Logické čipy. Část 1

Úvodní článek o logických čipech. Popisuje číselné systémy a reprezentaci binárního čísla pomocí elektrických signálů.

Moderní digitální integrovaný obvod je miniaturní elektronická jednotka, jejíž kryt obsahuje aktivní a pasivní prvky spojené v určitém vzoru. Jedná se o tranzistory, diody, rezistory a kondenzátory.

Počet prvků v moderních mikroobvodech může dosáhnout několika stovek tisíc a dokonce milionů prvků. Jen si pamatuj mikroprocesory, mikrokontroléry, paměťové čipy.

Chcete-li jednoduše vyjmenovat všechny moderní mikroobvody, nebudete potřebovat jeden článek, ale celou poměrně silnou knihu. V tomto článku se budeme zabývat zejména mikroobvody malého a středního stupně integrace jednoduché logické prvky.

Asi před dvaceti lety Integrované obvody (LSI)Během výrobního procesu zpravidla vykonávali funkci, která je v nich zabudována. V jednom mikroobvodu mikrokalkulačky mohly být skryty hodiny nebo uzel elektronického počítače (počítače).

V současné době rozšířený všechny druhy mikrokontrolérů: i takové jednoduché zařízení jako Čínská vánoční věnec není nic jiného než naprogramovaný mikrokontrolér.

Programováním odpovídajícího mikrokontroléru se získají také elektronické hodiny, časovače pro domácnost, různé hračky na mluvení a zpěv. Nebo, jak všichni teď slyší, bliká.

Jinými slovy ne naprogramovaný ovladač Toto je disk, ze kterého bude získáno zařízení s vlastnostmi nezbytnými pro vývojáře. A navzdory takové univerzálnosti jsou vstupní a výstupní signály mikrokontroléru stejné jako digitální mikroobvody malého a středního stupně integrace. Proto bez znalosti těchto již zastaralých a zapomnětlivých prvků prostě neexistuje žádný způsob, jak jít.

V jádru práce digitální obvody leží systém binárních čísel. Rovněž je základem fungování moderních osobních počítačů a všech výpočetních a komunikačních systémů.

V každodenním životě používáme systém desetinných čísel obsahující deset číslic 0 ... 9. Takový systém vznikl, protože každý člověk má na rukou deset prstů. Někteří lidé ze severu čítali až dvacet a číslo dvacet bylo nazváno „celý muž“.

Deset již není číslice, ale číslo sestávající z jedné deseti a nulových jednotek: 10 = 1 * 10 + 0 * 1. Stejným způsobem bude číslo 640 obsahovat šest set + čtyři desítky + nulové jednotky nebo ve formě čísel 640 = 6 * 100 + 4 * 10 + 0 * 1.

Takový systém se nazývá desetinné poziční, tj. hmotnost výboje závisí na jeho poloze v čísle. Je snadné si všimnout, že se jedná o jednotky, desítky, stovky, tisíce, desítky tisíc, stovky tisíc atd.

V binárním systému je číslo získáno přesně stejným způsobem, ale ne deset, ale jako základ se používají dva a jeho stupeň. To znamená 1, 10, 100, 1000, 10000 atd., Ale 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128. Každé další číslo se získá vynásobením předchozího čísla základnou systému (v tomto případě 2), tj. zvýšení předchozí na další stupeň. U desetinného systému je každé předchozí číslo vynásobeno deseti, protože základna systému čísel je deset.

Pomocí osmibitového binárního čísla (bajt se v počítačové technologii nazývá) je možné reprezentovat desetinná čísla v rozsahu 0 ... 255, nebo v binární podobě 0000 0000 ... 1111 1111 (b).

Výše uvedené číslo 640 bude odpovídat záznamu 640 = 10 1 000 0000 (b) nebo, jako v předchozím příkladu

640=1*512+0*256+1*128+0*64+0*32+0*16+0*8+0*4+0*2+0*1.

b) na konci záznamu se uvádí, že číslo je binární.Nejjednodušší způsob, jak ověřit správnost této položky, je pomocí kalkulačky Windows. Ukázalo se, že tato forma kódovacích informací je pro počítače velmi výhodná, protože rozlišování nuly od jedné je stejně jednoduché jako uzavřený kontakt od otevřené nebo hořící lampa od zaniklé.

Pokud jsou binární informace přenášeny pomocí elektrických signálů, jsou vyžadovány pouze dvě úrovně napětí. Je zpravidla pozitivnější (vysoká) a méně pozitivní nebo dokonce záporná (nula).

Nejčastěji je napětí vysoké úrovně považováno za logickou jednotku a napětí nízké úrovně je považováno za logickou nulu. Pak říkají, že jednáme s pozitivní logikou.

Kromě toho existuje také záporná logika: vysoké napětí je logická 0 a nízká úroveň je logická jednotka. V tomto článku budeme uvažovat pouze o pozitivní logice.

Jeden z nejběžnějších a nejoblíbenějších v té době mezi radioamatéry byl mikroobvody řady K155. Logické nulové napětí je pro ně na úrovni 0 ... 0,4 V a logická jednotka je 2,4 ... 5,0 V. A to i přesto, že jmenovité napájecí napětí pro tuto řadu je 5V s tolerancí + - 10 procent.

U jiných sérií mikroobvodů s odlišným napájecím napětím jsou tato čísla samozřejmě jiná, ale v rámci stejné řady, nezměněna. Zhruba lze říci, že napětí logické jednotky ve většině sérií mikroobvodů sahá od poloviny napájecího napětí k plnému napájecímu napětí.

Například pro mikroobvody řady K561 s napájecím napětím + 15 V bude napětí logické jednotky v rozsahu + 7,5 ... 15 V. Řada K561 je funkční s napájecím napětím do 3 ... 15V. V tomto případě bude napětí logické jednotky v mezích uvedených výše.

Popis logických obvodů využívajících řadu K155 budeme považovat za nejběžnější a během provozu nevyžadujeme zvláštní opatření.

Tato řada čipů je považována za funkčně kompletní a obsahuje asi 100 položek. To znamená, že s touto řadou můžete implementovat i ty nejsložitější logické funkce.

V dalším článku se seznámíme s fungováním a zařízením digitálních mikroobvodů. Začneme toto seznámení s logickými prvky, které implementují jednoduché funkce Booleovská algebra (algebra logiky).

Boris Aladyshkin

Pokračování článku: Logické čipy. Část 2 

E-kniha -Průvodce pro mikrokontroléry AVR pro začátečníky