Logische chips. Deel 3

Logische chips. Deel 1

Logische chips. Deel 2 - Poorten

Maak kennis met de digitale chip

In het tweede deel van het artikel hebben we gesproken over voorwaardelijke grafische aanduidingen van logische elementen en over de functies die door deze elementen worden uitgevoerd.

Om het werkingsprincipe uit te leggen, werden contactcircuits gegeven die de logische functies van AND, OR, NOT en AND-NOT uitvoeren. Nu kunt u beginnen met praktische kennismaking met de K155-serie microschakelingen.

Uiterlijk en ontwerp

Het basiselement van de 155e serie is de K155LA3-chip. Het is een plastic behuizing met 14 draden, waarvan de bovenkant is gemarkeerd en een sleutel die de eerste uitvoer van de chip aangeeft.

De sleutel is een klein rond merkteken. Als u de microschakeling van bovenaf bekijkt (vanaf de zijkant van de behuizing), moeten de conclusies tegen de klok in worden geteld, en als van onderaf, dan met de klok mee.

Een tekening van de behuizing van de microschakeling is weergegeven in figuur 1. Een dergelijke behuizing wordt DIP-14 genoemd, wat in het Engels is vertaald als een plastic behuizing met een tweestangs arrangement van pinnen. Veel microschakelingen hebben een groter aantal pinnen en daarom kan de behuizing DIP-16, DIP-20, DIP-24 en zelfs DIP-40 zijn.

Figuur 1. DIP-14-behuizing.

Wat zit er in deze zaak?

In het DIP-14-pakket van de K155LA3 bevat het microcircuit 4 onafhankelijke elementen 2I-NOT. Het enige dat hen verenigt zijn alleen de algemene stroomconclusies: de 14e output van de microschakeling is + de stroombron, en pin 7 is de negatieve pool van de bron.

Om het circuit niet met onnodige elementen te bezetten, worden stroomkabels in de regel niet weergegeven. Dit wordt ook niet gedaan omdat elk van de vier 2I-NOT-elementen op verschillende plaatsen in het circuit kan worden geplaatst. Gewoonlijk schrijven ze gewoon op de circuits: “+ 5V leiden tot conclusies 14 DD1, DD2, DD3 ... DDN. -5V leiden tot conclusies 07 DD1, DD2, DD3 ... DDN. ". Afzonderlijk geplaatste elementen worden aangeduid als DD1.1, DD1.2, DD1.3, DD1.4. Figuur 2 laat zien dat de K155LA3-chip bestaat uit vier 2I-NOT-elementen. Zoals reeds vermeld in het tweede deel van het artikel, staan ​​de invoerconclusies links en de uitvoer rechts.

Buitenlandse tegenhanger K155LA3 is de SN7400-chip en deze kan veilig worden gebruikt voor alle hieronder beschreven experimenten. Meer precies, de hele K155-chipserie is een analoog van de buitenlandse SN74-serie, dus verkopers op radiomarkten bieden precies dat.

Figuur 2. De pinout van de K155LA3-chip.

Om experimenten met een microschakeling uit te voeren, hebt u nodig stroomvoorziening 5V spanning. De eenvoudigste manier om een ​​dergelijke bron te maken, is met behulp van de K142EN5A-stabilisatiemicrocircuit of de geïmporteerde versie, 7805 genoemd. Tegelijkertijd is het niet nodig om de transformator op te winden, de brug te solderen, condensatoren te installeren. Er is immers altijd een Chinese netwerkadapter met een spanning van 12V, waarop het voldoende is om 7805 aan te sluiten, zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3. Een eenvoudige krachtbron voor experimenten.

Om experimenten met de microschakeling uit te voeren, moet u een broodplank van klein formaat maken. Het is een stuk getinax, glasvezel of ander vergelijkbaar isolatiemateriaal met afmetingen van 100 * 70 mm. Zelfs eenvoudig multiplex of dik karton is geschikt voor dergelijke doeleinden.

Langs de lange zijden van de plaat moeten vertinde geleiders worden versterkt met een dikte van ongeveer 1,5 mm, waardoor stroom zal worden geleverd aan de microschakelingen (stroombussen). Boor gaten met een diameter van maximaal 1 mm tussen de geleiders over het gehele oppervlak van de broodplank.

Bij het uitvoeren van experimenten is het mogelijk om stukken vertinde draad erin te steken, waarop condensatoren, weerstanden en andere radiocomponenten worden gesoldeerd. Op de hoeken van het bord moet je lage poten maken, dit maakt het mogelijk om de draden van onderaf te plaatsen.Het ontwerp van het breadboard is weergegeven in figuur 4.

Figuur 4. Ontwikkelingsbord.

Nadat het broodplank klaar is, kun je beginnen met experimenteren. Om dit te doen, moet er minstens één K155LA3-chip op worden geïnstalleerd: soldeerpennen 14 en 7 aan de stroombussen en buig de resterende pennen zodat ze op het bord liggen.

Voordat u begint met de experimenten, moet u de betrouwbaarheid van het solderen controleren, de juiste aansluiting van de voedingsspanning (het aansluiten van de voedingsspanning in de omgekeerde polariteit kan de microschakeling beschadigen), en ook controleren of er een kortsluiting is tussen aangrenzende klemmen. Na deze controle kunt u de stroom inschakelen en de experimenten starten.

Meest geschikt voor metingen wijzerplaat voltmeterwaarvan de ingangsimpedantie ten minste 10K / V is Elke tester, zelfs goedkoop Chinees, voldoet volledig aan deze eis.

Waarom is het beter om te schakelen? Omdat je, door de schommelingen van de pijl te observeren, spanningspulsen kunt opmerken, natuurlijk met een vrij lage frequentie. Een digitale multimeter heeft deze mogelijkheid niet. Alle metingen moeten worden uitgevoerd ten opzichte van de "min" van de stroombron.

Nadat de stroom is ingeschakeld, meet u de spanning op alle pinnen van de microschakeling: op de ingangspinnen 1 en 2, 4 en 5, 9 en 10, 12 en 13 moet de spanning 1,4 V zijn. En op de uitgangsklemmen 3, 6, 8, 11 ongeveer 0,3 V. Als alle spanningen binnen de gespecificeerde grenzen liggen, is de microschakeling operationeel.

Figuur 5. Eenvoudige experimenten met een logisch element.

Het testen van de werking van het logische element 2 AND NOT kan bijvoorbeeld worden gestart vanaf het eerste element. Zijn ingangspennen 1 en 2 en uitgang 3. Om een ​​logisch nulsignaal op de ingang aan te leggen, volstaat het om deze ingang eenvoudig aan te sluiten op de negatieve (gemeenschappelijke) draad van de stroombron. Als een logische eenheid moet worden ingevoerd, moet deze ingang worden aangesloten op de + 5V-bus, maar niet rechtstreeks, maar via een beperkende weerstand met een weerstand van 1 ... 1,5 KOhm.

Stel dat we ingang 2 op een gemeenschappelijke draad hebben aangesloten, waardoor er een logische nul aan wordt geleverd, en aan ingang 1 hebben we een logische eenheid gevoed, zoals zojuist is aangegeven via de afsluitweerstand R1. Deze verbinding wordt getoond in figuur 5a. Als bij een dergelijke verbinding de spanning aan de uitgang van het element wordt gemeten, geeft de voltmeter 3,5 ... 4,5V aan, wat overeenkomt met een logische eenheid. De logische eenheid geeft een meting van de spanning op pin 1.

Dit valt volledig samen met wat werd getoond in het tweede deel van het artikel over het voorbeeld van het relaiscontactcircuit 2I-NOT. Op basis van de resultaten van de metingen kan de volgende conclusie worden getrokken: wanneer een van de ingangen van het 2I-NOT-element hoog is en de andere laag, heeft de uitgang zeker een hoog niveau.

