Справочное пособие по цифровой электронике

2.1. Логические диаграммы

У новичков вызывает удивление тот факт, что цифровые схемы выглядят совсем не так, как аналоговые. В них почти нет таких привычных дискретных элементов, как резисторы, диоды и транзисторы. Цифровые устройства построены в основном на интегральных схемах, содержащих логические элементы, триггеры, запоминающие устройства и т. п., а дискретные элементы, за исключением развязывающих конденсаторов, встречаются очень редко.

В гл. 1 мы говорили о таких достоинствах интегральных схем, как экономичность и надежность. Вместе с тем применение интегральных схем означает совершенно новый подход в электронике: сложное устройство состоит теперь из взаимосвязанных «кирпичиков» — интегральных схем. Поэтому диагностика неисправности сводится к локализации и замене дефектного «кирпичика» (обычно одной интегральной схемы). Однако для успешной диагностики нужно хорошо разбираться в логических функциях и электрических характеристиках каждого «кирпичика», что не только ускорит отыскание неисправностей микросхемы, но и поможет в решении более сложных задач.

2.2. Цифровые сигналы

Прежде чем рассматривать основные логические элементы, применяемые в цифровых схемах, упомянем об одном существенном отличии цифровых схем от аналоговых. Читатели, конечно, знают о том, что в электронных схемах сигналы представляются напряжениями и токами. В цифровых схемах сигналы существуют только на дискретных «этажах» или уровнях, а промежуточные состояния не допускаются. Обычная (позитивная) логика базируется всего на двух состояниях, которые называются логическим 0 (низкий уровень) и логической 1 (высокий уровень).

В аналоговых схемах сигналы могут иметь бесконечное число уровней напряжения или тока и плавно переходят с одного уровня на другой; в цифровых же схемах изменение напряжений или токов происходит резко и быстро.

2.3. Тристабильная логика

Большинство сложных микросхем, предназначенных для микропроцессорных систем, разработаны с учетом возможности их подключения к шине. К шине разрешается подсоединять выходы и входы нескольких микросхем, поэтому возникает опасность одновременного появления на шине конфликтующих логических уровней.

Чтобы преодолеть эту трудность, требуются логические устройства, которые не только формируют на своих выходах логический 0 и логическую 1, но и при необходимости отключаются от шины. По существу, в них появляется третье, высокоимпедансное состояние, поэтому такие устройства (микросхемы) относят к семейству тристабильной (трехустойчивой) логики.

Специальный входной сигнал, обычно называемый разрешением EN или выбором кристалла CS, переводит тристабильную микросхему в рабочее состояние. Сигнал EN (CS) может быть активным при высоком или низком уровне: в первом случае выходные сигналы микросхемы действительны, когда EN или CS соответствует логической 1, а во втором — логическому 0. Сигнал с активным низким уровнем обозначается небольшим кружком в месте его входа (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Сравнение обычных и тристабильных логических схем:

а _{—обычная логическая схема; б — тристабильная логическая схема (разрешается высоким уровнем EN); в — тристабильная логическая схема (разрешается низким уровнем EN)}

2.4. Логические уровни

Под логическими уровнями понимают диапазоны напряжений, используемые для представления логических состояний 0 и 1. Неудивительно, что логические уровни для КМОП-схем существенно отличаются от уровней для TTЛ-схем. Действительно, уровни для КМОП-схем даются относительно напряжения питания (оно варьируется в диапазоне от +3 до +15 В), а для ТТЛ-схем уровни фиксированы. Значения логических уровней приведены в табл. 2.1.

2.5. Запас помехоустойчивости

В идеальном случае интерпретация логических уровней не должна вызывать ни неопределенности, ни неоднозначности. К сожалению, в реальных сигналах всегда действуют помехи (шум). Следовательно, важнейшим свойством логических схем становится способность подавлять помехи. Особенно это относится к устройствам, работающих в условиях сильных электрических помех, например на металлургическом заводе или судоверфи.

Способность логической схемы подавлять помехи измеряется запасом помехоустойчивости и определяется как разность между минимальными значениями выходного к входного напряжений в состоянии высокого уровня к максимальными значениями выходного, и входного напряжений в состоянии низкого уровня.

Запас помехоустойчивости для стандартных ТТЛ-схем серии 7400 обычно составляет 0,4 В, а для КМОП-схем равен 1/3 V_DD (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Логические уровни КМОП- и ТТЛ-схем

2.6. Логические элементы

Обозначения основных логических элементов в соответствии с английским (BS) и американским (MIL/ANSI) стандартами показаны на рис. 2.3. В Великобритании широко распространен американский стандарт, и лишь некоторые фирмы следуют стандарту BS[2]. Рассмотрим вкратце функции логических элементов, приведенных на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Обозначения и таблицы истинности основных логических элементов.

Буфер. Буфер не изменяет логического состояния цифрового сигнала, т. е. логическая 1 (или 0) на входе вызывает логическую 1 (или 0) на выходе. Буферы обычно применяются для повышения нагрузочной способности по току, а также формирования логических уровней, действующих в интерфейсе (устройстве сопряжения).

Инвертор. Инвертор осуществляет дополнение логического состояния, т. е. логическая 1 на входе вызывает логический 0 на выходе и наоборот. Кроме того, инверторы усиливают сигнал по току и, как буферы, применяются в схемах интерфейсов.

Элемент И. На выходе элемента И логическая 1 появляется, если только все входы одновременно находятся в состоянии логической 1. Все остальные комбинации входов приводят к образованию на выходе логического 0.

Элемент НЕ-И. На выходе элемента НЕ-И образуется логический 0, когда все выходы одновременно находятся в состоянии логической 1. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логической 1. Следовательно, элемент НЕ-И — это просто элемент И с инвертированным выходом; кружок на выходе показывает эту инверсию.

Элемент ИЛИ. На выходе элемента ИЛИ появляется логическая 1, если хотя бы один из входов находится в состоянии логической 1. Другими словами, выход элемента ИЛИ соответствует логическому 0, если состояния всех входов одновременно равны логическому 0.

Элемент НЕ-ИЛИ. Элемент НЕ-ИЛИ выдает на выходе логическую 1, если только все его входы одновременно находятся в состоянии логического 0. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логического 0. Нетрудно заметить, что этот элемент представляет собой элемент ИЛИ с инвертированным выходом. По-прежнему на инверсию указывает небольшой кружок на выходе элемента.

Элемент исключающее ИЛИ. Выход элемента исключающее ИЛИ (сумматора по модулю 2) соответствует логической 1, если один из входов находится в состоянии логической 1, а другой — в состоянии логического 0. На выходе появляется логический 0, когда логические состояния обоих входов одинаковы. Отметим, что инверторы и буферы имеют по одному входу, элементы исключающее ИЛИ — два входа, а остальные логические элементы могут иметь до восьми входов.

2.7. Таблицы истинности

В таблицах истинности на рис. 2.3 в удобной форме представлены функции логического элемента. Для логического элемента с n входами получается 2n входных комбинаций, т. е. двухвходовый элемент имеет четыре входные комбинации, а трехвходовый — восемь и т. д.

2.8. Схема охранной сигнализации

Попробуем найти практическое применение изложенному материалу. На рис. 2.4 показана схема охранной сигнализации с четырьмя входами. Каждым из входов управляет нормально замкнутое реле, которое соединяет вход с землей («общий»), т. е. обеспечивает на входе состояние логического 0. Когда реле размыкается, состояние соответствующего входа изменяется с логического 0 на логическую 1, что вызывает появление сигнала тревоги. Четыре светодиода, управляемых инверторами, индицируют логические состояния входов, а пятый светодиод показывает наличие питания. На выходе схемы включен динамик LSI, который импульсно включается с использованием звукового и низкочастотного сигналов. Эти сигналы формируют два генератора Шмитта (IC2) с времязадающими цепочками C1—R10 и С2—R11.

Рис. 2.4. Схема охранной сигнализации на четыре входа.

В микросхеме IC3 типа 7408 используются только два элемента из четырех, а два других просто оставлены незадействованными («плавающими»). На входные контакты 1 и 3 микросхемы IС3а подаются прямоугольные сигналы разных частот, а пульсирующий выход берется с контакта 3. На вставке показано соответствие элементов логической диаграмме микросхемы, а на рис. 2.5 приведена полная схема одного логического элемента. Линии питания +5 и 0 В являются общими для всех четырех элементов микросхемы. Как принято для 14-контактных корпусов DIP, питание подается на контакты 14 (+5 В) и 7 (0 В).

Рис. 2.5. Внутреннее устройство логического элемента IСЗа

2.9. Прослеживание логических состояний

Обычно, если хотя бы один из внутренних компонентов логического элемента выходит из строя, приходится заменять всю микросхему. Поиск элемента, неправильно выполняющего свою логическую функцию, можно вести разными способами, но эффективнее и проще всего воспользоваться для этой цели логическим пробником. Этот удобный и компактный прибор индицирует на светодиодах состояние входного сигнала своего зонда (щупа). Относительно длинный импульс (например, в одну секунду или более) логическим пробником, показывающим только состояния логического 0 и логической 1, обнаружить довольно легко. Короткий же импульс (0,1 с и менее) можно зафиксировать, только если в пробник встроен расширитель импульсов и третий светодиод будет включен на достаточное для визуального восприятия время.

Питание логического пробника обычно берется от проверяемой схемы с помощью двух скрученных проводников, оборудованных изолированными зажимами типа «крокодил». Для подключения пробника можно использовать любые подходящие точки, но наиболее удобно подключаться к выводам развязывающих электролитических конденсаторов или к выходам стабилизатора.

Предположим теперь, что схема охранной сигнализации не выдает звукового сигнала вне зависимости от состояний ее входов. При наличии логического пробника рекомендуется следующая процедура поиска неисправности.

1. Измерьте напряжения питания +5 и +12 В. Если любое из них слишком мало или полностью отсутствует, проверьте блок питания в соответствии с указаниями, приведенными в гл. 1.

2. Отключите все четыре входа, при этом благодаря «вытягивающим» резисторам R1—R4 на входы IС1а и IС1b (см. рис. 2.4) подаются уровни логической 1. Посмотрите на светодиоды D1—D4. Если ни один из них не светится, удалите и замените IC4.

3. Проверьте наличие уровня логической 1 на контактах 3, 6 и 8 микросхемы IC1. Если такого уровня нет, удалите и замените IC1. (Отметим, что микросхемы IС1а, IС1b и IС1с образуют четырехвходовый элемент ИЛИ.)

На выходе 8 микросхемы IC1 должен появиться высокий уровень, когда на одном или нескольких входах действует высокий уровень. Если этого нет, замените эту микросхему.

4. Теперь проверьте логическим пробником состояния входов и выходов микросхемы IC3d; на контакте 13 должен быть высокий уровень, а на контактах 11 и 12 — пульсирующий сигнал. Если на входе 12 действует постоянный высокий или низкий уровень, перейдите к шагу 6, а в противном случае — к шагу 5.

5. Если на выходе 1 микросхемы IC3 импульсов нет, а на входе 13 существует высокий уровень и имеются импульсы на входе 12, удалите и замените IСЗ. Если же импульсы на выходе 11 есть, перейдите к шагу 8.

6. Проверьте логическим пробником состояния уходов и выходов микросхемы IСЗа — на контактах 1–3 должны действовать импульсные сигналы. Если на одном или обоих входах IС3а имеется постоянный низкий или высокий уровень, перейдите к шагу 7. Когда же импульсы на входах 1 и 2 есть, а на выходе 3 их нет, следует заменить микросхему IСЗ.

7. Удалите и замените IC2. Если неисправность не исчезает, проверьте времязадающие цепочки C1—R10 и C2—R11.

8. Отсоедините питание и проверьте с помощью омметра динамик LS1 и резистор R13. Если оба элемента исправны, замените транзистор ТР1.

Глава 3

Моностабильные и бистабильные схемы

3.1. Моностабильные схемы

Выходные состояния логических элементов, рассмотренных в гл. 2, сохраняют логические 0 или 1 в зависимости от логических состояний на их входах. При неизменяющихся входах выходные состояния также остаются постоянными. Однако довольно часто вместо фиксированного логического состояния требуется короткий импульс, т. е. переход 0–1—0 или 1–0—1. Схема, которая реализует эту функцию, имеет только одно стабильное (устойчивое) состояние и называется моностабильной.

Принцип работы моностабильной схемы довольно прост; на выходе действует уровень логического 0 до тех пор, пока на входе запуска не возникает переход или фронт сигнала. Уровень может измениться с 0 на 1 (запускающий положительный фронт) или с 1 на 0 (запускающий отрицательный фронт) в зависимости от конкретной моностабильной схемы. Сразу же при восприятии запуска выход схемы переходит в состояние логической 1. Через некоторый временной интервал, определяемый внешними времязадающими элементами, выход возвращается в состояние логического 0, и схема ожидает следующего запуска.

Существует множество разновидностей моностабильных схем; хотя простейшую из них можно собрать из логических элементов и дискретных деталей, лучше все-таки применять специализированные микросхемы. Для начала рассмотрим простейшие моностабильные схемы с инверторами. На рис. 3.1 показана схема простого генератора или формирователя отрицательного импульса (1–0—1), запускаемого положительным фронтом.

Рис. 3.1. Простой моностабильный генератор отрицательного импульса.

Для понимания работы схемы следует проанализировать, что происходит в ней при подаче запускающего импульса.

Воспользуемся для этого временной диаграммой, приведенной на рис. 3.2.