Работа с цифровыми интегральными микросхемами отечественного производства
Как известно, все микросхемы подразделяют на две группы — аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для работы с непрерывными во времени сигналами. К их числу можно отнести усилители радио-, звуковой и промежуточной частот, операционные усилители, стабилизаторы напряжения и тока, таймеры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, генераторы и др. Для аналоговых микросхем характерно то, что входная и выходная электрические величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь один из двух уровней напряжения: высокий или низкий. В первом случае говорят, что мы имеем дело с высоким логическим уровнем, или логической 1, а во втором — с низким логическим уровнем, или логическим 0.
Отличия серий
Для микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серий К133, К155, К555, КР1531, широко используемых радиолюбителями, в технических условиях указывают напряжение высокого логического уровня не менее 2,4 В, а низкого — не более 0,4 В. Фактически эти напряжения составляют обычно 3,2…3,5 и 0,1…0,2 В.
В своих разработках радиолюбители наряду с микросхемами ТТЛ широко используют микросхемы на полевых транзисторах, из которых наибольшее распространение получили серии микросхем КМОП (комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). К ним относятся, например, микросхемы серий К164, К176, К561, КР1561, К564. Для таких микросхем напряжения, соответствующие высокому и низкому логическим уровням, составляют соответственно 8,6…8,8 В и 0,02…0,05 В (при напряжении питания 9 В).
Таким образом, в микросхемах ТТЛ и КМОП высокий и низкий уровни напряжений сильно отличаются друг от друга, что упрощает совместную работу микросхем с транзисторами, тиристорами и другими приборами.
Почему же уровни напряжений называют логическими? Дело в том, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных логических действий над входными сигналами. Например, на выходе цифровой микросхемы должно появиться напряжение высокого уровня в том случае, если напряжение высокого уровня присутствует хотя бы на одном из входов, т. е. данная микросхема выполняет логическую операцию ИЛИ (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах микросхемы, то это операция логического умножения. Существует множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Специальная область математики — булева алгебра (по имени английского математика Дж. Буля) — исследует эти законы. Вот почему цифровые микросхемы называют еще и логическими.
В основу работы цифровых микросхем положена двоичная система счисления. В этой системе используются всего лишь две цифры: 0 и 1. Цифра 0 соответствует отсутствию напряжения на выходе логического устройства, 1 — наличию напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно записать (закодировать) любое десятичное число. Так, для записи одноразрядного десятичного числа требуются четыре двоичных разряда. Смотрите таблицу 1
В первом столбце таблицы (ее называют таблицей истинности) записаны десятичные числа от 0 до 9, а в последующих четырех столбцах — разряды двоичного числа. Видно, что число в последующей строке получается в результате прибавления 1 к первому разряду двоичного числа. С помощью четырех разрядов можно записать числа от 0000 до 1111, что соответствует диапазону чисел от 0 до 15 в десятичной системе. Таким образом, если двоичное число содержит N разрядов, то с его помощью можно записать максимальное десятичное число, равное 2N-1. По таблице также несложно заметить, как можно перевести число из двоичной системы в десятичную. Для этого достаточно сложить степени числа 2, соответствующие тем разрядам, в которых записаны логические 1. Так, двоичное число 1001 соответствует десятичному числу 9 (2³+2°).
Микросхемы серии К155 питаются от источника постоянного напряжения 5 В ±5%, потребляя ток (на один корпус) в зависимости от назначения от 10 до 100 мА. Микросхемы серии К555 более экономичны — потребляемый ими ток меньше примерно в 3—4 раза. Как было отмечено, напряжение высокого уровня фактически составляет около 3,5 В, а низкого — около 0,1 В. Для того чтобы подать на вход логического элемента напряжение низкого уровня, достаточно этот вход соединить с общим проводом питания. Для подачи напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако, чтобы уменьшить влияние помех, желательно этот вход подключить к напряжению +5 В через резистор сопротивлением 1… 1,5 кОм. К одному резистору можно подключать до 10 входов микросхем. Напряжение на входах логических элементов можно измерять обычным тестером (ампервольтомметром) на пределе измерения постоянного напряжения.