Vervolgens zullen we het volgende experiment uitvoeren - we zullen een eenheid naar beide ingangen tegelijk leveren, zoals aangegeven in figuur 5b, maar we zullen een van de ingangen, bijvoorbeeld 2, verbinden met een gemeenschappelijke draad met behulp van een draadjumper. (Voor dergelijke doeleinden is het het beste om een ​​gewone naainaald te gebruiken die aan flexibele bedrading is gesoldeerd). Als we nu de spanning meten aan de uitgang van het element, dan is er, zoals in het vorige geval, een logische eenheid.

Zonder de metingen te onderbreken, verwijderen we de draadbrug - de voltmeter toont een hoog niveau aan de uitgang van het element. Dit is volledig consistent met de logica van het 2I-NOT-element, dat kan worden geverifieerd door te verwijzen naar het contactdiagram in het tweede deel van het artikel, en door te kijken naar de waarheidstabel die daar wordt getoond.

Als deze jumper nu periodiek wordt gesloten voor de gemeenschappelijke draad van een van de ingangen, waardoor een laag- en hoogniveauvoeding wordt gesimuleerd, kan de uitgang met behulp van een voltmeter spanningspulsen detecteren - de pijl oscilleert op tijd met de jumper die de ingang van de microschakeling raakt.

De volgende conclusies kunnen uit de experimenten worden getrokken: de laagspanning aan de uitgang zal alleen verschijnen wanneer een hoog niveau aanwezig is aan beide ingangen, dat wil zeggen dat aan voorwaarde 2I aan de ingangen is voldaan.Als ten minste een van de ingangen een logische nul bevat, heeft de uitgang een logische eenheid, kunnen we herhalen dat de logica van de microschakeling volledig overeenkomt met de logica van het contactcircuit 2I-NIET beschouwd in tweede deel van het artikel.

Hier is het gepast om nog een experiment uit te voeren. De betekenis ervan is om alle ingangspinnen uit te schakelen, laat ze gewoon in de "lucht" en meet de uitgangsspanning van het element. Wat zal er zijn? Dat klopt, er zal een logische nulspanning zijn. Dit suggereert dat de niet-verbonden ingangen van de logische elementen equivalent zijn aan de ingangen waarop de logische eenheid is toegepast. Je moet deze functie niet vergeten, hoewel ongebruikte ingangen meestal worden aanbevolen om ergens te worden aangesloten.

Afbeelding 5c ​​laat zien hoe een 2I-NOT logisch element eenvoudig kan worden omgezet in een omvormer. Sluit hiervoor beide ingangen aan. (Zelfs als er vier of acht ingangen zijn, is een dergelijke verbinding acceptabel).

Om ervoor te zorgen dat het signaal aan de uitgang een waarde heeft die tegengesteld is aan het signaal aan de ingang, volstaat het om de ingangen met een draadbrug te verbinden met een gemeenschappelijke draad, dat wil zeggen een logische nul op de ingang toepassen. In dit geval zal een voltmeter verbonden met de uitgang van het element een logische eenheid tonen. Als u de jumper opent, verschijnt er een laag voltage aan de uitgang, wat precies het tegenovergestelde is van de ingangsspanning.

Deze ervaring suggereert dat de omvormer volledig equivalent is aan de werking van het contactcircuit dat NIET in het tweede deel van het artikel wordt behandeld. Dat zijn de over het algemeen prachtige eigenschappen van de 2I-NOT-chip. Om de vraag te beantwoorden hoe dit allemaal gebeurt, moet u rekening houden met het elektrische circuit van het 2I-NOT-element.

De interne structuur van element 2 is NIET

Tot nu toe hebben we een logisch element beschouwd op het niveau van de grafische benaming ervan, zoals we in de wiskunde zeggen, als een 'zwarte doos': zonder de details van de interne structuur van het element te bespreken, hebben we de respons op ingangssignalen onderzocht. Nu is het tijd om de interne structuur van ons logische element te bestuderen, zoals weergegeven in figuur 6.

Figuur 6. Het elektrisch circuit van het logische element 2I-NOT.

