Цифровые микросхемы - начинающим (занятие 1) - Логические элементы

Цифровая микросхема, да и микросхема вообще, это миниатюрный электронный прибор, содержащий в себе кремниевый кристалл, в котором, особым способом, на заводе изготовителе введены примеси. В результате, отдельные участки этого кристалла приобретают функции диодов, транзисторов,сопротивлений, просто проводников, и даже конденсаторов (эффект барьерной емкости диода, как у варикапа). Общее число этих "микроэлементов" может достигать сотен тысяч и более на один кристалл. Эти микроскопические участки кристалла соединяются между собой, внутри этого кристалла и образуют некую схему, некий узел, выполняющий определенные функции.

Радиолюбители, да и специалисты, часто воспринимают микросхему как некий "черный ящик" выполняющий определенные функции и имеющий определенные свойства, либо как набор таких "ящичков", которые можно соединить определенным способом и получить нужное устройство. Одним из таких "ящичков" является ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, которых в одной цифровой микросхеме может несколько.

Микросхемы бывают различных серий и логик. Мы в наших опытах будем использовать микросхемы логик МОП и КМОП, серий К176 и К561. Это наиболее часто применяемые микросхемы в радиолюбительских конструкциях, потому что они имеют минимальный ток потребления и работают в достаточно широком диапазоне питающих напряжений. Но им свойственен один недостаток — "бедняги" боятся статических разрядов и перегревапри пайке (впрочем, как и почти все другие радиоэлементы).

Поэтому желательно для экспериментов сделать макетные платки, такие как предложил наш постоянный автор Сергей Павлов в журнале "РКМ2-99 (стр.46)".

В серию К561 входит более 50-ти типов микросхем разной степени интеграции и функционального назначения. Основой многих из них служат ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, — "черные ящички", реализующие простейшие функции алгебры логики. С них и начнем знакомство.

На практике, наиболее часто используются элементы пяти типов :И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ- НЕ. При том элементы И, ИЛИ, НЕ — основные, а элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ представляют собой комбинацию двух элементов.

Но прежде всего уточним :- в основу описания работы логических элементов, да и цифровых микросхем вообще, положена двоичная система исчисления, состоящая всего из двух цифр 0 и 1. И эти микросхемы и их элементы могут принимать только два этих состояния : О — когда напряжение, почти равно нулю, и 1 — когда напряжение, почти равно напряжению питания микросхемы (на практике "почти" почти никогда не учитывается).

Всего две цифры — 0 и 1, но эти две цифры позволяют записывать и "запоминать", обрабатывать, практически любые числа. Например десятичное число 168 в нулях и единицах выглядит так : 10101000. Перевести десятичное число в двоичное достаточно просто, нужно делить число на 2, затем брать результат — целое число и снора делить на 2. И каждый раз записывать "1" если есть остаток и "0" если делится без остатка. Например : 168/2=84 (пишем 0), 84/2=42 (пишем 0), 42/2=21 (пишем 0), 21/2=10,5 (пишем 1), 10/2=5 (пишем 0)), 5/2=2,5 (пишем 1), 2/2=1 (пишем 0), 1/2=0,5 (пишем 1). 0 делить нельзя, поэтому процесс закончен, теперь записываем в обратном порядке: 10101000.

 

Графическое изображение логического элемента НЕ показано на рисунке 1. Этот элемент еще называют инвертором. Работает он предельно просто : когда на его входе 1 — на его выходе 0, когда на его входе 0 — на его выходе 1. То есть, он отрицает то, что поступает на его вход, "говорит НЕ", — на входе 1 — на выходе "НЕ 1" (0), на входе 0 — на выходе "НЕ 0" (1).

Следующий логический элемент "И" (рисунок 2), он обозначается символом "&". Входов у этого элемента может быть сколь угодно много, но наш, пока будет с двумя. Логика работы такова. На выходе будет единица только тогда, когда на обеих входах (или на всех сколько их там еще) будет по единице. Во всех других случаях — только ноль.

То есть, если на вход Х1 подали 1, а на вход Х2 - 0, то на выходе - 0. Если на вход Х1 подали 0, а на вход Х2 - 1, то на выходе опять ноль. Если на Х1 - 0 и на Х2 - 0, — снова на выходе 0. Но если на оба входа, и на Х1 и на Х2 подали по единице, тогда и на выходе тоже будет единица.

Разобраться получше поможет простая схема с двумя выключателями и лампочкой (рисунок 3). Пусть выключатели это входы. Когда выключатель включен — 1, когда выключен — 0, а лампа — выход, если горит значит 1, погашена - 0. Смотрите, сколько не замыкая Х1, если Х2 разомкнут лампа не загорится. Тоже касается и Х2. Лампа будет гореть только если оба этих выключателя замкнуть, на оба входа подать 1.

Получается так : хочешь единицу на выходе подавай единицы на оба входа. Если нужен нуль на выходе, — подай нуль на любой вход или на оба входа, как угодно.

Следующий элемент ИЛИ. Его условный символ — 1 в квадратике (рисунок 4). Входов этих элементов тоже может быть много, но нашего будет два. Работает он совсем наоборот чем И. Нуль на его выходе может быть только тогда, когда на оба входа (или на все сколько есть) поступает нуль. Во всех других случаях на выходе будет единица. Подадим на вход Х1 - 0, а на вход Х2 -1, на выходе 1. Подадим на Х1 - 1, а на Х2 - 0 , все равно на выходе 1. Подадим на Х1 -1 и на Х2 - 1, на выходе снова 1. Но если подадим на Х1 - 0 и на Х2 - 0 , на выходе будет тоже 0.

 

Схема с лампочкой для элемента ИЛИ показана на рисунке 5. Лампа будет гореть при любом включенном выключателе, хоть Х1, хоть Х2, хоть оба сразу. Но погаснет только если их оба выключить.

То есть, если хочешь чтобы на выходе был нуль, подай нули на все входы. Нужна единица на выходе — подай единицу на любой вход или на оба сразу, все равно.

Теперь по поводу элементов И-НЕ (рисунок 6) и ИЛИ-НЕ (рисунок 7). Все очень просто — после элемента И или ИЛИ включаем НЕ, и выходные сигналы "переворачиваются". Вместо единиц на выходе нули, а вместо нулей на выходе единицы.

Например И-НЕ работает так : нуль на выходе будет только тогда, когда на оба входа поступят единицы. Во всех других случаях на выходе будет единица.

А элемент ИЛИ-НЕ работает так : единица на выходе будет только тогда, когда на обеих входах будут нули. Во всех других случаях на выходе будет нуль.

Обозначение отличается тем, что выход обозначают кружочком. Кружочек — значит инверсия, значит на выходе стоит элемент НЕ.

(продолжение следует)

 

Источник: Ж. " РадиоКонструктор " 2000г.