Электроника для начинающих

До рождения интегральных схем логические схемы были построены с использованием реле и клапанов, а затем заменены транзисторами. Схема для выполнения простой операции, требовала многих компонентов, поэтому первые компьютеры, такие как ЭНИАК, занимали целые здания! Сегодня мы можем купить чипы, которые содержат готовые к использованию операторы или логические элементы. Нам почти не нужно беспокоиться о том, как они были построены, с помощью какого числа транзисторов и какого типа. Эти логические вентили имеют входы и выходы, к которым применяются электрические сигналы включения и выключения. Логика Буля обеспечивает вентили: НЕ, И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. В дополнение к этим основным вентилям существуют также: И-НЕ, ИЛИ-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ, то есть особые комбинации базового вентиля с вентилем НЕ, подключенным к выходу Вентили, как правило, имеют два входа, но существуют особые вентили, имеющие 4 или 8 входов.

Вентиль НЕ

Простейшим оператором является вентиль НЕ: элемент с входом и выходом. НЕ возвращает сигнал, обратный сигналу на входе. Если на вентиль НЕ подадим «один» (т. е. 5 В), то на выходе получим «ноль» (т. е. 0 В), и, наоборот, если на входе «ноль», то выходной сигнал будет иметь «один». Для описания работы вентиля используется таблица, называемая таблицей истинности. В таблице содержится столбец для каждого входного сигнала и столбец для выходного сигнала логического вентиля. Она имеет столько строк, сколько и возможностей входа. Таблица для вентиля НЕ очень проста, имеет только один вход и один выход, с двумя рядами.

Таблица 8.1. Таблица истинности для вентиля НЕ

Логические вентили, несмотря на то, что содержатся в чипе, как правило, представлены с использованием специальных символов. Обозначением вентиля НЕ является треугольник с точкой на конце. Некоторые чипы, содержащие вентили НЕ: 74НС04 или 4049В или 4069В.

Рис. 8.3. Символ вентиля НЕ и чип 74НС04, содержащий 6 вентилей НЕ

Теперь давайте сделаем эксперимент с вентилем НЕ. Нам понадобятся следующие компоненты:

• макетная плата;

• интегральная схема 74НС04 по КМОП-технологии, содержащая 6 вентилей НЕ;

• красный светодиод;

• зеленый светодиод;

• два резистора на 220 Ом;

• нормально разомкнутая кнопка;

• один резистор на 10 кОм;

• источник питания на 5 В;

• конденсатор на 0,1 мкФ;

• перемычки или соединительные провода.

Электрическая схема цепи изображена на рис. 8.4. На схеме мы не обозначили чип в виде общего прямоугольника, но мы нарисовали вентиль НЕ. Чтобы понять, как собрать схему, мы должны иметь под рукой цоколевку чипа. В помощь нам, в электрических схемах на логических вентилях показаны номера контактов чипа. Когда чип содержит большое количество логических вентилей, каждому элементу присваивается имя, например: U1a, U1b, U1с и U1d и так далее. Только на одном из вентилей показаны соединения для источника питания и для массы всей интегральной схемы.

Примечание: Некоторые цифровые интегральные схемы требуют точного напряжения питания, как правило, 5 В. Несоблюдение этого условия может привести к выходу цепи из строя.

Рис. 8.4. Электрическая схема пробной цепи вентиля НЕ и цоколевка чипа 74НС04

Построим схему.

1. Объединим шины электропитания по обоим краям макетной платы, чтобы иметь электропитание с обеих сторон.

2. Вставляем микросхему в центр макетной платы.

3. Подключаем вывод 14 от 74НС04 к красной шине источника питания (5 В).

4. Вывод 7 от 74НС04 соединяется с синей шиной электропитания (О В).

5. Добавляем кнопку и сопротивление на 10 кОм и подсоединяем их с помощью перемычки к выводу 1 интегральной схемы.

6. Образуем последовательное соединение сопротивления на 220 Ом и красного светодиода и подключаем катод светодиода к земле.

7. Образуем второе последовательное соединение сопротивления на 220 Ом и зеленого светодиода, и подключаем анод светодиода к линии питания на 5 В.

8. С помощью перемычки объединяем свободные выводы двух резисторов.

9. Подсоединяем общую точку двух резисторов к контакту 2 интегральной схемы.

10. Добавляем конденсатор мостиком между двумя линиями питания.

11. Подаем на цепь напряжение 5 В.

12. Нажимаем кнопку!

Рис. 8.5. Пробная схема вентиля НЕ, собранного на макетной плате

Вход вентиля НЕ соединен с землей через резистор на 10 кОм. Через сопротивление не циркулирует ток, и входной сигнал равен 0 В. Выход вентиля находится в высоком уровне, поэтому красный светодиод включен. Нажав на кнопку, мы подаем на вход 5 В, выход вентиля перейдет в низкий уровень, поэтому загорится зеленый светодиод, который подключен между 5 В и выходом, на котором сейчас 0 В. Сопротивление на 10 кОм служит для предотвращения создания короткого замыкания и ограничения тока, когда мы нажимаем на кнопку и подаем 5 В на вход.