Het circuit bevat vier transistoren van de n-p-n-structuur, drie diodes en vijf weerstanden. Er is een directe verbinding tussen transistors (zonder isolatiecondensatoren), waardoor ze met constante spanningen kunnen werken. De uitgangsbelasting van de chip wordt conventioneel weergegeven als een weerstand RI. In feite is dit meestal de ingang of meerdere ingangen van dezelfde digitale circuits.

De eerste transistor is multi-emitter. Hij is het die de logische ingangsbewerking 2I uitvoert, en de volgende transistoren voeren de versterking en inversie van het signaal uit. Microschakelingen gemaakt volgens een soortgelijk schema worden transistor-transistorlogica genoemd, afgekort als TTL.

Deze afkorting weerspiegelt het feit dat de logische ingangsbewerkingen en de daaropvolgende versterking en inversie worden uitgevoerd door transistorelementen van de schakeling. Naast TTL is er ook diode-transistorlogica (DTL), waarvan de logische ingangstrappen worden uitgevoerd op diodes die zich natuurlijk binnen de microschakeling bevinden.

Figuur 7

Aan de ingangen van het logische element 2I-NOT tussen de emitters van de ingangstransistor en de gemeenschappelijke draad, zijn diodes VD1 en VD2 geïnstalleerd. Hun doel is om de ingang te beschermen tegen spanning met negatieve polariteit, die kan optreden als gevolg van zelfinductie van montage-elementen wanneer het circuit op hoge frequenties werkt, of eenvoudigweg per ongeluk wordt opgeslagen vanuit externe bronnen.

De ingangstransistor VT1 is volgens het schema verbonden met een gemeenschappelijke basis en zijn belasting is de transistor VT2, die twee belastingen heeft. In de emitter is dit de weerstand R3 en in de collector R2. Aldus wordt een faseomvormer voor de uitgangstrap op de transistoren VT3 en VT4 verkregen, waardoor ze in antifase werken: wanneer VT3 gesloten is, is VT4 open en vice versa.

Stel dat beide ingangen van element 2 NIET op een laag niveau worden gevoed. Om dit te doen, verbindt u deze ingangen eenvoudig met een gemeenschappelijke draad.In dit geval zal de transistor VT1 open zijn, hetgeen de sluiting van de transistors VT2 en VT4 met zich meebrengt. De transistor VT3 zal in de open toestand zijn en via deze en de VD3-diode stroomt de stroom in de belasting - aan de uitgang van het element bevindt zich een toestand op hoog niveau (logische eenheid).

In dat geval, als de logische eenheid op beide ingangen wordt toegepast, sluit de transistor VT1, wat zal leiden tot het openen van transistoren VT2 en VT4. Vanwege hun opening sluit de VT3-transistor en stopt de stroom door de belasting. Aan de uitgang van het element wordt een nulstatus of lage spanning ingesteld.

Het lage spanningsniveau is te wijten aan een spanningsval bij de collector-emitterovergang van de VT4 open transistor en is, volgens specificaties, niet hoger dan 0,4V.

De hoge niveauspanning aan de uitgang van het element is minder dan de voedingsspanning door de grootte van de spanningsval over de open transistor VT3 en de diode VD3 in het geval dat de transistor VT4 gesloten is. De hoge niveauspanning aan de uitgang van het element is afhankelijk van de belasting, maar mag niet minder zijn dan 2,4V.

Als een zeer langzaam variërende spanning, variërend van 0 ... 5V, wordt aangelegd op de ingangen van een element dat met elkaar is verbonden, dan is te zien dat de overgang van het element van een hoog naar een laag stapsgewijs plaatsvindt. Deze overgang wordt uitgevoerd op het moment dat de spanning op de ingangen een niveau van ongeveer 1,2 V bereikt. Een dergelijke spanning voor de 155e reeks microschakelingen wordt drempel genoemd.

Dit kan worden beschouwd als een algemene kennismaking met het element 2I-NIET voltooid. In het volgende deel van het artikel maken we kennis met het apparaat van verschillende eenvoudige apparaten, zoals verschillende generatoren en pulsvormers.

Boris Alaldyshkin

Vervolg van het artikel: Logische chips. Deel 4

E-boek -Beginnershandleiding voor AVR-microcontrollers