Электроника для начинающих

При использовании цифровых интегральных схем лучше всегда использовать микросхемы одного и того же семейства. Сочетание интегральных схем различных семейств без принятия соответствующих мер предосторожности может привести к нежелательным эффектам! Схема будет работать, но возможны ситуации со странным поведением. Чипы разных семейств работают с нулями и единицами, но их поведение может различаться, как если бы они разговаривали на различных диалектах. Каждое семейство обладает интервалом напряжений, в пределах которых уровень распознается как высокий или низкий. Чип ТТЛ определяет напряжение между 5 и 3,7 В в качестве «высокого», а КМОП – от 5 до 3,5 В. То же самое относится к низкому уровню, который находится в пределах от нуля до нескольких десятых долей вольта.

Каждая технология способна быть источником тока или потреблять ток на выходе. Это влияет как на то, какие элементы мы можем подключить к вентилю, не повредив его, так и на количество подсоединяемых вентилей. Этот параметр называется коэффициентом разветвления и указывает на количество вентилей, которые могут быть подключены к выходу логического элемента без каких-либо повреждений. Первые чипы обладали коэффициентом разветвления, равным 10, на сегодняшний день некоторые технологии позволяют производить устройства с коэффициентом разветвления до 50.

Мы привыкли видеть вентиль в качестве одного простого компонента; на самом деле каждый логический вентиль образован группой транзисторов и других элементов на чипе: это сложная схема, поэтому поступающему на вход сигналу нужно некоторое время, чтобы добраться до выхода. Это накладывает ограничения на скорость логических элементов, что указывает на максимальную частоту, с которой они могут работать.

Цифровые схемы шумят! Многочисленные вентили и различные устройства непрерывно выключаются. Каждый скачок генерирует небольшой шум, который может вызвать ложные сигналы. Чтобы ограничить данные помехи, необходимо подключить небольшой конденсатор как можно ближе к питающему выводу каждого чипа. Обычно используются конденсаторы на 100 нФ.

Чтобы ограничить шум, никогда не оставляйте выводы отсоединенными. Если логический вентиль имеет несколько входов, а мы используем только некоторые из них, то оставшиеся входы должны быть подключены к земле или к напряжению питания (в зависимости от типа чипа!). Если вы оставите их отсоединенными, они могут принять любое состояние, вызвав ненормальное поведение или производя шум.

Комбинационные схемы

Схемы, образованные только логическими вентилями, называются комбинационными. Их поведение можно описать с помощью так называемой таблицей истинности. Сигналы, поступающие на вход, немедленно доходят до выхода. В таблице истинности слева расположен столбец для каждого входа, а справа – для выхода комбинационного сигнала. Для расчета выхода нужно будет перечислить все возможные комбинации входных значений. Количество строк может быть очень большим, так как оно растет экспоненциально с ростом числа входов n:

строки = 2ⁿ

С двумя входами мы имеем число строк, равное

2² = 2 · 2 = 4

С тремя входами число строк становится

2³ = 2 · 2 · 2 = 8

Вы должны сделать вычисление для каждой строки, продвигая входные значения к выходу.

Рис. 8.14. Комбинационная схема с пятью входами и одним выходом, состоящая из нескольких логических вентилей

Для схемы на рисунке мы сделаем таблицу с шестью столбцами: один для каждого входа и один столбец для выхода. Для простоты расчетов добавим промежуточные столбцы, по одному для выходов каждого вентиля, которые мы будем называть А1, А2, A3 и А4. Начинаем вычислять промежуточные выходы для первой строки, когда все входы равны нулю. В этом случае выходной сигнал схемы равен единице. Произведем расчеты для каждой возможной комбинации входов: таблица имеет тридцать две строки!

Таблица 8.6. Промежуточная таблица истинности для логической схемы на рис. 8.14

В комбинационных схемах расчет происходит мгновенно: как только сигналы поступят на вход, выходной сигнал будет произведен немедленно или после короткой задержки. Существуют некоторые методы, называемые «Метод Куайна – Маккласки» и «Карты Карно», для быстрого и упрощенного вычисления комбинационных схем с меньшим количеством необходимых элементов.

Преобразователи

Частой операцией в цифровой электронике является преобразование данных из одного формата в другой. Данная задача может быть быстро решена при помощи преобразователей, которые являются не чем иным, как комбинационными схемами с множеством входов и выходов. Кодер или декодер преобразует одну группу битов в другую.

Схема такого типа может иметь 3 входа, которые преобразуются в 8 выходов. Три входа получают двоичное число: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 – и используют его, чтобы включить один из восьми возможных выходов. Со схемой такого типа можно управлять 8 выходами, используя только 3 провода.