Текст книги "Путеводитель в мир электроники. Книга 2"

Автор книги: И. Шелестов

Соавторы: Борис Семенов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 23 страниц)

Рис. 14.22. Триггеры Шмитта из серии К561

Если вам не удалось приобрести одиночный триггер Шмитта, то его можно заменить эквивалентом, собранным на двух обычных инверторах, как это показано на рис. 14.23, но для этого придется. установить дополнительные резисторы, как показано.

Рис. 14.23. Замена инвертирующего элемента триггера Шмитта его аналогом на двух инверторах

Рис. 14.24 поясняет процесс переключения такого элемента.

Рис. 14.24. Гистерезисная характеристика триггера Шмитта (с инверсией сигнала и диаграммы напряжений, поясняющие работу

На них удобно выполнять генераторы импульсов, как это показано на рис. 14.25.

Рис. 14.25. Генератор импульсов на основе триггера Шмитта

RS-триггер (его вид и эквивалентная структура, но собранная на двух отдельных элементах 2ИЛИ-НЕ, приведены на рис. 14.26).

Рис. 14.26. RS-триггер, таблица истинности для прямого выхода Q и его внутренняя структура

Входы имеют уникальные названия: S (set) – установка, R (reset) – сброс. Работу триггера поясняет приведенная таблица истинности, где Q(t) – состояние выхода до появления управляющего входного сигнала, a Q(t+1) – последующее состояние (для инверсного выхода, если он есть, все то же самое, только наоборот).

При подаче на оба входа триггера (R и S) уровня логической единицы состояние – на выходах не определено (непредсказуемо), поэтому такой сигнал является запрещенным и обычно, не используется. Для установки на выходе Q логической единицы необходимо подать лог. 1 на вход S, и наоборот – для установки лог. 0 достаточно кратковременно подать лог. 1 на входе R. При нулевых уровнях на входах состояние триггера не изменяется – это состояние называется режимом хранения. При включении питания состояние триггера не определено – он может с равной вероятностью иметь на выходе Q как единицу, так и ноль.

Среди серии 561 в качестве RS-триггеров могут использоваться микросхемы приведенные на рис. 14.27.

Рис. 14.27. Микросхемы многофункциональных триггеров

Реальные микросхемы, выпускающиеся промышленностью, чаще всего являются совмещенными – их можно использовать и в качестве RS-триггеров, и в качестве других типов триггеров. Это на практике оказывается удобнее, чем применять триггеры «в чистом виде».

На рисунке из трех типов микросхем только одна является в чистом виде RS-триггером (561TP2). Две остальные многофункциональны, но если у них дополнительные входы не использовать (т. е. подключить к общему проводу), а сигналы подавать только на R и S входы, то мы получим типичный RS-триггер.

В одном корпусе у микросхемы 561ТР2 имеется четыре независимых триггера, а дополнительный вход EZ (если на нем лог. 0) позволяет переводить выходы всех триггеров в Z-состояние.

D-триггер – имеет и другое название – триггер с задержкой на такт (типичный вид его показан на рис. 14.28).

Рис. 14.28. D-триггер, диаграмма напряжений и таблица истинности, поясняющая его работу

Вход D (data – информация) называется информационным, а вход С (clock – часы) – синхронизирующим. Работает триггер следующим образом. При подаче тактового импульса на вход С, представляющего собой, например, перепад логического сигнала из низкого уровня в высокий (об этом указывает наклонная черта у вывода, как показано на рис. 14.28), происходит запись логического сигнала, установленного на входе D, в триггер. Логический сигнал, записанный в триггере, появляется на прямом и инверсном выходах (Q и Q¯), как показано на временной диаграмме, представленной на том же рисунке.

Среди микросхем 561 серии в режиме D-триггера могут работать 561ТМ2 (в этом случае входы R и S соединяются с общим проводом), 561ТВ1 (входы J и К объединяются и используются как D, a R и S соединяются с общим проводом), а также 561ТМЗ (рис. 14.29).

Рис. 14.29. D-триггер из серии 561

Последняя микросхема содержит четыре триггера, имеющих индивидуальные входы D и два выхода (прямой и инверсный), но вход тактовый (С) у всех триггеров общий, к тому же имеется возможность переключать момент срабатывания триггеров при помощи входа V (если на нем низкий уровень – информация появится на выходе по переднему фронту на С, а если высокий – по заднему).

Т-триггер легко сделать из D-триггера, соединив информационный вход и инверсный выход, как показано на рис. 14.30.

Рис. 14.30. Т-триггер (а), преобразование D-триггера в Т-триггер (б) и поясняющая его работу диаграмма (в)

Этот триггер обладает удивительным свойством – он делит на 2 частоту сигнала, поступающего на вход С. Т-триггер находит применение в счетчиках цифровых сигналов, о которых мы поговорим чуть позже.

JK-триггер – пожалуй, самый сложный и наиболее универсальный из всех, рис. 14.31.

Рис. 14.31. JK-триггер и таблица истинности, поясняющая его работу

У него имеются информационные входы J и К, а также синхронизирующий вход С. Если на входах J и К установлены уровни логического нуля, тактовые импульсы, поступающие на вход С, не меняют состояния триггера. Установка хотя бы на один из входов логической единицы перебросит триггер в состояние, соответствующее таблице истинности. А вот если на оба входа подать логическую единицу и постоянно тактировать по входу С серией импульсов, то при приходе очередного импульса триггер будет перебрасываться в состояние, противоположное тому, в котором он находился до прихода этого импульса. То есть мы получим аналог Т-триггера.

Цифровые счетчики

Простейший счетчик импульсов можно построить, соединив каскадно несколько Т-триггеров, как показано на рис. 14.32.

Рис. 14.32. Простейший 4-разрядный асинхронный счетчик, построенный на основе Т-триггеров

Каждая последующая ступень делит цифровой сигнал по частоте в 2 раза. С помощью такого счетчика можно зафиксировать 16 импульсов. Двоичный код на выходах будет меняться так, как показано в таблице на рис. 14.33 и на диаграммах напряжений, рис. 14.34.

Рис. 14.33. Счетчик, состоящий из JK-триггеров, и счетная последовательность по модулю 16

Рис. 14.34. Диаграмма, поясняющая работу счетчиков импульсов

Обратите внимание: сигнал с выхода предыдущего триггера поступает на тактовый вход последующего. Такая схема построения счетчиков называется асинхронной.

Асинхронная схема обладает существенным недостатком при использовании в цифровых приборах с требуемой высокой частотой импульсов. Поскольку все триггеры срабатывают не одновременно – не синхронно – образуется задержка, которая вносит погрешность в выходной результат. Чтобы повысить скорость счета, придумали синхронные счетчики, у которых тактовые входы объединяются, а остальные соединяются с применением дополнительных логических элементов. Все триггеры синхронного счетчика переключаются одновременно.

Счетчики бывают реверсивные и нереверсивные. Реверсивные могут считать импульсы, увеличивая или уменьшая значение двоичного кода на его выходах (например, К561ИЕ11, К561ИЕ14). Изменение направления счета, как правило, задается с помощью сигнала на отдельном входе, имеющего обозначение ± или ±1. Реверсивные счетчики могут генерировать увеличивающийся или уменьшающийся двоичный код. Многие счетчики имеют входы предустановки, которые позволяют «загрузить» в него определенный код и продолжить счет не от нулевого (или, максимального) значения, а именно от этого кода.

Практически все счетчики имеют вход сброса (R), подача сигнала на который устанавливает выходы в исходное состояние, то есть нулевое, рис. 14.35.

Рис. 14.35. КМОП микросхемы счетчиков

Все они считают импульсы, приходящие на вход, а некоторые имеют свободные логические элементы для выполнения задающего автогенератора в составе микросхемы (К176ИЕ5, К176ИЕ12). Есть счетчики, которые имеют внутри на выходе встроенный дешифратор двоичного кода в десятичный (например, К561ИЕ8 и К561ИE9). С особенностями работы таких счетчиков удобнее знакомиться на основе практических конструкций.

Интересными представителями этой группы логических «кирпичиков» считаются счетчики с переменным коэффициентом деления. Что это такое? Чуть выше мы рассмотрели 4-разрядный (тетрадный) двоичный счетчик. Не является ли излишним такое уточнение? Ничуть! Двоичный счетчик генерирует код, который легко представить в шестнадцатиричной системе, по шестнадцати состояниям. Но существуют также и десятичные счетчики, которые, досчитав до 9 от 0, вновь начинают с нуля. Десять цифр просто представлены своим двоичным эквивалентом, и не более. Есть и счетчики с коэффициентами 8, 6, а есть и такие, которые могут стать и десятичными, и двоичными, и другими – по желанию разработчика. Со временем читатель познакомится с этими представителями элементов цифровой техники.

Разные регистры

Очень часто в цифровых схемах используются регистры. Регистры, в отличие от счетчиков, не подсчитывают количество импульсов, а используются для накопления и сдвига данных. Самый простой вид регистра — сдвиговый. Его устройство изображено на рис. 14.36, а диаграмма, поясняющая работу, показана на рис. 14.37.

Рис. 14.36. Сдвиговый 4-разрядный регистр

Рис. 14.37. Диаграмма, поясняющая работу сдвигового регистра

Тактовые импульсы, поступающие на вход С, сдвигают цифровой сигнал слева направо. Сдвиговые регистры удобно использовать для преобразования последовательного цифрового кода в параллельный, когда код последовательно, бит за битом, «заталкивается» в регистр тактовыми (стробирующими) импульсами. Код появится в параллельном виде на выходах «2»…«5», и его можно будет считать с этих выходов за один раз, то есть параллельно.

Регистр сдвига легко превратить в параллельный кольцевой регистр. Для этого достаточно соединить выход «5» со входом «1» и ввести выводы параллельной загрузки двоичного кода в регистр. При подаче тактовых импульсов код будет «циркулировать» по регистру, то есть перемещаться в нем по кольцу.

Линейка RS-триггеров может образовать регистр-защелку, в которую можно загрузить данные в параллельном виде, однако сдвиг данных в регистре-защелке не предусматривается Этот вид логического устройства используется в качестве статической памяти.

Преобразователи кодов сигналов

Иногда появляется необходимость преобразовать двоичный код в какой-либо другой, который может быть использован для непосредственного управления цифровым индикатором или для других целей. Несколько реже встречается задача преобразования какого-либо кода в двоичный код. Для этих целей используются дешифраторы и шифраторы.

Наиболее часто в радиолюбительской практике встречается два вида дешифраторов. Условное обозначение обоих видов различается мало. На рис. 14.38, а, показан первый вид дешифратора.

Работает он следующим образом. При подаче на выводы «А0»…«АЗ» двоичного кода, на одном из выходов «0»…«9» появится сигнал лог. 1. Например, при подаче двоичного кода соответствующего цифре «5», на выходе «5» появится высокий уровень сигнала, а на всех остальных выходах – низкий. И так далее.

Второй вид дешифратора имеет такие же входы и выходы, но при подаче на входы двоичного сигнала на выходах будет появляться на первый взгляд бессмысленная комбинация сигналов. Но если подключить к выходам по определенному правилу, указанному в документации на дешифратор (например, по рис. 14.38, б), цифровой семисегментный индикатор, на нем появятся цифры, соответствующие вводимому коду.

Рис. 14.38. Микросхемы дешифраторов:

_{а – десятичного кода; б– для управления цифровым индикатором}

А теперь несколько слов о шифраторах. Этот элемент очень похож на дешифратор первого вида с той лишь разницей, что входы становятся выходами, а выходы – входами. Двоичный код здесь не управляет элементом, а генерируется им.

Коммутаторы цифровые и аналоговых сигналов

Вы уже знаете, что в аналоговой схемотехнике для коммутации сигналов используются переключатели. И, если нужно один единственный сигнал подавать то на одну схему, то на другую, применяется переключатель «на несколько положений» – так называемый многоканальный переключатель. В цифровой технике для этих целей используются мультиплексоры и демультиплексоры.

У мультиплексора имеется несколько входов и один выход. Переключение осуществляется с помощью двоичного кода, подаваемого на специально предусмотренные входы. Отличие демультиплексора от мультиплексора заключается в том, что у демультиплексора один вход и несколько выходов. В остальном он подобен мультиплексору.

Созданы и специальные аналоговые мультиплексоры (коммутаторы), управляемые цифровыми уровнями, – они более близки к механическим включателям и применяются довольно часто. Для таких элементов безразлично, какой из выводов ключа будет являться входом, а какой выходом, а во включенном состоянии сам канал имеет маленькое сопротивление (20…100 Ом). Такое сопротивление часто можно не учитывать. Аналоговые коммутаторы более универсальны, так как могут передавать не только цифровые, но и любые другие сигналы, важно только, чтобы они не превышали напряжения питания для микросхемы (рис. 14.39).

Рис. 14.39. Обозначение и внутренняя структура часто используемых коммутаторов из серии 561

* * *

Мы не будем рассматривать большой класс логических элементов, называемых арифметическими устройствами. Сюда входят: полусумматоры, полные сумматоры, полувычитатели, полные вычитатели, интегральные сумматоры, двоичные умножители и некоторые другие устройства. В радиолюбительском творчестве они встречаются крайне редко, и в последнее время, когда стали доступны дешевые микроконтроллеры, необходимость в этих устройствах практически отпала.

Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

Разделяет не пропасть, а разница ровней.

Станислав Ежи Лем

Сегодня большое распространение получили цифровые измерительные приборы, которые показывают на дисплее значения напряжения, тока, частоты, сопротивления и так далее – в цифровом виде. Информация сразу выдается в нужных единицах, например в микровольтах или килоомах. Не нужно задумываться о коэффициентах пересчета показаний, о цене деления шкалы. Все эти операции выполняются цифровым прибором автоматически. Удобно? Кто бы сомневался, что цифровая техника может творить чудеса!

Но возникает важный вопрос: если аналоговая и цифровая техника столь далеко отстоят друг от друга по принципам построения, то каким образом с помощью всего двух уровней электрического сигнала можно измерять аналоговые величины? Очевидно, необходимо осуществить преобразование одного сигнала в другой.

Представим, что в нашем арсенале есть «черный ящик», называемый аналого-цифровым преобразователем. (АЦП), имеющий один вход и несколько выходов, как показано на рис. 14.40, а. При подаче на вход определенного уровня сигнала на выходных контактах появится двоичный код. «Ящик» устроен так, что при подаче на вход сигнала от нулевого уровня до максимально оговоренного, будет меняться выходной двоичный код, причем в комбинациях кода отсутствует повторение. Процедура преобразования аналогового сигнала в двоичный цифровой код имеет одну важную особенность, о которой надо сразу упомянуть. Вдумайтесь: число кодовых комбинаций ограничено, а входной сигнал имеет бесконечное множество возможных значений. Договорились разбить диапазон, на котором происходит преобразование, на участки, количество которых равно числу возможных кодовых комбинаций, и считать измеренным значение, занимающее середину этого малого отрезка. Сигнал приобретет ступенчатый вид, и эта ступенчатая кривая будет тем больше приближаться к исходной непрерывной кривой, чем больше отрезков удастся набрать. Графически это «ступенчатое» преобразование изображено на рис. 14.40, б.

Рис. 14.40. Аналого-цифровой преобразователь (а) и график, поясняющий его работу (б)

Полученный код можно занести в память компьютера, преобразовать его в десятичные цифры и выводить на индикатор. Достоинство такого способа заключается в возможности запоминания не только однократного измерения, но и серии измерений, скажем, зафиксировать изменение сопротивления в течение суточных колебаний температуры.

А возможно ли обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый?

Да, и оно встречается очень часто. Вспомните хотя бы музыкальные компакт-диски, отличающиеся потрясающим качеством звуковоспроизведения, отсутствием «старения» с течением времени, которое наблюдается у «аналоговых» виниловых дисков и магнитной ленты. Сигнал хранится на компакт-диске в виде кодовой последовательности и, поданный на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), превращается в звуковые колебания (рис. 14.41).

Рис. 14.41. Цифроаналоговый преобразователь

Выходной сигнал ЦАП, в соответствии с законом конечности кодовых комбинаций, имеет ступенчатую форму, но в случае с компакт-диском количество кодовых комбинаций выбирается таким, чтобы эти «ступеньки» не были заметны на слух.

Внешне ЦАП и АЦП выглядят как обычные микросхемы, их даже можно спутать друг с другом по изображению на принципиальных схемах, настолько они похожи! Различать эти микросхемы можно, как всегда, по маркировке на корпусе и по надписям на графических изображениях в принципиальных схемах: D/А (ЦАП), А/D (АЦП).

Преобразователи, отличаются друг от друга по скорости преобразования сигнала в код и кода в сигнал, точности преобразования, температурной стабильности. В настоящее время разработаны АЦП, способные преобразовать в коды сигнал с частотой в сотни МГц.

Преобразователи с высокой степенью стабильности и точности считаются уникальными, дорогостоящими элементами, поэтому перед созданием конкретного устройства с применением преобразователей надо прежде всего оценить требования к точности и по возможности использовать не высокоточные элементы, а стандартные.

Важным параметром ЦАП и АЦП является их разрядность – количество бит цифрового кода, выдаваемого на выходе ЦАП или получаемого со входа АЦП. Чем выше разрядность, тем с более высокой точностью можно осуществлять преобразования сигналов. Широко распространены 8– и 10-разрядные преобразователи. ЦАП и АЦП с разрядностью более 12 бит считаются высокоточными, а следовательно, дорогостоящими.

В последнее время преобразователи ЦАП и АЦП, встроенные в специальное устройство — цифровой сигнальный процессор (DSP), – стали широко применяться в устройствах фильтрации и обработки аналоговых сигналов (рис. 14.42).

Рис. 14.42. Канал цифровой фильтрации

Преобразовав с помощью АЦП сигнал в цифровой код, можно подвергнуть его обработке по определенным правилам, например, «завысить» высокие частоты или убрать помехи, трески, шумы. Общее название этих операций – цифровая фильтрация. Затем, после фильтрации, с помощью ЦАП восстановить аналоговый сигнал.

Где находит широкое применение цифровая фильтрация? Подавляющее большинство систем сотовой связи оснащено такими фильтрами, поскольку намного проще изготовить цифровой фильтр с высокой стабильностью параметров фильтрации, чем проектировать аналоговые фильтры, требующие серьезной настройки. Цифровые фильтры, кроме того, оказываются намного компактнее аналоговых.

Современные микроконтроллеры и их место в радиоаппаратуре

Там, где прежде были границы науки, теперь ее центр.

Лихтенберг

Сегодня, если мы скажем, что миниатюрный программируемый вычислитель – микропроцессор или микроконтроллер – занимает в современной аппаратуре центральное место, то не слишком отклонимся от истинного положения вещей. Речь идет именно о программируемых вычислителях, а не об устройствах типа электронных калькуляторов. Своему современному виду, структуре и принципам действия компьютерная техника во многом обязана Джону фон Нейману, который разработал концепцию хранения программы, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов непосредственно внутри компьютера.

Давайте рассмотрим классическую фон неймановскую структуру, изображенную на рис. 14.43.

Рис. 14.43. Структура классического компьютера

Информация в буквенно-цифровом, графическом, двоичном или ином видах вводится через устройство ввода в память компьютера, специально отведенную для хранения данных. В этой же памяти, но в другом ее месте, хранится программа – последовательность инструкций, предписывающая компьютеру производить определенные действия с данными. Инструкции программы выполняет центральная часть компьютера – микропроцессор. Подчиняясь инструкциям, как раб подчиняется своему хозяину, микропроцессор извлекает данные из памяти, обрабатывает их и вновь возвращает в память.

Специальные инструкции могут предписать микропроцессору отправить данные на устройство вывода. На сегодняшний день имеется столько разнообразных устройств вывода, что всех их упомянуть в книге представляется сложной задачей. Устройства могут быть классическими, хорошо всем известными, например буквенный или графический монитор, принтер, графический плоттер, звуковой порт. Могут быть и другие варианты: цифроаналоговый преобразователь, металлообрабатывающий станок с программным управлением, реле управления мощными электродвигателями, блок активных датчиков. Любой персональный компьютер построен так, что можно, быстро сменив устройство ввода или вывода, перезагрузив программу, изменив объем памяти, настроить вычислитель на решение совершенно другой задачи. Запомните: компьютер – это универсальный гибкий прибор.

А теперь разберемся, может ли существовать микропроцессор отдельно от других частей компьютера? Классический микропроцессор не имеет внутри ни памяти, ни устройств ввода-вывода, называемых по-другому периферийными устройствами. Отдельный микропроцессор, извлеченный из компьютера, – это бесполезная микросхема, которую не удастся использовать ни в каком качестве, разве что подложить ее под ножку неустойчивого стола. Микропроцессор «умеет» только распознавать инструкции программы, работать с данными и пересылать их. Конечно, знатоки компьютеров могут возразить, напомнив, что все современные процессоры имеют так называемую встроенную кэш-память. Однако кэш-память используется только как вспомогательная для ускорения работы процессора и постоянно не хранит результатов вычислительного процесса.

Что процессор делает с данными, например с двумя двоичными числами, извлеченными, из памяти? Как ни странно, но простейшие операции, которые мы рассматривали в этой главе, – сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, перестановка битов… Есть еще другие простые служебные операции, о которых мы здесь не упоминаем, поскольку в наши планы не входит рассказ о работе конкретных процессоров. Суть в другом: процессор выполняет эти операции намного быстрее, чем человек «вручную», а значит, не приходится тратить время на механическую работу, посвящая высвободившееся время собственно творческим задачам.

Итак, мы разобрались в роли процессора как вычислительного устройства компьютера. И все хорошо, когда мы, сидя дома, в школе, в колледже, в институте, на работе, используем персональный компьютер для расчетов по математическим формулам, для подготовки текстовых документов, для поиска в Интернете, для игр в конце концов. Компьютер никуда не надо передвигать, он стоит себе на столе, жужжит своими вентиляторами, мигает светодиодами, трещит дисководами и радует глаз насыщенными красками монитора. А если компьютер понадобился, например для расшифровки кода автомобильной сигнализации, получаемого от брелка-«лентяйки», и управления замками дверей? Если объемы электронного прибора малы, а его стоимость должна быть на порядки меньше стоимости «персоналки»? Если требуются гораздо более скромные вычислительные способности, немного памяти и элементарные устройства ввода-вывода в виде нескольких цифровых выходов? Классический настольный персональный компьютер окажется здесь слишком расточительным!

К счастью, профессиональные разработчики, которым была поставлена такая задача, предложили очень интересную техническую идею. Они упростили микропроцессор, исключили из него ненужные «куски», но расположили на этом же кристалле и память небольшого объема, и простые периферийные устройства типа задатчиков интервалов времени – таймеров, цифровых линий ввода-вывода – портов, вспомогательных аналоговых устройств типа ЦАПов, АЦП, компараторов. В некоторых случаях была оставлена возможность расширения памяти, в других же такую возможность исключили. Также разработчики отказались от возможности выводить информацию на дисплей, принтер и другие сложные устройства. И компьютер превратился в однокристальный микроконтроллер – самостоятельное устройство в виде отдельной микросхемы, которое уже стало возможным применять в электронных приборах. Перестраивать микроконтроллер на решение другой задачи довольно сложно, так как в нем не предусмотрена оперативная замена программ: Но этого и не нужно – в подавляющем большинстве случаев микроконтроллер устанавливается в прибор раз и навсегда.

Микроконтроллеры – это недорогие электронные компоненты. Их рынок сейчас стремительно развивается. Многие фирмы, в том числе и несколько отечественных, предлагают тысячи разных микросхем с разнообразным внутренним устройством, быстродействием, возможностью многократной перезаписи программ или однократного программирования. Микроконтроллеры сегодня – это не предмет заоблачных радиолюбительских мечтаний, а вполне реальные возможности, доступные по финансовым и техническим соображениям практически всем. Необходимо только приобрести немного практического радиолюбительского опыта в отладке более простых цифровых схем, после чего можно учиться программированию, работать с микроконтроллерами «живьем». Надеемся, что читатели этой книги тоже заинтересуются миром вычислительной техники и попробуют свои силы в разработке радиолюбительских схем с использованием компьютерной техники. Одним из примеров использования микроконтроллеров в радиолюбительском творчестве может служить книга [7].