1 . ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ И РАБОТА С НИМИ
В большинстве устройств, описанных в этой книге, используются интегральные микросхемы. Радиолюбители даже с небольшим опытом конструирования аппаратуры скорее всего уже имели дело с микросхемами. Но и начинающие радиолюбители смогут повторить устройства, описанные в этой книге. Сведения о микросхемах и рекомендации по их применению, изложенные ниже, помогут им в этом.
Интегральной микросхемой называют миниатюрное электронное устройство, выполняющее определенные функции преобразования и обработки сигналов и содержащее большое число активных и пассивных элементов (от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч) в сравнительно небольшом корпусе.
Все микросхемы подразделяют на две группы - аналоговые и цифровые. Аналоговые микросхемы предназначены для работы с непрерывными во времени сигналами. К их числу можно отнести усилители радио-, звуковой и промежуточной частот, операционные усилители, стабилизаторы напряжения и др. Для аналоговых микросхем характерно то, что входная и выходная электрические величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь один из двух уровней напряжения: высокий или низкий. В первом случае говорят, что мы имеем дело с высоким логическим уровнем, или логической 1, а во втором - с низким логическим уровнем, или логическим 0. Для микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серий К133, К155, К555, широко используемых радиолюбителями, в технических условиях указывают напряжение высокого логического уровня не менее 2,4 В, а низкого - не более 0,4 В. Фактически эти напряжения составляют обычно 3,2...3,5 и 0,1...0,2 В.
В своих разработках радиолюбители наряду с микросхемами ТТЛ широко используют микросхемы на полевых транзисторах, из которых наибольшее распространение получили серии микросхем КМОП (комплементарные полевые транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник). К ним относятся, например, микросхемы серий К164, К176, К561, К564. Для: таких микросхем напряжения, соответствующие высокому и низкому логическим
уровням, составляют соответственно 8,6...8,8 и 0,02...0,05 В (при напряжении питания 9 В).
Таким образом, в микросхемах ТТЛ и КМОП высокий и низкий уровни напряжений сильно отличаются друг от друга, что упрощает совместную работу микросхем с транзисторами, тиристорами и другими приборами.
Почему же уровни напряжений называют логическими?
Дело в том, что цифровые микросхемы предназначены для выполнения определенных логических действий над входными сигналами. Например, на выходе цифровой микросхемы должно появиться напряжение высокого уровня в том случае, если напряжение высокого уровня присутствует хотя бы на одном из входов, т.е. данная микросхема выполняет логическую операцию ИЛИ (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы должен быть равен произведению логических сигналов на входах микросхемы, то это операция логического умножения. Существует множество других правил обработки сигналов в цифровых микросхемах. Специальная область математики - булева алгебра (по имени английского математика Дж. Буля) - исследует эти законы. Вот почему цифровые микросхемы называют еще и логическими.
В основу работы цифровых микросхем положена двоичная система счисления. В этой системе используются две цифры: 0 и 1. Цифра 0 соответствует отсутствию напряжения на выходе логического устройства, 1 - наличию напряжения. С помощью нулей и единиц двоичной системы можно записать (закодировать) любое десятичное число. Так, для записи одноразрядного десятичного числа требуются четыре двоичных разряда. Сказанное поясняется табл. 1.
В первом столбце таблицы (ее называют таблицей истинности) записаны десятичные числа от 0 до 9, а в последующих четырех столбцах - разряды двоичного числа. Видно, что число в последующей строке получается в результате прибавления 1 к первому разряду двоичного числа. С помощью четырех разрядов можно записать числа от 0000 до 1111, что соответствует диапазону чисел от 0 до 15 в десятичной системе. Таким образом, если двоичное число содержит N разрядов, то с его помощью можно записать максимальное десятичное число, равное 2^(N-1). По таблице также несложно заметить, как можно перевести число из двоичной системы в десятичную. Для этого достаточно сложить степени числа 2, соответствующие тем разрядам, в которых записаны логические 1. Так, двоичное число 1001 соответствует десятичному числу 9 (2^3 + 2^0).
