ТОП-10 типовых узлов в схемотехнике цифровых устройств

Время чтения: 18 минут

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.

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.

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 :

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

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:

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

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:

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.

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 (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:

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 (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:

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:

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

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:

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:

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:

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

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:

Интерактивная электронная модель покажет суть работы дешифратора.

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.

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.

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.

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:

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).

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.

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.

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

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

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.

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.

Это наиболее сложные узлы.

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.

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.

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»).

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.