Триггеры
Во многих рассматриваемых конструкциях используют триггер (электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, причем переход из одного состояния в другое происходит под действием внешнего сигнала). При отсутствии сигнала триггер может находиться в одном из двух состояний неограниченно долго (т. е. обладает «памятью»). Поэтому триггеры широко используют в электронно-вычислительных машинах для хранения информации. В зависимости от выполняемых функций и назначения триггеры классифицируют по типам. Наиболее часто радиолюбители используют RS- и D-триггеры.
Условное обозначение RS-триггера представлено на рисунке 1, а. Триггер имеет по два входа и выхода. Выходы обозначены буквами Q (прямой) и Q (инверсный). Логические уровни на этих двух выходах противоположны. Это сделано для удобства соединения триггеров с другими логическими элементами устройств. Некоторые типы триггеров инверсного выхода не имеют. Вход S предназначен для установки триггера в единичное состояние (напряжение высокого уровня на выходе Q). Вход R — для установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на выходе Q). Кроме возможности использования микросхемы К155ТМ2 как RS-триггер, его можно собрать из двух логических элементов 2И-НЕ, входящих в состав микросхемы К155ЛАЗ (рисунок 1, б). Установка триггера в нужное состояние осуществляется подачей напряжения низкого уровня на один из входов (на другом входе в это время должно быть напряжение высокого уровня). Подача на оба входа напряжения низкого уровня недопустима (запрещенное состояние).
На рисунке 1, в представлено условное обозначение D-триггера (нумерация выводов приведена для микросхемы К561ТМ2, содержащей два таких триггера). По сравнению с RS-триггером здесь имеются два новых вывода: D и С. Вход D называют информационным, а С — входом синхронизации. После подачи импульса на вход С на выходе Q триггера установится тот логический уровень, который был до прихода синхроимпульса на входе D. Входы R и S выполняют те же функции, что и в рассмотренном выше RS-триггере.
Рассмотренный D-триггер несложно преобразовать в счетный триггер, т. е. такой триггер, состояние которого изменяется после поступления очередного импульса на счетный вход. Для обеспечения счетного режима необходимо вход D соединить с инверсным выходом триггера (рисунок 2, а).
Из логики работы D-триггера следует, что после прихода импульса на вход С состояние триггера будет изменяться на противоположное. Это иллюстрируется временными диаграммами, или эпюрами напряжений (рисунок 2, б).
Подобно таблице истинности, временные диаграммы дают наглядное представление о работе устройства. Необходимо отметить, что изменение состояния D-триггера данного типа происходит при изменении напряжения на счетном входе с низкого уровня на высокий. Такое изменение напряжения часто называют положительным перепадом напряжения, или фронтом импульса. Реакцию триггера на положительный перепад напряжения отображают косой чертой, пересекающей линию входа “С” так, как показано на рисунке 2, а. Изменение напряжения с высокого уровня на низкий называют отрицательным перепадом напряжения, спадом или срезом импульса. На схемах это отображают также косой чертой, но повернутой на 90° относительно показанной на рисунке. В зависимости от своей внутренней структуры триггер реагирует или на положительный, или на отрицательный перепад напряжения.
Счетчики
Несколько триггеров, объединенных в одной микросхеме и соединенных между собой, образуют счетчик. На рисунке 3 показана микросхема К155ИЕ5, содержащая в своем составе четыре счетных триггера. Входом первого триггера является вывод 14, а выходом — вывод 12. Три остальных триггера соединены последовательно, входом первого триггера является вывод 1, а выходами этих триггеров — выводы 9, 8, 11. Для обеспечения последовательной работы всех четырех триггеров следует соединить выводы 1 и 12. Триггеры переключаются спадом импульса (в отличие от микросхемы К561ТМ2).
Установку всех триггеров в нулевое состояние осуществляют кратковременной подачей напряжения высокого уровня на оба входа &RO. Частота импульсов на выходах 1, 2, 4, 8 соответственно в 2, 4, 8, 16 раз меньше частоты входного сигнала. Таким образом, период работы счетчика равен 16 входным импульсам. Такой счетчик используется в переключателе гирлянд с микросхемой памяти, в цифровом реле времени и других устройствах.