Двоичную систему счисления используют в большинстве современных цифровых вычислительных машин.
Рассмотрим свойства и работу некоторых простейших логических элементов, широко используемых радиолюбителями в конструируемых устройствах и приборах.
Логический элемент И (рис. 1,а) имеет два входа и один выход. В верхней части прямоугольника стоит знак & (амперсент), который обозначает операцию объединения, перемножения. Это значит, что напряжение высокого уровня на выходе присутствует в том, и только
в том случае, если на обоих входах также напряжения высокого уровня. Это поясняется таблицей истинности, приведенной на рис. 1,б. Логический элемент 2И-НЕ отличается от элемента И только инвертированием выходного сигнала (рис. 2).
Логический элемент ИЛИ (рис. 3,а) имеет два входа и один выход. Если хотя бы на одном из входов есть напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет на выходе (рис. 3,6). Работа элемента 2ИЛИ-НЕ отличается только инвертированием выходного сигнала (рис. 4).
Логический элемент НЕ (рис. 5,а) имеет один вход и один выход. Если на вход подать напряжение высокого уровня, то на выходе установится напряжение низкого уровня, и наоборот, т. е. говорят, что входной сигнал инвертируется элементом (рис. 5,6).
Эти три разновидности логических элементов позволяют реализовывать любую сколь угодно сложную логическую функцию. Однако для облегчения работы конструктора разработано и выпускается множество других логических элементов [3И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, 2-2-3-4И-4ИЛИ-НЕ (рис. 6) и др.], реализованных в отдельных корпусах микросхем.
Одним из наиболее широко применяемых радиолюбителями в своих конструкциях является логический элемент 2И-НЕ (см. рис. 2). Если подавать входной сигнал на соединенные вместе входы, то он будет работать как инвертор (рис. 7,а). С помощью двух логических элементов 2И-НЕ можно производить операцию логического умножения (рис. 7,6), с помощью трех логических элементов - операцию логического сложения (операцию ИЛИ, рис. 7,в). Таким образом, с помощью элемента 2И-НЕ можно реализовать любую логическую операцию.
Одной из наиболее популярных у радиолюбителей серий микросхем является серия К155. В настоящее время она насчитывает более 100 наименований.
Микросхемы серии К155 питаются от источника постоянного напряжения 5В±5%, потребляя ток (на один корпус) в зависимости от назначения от 10 до 100 мА. Как было отмечено, напряжение высокого уровня фактически составляет около 3,5 В, а низкого -около 0,1 В. Для того чтобы подать на вход логического элемента напряжение низкого уровня, достаточно этот вход соединить с общим проводом питания. Для подачи напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако, чтобы уменьшить влияние помех, желательно этот вход подключить к напряжению +5В через резистор сопротивлением 1...1.5 кОм. К одному резистору можно подключать до 10 входов микросхем. Напряжение на входах логических элементов можно измерять обычным авометром на пределе измерения постоянного напряжения, но лучше использовать специальный пробник.
Простейший пробник состоит из свето-диода и резистора (рис. 8). Если при подключении к выходу логического элемента светодиод светится, то на этом выходе напряжение высокого уровня, если же светодиод не светится, то на входе пробника напряжение низкого уровня.
На рис. 9,а представлена схема логического пробника, который индицирует уровни логического 0 и логической 1 зажиганием одного из двух светодиодов.
При отсутствии входного сигнала на выходе логического элемента DD1.1 действует напряжение низкого уровня, а на выходе логического элемента DD1.2 - высокого уровня. Светодиоды HL1 и HL2 не светятся. При подаче на вход напряжения низкого уровня (0...0.4 В) состояние логического элемента DD1.2 не изменяется, а на выходе DD1.1 появляется напряжение высокого уровня (поскольку на входы DD1.1 через открытый диод VD1 подано напряжение низкого уровня). Загорается светодиод HL1, индицируя уровень логического 0. Если же на вход подано напряжение высокого уровня, то через открывшийся диод VD2 это напряжение подается на входы логического элемента DD1.2; на выходе DD1.2 появляется напряжение низкого уровня и загорается светодиод HL2, показывая уровень логической 1. Состояние же элемента DD1.1 при этом не изменяется, светодиод HL1 не горит.
На рис. 9;б представлена схема другого логического пробника, аналогичного по принципу работы предыдущему. Отличие состоит в том, что информация о логических уровнях напряжения выводится на светодиодный семисегментный цифровой индикатор. Для управления сегментами в пробник добавлены логические элементы DD1.3, DD1.4 и диоды VD3, VD4. Сегменты, имеющие выводы 10, 13, индицируют логическую 1, а все шесть сегментов - логический 0. Сегмент, имеющий вывод б, - знак запятой (индикация включения пробника). Логические элементы DD1.3 и DD1.4 включены параллельно для получения суммарного выходного тока, обеспечивающего нормальную работу одновременно шести сегментов.
Для предотвращения подачи на пробники напряжения обратной полярности в их плюсовые шины включены диоды (VD3 на рис. 9, а и VD5 на рис. 9,6),
Микросхему К155ЛАЗ можно заменить на К133ЛАЗ, К158ЛАЗ, К155ЛА1, К155ЛА4, К555ЛАЗ. Вместо К155ЛА8 можно применить К133ЛА8, К155ЛАЗ, но в последнем случае номинал резисторов R3-R8 необходимо увеличить до 820 Ом. Светодиодный индикатор АЛС324Б можно заменить на АЛ 133, АЛС312 с любым буквенным индексом, а также на АЛ305А, АЛС321Б, АЛС337Б, АЛС338Б, АЛС324Б. Диоды могут быть любыми из серий Д7, Д9, Д311.
Пробник со светодиодным индикатором собран в корпусе от вышедшей из строя электрозажигалки или другом.
Такие пробники пригодны для работы с микросхемами, рассчитанными на питание от источника напряжением +5 В (серии К155, КР531, К555, К 133, К 134). Для работ с микросхемами КМОП (серии
К 164, К176, К561) пробник может быть собран по аналогичной схеме на микросхемах КМОП, но для управления сегментами цифрового индикатора придется применить транзисторные ключи.
Теперь несколько слов о более сложных микросхемах, с которыми читатель встретится в книге.
Во многих рассматриваемых конструкциях используют триггеры (электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, причем переход из одного состояния в другое происходит под действием внешнего сигнала). При отсутствии сигнала триггер может находиться в одном из двух состояний неограниченно долго (т. е. обладает "памятью"). Поэтому триггеры широко используют в электронно-вычислительных машинах для хранения информации. В зависимости от выполняемых функций и назначения триггеры классифицируют по типам. Мы рассмотрим только два из них: RS- и D-триггеры.
Условное обозначение RS-триггеры представлено на рис. 10,а. Он имеет по два входа и выхода. Выходы обозначены буквами Q (прямой) и Qинв (инверсный). Логические уровни на этих двух выходах противоположны. Это сделано для удобства соединения триггеров с другими логическими элементами устройств. Некоторые типы триггеров инверсного выхода не имеют. Вход S предназначен для установки триггера в единичное состояние (напряжение высокого уровня на выходе Q); вход R - для установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на выходе Q). Поскольку среди микросхем серии К 155 RS-триггер отсутствует, его собирают из двух логических элементов 2И-НЕ, входящих в состав микросхемы К155ЛАЗ (рис. 10,6). Установка триггера в нужное состояние осуществляется подачей напряжения низкого уровня на один из входов (на другом входе в это время должно быть напряжение высокого уровня). Подача на оба входа напряжения низкого уровня недопустима.
