technika cyfrowa-str.1-105

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Dane o oryginale:
Dieter Nlihrmann,
Digitaltechnik
in der Hobbypraxis:
von einfachen
Gattern bis zu do digitalen
LSI-
-Bausteinen
mit vielen nachbausicheren.
Schaltugen/Dieter
Niihrmann.
- Miinchen:
Franzis, 1981. III.
(Franzis-Elektronikbuch
fUr
jedermann)
© 1981 Franzis-Verlag
GmbH, Miinchen
l.
-~
.
)
l.
\.
II.
Niewielka róznica-- sygnaly analogowe
i
cyfrowe
Kilka wiadomosci podstawowych,
9
11
Ul
18
18
19
20
20
681.3R-181.4(03.84
=
30)
wazllych w technice cyfrowej
Co kryje sie za prawem Ohma
Prad, napiecie, moc
Poziom napiecia
Szeregowe polacz("oie oporników
Równolegle polaczenie oporników
Sygnaly w technice cyfrowej
Tranzystor jako wylacznik
Inwerter
Nieco o
!
lozwo!onych poziomaeh napiec
Czasy przelaczania w sygnalach cyfrowych
Oscylacje sygnalów - kilka si ów o technice wielkich czestotliwosci
Co oznacza
Fan
Ollt
i co to jest
Therc
Szate?
Co z niewykorzystanymi doprowadzeniami?
Maly leksykon okreslell fachowych w tcchnic(~ cyfrowej wraz z ich skrÓtami
Czy konieczne sa znormalizowane
KSIazka zawiera duzy zasób wiadomosci
niezbednych
dla elektronika
amatora
interesujacego
sit; technika cyfrowa. Podaje definicje .podstawowych
pojec z tej
dziedziny, opisuje podstawowe
uklady: bramki i przerzutniki,
a takze omawia
sposoby konstruowania
ukladów bardziej zlozonych.
Zawiera caly szereg
1).
\ .2
.' .L
".,,}.
'5.
'6.
U.
J
g
'.9.
UO
li L
l
23
25
)6
28
30
31
32
B
przykladowych
rozwiazan konstrukcyjnych
ciekawych, lecz prostych ukladów. W
UCY 74
i
J\1CY 74 .
Przeznaczona
bardzo szeroki przeglad cyfrowych ukladów scalonych serii
dla elektroników
amatorów.
@Copyrigbt
for the Polish edition by Wydawnictwa
Komunikacji
i Lacznosci, Warszawa
1986.
symbole graficzne w schematach
ukladów
35
35
41
42
42
42
42
45
46
47
48
48
48
212.
3.
U.
U.!
Ao
H.
C.
f).
E.
3.1.2.
3.1.3.
3.1.4.
3.1.5.
cyfrowych?
Wyprowadzenia i ksztalty obudów cyfrowych ukladów scalonych
Rodziny Ilkl:uhiw scalonych stosowalle
w
technice scalonej
Rodzil'ly TTL
Parametry ukladów TTL
Napiecie zasilania
Charakterystyki
wejsciowe i wyjsciowe
Pob6r mocy
Margines zaklócen
Czasy przelaczan ia
Uklady TTL o malym poborze mocy
Szybkie uklady TTL
Uklady TTL z diodami Schotlky'ego
Uklady
ISBN 83-206-0535-0
TTL z diodami
Schottky'ego
i () zmniejszonym
poborze
mocy
49
49
50
51
54
54
54
55
55
Opiniodawca: dr inz.
Roman Barlik
Redaktor: mgr inz.
Izabela Ewa Mika
Redaktor techniczny:
Jadwiga A1ajfwska
Korektor:
Alicja Kalinowska, Irena Tanska
3.2.
3.3.
3,J.1.
.L,3.2.
A.
B.
(TTL-LS)
Uklady ECL
Uklady M.0S i CMOS
A oto krótki przeglad
Seria LOC MOS
i
jej wlasnosci
Ogólne wlasnosci serii LOC MOS typ HEF 4000 produkcji Valvo
Oznaczenia ukladów wedlug systemu Pro Elektron
Dane elektryczne
wspólne dla wszystkich ukladów serii
D.
przy
Uss
=
O
Charakterystyczne
wartosci nominalne
Na samym poczatku
Dodatku zamieszczono
Spis tresci
Spis tresci
E:
F.
G.
H.
I.
3.3.3.
A.
B.
C.
D.
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
4.7.
4.8.
4.9.
4.10.
4.1 l.
A.
B.
C.
D.
E.
F.
G.
4.11.1.
A.
B.
4.11.2.
4.11.3.
4.11.4.
4.1 1.5.
4.11.6.
4.12.
4.12.1.
4.12.2.
4.12.3.
4.12.4.
4.12.5.
4.12.6.
5.
Pobór mocy
Obwody wyjsciowe
Czasy przelaczania serii LOC MOS
Margines zaklócen
Obwody zabezpieczajace
Jak obchodzic sie z ukladami MOS
Lutowanie
Montaz
Inne zalecane zasady ostroznosci
Sprawdzanie ukladów LOC MOS
Oto podstawowe uklady cyfrowe ....
Wzmacniacz wyjsciowy - wzmacniacz mocy
Inwerter odwraca sygnal .
Bramka AND - oznacza funkcje logiczna
J ,
Bramka NAND czyli funkcja NIE-I
Bramka OR czyli funkcja LUB
Bramka NOR czyli funkcja NIE-LUB
Funkcja równowaznosci
Funkcja nierównowaznosci .
Uklady cyfrowe z wejsciami o funkcjach INHIBIT, STROBE i ENABLE
Bramka transmisyjna (przenoszaca)
Rodzina prz()rzutników
Przerzutnik RS
55
58
59
61
61
62
62
62
63
64
65
65
67
68
70
71
73
74
75
76
78
79
80
81
81
81
82
82
82
83
84
85
87
88
89
91
96
96
96
97
99
102
103
104
Kod BCD w technice cyfrowej
.
108
1l2
114
114
114
114
115
116
116
117
\.
".·1.
1\.
II.
(
'.
l>.
I.
I.
(;.
Reguly w technice cyfrowej - równiez prawa de Morgana
Uklady z bramek NAND 7400 .
Bramka AND z dwóch bramek NAND .
Bramka OR zbudowana z zastosowaniem ukladu scalonego 7400
Bramka NOR
.
Uklitd EXOR
.
Uklad równowaznosci (ekwiwalencji)
Sposoby laczenia wejsc i wyjsc w ukladach doswiadczalnych
Nie wykorzystane wejscia bramek (logika dodatnia)
.
(,.
('.1.
('.1.1.
h.I.2.
A.
II.
C.
1).
(1.1.3.
A.
II.
('.
1).
E.
F.
G.
II.
1.,
J.
K.
L.
M.
N.
O.
P.
6.2.
6.2.1.
A.
B.
C.
D.
E.
6.2.2.
6.2.3.
6.2.4.
6.2.5.
Liczniki cyfrowe zbudowane z przerzutników
Dzielniki czestotliwosci z przerzutnikami
(Flip-jlop)
Dzielnik czestotliwosci o podziale parzystym
Dzielniki czestotliwosci o podziale nieparzystym
Podzial I : 3 przy wykorzystaniu bramki NAND i dwóch przerzutników T
Podzial I : 3 za pomoca przerzutników JK
Podzial I: 5 za pomoca przerzutników JK
Kombinacje dzielników czestotliwosci
Dzielniki czestotliwosci z ukladami 7490 i 7493
Podzial I :2 za pomoca 7490
Podzial I : 3 za pomoca 7490
Podzial 1:4 za pomoca 7490
Podzial I: 5 za pomoca 7490
Podzial 1:6 za pomoca 7490
Podzial I: 7 za pomoca 7490
Podzial I : 8 za pomoca 7490
Podzial I :9 za pomoca 7490
Podzial I: 10 za pomoca 7490
Podzial I: 9 za pomoca 7493
Podzial I: 10 za pomoca 7493
Podzial I: II za pomoca 7493
Podzial I: 12 za pomoca 7493
Podzial I: 13 za pomoca 7493
Podzial I: 14 za pomoca 7493
Podzial I: 15 za pomoca 7493
Miernik czestotliwosci i jego funkcje
Licznik asynchroniczny, przykladowe uklady
Przyklad wskaznika przepelnienia
Licznik do 5 .
Licznik do 7 .
Licznik dziesietny z wykorzystaniem 7490 (dekada)
Licznik asynchroniczny do 15
118
118
118
121
121
121
121
123
123
123
123
123
124
125
126
127
127
129
129
129
129
130
130
131
131
131
135
136
137
137
138
138
139
141
142
144
Przerzutnik RS z wejsciem zegarowym (taktujacym)
Przerzutnik D
.
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK Master Slave
Przerzutnik T
.
A teraz kilka slów o wejsciach przerzutników
Przerzutnik RS
Przerzutnik RS z bramek NAND
Przerzutnik RS z bramek NOR
Przerzutnik RS z wejsciem taktujacym
Przerzutnik D
.
Przerzutnik JK
Przerzutnik JK Master Slave (MS)
Przerzutnik T .
Generatory i uklady specjalne w technic~ cyfrowej
Multiwibrator astabilny
.
Przerzutnik Schmitta
Przerzutnik monostabilny
Kwarcowe generatory taktujace
Generator start-stop
Uklad formowania impulsów z zestyków
.
.
Praktyczny uklad licznika synchronicznego
Chwilowe zapamietywanie wyników liczenia
(Latch)
Licznik w przód - w tyl (licznik rewersyjny)
To sa rejestry przesuwne
Technika cyfrowa wymaga znajomosci liczbowych systemów binarnych i zasad
operacji logicznych
Binarny system liczbowy
5.1.
106
106
.
l-
l
,
Spis tresci
7.
Uklady wskaznikowe i ich zastosowanie
146
146
153
]58
]59
166
166
169
]69
170
171
172
173
174
]75
177
]78
178
181
182
185
185
190
190
194
I'Llgne z wami pogawedzic o przeznaczeniu
1'1
ksiai".ki. Jej tematem jest technika cyfro-
1\';1
a dziedzina to szeroka .- od prostych
"kklronicznych ukladów sterujacych az do
1IIIkrokomputera. Zrozumiale, ze znajduje sie
l\' nici odpowiednie miejsce dla podstaw teo-
Il't ycwych i zwiazanych z nimi interesuja-
(\ch. choc prostych ukladów, które ulatwiaja
lIoulInienie tematu ..
Poszczególne fragmenty materialu zawar-
tego
W
tej ksiazce dobralem w taki sposób, by
"lll'jmowaly one niezbedne wiadomosci pod-
:.t<lwowe, jak równiez przyklady rozwiazan
IIkladów przydatne elektronikowi amatorowi.
('hcialbym jednakze natychmiast usunac z
drogi wszelkie ewentualne nieporozumienia.
Powstaja one czesto z powodu t~llszywego
wyobrazenia o poszczególnych dzialach tech··
!liki cyfrowej. Inna przyczyna takich nieporo-
lumien moga byc równiez specjalne zyczenia.
które nie zostaly w tej ksiaz.ce spelnione.
Uczynmy jeszcze jeden krok naprzód, aby
nieco lepiej zrozumiec zadanie i zakres tej
ksiazki. Na poczatku wc.taly przedstawione
wiadomosci podstawowe ... od prostych bra-
mek do przerzutnika
JK.
Równolegle z tymi
podstawami, w celu ich lepszego zrozumienia,
sa omówione liczne uklady.
W dalszych rozdzialach bedzie mowa o
budowie z poszczególnych podstawowych
ukladów bardziej zlozonych systemów, jak
np. licznika cytrowego. Pomijane beda przy
tym zbyt obszeme objasnienia, które dotycza
wiadomosci podstawowych i zostaly podane
w rozdzialach poprzednich. Czesc ksiazki
poswiecono opisowi ukladów scalonych stan-
dardowej serii
TTL
oraz ukladów scalonych
typu
l\;10S.
I jeszcze jednego tematu nie powinno
zabraknac. Chodzi o uklady scalone duzej
skali integracji (LSl -
Lw:W' Scale /ntegra·
Uklady te to cale systemy cyfrowe, jak
7.1.
Wskaznik siedmiosegmentowy i jego dzialanie
7.2.
Tak steruje sie wskazniki siedmiosegmentowe
7.3.
Wyswietlanie sekwencyjne
7.4.
Dekoder kodu dziesietnego na siedmiosegmcntowy
8.1.
Zasilacze sieciowe - eliminacja zaklócen
8.2.
Uklady prostownikowe
A.
Prostownik jednopolówkowy
B.
Prostownik dwupolówkowy
C.
Prostownik mostkowy
D.
Uklad o dwóch napieciach o przeciwnej polaryzacji
E.
Zasada doboru diod prostownika
F.
Uklady do lampek kontrolnych
8.3.
Stabilizatory
8.4.
Projektowanie ulozenia przewodów prostownika i stabilizatora
8.5.
Uklady przeciwzaklóceniowe i uklady przesylania danych
A.
Filtrowanie napiecia zasilajacego
B.
Zwiekszenie stosunku sygnalu uzytecznego do sygnalu zaklócajacego
C.
Przesylanie sygnalów przez dlugie przewody
9.
Na poczatek budowa prostych ukladów cyfrowych
..
9.1.
Przyrzad do wyszukiwania uszkodzen ~~miernik dla techniki cyfrowej
9.3.
Generatory kwarcowe i multiwibratory na bramkach NAND
9.4.
Kalibrator czestotliwosci i czasu - prosty dzielnik czestotliwosci
9.5.
Maly miernik pojemnosci zbudowany z dzielników opartych na przerzutni-
kach
197
200
205
208
208
21!
2]5
222
226
227
230
9.6.
Elektroniczna kostka do gry zbudowana z prostego licznika
9.7.
Generator liczb totolotka
o
dwóch wskaznikach siedmiosegmentowych
9.8.
Licznik optoelektroniczny do wielu celów
9.10.
Prosty stoper elektroniczny
9.11.
Elektroniczna "gazeta swietlna" wykorzystujaca rejestry przcsuwne
9. l 2.
Troszke trudniejsze jest mierzenie czestotliwosci
Dodatek
Slowniczek podstawowych wyrazen w technice cyfrowej
8.
Transformator
9.2.
Migacz z bramek NAND
9.9.
Elektroniczna ruletka
10.
Zalecana literatura
11.
Na samym poczatku ...
liczniki, woltomierze, syntezatory czestotliwosci do radioodbiorników itd. Rynek
tych ukladów jest obecnie bardzo podatny na innowacje, co odzwierciedla sie w
szybko zmieniajacym sie asortymencie typów ukladów scalonych LSI. Z tego tez
powodu nie uznalem za stosowne wprowadzenia do tej ksiazki opisu ukladów tego
rodzaju. Moglyby one obudzic u czytelnika chec zastosowania ukladów scalonych,
które moga okazac sie nieosiagalne.
Dalszym tematem ksiazki jest zasilanie i zabezpieczenie ukladów cyfrowych przed
zaklóceniami. Problem ten wydaje mi sie szczególnie wazny, bowiem czesto
lImyka
naszej uwadze, a wlasnie z nim jest zwiazana czesto wadliwa praca systemu
cyfrowego.
W
ksiazce stosowane sa symbole graficzne elementów cyfrowych zgodne z nowymi
normami europejskimi.
W
specjalnej tabeli podano dla ulatwienia zestawienie
oznaczen wedlug starych i nowych norm, poniewaz na kartach katalogowych mozna
czesto napotkac oznaczenie wedlug starej symboliki.
Na zakonczenie tego krótkiego wprowadzenia jeszcze wskazówka do rozdzialu 10.
Zostaly w nim podane pozycje literatury, które umozliwiaja Czytelnikowi poglebienie
szeregu wiadomosci.
Jestem uradowany, ze firmy Valvo i Siemens wspomogly mnie przy pisaniu tej
ksiazki materialami katalogowymi.
W tej ksiazce 'bedziemy zajmowac sie nowo-
o,csna technika cyfrowa. Prowadzi to do
klasycznego juz pytania stawianego na
poczatku tego rodzaju "cyfrowego podreczni-
ka". Co jest w elektronice "cyfrowe", a co
"analogowe"? Do prostego i pogladowego
wyjasnienia posluzy nam przyklad predkos-
ciomierza z licznikiem przebytych kilome·
[rów. Mamy w tym przypadku do czynienia
zarówno ze wskaznikiem analogowym, jak i
cyfrowym. Analogowo jest wskazywana pred-
kosc - sluzy do tego wskazówka poruszajaca
sie na liniowej lub nieliniowej skali o zakresie
np.
O -;-.160
km/h. Odczyt z takiego predkos-
ciomierza zaleznie od predkosci jazdy moze
przyjmowac bardzo duzo wartosci, teoretycz-
nie nieskonczenie wiele, np. 51 km/h lub tez
51,0012 km/h. Równiez wtedy, gdy wartosci
posrednie nie sa czytelne ze wzgledu na zasto-
sowana podzialke, wskazówka zmienia polo-
zenie przy zmianach predkosci. Inaczej jest w
przypadku licznika przebytych kilometrów.
Bebenek licznika pozwala na rozrózniani~
tylko stopniowanych wartosci, jak
O,
I, 2, 3
itd. Tego rodzaju stopniowe wskazania, które
moga byc reprezentowane przez znane i okre-
slone wartosci, stanowia dla nas reprezentacje
cyfrowe pomiaru.
Mozna znalezc podobne porówania, np.
zegar z analogowa tarcza wskazówkowa i
zegar z wyswietlaczem (wskaznikiem) cyfro-
wym.
O pochodzeniu slowa "cyfrowy" kraza roz-
maite opinie. Ja za sluszne uwazam nastepu-
jace wyjasnienia. Rzymianie palec nazywali
"digitus,,*l.
Jezeli podwladny Cezara okreslal swa nalez-
nosc w sposób prosty (a niew wyszukany, tzn.
Achim (Bremen)
DIETER NOHRMANN
') W jezyku angielskim
digita/
oznacza cyfrowy,
podobnie w j. niemieckim (przyp. tlum.)
o.,
sygnaly analogm'!/e
i
cyfro\\'c
...
sygnal)' analogovre
i
cyfro'\"c
-->:,
4O--f----
--7
d••kladnicj informacjami cyfrowymi. Co jednak oznacza to T AK lub NIE. Wyjasnie-
III!'1.lIajdziemy na prostym schemacie z rys. l-I, a rozdzial 2 jeszcze nam to przyblizy.
( lhydwa stany obwodu sa latwe do rozróznienia. W jednym przypadu wylacznik jest
tllwarly i lampka
L
nie swieci, a napiecie
U
jest równe
O
V. W drugim przypadku
wyl:ICl.l1ik
S
jest zamkniety. Lampka swieci, a napiecie jest równe
+
5 V. A zatem
wykonalismy wazne doswiadczenie, w którym wystepowaly dwa stany wylacznika
(/ld'lczony i wylaczony). Teraz musimy jednak zajac sie zagadnieniem,jak za pomoca
,IWI'lh stanów obwodów, a zatem dwóch informacji, mozna wyjasnic skomplikowane
dl.ialanie zlozonego ukladu, np. komputera. I tu pomoze nam prosty przyklad.
(lhjasnimy kod, w którym informacje odczytuje sie na podstawie oddzielnie
"llIawdzonych sygnalów elektrycznych. Obowiazuje przy tym zalozenie, ze kazda
pojedyncza informacja jest reprezentowana przez jeden sygnal, w którym sa
I(l,.rózniane tylko dwa stany - zalaczenia (T AK) i wylaczenia (NIE). Sygnal taki jest
przesylany oddzielnym przewodem i moze jednoczesnie reprezentowac stan jednego
wyjscia ukladu scalonego.
Na rysunku
1-2
pokazano dom z czterema oknami. Za kazdym z okien zostala
IIslawionalampka, która mQ,znaoddzielnym wylacznikiem zalaczyc lub wylaczyc. Za
pomoca tych czterech okien, które sa oswietlone lub nie, wlasciciel domu moze
wlajemniczonemu w podany ponizej kod przesylac okreslone informacje. Calkiem
hanalne informacje. Ale za pomoca tego przykladu mozemy stwierdzic, ze istnieje
mozliwosc przeslania znacznie wiekszej liczby informacji anizeli liczba bedacych do
lIaszej dyspozycji okien. Jaka najwieksza liczba tych informacji jest mozliwa - to
ustalimy pózniej. Zwrócmy jednak od razu uwage na fakt, ze wsród podanych sa
informacje, które same w sobie stanowia pewne zdanie, jak: "ide dzisiaj do kina",
albo: "nie ide dzisiaj do kina". Inne z informacji sa wzajemnie uzaleznione - nie jest
bowiem mozliwe jednoczesnie spanie i jedzenie sniadania. Mozna robic albo jedno,
albo drugie, ale nie oba na raz. To krótkie spojrzenie na wlasnosc informacji ulatwi
nam rozumienie nastepnego rozdzialu.
-----1
WY/CJ.cJz-
5Y ny-NIE
1_-
__ .,\~""
1
_
1e
~5
~:~~~~
]J
L
r
°fT"
..a,---_~
Rys. 1- L Za pomoca tych dwóch stanów wylacznika T AK (zalaczony) i NIE (odlaczony)
przekazuje
SIe
informacje w technice cyfrowej
rylcem na papirusie), to sluzyly mu do tego palce, które zliczal
1,2,
3 ... itd. Temu
stopniowemu zliczaniu na palcach zawdzieczaja jezyki angielski i niemiecki okres·
lenie cyfrowy
(digital).
Nie nalezy jednak sadzic, ze technika cyfrowa .zajmuje sie zliczaniem w kierunku
rosnacych lub malejacych wartosci. Znacznie prawdziwsze byloby stwierdzenie, ze
proces zliczania odgrywa niezupelnie podrzedna role, jednak aby go zrealizowac,
nalezy spelnic odpowiednie warunki co do technicznych sposobów przetwarzania i
obróbki sygnalów. Te warunki i zalozenia, które zaraz postaram sie wyjasnic, tworza
"fundament" techniki cyfrowej. Bez podanych ponizej podstaw nie jest mozliwe
wyjasnienie dowolnej funkcji ani opis dowolnego ukladu cyfrowego. Kazde zatem
wprowadzenie do techniki cyfrowej musi rozpoczac sie od stosownych wiadomosci z
tego zakresu. Ale o co wlasciwie chodzi. O calkiem proste zjawisko - lampka swieci
sie lub jest zgaszona. Brzmi to trywialnie, ale ma decydujace znaczenie, To
proste -- lampka swieci sie lub nie, daje nam pierwsza wiadomosc, ze w calej technice
cyfrowej wystarcza rozróznienie dwóch podstawowych informacji T AK lub NIE. Czy
wezmiemy pod uwage kalkulator kieszonkowy, duzy komputer, czy prosta bramke
logiczna I, zawsze bedziemy mieli do czynienia ze stanem, w którym na przewodach
laczacych oraz wejsciach i wyjsciach ukladów scalonych wystepuje (T AK) napiecie
lub jest go brak (NIE). Oczywiscie moze równiez wystapic stan przejsciowy zmiany z
T AK na NIE lub odwrotnie. Te sygnaly bedziemy nazywali informacjami lub
[;]
Okno 1
52
-o
53
51
G;]
Okno 2
t -
5V
:+-1
[]
Rys. 1-2. Tylko cztery wylaczniki SI ",,"S4umozliwiaja stworzenie interesujacego kodu
cyfrowego
Okno 3
rn
Okno
I.
Przewód
SI.
powrotny
I
J:
_". _
T'"
L..__ .__
u=OY..
I
_.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]