Тули Майк

«Справочное пособие по цифровой электронике»

Предисловие к русскому изданию

Цифровая схемотехника завоевывает все более прочные позиции в творчестве самодеятельных конструкторов. Тысячи людей в свое свободное время разрабатывают довольно сложные цифровые устройства вплоть до персональных компьютеров. Интерес к популярным изданиям на эту тему необычайно широк, но удовлетворяется он явно недостаточно. Предлагаемая читателям книга призвана в некоторой степени восполнить этот пробел.

Она рассчитана, в первую очередь, на энтузиастов-любителей, не имеющих специальной подготовки в области цифровой схемотехники, хотя и специалисты найдут в ней интересный для себя материал.

В популярной форме автор знакомит читателей с основными логическими элементами, микропроцессорами, программируемыми микросхемами для ввода-вывода информации и современными интерфейсами. Описательный характер изложения определен, очевидно, небольшим объемом книги. По-видимому, наибольший интерес читателей вызовут завершающие каждую главу приемы отладки рассмотренных в главе устройств, а также приложение 2, в котором даны подробные описания девяти самодельных приборов. Для читателей, пожелающих воспроизвести схемы этих приборов, в конце книги дана таблица зарубежных изделий электронной техники и их отечественных аналогов.

Остается пожелать успехов всем тем, кто использует в своем техническом творчестве приведенные в книге схемы простых в изготовлении и удобных в работе приборов. Эти приборы помогут освоиться в цифровой схемотехнике и будут стимулировать разработку более сложных и интересных устройств.

В. Л. Григорьев

Предисловие

Подавляющее большинство современных электронных систем реализованы на цифровой элементной базе. Данная книга рассчитана на всех тех, кто связан с разработкой, производством и эксплуатацией цифровых устройств, и тех, кто только собирается познакомиться с такими устройствами.

В начале книги изложен основной материал по цифровым схемам и логическим семействам (сериям) микросхем с последующим обсуждением функций логических элементов, триггеров и таймеров. В книге рассмотрены также микропроцессоры и некоторые вспомогательные микросхемы, например полупроводниковая память и программируемые микросхемы для ввода и вывода, интерфейс RS-232C и универсальная приборная шина IEEE-488, приведен краткий обзор микропроцессорной шины IEEE-1000.

В приложении вынесен справочный материал по широко распространенным микросхемам и подробно описаны девять самодельных приборов, которые может собрать каждый желающий, не обладающий практическим опытом в области цифровой схемотехники. Однако качественные характеристики этих приборов не уступают аналогичным промышленным образцам. Для проверки и калибровки описанных в книге приборов необходимо иметь только достаточно точный многодиапазонный измерительный прибор цифрового или аналогового типа.

Глава 1

Введение в интегральные схемы

Интегральные схемы (ИС) являются элементами современных цифровых устройств. Применение ИС освобождает разработчика от необходимости проектирования схем из таких дискретных элементов, как транзисторы, диоды и резисторы. Благодаря микроэлектронной технологии на крошечном кусочке (кристалле) кремния можно изготовить огромное число эквивалентных дискретных элементов. Получающаяся интегральная схема оказывается не только намного компактнее своего аналога из дискретных элементов, но и значительно дешевле и гораздо надежнее.

Сделаем одно замечание, которое, наверняка, обрадует новичков в области цифровой схемотехники: чтобы успешно применять интегральные схемы, совсем необязательно знать их подробное внутреннее устройство. Нужно только знать основополагающие правила, касающиеся напряжений питания и требований к входным и выходным сигналам. В цифровой схемотехнике для нас представляют первоочередный интерес логические функции компонентов, а не их электрические характеристики.

1.1. Интегральные схемы

Все современные цифровые системы построены на интегральных схемах, в которых на кусочке кремния образованы сотни и тысячи компонентов. Количество отдельных полупроводниковых элементов на кристалле обычно связывается со степенью интеграции, численные характеристики которой приведены в табл. 1.1.

Конструктивное оформление. Самый распространенный тип корпуса для интегральных схем — пластмассовый корпус с двухсторонним расположением выводов или контактов (типа DIP). Число контактов на корпусе зависит от сложности интегральной схемы и, в частности, от числа требуемых внешних связей. Например, обычные логические элементы выпускаются в корпусах с 14 и 16 контактами, а корпуса микропроцессоров и сложных вспомогательных схем имеют 40 контактов и более. Широко распространенные корпуса микросхем и нумерация контактов показаны на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Нумерация контактов на корпусах интегральных схем. Контакт 1 находится слева от выемки; иногда его отмечают течкой.

Здесь изображен вид микросхем сверху, т. е. так, как они выглядят на печатной плате со стороны компонентов. Такой вид, наверное, самый естественный, но все же иногда нумерация контактов вызывает путаницу. Контакты микросхем нумеруются последовательно, начиная с выемки, в направлении против часовой стрелки.

Например, при рассмотрении 14-контактного корпуса сверху контакты 1 и 14 находятся соответственно слева и справа от выемки.

Идентификация. При знакомстве с интегральными схемами сразу же возникает вопрос об их идентификации или маркировке. Чтобы помочь нам решить этот вопрос (а иногда — чтобы запутать нас!), фирмы-изготовители наносят маркировку на наружной части корпуса. Обычно она состоит из номера типа микросхемы (включая общепринятое кодирование), названия фирмы (обычно в виде начальных букв) и классификации микросхемы.

Довольно часто маркировка содержит информацию о типе конструкции, дате выпуска и специальных характеристиках микросхемы. К сожалению, эта в принципе полезная информация часто приводит к путанице из-за отсутствия единого стандарта.

1.2. Логические семейства

Каждая интегральная схема относится к тому или иному логическому семейству (серии). Термин «семейство» просто означает тот вид полупроводниковой технологии, который используется при изготовлении микросхемы. Именно технология определяет такие важнейшие характеристики конкретной микросхемы, как напряжение питания, рассеиваемая мощность, скорость переключения и помехоустойчивость.

В настоящее время наиболее распространены два основных логических семейства: КМОП (комплементарная, металл-оксид-полупроводник) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). Второе семейство имеет несколько подсемейств, включая популярный вариант маломощной ТТЛ с диодами Шотки (LS-TTL). Для любознательных читателей на рис. 1.2 показаны внутренние схемы двухвходовых элементов И, выполненных по КМОП- и ТТЛ-технологиям. Несмотря на очевидное их различие, обе схемы выполняют одну и ту же логическую функцию.

Рис. 1.2. Внутреннее устройство двухвходовых логических элементов И, выполненных по КМОП- и ТТЛ-технологиям:

а — КМОП-элемент; б — ТТЛ элемент

Из обычных ТТЛ-микросхем наиболее широко представлено семейство 74. Маркировка микросхем этого семейства начинается с цифр 74, например 7400, 7408, 7432 и 74121; его еще часто называют стандартным ТТЛ-семейством. Разновидности аналогичных микросхем малой мощности с диодами Шотки имеют в середине буквы LS, например 74LS00, 74LS08, 74LS32 и 74LS121.

Популярные КМОП-микросхемы образуют часть семейства 4000, и их номера начинаются с цифры 4, например 4001, 4174, 4501 и 4574. Иногда маркировка КМОП-микросхемы начинается не с цифры, а с буквы. Буква А обозначает устаревшую (небуферированную) серию, а буква В — улучшенную (буферированную) серию. Комбинация UB обозначает небуферированную микросхему серии В.

В некоторых случаях в середине кода ТТЛ-микросхем встречаются буквы, приведенные в табл. 1.2.

1.3. Блоки питания

Большинство ТТЛ- и КМОП-семейств рассчитаны на работу с напряжением питания +5 В. Для ТТЛ-микросхем необходима довольно жесткая стабилизация напряжения, обычно ±5 % (т. е. диапазон допустимых напряжений составляет от 4,75 до 5,25 В). Тем не менее многие ТТЛ-микросхемы могут работать и при большем разбросе питания, например от 4 до 5,5 В. В частности, одна из фирм рекомендует использовать в своих изделиях для питания ТТЛ-микросхем три последовательно включенные сухие батареи с напряжением 1,5 В каждая. Неудивительно, что одной из наиболее частых причин отказа в этих изделиях оказывается «севшая» батарея.

Несмотря на то что логическая функция элемента остается одной и той же при напряжении питания 4 и 5 В, переключательные свойства элемента зависят от напряжения питания. При его уменьшении значительно возрастает задержка распространения, т. е. время прохождения изменения логического значения со входа на выход. Во многих устройствах это обстоятельство несущественно, но такие схемы, как счетчики и делители частоты, при понижении напряжения питания работают неустойчиво.

Сделаем замечание и о предельном значении напряжения питания для ТТЛ-микросхем: абсолютное максимальное напряжение составляет +7 В. Даже при небольшом превышении этого значения ТТЛ-микросхема сразу же выходит из строя.

Для КМОП-схем допускается изменение напряжения питания в гораздо более широких пределах. Подавляющее большинство их устойчиво работают в диапазоне от +3 до +15 В. Это обстоятельство, а также ничтожный потребляемый ток (КМОП-элемент в устойчивом состоянии потребляет всего несколько микроампер) способствуют применению КМОП-схем в устройствах с батарейным питанием. В большинстве портативных KMX)П-устройств не требуется стабилизация напряжения питания, они устойчиво работают при снижении напряжения до +3 В.

Как и у ТТЛ-схем, быстродействие КМОП-схем ухудшается при понижении напряжения питания. При напряжениях питания +9, +12 или +15 В быстродействие КМОП-схем примерно в 2 раза выше, чем при типичном напряжении питания +5 В.

ТТЛ-схемы потребляют значительно больший ток, чем их КМОП-эквиваленты. Например, типичный ТТЛ-элемент потребляет ток около 8 мА, что в 1000 раз больше, чем в эквивалентном КМОП-элементе при рабочей частоте 10 кГц.

Стабилизаторы. В большинстве блоков питания ТТЛ-и КМОП-устройств применяются монолитные трехточечные стабилизаторы. Они обеспечивают хорошую стабилизацию напряжения питания, ограничение тока и тепловое защитное отключение. Типичные корпуса стабилизаторов показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Типичные корпуса монолитных трехточечных стабилизаторов напряжения.

На практике наиболее широко применяются стабилизаторы, перечисленные в табл. 1.3.

Типичный блок питания. На рис. 1.4 показан типичный блок питания для ТТЛ/КМОП-схем со стабилизированным выходным напряжением +5 В. Понижающий трансформатор Т1 подает переменное напряжение на мостовой выпрямитель D1—D4. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора обычно составляет около 9 В; после выпрямления на сглаживающем конденсаторе С1 получается постоянное напряжение примерно 12 В.

Номинальное напряжение стабилизатора +5 В подается на выход. Дополнительные конденсаторы С2 и СЗ небольшой емкости (не электролитические) обычно монтируются около выводов стабилизатора. Они обеспечивают эффективную развязку на высоких частотах и подавляют высокочастотную нестабильность, которая может возникнуть из-за паразитных монтажных реактивных сопротивлений.

Рис. 1.4. Схема типичного блока питания для цифровых схем (номерами обозначены контрольные точки):

FS1 — предохранитель

Меры безопасности. До обсуждения вопросов поиска неисправностей в блоках питания напомним о мерах предосторожности при работе с ними.

Большинство цифровых схем работают с низким напряжением питания и вполне безопасны; однако имеющееся в блоке питания сетевое напряжение опасно для жизни. При работе с блоками питания необходимо всегда соблюдать следующие правила.

1. Выключайте питание и отсоединяйте сетевой шнур при выполнении:

• демонтажа оборудования;

• проверке плавких предохранителей;

• установке и удалении внутренних модулей;

• пайке компонентов;

• проверке монтажных проводников, исправности обмоток трансформаторов, мостовых выпрямителей и т. д.

2. При измерении переменных и постоянных напряжений в блоке питания соблюдайте необходимые меры предосторожности:

• избегайте прямого контакта с цепями входного сетевого напряжения, проверяйте правильность и надежность заземления оборудования;

• пользуйтесь инструментами с изолированными ручками;

• устанавливайте нужный диапазон измерительного прибора до производства требуемых измерений;

• при сомнении в правильности своих действий выключите питание, отсоедините сетевой шнур и хорошенько подумайте.

1.4. Поиск неисправностей в блоке питания

Поиск неисправностей в типичном блоке питания, показанном на рис. 1.4, не вызывает особых затруднений так как в нем мало элементов, «склонных» к отказам (стабилизатор, трансформатор и др.).

На рис. 1.4 для удобства читателей отмечены в кружках четыре контрольные точки. Отметим, что самый быстрый способ локализации неисправности необязательно связан с проверкой напряжений или сигналов от входа к выходу или наоборот. Мы рекомендуем такую последовательность проверок и измерений.

1. Проверьте, лучше всего с помощью цифрового мультиметра, что выходное напряжение в точке 1 находится в диапазоне от 4,75 до 5,25 В. Если это не так, переходите к шагу 2, а если выходное напряжение укладывается в указанный диапазон, считайте, что блок питания исправен.

2. Отсоедините выход +5 В от схемы и повторите предыдущее измерение. Если напряжение в точке 1 оказывается в диапазоне 4,75—5,25 В, то отказ вызван схемой, а в стабилизаторе сработало ограничение по току. (Довольно часто подобный отказ возникает из-за наличия дефектной микросхемы, которая чрезмерно нагревается. Ее можно обнаружить, если прикоснуться к микросхеме Если напряжение в точке 1 находится вне диапазона 4,75—5,25 В, проверьте сетевой предохранитель в точке 2. Сгоревший предохранитель замените на исправный и повторите шаг 1. Если предохранитель сразу же перегорает, убедитесь с помощью омметра, нет ли короткого замыкания в выпрямителе D1—D4, конденсаторе С1 и микросхеме IС1[1].

3. Если предохранитель исправен, проконтролируйте мультиметром вторичное переменное напряжение трансформатора T1 в точке 3: оно должно находиться в диапазоне от 7 до 12 В. В противном случае отсоедините шнур питания, проверьте тумблер S1 и целостность первичной обмотки трансформатора (неисправность вторичной обмотки маловероятна).

4. Если вторичное напряжение такое, как и должно быть, измерьте постоянное напряжение на конденсаторе С1. Когда оно необычно мало или равно нулю, проверьте с помощью омметра выпрямитель D1—D4. В одном направлении его сопротивление должно быть бесконечно большим, а в другом — равно нулю.

Если постоянное напряжение на конденсаторе С1 находится в диапазоне 9—14 В, замените стабилизатор IС на заведомо работоспособный и повторите всю процедуру сначала.

Глава 2

Основные логические элементы

В гл. 1 мы познакомились с интегральными схемами, логическими семействами отдельных микросхем и блоками питания, а теперь рассмотрим основные логические элементы и наиболее универсальный прибор для поиска неисправностей в цифровых схемах — логический пробник. В приложении 2 приведена конструкция логического пробника, который можно использовать для проверки логических состояний в ТТЛ- и КМОП-схемах.

2.1. Логические диаграммы

У новичков вызывает удивление тот факт, что цифровые схемы выглядят совсем не так, как аналоговые. В них почти нет таких привычных дискретных элементов, как резисторы, диоды и транзисторы. Цифровые устройства построены в основном на интегральных схемах, содержащих логические элементы, триггеры, запоминающие устройства и т. п., а дискретные элементы, за исключением развязывающих конденсаторов, встречаются очень редко.

В гл. 1 мы говорили о таких достоинствах интегральных схем, как экономичность и надежность. Вместе с тем применение интегральных схем означает совершенно новый подход в электронике: сложное устройство состоит теперь из взаимосвязанных «кирпичиков» — интегральных схем. Поэтому диагностика неисправности сводится к локализации и замене дефектного «кирпичика» (обычно одной интегральной схемы). Однако для успешной диагностики нужно хорошо разбираться в логических функциях и электрических характеристиках каждого «кирпичика», что не только ускорит отыскание неисправностей микросхемы, но и поможет в решении более сложных задач.

2.2. Цифровые сигналы

Прежде чем рассматривать основные логические элементы, применяемые в цифровых схемах, упомянем об одном существенном отличии цифровых схем от аналоговых. Читатели, конечно, знают о том, что в электронных схемах сигналы представляются напряжениями и токами. В цифровых схемах сигналы существуют только на дискретных «этажах» или уровнях, а промежуточные состояния не допускаются. Обычная (позитивная) логика базируется всего на двух состояниях, которые называются логическим 0 (низкий уровень) и логической 1 (высокий уровень).

В аналоговых схемах сигналы могут иметь бесконечное число уровней напряжения или тока и плавно переходят с одного уровня на другой; в цифровых же схемах изменение напряжений или токов происходит резко и быстро.

2.3. Тристабильная логика

Большинство сложных микросхем, предназначенных для микропроцессорных систем, разработаны с учетом возможности их подключения к шине. К шине разрешается подсоединять выходы и входы нескольких микросхем, поэтому возникает опасность одновременного появления на шине конфликтующих логических уровней.

Чтобы преодолеть эту трудность, требуются логические устройства, которые не только формируют на своих выходах логический 0 и логическую 1, но и при необходимости отключаются от шины. По существу, в них появляется третье, высокоимпедансное состояние, поэтому такие устройства (микросхемы) относят к семейству тристабильной (трехустойчивой) логики.

Специальный входной сигнал, обычно называемый разрешением EN или выбором кристалла CS, переводит тристабильную микросхему в рабочее состояние. Сигнал EN (CS) может быть активным при высоком или низком уровне: в первом случае выходные сигналы микросхемы действительны, когда EN или CS соответствует логической 1, а во втором — логическому 0. Сигнал с активным низким уровнем обозначается небольшим кружком в месте его входа (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Сравнение обычных и тристабильных логических схем:

а —обычная логическая схема; б — тристабильная логическая схема (разрешается высоким уровнем EN); в — тристабильная логическая схема (разрешается низким уровнем EN)

2.4. Логические уровни

Под логическими уровнями понимают диапазоны напряжений, используемые для представления логических состояний 0 и 1. Неудивительно, что логические уровни для КМОП-схем существенно отличаются от уровней для TTЛ-схем. Действительно, уровни для КМОП-схем даются относительно напряжения питания (оно варьируется в диапазоне от +3 до +15 В), а для ТТЛ-схем уровни фиксированы. Значения логических уровней приведены в табл. 2.1.

2.5. Запас помехоустойчивости

В идеальном случае интерпретация логических уровней не должна вызывать ни неопределенности, ни неоднозначности. К сожалению, в реальных сигналах всегда действуют помехи (шум). Следовательно, важнейшим свойством логических схем становится способность подавлять помехи. Особенно это относится к устройствам, работающих в условиях сильных электрических помех, например на металлургическом заводе или судоверфи.

Способность логической схемы подавлять помехи измеряется запасом помехоустойчивости и определяется как разность между минимальными значениями выходного к входного напряжений в состоянии высокого уровня к максимальными значениями выходного, и входного напряжений в состоянии низкого уровня.

Запас помехоустойчивости для стандартных ТТЛ-схем серии 7400 обычно составляет 0,4 В, а для КМОП-схем равен 1/3 VDD (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Логические уровни КМОП- и ТТЛ-схем

2.6. Логические элементы

Обозначения основных логических элементов в соответствии с английским (BS) и американским (MIL/ANSI) стандартами показаны на рис. 2.3. В Великобритании широко распространен американский стандарт, и лишь некоторые фирмы следуют стандарту BS[2]. Рассмотрим вкратце функции логических элементов, приведенных на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Обозначения и таблицы истинности основных логических элементов.

Буфер. Буфер не изменяет логического состояния цифрового сигнала, т. е. логическая 1 (или 0) на входе вызывает логическую 1 (или 0) на выходе. Буферы обычно применяются для повышения нагрузочной способности по току, а также формирования логических уровней, действующих в интерфейсе (устройстве сопряжения).

Инвертор. Инвертор осуществляет дополнение логического состояния, т. е. логическая 1 на входе вызывает логический 0 на выходе и наоборот. Кроме того, инверторы усиливают сигнал по току и, как буферы, применяются в схемах интерфейсов.

Элемент И. На выходе элемента И логическая 1 появляется, если только все входы одновременно находятся в состоянии логической 1. Все остальные комбинации входов приводят к образованию на выходе логического 0.

Элемент НЕ-И. На выходе элемента НЕ-И образуется логический 0, когда все выходы одновременно находятся в состоянии логической 1. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логической 1. Следовательно, элемент НЕ-И — это просто элемент И с инвертированным выходом; кружок на выходе показывает эту инверсию.

Элемент ИЛИ. На выходе элемента ИЛИ появляется логическая 1, если хотя бы один из входов находится в состоянии логической 1. Другими словами, выход элемента ИЛИ соответствует логическому 0, если состояния всех входов одновременно равны логическому 0.

Элемент НЕ-ИЛИ. Элемент НЕ-ИЛИ выдает на выходе логическую 1, если только все его входы одновременно находятся в состоянии логического 0. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логического 0. Нетрудно заметить, что этот элемент представляет собой элемент ИЛИ с инвертированным выходом. По-прежнему на инверсию указывает небольшой кружок на выходе элемента.

Элемент исключающее ИЛИ. Выход элемента исключающее ИЛИ (сумматора по модулю 2) соответствует логической 1, если один из входов находится в состоянии логической 1, а другой — в состоянии логического 0. На выходе появляется логический 0, когда логические состояния обоих входов одинаковы. Отметим, что инверторы и буферы имеют по одному входу, элементы исключающее ИЛИ — два входа, а остальные логические элементы могут иметь до восьми входов.

2.7. Таблицы истинности

В таблицах истинности на рис. 2.3 в удобной форме представлены функции логического элемента. Для логического элемента с n входами получается 2n входных комбинаций, т. е. двухвходовый элемент имеет четыре входные комбинации, а трехвходовый — восемь и т. д.

2.8. Схема охранной сигнализации

Попробуем найти практическое применение изложенному материалу. На рис. 2.4 показана схема охранной сигнализации с четырьмя входами. Каждым из входов управляет нормально замкнутое реле, которое соединяет вход с землей («общий»), т. е. обеспечивает на входе состояние логического 0. Когда реле размыкается, состояние соответствующего входа изменяется с логического 0 на логическую 1, что вызывает появление сигнала тревоги. Четыре светодиода, управляемых инверторами, индицируют логические состояния входов, а пятый светодиод показывает наличие питания. На выходе схемы включен динамик LSI, который импульсно включается с использованием звукового и низкочастотного сигналов. Эти сигналы формируют два генератора Шмитта (IC2) с времязадающими цепочками C1—R10 и С2—R11.

Рис. 2.4. Схема охранной сигнализации на четыре входа.

В микросхеме IC3 типа 7408 используются только два элемента из четырех, а два других просто оставлены незадействованными («плавающими»). На входные контакты 1 и 3 микросхемы IС3а подаются прямоугольные сигналы разных частот, а пульсирующий выход берется с контакта 3. На вставке показано соответствие элементов логической диаграмме микросхемы, а на рис. 2.5 приведена полная схема одного логического элемента. Линии питания +5 и 0 В являются общими для всех четырех элементов микросхемы. Как принято для 14-контактных корпусов DIP, питание подается на контакты 14 (+5 В) и 7 (0 В).

Рис. 2.5. Внутреннее устройство логического элемента IСЗа

2.9. Прослеживание логических состояний

Обычно, если хотя бы один из внутренних компонентов логического элемента выходит из строя, приходится заменять всю микросхему. Поиск элемента, неправильно выполняющего свою логическую функцию, можно вести разными способами, но эффективнее и проще всего воспользоваться для этой цели логическим пробником. Этот удобный и компактный прибор индицирует на светодиодах состояние входного сигнала своего зонда (щупа). Относительно длинный импульс (например, в одну секунду или более) логическим пробником, показывающим только состояния логического 0 и логической 1, обнаружить довольно легко. Короткий же импульс (0,1 с и менее) можно зафиксировать, только если в пробник встроен расширитель импульсов и третий светодиод будет включен на достаточное для визуального восприятия время.

Питание логического пробника обычно берется от проверяемой схемы с помощью двух скрученных проводников, оборудованных изолированными зажимами типа «крокодил». Для подключения пробника можно использовать любые подходящие точки, но наиболее удобно подключаться к выводам развязывающих электролитических конденсаторов или к выходам стабилизатора.

Предположим теперь, что схема охранной сигнализации не выдает звукового сигнала вне зависимости от состояний ее входов. При наличии логического пробника рекомендуется следующая процедура поиска неисправности.

1. Измерьте напряжения питания +5 и +12 В. Если любое из них слишком мало или полностью отсутствует, проверьте блок питания в соответствии с указаниями, приведенными в гл. 1.

