), а сопротивление базового резистора R2 должно быть в 20…100 раз больше сопротивления резистора R3. В целом такая схема из-за несовершенства транзистора как логического элемента работает гораздо хуже схем на двух инверторах, поэтому использовать ее можно только в исключительных случаях — когда «не хватает» инверторов в составе одной микросхемы, а вводить в состав устройства еще одну микросхему не хочется.

Во всех описанных выше схемах инверторы можно заменить инвертирующими триггерами Шмитта, при этом крутизна выходных импульсов резко увеличится. Но благодаря гистерезису переключения, которым обладают подобные логические элементы, генератор можно собрать всего на одном триггере Шмитта (рис. 1.47, а). Работает он очень просто: сразу после включения питания конденсатора С1 разряжен, на выходе элемента присутствует уровень лог. «1», который через резистор R1 заряжает конденсатор. Как только напряжение на нем превысит пороговое напряжение уровня лог. «1», триггер Шмитта почти мгновенно переключится и на его выходе появится уровень лог. «0». Конденсатор С1 начнет разряжаться, и, как только напряжение на нем упадет ниже уровня лог. «0», триггер снова переключится. Благодаря триггерным свойствам такого инвертора крутизна выходных импульсов очень велика, импульсы можно считать идеально прямоугольными. Период следования импульсов у такого генератора равен Т = 1,33 RC, а частота — F = 1/(1,33 – RC). Так как напряжение переключения триггера Шмитта не равно половине напряжения питания, то импульсы на его выходе несимметричны — продолжительность уровня лог. «1» несколько больше, чем уровня лог. «0» (соответственно Т, = 0,7 · RC. а Т0 = 0,6 ■ RC при напряжении питания, равном 9 В). При напряжении питания, равном 7 В, импульсы симметричны, а при меньшем напряжении длительность импульса меньше длительности паузы (уровня лог. «0»).

Для устройств работающих в цифровом режиме с плавно нарастающими сигналами (частный случай — генератор импульсов), триггер Шмитта идеален. Поэтому многие классы цифровых устройств, работающих в режиме переключения (компараторы, логические элементы, даже усилители тока на биполярных транзисторах), для большей крутизны импульсов и, следовательно, большей экономичности (так как во время продолжительного переключения возникают сквозные токи, на транзисторах падает большое напряжение, а некоторые схемы вообще могут возбудиться и вместо одного импульса выдадут на выход целую пачку импульсов) вводят гистерезис переключения (или просто гистере-

Рис. 1.47. Триггеры Шмитта: а — генератор импульсов на основе триггера Шмитта; б — триггер Шмитта на основе повторителя уровня; в — триггер Шмитта на двух инверторах; г — генератор импульсов с парафазными (прямым и инверторным) выходами зис — других типов гистерезиса в электронике, по моим сведениям, нет). Усилители тока мы уже рассмотрели, компараторы относятся к аналоговым микросхемам, остались только логические элементы.

Легче всего ввести гистерезис в повторитель уровня (рис. 1.47, б). Для этого вход и выход повторителя нужно закоротить резистором положительной обратной связи (ПОС) R2, а сигнал на вход элемента подавать через токоограничительный резистор R1. От соотношения сопротивлений этих резисторов зависит напряжение переключения триггера Шмитта, его можно вычислить по формулам:

где UrpM — напряжение переключения логического элемента без резисторов, Unpiu, οι; UrpKJ1 ,.0 — соответственно максимальное входное напряжение, при котором на выходе удерживается уровень лог. «0», и минимальное входное напряжение, при котором на выходе сохраняется уровень лог. «1»;

Ucc — Напряжение питания микросхемы;

R1 и R2 — сопротивление резисторов R1 и R2; сопротивления обоих резисторов должны быть выражены в одних и тех же единицах (омах, килоомах, мегомах…).

Так, при напряжении питания, равном 9 В, напряжении переключения повторителя ипркл = 3 В, сопротивление резистора R1, равном 100 кОм, а резистора R2 — 1000 кОм, напряжения из уровня лог. «0» в уровень лог. «1»и наоборот равны соответственно 3,3 и 2,4 В. Некоторая несимметричность этих напряжений относительно напряжения объясняется тем, что напряжение переключения повторителя не равно половине напряжения питания.

Напряжение гистерезиса у схемы с перечисленными выше параметрами внешних цепей равно 3,3 – 2,4 = 0,9 (В). Его можно вычислить по отдельной, очень простой формуле, не проводя расчетов (11) и (12):

где Uc— напряжение гистерезиса.

Несмотря на простоту схемы (всего 1 логический элемент), неинвертирующие триггеры Шмитта находят весьма ограниченное применение, генератора на них не собрать. Гораздо шире используются инвертирующие триггеры Шмитта, хотя бы потому, что из них можно «сделать» в том числе и повторитель, добавив еще один инвертор.

Схема триггера Шмитта на инверторах изображена на рис. 1.47, в. Как известно, чтобы «сделать» из инверторов повторитель, нужно последовательно соединить два инвертора (см. таблицы истинности на рис. 1.37), что и сделано на этом рисунке. Сигнал можно снимать как с выхода первого инвертора (инверсный выход; вектор — палочка над словом «вых», так же как и кружок возле выходного вывода микросхемы, означает инверсию сигнала), так и с выхода второго инвертора (прямой выход). Напряжения переключения такого триггера

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты