ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств

ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств

Схемотехника цифровых устройств в Суперайс

Сегодня понятие «электроника» тождественно определению «цифровая техника». Для большинства людей всё это компьютеры, ноутбуки, смартфоны, планшеты, «умные» колонки и т. д. Конечно, еще встречаются чисто аналоговые устройств, с которыми мы взаимодействуем ежедневно, но, «цифра» действительно преобладает. Уже ни одна область человеческой жизни немыслима без неё; электронные будильники будят нас по утрам, кофеварки с цифровым управлением готовят кофе, когда нужно. Многочисленные ЭБУ в автомобиле управляют двигателем, трансмиссией, автоэлектроникой и следят за нашей безопасностью. Компьютеры стали неотъемлемым рабочим инструментом писателей и художников, не говоря уже о тех профессиях, предвосхищение которых и обрело возможность с появлением ПК. А телефоны в наших руках и днём и ночью: общение, учёба, работа, развлечение — всё уместилось в небольшом девайсе.

Какой бы ни была электронная техника — простой или сложной — она состоит из базовых узлов, которые преобразовывают, обрабатывают и сохраняют информацию.

Этот материал станет пособием на начинающих радиолюбителей и конструкторов цифровой электротехники, а также всех, кому интересна тема. Будут рассмотрены типовые узлы: от простых атомарных к более сложным.

Время чтения: 18 минут

Цифровые схемы? Это очень просто!

Типовые узлы в схемотехнике

Здесь описаны основы: от простейших неделимых логических элементов, до сложных микропроцессоров и микроконтроллеров, содержащих миллионы и миллиарды всех рассматриваемых далее узлов. Для большинства размещены ссылки на модели электронных схем включения, в реальном времени представляющие принцип работы.

Логические элементы

Как следует из названия, они являются элементарными неделимыми атомарными частями, на которых строятся все логические схемы и устройства. Они обрабатывают цифровые сигналы в двоичном виде, имеющие всего два состояния: логической единицы (высокоуровневый) и нуля (низкоуровневый). Их обработка и хранение — и есть основа функционирования всей цифровой электроники.

Таких элементов всего три (остальные — их множественные комбинации): ИЛИ , И и НЕ.

Элемент ИЛИ

ИЛИ (дизъюнкция, логическое сложение) получает выходной сигнал, складывающийся из входных (двух или более). На выходе ИЛИ будет единица, если она присутствует хотя бы на одном входе. Таблица истинности ИЛИ :

A B A+B
0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 1
логический элемент или
Условное изображение ИЛИ

Проверить ИЛИ в действии вы можете сами с помощью интерактивной электронной модели (ИЭМ). Аналогичным образом проверяются все рассматриваемые далее узлы и компоненты.

Элемент И

И (конъюнкция, логическое умножение) получает выходной сигнал в виде перемноженных входных (двух или более). На выходе И получится единица при её присутствии на всех входах. Таблица истинности И:

A B A*B
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1
логическая функция и
Графическое изображение И

Проверить элемент И «в работе» вы можете самостоятельно с помощью интерактивной электронной модели.

Элемент НЕ

НЕ (инверсия, логическое отрицание) получает выходной сигнал, противоположный от входного. На выходе НЕ будет единица при условии, что на входе есть ноль и наоборот. Таблица истинности НЕ:

A -A
1 0
0 1
логическая схема НЕ
Условное изображение НЕ

Вы можете самостоятельно проверить элемент НЕ с помощью интерактивной электронной модели. На ИЭМ вы сможете проверить различные комбинации ИЛИ, И и НЕ для получения логических элементов других типов.

Ещё не так давно ИЛИ, И, НЕ собирались на дискретных радиокомпонентах (диодах, транзисторах, а на заре цифровой техники и на радиолампах), а также выпускались в виде отдельных микросхем (так называемой «мелкой логики»). Сегодня в таком виде хоть и продолжают производиться, но применяются исключительно редко, однако входят в состав и относятся к базовым компонентам всех электротехнических средств, выполненных на «больших» микросхемах, где их от нескольких десятков до миллиардов.

микросхемы К155ЛН1 и К155ЛЛ1
Микросхемы «мелкой логики» К155ЛН1 (6 НЕ) и К155ЛЛ1 (4 ИЛИ)
Микросхема К155ЛА3
Одна их самых популярных микросхем «всех времён и народов», известная радиоэлектронщикам К155ЛА3 (4 И-НЕ; отечественный аналог 74HC00)

Триггер

Триггерами (от англ. trigger — «спусковой крючок») называют логические схемы и приборы, способные длительное время устойчиво находиться в одном из двух («0» или «1») состояний и под воздействием внешних управляющих сигналов переходить между ними. Если упростить, это простейшая ячейка памяти с ёмкостью 1 бит. Если логические элементы служат только для обработки, то триггер в свою очередь уже способен хранить информацию. Хотя все они — база для построения других узлов электротехники.

Есть несколько типов триггеров. Рассмотрим основные ветви классификации.

RS-триггер

RS-триггер (от англ. reset/set — «сбросить/установить») сохраняет своё предыдущее состояние при наличии нуля на обоих входах и переходит в другое при единице на одном из них. Вход S нужен для перевода выхода триггера в состояние единицы, а R — нуля.

Схема RS-триггера на базе ИЛИ-НЕ:

RS - триггер что это
RS-триггер на ИЛИ-НЕ
микросхема К561ТР2 для чего
Микросхема К561ТР2 состоящая из четырёх RS-триггеров

C помощью интерактивной электронной модели вы можете протестировать RS-триггер

Встречается более сложная и универсальная разновидность RS-триггера — JK-триггер, реализующий любой тип триггера. Проверить JK-триггер «в работе» и определить принцип его работы вы можете самостоятельно с помощью интерактивной электронной модели.

D-триггер (триггер-защёлка)

D-триггер (от англ. data — «данные») имеет дата-вход D и вход синхронизации (или «защёлкивания») C. D-триггер сохраняет предыдущее состояние при сигнале любого уровня на D, но только пока на C не произойдёт его смена с низкого на высокий. Тогда выход триггера примет то состояние, которое в момент записи было на D.С помощью интерактивной электронной модели вы можете легко проверить работу D-триггера.

Его схема ниже:

D - триггер что это
Микросхема К176ТМ2 это
Микросхема К176ТМ2 состоящая из двух D-триггеров

T-триггер (счётный триггер)

T-триггер (от англ. toggle — «тумблер») имеет тактовый вход T и синхронизации C. Он сохраняет предыдущее состояние при сигнале низкого уровня на T. Его смена произойдёт при возникновении высокого уровня на T и при его переходе с низкого на высокоуровневый на C.

T-триггер — наипростейший счётчик импульсов по модулю 2 (подробнее о них написано далее):

Схема T-триггера:

T - триггер это что

Протестировать данную модель триггера вы можете с помощью интерактивной электронной модели.

Регистр

Регистр — узел для хранения n-бит данных и проведения операций над ними. Функционально состоит из множества RS-, JK- или D-триггеров и имеет аналогичные методы хранения и синхронизации. Посмотреть на работу параллельного регистра вы можете в интерактивной электронной модели.

Схема четырёхразрядного параллельного регистра:

Параллельный регистр схема и функционал

Особо выделяется сдвиговый регистр, выполняющий операции побитового сдвига над хранящимися данными и преобразование интерфейса их передачи: на его вход они поступают последовательно, а выходят параллельно. Используйте интерактивную электронную модель для просмотра этого типа регистра.

Его схема ниже:

сдвиговый регистр это что
Как выглядят параллельный и сдвиговый регистры
Отечественный восьмиразрядный параллельный регистр КР1633ИР23 и импортный сверхпопулярный 8-разрядный сдвиговый регистр 74HC595

Счётчик

Счётчик — узел для подсчёта входящих импульсов. Как и регистр, он включает огромное количество RS-, JK- или D-триггеров. У счётчика имеется один вход и несколько выходов, число которых равно его разрядности, являющейся базовой характеристикой.

Схема четырёхразрядного счётчика:

счётчик четырёхразрядный
 К155ИЕ5 это что
Отечественный четырёхразрядный счетчик импульсов К155ИЕ5

Интерактивная электронная модель покажет как работает четырёхразрядный счётчик на JK-триггерах.

Дешифратор

Он нужен для дешифрации двоичного кода одной разрядности в код другой. Как и прочие узлы, также реализуется на логических элементах.

Схема простейшего дешифратора, преобразующего двоичный двухразрядный код в четырёхразрядный:

дешифратор это

Интерактивная электронная модель покажет суть работы дешифратора.

как выглядит дешифратор
Отечественный сдвоенный двухразрядный дешифратор К155ИД4

Повторители и буферы

Повторители и буферы непосредственно не относятся к компонентам для обработки-хранения сигналов. Они служат для коммутации входов и выходов на электрическом уровне, защиты входных и увеличения нагрузочной способности выходных линий устройств.

Задача повторителей — не изменяя логического уровня «повторить» на своём выходе напряжение, которое подали на вход, но усилив ток, обеспечив таким образом защиту выходного канала от перегрузки.

Некоторые повторители инвертирующие, то есть фактически это элементы НЕ, но с более высокотоковым выходом; есть также модификации, имеющие цепи коммутации и возможность перевода выходов в высокоимпедансное состояние.

Буферы, наоборот, необходимы для защиты входов от высокого напряжения, но в целом их возможности такие же, как у повторителей. Бывают как однонаправленными, так и двунаправленными.

микросхемы повторители
Микросхемы К55ЛП19, состоящие из шести повторителей (отечественный аналог серии SN740)

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)

Он преобразовывает непрерывной аналоговый сигнал в дискретный цифровой.Важные характеристики АЦП: разрядность и частота дискретизации. Первая отражает, насколько минимально способна изменяться амплитуда преобразуемого аналогового сигнала, а вторая — с какой максимально скоростью он меняется, и которую в состоянии преобразовать АЦП. Увеличение разрядности и частоты дискретизации увеличивает точность преобразования.

Инженерами разработано множество типов АЦП: параллельный прямого преобразования, последовательного приближения, дифференциального кодирования и многие другие, рассказать про которые в этом материале не представляется возможным.

Простейший такой преобразователь — компаратор.

как выглядит компаратор
Отечественный компаратор К554СА3

Компаратор (от лат. comparare — «сравнивать») сравнивает две аналоговые величины (напряжений) и выдаёт цифровой высокоуровневый сигнал, если потенциал на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем и низкого уровня, и наоборот. Это частный случай ОУ (смотри статью «Что такое операционный усилитель?»).

Используются АЦП везде, где требуется оцифровка аналоговых сигналов: мультиметры, осциллографы, фото и видеокамеры, системы звукозаписи, телеметрии и многие другие. Аналогово-цифровые преобразователи встраиваются в подавляющее большинство нынешних микроконтроллеров.

купить мультиметр в Суперайс
Мультиметр ANENG M20, как и все подобные измерители, содержит в своём составе АЦП, преобразующий аналоговую величину напряжения (силы тока, частоты, сопротивления, температуры и других) в «цифру».

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Он выполняет преобразование цифрового дискретного сигнала в непрерывный аналоговый. Как и в случае АЦП, важные параметры ЦАП: разрядность и быстродействие. Первая характеризует минимальную степень изменения амплитуды аналогового, а вторая — максимальную скорость изменения цифрового сигнала, который способен преобразовать ЦАП. Увеличение разрядности и быстродействия увеличивает точность преобразования. Есть ещё основополагающий параметр — статическая характеристика преобразования, определяющая его алгоритм: для звуковых данных — один, для видео — другой и так далее.

Ввиду узкой направленности каждого вида и уникальности статических характеристик мы расскажем лишь про один вид простейшего ЦАП, а именно R-2R-матрицу (или, проще, резистивная матрица). Она применяется в основном в качестве демонстрационной, либо в примитивных моделях. Например, Covox Speech Thing:

первые звуковые карты
Звуковая карта Covox Speech Thing содержит внутри себя простейший R-2R ЦАП

Устройство создано для вывода звука через компьютерный параллельный порт (принтера, LPT-порт) и ставилось в ЭВМ эпохи 80-90-х. В те времена полноценная звуковая карта была чрезвычайно затратным приобретением, позволить которое могли себе не многие. Альтернативным решением, хоть и спорным, было использование несложного и недорого ЦАП на основе резистивной матрицы. Очевидным плюсом становится его простота и дешевизна. Минусом, конечно же — невысокое качество звука. Но в те времена лучше так, чем никак.

Схема здесь доступна для сборки каждому, избавляет от покупки оригинального прибора, которого, кстати говоря, на постсоветской территории никто и не видел: Covox был не полноценным устройством, а лишь схемой. Единственным нюансом при сборке (то есть это относится ко всем резистивным ЦАП) было требование к номиналу резисторов: качество преобразования напрямую зависит от погрешности значения сопротивления (требуется точность 1% и лучше).

схема звуковой карты
Схема Covox Speech Thing

Востребован ЦАП в тех же сферах, что и АПЦ, а также в системах прямого цифрового синтеза (радиоприёмная и передающая аппаратура) и некоторых других. Ознакомиться с работой простого резистивного ЦАП вы можете самостоятельно с помощью интерактивной электронной модели.

Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ)

Компоненты, рассмотренные выше, разрабатывались для обработки цифровых сигналов. Те, которые будут разобраны сейчас, создавались для хранения информации. Основные из них — ОЗУ и ПЗУ(оперативное и постоянное запоминающее устройство). Они нужны для временного и долговременного хранения данных соответственно.

ОЗУ (RAM)

Этот вид памяти применяется для временного хранения информации. Типичный представитель этого типа — оперативная память ПК.

озу это что
Модули ОЗУ персонального компьютера
где используется озу
Модуль ОЗУ промышленного цифрового осциллографа HP
озу микросхема
Микросхема ОЗУ КР537РУ10 ёмкостью 16 кбит

При отключении питания содержимое ОЗУ пропадает. Но зато ОЗУ обладает наивысшей скоростью чтения/записи среди всех видов памяти.

ПЗУ (ROM)

Она применяется для долговременного хранения информации. Имеет множество видов: это и готовые модули на магнитоленте, магнитных дисках, твердотельные flash- и ssd-накопители, а также отдельные компоненты, для примера, известная всем владельцам ПК микросхема базовой системы ввода/вывода или, проще говоря, BIOS.

ПЗУ биос как выглядит
Микросхема ПЗУ BIOS с электрическим стиранием
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием
Микросхема ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием ёмкостью 512 кбит. Перед программированием нужно «стереть» данные посредством УФ-света. Для этого имеется специальное стеклянное окно, которое после программирования заклеивают непрозрачным материалом, чтобы избежать случайной потери информации

При отключении электропитания содержимое ПЗУ сохраняется. Скорость чтения/записи ПЗУ на несколько порядков ниже, если сравнивать с ОЗУ.

Ознакомиться с работой и понять принцип работы запоминающих устройств вы можете самостоятельно с помощью интерактивной электронной модели.

Микропроцессор и микроконтроллер

Это наиболее сложные узлы.

Микропроцессор

Он выполняет математические, логические операции и управления, записанные в памяти в машинных кодах — специальных командах, присущих конкретному типу МП, интерпретируемые и выполняемые им непосредственно. Команды последовательно считываются им и выполняются.

как выглядели микропроцессоры
Один из первых микропроцессоров — Intel 4004
какие процессоры были в 1970 годах
Лицензионная копия легендарного микропроцессора Zilog Z80, родом из 70-х годов, но производящегося и применяемого до настоящего времени

МП оперирует только с данными: они поступают в процессор и они же выступают продуктом вычислений. Непосредственного взаимодействия процессора с другими блоками не происходит: тактирование, синхронизация, работа с памятью, интерфейсами ввода/вывода выполняется другими компонентами — контроллерами.

Русский процессор
Отечественный процессор Эльбрус 1891ВМ8Я

Микроконтроллер

Как и микропроцессор, он нужен для выполнения математических, логических операций и управления. В отличие от него, уже содержит тактовый генератор, ПЗУ, в котором записаны машинные коды для выполнения (микропрограмма), ОЗУ, АЦП, ЦАП, порты ввода/вывода, контроллеры разных интерфейсов связи и пр. Другими словами, микроконтроллер — практически самостоятельный прибор (недаром по отечественным стандартам прошлых лет их называли «однокристалльная ЭВМ»).

микроконтроллер это
Современный 8-битный микроконтроллер Atmel atmega8 с тактовой частотой 16 МГц, 8 кБ ПЗУ для микропрограммы и 512 для данных, 1 кБ ОЗУ

В отличие от микропроцессоров, микроконтроллеры обладают скромными характеристиками производительности. Но как полнофункциональные устройства с крайне низкой ценой (от 1$), они находят применение повсеместно (автоматика, мелкая электроника, бытовая техника и т.п.), оставляя нишу ресурсоёмких вычислений вычислительным системам на основе МП.

Мир электроприборов чрезвычайно обширен. И на сегодня наибольший размах имеет цифровая электроника: она окружает нас везде и всюду. Даже банальные зарядники для мобильной техники содержат собственное вычислительное устройство, следящее за напряжением, силой тока и обменивающееся данными с заряжаемым гаджетом. Вычислительная мощность даже такого примитивного «компьютера» в сотни и тысячи раз превосходит потенциал настоящих ПК, выпущенных каких-то 30-40 лет назад! Это просто поражает.

Но какой бы древней или ультрасовременной она не была — узлы в них те же. Статья рассчитана на любителей и конструкторов, а, также всех, кому интересна тема цифровой электротехники. В ней мы дали краткий обзор типовых узлов, а также предоставили читателю возможность самому в реальном времени ознакомиться с их конструктивом и принципом работы.


Количество показов: 1235
10.01.2024
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку