- •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
Согласование микросхем с различным напряжением питания
Снижение напряжения питания цифровых микросхем обусловлено двумя причинами. Первая это снижение потребляемой мощности. Снижение напряжения питания с 5 до 3,3В только по закону Ома приводит к снижению потребляемой мощности в 2,3 раза. Вторая причина — это уменьшение линейных размеров транзисторов. При снижении линейных размеров транзисторов уменьшается их пробивное напряжение. В настоящее время наиболее распространённым напряжением питания цифровых микросхем стало напряжение питания 3,3В.
Согласование 3- и 5- вольтовых ТТЛ микросхем
Если в цифровом устройстве одновременно используются микросхемы с пяти- и трехвольтовым питанием, то кроме согласования микросхем по току требуется согласовать их по логическим уровням. Выходное напряжение современных трёхвольтовых микросхем, таких как SN74LVT совпадает с ТТЛ уровнями нуля и единицы, поэтому они могут быть непосредственно нагружены на пятивольтовые ТТЛ микросхемы. Более того! Входные каскады трёхвольтовых микросхем (например серии SN74ALVT или SN74ALVC) спроектированы так, что они выдерживают пятивольтовое напряжение на входе. Вывод - трёх и пятивольтовые микросхемы можно соединять непосредственно (DATASHEETS фирмы TI). Для иллюстрации на рисунке 5.2 приведены логические уровни микросхем с пяти- и трех вольтовым питанием.
Рисунок 5.2. Логические уровни микросхем с пяти- и трех вольтовым питанием
Согласование 3- вольтовых ТТЛ микросхем и 2,5- вольтовых КМОП микросхем
Как уже говорилось ранее, ТТЛ микросхемы в настоящее время уже не развиваются. Практически все современные микросхемы выполнены по КМОП технологии. Это же относится и к 2,5- вольтовым микросхемам. Порог срабатывания этих микросхем приблизительно равен 1,2 В. На рисунке 5.3 приведены выходные уровни 3- вольтовых и входные уровни 2,5- вольтовых микросхем.
Рисунок 5.3. Выходные логические уровни 3- вольтовых и входные уровни 2,5- вольтовых микросхем
Как видно из этого рисунка 2,5- вольтовые микросхемы будут воспринимать логические уровни 3- вольтовых микросхем безошибочно. В то же самое время, по техническим данным на 2,5 вольтовые микросхемы, такие как SN74ALVC или SN74ALVT, входное напряжение может достигать 3,6 вольта.
Похожая ситуация наблюдается и при обратном направлении сигнала (от 2,5- вольтовых микросхем к 3- вольтовым). На рисунке 5.4 приведены выходные уровни 2,5- вольтовых и входные уровни 3- вольтовых микросхем.
Рисунок 5.4. Выходные логические уровни 2,5- вольтовых и входные уровни 3- вольтовых микросхем
Глава 6 Регенерация цифрового сигнала (Триггер Шмитта)
Микросхемы соединяются между собой печатными проводниками или плоскими кабелями. При распространении цифрового сигнала по этим проводникам он неизбежно искажается. В основном это выражается в затягивании фронтов и поэтому на приёмном конце его приходится восстанавливать. Кроме того, часто приходится подавать на вход цифрового устройства обычные аналоговые сигналы (например, с выхода приёмника). Примерная форма сигнала на входе цифровой микросхемы приведена на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1. Пример сигнала на входе цифровой микросхемы
Как видно из приведённого рисунка, сигнал на входе микросхемы может принимать любые значения, в том числе и запрещённые для цифровых микросхем. Как уже обсуждалось ранее, это может привести к выходу цифровых микросхем из строя.
Для того, чтобы можно было обрабатывать такие сигналы, применяются специальные схемы, такие как триггеры Шмитта. Триггер Шмитта представляет собой устройство охваченное положительной обратной связью. Наличие положительной обратной связи приводит к практически мгновенному изменению напряжения на выходе схемы при превышении входным сигналом порогового напряжения. Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах приведена на рисунке 6.2.
Рисунок 6.2. Схема триггера Шмитта
В этой схеме положительная обратная связь образуется двумя резисторами. Глубина обратной связи определяется соотношением между этими резисторами. То, что часть сигнала с выхода схемы триггера Шмитта подаётся на её вход, приводит к тому, что вместо одного порога у неё имеется два порога. Один порог называется порогом срабатывания схемы (когда на выходе триггера Шмитта формируется единичный уровень). Второй порог называется порогом отпускания (когда на выходе триггера Шмитта формируется нулевой уровень). Из-за наличия двух порогов триггер Шмитта имеет ещё одно название — схема с гистерезисом.
Наличие двух порогов отчётливо видно на рисунке 6.3, где на вход триггера Шмитта подано синусоидальное напряжение. Входной и выходной сигналы исследуемой схемы на этом рисунке совмещены. В результате пороги срабатывания триггера Шмитта можно определить по точкам пересечения синусоиды и выходного сигнала.
Рисунок 6.3. Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи триггера Шмитта
Благодаря двум порогам схема нечувствительна к шумам на её входе. Ведь если триггер Шмитта перешёл в другое состояние, то для того, чтобы вернуть его в прежнее состояние нужно приложить напряжение, превышающее разность его порогов. Такое полезное свойство триггера Шмитта привело к его широкому использованию в схемах, подверженных влиянию шумов, таких как, например, шумоподавители ЧМ приёмников.
В качестве примера можно привести сигнал на выходе компаратора при воздействии точно такого же синусоидального сигнала, как и на рисунке 6.3. Эти сигналы приведены на рисунке 6.4. Как видно из этого рисунка, в момент пересечения синусоидальным сигналом порогового уровня компаратора, на его выходе появляются усиленные шумы входного сигнала. Это приводит к формированию лишних импульсов на выходе схемы, что не всегда приемлемо для правильной работы цифрового устройства в целом.
Рисунок 6.4. Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи компаратора.
Следует отметить, что наличие двух порогов не приводит к изменению логики работы цифровых устройств. Посмотрите внимательно на сигналы, приведённые на рисунке 6.3. Если сдвинуть выходной сигнал относительно входного, то точки их пересечения совместятся на одном уровне. То есть выходной сигнал триггера Шмитта можно рассматривать просто как задержанный относительно входа усиленный и ограниченный сигнал.
Ещё одно применение триггеры Шмитта нашли в качестве входных каскадов в системных шинах микропроцессоров. Мы помним, что входы цифровых микросхем нельзя бросать в воздухе, однако при работе на шину обязательным условием является возможность отключения источников цифровых сигналов от шины. Для того чтобы при этом входы цифровых микросхем не оставались в воздухе, все проводники в шине подключают к источнику питания или к корпусу при помощи внешних резисторов.
Использование в качестве входных каскадов, подключённых к системной шине, триггеров Шмитта, позволяет избавиться от этих внешних резисторов.
Перечисленные выше причины привели к широкому распространению триггеров Шмитта. Условно-графическое изображение триггера Шмитта приведено на рисунке 6.5. Символ, изображённый на рабочем поле этого логического элемента говорит о наличии гистерезиса (разности порогов срабатывания).
Рисунок 6.5. Условно-графическое обозначение триггера Шмитта
В настоящее время производится много готовых микросхем, в которых содержится сразу несколько триггеров Шмитта. Пороги в этих схемах установлены заранее. Например, в микросхеме 555ТЛ2 содержится сразу шесть триггеров Шмитта с разносом порогов 800 мВ.
В КМОП микросхемах пороги срабатывания и отпускания устанавливаются на трети напряжения питания. Примером подобной микросхемы может служить КМОП микросхема К1561ТЛ1, в которой содержится четыре логических элемента "2И", каждый вход которого обладает гистерезисом.
В настоящее время за рубежом широко распространены микросхемы малой логики, где в одном очень маленьком корпусе, обычно с пятью выводами, размещается одиночный логический элемент. В качестве примера одиночного триггера Шмитта можно назвать микросхемы SN74AHC1G14 или SN74LVC1G17.