2. Отключите все четыре входа, при этом благодаря «вытягивающим» резисторам R1—R4 на входы IС1а и IС1b (см. рис. 2.4) подаются уровни логической 1. Посмотрите на светодиоды D1—D4. Если ни один из них не светится, удалите и замените IC4.

3. Проверьте наличие уровня логической 1 на контактах 3, 6 и 8 микросхемы IC1. Если такого уровня нет, удалите и замените IC1. (Отметим, что микросхемы IС1а, IС1b и IС1с образуют четырехвходовый элемент ИЛИ.)

На выходе 8 микросхемы IC1 должен появиться высокий уровень, когда на одном или нескольких входах действует высокий уровень. Если этого нет, замените эту микросхему.

4. Теперь проверьте логическим пробником состояния входов и выходов микросхемы IC3d; на контакте 13 должен быть высокий уровень, а на контактах 11 и 12 — пульсирующий сигнал. Если на входе 12 действует постоянный высокий или низкий уровень, перейдите к шагу 6, а в противном случае — к шагу 5.

5. Если на выходе 1 микросхемы IC3 импульсов нет, а на входе 13 существует высокий уровень и имеются импульсы на входе 12, удалите и замените IСЗ. Если же импульсы на выходе 11 есть, перейдите к шагу 8.

6. Проверьте логическим пробником состояния уходов и выходов микросхемы IСЗа — на контактах 1–3 должны действовать импульсные сигналы. Если на одном или обоих входах IС3а имеется постоянный низкий или высокий уровень, перейдите к шагу 7. Когда же импульсы на входах 1 и 2 есть, а на выходе 3 их нет, следует заменить микросхему IСЗ.

7. Удалите и замените IC2. Если неисправность не исчезает, проверьте времязадающие цепочки C1—R10 и C2—R11.

8. Отсоедините питание и проверьте с помощью омметра динамик LS1 и резистор R13. Если оба элемента исправны, замените транзистор ТР1.

Глава 3

Моностабильные и бистабильные схемы

3.1. Моностабильные схемы

Выходные состояния логических элементов, рассмотренных в гл. 2, сохраняют логические 0 или 1 в зависимости от логических состояний на их входах. При неизменяющихся входах выходные состояния также остаются постоянными. Однако довольно часто вместо фиксированного логического состояния требуется короткий импульс, т. е. переход 0–1—0 или 1–0—1. Схема, которая реализует эту функцию, имеет только одно стабильное (устойчивое) состояние и называется моностабильной.

Принцип работы моностабильной схемы довольно прост; на выходе действует уровень логического 0 до тех пор, пока на входе запуска не возникает переход или фронт сигнала. Уровень может измениться с 0 на 1 (запускающий положительный фронт) или с 1 на 0 (запускающий отрицательный фронт) в зависимости от конкретной моностабильной схемы. Сразу же при восприятии запуска выход схемы переходит в состояние логической 1. Через некоторый временной интервал, определяемый внешними времязадающими элементами, выход возвращается в состояние логического 0, и схема ожидает следующего запуска.

Существует множество разновидностей моностабильных схем; хотя простейшую из них можно собрать из логических элементов и дискретных деталей, лучше все-таки применять специализированные микросхемы. Для начала рассмотрим простейшие моностабильные схемы с инверторами. На рис. 3.1 показана схема простого генератора или формирователя отрицательного импульса (1–0—1), запускаемого положительным фронтом.

Рис. 3.1. Простой моностабильный генератор отрицательного импульса.

Для понимания работы схемы следует проанализировать, что происходит в ней при подаче запускающего импульса.

Воспользуемся для этого временной диаграммой, приведенной на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Диаграмма сигналов схемы, показанной на рис. 3.1

Поскольку до запуска уровень напряжения на входе равен нулю, конденсатор С первоначально разряжен. На входе инвертора действует логический 0, а на его выходе имеется высокий уровень (логическая 1). При запуске входное напряжение быстро изменяется от нуля до +5 В. Этот перепад напряжения передается через конденсатор на вход инвертора. Инвертор воспринимает вход логической 1, когда входной сигнал переходит порог логической 1 (примерно 1,5 В), и его выход быстро изменяет состояние с логической 1 на логический 0.

Затем конденсатор заряжается через резистор R, и напряжение на входе инвертора экспоненциально спадает до нуля. Когда входное напряжение инвертора уменьшается ниже порога логического 0 (также около 1,5 В), он воспринимает вход как логический 0, и на его выходе устанавливается состояние логической 1.

Временной интервал заряда конденсатора зависит от постоянной времени RC. Следовательно, при выборе соответствующих значений резистора и конденсатора можно получить нужную длительность выходного им пульса. Отметим, однако, что для обычных ТТЛ-элементов оптимальное значение R составляет около 470 Ом и его нельзя ни сильно увеличивать, ни уменьшать. Поэтому для получения выходных импульсов различной длительности приходится варьировать емкость конденсатора С.

Очевидно, для импульсов большой длительности требуется конденсатор большой емкости, обычно электролитический. В схеме желательно применять конденсаторы с малым током утечки, а если необходимо получить импульс с точной длительностью — еще и с малым разбросом. Когда нужен положительный импульс (0–1—0), к выходу подключается второй инвертор (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Простой моностабильный генератор положительного импульса.

На рис. 3.4 и 3.5 показано, как получить положительный и отрицательный выходные импульсы при запуске отрицательным фронтом. Эти схемы похожи на предыдущие, но в них вход инвертора переводится в состояние логической 1 при помощи резисторного делителя. Благодаря делителю на входе инвертора действует постоянное напряжение примерно 2,5 В.

Рассмотрев простейшие моностабильные схемы, познакомимся с популярной микросхемой 74121 ждущего мультивибратора или одновибратора. В зависимости от конфигурации схемы запуск осуществляется фронтом любой полярности. Микросхема имеет два дополняющих выхода Q и Q¯, а длительность импульса определяется внешними резистором и конденсатором.

Рис. 3.4. Генератор положительного импульса, запускаемый спадающим фронтом.

Рис. 3.5. Генератор отрицательного импульса, запускаемый спадающим фронтом.

Внутреннее устройство микросхемы представлено на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Внутреннее устройство микросхемы 74121.

Управляющие входы А1, А2 и В определяют три режима запуска:

1) при подключении А1 или А2 к логическому 0 одновибратор запускается положительным фронтом сигнала на входе В;

2) если А1 и В подключены к логической 1, одновибратор запускается отрицательным фронтом сигнала на входе А2;

3) когда А2 и В подключены к логической 1, запуск осуществляется отрицательным фронтом сигнала на входе A1.

В отличие от других микросхем одновибратор 74121 не допускает повторного запуска (перезапуска) при формировании им выходного импульса. Иными словами, после начала формирования выходного импульса последующие сигналы запуска не распознаются. Более того, в обычных условиях одновибратор до следующего запуска требует интервала восстановления, равного длительности выходного импульса.

3.2. Расширители импульсов

Типичное применение одновибратора связано с расширением очень короткого импульса. Микросхема 74121 идеально подходит для реализации этой функции; ее можно запустить очень коротким импульсом, на который она реагирует формированием выходного импульса фиксированной длительности. Единственное условие надежного запуска состоит в том, чтобы длительность входного импульса превышала 50 нс. Номинал времязадающего резистора должен находиться в диапазоне от 1,5 до 47 кОм. Минимальная емкость внешнего конденсатора составляет 10 пкФ, а максимальная ограничивается только его током утечки. При необходимости можно использовать конденсатор емкостью в сотни микрофарад. Следовательно, одновибратор обеспечивает значительно больший диапазон длительностей выходных импульсов, чем рассмотренные выше простые схемы с инверторами. Длительность выходного импульса микросхемы 74121 в зависимости от R и С можно определить по номограмме (рис. 3.7.)

Рис. 3.7. Номограмма для расчета длительности импульса в микросхеме 74121. При С = 0,01 мкФ и R = 15 кОм длительность импульса составляет 100 мкс.

3.3. RS-триггеры

Рано или поздно у вас возникает потребность в устройстве, которое может хранить логическое состояние (0 или 1) неопределенно долго, но, разумеется, пока есть питание. Такие устройства образуют элементарную разновидность памяти, а поскольку их выход может находиться в одном из двух устойчивых состояний, их называют бистабильными схемами или триггерами.

Простейший триггер реализуется на двух элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Типы RS-триггеров:

а — на элементах НЕ-И; б — на элементах НЕ-ИЛИ

Он имеет два входа установки и сброса и два дополняющих выхода Q и Q¯. Сигнал логической 1 на входе установки заставляет выход Q перейти (или остаться) в состоянии логической 1, а сигнал логической 1 на входе сброса заставляет выход Q перейти (или остаться) в состояние логического 0. В любом случае триггер останется в установленном или сброшенном состоянии до тех пор, пока входной сигнал не изменит это его состояние.

У простейших триггеров, выполненных на элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ, имеется существенный недостаток, который виден из таблицы истинности (табл. 3.1).

Невозможно предсказать выходное состояние, которое останется после подачи логической 1 на оба входа одновременно. Следовательно, необходимы специальные меры, чтобы предотвратить такую запрещенную входную комбинацию.

На практике триггеры на элементах НЕ-И и НЕ-ИЛИ встречаются редко, так как существует множество более универсальных микросхем триггеров, поведение которых полностью предсказуемо. Обозначения трех наиболее распространенных триггеров RS-, D- и JK-типов показаны на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Условные обозначения RS-, D- и JK-триггеров.

D-триггер имеет два основных входа: D (от Delay — задержка или Data — данные) и CLOCK (синхронизация). Входные данные (логический 0 или логическая 1) подаются в триггер так, что его выходное состояние изменяется только в те моменты, когда меняется состояние сигнала синхронизации. Такая работа называется синхронизируемой. Предусматриваются также вспомогательные входы (обычно с активным низким уровнем), предназначенные для прямой установки или сброса триггера. Эти входы называются (пред) установкой PR и очисткой (сбросом) CLR.

Типичное использование D-триггера как однобитной защелки данных показано на рис. 3.10. Работа схемы наглядно поясняется временной диаграммой на рис. 3.11.

Рис. 3.10. D-триггер как защелка данных.

Рис. 3.11. Временная диаграмма работы D-триггера.

Как видно из диаграммы, состояние входа D передается на выход Q по нарастающему фронту сигнала синхронизации. Спадающий фронт сигнала синхронизации не оказывает воздействия на выход Q. Отметим, что обычные D-триггеры, например 7474, 74174 и 74175, синхронизируются нарастающим фронтом CLOCK, а JK-триггеры — спадающим фронтом.

3.4. JK-триггеры

JK-триггер имеет два синхронизируемых входа J и K, два прямых входа PR и CLR, вход синхронизации, а два выхода являются дополняющими, т. е. когда один из них представляет 1, другой представляет 0, и наоборот. Входы PR и CLR активны при низком уровне, т. е. сигнал логического 0 на входе PR переводит выход Q в состояние логической 1, а сигнал логического 0 на входе CLR — в состояние логического 0. Таблица истинности JK-триггера приведена в табл. 3.2.

Действия сигналов (пред) установки PR и очистки (сброса) CLR приведены в табл. 3.3

3.5. Двоичные счетчики/делители

На рис. 3.12 представлен типичный четырехразрядный двоичный счетчик-делитель на JK-триггерах. Каждый из триггеров делит частоту пополам, поэтому, как видно из временной диаграммы на рис. 3.13, частота выходного сигнала равна 1/16 частоты входного сигнала.

Рис. 3.12. Четырехразрядный счетчик на JK-триггерах.

Рис. 3.13. Временная диаграмма работы счетчика, показанного на рис. 3.12.

Поиск неисправностей в таком делителе обычно сводится к просмотру выходных сигналов Q каждого разряда с помощью логического пробника или осциллографа. Подозрительным оказывается разряд, в котором действует правильно синхронизируемый входной сигнал, а выходвое состояние не изменяется. В триггере этого разряда нужно проверить логическое состояние входов J, K, PR и CLR. Чтобы триггер осуществлял счет, на всех этих входах должен быть высокий уровень (логическая 1).

3.6. Регистры сдвига

На рис. 3.14 показан четырехразрядный регистр сдвига, построенный на JK-триггерах. Данные сдвигаются из отдельного разряда в соседний справа разряд по каждому спадающему фронту синхронизации. За четыре полных такта синхронизация логическая 1 со входа первого разряда передается на выход Q последнего разряда.

Рис. 3.14. Четырехразрядный регистр сдвига на JK.

Временная диаграмма работы регистра сдвига представлена на рис. 3.15. При ее построении предполагалось, что первоначально регистр сброшен, а логическое состояние на входе не изменяется в течение четырех тактов синхронизации.

Рис. 3.15. Временная диаграмма работы регистра сдвига, показанного на рис. 3.14 (предполагается, что на входе данных действует сигнал логической 1).

Поиск неисправностей в регистре сдвига оказывается не таким простым, как в двоичном счетчике. Обычно проверяют, что в каждом разряде имеется синхронизация, и прослеживают выходы Q каждого разряда. К сожалению, такая проверка может дать обескураживающий результат, если вход данных не изменяется. Поэтому иногда приходится отсоединять входную цепь и проверять эффект загрузки во все разряды логического 0 (вход J первого триггера подсоединяется к земле) и логической 1 (вход J первого триггера через резистор 1 кОм подсоединяется к питанию +5 В).

3.7. Логические пульсаторы

Производить физические отсоединения в схеме для изменения логического состояния конкретного узла и неудобно, и долго. Конечно же, должен существовать более практичный способ моментального изменения состояния узла без вмешательства паяльником и риска повреждения элементов на печатной плате. Для этого требуется логический пульсатор.

Логический пульсатор — это простой прибор, предназначенный для введения в проверяемую схему короткого импульса (самодельный логический пульсатор описан в приложении 2). Длительность импульса устанавливается небольшой для того, чтобы не повредить ни проверяемую схему, ни сам пульсатор, а полярность импульса изменяется с помощью специального переключателя. Импульс генерируется при нажатии соответствующей кнопки, вмонтированной в корпус прибора. Нормально зонд пульсатора должен иметь высокое сопротивление, чтобы не влиять на логическое состояние узла.

Питание пульсатора, как и логического пробника, обычно берется от проверяемой схемы с помощью пары скрученных проводов, оканчивающихся зажимами типа «крокодил». Зажимы удобно подключать к выводам электролитических развязывающих конденсаторов или к выходным выводам стабилизатора.

Для иллюстрации приемов работы с логическим пульсатором обратимся к схеме двухфазного генератора синхронизации с делителем, показанной на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Двухфазный делитель частоты синхронизации для микропроцессора. Логический пульсатор подключается в точке A, а логическим пробником касаются точки В.

Делитель выполнен на ТТЛ-микросхеме, представляющей собой сдвоенный JK-триггер (см. ее внутреннее устройство на рис. 3.17).

Рис. 3.17. Внутреннее устройство JК-триггера.

Отметим, что в этой микросхеме питание подается на нестандартные контакты.

Предположим, что на шине нет обоих сигналов синхронизации и модуль отсоединен от системной синхронизации, которая считается исправной. Подсоединим пульсатор на вход синхронизации IС2а и одновременно проконтролируем выход IС2Ь с помощью логического пробника. Для проверки правильности работы делителя нужно несколько раз нажать на кнопку и наблюдать изменения сигнала на выходе прибора. (Отметим, что пульсатор «перевешивает» любой логический выход микросхемы IC1.)

Узнавать, какой конкретно JK-триггер не работает, не имеет смысла, так как придется заменять всю микросхему. Убедившись в правильной работе IC2, необходимо проверить шинные драйверы IС3а и IС3Ь. Для этого нужно просто перенести логический пробник на соответствующую линию шины, продолжая подавать импульсы на вход синхронизации первого JK-триггера.

Глава 4

Таймеры

В цифровых схемах часто требуется источник импульсов с точно определенной длительностью. Обычно необходимы и одиночный импульс с заданной длительностью, и непрерывная последовательность импульсов с заданными частотой и коэффициентом заполнения. Первому требованию удовлетворяет моностабильная схема (см. гл. 3), а второму — астабильная схема. (Термин «астабильный» означает, что выход схемы не находится в стабильном или устойчивом состоянии, а непрерывно изменяется между низким и высоким уровнями, т. е. схему можно считать разновидностью генератора.)

Вместо проектирования схемы из традиционных логических элементов проще и экономичнее использовать одну из выпускаемых микросхем таймеров. Таймер может работать в обоих режимах, а для задания его рабочих параметров требуется очень мало внешних элементов.

До рассмотрения схемы типичного таймера уточним некоторые относящиеся к нему термины.

Частота повторения импульсов f импульсного сигнала характеризует число импульсов, приходящихся на заданный временной интервал, обычно на 1 с. Сигнал с частотой 1 кГц соответствует 1000 импульсам в секунду.

Период импульсов t импульсного сигнала — это время одного полного цикла импульса:

t = 1/f.

Период указанного выше импульсного сигнала составляет 1/1000 c, или 1 мс.

Коэффициент заполнения (КЗ), %, импульсного сигнала равен отношению tвкл (высокий уровень) к сумме tвкл и tвыкл (низкий уровень), т. е.

Сигнал, у которого tвкл = 1 мс и выкл = 1 мс, имеет коэффициент заполнения 50 %, т. е. собственно импульс действует в течение половины периода.

Коэффициент формы (КФ) импульсного сигнала равен отношению tвкл (высокий уровень) и tвыкл (низкий уровень).

Ширина импульса прямоугольной формы равна временному интервалу, измеренному на уровне 50 % амплитуды, в течение которого сигнал имеет высокий уровень (включен).

Время нарастания (фронта) импульса равно временному интервалу между точками 10 и 90 % его амплитуды. Время нарастания «идеального» импульса равно нулю.

Время спада (среза) tc импульса равно временному интервалу между точками 90 и 10 % его амплитуды. Время спада «идеального» импульса равно нулю.

На рис. 4.1 представлен типичный импульсный сигнал и показаны рассмотренные параметры.

Рис. 4.1. Типичные параметры импульсного сигнала.

4.1. Таймер 555

Микросхема таймера 555, по-видимому, является одной из наиболее универсальных микросхем. Она не только сочетает в себе комбинацию аналоговых и цифровых схем, но и широко применяется в области цифровых генераторов импульсов. Чтобы разобраться в работе микросхемы, остановимся на ее внутреннем устройстве.

Упрощенная схема таймера 555 приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Упрощенное внутреннее устройство таймера 555.

По существу, таймер состоит из двух операционных усилителей, используемых в качестве компараторов, и RS-триггера. Кроме того, предусмотрен инвертирующий выходной буфер, обеспечивающий достаточно высокую нагрузочную способность. Для быстрого разряда внешнего времязадающего конденсатора имеется транзисторный ключ TR1.

На рис. 4.3 показано включение стандартного таймера 555 в качестве астабильного генератора импульсов.

Рис. 4.3. Астабильная конфигурация таймера 555.

Предположим, что на Выходе (контакт 3) первоначально действует напряжение высокого уровня и транзистор выключен. Тогда конденсатор С начнет заряжаться от источника питания через резисторы R1 и R2.

Когда напряжение на входе Порог (контакт 6) превысит две трети напряжения питания, состояние на входе верхнего компаратора изменится, RC-триггер сбросится (0) и на выходе Q¯ появится напряжение высокого уровня, которое включает транзистор TR1. Из-за наличия инвертирующего буфера на Выходе (контакт 3) формируется напряжение низкого уровня.

Теперь конденсатор С будет разряжаться током, который протекает через резистор R2 и транзистор TR1.

Через некоторое время напряжение на входе Запуск (контакт 2) уменьшится до одной трети напряжения источника питания и нижний компаратор изменит свое состояние, возвратив триггер в исходное состояние (1). На выходе Q¯ образом, весь цикл работы таймера повторяется непрерывно.

Форма выходного сигнала схемы, показанной на рис. 4.3, аналогична сигналу на рис. 4.1. Основные параметры генератора рассчитываются следующим образом:

Для получения симметричного прямоугольного сигнала следует выбрать резистор R2 намного больше R1.

На рис. 4.4 показан стандартный таймер 555, работающий в моностабильном режиме. Для получения выходного импульса на входного импульса на вход Запуск подается спадающий

Рис. 4.4. Моностабильная конфигурация таймера 555.

Запуск подается спадающий фронт, т. е. осуществляется переход от 1 к 0. Когда действует этот сигнал и запускающее входное напряжение уменьшается ниже одной трети напряжения питания, на выходе нижнего компаратора появляется напряжение высокого уровня и триггер переводится в состояние 1. На выходе Q¯ триггера формируется напряжение низкого уровня, транзистор TR1 выключается, и на выходе схемы (контакт 3) появляется напряжение высокого уровня.

После этого конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R до тех пор, пока напряжение Порога не достигнет двух третей напряжения питания. В этот момент напряжение на выходе верхнего компаратора изменяется и триггер сбрасывается. На его выходе Q¯ оказывается напряжение высокого уровня, транзистор TR1 включается, а на выходе (контакт 3) формируется напряжение низкого уровня. Следовательно, схема переводится в пассивное состояние и ожидает следующего запускающего импульса.

Для этого режима справедливы следующие расчетные соотношения:

временной интервал, в течение которого на выходе действует напряжение высокого уровня, t = 1,1 x RС;

рекомендуемая ширина запускающего импульса tзап < tвкл/4.

4.2. Семейство таймеров 555

Стандартный таймер 555 выпускается в 8-контактном корпусе типа DIP (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Разводка контактов одиночного таймера 555

Диапазон рабочего напряжения питания составляет от 4,5 до 15 В. Он перекрывает обычный диапазон TTЛ-схем, поэтому таймер может работать вместе с ними. Выпускаются также и другие разновидности стандартного таймера 555.

Маломощный КМОП-таймер 555 (например, ICM7555IPA). Эта микросхема является аналогом стандартного таймера, но изготавливается по КМОП-технологии. Благодаря этому расширяется диапазон напряжения питания (от 2 до 18 В) и уменьшается потребляемый ток (120 мкА при питании 18 В). Несмотря на то что выходная нагрузочная способность микросхемы уменьшается, все же допускается подключать к схеме до двух стандартных ТТЛ-нагрузок.

Сдвоенный таймер 555 (например, NE556A). Это просто сдвоенный вариант стандартной микросхемы 555, выпускаемый в 14-контактном корпусе (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Разводка контактов сдвоенного таймера 555

Оба таймера можно использовать независимо друг от друга; они обладают такими же электрическими характеристиками, как и стандартный таймер 555.

Маломощный сдвоенный таймер (например, ICM7556IPA). Микросхема представляет собой сдвоенный вариант КМОП-таймера 555 и оформлена в 14-контактном корпусе, так же как и приведенная на рис. 4.6. Оба таймера автономны и обладают электрическими характеристиками, аналогичными КМОП-таймеру 555.

4.3. Поиск неисправностей в схемах с таймерами

Определить неисправности в схемах с таймерами довольно просто. Прежде всего требуется выяснить, в каком режиме (астабильном или моностабильном) работает таймер. Затем следует сделать обоснованное предположение о длительности выходного импульса. При этом можно воспользоваться приведенными выше соотношениями либо номограммами, приведенными на рис. 4.7 и 4.8.

Рис. 4.7. Номограмма для определения частоты импульсов таймера 555 в астабильном режиме. При С = 0,22мкФ и R = R1 = R2 = 10 кОм частота составляет около 400 кГц.

Рис. 4.8. Номограмма для определения ширины импульса таймера 555 в моностабильном режиме. При С = 0,1 мкФ и R =47 кОм ширина импульса составляет около 5 мс.

Выходное состояние таймера (сигнал на контакте 3, см. рис. 4.6) определяется с помощью логического пробника (схема самодельного пробника дана в приложении 2) или осциллографа, если, конечно, он есть. В астабильном режиме логический пробник при касании его зондом контакта 3 стандартного таймера должен показать наличие непрерывной импульсной последовательности (индикация светодиодами логических 0 и 1). По относительной яркости свечения светодиодов можно даже грубо оценить коэффициент заполнения импульсов.

Отметим, что для обеспечения астабильного режима работы на входе Сброс (контакт 4) должен действовать сигнал высокого уровня. В некоторых устройствах этот вход используется для переключения триггера. Поэтому, если астабильная работа не обнаруживается, целесообразно проверить сигнал на входе сброса.

Для проверки моностабильной работы также достаточно одного логического пробника. Но если длительность выходного импульса невелика (например, менее 100 мс), важно, чтобы в пробнике была схема расширения импульсов. Зондом пробника следует коснуться выхода (контакт 3 в стандартном таймере 555) и осуществить запуск. В некоторых схемах запуск реализуется очень просто, например с помощью специально предусмотренной для этого кнопки.

В других случаях запуск можно смоделировать, закоротив контакт 2 на землю, как показано на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Моделирование запуска спадающим фронтом.

Подчеркнем, что при сопряжении сигнала запуска по постоянному току спадающий фронт импульса должен иметь достаточную амплитуду, чтобы напряжение на контакте 2 упало ниже одной трети напряжения питания.

Если длительность выходного импульса не совпадает с ожидаемой (особенно в схемах с электролитическим времязадающим конденсатором), приходится проверять постоянные напряжения на входах Порог и Разряд (см. рис. 4.6). Для измерения следует пользоваться только вольтметром с очень высоким входным сопротивлением.

Обычные мультиметры со входным сопротивлением около 20 кОм/В для таких измерений не подходят, так как сильно изменяют постоянные времени заряда и разряда.

Глава 5

Микропроцессоры

В этой главе рассмотрим основные характеристики четырех наиболее распространенных 8-битных микропроцессоров и некоторые приемы поиска неисправностей в микропроцессорных системах. Глава начинается с общего введения в микропроцессоры и микропроцессорные системы, рассчитанного на читателей, которые с ними еще не знакомы.

Микропроцессоры — это СБИС, которые могут воспринимать, дешифровать и выполнять команды, представленные в двоично-кодированной форме. Микропроцессор образует ядро любой микрокомпьютерной системы. Однако сами по себе микропроцессоры не являются компьютерами, поскольку требуют разнообразных вспомогательных («поддерживающих») микросхем. Среди последних важнейшую роль играют микросхемы, предназначенные для хранения последовательностей команд (т. е. программ) и изменяющейся информации (т. е. данных), привлекаемой для обработки.

Некоторые специализированные микропроцессоры снабжены внутренней памятью (для хранения программ и данных) и входными/выходными портами. Для таких микропроцессоров требуется минимальный объем внешних вспомогательных схем, и они идеально подходят для дешевых систем управления. Обычно упомянутые микропроцессоры называются однокристальными микрокомпьютерами.

Микропроцессоры в зависимости от размера двоичных чисел, которыми они оперируют, можно разделить на два класса. Большинство современных микропроцессоров выполняют операции над группами из 8 или 16 двоичных разрядов (бит). Очевидно, 16-битные микропроцессоры оказываются мощнее 8-битных. В ряде случаев их применения выбирать между этими двумя классами почти не приходится. Например, относительные стоимость и сложность 16-битных микропроцессоров препятствуют их использованию в системах управления. Поэтому будем ориентироваться на 8-, а не на 16-битные микропроцессоры.

8-битный микропроцессор вводит и выводит данные группами по 8 бит, называемых байтами. Данные передаются по восьми отдельным линиям D0—D7, образующим шину данных. Микропроцессоры определяют источник данных (откуда их нужно считать) и их получатель (куда данные нужно записать), указывая местоположение данных в форме уникального адреса. Для этого адресный двоичный набор помещается на шину адреса. В 8-битных микропроцессорах шина адреса всегда состоит из 16 отдельных линий А0—А15.

Адреса, по которым считываются и записываются данные, могут относиться к системной памяти (например, ЗУПВ или ПЗУ) либо к вводу-выводу (ВВ). Распределение адресного диапазона 64К в 8-битных микропроцессорах удобно показывать с помощью карты памяти.

Еще одна шина применяется для определения направления передачи данных (т. е. указания операции считывания или записи) и некоторых общих служебных функций, например сброса. Эта шина называется шиной управления и в зависимости от типа микропроцессора состоит из 5—15 линий.

Первое поколение 8-битных микропроцессоров появилось в середине 70-х годов, начиная с микросхемы 8008 фирмы Intel. По тому времени она казалась удивительным прибором, который мог заменить множество других микросхем и адресовать «огромную» память 16К байт.

По современным меркам микропроцессор 8008 выглядит довольно «слабым» по своим возможностям. Затем появился более «удачный» микропроцессор 8080, выполненный по NMOП-технологии (микропроцессор 8008 выпускался по РМОП-технологии). Микропроцессор 8080 имеет 16 линий адреса, обеспечивающих адресацию памяти 64К байт, и 78 команд, находящихся в распоряжении программиста. На базе этого микропроцессора были разработаны более совершенные микропроцессоры 8085 и Z80.

Наряду с фирмой Intel к производству микропроцессоров подключились и другие фирмы, например Motorola (микропроцессор 6800) и MOS Technology (микропроцессор 6502). В последующие годы было затрачено много усилий на переход к 16- и 32-битным микропроцессорам. Несмотря на новейшие разработки, первые образцы микропроцессоров, а также их модификации довольно широко применяются и в настоящее время. Цены на них значительно снизились, и теперь можно собрать микропроцессорную систему (состоящую из центрального процессора и ряда вспомогательных микросхем) за умеренную плату. Например, основой системы управления микроклиматом почти наверняка будет микропроцессор или однокристальный микрокомпьютер. Такая система не только выполнит все традиционные функции, но и обеспечит более сложные средства обработки данных, а также хранение их с возможностью использования в последующем и даже передаст информацию в удаленный компьютер. Сэкономленное при проектировании аппаратных средств время целесообразно посвятить программному обеспечению проекта, а последующие улучшения свести к замене программного ПЗУ.

5.1. Внутренняя архитектура

Главными внутренними элементами микропроцессора являются:

• регистры для временного хранения команд, данных и адресов;

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), которое реализует множество арифметических и логических функций;

• схема управления, воспринимающая и генерирующая внешние управляющие сигналы (например, считывания и записи) и формирующая сигналы для синхронизации всей системы.

Конечно, внутреннее устройство (или архитектура) микропроцессоров разных семейств различно, но в них имеется и много общих элементов. Например, в основных микропроцессорных семействах заметна тенденция сохранить «совместимость вверх» в части их внутренней архитектуры и системы команд, что, безусловно, делает новые приборы более привлекательными для потребителей.

Внутренние регистры — это просто наборы триггеров-защелок (см. гл. 3), в которые при обработке помещаются двоичные данные. Некоторые из регистров доступны программисту (т. е. он может записать в них или считать их содержимое), а другие не доступны. Регистры подразделяются на специализированные (т. е. имеющие конкретное назначение, например указание ячейки памяти или хранения результата операции АЛУ) и общего назначения.

Особенно важную роль в микропроцессоре играют следующие регистры.

Программный счетчик или указатель команды. Программный счетчик PC или указатель команды IP в 8-битном микропроцессоре — это 16-битный регистр, содержащий адрес следующего командного байта. При выборке каждого командного байта производится автоматический инкремент программного счетчика.

Аккумулятор А функционирует как регистр-источник и регистр-получатель; он одновременно является и источником одного из байт данных, которые требуются для операции АЛУ, и местом, куда помещается результат операции АЛУ. Разумеется, в 8-битных микропроцессорах длина аккумулятора составляет 8 бит.

Регистр флажков F (или регистр состояния SR, регистр кода условия CCR) содержит информацию о внутреннем состоянии микропроцессора, в частности об особенностях результата последней операции АЛУ. Подчеркнем, что регистр флажков не является регистром в обычном смысле, а представляет собой просто набор триггер-защелок, состояния которых зависят от результата операции АЛУ. Можно считать, что выход каждого триггера действует как флажок. Обычно имеются флажки нуля Z, переполнения V, отрицательного результата N и переноса С.

Указатель стека. В большинстве микропроцессоров требуется доступ к такой области внешнего ЗУПВ, которая предназначена для временного хранения данных. Эта область называется стеком и занимает от 16 до 256 байт. (Заметим, однако, что стек — это динамическая структура и его размер изменяется в процессе обработки).

Стек работает по принципу «последний пришел — первый ушел» (LIFO). Данные включаются («проталкиваются») в стек, а затем извлекаются («выталкиваются») из него. Указатель стека SP следит за положением стека, т. е. содержит адрес последней использованной ячейки стека. В некоторых микропроцессорах, например в микропроцессоре 6809, имеются два независимых указателя стека — системный указатель стека SSP и пользовательский указатель стека USР.

Регистр команды непосредственно программисту недоступен. Он содержит текущий командный байт, который декодируется дешифратором команды. Выходы дешифратора команды подаются в схему управления микропроцессора, определяющую направление передач данных и реагирующую на внешние сигналы, появляющиеся на шине управления, а также выполняет другие функции.

Упрощенная внутренняя архитектура типичного 8-битного микропроцессора показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Упрощенная внутренняя архитектура типичного 8-битного микропроцессора.

Отметим, что линии внешней шины управления изолированы от линий внутренней шины с помощью буферов и основные внутренние элементы связаны быстродействующей внутренней шиной данных.

5.2. Линии управления

Рассмотрим вкратце функции наиболее важных внешних линий управления, которые имеются в большинстве микропроцессоров.

Считывание/запись. На линии считывания/записи R/W¯ действует сигнал низкого уровня, когда микропроцессор выполняет операцию записи, и сигнал высокого уровня в операции считывания. В некоторых микропроцессорах, например в Z80, имеются отдельные линии считывания READ и записи WRITE.

Запрос прерывания. На входной линии запроса прерывания  или  внешнее устройство формирует сигнал низкого уровня, обращая «внимание» микропроцессора на этот сигнал. Если флажок прерывания сброшен (логический 0), запрос воспринимается и микропроцессор прерывает обычную обработку и переходит к выполнению нужной процедуры прерывания.

Немаскируемое прерывание. Реакция на обычный запрос прерывания ( или ) определяется флажком прерывания, поэтому прерывание может быть замаскировано. В программу вводятся команды, которые устанавливают и сбрасывают флажок прерывания и, следовательно, разрешают или запрещают прерывания. Такой способ позволяет гибко реагировать на прерывания — мы сами определяем, воспринимаются они или игнорируются. Однако в некоторых ситуациях требуется, чтобы прерывание обслуживалось независимо от текущих действий микропроцессора. Для этой цели предусмотрена отдельная линия немаскируемого прерывания . Когда на ней появляется сигнал низкого уровня, выполнение программы прерывается независимо от состояния флажка прерывания, т. е. независимо от того, разрешены прерывания или запрещены.

Сброс. Сигнал низкого уровня на входной линии сброса  применяется для инициализации системы, т. е. приведения ее в известное состояние, до обычного выполнения программы. При активном сигнале сброса программный счетчик PC переводится в определенное состояние (например, в него загружается нуль или конкретный адресный вектор) и прерывания запрещаются.

Выполняются и другие внутренние операции, зависящие от типа микропроцессора.

Синхронизация. Для упорядочивания передач данных внутри микропроцессора необходимо синхронизировать их специальными сигналами. Они формируются либо внешним генератором (рис. 5.2), либо аналогичным внутренним генератором. Для поддержания точности и стабильности сигналов синхронизации обычно применяется кварцевый осциллятор; диапазон частоты синхронизации составляет от 1 до 8 МГц.

Рис. 5.2. Типичная схема синхронизации.

Такт синхронизации (Т-состояние) является в микропроцессоре основным временным интервалом. Машинный цикл (М-цикл) — это минимальная неделимая единица действий микропроцессора. Обычно он состоит из 3–5 тактов синхронизации. Командный цикл, включающий в себя выборку, дешифрование и выполнение команды, обычно требует от 1 до 5 машинных циклов.

Оценим реальные временные интервалы, о которых идет речь. Предположим, что микропроцессор Z80 работает с частотой синхронизации 4 МГц. Тогда такт синхронизации (Т-состояние) соответствует 250 нс. Продолжительность машинного цикла (М-цикла) составляет от 0,75 до 1,25 мкс, а командного цикла (в зависимости от команды) — от 1,25 до 6,25 мкс. Другими словами, микропроцессор может выполнить от 160000 до 800 000 команд в секунду!

5.3. Микропроцессорные системы

Даже самый совершенный микропроцессор практически бесполезен без «поддержки» других устройств, которые подразделяются на три группы.

Запоминающее устройство с произвольной выборкой. Выше мы говорили о том, что всем микропроцессорам требуется доступ к памяти со считыванием и записью, и хотя однокристальные микропроцессоры обладают такой небольшой внутренней памятью, обычно для организации памяти требуются соответствующие микросхемы (подробнее см. в гл.6).

Постоянное запоминающее устройство. Микропроцессорам необходима некоторая фиксированная память для управляющих программ и, возможно, операционных систем и интерпретаторов языков программирования высокого уровня. Такая память обеспечивается микросхемами постоянных запоминающих устройств (см. гл. 6).

Микросхемы для ввода-вывода. Чтобы выполнить любую полезную функцию, микропроцессор должен как-то взаимодействовать с внешним миром. Такие связи реализуются с помощью БИС, конфигурация которых определяется программно и которые называются программируемыми.

Микросхемы для ввода-вывода подразделяются на параллельные (одновременно передается байт) и последовательные (по единственной линии передается один бит за другим).

На рис. 5.3 показана базовая конфигурация микропроцессорной системы, содержащая центральный микропроцессор (ЦП), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и микросхемы для ввода-вывода.

Рис. 5.3. Основные компоненты микропроцессорной системы.

Отметим наличие в системе трех шин; компоненты объединяются шинами адреса, данных и управления, поэтому одним из требований к вспомогательным микросхемам оказывается наличие у них тристабильных выходов. С их помощью обеспечивается отключение микросхемы от шины, когда последняя не требуется.

Вспомогательные микросхемы, например ПЗУ или ЗУПВ, почти всегда выбираются или разрешаются низким уровнем сигнала разрешения кристалла EN или выбора (выборки) кристалла CS.

Обычно эти сигналы формируют дешифраторы адреса, на входы которых подаются сигналы с шины адреса. Дешифратор адреса как бы разделяет имеющуюся память на блоки, каждый из которых соответствует конкретной вспомогательной микросхеме. Следовательно, когда микропроцессор считывает или записывает информацию, например в ЗУПВ, дешифратор адреса обеспечивает выбор только ЗУПВ, а внутренние буферы микросхем ПЗУ и ввода-вывода удерживают их выходы в высокоимпедансном состоянии.

Распределение пространства памяти в микропроцессорной системе удобно показывать с помощью так называемой карты памяти. 8-битный микропроцессор с 16-линиями адреса может адресовать любую из 65536 (216) ячеек памяти, поэтому диапазон адресов памяти составляет от 0 до 65535 (максимальный адрес). На рис. 5.4 показана типичная карта памяти с адресами.

Рис. 5.4. Типичная карта памяти системы управления с 8-битным микропроцессором.

5.4. Поиск неисправностей в микропроцессорах

Поиск неисправностей в микропроцессорных системах, особенно для новичков, может оказаться сложной задачей. Однако расстраиваться не нужно, потому что большинство неисправностей довольно просты и их можно обнаружить несложным прибором. До начала работы следует по возможности получить принципиальную схему и документацию по эксплуатации системы; в ней приводятся наиболее часто встречающиеся неисправности.

Отправной точкой при работе со схемной платой служит идентификация основных элементов, включая микропроцессор и вспомогательные микросхемы. Микросхемы полупроводниковой памяти обычно размещаются компактно, и их легко найти (подробнее см. в гл. 6), а микросхемы для ввода-вывода располагаются вблизи соответствующих разъемов. Генератор синхронизации легко найти по кварцу, а дешифраторы адреса выполняются на TTЛ-схемах либо на заказных логических матрицах (программируемые логические матрицы ПЛМ или нескоммутироваиные логические матрицы НЛМ).

Разобравшись в схемной плате и найдя основные микросхемы, нужно попытаться найти ответы на следующие вопросы.

1. В каком состоянии находится система — имеется ли какая-либо индикация или система выглядит полностью неработающей? В последнем случае прежде всего необходимо проверить напряжение питания +5 В. Если оно мало или отсутствует, следует отключить питание от печатной платы и установить, «виноват» блок питания или чрезмерная нагрузка из-за короткого замыкания в самой системе.

2. Нажмите кнопку сброса и посмотрите, возникают ли в системе какие-либо изменения. Если происходит частичный сброс (например, индицируется сообщение об авторском праве или появляется какой-то начальный стимул), неисправность микропроцессора маловероятна, а более правдоподобен отказ в какой-либо вспомогательной микросхеме, например в ЗУПВ.

3. Если наблюдается перемежающаяся неисправность (система какое-то время работает, а затем останавливается в непредсказуемой точке), проверьте все разъемы. Соединения в краевых разъемах довольно ненадежны, и их контакты следует периодически чистить. Аналогичная проблема возникает, если основные микросхемы вставлены в гнезда. Осторожно нажмите на каждую из «больших» микросхем и посмотрите, не возобновляется ли правильная работа. Иногда до замены микросхемы достаточно просто аккуратно вынуть ее и снова вставить, так как эта операция может прочистить контакты.

4. Если микропроцессор вроде бы работает и неисправность не перемежающаяся, целесообразно проверить сигналы управления в самом микропроцессоре. На рис. 5.6–5.8 показана разводка контактов четырех наиболее популярных 8-битных микропроцессоров.

Рис. 5.5. Разводка контактов микропроцессора 6502.

Рис. 5.6. Разводка контактов микропроцессора 6800.

Рис. 5.7. Разводка контактов микропроцессора 6809.

Рис. 5.8. Разводка контактов микропроцессора Z80.

С помощью логического пробника (см. приложение 2) убедитесь, что:

а) имеются сигналы на входе синхронизации (пробник показывает наличие импульсов). Если их нет, проверьте схему генератора синхронизации;

б) на входе сброса отсутствует сигнал низкого уровня (проверьте также действие короткого импульса при нажатии кнопки сброса). При «зависшем» входе сброса проверьте соответствующую схему формирования сигнала сброса;

в) отсутствует постоянный сигнал низкого уровня на входе немаскируемого прерывания. Если такой сигнал все же имеет место, попробуйте поочередно отключать внешние устройства до тех пор, пока сигнал немаскируемого прерывания не станет пассивным. Проверьте также микросхему ввода-вывода (можно временно вынуть ее из гнезда, не забыв, конечно, предварительно выключить питание);

г) линии считывания и записи (или одна линия считывания/записи) активны. Если микропроцессор выбирает команды и выполняет их, на этих линиях действует непрерывный поток импульсов. Если их нет, нажмите кнопку сброса и проверьте наличие кратковременной активности на линии считывания. В случае отсутствия импульсов и при срабатывании сигнала сброса, по всей вероятности, неисправен сам микропроцессор.

5. Если на предыдущих этапах проблема не выяснена, поочередно коснитесь логическим пробником каждой линии адреса и данных (при наличии осциллографа удобно использовать и его). Наблюдайте сигнал на каждой линии.

Если на какой-то линии постоянно действует сигнал низкого или высокого уровня (т. е. она «зависла») или постоянно находится в высокоимпедансном состоянии, выключите питание и попробуйте поочередно отсоединять вспомогательные микросхемы. В случае сохранения неисправности ее причиной может быть отказ в одном из внутренних буферов микропроцессора, что требует его замены.

6. Если все ваши попытки оказались тщетными, воспользуйтесь следующими «менее научными», но тем не менее эффективными приемами:

а) пусть система поработает некоторое время, затем поочередно коснитесь пальцем каждой микросхемы. Если какая-то микросхема слишком горячая, то вполне возможно, что неисправность произошла именно в ней (температуру можно сравнить, касаясь аналогичной микросхемы на этой же или другой печатной плате);

б) когда микросхемы вставлены в гнезда, поочередно вынимайте и заменяйте каждую из них (не забывая, конечно, выключать питание). Замену следует производить на заведомо работоспособную микросхему.

5.5. Логический анализатор

Данные в сложной микропроцессорной системе непрерывно изменяются с очень высокой скоростью (быстродействие многих современных микропроцессоров составляет более 1 млн. операций в секунду). Чтобы получить осмысленное представление о состоянии системы, в некоторых случаях требуется проанализировать изменение данных по командам. Для этого разработан способ восприятия данных от системы за небольшой временной интервал и запоминания их для индикации и наблюдения.

Как и многие современные контрольно-измерительные приборы, логические анализаторы содержат встроенные микропроцессоры. Стоимость этих приборов колеблется от 50 фунт. ст. (сравнительно несложный прибор с 16-ричным индикатором и небольшой памятью — 2К) до нескольких тысяч фунтов стерлингов (многофункциональный прибор с памятью 16К и дисплеем на электронно-лучезой трубке).

Логические анализаторы подключаются к исследуемой системе через входной порт и быстродействующую память для регистрации данных. Благодаря этому прибор может зарегистрировать часть изменяющихся данных, существующих в исследуемой системе.

В анализаторе обычно предусматриваются различные режимы запуска и сбора данных. Важно, чтобы он мог зафиксировать данные, имеющиеся в системе до и после определенной точки при выполнении программы. Для этого приходится сравнивать входную информацию с определенным пользователем запускающим словом. Когда в системе возникает запускающее слово (например, микропроцессор обращается по конкретному адресу памяти), схемы запуска формируют импульс, «замораживающий» состояние памяти для регистрации данных. Таким образом обеспечивается фиксация данных и их доступность для последующего анализа.

Еще один из способов запуска заключается в использовании импульса, генерируемого на одной из входных линий. Типичным примером такого запуска является регистрация данных до и после появления импульса на линии прерывания.

Большинство многофункциональных логических анализаторов обеспечивают два режима индикации — во временной области и в информационной области. В первом случае индицируется временная диаграмма в виде сигналов, показывающих состояния каждой входной лиши в выбранном временном интервале (диаграмма напоминает изображение на экране многоканального запоминающего осциллографа). Обычно допускается движение «окна» по памяти для регистрации (или перемещение курсора по неподвижному изображению), что позволяет получить более подробную информацию, включая двоичное и 16-ричное преобразования сигналов в конкретный момент времени. Индикация в информационной области производится в двоичном или 16-ричном форматах, а иногда позволяет дисассемблировать дг-.нные для различных микропроцессоров.

Глава 6

Полупроводниковая память

В гл. 5 мы говорили о необходимости схем, предназначенных для хранения последовательностей команд и изменяющейся информации (данных), используемой в процессе обработки. Выпускается несколько разновидностей микросхем полупроводниковой памяти. Некоторые из них обеспечивают постоянное хранение программ и данных, поэтому их называют энергонезависимыми. В энергозависимой памяти при выключении питания ее содержимое теряется.

Несмотря на то что в некоторых специализированных микропроцессорах (рассчитанных, например, на простые и дешевые системы управления) предусматривается небольшая внутренняя память для программ и данных, для большинства микропроцессоров обычно требуется внешняя память. Напомним, что такая память подразделяется на ЗУПВ и ПЗУ.

Память, в которую можно записывать и из которой можно считывать, — это ЗУПВ. Иными словами, мы сами изменяем ее содержимое. Из ПЗУ же можно только считывать информацию; попытка записать в такую память не изменяет ее содержимого. Примерами ПЗУ и ЗУПВ служат компакт-диски и компакт-кассеты, используемые для записи музыки и речи. После записи содержимое компакт-диска изменить нельзя, а содержимое кассеты можно стереть и записать на нее снова.

В микропроцессорных системах для хранения данных применяется малогабаритная и быстродействующая полупроводниковая память. Выпускается несколько типов микросхем ПЗУ для различных целей. В термине ЗУПВ слова «произвольная выборка» просто означают, что в такой памяти одинаково легко осуществляется обращение к любым хранимым в ней данным. В отличие от ЗУПВ имеется память с последовательным доступом, например на магнитной ленте.

6.1. Постоянные запоминающие устройства

Энергонезависимая память в микропроцессорных системах необходима для хранения управляющих программ, операционных систем и интерпретаторов языков программирования высокого уровня. Именно на такие применения и рассчитаны ПЗУ. Если требуется сменить управляющую программу или перейти к другой версии операционной системы, микросхему(ы) ПЗУ следует заменить.

В ПЗУ 8-битного микрокомпьютера примерно 4К байт отводятся для операционной системы, которая обеспечивает ввод с клавиатуры, управляет выводом на дисплей, кассетным накопителем и т. п. Интерпретатор БЕЙСИКа обычно занимает 12К байт. Реализовать ПЗУ емкостью 16К можно на одной микросхеме 16К, двух микросхемах 8К или четырех микросхемах 4К.

Программируемые маской ПЗУ. Если микропроцессорная система рассчитывается на массовый выпуск, например домашний компьютер, наиболее целесообразно применять ПЗУ, программируемые маской или фотошаблоном. Запись в такие устройства осуществляется в процессе производства — хранящиеся данные определяются применяемой маской. Разработчик системы сообщает спецификации содержимого ПЗУ фирме-изготовителю. Поскольку заказ оказывается выгодным только для партии в десятки тысяч микросхем, разработчик должен быть полностью уверен в том, что данные и программы безошибочны и не потребуют изменений.