Микросхема К155ИЕ2 (рисунок 4, а) также содержит четыре счетных триггера, однако благодаря использованию внутренних обратных связей коэффициент пересчета равен 10. С помощью входов &R0 микросхему устанавливают в состояние, при котором на всех выходах напряжение низкого уровня. С помощью входов &R9 микросхему устанавливают в состояние, соответствующее числу 9 в двоичном коде (напряжение высокого уровня на выходах 1 и 8). Триггеры счетчика переключаются спадом импульса. На рисунке 4, б показаны временные диаграммы, поясняющие работу счетчика. Микросхема К155ИЕ2 используется в регуляторе мощности с цифровым управлением.
Микросхема К561ИЕ10 (рисунок 5 а, б) состоит из двух одинаковых четырехразрядных счетчиков-делителей, связанных только общим питанием. Каждый из них имеет два счетных входа СР и CN, вход R принудительной установки нулей на выходах и выходы от каждого из четырех разрядов (рисунок 5, а).
Когда на входе CN имеется напряжение низкого уровня, либо на входе СР напряжение высокого уровня, входные импульсы, поданные на второй вход, не изменяют состояния счетчика. Для обеспечения режима счета необходимо на вход CN подать разрешающее напряжение высокого уровня (при этом входные импульсы поступают на вход СР) либо поддерживать напряжение низкого уровня на входе СР, а входные импульсы подавать на вход CN. Когда счет импульсов производится по входу СР, переключение первого триггера счетчика происходит по фронту счетных импульсов, при счете по входу CN — по спаду счетных импульсов (рисунок 5, в). Остальные разряды счетчика переключаются по спаду импульсов выходных сигналов предыдущих разрядов. Максимальная частота счета 2 МГц.
Указанная микросхема используется в реле времени и других устройствах.
Из других микросхем серии К561 отметим еще реверсивный четырехразрядный счетчик К561ИЕ11 (рисунок 6).
Каждый разряд счетчика имеет прямой выход (1,2,4, 8) и вход предварительной установки (D1, D2, D4, D8). Установка триггеров счетчика в нулевое состояние осуществляется кратковременной подачей напряжения высокого уровня на вход R. Входы D1, D2, D4, D8 служат для предварительной записи двоичного числа в счетчик, а вход S — для разрешения этой записи. Изменение состояния счетчика происходит по фронту импульсов, подаваемых на вход С. Вход U необходим для управления направлением счета. При высоком уровне выходной код увеличивается, а при низком уровне — уменьшается. Вход PI — это вход переноса, а выход Р — выход сигнала переноса. Они необходимы для совместной работы микросхем в составе единого двоичного реверсивного счетчика. Счетчик работает в том случае, если на входе PI имеется напряжение логического 0. На выходе переноса Р устанавливается состояние логического 0 тогда, когда на выходах счетчиков возникает состояние 1111 при увеличении счета и 0000 — при уменьшении счета.
Работа счетчика иллюстрируется таблицей истинности (таблица 2).
Микросхема К561ИЕ11 может быть использована, например, в автомате управления освещением, в регулируемом источнике переменного напряжения.
Большими возможностями обладает микросхема К176ИЕ12 — многофункциональный счетчик, разработанный для использования в электронных часах.
Сокращенное условное обозначение и временные диаграммы на некоторых выводах этой микросхемы показаны на рисунке 7.
В ее состав входят генератор, рассчитанный на работу с внешним кварцевым резонатором на частоту 32768 Гц (выводы 12 и 13), и два делителя частоты с коэффициентами деления 215 = 32768 и 60 (выводы 4, 7, 10). Следовательно, на выходах микросхемы формируются секундные и минутные импульсы. Микросхема позволяет реализовывать и некоторые другие функции, связанные с ее применением в электронных часах.
В исходное состояние микросхему устанавливают подачей напряжения высокого уровня на входы R (выводы 5, 9). Микросхема К176ИЕ12 может быть использована в реле времени в качестве задающего генератора с делителями частоты, в зарядном устройстве в качестве делителя частоты и в других устройствах.
