Электроника для начинающих

В этой главе мы будем говорить о цифровых интегральных схемах и их применении. Мы рассмотрим основы цифровой логики, пока не дойдем до регистров, счетчиков и карт памяти. Несмотря на то, что на сегодняшний день вы можете использовать микроконтроллеры для выполнения любых задач, в некоторых случаях разумнее использовать специализированные схемы.

В начале моей карьеры электронщика, в возрасте десяти лет, я столкнулся с рядом трудностей. Я строил схемы, которые часто не работали, и я не имел ни средств, ни возможностей, чтобы понять почему. Я проводил целые дни с дымящимся паяльником в руке, собирая и разбирая схемы путем проб и ошибок. Интернета не существовало, я не знал никого, кто разбирался бы в электронике, поэтому я мог рассчитывать только на малочисленные книги: действительно печальный опыт. Несмотря на все это, моя страсть не исчезла, потому что в моменты отчаяния я нашел утешение в цифровой электронике. Цифровые интегральные схемы были очень просты для понимания, и, комбинируя их между собой, можно было включать светодиоды, писать буквы на дисплее с семью сегментами, получать сигналы с кнопок и работать с другими элементами. С большим удовлетворением я смог построить пульт управления с цифровой клавиатурой для домашней стереосистемы. Кнопки контролировали усилитель, объединяя входы и выходы по мере необходимости. Я использовал простые логические вентили, которые оптимизировалс помощью теоретических материалов из одной книги, найденной в библиотеке (карты Карно!).

Сегодня мы можем купить микроконтроллер по более низкой цене, чем простой цифровой чип, и запрограммировать его так, что он сможет выполнять те же функции. Не для всех операций можно использовать микроконтроллер, иногда дешевле использовать простые специализированные микросхемы для выполнения определенных функций, таких как управление двигателем, контролирование дисплея или хранение информации.

Сегодня, в дополнение к микроконтроллерам, также называемым MCU. Существуют также специальные чипы, которые называются Programmable Logic (FPGA) или ППВМ (программируемая пользователем вентильная матрица). В этих чипах есть десятки или сотни тысяч логических вентилей, которые мы можем подключать по желанию. С программой и компьютером, мы можем подключать по желанию элементы, содержащиеся в чипе, как будто внутри чипа находится микроскопическая кремниевая макетная плата и ящик, полный логических компонентов и перемычек. Джанни Бекаттини, один из пионеров в области персональных компьютеров в Италии и в настоящее время генеральный директор АЭП, на одной из конференций в 2013 рассказал о реконструкции исторического электронного калькулятора PDP11. Вместо того чтобы использовать множество макетных плат и чипов, он задумался о более совершенном способе восстановления своего любимого компьютера: решением стала небольшая карта с ППВМ!

Рис. 8.1. Исторический калькулятор PDP11

Булева логика

Цифровая электроника использует очень простые сигналы: включения и выключения. По этой причине она очень проста для понимания и использования, даже для новичков, несмотря на то, что основана на алгебре логики или булевой логике, названной в честь математика Джорджа Буля.

Рис. 8.2.

Джордж Буль (1815–1864)

В то время как мы привыкли к цифрам от нуля до девяти, Джордж Буль изобрел особый математический мир, в котором существуют только два числа: ноль и один. Минимальное количество информации называется битом, и он может принимать только одно из этих двух значений. Даже с двумя цифрами вы можете производить математические операции, такие как сложение, вычитание, умножение и деление. Помимо математических операций, Буль ввел логические операторы, которые работают с битами. Во времена Буля вместо электроники была использована механика для построения машин, которые еще не назывались компьютерами. Электроника хорошо сочетается с битами, можно легко построить схемы, которые работают только с двумя уровнями напряжения. Ноль соответствует напряжению 0 В или разомкнутому переключателю, в то время как один соответствует напряжению питания или замкнутому переключателю.

Логические вентили