- •Глава1 Что такое цифровые микросхемы. Виды цифровых микросхем
- •Глава 2 Области применения цифровых микросхем
- •Глава 3 Условные графические изображения цифровых микросхем (гост)
- •Параметры цифровых микросхем
- •Уровни логического нуля и единицы
- •Входные и выходные токи цифровых микросхем
- •Параметры, определяющие быстродействие цифровых микросхем
- •Описание логической функции цифровых схем
- •Раздел 2
- •Логический элемент "и"
- •Логический элемент "или"
- •Глава 2 Диодно-транзисторная логика (дтл)
- •Глава 3 Транзисторно-транзисторная логика (ттл)
- •Логические уровни ттл микросхем
- •Семейства ттл микросхем
- •Глава 4 Цифровые логические микросхемы, выполненные на комплементарных моп транзисторах (кмоп) Логические кмоп (кмдп) инверторы
- •Логические кмоп (кмдп) элементы "и"
- •Логические кмоп (кмдп) элементы "или"
- •Особенности применения кмоп микросхем
- •Логические уровни кмоп микросхем
- •Семейства кмоп микросхем
- •Глава 5 Согласование цифровых микросхем различных серий между
- •Согласование микросхем из различных серий между собой
- •Согласование по току
- •Согласование микросхем с различным напряжением питания
- •Глава 6 Регенерация цифрового сигнала (Триггер Шмитта)
- •Раздел 3 Арифметические основы цифровой техники.
- •Глава 1
- •Арифметические основы цифровой техники
- •Системы счисления
- •Десятичная система счисления
- •Двоичная система счисления
- •Восьмеричная система счисления
- •Шестнадцатеричная система счисления
- •Глава 2 Преобразование чисел из одной системы счисления в другую
- •Преобразование целых чисел
- •Глава 3 Преобразование дробной части числа
- •Раздел 4
- •2. Законы отрицания a. Закон дополнительных элементов
- •B. Двойное отрицание
- •C. Закон отрицательной логики
- •3. Комбинационные законы
- •A. Закон тавтологии (многократное повторение)
- •B. Закон переместительности
- •Совершенная дизъюктивная нормальная форма (сднф)
- •Совершенная конъюктивная нормальная форма (скнф)
- •Глава 3 Дешифраторы (декодеры)
- •Десятичный дешифратор (декодер)
- •Семисегментный дешифратор
- •Глава 4 Шифраторы (кодеры)
- •Глава 5 Мультиплексоры
- •Особенности построения мультиплексоров на ттл элементах
- •Особенности построения мультиплексоров на кмоп элементах
- •Глава 6 Демультиплексоры
- •Раздел 5 Генераторы
- •Глава 1
- •Генераторы периодических сигналов
- •Усилительные параметры кмоп инвертора
- •Глава 2 Осцилляторные схемы генераторов
- •Глава 3 Мультивибраторы
- •Глава 4 Особенности кварцевой стабилизации частоты цифровых генераторов
- •Глава 5 Одновибраторы (ждущие мультивибраторы)
- •Укорачивающие одновибраторы
- •Расширяющие одновибраторы (ждущие мультивибраторы)
- •Раздел 6 Последовательностные устройства (цифровые устройства с памятью)
- •Глава 1
- •Триггеры
- •Глава 2 rs триггер
- •Синхронный rs триггер
- •Глава 3 d триггеры, работающие по потенциалу (статические d триггеры)
- •Глава 4 Явление метастабильности
- •Глава 5 d триггеры, работающие по фронту (динамические d триггеры)
- •Глава 6 t триггеры
- •Глава 7 jk триггер
- •Глава 8 Регистры
- •Параллельные регистры
- •Глава 9 Последовательные (сдвиговые) регистры
- •Глава 10 Универсальные регистры
- •Глава 11 Счётчики
- •Двоичные асинхронные счётчики
- •Двоичные вычитающие асинхронные счётчики
- •Глава 12 Недвоичные счётчики с обратной связью
- •Глава 13 Недвоичные счётчики с предварительной записью
- •Глава 14 Синхронные счётчики
- •Глава 15 Синхронные двоичные счётчики
- •Раздел 7
- •Современные виды цифровых микросхем.
- •Глава 1
- •Микросхемы малой степени интеграции (малая логика)
- •Глава 2 Программируемые логические интегральные схемы (плис).
- •Классификация плис
- •Глава 3 Программируемые логические матрицы.
- •Глава 4 Программируемые матрицы логики (pal).
- •Глава 5 Сложные программируемые логические устройства (cpld).
- •Внутреннее устройство cpld
- •Разработка цифровых устройств на cpld
- •Глава 6 Программируемые пользователем вентильные матрицы (fpga).
- •Раздел 8
- •Индикаторы.
- •Глава 1
- •Виды индикаторов.
- •Малогабаритные лампочки накаливания
- •Расчет транзисторного ключа
- •Глава 2 Газоразрядные индикаторы.
- •Глава 3 Светодиодные индикаторы.
- •Глава 4 Жидкокристаллические индикаторы.
- •Принципы работы жидкокристаллических индикаторов
- •Режимы работы жидкокристаллических индикаторов
- •Параметры жидкокристаллических индикаторов
- •Формирование цветного изображения
- •Формирование напряжения для работы жидкокристаллического индикатора
- •Глава 5 Динамическая индикация.
- •Раздел 9
- •Синтезаторы частоты.
- •Глава 1
- •Цифровой фазовый детектор.
- •Глава 2 Фазовый компаратор.
- •Глава 3 Цепи фазовой автоподстройки частоты.
- •Глава 4 Умножители частоты
- •Глава 5 Частотный детектор, построенный на основе фапч
- •Раздел 10
- •Особенности аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования.
- •Глава 1
- •Квантование аналогового сигнала по времени
- •Глава 2 Погрешности дискретизатора
- •Погрешность хранения
- •Погрешность выборки
- •Глава 3 Фильтры устранения эффекта наложения спектров (Антиалайзинговые фильтры)
- •Глава 4 Дискретизация сигнала на промежуточной частоте (субдискретизация)
- •Глава 5 Параллельные ацп (flash adc)
- •Глава 6 Последовательно-параллельные ацп
- •Глава 7 ацп последовательного приближения (sar adc)
- •Глава 8 Сигма-дельта ацп
- •Глава 9 Цифроаналоговые преобразователи (цап) с суммированием токов
- •Глава 10 Цифроаналоговые преобразователи r-2r
- •Раздел 11
- •11.1 Основные блоки цифровой обработки сигналов
- •Глава 1 Двоичные сумматоры
- •Глава 2 Умножители
- •Глава 3 Постоянные запоминающие устройства.
- •Глава 4 Цифровые фильтры.
- •11.2 Микросхемы прямого цифрового синтеза радиосигналов.
- •Глава 5 Фазовые аккумуляторы
- •Глава 6 Полярные модуляторы
- •Глава 7 Квадратурные модуляторы.
- •Глава 8 Интерполирующие цифровые фильтры.
- •Глава 9 Однородные интерполирующие цифровые фильтры.
- •Микросхемы цифрового приема радиосигналов
- •Глава 10 Квадратурные демодуляторы.
- •Глава 11 Децимирующие цифровые фильтры.
- •Децимирующий фильтр с конечной импульсной характеристикой
- •Глава 12 Однородные децимирующие цифровые фильтры.
- •Раздел 12 Примеры реализации цифровых устройств
- •12.1 Электронные часы
- •Разработка структурной схемы
- •Глава 2 Разработка принципиальной схемы
- •Глава 3 Разработка принципиальной схемы индикации часов
- •12.2 Последовательные порты
- •Глава 4
- •Глава 5
Глава 3 Постоянные запоминающие устройства.
Очень часто в различных применениях требуется хранение информации, которая не изменяется в процессе эксплуатации устройства. Это такая информация как программы в микроконтроллерах, начальные загрузчики (BIOS) в компьютерах, таблицы коэффициентов цифровых фильтров в сигнальных процессорах, DDC и DUC, таблицы синусов и косинусов в NCO и DDS. Практически всегда эта информация не требуется одновременно, поэтому простейшие устройства для запоминания постоянной информации (ПЗУ) можно построить на мультиплексорах. Иногда в переводной литературе постоянные запоминающие устройства называются ROM (read only memory — память доступная только для чтения). Схема такого постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) приведена на рисунке 11.1.14
Рисунок 11.1.14 Схема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), построенная на мультиплексоре.
В этой схеме построено постоянное запоминающее устройство на восемь одноразрядных ячеек. Запоминание конкретного бита в одноразрядную ячейку производится запайкой провода к источнику питания (запись единицы) или запайкой провода к корпусу (запись нуля). На принципиальных схемах такое устройство обозначается как показано на рисунке 11.1.15
Рисунок 11.1.15 Обозначение постоянного запоминающего устройства на принципиальных схемах.
Для того, чтобы увеличить разрядность ячейки памяти ПЗУ эти микросхемы можно соединять параллельно (выходы и записанная информация естественно остаются независимыми). Схема параллельного соединения одноразрядных ПЗУ приведена на рисунке 11.1.16
Рисунок 11.1.16 Схема многоразрядного ПЗУ (ROM).
В реальных ПЗУ запись информации производится при помощи последней операции производства микросхемы — металлизации. Металлизация производится при помощи маски, поэтому такие ПЗУ получили название масочных ПЗУ. Еще одно отличие реальных микросхем от упрощенной модели, приведенной выше — это использование кроме мультиплексора еще и демультиплексора. Такое решение позволяет превратить одномерную запоминающую структуру в двухмерную и, тем самым, существенно сократить объем схемы дешифратора, необходимого для работы схемы ПЗУ. Эта ситуация иллюстрируется следующим рисунком:
Рисунок 11.1.17 Схема масочного постоянного запоминающего устройства (ROM).
Масочные ПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 11.1.18 Адреса ячеек памяти в этой микросхеме подаются на выводы A0 ... A9. Микросхема выбирается сигналом CS. При помощи этого сигнала можно наращивать объем ПЗУ (пример использования сигнала CS приведён при обсуждении ОЗУ). Чтение микросхемы производится сигналом RD.
Рисунок 11.1.18 Условно-графическое обозначение масочного ПЗУ (ROM) на принципиальных схемах.
Программирование масочного ПЗУ производится на заводе изготовителе, что очень неудобно для мелких и средних серий производства, не говоря уже о стадии разработки устройства. Естественно, что для крупносерийного производства масочные ПЗУ являются самым дешевым видом ПЗУ, и поэтому широко применяются в настоящее время. Для мелких и средних серий производства радиоаппаратуры были разработаны микросхемы, которые можно программировать в специальных устройствах — программаторах. В этих ПЗУ постоянное соединение проводников в запоминающей матрице заменяется плавкими перемычками, изготовленными из поликристаллического кремния. При производстве ПЗУ изготавливаются все перемычки, что эквивалентно записи во все ячейки памяти ПЗУ логических единиц. В процессе программирования ПЗУ на выводы питания и выходы микросхемы подаётся повышенное питание. При этом, если на выход ПЗУ подаётся напряжение питания (логическая единица), то через перемычку ток протекать не будет и перемычка останется неповрежденной. Если же на выход ПЗУ подать низкий уровень напряжения (присоединить к корпусу), то через перемычку запоминающей матрицы будет протекать ток, который испарит ее и при последующем считывании информации из этой ячейки ПЗУ будет считываться логический ноль.
Такие микросхемы называются программируемыми ПЗУ (ППЗУ) или PROM и изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 11.1.19. В качестве примера ППЗУ можно назвать микросхемы 155РЕ3, 556РТ4, 556РТ8 и другие.
Рисунок 11.1.19 Условно-графическое обозначение программируемого постоянного запоминающего устройства (PROM) на принципиальных схемах.
Программируемые ПЗУ оказались очень удобны при мелкосерийном и среднесерийном производстве. Однако при разработке радиоэлектронных устройств часто приходится менять записываемую в ПЗУ программу. ППЗУ при этом невозможно использовать повторно, поэтому раз записанное ПЗУ при ошибочной или промежуточной программе приходится выкидывать, что естественно повышает стоимость разработки аппаратуры. Для устранения этого недостатка был разработан еще один вид ПЗУ, который мог бы стираться и программироваться заново.
ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием строится на основе запоминающей матрицы построенной на ячейках памяти, внутреннее устройство которой приведено на следующем рисунке:
Рисунок 11.1.20 Запоминающая ячейка ПЗУ с ультрафиолетовым и электрическим стиранием.
Ячейка представляет собой МОП транзистор, в котором затвор выполняется из поликристаллического кремния. Затем в процессе изготовления микросхемы этот затвор окисляется и в результате он будет окружен оксидом кремния — диэлектриком с прекрасными изолирующими свойствами. В описанной ячейке при полностью стертом ПЗУ, заряда в плавающем затворе нет, и поэтому транзистор ток не проводит. При программировании ПЗУ, на второй затвор, находящийся над плавающим затвором, подаётся высокое напряжение и в плавающий затвор за счет туннельного эффекта индуцируются заряды. После снятия программирующего напряжения индуцированный заряд остаётся на плавающем затворе, и, следовательно, транзистор остаётся в проводящем состоянии. Заряд на плавающем затворе подобной ячейки может храниться десятки лет.
Структурная схема описанного постоянного запоминающего устройства не отличается от описанного ранее масочного ПЗУ. Единственное отличие — вместо плавкой перемычки используется описанная выше ячейка. Такой вид ПЗУ называется репрограммируемыми постоянными запоминающими устройствами (РПЗУ) или EPROM. В РПЗУ стирание ранее записанной информации осуществляется ультрафиолетовым излучением. Для того, чтобы этот свет мог беспрепятственно проходить к полупроводниковому кристаллу, в корпус микросхемы ПЗУ встраивается окошко из кварцевого стекла.
При облучении микросхемы РПЗУ, изолирующие свойства оксида кремния теряются, накопленный заряд из плавающего затвора стекает в объем полупроводника, и транзистор запоминающей ячейки переходит в закрытое состояние. Время стирания микросхемы РПЗУ колеблется в пределах 10 — 30 минут.
Количество циклов записи — стирания микросхем EPROM находится в диапазоне от 10 до 100 раз, после чего микросхема РПЗУ выходит из строя. Это связано с разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения на оксид кремния. В качестве примера микросхем EPROM можно назвать микросхемы 573 серии российского производства, микросхемы серий 27сXXX зарубежного производства. В РПЗУ чаще всего хранятся программы BIOS универсальных компьютеров. РПЗУ изображаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 11.1.21
Рисунок 11.1.21 Условно-графическое обозначение РПЗУ (EPROM) на принципиальных схемах.
Так так корпуса с кварцевым окошком очень дороги, а также малое количество циклов записи-стирания привели к поиску способов стирания информации из РПЗУ электрическим способом. На этом пути встретилось много трудностей, которые к настоящему времени практически решены. Сейчас достаточно широко распространены микросхемы с электрическим стиранием информации. В качестве запоминающей ячейки в них используются такие же ячейки как и в РПЗУ, но они стираются электрическим потенциалом, поэтому количество циклов записи-стирания для этих микросхем достигает 1000000 раз. Время стирания ячейки памяти в таких ПЗУ уменьшается до 10 мс. Схема управления для электрически стираемых программируемых ПЗУ получилась сложная, поэтому наметилось два направления развития этих микросхем:
ЕСППЗУ (EEPROM) — электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство
FLASH-ПЗУ
Электрически стираемые ППЗУ (EEPROM) дороже и меньше по объему, но зато позволяют перезаписывать каждую ячейку памяти отдельно. В результате эти микросхемы обладают максимальным количеством циклов записи-стирания. Область применения электрически стираемых ПЗУ — хранение данных, которые не должны стираться при выключении питания. К таким микросхемам относятся отечественные микросхемы 573РР3, 558РР3 и зарубежные микросхемы EEPROM серии 28cXX. Электрически стираемые ПЗУ обозначаются на принципиальных схемах как показано на рисунке 11.1.22.
Рисунок 11.1.22 Условно-графическое обозначение электрически стираемого постоянного запоминающего устройства (EEPROM) на принципиальных схемах.
В последнее время наметилась тенденция уменьшения габаритов ЭСППЗУ за счет уменьшения количества внешних выводов микросхем. Для этого адрес и данные передаются в микросхему и из микросхемы через последовательный порт. При этом используются два вида последовательных портов — SPI порт и I2C порт (микросхемы 93сXX и 24cXX серий соответственно). Зарубежной серии 24cXX соответствует отечественная серия микросхем 558РРX.
FLASH-ПЗУ отличаются от ЭСППЗУ тем, что стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей микросхемы в целом или блока запоминающей матрицы этой микросхемы, как это делалось в РПЗУ.
Рисунок 11.1.23 Условно-графическое обозначение FLASH памяти на принципиальных схемах.
При обращении к постоянному запоминающему устройству сначала необходимо выставить адрес ячейки памяти на шине адреса, а затем произвести операцию чтения из микросхемы. Эта временная диаграмма приведена на рисунке 11.1.24
Рисунок 11.1.24 Временные диаграммы сигналов чтения информации из ПЗУ.
На рисунке 11.1.24 стрелочками показана последовательность, в которой должны формироваться управляющие сигналы. На этом рисунке RD — это сигнал чтения, A — сигналы выбора адреса ячейки (так как отдельные биты в шине адреса могут принимать разные значения, то показаны пути перехода как в единичное, так и в нулевое состояние), D — выходная информация, считанная из выбранной ячейки ПЗУ.