Дешифраторы
Для преобразования двоичного кода, в котором представлены выходные сигналы двоичных счетчиков, в так называемый позиционный код, используются дешифраторы. На рисунке 8 представлен интегральный дешифратор К155ИДЗ, осуществляющий такое преобразование.
Входы W0 и W1 являются разрешающими. При наличии на них напряжения низкого уровня на одном из выходов дешифратора 0—15 также содержится напряжение низкого уровня, причем номер этого выхода является эквивалентом двоичного числа, код которого подан на входы 1, 2, 4, 8. Так, при подаче кодовой комбинации входных сигналов 0110 в активном состоянии будет выход 6 (вывод 7). При этом на всех остальных выходах будет напряжение высокого уровня. Если же на входы WO, W1 подать напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет на всех выходах дешифратора. Поэтому входы WO, W1 называют разрешающими, или стробирующими.
Существуют микросхемы, содержащие в одном корпусе счетчик и дешифратор. Примером является микросхема КМОП К176ИЕ8, в которой количество поступивших импульсов преобразуется в позиционный код (рисунок 9).
Вход R служит для установки триггеров в исходное состояние, при котором на всех выходах 0—9 имеется напряжение низкого уровня. Входные импульсы можно подавать на один из входов СР или CN. При подаче импульсов на вход СР изменение состояния счетчика происходит по фронту импульсов (при этом на входе CN должно быть напряжение низкого уровня). При подаче же импульсов на вход CN изменение состояния происходит по срезам импульсов (при этом на втором входе СР должно быть напряжение высокого уровня). На активном выходе, номер которого соответствует числу импульсов, поступивших после установки в исходное состояние, имеется напряжение высокого уровня (в отличие от напряжения низкого уровня в К155ИДЗ). Микросхема (К176ИЕ8) использована во многих устройствах, например, в цифровом измерителе заряда.
Микросхем К176ИЕ4 (рисунок 10) содержит двоичный декадный счетчик и преобразователь его состояний в сигналы управления семисегментным индикатором. Триггеры декады устанавливаются в нулевое состояние подачей напряжения высокого уровня на вход R, а переключаются спадами импульсов, поступающих на вход С. На выходах а—g формируются выходные сигналы, обеспечивающие на семисегментном индикаторе свечение цифр, соответствующих состоянию декады. При подаче напряжения низкого уровня на управляющий вход S состояние декады определяется напряжением высокого уровня на выходах а—g, а при подаче напряжения высокого уровня на вход S — напряжением низкого уровня на выходах а—g. Такое переключение уровней выходных сигналов расширяет область применения микросхемы. Выход Р микросхемы — выход переноса, на котором в момент перехода декады из состояния 9 в состояние 0 формируется отрицательный перепад напряжения. Этот выход служит для связи с последующими разрядами. Микросхему К176ИЕ4 удобно использовать совместно с люминесцентным индикатором ИВ-3, аноды которого можно подключать непосредственно к выходам микросхемы.
Главные параметры цифровых микросхем
Из многих важных параметров цифровых микросхем прежде всего следует обратить внимание на три из них — входной и выходной токи логического элемента и его максимальное выходное напряжение.
Стоит заметить, что термопара из сплавов ВАР5/ВР20 дает более точный результат при длительных измерениях, чем термопара из сплавов ВР5/20.
Входной ток — это ток, который протекает через входную цепь при соединении входа логического элемента с общим проводом или с проводом питания. В первом случае ток называют вытекающим, и для большинства микросхем серии К155 он составляет 1,6 мА. Во втором случае говорят о втекающем токе, который составляет примерно 40 мкА. Из сказанного следует, что если между входом логического элемента и общим проводом включен резистор, то для обеспечения на входе напряжения низкого уровня (которое для серии К155 не должно превышать 0,4 В) его сопротивление не может быть больше 0,4 В/0,0016 А, т. е. 250 Ом. Увеличение сопротивления этого резистора сверх указанного значения приведет к установлению на входе потенциала, соответствующего порогу переключения элемента. Такое состояние является неустойчивым. Поэтому увеличивать сопротивление этого резистора не рекомендуется. Для подачи на вход напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако с целью повышения помехоустойчивости целесообразно соединить его с проводом питания через резистор сопротивлением 1…2 кОм.
Необходимо заметить, что величина входного вытекающего тока накладывает ограничение и на сопротивления времязадающих резисторов генераторов, выполненных на элементах этой микросхемы, которая не должна превышать 1 кОм. Для микросхем серии К555 входной вытекающий ток в 3—4 раза меньше, поэтому сопротивления резисторов могут быть в 3—4 раза больше. Для микросхем КМОП (К176, К561, КР1561) входной вытекающий ток составляет примерно 0,2 мкА, исходя из этого следует рассчитывать и сопротивления резисторов.
Выходной ток логического элемента также может быть втекающим и вытекающим. Первый имеет место в случае подключения нагрузки между выходом и шиной питания, когда на выходе имеется напряжение низкого уровня. Значение этого тока для большинства элементов ТТЛ, у которых выходной каскад имеет внутреннюю нагрузку, составляет 16 мА. Для элементов с открытым коллектором значение этого тока значительно выше — так, для элементов микросхемы К155ЛЛ2 допускается выходной ток 300 мА.
Вытекающий ток логического элемента — это ток в цепи нагрузки, включенной между выходом и общим проводом, причем на выходе имеется напряжение высокого уровня. Значение этого тока для большинства микросхем ТТЛ составляет 0,2…0,4 мА. Для увеличения выходного тока можно соединять параллельно несколько однотипных логических элементов, при этом объединяют входы и выходы элементов.
Максимальное выходное напряжение — это напряжение, которое может быть приложено к выходу логического элемента без повреждения последнего. Для большинства логических элементов ТТЛ оно не превышает напряжения питания, но для некоторых элементов с открытым коллекторным выходом оно значительно больше: 12 В для К155ЛА11, 15 В для К155ЛН5, 30 В для К155ЛА18, К155ЛИ5, К155ЛЛ2, К155ЛНЗ, К155ЛП9.
Высокое допустимое выходное напряжение в сочетании с большим выходным током позволяет непосредственно подключать к выходам микросхем электромагнитные реле, элементы индикации.
Радиолюбители широко применяют микросхемы как ТТЛ, так и КМОП-логики, и иногда возникает необходимость сочетания в одном устройстве микросхем разных структур. Это связано с тем, что в составе микросхем различных серий ТТЛ есть функциональные узлы, которых нет в сериях КМОП, и наоборот. С целью оптимизации схемных решений и снижения стоимости аппаратуры иногда используют микросхемы разных серий совместно. Если напряжения питания микросхем совпадают по величине, то входы и выходы микросхем разнотипных структур можно соединять между собой. Однако следует убедиться в том, что нагрузочная способность логического элемента достаточна для подключения требуемого числа входов других ИМС. Если источником логического сигнала являются элементы ТТЛ, то к их выходам можно подключать практически любое количество входов (во всяком случае, десятки) микросхем КМОП. Если же требуется подать сигнал с выхода логического элемента КМОП на входы микросхем ТТЛ, то следует произвести расчет соответствия выходного тока элемента КМОП и суммы входных вытекающих токов элементов ТТЛ. Значение именно вытекающего, а не втекающего тока следует брать потому, что вытекающий ток (т. е. ток в цепи при соединении входа с общим проводом) значительно больше втекающего. Если же нагрузочной способности элементов КМОП окажется недостаточно, следует использовать элементы с высокой нагрузочной способностью (например, К561ЛН2).
Если же величины питающих напряжений микросхем КМОП и ТТЛ различны, то следует использовать преобразователи уровня (К561ПУ4, К561ПУ6, К561ПУ7, К561ПУ8, К176ПУ1, К176ПУ2, К176ПУЗ, К176ПУ5). На рисунке 12 показан пример согласования двоичного счетчика серии КМОП К561ИЕ10 с дешифратором-демультиплексором ТТЛ-серии К155ИДЗ (микросхема подобного функционального назначения среди КМОП-логики отсутствует). При этом микросхема DD1 питается напряжением 9 В, а микросхема DD3 — напряжением 5 В.