На рис. 10,в представлено условное обозначение D-триггера (нумерация выводов приведена для микросхемы К155ТМ2, содержа-
щей два таких триггера). По сравнению с RS-триггером здесь имеются два новых вывода: D и С. Вход D называют информационным, а С - входом синхронизации. После подачи импульса на вход С на прямом выходе Q триггера установится тот логический уровень, который был до прихода синхроимпульса на входе D. Входы R и S выполняют те же функции, что и в рассмотренном выше RS-триггере.
Рассмотренный D-триггер несложно преобразовать в счетный триггер, т. е. такой, состояние которого изменяется после поступления очередного импульса на счетный вход. Для обеспечения счетного режима необходимо вход D соединить с инверсным выходом триггера (рис. 11,а). Из логики работы D-триггера следует, что после прихода импульса на вход С состояние триггера будет изменяться на противоположное. Это иллюстрируется временными диаграммами, или эпюрами напряжений (рис. 11,6). Подобно таблице истинности, эпюры напряжений дают наглядное представление о работе устройства, к ним мы будем обращаться и в дальнейшем. Необходимо отметить, что изменение состояния D-триггера данного типа происходит при изменении напряжения на счетном входе с низкого уровня на высокий. Такое изменение напряжения часто называют положительным перепадом напряжения или фронтом импульса. Реакцию триггера на положительный перепад напряжения отображают косой чертой, пересекающей линию входа С (см. рис. 11,а). Аналогично изменение напряжения с высокого уровня на низкий называют отрицательным перепадом напряжения, спадом или срезом импульса. На схемах это отображают также косой чертой, но повернутой на 90° относительно показанной на рисунке. В зависимости от своей внутренней структуры триггер реагирует или на положительный, или на отрицательный перепад напряжения.
Несколько триггеров, объединенных в одной микросхеме и соединенных между собой, образуют счетчик. На рис. 12 показана
микросхема К155ИЕ5, содержащая в своем составе четыре счетных триггера. Входом первого триггера является вывод 14, а выходом -вывод 12. Три остальных триггера соединены последовательно, входом первого триггера является вывод 1, а выходами этих триггеров - выводы 9, 8, 11. Для обеспечения последовательной работы всех четырех триггеров следует соединить выводы 1 и 12. Триггеры переключаются спадом импульса (в отличие от микросхемы К155ТМ2). Установку всех триггеров в нулевое состояние осуществляют кратковременной подачей напряжения высокого уровня на оба входа &RO. Частота импульсов на выходах 1, 2, 4, 8 соответственно в 2, 4, 8, 16 раз меньше частоты входного сигнала. Таким образом, период работы счетчика равен 16 входным импульсам.
Микросхема К155ИЕ2 (рис. 13) также содержит четыре счетных триггера, однако благодаря использованию внутренних обратных связей коэффициент пересчета равен 10. С помощью входов &RO микросхему устанавливают в состояние, при котором на всех выходах напряжение низкого уровня; с помощью входов &R9 микросхему устанавливают в состояние, соответствующее числу 9 в двоичном коде (напряжение высокого уровня на выходах 1 и 8). Триггеры счетчика переключаются срезом импульса.
Чтобы преобразовать двоичный код, в котором представлены выходные сигналы микросхемы К155ИЕ5, в так называемый позиционный код, используются дешифраторы. На рис. 14 представлен интегральный дешифратор К155ИДЗ, осуществляющий такое преобразование. Входы W0 и W1 являются разрешающими. При наличии на них напряжения низкого уровня на одном из выходов дешифратора 0-15 также имеется напряжение низкого уровня, причем номер этого выхода является эквивалентом двоичного числа, поданного на входы 1, 2, 4, 8. Так, при подаче кодовой комбинации входных сигналов 0110 в активном состоянии будет выход 6
(вывод 7) При этом на всех остальных выходах будет напряжение высокого уровня. Если же на входы W0, W1 подать напряжение высокого уровня, то такое же напряжение будет на всех выходах дешифратора Поэтому входы W0, W1 называют разрешающими или стробирующими.
Существуют микросхемы, содержащие в одном корпусе счетчик и дешифратор Примером является микросхема КМОП К176ИЕ8 (рис 15) Вход R служит для установки триггеров в исходное состояние, при котором на выходах 1-9 имеется напряжение низкого уровня, а на выходе 0 - напряжение высокого уровня Входные импульсы можно подавать на один из входов СР или CN. При подаче же импульсов на вход СР изменение состояния счетчика происходит по фронту импульсов (при этом на входе CN должно быть напряжение низкого уровня) При подаче же импульсов на вход CN изменение состояния происходит по срезам импульсов (при этом на втором входе СР должно быть напряжение высокого уровня) На активном выходе, номер которого соответствует числу импульсов, поступивших после установки в исходное состояние, имеется напряжение высокого уровня (в отличие от напряжения низкого уровня в К155ИДЗ)
Особенности работы счетчиков, дешифраторов и микросхем другого функционального назначения будут рассмотрены в каждом конкретном случае отдельно.
Из многих важных параметров микросхем обратим внимание на три из них - входной и выходной токи логического элемента и его максимальное выходное напряжение Входной ток - это ток, который протекает через входную цепь при соединении входа логического элемента с общим проводом или с проводом питания. В первом
случае ток называют вытекающим, и для большинства микросхем серии К155 он составляет 1,6 мА. Во втором случае говорят о втекающем токе, который составляет примерно 40 мкА. Из сказанного следует, что если между входом логического элемента и общим проводом включен резистор, то для обеспечения на входе напряжения низкого уровня (которое для серии К 155 не должно превышать 0,4 В) его сопротивление не может быть больше 0,4В.О,0016А, т. е. 250 Ом Увеличение сопротивления этого резистора сверх указанного значения приведет к установлению на входе потенциала, соответствующего порогу переключения элемента Такое состояние является неустойчивым. Поэтому увеличивать сопротивление этого резистора не рекомендуется. Для подачи на вход напряжения высокого уровня достаточно оставить этот вход свободным, однако с целью повышения помехоустойчивости целесообразно соединить его с проводом питания через резистор сопротивлением 1...2 кОм. Необходимо заметить, что величина входного вытекающего тока накладывает ограничение и на сопротивление времязадающих резисторов генераторов, выполненных на элементах этой микросхемы, которое не должно превышать 1 кОм. Для микросхем серии К555 входной вытекающий ток в 3-4 раза меньше, поэтому сопротивления резисторов могут быть в 3-4 раза больше. Для микросхем КМОП (К176, К561) входной вытекающий ток составляет примерно 0,2 мкА, исходя из этого следует рассчитывать и сопротивления резисторов.
Выходной ток логического элемента также может быть втекающим и вытекающим. Первый имеет место в случае подключения нагрузки между выходом и шиной питания, причем на выходе имеется напряжение низкого уровня. Значение этого тока для большинства элементов ТТЛ, у которых выходной каскад имеет внутреннюю нагрузку, составляет 16 мА. Для элементов с открытым коллектором значение этого тока значительно выше - так, для элементов микросхемы К155ЛЛ2 допускается выходной ток 300 мА. Вытекающий ток логического элемента - это ток в цепи нагрузки, включенной между выходом и общим проводом, причем на выходе имеется напряжение высокого уровня Значение этого тока для большинства микросхем ТТЛ составляет 0,2 0,4 мА Для увеличения выходного тока можно соединять параллельно несколько однотипных логических элементов, при этом объединяют входы и выходы элементов (см схему логического пробника, рис 9,6)
Максимальное выходное напряжение - это напряжение, которое может быть приложено к выходу логического элемента без повреждения последнего. Для большинства логических элементов ТТЛ оно не превышает напряжения питания, но для некоторых элементов с открытым коллекторным выходом оно значительно больше 12 В
для К155ЛА11, 15 В для К155ЛН5, 30 В для К155ЛА18, К155ЛИ5, К155ЛЛ2, К155ЛНЗ, К155ЛП9.
Высокое допустимое выходное напряжение в сочетании с большим выходным током позволяет непосредственно подключать к выходам микросхем электромагнитные реле, элементы индикации.
Несколько советов по монтажу интегральных микросхем.
1. Во время пайки нельзя перегревать корпус микросхемы. Для этого следует использовать припой с температурой плавления не более 260°С, мощность паяльника не должна превышать 40 Вт. длительность пайки одного вывода - не более 5 с, а промежуток времени между пайками выводов одной микросхемы должен быть не менее полминуты. Если ведется монтаж нескольких микросхем, то сначала паяют первый вывод первой микросхемы, затем первый вывод второй и т. д., затем второй вывод первой микросхемы, второй вывод второй и т. д. Благодаря такому приему микросхемы успевают остывать в промежуток между пайками.
Микросхемы КМОП могут быть выведены из строя разрядом статического электричества, основным источником которого является человек. Чтобы этого не случилось, жало паяльника и руки радиомонтажника необходимо заземлять.
2. Монтаж микросхемы может быть выполнен печатным способом, проводами или комбинированным способом.
При пайке проводами удобно использовать многожильный провод в тугоплавкой изоляции типа МГТФ 0,07...0,12 мм^2 или одножильный луженый провод 0,25...0,35 мм^2 также в тугоплавкой изоляции. Сначала на вывод микросхемы наматывают 1-1,5 витка провода, а затем производят пайку. Этот способ хорош тем, что позволяет неоднократно производить перепайки проводов, а такая необходимость может возникнуть в процессе наладки устройства.
Печатный монтаж микросхем следует применять тогда, когда есть уверенность, что схема работоспособна, а также при изготовлении нескольких одинаковых устройств на одинаковых платах. Печатные платы могут иметь одно- и двустороннее расположение печатных проводников. Для большинства устройств в книге приведены рисунки печатных плат.
При комбинированном способе монтажа микросхемы припаивают к контактным площадкам, а в другие отверстия контактных площадок впаивают проволочные проводники. На рис. 16 показаны чертежи двух печатных плат для комбинированного монтажа микросхем (платы № 1 и 2, в дальнейшем мы будем на них ссылаться). На платах можно установить микросхемы с 14, 16 и 24 выводами.
Утолщенными линиями обозначены шины для подачи питания ва микросхемы. На платах имеются также отверстия для установки
вилки соединителя МРН-22 с целью подключения элементов платы к внешним устройствам. Каждый вывод микросхемы, как видно из рисунка, впаивают в отверстие контактной площадки. В два других отверстия впаивают выводы радиоэлементов или проводники, соединяющие между собой микросхемы.
Целесообразно изготовить три-четыре таких печатных платы и вести на них монтаж различных конструкций.
3. Неиспользуемые выводы микросхем ТТЛ следует объединять в группы по 10 шт. и подключать к плюсовой шине питания через резистор 1...1,5 кОм; неиспользуемые выводы микросхем КМОП можно непосредственно подключать к плюсовой шине.
4. Для улучшения помехозащищенности между шинами питания следует устанавливать конденсаторы типов КМ-6, К10-7, К10-17 емкостью 0,1...0,047 мкф из расчета один конденсатор на два-три корпуса микросхем. Особое внимание следует уделять обеспечению помехоустойчивости устройств, имеющих в своем составе микросхемы памяти - триггеры, счетчики и т. п.
5. Соединительные провода должны иметь длину не более 20... 30 см. Если же требуется передать сигнал на большее расстояние, используют так называемые витые пары. Два провода скручивают вместе, по одному из них подается сигнал, а второй заземляют (соединяют с общим проводом) с обоих концов. Целесообразно также оба конца сигнального провода подключить к плюсовой шине через резисторы 1 кОм (для ТТЛ-микросхем) или 100 кОм (для КМОП-микросхем). Длина проводов витой пары может достигать 1,5...2м.