Программируемые ПЗУ с плавкими перемычками. Такие ПЗУ (ППЗУ) оказываются экономичными при среднем объеме производства, и их программирует сам разработчик. Внутри микросхемы находится матрица из нихромовых или поликремниевых перемычек, которые можно расплавить, подав импульс тока с соответствующими параметрами. Программирование занимает значительное время, но сам прибор (программатор) оказывается простым и относительно недорогим. Довольно часто опытные образцы микропроцессорных систем поставляются с ППЗУ, которые после выявления ошибок и при переходе к массовому выпуску заменяются на ПЗУ.

Стираемые ППЗУ. После программирования изменить содержимое рассмотренных выше микросхем ППЗУ нельзя, т. е. они не допускают стирания содержимого и повторного программирования. В то же время стираемые ППЗУ (СППЗУ) обеспечивают многократные стирание их содержимого и программирование.

В корпусе СППЗУ сделано «окно», через которое на матрицу запоминающих элементов попадает свет. При экспонировании ультрафиолетовым светом в течение нескольких минут хранимые данные стираются. После этого в микросхему с помощью дешевого программатора импульсами тока можно записать новую информацию. Процесс программирования длится несколько минут, однако некоторые программаторы позволяют записывать информацию в несколько микросхем одновременно.

Стираемые ППЗУ удобно применять при мелкосерийном производстве и на этапе проектирования, однако относителыю высокая стоимость устройств препятствует их использованию в серийных изделиях. В табл. 6.1 приведены основные характеристики наиболее популярных микросхем СППЗУ, а разводка контактов их корпусов показана на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Разводка контактов распространенных микросхем СППЗУ.

Электрически стираемые ППЗУ. В относительно новых микросхемах электрически стираемых (изменяемых) ППЗУ в отличие от СППЗУ можно стереть содержимое электрическими импульсами; при этом микросхемы не нужно вынимать из гнезд. К сожалению, такие микросхемы довольно дороги и пока не получили широкого распространения, тем более что имеются экономичные КМОП-ЗУПВ, оправдывающие использование батарейного резервного питания.

Не следует полагать, что последние два вида микросхем можно отнести к памяти с записью и считыванием, т. е. к ЗУПВ. Хотя в них реализуются обе операции, следует все же отчетливо представлять себе различие между ними и истинными ЗУПВ, обеспечивающими моментальное изменение содержимого любого байта. Важными характеристиками являются также время и простота репрограммирования микросхем. Типичное время обращения к любому байту в ЗУПВ составляет около 150 нс. Следовательно, все содержимое микросхемы ЗУПВ 8К можно изменить за 150x8192 не (плюс некоторое дополнительное время на действия процессора). Общее время обращения измеряется несколькими миллисекундами.

Программирование микросхемы СППЗУ емкостью 8К байт длится несколько минут без учета извлечения ее из гнезда и стирания имеющейся информации ультрафиолетовым светом. В этом отношении микросхемы электрически стираемых ППЗУ предпочтительнее, так как их не требуется вынимать из гнезд. Но все же время их репрограммирования в несколько тысяч раз больше, чем у микросхем ЗУПВ эквивалентной емкости.

6.2. Запоминающие устройства с произвольной выборкой

Такие устройства необходимы в любой микропроцессорной системе. Часть их памяти используется операционной системой для хранения системных переменных и в качестве рабочей области. Кроме того, ЗУПВ также требуется операционной системе и управляющей программе в целях организации стека для временного хранения данных. Еще одна область ЗУПВ необходима пользователю для его программ и данных. Кроме того, при наличии растрового дисплея часть ЗУПВ выделяется для экранной памяти; обычно при этом применяется точечное отображение, т. е. каждый бит экранного ЗУПВ соответствует конкретной точке на экране (пикселу). Типичное распределение ЗУПВ в 8-битном микрокомпьютере приведено в табл. 6.2.

Биполярные ЗУПВ. Основу биполярных ЗУПВ образует обычный транзисторный триггер, схема которого показана на рис. 6.2.

Такая память потребляет значительную мощность, поэтому емкость ее ограничена. Однако быстродействие биполярных ЗУПВ очень высоко, что объясняет их применение в высокопроизводительных системах и в качестве буферов между быстродействующими устройствами и обычной более медленной памятью.

Рис. 6.2. Элемент биполярной статической памяти.

Статическая NМОП-память. Основным запоминающим элементом статической NMOП-памяти также является триггер (рис. 6.3). Такая память потребляет значительно меньшую мощность, чем биполярные ЗУПВ, что позволяет достичь намного большей плотности упаковки.

Рис. 6.3. Элемент статической NМОП-памяти.

Статическая КМОП-память. Запоминающий элемент статической КМОП-памяти аналогичен элементу статической NМОП-памяти. В режиме пассивного хранения данных КМОП-память потребляет ничтожную мощность, поэтому она применяется в тех системах, которые должны работать от батарейного питания.

Динамическая NМОП-память. Принцип действия динамической NМОП-памяти основан на хранении заряда на конденсаторе, а не на применении триггера. Упрощенная схема элемента динамической NMOП-памяти показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Элемент динамической NМОП-памяти.

Заряд, имеющийся на конденсаторе С, неизбежно «растекается», поэтому динамическую память необходимо периодически регенерирозать. Процесс регенерации заключается в периодическом считывании хранимых данных с их последующей записью. Регенерацию осуществляет либо микропроцессор, либо микросхема контроллера регенерации динамической памяти.

В табл. 6.3 приведены характеристики наиболее популярных микросхем ЗУПВ.

Разводка контактов некоторых распространенных микросхем ЗУПВ показана на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Разводка контактов распространенных микросхем ЗУПВ.

6.3. Дешифрирование адреса

Каждая ячейка полупроводниковых ПЗУ и ЗУПВ имеет свой уникальный адрес: по этому адресу хранится байт, состоящий из 8 бит. Каждая микросхема ПЗУ или ЗУПВ (или банк микросхем ЗУПВ) считается отдельным блоком памяти, размер которого зависит от емкости используемых микросхем. Например, система может иметь ПЗУ 16К и три блока ЗУПВ по 16К (каждый из блоков состоит из восьми микросхем 16КХ1), которые перекрывают весь адресный диапазон 64К. Одно из возможных назначений адресов блокам представлено в табл. 6.4, а соответствующая карта памяти показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Типичная карта полностью занятой памяти 64К.

Входы и выходы данных микросхем ЗУПВ вместе с выходами данных микросхем ПЗУ подключаются к соответствующим линиям системной шины данных.

Каждая микросхема ЗУПВ имеет 14 входных линий адреса А0—А13 и одну линию выбора кристалла . На линии  активным является сигнал низкого уровня, поэтому для подключения выходов выбранных ЗУПВ или ПЗУ к шине на вход  необходимо подать именно такой сигнал. Кроме того, ко всем микросхемам памяти подключается линия считывания/записи или специальная линия считывания/записи памяти.

Линии адреса всех микросхем ЗУПВ и ПЗУ подключаются к соответствующим линиям шины адреса. Следовательно, если не принять специальных мер, все четыре блока памяти будут выполнять операции считывания и записи одновременно. Конечно же, для этого применяется дешифрирование сигналов на двух старших линиях А15 и А14, чтобы активизировать соответствующие линии . Подходящий способ дешифрирования приведен в табл. 6.5.

Дешифрирование сигналов на двух старших линиях адреса осуществляется простой схемой, показанной на рис. 6.7. Ее можно реализовать на обычных логических элементах или встроить в программируемую логическую матрицу (ПЛМ).

Рис. 6.7. Схема дешифратора адреса.

Для дешифрирования адреса можно использовать также специально предназначенные для этого микросхемы. Их называют дешифраторами или демультиплексорами. Распространенные дешифраторы приведены в табл. 6.6.

На рис. 6.8 показано применение одного из дешифраторов микросхемы 74LS139 в целях формирования четырех сигналов  для ПЗУ и ЗУПВ из предыдущего примера.

Рис. 6.8. Типичный дешифратор адреса с микросхемой 74LS139.

Отметим, что дешифратор 74LS139 имеет вход разрешения . Его можно использовать для запрещения дешифратора, чтобы сразу запретить обращение ко всей памяти. Такая возможность очень удобна в тех ситуациях, когда в одном и том же адресном пространстве необходимо разместить несколько банков ПЗУ, ЗУПВ и вспомогательные микросхемы.

6.4. Практические схемы ЗУПВ

На рис. 6.9 показана практическая реализация памяти с емкостью 64К из восьми микросхем. Микросхема 6264 имеет организацию 8КХ8, поэтому все пространство памяти 64К разделяется на восемь блоков по 8К (каждый блок соответствует отдельной микросхеме). Дешифрирование адреса осуществляется микросхемой IС9.

Рис. 6.9. Практическая схема ЗУПВ 64К на микросхемах 6264.

Еще один вариант построения памяти 64К предстален на рис. 6.10. Микросхемы 4864 имеют организацию 64КХ1, поэтому из-за отсутствия «конфликтов» между блоками дешифратор адреса для блоков не нужен. Конечно, в зависимости от типов применяемых микросхем существуют и другие варианты построения памяти (мы привели наиболее распространенные конфигурации).

Рис. 6.10. Практическая-схема ЗУПВ 64К на микросхемах 4864.

6.5. Поиск неисправностей в полупроводниковой памяти

В операционные системы большинства современных микропроцессорных систем встроены простые диагностические процедуры, выполняемые при запуске системы.

Довольно часто они проверяют функционирование микросхем ПЗУ и ЗУПВ. Для проверки ПЗУ обычно применяется метод нахождения контрольной суммы. Полученная сумма сравнивается с эталонной, и в случае их различия выдается соответствующее сообщение об ошибке.

Для диагностики ЗУПВ применяется совершенно другой метод, связанный с поочередной записью и считыванием каждого байта. При этом контролируется правильность выполнения требуемого изменения. Если какой-то бит не изменяется, диагностическая процедура временно останавливается и выдается идентифицирующее сообщение об ошибке. Обычно показывается адрес неисправного байта, что позволяет выявить конкретную микросхему или банк микросхем.

Более совершенные способы диагностики ЗУПВ включают в себя запись и считывание определенных двоичных наборов по более сложному алгоритму. Диагностику ЗУПВ можно также выполнить на неразрушающейся основе, и считанный из ЗУПВ байт заменяется сразу же после его проверки. При этом появляется возможность осуществить диагностический контроль через некоторое время после инициализации системы.

При наличии диагностических процедур поиск неисправностей в полупроводниковой памяти значительно упрощается. Однако иногда отказ микросхем ПЗУ или ЗУПВ препятствует нормальной инициализации системы, и в такой ситуации следует выполнить действия, описанные в гл. 5.

Обычно отказ отдельных элементов памяти можно обнаружить с помощью диагностических процедур, а затем требуется отыскать отказавшую микросхему. Иногда выход данных микросхемы зависает в том или ином состоянии. Такой отказ легко обнаружить с помощью логического пробника. В других случаях отказ в памяти может быть серьезнее, и отказавшая микросхема начинает потреблять излишнюю мощность, что приводит к ее перегреву. Рекомендуется придерживаться следующей процедуры определения отказа.

1. Пусть система поработает некоторое время. После этого коснитесь пальцем каждой микросхемы ПЗУ и ЗУПВ и проверьте их рабочую температуру. Наиболее нагретая микросхема становится подозрительной. (Температуру можно сравнить, касаясь аналогичной микросхемы на этой же или другой печатной плате.)

2. Когда микросхемы ПЗУ или ЗУПВ находятся в гнездах, поочередно вынимайте и заменяйте каждую из них (не забывая, конечно, выключать питание). Пользуйтесь заведомо работоспособными микросхемами. Если микросхемы ПЗУ или ЗУПВ впаяны в печатную плату, для поиска отказавшей микросхемы удобно использовать индикатор тока. С его помощью нужно проверить токи в критических точках печатной платы (например, по линии питания каждой микросхемы). Микросхема, потребляющая значительно больший (или значительно меньший) ток, чем другие, становится подозрительной.

Наконец, в качестве общего правила укажем, что когда подозрительная микросхема выпаяна из печатной платы, настоятельно рекомендуется пользоваться гнездом, а не просто впаивать в плату новую микросхему.

Глава 7

Микросхемы для ввода-вывода

В этой главе рассматриваются основные принципы параллельной и последовательной передачи данных, методы управления вводом и выводом, а также несколько популярных программируемых микросхем для ввода и вывода.

7.1. Требования к вводу-выводу

Микропроцессорная система без средств ввода и вывода оказывается бесполезной. Конечно, характеристики и объемы ввода и вывода в системе определяются, в первую очередь, спецификой ее применения. Например, в простом домашнем компьютере, как минимум, необходимы ввод с клавиатуры и вывод на обычный телевизор. Кроме того, желательны канал связи с бытовым магнитофоном и дополнительный выход на принтер (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Средства ввода-вывода в простом домашнем компьютере.

Однако, в микропроцессорной системе управления некоторым промышленным процессом не требуются клавиатура и дисплей, так как почти наверняка ее дистанционно программирует и контролирует главный микрокомпьютер (с использованием последовательной линии RS-232C). Контроллер должен иметь до 24 отдельных линий ввода и вывода для управления реле, двигателями и лампами (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Средства ввода-вывода в промышленной системе управления.

7.2. Способы организации ввода-вывода

Существуют два основных способа организации ввода-вывода. С одной стороны, устройства (микросхемы) ввода-вывода считаются адресами памяти, а с другой — каждому устройству (микросхеме) назначается адрес конкретного порта. В любом случае данные выводятся простой записью их по соответствующему адресу памяти или порта, а вводятся считыванием по аналогичному адресу. В случае ввода-вывода, отображенного на память, ЦП реализует операции ввода-вывода точно так же, как операции памяти. Часть пространства памяти резервируется для ввода-вывода: ее, конечно, нельзя одновременно назначать ЗУПВ или ПЗУ. При организации ввода-вывода через порты выделяется набор адресов портов, которые совершенно не зависят от обычного пространства памяти. Адреса портов отделяются от адресов памяти с помощью сигналов, действующих на шине управления.

Например, в микропроцессоре Z80 для этого используются сигналы:

— линия запроса памяти, на которой формируется сигнал низкого уровня, когда ЦП выполняет операцию считывания или записи с памятью;

— линия запроса ввода-вывода, на которой формируется сигнал низкого уровня, когда ЦП выполняет операцию ввода-вывода.

Для ввода и вывода в микропроцессоре Z80 существуют специальные команды, например:

OUT(FFH), А — записывает содержимое аккумулятора (8-битное значение) в порт с 16-ричным адресом FF;

IN (A) FFH — считывает содержимое порта с 16-ричным адресом FF и помещает результат в аккумулятор.

7.3. Параллельный и последовательный ввод-вывод

Необходимо различать также параллельный и последовательный ввод-вывод. В первом случае одновременно передается байт данных (следовательно, здесь требуется 8-битный буфер или защелка), а во втором данные передаются отдельными битами. Параллельный ввод-вывод реализуется довольно просто (рис. 7.3). Здесь для вывода применяется стандартная 8-битная защелка, а для ввода — 8-битный тристабильный буфер. Однако такая простая схема оказывается недостаточно гибкой, и лучше воспользоваться программируемой микросхемой параллельного ввода-вывода.

Рис. 7.3. Схема простого параллельного ввода и вывода.

Поскольку данные обычно представлены на шине микропроцессора в параллельной форме (байтами), их последовательный ввод-вывод оказывается несколько сложнее. Для последовательного ввода потребуются средства преобразования последовательных входных данных в параллельные данные, которые можно поместить на шину. С другой стороны, для последовательного вывода необходимы средства преобразования параллельных данных, представленных на шине, в последовательные выходные данные. В первом случае преобразование осуществляется регистром сдвига с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO), а во втором — регистром сдвига с параллельным входом и последовательным выходом (PISO). Схемы обоих вариантов ввода и вывода показаны на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Схемы последовательного ввода и вывода:

а — последовательный ввод с регистром сдвига SIPO; б — последовательный вывод с регистром PISO

Их можно реализовать на обычных логических элементах, но более эффективное решение заключается в применении специализированных программируемых микросхем.

7.4. Методы управления вводом-выводом

Существуют три основных метода управления операциями ввода-вывода. Наиболее простой и очевидный метод заключается в том, чтобы разрешить ЦП управлять всеми операциями ввода-вывода. Этот метод, называемый программным вводом-выводом (или вводом-выводом с опросом), обеспечивает ЦП полное управление ситуацией, но оказывается наименее гибким и довольно медленным. По существу, ЦП периодически опрашивает каждое периферийное устройство (через соответствующую схему ввода-вывода), не требует ли оно обслуживания. Если запрос имеется, ЦП выполняет необходимую процедуру обслуживания. Когда воспринят запрос на обслуживание, все запросы от других периферийных устройств игнорируются; эти устройства должны ожидать до тех пор, пока ЦП не освободится для обработки их запроса на обслуживание.

Более удобный, но и более сложный метод заключается в том, чтобы разрешить периферийным устройствам прерывать обычную работу ЦП. При наличии сигнала прерывания и с учетом состояния своего флажка прерывания ЦП должен приостановить текущую программу (сохранив в стеке все важные параметры и адрес возврата), а затем выполнить необходимую процедуру обслуживания.

Прерывания можно схемно упорядочить по приоритетам так, чтобы самое важное периферийное устройство обслуживалось в первую очередь. В качестве примера рассмотрим тормозную систему автомобиля. ЦП должен отреагировать на отказ тормозов и выдать об этом предупреждение независимо от других одновременно происходящих событий.

Согласно третьему, самому сложному методу управления вводом-выводом внешним устройствам обеспечивается полный доступ к пространству памяти системы без всякого участия ЦП в передачах данных. Такой метод называется прямым доступом к памяти (ПДП) и оказывается очень эффективным. Данные можно передавать с исключительно высокой скоростью (так как вмешательства ЦП не требуется), поэтому ПДП используется, например, для передач данных в накопитель на твердом диске или из него. В простых управляющих применениях ПДП не требуется, но о нем нужно знать. Упрощенные структурные схемы всех методов управления вводом-выводом показаны на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Основные методы управления вводом-выводом:

а — программируемый (с опросом); б — по прерыванию; в — прямой

7.5. Микросхемы параллельного ввода-вывода

После обзора основных принципов ввода-вывода в микропроцессорных системах обратимся к распространенным программируемым микросхемам ввода-вывода.

Микросхемы параллельного ввода-вывода имеют множество фирменных названий, но их внутренняя архитектура и принципы действия удивительно похожи и различаются только в некоторых деталях. Наиболее известны следующие микросхемы:

6520 — периферийный интерфейсный адаптер (PIA);

6521 — периферийный интерфейсный адаптер (PIA), аналогичен 6520;

6522 — универсальный интерфейсный адаптер (VIA);

6820 — периферийный интерфейсный адаптер (PIA), эквивалент 6520;

6821 — периферийный интерфейсный адаптер (PIA), эквивалент 6521;

8255 — программируемый параллельный интерфейс (PPI);

Z80-PIO — программируемый ввод-вывод (РIO).

Как следует из приведенных названий, программируемые микросхемы параллельного ввода-вывода допускают программное задание одного из нескольких режимов:

1) все восемь линий являются входами;

2) все восемь линий являются выходами;

3) линии отдельно программируются как входные или выходные.

Кроме того, обычно предусматриваются дополнительные линии для квитирования. Этот термин характеризует процесс обмена управляющими сигналами между микрокомпьютером и периферийным устройством.

Обозначения линий портов и их функции в разных микросхемах также различны, но и здесь наблюдается определенное единообразие. Большинство указанных выше микросхем обладают следующими линиями (рис. 7.6):

доступ к памяти

Рис. 7.6. Внутренние регистры типичной программируемой микросхемы параллельного ввода-вывода.

РА0—РА7 — линии ввода-вывода порта А. Первая линия соответствует младшему биту, а вторая — старшему;

СА1—СА2 — линии квитирования для порта А; СА1 — это вход прерывания, а СА2 можно использовать и как вход прерывания, и как выход управления периферийным устройством;

РВ0—РВ7 — линии ввода-вывода порта В;

СВ1—СВ2 — линии квитирования для порта В; их функции аналогичны линиям СА1—СА2.

Электрические характеристики портов ввода-вывода разнообразны, но все сигналы обязательно ТТЛ-совместимы. Выходные линии портов (обычно группы В) нескольких программируемых микросхем параллельного ввода-вывода допускают непосредственное подключение к базе обычного или составного (схема Дарлингтона) транзистора. Следовательно, такую микросхему можно использовать в качестве драйвера реле или лампы. К выходным линиям порта иногда подключают высоковольтные драйверы с открытым коллектором.

На рис. 7.7 показана разводка контактов нескольких программируемых микросхем параллельного ввода-вывода.

Рис. 7.7. Разводка контактов распространенных программируемых микросхем параллельного ввода-вывода.

7.6. Микросхемы последовательного ввода-вывода

Последовательные данные передаются в синхронном или асинхронном режимах. В синхронном режиме все передачи осуществляются под управлением общего сигнала синхронизации, который должен присутствовать на обоих концах линии связи. Асинхронная передача подразумевает — передачу данных пакетами; каждый пакет содержит необходимую информацию, требующуюся для декодирования содержащихся в нем данных. Конечно, второй режим сложнее, но у него есть серьезное преимущество: не нужен отдельный сигнал синхронизации.

Подробнее этот вопрос рассмотрен в гл. 8.

Программируемые микросхемы последовательного ввода-вывода выпускаются под разными названиями, например:

6850 — асинхронный связной интерфейсный адаптер (ACIA);

6852 — синхронный адаптер последовательных данных (SSDA);

8251 —универсальный синхронно-асинхронный приемник-передатчик (USART);

8256 — универсальный асинхронный приемник-передатчик (UART);

Z80-DART— сдвоенный асинхронный приемник-передатчик (DART).

Как и у микросхем параллельного ввода-вывода, у программируемых микросхем последовательного ввода-вывода наблюдается общность внутренней архитектуры. Вот список наиболее типичных сигналов:

D0—D7 — входные-выходные линии данных, подключаемые непосредственно к шине микропроцессора;

RXD — принимаемые данные (входные последовательные данные);

TXD — передаваемые данные (выходные последовательные данные);

CTS — сброс передачи. На этой линии периферийное устройство формирует сигнал низкого уровня, когда оно готово воспринимать данные от микропроцессорной системы;

RTS — запрос передачи. На эту линию микропроцессорная система выдает сигнал низкого уровня, когда она намерена передавать данные в периферийное устройство.

Все сигналы программируемых микросхем последовательного ввода-вывода ТТЛ-совместимы. Отметим, однако, что эти сигналы рассчитаны только на очень короткие линии связи, например между клавиатурой и корпусом компьютера. Для последовательной передачи данных на значительное расстояние требуются дополнительные буферы и преобразователи уровней, включаемые между микросхемами последовательного ввода-вывода и линией связи.

Разводка контактов наиболее распространенных программируемых микросхем последовательного ввода-вывода показана на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Разводка контактов распространенных программируемых микросхем последовательного ввода-вывода.

7.7. Поиск неисправностей в микросхемах ввода-вывода

Поскольку работа программируемых микросхем параллельного ввода-вывода предсказуема, можно обнаружить возникающие в них неисправности, измерив сигналы на различных входных и выходных линиях. Поиск неисправностей в микросхемах параллельного ввода-вывода оказывается сравнительно простой задачей, чего нельзя сказать о микросхемах последовательного ввода-вывода.

Прежде всего следует убедиться в том, что ЦП действительно выбирает подозреваемую программируемую микросхему ввода-вывода. Для этого достаточно проверить сигналы на линиях управления с помощью логического пробника. Убедившись в выборе конкретной микросхемы, необходимо проверить ситуацию со стороны периферийного устройства. По возможности целесообразно написать короткую программу для исследования порта (т. е. считывания или записи данных) и проконтролировать возникающие при ее выполнении логические условия. Отказ транзистора внешнего драйвера часто выводит из строя буфер-драйвер внутри программируемой микросхемы ввода-вывода, но повреждение не обязательно распространяется на все восемь линий конкретного порта. Следовательно, перед заменой микросхемы ввода-вывода следует тщательно проверить периферийное устройство и соответствующие схемы.

Когда микросхемы вставлены в гнезда, целесообразно заменить подозреваемую микросхему на заведомо исправную (не забудьте при этом выключить питание и отсоединить все внешние схемы). Как и в случае с полупроводниковой памятью, рекомендуется смонтировать гнездо для микросхемы, если его нет.

Обнаружить неисправность в программируемых микросхемах последовательного ввода-вывода гораздо труднее. Здесь также рекомендуется прежде всего проверить условия со стороны ЦП, т. е. различные сигналы шины управления и выбора микросхемы. Убедившись в том, что микросхема выбирается, можно проверить состояния линий RTS и CTS (при выводе) и  или  (при вводе). Следует также проверить наличие и правильность сигналов синхронизации (типичная частота синхронизации приема-передачи составляет 500 кГц). Наконец, из-за различий в схемах весьма желательно иметь под рукой фирменные материалы по эксплуатации микросхем.

Полезно, также выполнить короткую тест-программу порта, например цикл, который непрерывно выводит в порт один и тот же байт. Отметим, однако, что последовательный интерфейс с RS-232C требует сигналов квитирования, поэтому очень важно проверить драйверы и приемники линии связи, разъемы и кабели, а также само периферийное устройство, прежде чем менять микросхему последовательного ввода-вывода.

Глава 8

Интерфейсы

Рассмотрим теперь два важнейших способа соединения микропроцессорных систем и периферийных устройств: хорошо известный (но часто довольно плохо понимаемый) последовательный интерфейс RS-232C и менее известную универсальную приборную шину GPIB (IEEE-488).

8.1. Интерфейс RS-232C

Несомненно, интерфейс RS-232C/CCITT V24 является наиболее широко распространенной стандартной последовательной связью между микрокомпьютерами и периферийными устройствами. Интерфейс, определенный стандартом Ассоциации электронной промышленности (EIA), подразумевает наличие оборудования двух видов: терминального DTE и связного DCE.

Чтобы не составить себе неправильного представления об интерфейсе RS-232C, необходимо отчетливо понимать различия между этими видами оборудования. Терминальное оборудование, например микрокомпьютер, может посылать и (или) принимать данные по последовательному интерфейсу. Оно как бы оканчивает (terminate) последовательную линию. Связное же оборудование понимается как устройства, которые могут упростить последовательную передачу данных совместно с терминальным оборудованием. Наглядным примером связного оборудования служит модем (модулятор-демодулятор). Он оказывается соединительным звеном в последовательной цепочке между компьютером и телефонной линией (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Типичная последовательная линия связи между микрокомпьютерами:

1 — закрепленный 25-контактный разъем типа D (штырьки); 2 — съемный 25-контактный разъем типа D (отверстия); 3, 9 — кабель интерфейса RS-232C; 4 — съемный 25-контактный разъем типа D (штырьки); 5 — закрепленный 25-контактный разъем типа D (отверстия); 6 — телефонная линия; 7 — закрепленный 25-контактный разъем типа D (отверстия); 8 — съемный 25-контактный разъем типа D (штырьки); 10 — съемный 25-контактный разъем типа D (отверстия); 11 — закрепленный 25-контактный разъем типа D (штырьки)

К сожалению, различие между терминальным и связным оборудованием довольно расплывчато, поэтому возникают некоторые сложности в понимании того, к какому типу оборудования относится то или иное устройство.

Рассмотрим, например, ситуацию с принтером. К какому оборудованию его отнести? Еще вопрос: как связать два микрокомпьютера, когда они оба действуют как терминальное оборудование?

Для ответа на эти вопросы следует рассмотреть физическое соединение устройств.

Произведя незначительные изменения в линиях интерфейса RS-232C, можно заставить связное оборудование функционировать как терминальное. Чтобы разобраться в том, как это сделать, нужно проанализировать функции сигналов интерфейса RS-232C.

Сигналы интерфейса RS-232C. По-видимому, читатели знакомы с видом «стандартного» последовательного порта RS-232C, который всегда имеет форму 25-контактного разъема типа D.

Терминальное оборудование обычно оснащено разъемом со штырьками, а связное — разъемом с отверстиями (но могут быть и исключения).

Разводка контактов разъема RS-232C показана на рис. 8.2, а функции сигнальных линий приведены в табл. 8.1.

Рис. 8.2. Назначение линий 25-контактного разъема типа D для интерфейса RS-232C

Примечания:

1. Линии (контакты) 11, 18 и 25 обычно считаются незаземленными. Приведенные в таблице функции относятся к спецификациям Bell 113В и 208А.

2. Линии 9 и 10 используются для контроля отрицательного (MARK) и положительного (SPACE) уровней напряжения.

3. Чтобы избежать путаницы между RD (Read — считывать) и RD (Received Data — принимаемые данные), будем пользоваться обозначениями RXD и TXD, а не RD и TD.

4. Иногда отдельные фирмы используют запасные линии RS-232C для контроля или специальных функций, относящихся к конкретной аппаратуре (по неиспользуемым линиям подают даже питание и аналоговые сигналы, так что будьте внимательны).

Классы сигналов. Сигналы интерфейса RS-232C подразделяются на следующие классы.

Последовательные данные (например, TXD, RXD). Интерфейс RS-232C обеспечивает два независимых последовательных канала данных: первичный (главный) и вторичный (вспомогательный). Оба канала могут работать в дуплексном режиме, т. е. одновременно осуществляют передачу и прием информации.

Управляющие сигналы квитирования (например, RTS, CTS). Сигналы квитирования — это средство, с помощью которого обмен сигналами позволяет DTE начать диалог с DCE до фактических передачи или приема данных по последовательной линии связи.

Сигналы синхронизации (например, ТС, RC). В синхронном режиме (в отличие от более распространенного асинхронного) между устройствами необходимо передавать сигналы синхронизации, которые упрощают синхронизм принимаемого сигнала в целях его декодирования.

На практике вспомогательный канал RS-232C применяется редко, и в асинхронном режиме из 25 линий обычно используются только девять линий (контактов), которые приведены в табл. 8.2.

8.2. Виды сигналов в интерфейсе RS-232C

В большинстве систем, содержащих интерфейс RS-232C, данные передаются асинхронно, т. е. в виде последовательности пакетов данных. Каждый пакет содержит один символ кода ASCII (американский стандартный код для обмена информацией), причем информация в пакете достаточна для его декодирования без отдельного сигнала синхронизации.

Символы кода ASCII представляются семью битами, например буква А имеет код 1000001. Чтобы передать букву А по интерфейсу RS-232C, необходимо ввести дополнительные биты, обозначающие начало и конец пакета. Кроме того, желательно добавить лишний бит для простого контроля ошибок по паритету (четности).

Наиболее широко распространен формат, включающий в себя один стартовый бит, один бит паритета и два стоповых бита. Эквивалентный ТТЛ-сигнал при передаче буквы А показан на рис. 8.3.

Рис. 8.3. Представление кода буквы А сигнальными уровнями ТТЛ.

Начало пакета данных всегда отмечает низкий уровень стартового бита. После него следует 7 бит данных символа кода ASCII. Бит паритета содержит 1 или 0 так, чтобы общее число единиц в 8-битной группе было нечетным (нечетный паритет — нечетность) или четным (четный паритет — четность). Последними передаются два стоповых бита, представленных высоким уровнем напряжения.

Таким образом, полное асинхронно передаваемое слово данных состоит из 11 бит (фактические данные содержат только 7 бит) и записывается в виде 01000001011. Здесь использован четный паритет, поэтому девятый бит содержит 0.

К сожалению, используемые в интерфейсе RS-232C уровни сигналов отличаются от уровней сигналов, действующих в микрокомпьютере. Логический 0 (SPACE) представляется положительным напряжением в диапазоне от +3 до +25 В, а логическая 1 (MARK) — отрицательным напряжением в диапазоне от —3 до —25 В.

На рис. 8.4 показан сигнал пакета данных для кода буквы А в том виде, в каком он существует на линиях TXD или RXD интерфейса RS-232C.

Рис. 8.4. Вид кода буквы А на сигнальных линиях TXD или RXD

Сдвиг уровня, т. е. преобразование ТТЛ-уровней в уровни интерфейса RS-232C и наоборот, производится специальными микросхемами драйвера линии и приемника линии. Разводка контактов наиболее популярных микросхем 1488 и 1489 показана на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Разводка контактов драйвера линии 1488 и приемника линии 1489

На рис. 8.6 представлен типичный микрокомпьютерный интерфейс RS-232C.

Рис. 8.6. Типичная схема интерфейса RS-232C

Программируемая микросхема IC1 последовательного ввода осуществляет необходимые параллельно-последовательные и последовательно-параллельные преобразования данных. Микросхемы IC2 и IC3 производят сдвиг уровней для трех выходных сигналов TXD, RTS и DTR, а микросхема IC4 — для трех входных сигналов RXD, CTS и DSR. Микросхемы IС2 и IC3 требуют напряжения питания ±12 В.

Усовершенствования. Разработано несколько новых стандартов, направленных на устранение недостатков первоначальных спецификаций интерфейса RS-232C. Эти стандарты позволяют улучшить согласование линии, увеличить расстояние и повысить скорость передачи данных.

Отметим среди них интерфейс RS-422 (балансная система, допускающая импеданс линии до 50 Ом), RS-423 (небалансная система с минимальным импедансом линии 450 Ом) и RS-449 (стандарт с очень высокой скоростью передачи данных, в котором несколько изменены функции схем и применяется 37-контактный разъем типа D.

8.3. Тестовое оборудование для интерфейса RS-232C

Специалистам, постоянно занимающимся тестированием или поставкой систем, в которых применяется последовательный интерфейс RS-232C (или эквивалентный ему), необходимы специальные тестовые приборы. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Соединители. Эти дешевые устройства упрощают перекрестные соединения сигнальных линий интерфейса RS-232С. Они обычно оснащаются двумя разъемами типа D (или ленточными кабелями, имеющими розетку и вставку), и все линии подводятся к той области, куда можно вставить перемычки. Такие устройства включаются последовательно с линиями RS-232C, и затем проверяются различные комбинации подключений.

Трансформаторы разъема. Обычно эти приспособления имеют разъем RS-232C со штырьками на одной стороне и разъем с отверстиями на другой стороне.

Пустые модемы. Как и предыдущие устройства, пустые модемы включаются последовательно в тракт данных интерфейса RS-232C. Их функции заключаются в изменении сигнальных линий таким образом, чтобы превратить DTE в DCE. Пустые модемы несложно реализовать с помощью соединителей. Две возможные конфигурации пустого модема показаны на рис. 8.7.

Рис. 8.7. Два варианта пустого модема

Линейные мониторы. Мониторы индицируют логические состояния (в терминах MARK и SPACE) наиболее распространенных сигнальных линий данных и квитирования. С их помощью пользователь получает информацию о том, какие сигналы в системе присутствуют и активны.

Врезки. Эти устройства обеспечивают доступ к сигнальным линиям. В них, как правило, совмещены возможности соединителей и линейных мониторов и, кроме того, предусмотрены переключатели или перемычки для соединения линий с обоих сторон устройства. Для подключения врезки применяются два плоских кабеля, заканчивающихся разъемами (самодельная врезка описана в приложении 2).

Интерфейсные тестеры. По своей конструкции эти приборы несколько сложнее предыдущих простых устройств. Они позволяют переводить линии в состояния MARK или SPACE, обнаруживать помехи, измерять скорость передачи и даже индицировать структуру слова данных. Конечно, такие приборы довольно дороги, например стоимость полностью укомплектованного интерфейсного тестера превышает 250 фунт. ст.

8.4. Поиск неисправностей в системах RS-232C

Поиск неисправностей в системах RS-232C включает в себя следующие основные этапы.

1. Установите, какое устройство является DTE, а какое DCE. Обычно на этот вопрос можно ответить, посмотрев на разъем (напомним, что оборудование DTE оснащается разъемом со штырьками, а оборудование DCE — разъемами с отверстиями). Если оба устройства, как это часто бывает, работают в конфигурации DTE, то для правильной работы необходим пустой модем.

2. Проверьте правильность использования кабеля. Отметим, что существуют несколько разновидностей кабелей интерфейса RS-232C: кабель, состоящий из четырех проводов (линий) для простых терминалов, девяти проводов для обычной асинхронной передачи данных, 15 проводов для синхронной связи и 25 проводов для любых применений (рис. 8.8). Если возникают какие-либо сомнения, пользуйтесь кабелем с 25 проводами.

Рис. 8.8. Варианты кабелей для интерфейса RS-232C:

а — кабель с четырьмя линиями для простейших терминалов (используются контакты 1–3 и 7, а контакты 8 и 20 закорачиваются); б — кабель с девятью линиями для асинхронной связи (используются контакты 1–8 и 20); в — кабель с 15 линиями для синхронной связи (используются контакты 1–8, 13–15, 17, 20, 22 и 24), г — кабель с 26 линиями для универсальных применений (используются контакты 1-25)

3. Убедитесь в том, что на каждом конце последовательной линии правильно заданы формат слова и скорость передачи в бодах.

4. Включите линию и проверьте логические состояния сигнальных линий данных (TXD и RXD) и квитирования с помощью линейного монитора, врезки или интерфейсного тестера.

5. Если что-то не так, посмотрите по техническому описанию, не требуются ли какие-либо специальные соединения и полностью ли совместимы интерфейсы. Особо подчеркнем, что некоторые фирмы реализуют интерфейсы квази-RS-232C с ТТЛ-совместимыми сигналами. Очевидно, что такие интерфейсы электрически не совместимы с обычным интерфейсом RS-232C, хотя и работают с аналогичными протоколами.

8.5. Универсальная приборная шина IEEE-488

Шина IEEE-488, называемая также приборной шиной Hewlett — Packard, широко применяется для соединения микрокомпьютерных контроллеров в автоматическом испытательном оборудовании АТЕ. Большинство современных электронных приборов, включая цифровые вольтметры и генераторы сигналов, оснащаются интерфейсом IEEE-488. Последний позволяет подключать приборы к микрокомпьютерному контроллеру, который управляет работой приборов и обрабатывает передаваемые ими данные.

Стандарт IEEE-488 определяет следующие типы устройств:

приемники, получающие информационные и управляющие сигналы от других устройств, подключенных к шине, но не передающие данные. Типичным примером приемника служит генератор сигналов;

передатчики, которые только помещают данные на шину, но не принимают данные. Типичным примером передатчика является перфоленточный считыватель. Отметим, что в любой момент времени активным является лишь один передатчик, но получать данные могут несколько приемников одновременно;

передатчик-приемник, принимающий данные с шины и передающий их на шину. Типичным примером такого устройства является цифровой мультиметр. Данные поступают в прибор для выбора требуемого диапазона и возвращаются на шину в виде цифровых отсчетов напряжения, тока или сопротивления;

контроллер, применяющийся для управления передачами данных по шине и их обработки. Контроллером в системе IEEE-488 почти всегда является микрокомпьютер; во многих системах используются персональные компьютеры фирмы IBM, но и другими фирмами выпускаются специализированные микропроцессорные контроллеры.

Шина IEEE-488 обладает восемью многофункциональными двунаправленными линиями данных. Они применяются для передач данных, адресов, команд и байт состояния. Кроме того, имеются пять линий управления шиной и три линии квитирования.

Разъем для шины IEEE-488 имеет 24 контакта (рис. 8.9), функции сигнальных линий приведены в табл. 8.3.

Рис. 8.9. Функции линий 24-контактного разъема для шины IEEE-488

Примечания: 1. В сигнальных линиях квитирования (DAV, NRFD и NDAC) используются выходы типа открытого коллектора, которые допускают реализацию монтажного ИЛИ.

2. Все остальные сигналы ТТЛ-совместимы и активны при низком уровне.

О наличии команд на шине сигнализирует низкий уровень на линии ATN. Затем контроллер помещает на шину команды, которые передаются в отдельные устройства, идентифицируемые адресами на пяти младших линиях шины данных. Можно выдавать также («широковещательные») команды для всех устройств.

Так как физические расстояния между устройствами невелики, скорость передачи данных довольно высока (от 50 до 250 Кбайт/с). На практике скоростью передачи данных управляет самый медленный приемник. На рис. 8.10 показана система, где в качестве контроллера выступает микрокомпьютер.

Рис. 8.10. Типичная конфигурация шины IEEE-488

8.6. Поиск неисправностей в системах IEEE-488

Поиск неисправностей в системах на базе шины IEEE-488 обычно намного проще, чем в системах с интерфейсом RS-232C. Объясняется это в основном двумя причинами: во-первых, в реализациях стандарта IEEE-488 гораздо меньше отклонений, и, во-вторых, все сигналы имеют стандартные TTЛ-уровни направления. Следовательно, здесь допускается применение обычных цифровых приборов, логических пробников и пульсаторов. Более того, в управляющие программы часто встроены диагностические процедуры, которые извещают пользователя о том, что, например, внешнее устройство не реагирует на команды с шины.

Если все же встречаются затруднения, следует проверить конфигурацию программного обеспечения и назначения адресов различным устройствам в системе. При необходимости проверки состояний сигнальных линий можно воспользоваться логическим пробником (напомним, что все сигналы активны при низком уровне).

Глава 9

Микропроцессорные шины

9.1. Шина STE

Шина STE — это сравнительно новое стандартизованное средство для микрокомпьютерных систем, которое начинает широко применяться в промышленности. Оно относится к модулям на европлатах, объединенных шиной из 64 линий и удовлетворяющих стандарту IEEE-1000. Шина рассчитана на три типа плат: для обработки, ввода-вывода и формирования сигналов. Так как процессоры управляют передачами данных по шине, их часто называют ведущими шины. Платы же ввода-вывода называются ведомыми шины.

В зависимости от назначения имеются платы ввода-вывода для цифрового ввода и вывода, аналогового ввода, аналогового ввода и вывода. В платах цифрового ввода-вывода применяются программируемые микросхемы параллельного ввода-вывода (см. гл. 7), а в платах аналогового ввода-вывода — аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Выпускаются также процессоры шины STE с последовательным интерфейсом RS-232C (см. гл. 8) для подключения к терминалу или внешнему главному микрокомпьютеру. Разработана плата шины STE для подключения к универсальной приборной шине IEEE-488 (см. гл. 8). Все это делает шину STE гибкой и универсальной.

Процессоры шины STE — это одноплатные компьютеры с ЦП, ПЗУ, ЗУПВ и интерфейсными схемами. На европлате размером 100x160 мм плотность монтажа оказывается очень высокой. Например, один из наиболее популярных процессоров состоит из более чем 30 микросхем, причем не менее четырех из них — в 40-контактных корпусах типа DIP.

Структурная схема типичного процессора шины STE показана на рис. 9.1 (сравните ее с конфигурациями из гл. 5).

Рис. 9.1. Структурная схема типичного процессора шины STE

Центральный процессор (ЦП) Z80 работает с частотой синхронизации 4 МГц. Системный генератор синхронизации, стабилизированный кварцем (см. гл. 5), функционирует с частотой 16 МГц. Затем с помощью делителя формируются сигналы синхронизации 8 МГц для контроллера динамического ЗУПВ, 4 МГц для ЦП и последовательного интерфейса RS-232C, 2 МГц для контроллера диска.

Системная синхронизация с частотой 16 МГц действует также на шине STE в целях использования ведомыми шины. Так как на шине в любой момент времени должен присутствовать только один сигнал синхронизации 16 МГц, а в системе может быть несколько процессорных плат, на печатной плате предусмотрена перемычка, запрещающая выход 16 МГц.

Контроллер динамического ЗУПВ формирует сигналы мультиплексных данных, а также сигналы выбора строки  и столбца  для восьми микросхем динамических ЗУПВ с организацией 64КХ1 (см. гл. 6). Контроллер диска выполнен в виде одной БИС, а последовательный интерфейс реализован на базе программируемого контроллера последовательного интерфейса (см. гл. 7). В последовательном интерфейсе осуществляется сдвиг уровня для удовлетворения всех спецификаций интерфейса RS-232C (см. гл. 8).

Шины адреса и данных буферируются от шины STE с помощью двух 8-битных драйверов (шина адреса) и 8-битного приемника-передатчика (шина данных). Все эти микросхемы имеют тристабильные выходы (см. гл. 2), поэтому при необходимости их можно изолировать от внешней шины.

Разводка разъема шины STE приведена на рис. 9.2, где D0—D7 — линии данных; А0—А19 — линии адреса;  — строб адреса. Сигнал низкого уровня на этой линии показывает наличие на Шине действительного адреса;  — строб данных.

Рис. 9.2. Разводка контактов разъема шины STE

Сигнал низкого уровня на этой линии идентифицирует наличие на шине действительных данных; СМО — СМ2 — командные модификаторы, характеризующие тип цикла шины;  — запрос шины. На этих линиях действуют сигналы низкого уровня, когда потенциальному ведущему шины необходимо получить доступ к ней;  линии подтверждения шины. Сигналы низкого уровня на этих линиях показывают, что запрос шины удовлетворен. Потенциальный ведущий шины может управлять шиной, если только он получил подтверждение на запрос шины;  — на эту линию квитирования выдает сигнал ведомый шины в цикле записи, показывая восприятие данных, или в цикле считывания, показывая действительность своих данных; TRFERR — ведомый шины выдает этот сигнал вместо  при обнаружении ошибки;  — линия внимания запроса/прерывания (сигнал  имеет больший приоритет); SYSCLK — системная синхронизация 16 МГц;  — системный сброс.

Необходимо отметить, что линии командных модификаторов показывают операции считывания, записи ввода-вывода и памяти в соответствии с табл. 9.1.

Типичная конфигурация шины STE приведена на рис. 9.3. В ней используются одна процессорная и две ведомые платы: плата аналогового ввода и плата цифрового ввода-вывода. Для хранения программ и данных предусмотрен дисковый накопитель; система воспринимает команды по линии последовательного интерфейса RS-232C от терминала или главного микрокомпьютера, работающего в режиме эмуляции терминала.

Все платы, показанные на рис. 9.3, соединяются друг с другом с помощью системной («материнской») платы, которая представляет собой печатную плату с вмонтированными в нее 64-контактными разъемами DIN 41612 с шагом 20,3 мм. На системной плате соединены одноименные контакты всех разъемов и размещены терминаторы, минимизирующие рассогласование линий и «звон» сигналов. Системная плата обычно монтируется в корпусе с фиксирующими направляющими для печатных плат.

Рис. 9.3. Типичная конфигурация шины STE

9.2. Поиск неисправностей в шинных системах

Читателя не должна пугать кажущаяся сложность микрокомпьютерной системы, показанной на рис. 9.3. Систему можно разделить на несколько взаимосвязанных подсистем, а каждая подсистема аналогичным образом делится на составляющие ее компоненты. Более того, шинная организация упрощает поиск неисправностей: можно изолировать различные части системы, просто удалив подозрительную плату и вставив на ее место заведомо работоспособную.

Дополнительные трудности возникают, когда несколько потенциальных ведущих, т. е. процессоров, разделяют шину. Если какой-либо процессор не в состоянии получить доступ к шине, он может «зависнуть», так как другой ведущий уже управляет шиной и не освобождает ее. В этом случае необходимо проверить линии  и  с помощью логического пробника или осциллографа. Если они разрешены, проверяют линии модификаторов и убеждаются, что цикл шины не является циклом подтверждения, а «обиженный» процессор выдает строб данных. Если сигнал  выдается, от ведомой платы должен поступать сигнал  или . В противном случае следует убедиться, что ведомая плата реагирует на адрес, выдаваемый процессором. Отметим, что для многих ведомых плат необходимо наличие на шине сигнала STSCLK и поэтому возникают дополнительные сложности, связанные с тем, что несколько процессоров одновременно генерируют эти сигналы.

Важно также отметить, что платы ввода-вывода обычно имеют перемычки для выбора адресов и линий внимания запроса. Перемычки следует устанавливать таким образом, чтобы между платами не возникало «конфликтов». Перед заменой в системе вышедших из строя плат следует убедиться в правильной установке перемычек. Несоблюдение этого простого правила может стоить многочасовых усилий при выявлении неисправности.

Наконец, при диагностике неисправностей в сложных системах не забывайте об очевидных вещах. В любом случае прежде всего необходимо оценить состояние системы, руководствуясь нижеприведенными тестами.

1. Правильно ли работала система до возникновения неисправности или неисправность проявилась сразу же после включения системы?

2. Имеется ли журнал регистрации функционирования системы, не могут ли привести к неисправности плохое проектирование или дефектный элемент при изготовлении платы?

3. Если неисправность появилась недавно, в каком режиме работала система до ее возникновения?

4. Является ли неисправность постоянной или перемежающейся?

5. При каких обстоятельствах возникает перемежающаяся неисправность? Зависит ли она от температуры?

6. Можно ли предсказать, когда возникнет неисправность?

7. Если это так, можно ли воспроизвести такие условия, что неисправность будет постоянной?

8. Какие платы в системе работают правильно?

9. Можно ли локализовать неисправность до конкретной платы?

10. Задокументирована ли где-нибудь возникшая неисправность?

На все эти вопросы необходимо ответить прежде, чем приступать к измерениям и удалению подозрительных плат. Опытный исследователь осуществляет подобную оценку почти автоматически, а новичку мы советуем как можно скорее усвоить предложенный алгоритм.

Приложения

1. Справочные данные по микросхемам

ТТЛ-микросхемы

КМОП-микросхемы

2. Самодельные приборы

Чтобы показать практическое применение цифровой электроники, в книгу включены описания нескольких самодельных приборов, дополняющие ее основной материал. Конструкции приборов выбраны максимально простыми, но, разумеется, не за счет ухудшения их эксплуатационных характеристик. Спецификации каждого прибора соответствуют промышленным образцам.

2.1. Инструменты и приборы

Перечень основных инструментов и приборов, необходимых для локализации неисправностей в цифровых схемах, невелик. Начнем с таких простых инструментов, как плоскогубцы, бокорезы и несколько четырехгранных и плоских отверток. Конечно, нужно покупать высококачественные инструменты, так как при аккуратном обращении они послужат очень долго.

Рекомендуется приобрести качественный низковольтный паяльник с терморегулятором и набором жал. Если такой паяльник для Вас дороговат, можно обойтись сетевым паяльником мощностью 15–25 Вт. При покупке обратите внимание на его комплектацию (запасные жала, нагревательные элементы и принадлежности). Целесообразно купить также ручное приспособление для выпайки микросхем. Оно очень удобно для выпайки многоконтактных микросхем на печатных платах с одно- или двухсторонним монтажом.

Самым необходимым для Вас прибором будет высококачественный аналоговый или цифровой мультиметр (тестер). С его помощью измеряют постоянное, переменное напряжение и ток, а также сопротивление. Выбор типа аналогового или цифрового прибора зависит от того, что Вам больше нравится. Желательно, но не обязательно, чтобы прибор позволял измерять целостность проводников, осуществлять проверки диодов, транзисторов и др.

По мере изложения дальнейшего материала мы назовем и несколько других инструментов и приборов. Но их не нужно покупать все сразу; пополняйте свой инструментарий по мере необходимости.

2.2. Стабилизированный блок питания

Начнем с конструирования стабилизированного блока питания, рассчитанного для цифровых устройств и имеющего отдельные выходы для питания КМОП- и TTЛ-схем. Первый выход регулируется в обычном для КМОП-схем диапазоне от 3 до 15 В, а второй формирует фиксированное напряжение 5 В. Оба выхода обеспечивают качественную стабилизацию, очень малое выходное сопротивление и почти свободны от пульсаций и помех.

Для защиты самого блока питания и подключенных к нему устройств блок должен оснащаться средствами ограничения тока. Поэтому на КМОП-выходе предусмотрено такое ограничение с регулировкой от 10 мА до 2 А. На ТТЛ-выходе имеется предохранитель на ток короткого замыкания около 750 мА. Блок питания состоит из дешевых компонентов и монтируется в стандартном корпусе Verobox и плате Veroboard.

Описание схемы. Электрическая схема блока питания приведена на рис. П2.1.

Рис. П2.1. Принципиальная электрическая схема блока питания

Силовой трансформатор подает низкое переменное напряжение на мостовой выпрямитель D1—D4. Выходное постоянное напряжение выпрямителя (примерно 17 В) сглаживается конденсатором С1. Светодиод D5, включенный через ограничительный резистор R1, показывает наличие постоянного напряжения в этой точке, т. е. является индикатором включения сети.

Нерегулируемое постоянное напряжение, действующее на конденсаторе С1, подается на входы регулируемого стабилизатора IС1, а через тумблер S2 — на Г-образный стабилизатор IC2. Выходное напряжение IC1 регулируется с помощью переменного резистора VR1, а ограничение тока устанавливается резистором VR2. Светодиод D6 показывает наличие напряжения на ТТЛ-выходе.

Конденсаторы С2, СЗ, С5 и С6 обеспечивают устойчивость блока питания по высоким частотам, а конденсаторы С4 и С7 служат для дополнительной развязки КМОП- и ТТЛ-выходов.

Монтаж и проверка. Все компоненты блока питания, за исключением силового трансформатора и органов управления, монтируются на стандартной печатной плате (24 полоски с 37 отверстиями). Монтаж компонентов на печатной плате Veroboard показана на рис. П2.2.

Рис. П2.2. Монтажная схема блока питания

Из рисунка видно, что нужно сделать шесть разрывов (разрезов) печатных проводников, с помощью кусачек или дрели с острым сверлом соответствующего диаметра.

Рекомендуется следующая последовательность монтажа: перемычки, конденсаторы, резисторы, мостовой выпрямитель, выходные пистоны и микросхемы. Микросхемы устанавливаются так, чтобы их теплоотводящие поверхности были выровнены в вертикальной плоскости для общего радиатора, который привинчивается к задней металлической стенке корпуса Verobox.

Перед окончательной установкой печатной платы мы настоятельно советуем внимательно проверить правильность монтажа ее отдельных компонентов, перемычек и разрывов печатных проводников.

Необходимо убедиться в правильной ориентации полярных компонентов, включая электролитические конденсаторы и мостовой выпрямитель, в надежности соединений, отсутствии выплесков припоя и замыканий между печатными проводниками. Нечего и говорить, что несколько минут, потраченных на контроль платы, сэкономят время в дальнейшем.

Когда плата тщательно проверена, ее нужно прикрепить горизонтально к корпусу Verobox. Спереди плата поддерживается с помощью двух изолирующих стоек, а сзади — теплоотводящим радиатором.

Монтаж органов управления, индикаторов и гнезд на передней панели показан на рис. П2.3.

Рис. П2.3. Монтаж элементов на лицевой панели

Соединения между этими компонентами осуществляются короткими изолированными проводами.

После окончания монтажа его нужно тщательно проверить, обратив особое внимание на предохранитель, трансформатор и сетевой выключатель. Затем можно подключиться к сети и с помощью мультиметра (включенного на измерение постоянного напряжения) убедиться в том, что напряжение на конденсаторе С1 находится в диапазоне от 15 до 18 В. Впоследствии следует измерить напряжение на ТТЛ- и КМОП-выходах. Если что-то оказывается не в порядке, воспользуйтесь рекомендациями, приведенными в гл. 1.

Компоненты. В блоке питания применяются следующие компоненты.

Резисторы (угольные, пленочные; 0,25 Вт): R1 = 1 кОм; R2 = 1 кОм; R3 = 220 Ом; потенциометры (линейные, проволочные): VR1 = 10 кОМ; VR2 = 50 Ом; конденсаторы: С1 = 4700 мкФ (электролитический, 25 В); С2 = С5 = 0,22 мкФ (полистироловый); С3 = С6 = 0,1 мкФ (полистироловый); С4 = С7 = 47 мкФ (электролитический, 25 В); полупроводниковые приборы: D1—D4 — мостовой выпрямитель, 220 В, 1,6 А (например, SKB2/02L5A); D5 — красный светодиод (с линзой); D6 — зеленый светодиод (с линзой); IC1—L200; IC2—7805.

Дополнительные детали: Т1 — силовой трансформатор, 20 или 24 В·А, с первичной обмоткой на 240 В (или двумя обмотками на 120 В, включенными последовательно) и вторичной обмоткой на 12 В (или две на 6 В) и ток 1,6 или 2 A; FS1 — быстроплавкий предохранитель на 1 А длиной 20 мм и держатель для него; S1 — миниатюрный двухполюсный поворотный выключатель на два положения, рассчитанный на 240 В; S2 — миниатюрный однополюсный поворотный переключатель на два положения; SK1—SK4 — гнезда диаметром 4 мм (два черных, одно красное и одно зеленое).

Радиатор Т0220 с теплоотводящей способностью 6,8 °C/Вт; корпус Verobox с размерами 205x140x75 мм; плата Veroboard с размерами 96x63 мм; односторонние пистоны 1 мм (14 шт.); изолирующие стойки (2 шт.); крепежные болты и гайки (6 шт.).

Спецификации

КМОП-выход

Диапазон регулируемого напряжения, В … От 3 до 15

Регулируемое ограничение по току, А … От 0,01 до 2

Выходное сопротивление, Ом … < 0,05 (при выходе 10 В и 1 А)

Помехи на выходе, мВ … < 0,5 (10 Гц—100 кГц)

Стабилизация, % … Лучше 1 (при указанных выходных параметрах)

ТТЛ-выход

Фиксированное выходное напряжение, В … 5 ± 0,2

Максимальный ток, А … 1

Ток короткого замыкания, мА … 750

Помехи на выходе, мВ … < 0,05 (10 Гц—100 кГц)

Стабилизация, % … Лучше 0,5 (при указанных выходных параметрах)

2.3. Логический пробник

Логический пробник очень удобен для индикации логических состояний в цифровых КМОП- и ТТЛ-схемах.

Описание схемы. Электрическая схема логического пробника показана на рис. П2.4.

Рис. П2.4. Принципиальная электрическая схема логического пробника

Сдвоенный компаратор IC1 определяет уровень напряжения на зонде, сравнивая его с напряжениями от резисторных делителей R1—R4. При стандартном питании +5 В напряжение в точке между R1 и R2 составляет примерно 2,5 В, а в точке между R3 и R4 — около 1,2 В. При отсутствии входного напряжения (зонд «плавает» в воздухе) напряжение на инвертирующем входе IC1b и неинвертирующем входе IC1a будет таким же, как и в точке между R2 и R3, т. е. равным примерно половине напряжения питания.

Входы IC1 включены так, что на выходе 1а (контакт 1) появляется низкий уровень, если зонд пробника воспринимает логический 0, а на выходе IC1b формируется низкий уровень, когда зонд воспринимает логическую 1. В любом случае будет светиться соответствующий светодиод D2 или D1, показывая логическое состояние, воспринимаемое зондом. В отсутствие логических 0 и 1 (неопределенное или высокоуровневое состояние, а также разомкнутая цепь) на обоих выходах IC1 действуют высокие уровни и ни один из светодиодов не светится.

Микросхема 1С2 представляет собой таймер 555, работающий н моностабильном режиме (см. гл. 4) и обеспечивающий необходимое расширение импульсов. Запускающий импульс формируется с помощью конденсаторов С1 или С2 и резисторов R9 или R10. Спадающий фронт образуется при переходе любого выхода микросхемы 1С1 с высокого на низкий уровень.

Длительность импульса таймера (и время свечения D3) определяется времязадающими элементами R11 и СЗ. Конденсатор С4 служит для сглаживания питания, а диод D4 защищает пробник от случайного неправильного подключения питания.

Монтаж. Все компоненты логического пробника монтируются на плате с девятью полосками, имеющими по 37 отверстий. Эту плату можно отрезать от стандартной платы Veroboard (24 полоски по 37 отверстий), сохранив ее часть для логического пульсатора.

Монтажная схема логического пробника на плате Veroboard показана на рис. П2.5.

Рис. П2.5. Монтажная схема логического пробника

Из рисунка видно, что нужно сделать 23 разрыва печатных проводников.

Рекомендуется следующая последовательность монтажа логического пробника: гнезда микросхем, пистоны, перемычки, резисторы, диоды, конденсаторы и светодиоды (выводы последних должны иметь такую длину, чтобы светодиоды были видны в верхней части корпуса). После этого можно подключить провода питания, обратив внимание на правильную полярность (для напряжения +5 В берется красный провод с зажимом «крокодил»).

Прежде чем вставлять микросхемы в гнезда и закреплять печатную плату, тщательно проверьте все компоненты, перемычки и разрывы печатных проводников. Целесообразно обратить особое внимание на подключения полярных компонентов, включая светодиоды, электролитические конденсаторы и диоды. Проверьте надежность соединений и отсутствие выплесков припоя и замыканий между печатными проводниками.

После проверки печатной платы можно вставить в гнезда микросхемы, обратив внимание на их правильную ориентацию. Затем плата монтируется в корпусе пробника; не требуется никаких дополнительных приспособлений, так как плата плотно зажимается при соединении двух половин корпуса. Зонд пробника закрепляется в держателе и соединяется со входом пробника.

Проверка. Логический пробник необходимо проверить, пользуясь блоком питания с ограничением по току. Подключите провода питания пробника к блоку, соблюдая правильную полярность. При свободном зонде пробника ни один из светодиодов не должен светиться.

Теперь коснитесь точки с нулевым потенциалом. Светодиод D3 (импульс) должен вспыхнуть 1 раз, показав изменение логического состояния, а светодиод D2 (логический 0) должен светиться постоянно. Наконец, коснитесь зондом пробника линии +5 В. При этом светодиод D3 также должен вспыхнуть 1 раз, а светодиод D1 (логическая 1) должен светиться постоянно. Если логический пробник не реагирует подобным образом, нужно вынуть печатную плату из корпуса и тщательно проверить ее, обратив особое внимание на ориентацию полярных компонентов (светодиодов, микросхем, диодов, электролитических конденсаторов) и правильность перемычек и разрывов.

Модификации. Мы говорили о том, что логические уровни в TTЛ-схемах отличаются от уровней в КМОП-схемах. Следовательно, используемые в логическом пробнике пороговые уровни должны быть компромиссными. Но, если пробник предназначается только для одного вида схем, рекомендуется изменить параметры компонентов, приведенных в табл. П2.1.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %); R1 = 15 кОм; R2 = R3 = R8 = R9 = 4,7 кОм; R4 = R12 = 10 кОм; R5 = 470 кОм; R6 = R7 = R11 = 270 Ом; R10 = 22 кОм; конденсаторы: С1 = С2 = 0,1 мкФ; С3 = 4,7 мкФ (танталовый, 16 В); С4 = 10 мкФ (электролитический, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1 — LM393; IС2 — 555; D1—D3 — красный светодиод (диаметр 3 мм); D4 — 1N4001.

Дополнительные детали: 8-контактное гнездо для 1C (2 шт.); корпус пробника с размерами 140x30x20 мм; односторонние пистоны (3 шт.); печатная плата типа Veroboard с размерами около 95x63 мм.

Спецификации

Входное сопротивление зонда пробника, кОм … ~ 400

Пороговые напряжения:

логическая 1 (ТТЛ) … 2,5 В (универсальный вариант); 2,4 В (только для ТТЛ)

логический 0 (ТТЛ) … 1,2 В (универсальный вариант); 1,2 В (только для ТТЛ)

логическая 1 (КМОП) … 60 % напряжения питания (универсальный вариант); 70 % напряжения питания (только для КМОП)

логический 0 (КМОП) … 30 % напряжения питания (универсальный вариант); 30 % напряжения питания (вариант только для КМОП)

Длительность расширения импульса, мс … 200

Минимальная длительность импульса, нс … 500

Максимальная частота входного сигнала (ТТЛ), МГц … 10

Требования к питанию:

ТТЛ … 4,5–5,5 В, ток не более 30 мА

КМОП … 3—15 В, ток не более 60 мА

2.4. Логический пульсатор

Обычно логический пульсатор применяется совместно с логическим пробником, но может использоваться и автономно для изменения логического состояния цифровой схемы без привлечения паяльника. Пульсатор предназначен для ТТЛ- и КМОП-схем.

Описание схемы. Электрическая схема логического пульсатора приведена на рис. П2.6.

Рис. П2.6. Принципиальная электрическая схема логического пульсатора.

Таймер 555 (IC1) включен как моностабильный генератор импульсов (см. гл. 4). На выходе таймера (контакт 3) при нажатии кнопки S2 действует напряжение высокого уровня, продолжительность которого определяется цепочкой R2—C2. Для указанных параметров элементов длительность импульса составляет около 5 мс.

Полярность импульса коммутируется тумблером S1. Транзистор TR1 работает в режиме инвертора, а транзисторы TR2 и TR3 являются насыщенными ключами и обеспечивают достаточную нагрузочную способность. Выходной ток ограничивается резисторами R7 и R8.

При стандартном питании +5 В пиковый отдаваемый ток ограничивается для короткозамкнутой цепи несколькими сотнями миллиампер.

Когда выходного импульса нет, транзистор TR1 включен, но оба транзистора TR2 и TR3 находятся в непроводящем (выключенном) состоянии. Следовательно, зонд пульсатора находится в высокоимпедансном состоянии.

Как и в логическом пробнике (см. рис. П2.4), диод D1 обеспечивает защиту от неправильного подключения питания.

Монтаж. Все компоненты логического пульсатора монтируются на печатной плате (9 полосок с 37 отверстиями). Ее можно отрезать от стандартной платы Veroboard (24 полоски с 37 отверстиями) или использовать ту часть платы, которая осталась при монтаже логического пробника.

На рис. П2.7 показана монтажная схема логического пульсатора для платы типа Veroboard.

Рис. П2.7. Монтажная схема логического пульсатора

Рекомендуется следующая последовательность монтажа компонентов: кнопка, переключатель, гнездо IС, пистоны, перемычки, транзисторы, резисторы, диод и конденсаторы. Последними монтируются держатель зонда и провода питания (ее забывайте о правильной полярности — для +5 В берется красный провод с зажимом типа «крокодил»). Всего необходимо сделать 18 разрывов печатных проводников. С обратной стороны платы расположены три перемычки, показанные на рис. П2.7 пунктирной линией.

Прежде чем вставить микросхему в гнездо и закрепить плату в корпусе, тщательно проверьте компоненты, перемычки и разрывы печатных проводников; обратите внимание на ориентацию полярных компонентов (транзисторов, диода и электролитических конденсаторов) и отсутствие замыканий из-за выплесков припоя.

После проверки платы нужно вставить в гнездо микросхему, обратив внимание на ее ориентацию. Затем плату временно вставляют в корпус пульсатора. При этом не требуется никаких дополнительных приспособлений, так как плата плотно зажимается при соединении двух половин корпуса. В верхней части корпуса размечаются отверстия под кнопки S1 и S2. Для S2 требуется прямоугольное отверстие с размерами 8x3 мм. Необходимо сначала просверлить несколько маленьких отверстий, а затем обработать прорезь надфилем. Обе половины корпуса скрепляются винтами с потайной головкой, а зонд монтируется в держателе.

Проверка. Для проверки пульсатора требуется блок питания с ограничением тока и логический пробник. Подключите провода питания пробника и пульсатора к блоку питания, соблюдая правильную полярность, а затем соедините их зонды коротким изолированным проводом с зажимами типа «крокодил».

Установите переключатель S1 на генерирование положительного импульса. Не касаясь кнопки S2, убедитесь, что выход пульсатора находится в высокоимпедансном состоянии, т. е, ни один из светодиодов пробника не светится. В противном случае отключите пульсатор, разберите его и вновь проверьте печатную плату.

При правильной работе пульсатора в статическом состоянии, нажмите кнопку S2 для генерирования импульса и одновременно наблюдайте за поведением светодиодов пробника. Пробник должен зафиксировать положительный импульс. Если импульс не наблюдается или пульсатор формирует на выходе неизменное напряжение низкого или высокого уровней, его придется разобрать и вновь тщательно проверить монтаж платы. Затем следует повторить предыдущую процедуру, но переключатель S1 установите при этом на генерирование отрицательного выходного импульса.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R2 = R3 = 10 кОм; R4 = R5 = R6 = 4,7 кОм; R7 = R8 =10 Ом; конденсаторы: С1 = 4700 пкФ; С2 = 0,47 мкФ (танталовый, 35 В); С3 = 10 мкФ (танталовый, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1 — 555; D1 — 1 N4001; TR1, TR2 — 2N3703; TR3 — 2N3705.

Дополнительные детали: S1 — плоская клавишная кнопка, монтируемая на печатной плате; S2 — сверхминиатюрный скользящий двухполюсный переключатель на два положения; 8-контактное гнездо для микросхем; корпус пульсатора с размерами 140x30x20 мм, односторонние пистоны (3 шт.); часть платы Veroboard с размерами 95x63 мм.

Спецификации

Длительность выходного импульса, мс … 5,2

Полярность импульса … Положительная или отрицательная (задается)

Пиковый выходной ток (короткозамкнутая цепь), мА … ~ 200

Пиковый выходной ток (короткозамкнутая цепь), мА… >= 200

Напряжение питания, В … 4,5—15

Потребляемый средний ток, мА … =< 15

2.5. Генератор импульсов

Генератор формирует разнообразные импульсные сигналы, которые можно использовать с любыми цифровыми схемами. Период импульсов регулируется от 14 мкс до 1,4 с в пяти десятичных диапазонах, ширина импульсов варьируется от 7 мкс до 0,7 с также в пяти десятичных диапазонах. Генератор имеет два независимых выхода: сигнал на одном из них TTЛ-совместим (пиковый выход 5 В), а на другом амплитуда импульсов регулируется в диапазоне от 0 до 8 В и работает от сети 240 В. Он собран из дешевых недефицитных элементов. Монтируется генератор на стандартной плате Veroboard и в стандартном корпусе Verobox.

Описание схемы. Электрическая схема генератора импульсов приведена на рис. П2.8.

Рис. П2.8. Принципиальная электрическая схема генератора импульсов.

Сетевой трансформатор Т1 подает напряжение 9 В на мостовой выпрямитель D1—D4. На конденсаторе С1 образуется выходное постоянное напряжение, примерно равное 13 В. Транзистор TR1 действует в качестве простого последовательного стабилизатора. Стабилитрон D5 обеспечивает эталонное напряжение 10 В, а светодиод D6 сигнализирует о включенном питании.

Микросхема IC1 — это стандартный таймер 555, работающий в астабильном режиме. Потенциометр VR1 предназначается для регулировки частоты повторения импульсов, а с помощью переключателя S2 выбирается один из пяти времязадающих конденсаторов.

Выход IC1 (примерно симметричные прямоугольные импульсы) по дается па вход запуска микросхемы IC2 через формирующую цепочку С15, R6 и D7.

Второй таймер 555 (IC2) работает в моностабильном режиме, и длительность его выходных импульсов регулируется потенциометром VR2. С помощью переключателя S3 осуществляется декадный выбор времязадающего конденсатора. Выходной сигнал IC2, представляющий собой импульсную последовательность с регулируемым коэффициентом заполнения, подается на потенциометр VR3, определяющий амплитуду импульсов на выходе SK3. Транзистор TR2 инвертирует выходной сигнал таймера и формирует ТТЛ-совместимый сигнал на выходе SK1.

Монтаж и проверка. Все компоненты генератора, за исключением силового трансформатора, гнезда предохранителя и органов управления монтируются на стандартной плате (24 полоски с 37 отверстиями). Монтажная схема генератора на плате Veroboard показана на рис. П2.9.

Рис. П2.9. Монтажная схема генератора импульсов.

На плате необходимо сделать 15 разрывов. Рекомендуется следующая последовательность монтажа: гнезда, перемычки, конденсаторы, резисторы, мостовой выпрямитель и выходные пистоны. До окончательного закрепления платы проверьте размещение компонентов, перемычки и разрывы, убедитесь в правильной ориентации электролитических конденсаторов и мостового выпрямителя, а также в отсутствии замыканий печатных проводников из-за выплесков припоя.

После того как плата тщательно проверена, ее закрепляют в корпусе Verobox с помощью трех коротких изолирующих стоек. Затем можно вставить в гнезда микросхемы, соблюдая, конечно, их правильную ориентацию.

Органы управления, переключатели, индикаторы и выходные гнезда монтируются на лицевой панели в соответствии с рис. П2.10.

Рис. П2.10. Трафареты для разметки лицевой панели.

Такой рисунок можно вырезать и наклеить на лицевую панель. Соединения с компонентами, находящимися на лицевой панели, прокладываются короткими изолированными проводами согласно схеме, приведенной на рис. П2.11.

Рис. П2.11. Монтажная схема лицевом панели.

После сборки следует тщательно проверить внутренние соединения, обратив особое внимание на держатель предохранителя, силовой трансформатор и включатель сети. Затем включите сеть и мультиметром, настроенным на измерение постоянного напряжения, измерьте напряжения на конденсаторе С1, которое должно находиться в диапазоне от 11 до 13,5 В. Убедившись в наличии такого напряжения, нужно проверить выходное напряжение блока питания, для чего мультиметром измеряется напряжение на контакте 8 IC1 или 1С2. Обычно оно варьируется в диапазоне от 8,5 до 9,5 В. После этого с помощью логического пробника или осциллографа проверяется выход генератора.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R2 = 220 Ом; R3 = 680 Ом; R4 = 1 кОм; R5 = R11 = 10 кОм; R6 = 2,7 кОм; R7 = 3,9 кОм; R5 = 100 Ом; R9 = 150 Ом; R10 = 10 Ом; VR1 = VR2 = 100 кОм (потенциометр линейный, угольный); VR3 = 1 кОм (потенциометр линейный, проволочный).

Конденсаторы: С1 = 220 мкФ (электролитический, 25 В); С2 = С19 = 100 мкФ (электролитический, 16 В); С3 = 10 мкФ (электролитический, 16 В); С4 = 100 мкФ (электролитический, 25 В); С5 = 1 мкФ (полистироловый); С6 = С9 = С16 = 0,1 мкФ (полистироловый); С7 = С15 = 0,01 мкФ (полистироловый); C8 = 1000 пкФ (полистиролоный); С10 = 4 мкФ (электролитический, 25 В); С11 = 0,47 мкФ (полистироловый); С12 = 0,047 мкФ (полистироловый); С13 = 4700 пкФ (полистироловый); С14 = 470 пкФ (полистироловый); С17 = 820 пкФ (полистироловый); С18 = 1 мкФ (электролитический 16 В).

Полупроводниковые приборы: BR1 — мостовой выпрямитель, 220 В, 1,6 А, например SKB2/02L5A; D1 — красный светодиод; IC1, IC2 — 555; TR1 — 2N3053; TR2 — ВС548.

Дополнительные детали: Т1 — силовой трансформатор, 12 В∙А; первичная обмотка на 240 В (или две обмотки на 120.В), вторичная — на 9 В (или две обмотки на 4,5 В каждая); FS1 — легкоплавкий предохранитель на 1 А длиной 20 мм с держателем; S1 — миниатюрный двухполюсный тумблер на два положения, рассчитанный на максимальное напряжение 240 В; S2, S3 — поворотный однополюсный переключатель на 5 положений с ограничителем; SK1—SK4 — гнезда диаметром 4 мм (два черных, одно красное, одно желтое); корпус типа Verobox с размерами 205x140x110 мм (номер изделия 202-21036С); плата типа Veroboard с размерами 95x63 мм (номер изделия 801-21070Н); пистоны односторонние диаметром 1 мм (13 шт.); гнезда 8-контактные для микросхем (2 шт.); изолирующие стойки (3 шт.); крепежные болты и гайки (по 5 шт.),

Спецификации

Период импульсов в пяти декадных диапазонах, мкс … От 14 до 1,4∙10^6

Длительность импульсов в пяти декадных диапазонах, мкс … От 7 до 0,7∙10^6

Амплитуда импульсов, В … От 0 до 8 (фиксированный инвертированный ТТЛ-выход, 5 В)

Длительность фронтов на всех диапазонах, мкс … =< 5

2.6. Тестер цифровых микросхем

Тестер цифровых микросхем позволяет проверить большинство распространенных КМОП- и ТТЛ-элементов без удаления их из схем, Прибор рассчитан на микросхемы с 14-контактным корпусом и «стандартным» подключением питания (контакт 7 — земля, контакт 14 — 4–5 В). При желании его несложно переделать для микросхем с 16-контактным корпусом и другим подключением питания.

Чтобы проверить ту или иную микросхему, требуется работоспособная микросхема такого же типа и схема разводки ее контактов.

Описание схемы. До рассмотрения схемы тестера целесообразно изучить принцип его работы. Он довольно прост: логическая функция проверяемой микросхемы дублируется аналогичной исправной микросхемой и затем сравниваются выходные сигналы двух микросхем.

Для сравнения используется логический элемент, реализующий функцию исключающее ИЛИ (см. гл. 2). Если входы этого элемента одинаковы, на выходе появляется напряжение низкого уровня, а если входы различаются — на выходе действует напряжение высокого уровня.

Электрическая схема тестера показана на рис. П2.12.

Рис. П2.12. Принципиальная электрическая схема тестера микросхем. Числа около переключателей S14 и S15 относятся к надписям на лицевой панели прибора и выбору контактов тестового гнезда SK1.

Сигналы от проверяемой микросхемы берутся с помощью клипсы («захвата»), которая подсоединяется к тестеру коротким ленточным кабелем через гнезда SK2 15-контактного разъема типа D. Линии, на которых действуют логические сигналы (они соответствуют контактам 1–6 и 8—13) у подведены к однополюсным тумблерам S1—S13, за исклчением S7. Тумблеры пронумерованы в соответствии с номерами контактов микросхемы.

Тумблеры S1—S13 (за исключением S7) упрощают соединение контактов проверяемой микросхемы с соответствующими контактами эталонной микросхемы, которая вставляется в гнездо SK2. Подчеркнем, что при обычной работе с помощью тумблеров соединяются только входные контакты. Например, при проверке микросхемы 7400 (четыре двухвходовых элемента НЕ-И) во включенном состоянии должны находиться тумблеры 1, 2, 4, 5, 9, 10, 12 и 13.

Выходные сигналы, используемые для сравнения, выбираются с помощью переключателей S14 (внешние) и S15 (внутренние). Например, при проверке микросхемы 7400 переключатели нужно поочередно ставить в положения 3, 6, 8 и 11. Результат сравнения индицируется светодиодом D1, который светится при напряжении низкого уровня на выходе микросхемы IC1. Такое напряжение получается при идентичных входных сигналах и показывает, что обе микросхемы работают одинаково. Тумблер S7 служит для подачи питания на тестер, а светодиод D2 сигнализирует о наличии питания. Конденсатор С1 предназначен для развязки.

Монтаж. Собрать тестер довольно просто, но для этого необходимо выполнить гораздо больший объем монтажных работ, чем в предыдущих случаях. Сначала требуется разметить лицевую панель, просверлить отверстия, установить органы управления и индикаторы, а затем приступить к монтажу основной платы. Гнездо SK1 размещается на печатной плате (точные ее размеры не играют роли) и крепится на стойках так, чтобы оно выглядывало через небольшое прямоугольное отверстие в лицевой панели. Гнездо впаивается в печатную плату. Проводники между противоположными сторонами разрезаются в семи местах с помощью кусачек или сверла (дрели) и соединяются проводами с переключателями (рис. П2.13).

Рис. П2.13. Соединения между схемной платой и компонентами на лицевой панели. Монтаж тумблеров S1—S10 аналогичен показанному для S11—S13.

Элементы IC1d, RU R2 и С1 монтируются на небольшом куске печатной платы (19 полосок с 17 отверстиями). Монтажная схема всех элементов показана на рис. П2.14.

Рис. П2.14. Монтажная схема для платы Veroboard.

Монтаж платы осуществляется в следующей последовательности: гнездо IС, перемычка, конденсатор, резисторы и пистоны. После монтажа необходимо тщательно осмотреть плату. Затем она крепится непосредственно под гнездо SK1 с помощью двух стоек. Микросхема IC1 вставляется в гнездо с соблюдением ее правильной ориентации. После этого завершается остальной монтаж схемы в соответствии с рис. П2.13.

На лицевой панели прибора устанавливаются органы управления, переключатели, индикаторы и разъем. Целесообразно сначала вырезать шаблон и приклеить его к лицевой панели. Клипса 1C соединяется с 15-контактным разъемом типа D при помощи ленточного кабеля длиной около 500 мм. Все подключения к разъему осуществляются в соответствии с данными табл. П2.2.

Для изолирования паек на клипсе целесообразно использовать короткие теплостойкие насадки, а для лучшей идентификации — кабель с разноцветными проводами.

Как всегда, после окончания внутреннего монтажа его нужно тщательно проверить, особенно цепи гнезд SK1 и SK2. Все тумблеры следует установить в выключенное положение.

Проверка. Для проверки прибора требуется работающее устройство с микросхемами логических элементов в 14-контактных корпусах и исправная эталонная микросхема. Желательно иметь дело с низкочастотным устройством, так как распределенные паразитные емкости кабеля и самого тестера при совместной работе с быстродействующими устройствами могут вызвать определенные трудности.

Предположим, что для первой проверки выбрана микросхема 7400. Для начала нужно вставить эталонную микросхему в гнездо SK1, выключить питание устройства и подключить клипсу, обращая внимание на контакт 1. Затем подключить входы, пользуясь тумблерами S1—S13, и подать питание на устройство. Тумблер S7 следует перевести в положение «Вкл.» (см. рис. П2.12) и проверить свечение светодиода D2. Если он не светится, выключите питание и проверьте монтаж, включая ленточный кабель, разъем и клипсу.

Убедившись в том, что питание на тестер подается, переведите оба сравнивающих переключателя S14 и S15 в положение 3 (выход первого элемента НЕ-И). Проверьте, светится ли D1 при всех режимах работы проверяемого устройства. Если он не светится или вспыхивает, то одна из микросхем неисправна (однако причиной неисправности может быть и неправильный монтаж схемы). Повторите аналогичную проверку для всех четырех выходов микросхемы (S14 и S15 в положениях 6, 8 и 11) и убедитесь в том, что все четыре элемента НЕ-И дают один и тот же результат.

Тестер можно использовать и «наоборот», т. е. для проверки микросхемы, находящейся в гнезде, а не на плате. Для этого подозрительную микросхему нужно вставить в гнездо SK1, а клипсу с эталонной микросхемой — в гнездо на печатной плате. Дальнейшая процедура проверки аналогична описанной выше.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R2 = 2,470 Ом; конденсатор С1 = 10 мкФ (электролитический, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1 — 74LS86; D1 — красный светодиод (с линзой); D2 — зеленый светодиод (с линзой).

Дополнительные детали: S1—S6/S8—S13 — миниатюрные однополюсные тумблеры на два положения (12 шт.); S7 — поворотный однополюсный переключатель на два положения; S14, S15 — круговой переключатель на 12 положений (2 шт.); SK1—14-контактное гнездо; SK2 — вставка разъема типа D на 15 контактов, монтирующаяся на шасси; PL1 — разъем типа D на 15 контактов для монтажа кабеля; клипса для микросхем с 14 контактами; 14-контактное гнездо (2 шт.); ленточный кабель с 14 проводами длиной 500 мм; корпус типа Verobox с размерами 205x140x110 мм (номер детали 202-21033А); плата типа Veroboard с размерами 95x63 мм (номер детали 801-21070Н); пистоны односторонние диаметром 1мм (7 шт.); изолирующие стойки (2 шт.); крепеж (болтов 2 шт., гайки 6 шт.); ручка.

Разводка контактов распространенных микросхем приведена в приложении 1.

2.7. Индикатор тока

Предлагаемый прибор предназначен для индикации относительных значений токов в печатных проводниках без их разрыва и подключения обычного амперметра. Чувствительность прибора такова, что он может воспринимать ток до нескольких миллиампер и допускает сопряжение с проверяемой схемой по постоянному и переменному току.

Действие промышленных индикаторов тока основано на одном из двух принципов: восприятие небольшого падения напряжения на проводнике с током и использование эффекта Холла для фиксации магнитного поля, существующего в непосредственной близости от проводника с током.

В общем, индикаторы тока с использованием эффекта Холла лучше, так как не требуют прямого контакта с печатными проводниками. К сожалению, такие приборы довольно дороги.

Описание схемы. Электрическая схема индикатора тока показана на рис. П2.15.

Рис. П2.15. Принципиальная электрическая схема индикатора тока.

Прибор фиксирует небольшое падение напряжения вдоль печатного проводника (обычно несколько сот микровольт) и представляет собой инвертирующий операционный усилитель. Чтобы обеспечить широкий диапазон входных напряжений (от нескольких микровольт до сотен милливольт), операционный усилитель работает в режиме с логарифмической характеристикой, т. е. его коэффициент усиления по напряжению значительно уменьшается с увеличением уровня входного сигнала.

Тумблером S1 выбирается сопряжение входа микросхемы IC1 по постоянному или переменному току, а потенциометром VR1 обеспечивается дополнительная ручная регулировка усиления (чувствительности). Мостовой выпрямитель D1—D4 подает на измерительный прибор сигнал правильной полярности независимо от полярности входного сигнала. Диоды D5 и D6 служат ограничителями, а конденсатор С3 определяет постоянную времени.

Вход «половинного» питания для операционного усилителя формируется с помощью стабилитрона D4 и резистора R7. Конденсаторы С2 и С4 служат для развязки, а светодиод D8 сигнализирует о включенном питании.

Монтаж. Собрать индикатор тока несложно. Все его элементы, за исключением батарейного соединения, собственно измерительного прибора, гнезда пробника и органов управления, монтируются на стандартной печатной плате типа Veroboard (24 полоски с 23 отверстиями). Монтажная схема для платы Veroboard показана на рис. П2.16.

Рис. П2.16. Монтажная схема индикатора тока. Для микросхемы IС1 на плате устанавливается держатель. Выход VR1 (W) соединяется с центральным лепестком потенциометра.

Под гнездом микросхемы IC нужно сделать четыре-разрыва печатных проводников.

Монтаж элементов производится в следующей последовательности: гнездо микросхемы, перемычки, конденсаторы, резисторы, диоды и пистоны. После монтажа необходимо тщательно проверить плату, обратив особое внимание на ориентацию электролитических конденсаторов, диодов и выпрямителя.

Плата укрепляется горизонтально в корпусе Verobox с помощью четырех коротких изолирующих стоек, а микросхема аккуратно вставляется в гнездо.

Измерительный прибор, органы управления и гнезда пробника размещаются на лицевой панели, куда наносятся и все необходимые надписи. Соединения с лицевой панелью осуществляются короткими изолированными проводами в соответствии с монтажной схемой, показанной на рис. П2.17.

Рис. П2.17. Соединения компонентов, монтируемых на лицевой панели. Резистор R5 припаивается к металлическому корпусу потенциометра VR1.

Проверка. Прежде всего следует проверить правильность монтажа индикатора тока, обратив особое внимание на подключение батареи и измерительного прибора. Затем нужно подключить батарею РРЗ (или аналогичную) и включить питание. Светодиод D8 своим свечением сигнализирует о наличии питания. С помощью мультиметра на диапазоне 10 В убедитесь, что напряжение на D7 составляет от 4,5 до 5 В. В противном случае просмотрите все соединения и монтажную схему на плате Veroboard.

Для правильной работы прибора необходимо обеспечить его надежный контакт с печатным проводником. С этой целью купите или сделайте два зонда. К каждому зонду подсоедините провод, заканчивающийся штырьком диаметром 2 мм. Проверка зондов производится в соответствии со схемой, показанной на рис. П2.18.

Рис. П2.18. Схема для проверки индикатора тока.

Батарея с напряжением 1,5 В обеспечивает падения напряжения в соответствующих контрольных точках, равные 100 мкВ, 1 и 100 мВ.

Установите максимальную чувствительность прибора (потенциометр VR1 поверните по часовой стрелке до упора) и коснитесь зондами точек А и D. Стрелка измерительного прибора при этом должна отклониться на всю шкалу, т. е. показать примерно 1 мА. Затем коснитесь зондами точек В и D. Прибор покажет примерно 0,6 мА.

Наконец, при касании зондами точек С и D прибор должен показать приблизительно 0,3 мА. Отметим, что индикатор тока нечувствителен к полярности и зонды маркировать не нужно.

Работа с прибором. Убедившись в правильности функционирования индикатора тока, необходимо его как следует освоить. Для этого потребуется печатная плата (с поданным питанием), содержащая разнообразные ТТЛ-микросхемы, и ее подробное описание.

Зондами индикатора тока нужно поочередно касаться печатных проводников (питания) и наблюдать за показаниями прибора. На плате со стандартными ТТЛ-микросхемами индикатор должен фиксировать заметное отклонение стрелки, когда расстояние между зондами составляет примерно 10 мм. Конечно, при увеличении расстояния между зондами отклонение должно увеличиваться. После приобретения некоторого практического опыта вы сможете делать обоснованное предположение о значении тока, потребляемого каждой микросхемой в отдельности.

Индикатор тока используется также для обнаружения дефектов в разъемах (касаются зондами разъемного соединения с разных сторон и наблюдают за показаниями прибора), высокоомных соединений и недостаточной фильтрации. В последнем случае прибор требуется перевести в режим переменного тока и коснуться зондами шины питания и земли.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R2 = R4 = R5 = 1 кОм; R5 = 100 Ом; VR1 = 100 кОм (линейный, угольный); конденсаторы: С1 = 4 мкФ (танталовый, 35 В); С2 = С4 = 100 мкФ (электролитический, 16 В); С3 = 10 мкФ (электролитический, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1—741; D1—D4 — ОА91; D5, D6 — 1N4148; D7 — BZY88C4V7; D8 — красный светодиод (с линзой).

Дополнительные детали: S1, S2 — миниатюрный однополюсный тумблер на два положения; SK1 — гнездо диаметром 2 мм (красное); SK2 — гнездо диаметром 2 мм (черное); 8-контактное гнездо для микросхемы; корпус типа Verobox с размерами 205x140x110 мм (номер детали 202-21033А); плата типа Veroboard с размерами 65x63 мм (24 полоски с 23 отверстиями), отрезается от детали с номером 801-21070Н; односторонние пистоны диаметром 1 мм (8 шт.); изолирующие стойки (4 шт.); крепеж (болты 4 шт., гайки 4 шт.); ручка; измерительный миллиамперметр с разрешающей способностью 1 мА; держатель для батареи РР3; зонды (2 шт.).

2.8. Звуковой логический индикатор

Звуковой логический индикатор позволяет пользователю прослушивать сигналы, действующие в микропроцессорной системе. Другими словами, он представляет собой альтернативу обычного логического пробника, который обеспечивает только визуальную индикацию логических состояний и, следовательно, не позволяет сделать обоснованного предположения о поведении импульсного сигнала в проверяемой линии.

Прослушивая сигналы в микропроцессорной системе, можно разобраться, что в ней происходит. С помощью звукового индикатора удается не только зафиксировать активность в конкретной линии, но и оценить частоту импульсов и наличие в сигнале периодичности. По звуку можно различать сигналы на отдельных линиях шины, синхронизации и разрешения микросхем. Каждому, кто еще сомневается в возможностях этого простого прибора, но регулярно занимается отладкой микропроцессорных систем, мы советуем собрать звуковой логический индикатор.

Описание схемы. Принцип действия звукового логического индикатора довольно прост. Высокочастотные сигналы, действующие в микропроцессорной системе, преобразуются в сигналы более низкой звуковой частоты с помощью двоичного делителя частоты. Выходные сигналы делителя формируются и подаются на обычный усилитель звуковой частоты.

Электрическая схема звукового логического индикатора показана на рис. П2.19.

Рис. П2.19. Принципиальная электрическая схема звукового логического индикатора.

Микросхема IC1 (КМОП-делитель) осуществляет деление частоты входных сигналов на 1024 (2^10). Цепочка R1, D1 и D2 защищает IC1 от чрезмерных входных напряжений (максимум ±50 В). Микросхема IC2 представляет собой усилитель звуковой частоты с фиксированным коэффициентом усиления. Частотная характеристика этого усилителя постоянна в диапазоне от нескольких герц до 20 кГц и больше.

Монтаж. Все компоненты индикатора монтируются на куске печатной платы (10 полосок с 37 отверстиями), который легко отрезать от стандартной платы Veroboard. Монтажная схема прибора приведена на рис. П2.20.

Рис. П2.20. Монтажная схема звукового логического индикатора.

Всего на плате нужно сделать 20 разрывов печатных проводников.

Рекомендуется следующая последовательность сборки: гнезда IС, выходные пистоны, перемычки, резисторы, диоды и конденсаторы. Динамик монтируется в верхней части корпуса пробника, для чего вырезается отверстие диаметром примерно 14 мм, а приклеивается динамик эпоксидной смолой. Затем подсоединяются провода питания с соблюдением правильной полярности, красный провод с зажимом типа «крокодил» подключается к источнику +5 В.

Прежде чем вставить микросхемы в гнезда и закрепить плату, нужно внимательно осмотреть ее и проверить перемычки и разрывы печатных проводников, правильную ориентацию полярных компонентов (диоды и электрические конденсаторы), отсутствие выплесков припоя и закорачиваний печатных проводников.

После проверки платы две микросхемы вставляются в гнезда и плата закрепляется в корпусе. При этом не требуется никаких дополнительных приспособлений, так как плата плотно зажимается при соединении двух половин корпуса. Держатель зонда соединяется со входом прибора, а сам зонд закрепляется в держателе.

Проверка. Эта операция производится на функционирующей микропроцессорной системе, например на домашнем компьютере.

Питание его берется из удобной точки основного блока питания.

Когда зонд индикатора ничего не касается, никаких звуков не слышно. После прикосновения зондом к выходу генератора синхронизации (идеально подходит частота синхронизации от 1 до 4 МГц), слышен «чистый» тон с частотой 1–4 кГц. Если коснуться зондом одной из линий данных, то возникнет резкий звук (с частотой от 100 Гц до 1 кГц).

В том случае, если прибор не издает никаких звуков, необходимо вынуть печатную плату из корпуса и тщательно проверить ее, обратив внимание на ориентацию полярных компонентов (диодов, электролитических конденсаторов, микросхем) и правильность перемычек и разрывов.

Целесообразно прослушать генерируемые индикатором звуковые сигналы при касании зондом следующих точек в микропроцессорной системе: остальных линий шины данных; линии шины адреса (улавливаете ли вы различия между сигналами от старших и младших линий адреса?), линии шины управления (включая линии считывания и записи), линии разрешения микросхем.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R3 = 3 кОм; R2 = 22 кОм; R4 = 220 Ом; конденсаторы: С1 = 10 мкФ (танталовый, 25 В); С2 = 0,1 мкФ (полистироловый); С3 = 10 мкФ (электролитический, 16 В); С4 = 10 мкФ (электролитический, 25 В); С5 = 100 мкФ (электролитический, 16 В); С6 = 220 мкФ (электролитический, 16 В); полупроводниковые приборы: IC1 — 4020В; IC2 — ТВА820М; D1, D2 — 1N4148; D3— 1N4001.

Дополнительные детали: динамик с сопротивлением 8 Ом; гнездо для микросхемы 8-контактное (1 шт.); гнездо для микросхемы 16-контактное (1 шт.); корпус с размерами 140x30x20 мм; односторонние пистоны диаметром 1 мм (5 шт.); плата типа Veroboard с размерами 95x63 мм.

2.9. Врезка для интерфейса RS-232C

Это несложное устройство не только дает пользователю возможность изменять конфигурацию системы RS-232C, но и позволяет просмотреть разнообразные сигналы, а также выявить наиболее характерные отказы.

За последние несколько лет появилось довольно много схем подобных устройств. Одни из них обладают минимальными возможностями, например только индицируют состояния сигнальных линий, а другие показывают скорость передачи в бодах и автоматически определяют конфигурацию системы RS-232C в терминах DTE и DCE.

Предлагаемое устройство спроектировано с расчетом его изготовления в домашних условиях. С его помощью одновременно индицируются как MARK или SPACE логические состояния на любых двух линиях, подключается любая линия к любой другой линии (с любой стороны интерфейса), задается на любой линии состояние MARK или SPACE, подключается к любой линии внешнее оборудование, например осциллограф, цифровой счетчик, генератор импульсов и т. п., устройство полностью автономно и работает от внутренних батарей.

Описание схемы. Упрощенная схема врезки для интерфейса RS-232C показана на рис. П2.21.

Рис. П2.21. Упрощенная схема врезки. Отметим, что основная земля и сигнальная земля соединяются и подключаются к нулевому потенциалу (шасси).

Схема симметрична относительно зоны соединений (с каждой стороны интерфейса). Соединения в этой зоне осуществляются с помощью перемычек для печатных плат или коротких проводов, заканчивающихся штекерами диаметром 1 мм. К зоне соединений подводятся также точки с уровнями постоянного напряжения, соответствующими состояниям MARK и SPACE.

Шесть наиболее важных сигнальных линий (TXD, RXD, RTS, CTS, DSR и DTR) с каждой стороны интерфейса подаются на выбирающий переключатель. Выход переключателя связан со схемой обнаружения МАRК/SPACE, а также с разъемом ввода-вывода для внешнего контрольно-измерительного прибора. Седьмое положение переключателя используется только по мере необходимости для передачи остальных сигналов из зоны соединений в схему обнаружения MARK/SPACE.

Электрическая схема врезки для интерфейса RS-232C приведена на рис. П2.22.

Рис. П2.22. Принципиальная электрическая схема врезки для интерфейса RS-232C.

Абсолютно симметричная схема для другой стороны интерфейса на рисунке не показана, а номера ее соответствующих компонентов отличаются от показанных на 100, например S1 и S101.

Сигналы из зоны соединений выбираются с помощью переключателей S1 и S101. Микросхемы IC1a и IC1b действуют как компараторы; на их выходах образуются высокие уровни, когда входное напряжение больше +3 В или меньше —3 В соответственно. Диоды D1—D4 обеспечивают защиту от входных напряжений, превышающих положительное и отрицательное максимальное напряжения питания (максимальное напряжение в интерфейсе RS-232C равно ±25 В). Стабилитроны D7 и D8 образуют эталонные напряжения для компараторов, т. е. минимальное напряжение для SPACE и максимальное напряжение для MARK. С помощью D5 и D6 преодолевается ограничение используемого операционного усилителя, когда входное напряжение близко к отрицательному напряжению питания. Питание схемы обеспечивают две сухие батареи по 9 В каждая, а светодиод D11 сигнализирует о включенном питании.

Монтаж. Две схемы обнаружения MARK/SPACE монтируются на двух кусках печатной платы с размерами 60x64 мм (24 полоски с 23 отверстиями). Их можно отрезать от стандартной платы Veroboard. Монтажная схема платы показана на рис. П2.23, причем необходимо сделать 23 разрыва печатных проводников.

Рис. П2.23. Монтажная схема врезки для платы Veroboard.

Рекомендуется следующая последовательность монтажа: гнезда для микросхем, пистоны, перемычки, резисторы, диоды и конденсаторы. После монтажа тщательно проверьте плату и вставьте микросхемы в гнезда, конечно, обратив внимание на их правильную ориентацию.

Монтаж компонентов на лицевой панели показан на рис. П2.24.

Рис. П2.24. Монтаж на лицевой панели. Гнезда из зоны соединений припаиваются к соответствующим контактам S1 и S101.

Зона соединений представляет собой матрицу из 62 гнезд диаметром 1 мм. Размещение гнезд должно напоминать два 25-контактных разъема типа D (SK1 и SK2), а сами гнезда соединяются с соответствующими контактами. При разметке лицевой панели под гнезда выдержите расстояние по горизонтали 10,16 мм, а по вертикали 7,62 мм.

Необходимо соединить два гнезда, соответствующих контакту 1 (защитная земля), с двумя гнездами, соответствующими контакту 7 (сигнальная земля). Оба земляных гнезда (контакты 1 и 7) соединяются с линией нулевого потенциала лицевой панели в любой удобной точке.

Шесть соединений от выбирающих переключателей S1 и S101 с гнездами выполняются в соответствии с табл. П2.3.

После завершения монтажа зоны соединений над ней при помощи четырех стоек подходящей длины укрепляется плата. К задней стенке корпуса прикрепляется держатель для батарей. Питание от батарей к лицевой панели подводится с зажимами на конце. Внешний вид и маркировка лицевой панели показаны на рис. П2.25.

Рис. П2.25. Лицевая панель врезки для интерфейса RS-232C.

Проверка. Первоначальную проверку врезки для интерфейса RS-232C следует выполнить без ее подключения к микрокомпьютеру.

Вставьте две новые батареи типа РРЗ и включите устройство, о наличии питания должен сигнализировать светодиод D11. Переключатели S1 и S101 должны находиться при этом в положении Передача; оба светодиода MARK и SPACE светиться не должны. Поочередно подайте в гнезда Передача с каждой стороны зоны соединений сигналы от гнезд MARK и SPACE. При этом должен, светиться соответствующий светодиод; если он не светится, тщательно проверьте монтаж, включая и соединения с печатной платой.

Затем устройство необходимо проверить в паре с работающим микрокомпьютером. Оно включается последовательно в сигнальный тракт RS-232C с помощью коротких ленточных кабелей, оканчивающихся соответствующими 25-контактными разъемами. Конфигурация устройства устанавливается для обычной работы, т. е. соединяются перемычками гнезда 2–6 и 20. Первоначально целесообразно задать самую медленную скорость передачи, например 50 бод, и «заставить» систему передавать в периферийное устройство файл подходящей длины. Затем необходимо просмотреть сигналы на всех линиях и реакцию системы на разрыв некоторых линий, в частности RTS и CTS.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R4 = R7 = R8 = 1 кОм; R101 = R104 = R107 = R108 = 1 кОм; R5 = R6 = R105 = R6 = 4,7 кОм; R9 = R11 = R109 = R110 = 270 Ом; конденсаторы: С1 = С2 = 10 мкФ (танталовые, 25 В); полупроводниковые приборы: IC1, IC101 — TL082; D1—D4, D6, D101—D104, D106 — 1N4148; D5, D105 — BZY88C3V9; D7, D8, D107, D108 — BZY88C3V0; D9, D109 — зеленые светодиоды; DIO, Dll, D110 — красные светодиоды.

Дополнительные детали: S1, S101 — поворотные однополюсные переключатели на 12 положений (ограничитель поставлен на семь положений); S2 — миниатюрный тумблер, двухполюсный, на два положения; держатели для светодиодов (5 шт.); 8-контактное гнездо для микросхемы (2 шт.); 25-контактный разъем типа D (2 шт.); корпус устройства с размерами 220x156x100 мм; односторонние пистоны (15 шт.); часть печатной платы Veroboard с размерами 60x64 мм; болты, гайки и стойки (4 комплекта); гнезда типа BNC (2 шт.); гнезда диаметром 1 мм (31 черное, 31 красное); перемычки для печатных плат длиной 10,16 мм; ручки (2 шт.); провода для питания ст батареи РРЗ с зажимами (2 шт.).

2.10. Цифровой счетчик-частотомер

Этот автономный прибор позволяет производить разнообразные временные и частотные измерения как цифровых, так и аналоговых сигналов. Его устройство наиболее сложное по сравнению с конструкциями всех рассмотренных ранее приборов, поэтому рекомендуем приступать к его изготовлению только после того, как вы уже сделаете два-три более простых прибора.

Описание схемы. Основу цифрового счетчика-частотомера составляет популярная микросхема 7216А, представляющая собой универсальный счетчик. В микросхему встроены высокочастотный генератор, декадный счетчик, 8-декадный счетчик данных и защелка, дешифратор для 7-сегментных индикаторов и восемь усилителей (драйверов) для управления светодиодными индикаторами. Максимальная входная частота прибора равна 10 МГц в режиме измерения частоты и числа импульсов и 2,5 МГц в остальных режимах.

Микросхема 7216А может работать как частотомер, измеритель периода, измеритель отношения частот, измеритель временных интервалов или как накапливающий счетчик. Для построения многофункционального прибора требуется минимум внешних схем (рис. П2.26).

Рис. П2.26. Принципиальная электрическая схема цифрового счетчика-частотомера.

Поскольку оба сигнальных входа микросхемы 7216А (вход А — контакт 28 и вход В — контакт 2) являются цифровыми, причем порог переключения при питании +5 В составляет 2 В, необходимы цепи формирования внешних входных сигналов. Они представлены двумя широкополосными усилителями на транзисторах TR1 и TR2 для входа A и на транзисторах TR3 и TR4 для входа В. Усилители абсолютно одинаковы и обеспечивают формирование прямоугольного выходного сигнала с амплитудой 5 В при подаче на вход синусоидального напряжения со средним значением 100 мВ (при этом входные селекторы S1 и S2 находятся в положении переменного тока).

С помощью S1 и S2 можно подавать также входные сигналы постоянного тока (что важно при использовании устройств низкой частоты и счета событий) и сигналы с большой амплитудой. Кнопки S3 и S4 предназначены для фиксации и сброса индикатора, а с помощью переключателей S5 и S6 выбирают диапазон и род работы.

Для уменьшения объема монтажных работ, в цифровом счетчике-частотомере используются два 4-разрядных мультиплексированных 7-сегментных индикатора D11 и D12. Разводка контактов индикаторов показана на рис. П2.27.

Рис. П2.27. Разводка контактов 7-сегментного индикатора.

Конденсаторы С6—С9 обеспечивают развязку по питанию, а диод D3 понижает напряжение питания при работе от сухих батарей, а не от аккумуляторов. В случае применения аккумуляторов диод D3 просто закорачивается перемычкой.

Когда прибор работает от никель-кадмиевых аккумуляторов, последние можно подзаряжать в нерабочее время, подключая SK3 и SK4 к источнику постоянного напряжения 12 В (например, к сетевому блоку питания или автомобильному аккумулятору). Диод D2 защищает прибор от неправильного подключения, а светодиод D1 сигнализирует о процессе заряда. Зарядный ток ограничивается на уровне примерно 250 мА с помощью резистора R20, который должен рассеивать мощность не менее 2,5 Вт. Продолжительность заряда при полностью разряженных аккумуляторах составляет примерно 12 ч.

Монтаж. Все компоненты прибора, за исключением находящихся на лицевой панели и держателя для батарей, монтируются на печатной плате с размерами 110x110 мм (40 полосок с 40 отверстиями). Монтажная схема платы представлена на рис. П2.28.

Рис. П2.28. Монтажная схема платы.

Всего необходимо сделать на плате 45 разрывов печатных проводников.

Рекомендуется следующая последовательность монтажа: гнезда для микросхем, пистоны, индикаторы, перемычки, резисторы, диоды и конденсаторы. После тщательной проверки платы можно вставить в гнездо микросхему. Монтажная схема компонентов на лицевой панели показана на рис. П2.29.

Рис. П2.29. Монтажная схема лицевой панели.

Отверстие с размерами 100x20 мм для индикатора следует тщательно разметить и аккуратно вырезать надфилем, а затем его края обработать тонкой шкуркой.

Сзади к лицевой панели эпоксидной смолой прикрепляется красный поляризованный фильтр. Постарайтесь, чтобы смола не выступала на видимую часть фильтра и весь индикатор имел аккуратный вид.

Закончив монтаж лицевой панели, прикрепите печатную плату с помощью четырех стоек длиной 28 мм к основанию корпуса. Затем соедините кусочком плоского кабеля лицевую панель с печатной платой. Желательно, чтобы соединения были прямыми и по возможности короткими. Несоблюдение этой рекомендации может привести к помехам, вызывающим хаотические показания индикаторов при работе от батарей с пониженным напряжением.

С помощью болтов М3 и гаек к основанию корпуса крепится футляр батарей, а на задней стороне корпуса монтируются зарядные гнезда SK3 и SK4. На рис. П2.30 показаны надписи, которые наносятся на лицевой панели прибора.

Рис. П2.30. Внешний вид лицевой панели.

Проверка. При работе прибора от сухих батарей убедитесь, что перемычка отсутствует (см. рис. П2.28), а затем вставьте четыре батареи типа С напряжением 1,5 В каждая в футляр. Если прибор будет работать от аккумуляторов, необходимо проверить наличие перемычки и вставить в футляр четыре заряженных никель-кадмиевых аккумуляторов типа С. Затем поставьте S5 во включенное положение и измерьте постоянное напряжение питания на конденсаторе С7. Оно должно находиться в диапазоне от 4,5 до 5,5 В, в противном случае проверьте монтаж S7.

Теперь поставьте переключатель в положение Контроль, а переключатель диапазона — в положение «0,1 с/1 Гц». Исправный прибор должен индицировать число 10000.0, что соответствует частоте внутренней синхронизации 10 000 кГц. Если на индикаторе такого показания нет, проверьте монтаж IC1, D11, D12, S5 и S6. Когда индикатор вообще ничего не показывает, т. е. ни один из сегментов не светится, следует сначала проверить напряжение питания на контакте 18 микросхемы IC1, а затем монтаж кварца XI, R15, ТС1 и С3. Получив на индикаторе показание 10000.0, при прежних положениях переключателей функции и диапазона нажмите кнопку S4. При нажатой кнопке S4 на индикаторе должен высвечиваться 0.

Отметим, что старшие нули, т. е. нули слева от десятичной точки, не индицируются. Затем отпустите кнопку S4 и нажмите кнопку фиксации S3. Показания индикатора 10000.0 при нажатой кнопке S3 не должны изменяться. После этого отпустите кнопку S3 и проверьте показания прибора на различных диапазонах измерения согласно данным табл. П2.4.

Отметим, что в последнем случае старшая цифра (1) переполняет индикатор слева и для смены показаний индикатора требуется 10 с.

Теперь вернитесь на диапазон «0,01 с/1 Гц» и поочередно при различных положениях переключателя функции убедитесь в том, что показания прибора полностью соответствуют данным, приведенным в табл. П2.5.

Если прибор ничего не индицирует, нужно тщательно проверить правильность монтажа переключателей S5 и S6.

Наконец, цифровой счетчик-частотомер следует проверить от реального источника TTЛ-сигналов, например от генератора импульсов, описанного в табл. П2.5. Подайте на вход прибора прямоугольный сигнал частотой 500 Гц с коэффициентом заполнения 0,5. Затем установите переключатели функции в положении Частота и диапазон «1 с/100 Гц». Проверьте, высвечивается ли на индикаторе число 500 при каждом положении переключателя S1, а затем верните его в положение ТТЛ. После этого убедитесь в том, что прибор индицирует в зависимости от положения переключателя функции показания согласно данным табл. П2.6.

На этом проверка прибора заканчивается, и он считается готовым к работе. Батарей хватает примерно на 8—12 ч работы. Прибор сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания примерно до 4,5 В. Если напряжение будет еще снижаться, то будет ухудшаться свечение индикатора и прибор начнет индицировать хаотические показания.

Компоненты. Резисторы (угольные, 0,25 Вт, 5 %): R1 = R3 = R9 = R14 = 1 кОм; R2 = R4 = R17 = R18 = 10 кОм; R5 = R10 = R8 = R13 = 47 кОм; R6 = R11 = 100 Ом; R7 = R12= 220 Ом; R15 (0,5 Вт) = 10 МОм; R16 = 22 кОм; R19 = 270 Ом; R20 (2,5 Вт) = 27 Ом; конденсаторы: С1 = С2 = 0,47 мкФ (полистироловый, 100 В); 7 пкФ (полистироловый); С4 = С5 = 68 пкФ (керамический); С6 = 100 мкФ (электролитический, 16 В); С7 = 10 мкФ (электролитический, 25 В); С8 = С9 = 0,1 мкФ (полистироловый); VC1 = 5,5÷65 пкФ (миниатюрный триммер); полупроводниковые приборы: IC1 — 7216А; D1 — красный светодиод (с линзой); D2, D3 —1 N4001; D11, D12 — 4-разрядный индикатор с общим анодом; TR1—TR4 — ВС548.

Дополнительные детали: S1, S2 — миниатюрный однополюсный тумблер со средним положением; S3, S4 — миниатюрная кнопка, нормально разомкнутая; S5 — поворотный однополюсный переключатель на 12 положений (упор зафиксирован на четыре положения); S6 — поворотный однополюсный переключатель на 12 положений (упор зафиксирован на шесть положений); S7 — миниатюрный двухполюсный тумблер на два положения; 28-контактное гнездо для микросхемы; корпус типа Verobox с размерами 205x140x75 мм (номер детали 202-21035F), необязательная подставка для фиксации наклонного положения прибора; односторонние пистоны диаметром 1 мм (23 шт.); кусок платы типа Veroboard; болты, гайки, стойки (по 4 шт.); гнездо типа BNC с креплением на шасси (2 шт.); гнездо диаметром 2 мм с креплением на шасси (2 шт.); ручка (2 шт.); футляр для четырех батарей типа С; кварц (X1) 10 МГц, типа HC18/U; красный поляризованный фильтр для индикатора с размерами 100X35X0,76 мм.

3. Осциллограф

Без сомнения, читателям уже знаком этот универсальный прибор, предназначенный для наблюдения цифровых и аналоговых сигналов. Поэтому нижеприведенные сведения рассчитаны на новичков и тех читателей, которые захотят приобрести осциллограф.

За последние 10–15 лет стоимость осциллографов значительно снизилась. Разрабатывать же самодельный осциллограф новичку не под силу, тем более что основные его компоненты (электронно-лучевая трубка и блок питания) довольно дороги. Затрудняет разработку осциллографа еще и необходимость точной калибровки.

Применения. Основное применение осциллографа — наблюдение сигналов в электронных схемах. Следует иметь в виду, что дешевые осциллографы не хранят входные сигналы и показывают только периодические сигналы. К сожалению, большинство цифровых сигналов не периодические. Например, сигнал в последовательной линии связи RS-232C будет периодическим только в том случае, если по линии все время передается один символ или последовательность символов. Аналогичная ситуация, возникает и с сигналами на линиях микропроцессорной системы. Для получения устойчивого изображения необходим периодический сигнал.

По-видимому, осциллограф оказывается одним из самых дорогих приборов в большинстве лабораторий и домашних мастерских, поэтому использовать, его нужно максимально эффективно. Приведем некоторые соображения, которые, возможно, неизвестны или малоизвестны читателю.

При наличии на экране сетки и с учетом соответствующих положений переключателей диапазонов можно довольно точно измерить напряжение и время. Конечно, прежде чем. производить измерение, нужно откалибровать сетку, переведя органы управления в положение CAL (калибровка). Несоблюдение этого простого правила может привести к получению неточных и просто неверных результатов.

Во всех современных осциллографах усилитель вертикального отклонения имеет вход по постоянному току, поэтому изменение уровня входного сигнала вызывает сдвиги изображения по вертикали. В реальных схемах переменный сигнал часто накладывается на постоянный уровень. Убрать этот уровень можно с помощью входного конденсатора, который подсоединяется к входу переключателем «Переменный ток — Земля — Постоянный ток». В положении «Переменный ток» конденсатор подключен, а в положении «Постоянный ток» — закорочен. В положении «Земля» на вход вертикального усилителя подается нулевой потенциал (конечно, при этом собственно вход отключается). Для измерения постоянного уровня входного сигнала переключатель «Переменный ток — Земля — Постоянный ток» вначале переводится в положение «Земля» и развертка смещается на центральную горизонтальную ось. Затем переключатель переводится в положение «Постоянный ток» и по вертикальному отклонению развертки измеряется уровень.

В двухлучевых осциллографах с «расщеплением» луча предусматриваются два режима работы. В режиме коммутации развертка показывает небольшую часть сигнала по одному вертикальному каналу, а затем — такую же часть по другому каналу. Благодаря высокой частоте коммутации на экране видны как бы две непрерывные развертки. Такой режим удобен для наблюдения сравнительно низкочастотных сигналов (ниже частоты коммутации), так как сохраняются точные фазовые соотношения между индицируемыми сигналами. Во втором режиме (режиме «чередования») каждому каналу отводится развертка на весь экран попеременно. Это удобно для наблюдения высокочастотных сигналов, хотя фазовый сдвиг между ними воспроизводится неточно.

В большинстве современных осциллографов предусматриваются несколько запускающих сигналов: внутренний сигнал, сформированный в тракте вертикального отклонения, сигнал 50 Гц от сети и внешний сигнал со входа запуска.

Выбор осциллографа. При покупке осциллографа нужно учитывать не только его стоимость. Желательно, чтобы выбранный Вами прибор прослужил как можно дольше.

Двухлучевые осциллографы ненамного дороже однолучевых, поэтому целесообразно выбрать именно двухлучевой прибор. Рекомендуется, чтобы прибор обладал широкой полосой пропускания и максимальной чувствительностью по вертикали. Для хорошего и сравнительно дешевого осциллографа полоса пропускания должна составлять не менее 25 МГц, а чувствительность по вертикали — не менее 10 мВ/см.

Необходимо обратить внимание на четкость и ясность маркировки органов управления. Сетка на экране должна быть видна отчетливо и не должна затруднять восприятие изображения (в хороших осциллографах обычно предусматривается подсветка сетки). По возможности проверьте качество изображения, вращая ручки яркости и фокусировки. Важно убедиться в том, что сфокусированная развертка по всему экрану получается при максимальной яркости.

Некоторые осциллографы оснащаются также внутренними калибраторами и тестерами. Если вы располагаете достаточными средствами, целесообразно подумать о приобретении осциллографа с цифровой памятью. Такой прибор может зафиксировать достаточно быстрые непериодические и однократные сигналы и очень полезен при работе с более сложными цифровыми схемами.

Спецификации универсального осциллографа:

Чувствительность по вертикали … 10 мВ/см — 10 В/см

Полоса пропускания тракта усиления по вертикали … Постоянный ток — 25 МГц (=) 10 Гц — 30 МГц (~)

Время размаха по вертикали … 12,5 нс

«Расщепление» луча … Коммутация/поочередность

Скорость развертки … 10 мкс/см —1 с/см

Чувствительность запуска … Лучше 10 мВ в диапазоне 10 Гц-10 МГц

Размер экрана … 8x10 см

Пробник осциллографа. Важнейшее требование, предъявляемое к осциллографу, — это правильно воспроизводить короткие импульсы и не вносить большую емкостную нагрузку в проверяемый узел.

К сожалению, входная емкость осциллографа, варьируемая в диапазоне от 20 до 30 пкФ, включается параллельно емкости коаксиального кабеля, превышающей 150 пкФ, поэтому общая шунтирующая емкость для проверяемого узла составляет примерно 200 пкФ. На низких частотах этой емкостью можно пренебречь, но на частотах в несколько десятков килогерц и выше ее влияние уже начинает сказываться и импульсы с крутыми фронтами значительно искажаются. Эта проблема полностью снимается, если имеется компенсирующий пробник. Самый распространенный пробник дает десятикратное ослабление и обычно маркируется символами «Х10». Благодаря наличию пробника входное сопротивление увеличивается примерно в 10 раз, а входная емкость примерно во столько же раз уменьшается. Обычный пробник «Х10» обладает входным сопротивлением 10 МОм, входной емкостью 15 пкФ и дополняется множеством насадок для подключения в различных схемах.

4. Таблица обозначений основных логических элементов

5. Указатель зарубежных изделий электронной техники и их отечественных аналогов

6. Функциональное назначение зарубежных изделий электронной техники

Микромощные логические ИМС КМОП-типа

CD4001 — четыре логических элемента 2ИЛИ — НЕ

CD4002 — два логических элемента 4ИЛИ — НЕ

CD4012 — два логических элемента 4И — НЕ

CD4013 — два D-триггера

CD4020 — 14-разрядный двоичный счетчик-делитель

CD4023 — три трехвходовых элемента И — НЕ

CD4025 — три трехвходовых элемента И — НЕ

CD4027 — два JK-триггера

CD4049 — шесть логических элементов НЕ

CD4050 — шесть преобразователей уровня

CD4069 — шесть инверторов

CD4070 — четыре логических элемента Исключающее ИЛИ

CD4081 — четыре логических элемента 2И

CD4076 — четыре D-триггера с тремя состояниями на выходе

Логические ИМС ТТЛ- и ТТЛШ-типа

SN7400 — четыре логических элемента 2И — НЕ

SN7401 — четыре логических элемента 2И — НЕ с открытым коллекторным выводом

SN7402 — четыре логических элемента 2ИЛИ — НЕ

SN7403 — четыре логических элемента 2ИЛИ — НЕ с открытым коллекторным выводом

SN7404 — шесть логических элементов НЕ (инверторов)

SN7405 — шесть логических элементов НЕ с открытым коллекторным выводом

SN7406 — шесть буферных инверторов с повышенным выходным напряжением (30 В), с открытым коллекторным выводом

SN7407 — шесть буферных формирователей с повышенным выходным напряжением (30 В), с открытым коллекторным выводом

SN7408 — четыре логических элемента 2И

SN7409 — четыре логических элемента 2И с открытым коллекторным выводом

SN7410 — три логических элемента 3И — НЕ

SN7411 — три логических элемента 3И

SN7412 — три логических элемента 3И — НЕ с открытым коллекторным выводом

SN7413 — два триггера Шмитта с четырьмя логическими элементами

SN7414 — шесть триггеров Шмитта с инвертором

SN7415 — три логических элемента 3И с открытым коллекторным выводом

SN7416 — то же, что SN7406, но с выходным напряжением 15 В

SN7417 — то же, что SN7407, но с выходным напряжением 15 В

SN7420 — два логических элемента 4И — НЕ, один из них расширяемый по ИЛИ

SN7421 — два логических элемента 4И

SN7422 — два логических элемента 4И — НЕ с открытым коллекторным выводом и повышенной нагрузочной способностью

SN7423 — два логических элемента ИЛИ — НЕ со стробированием на одном элементе и возможностью расширения по ИЛИ на другом

SN7425 — два логических элемента 4ИЛИ — НЕ со стробированием

SN7426 — четыре высоковольтных (с выходным напряжением 15 В) логических элемента

SN7427 — 2И — НЕ с открытым коллекторным выводом

SN7428 — три логических элемента ЗИЛИ — НЕ четыре буферных логических элемента 2ИЛИ — НЕ

SN7430 — логический элемент 8И — НЕ

SN7432 — четыре логических элемента 2ИЛИ

SN7433 — четыре логических элемента ИЛИ — НЕ с повышенной помехостойкостыо с открытым коллекторным выводом

SN7437 — четыре логических элемента 2И — НЕ с повышенной нагрузочной способностью

SN7438 — четыре буферных логических элемента 2И — НЕ с открытым коллекторным выводом

SN7440 — два логических элемента 4И — НЕ с большим коэффициентом разветвления

SN7442 — дешифратор 4 на 10

SN7450 — два логических элемента 2—2И—2ИЛИ — НЕ, один из них расширяемый по ИЛИ

SN7451, SN74LS51 — два логических элемента 4–2—3—2И—4ИЛИ — НЕ

SN7453 — логический элемент 2–2—3И—4ИЛИ — НЕ — с возможностью расширения по ИЛИ

SN7454 — логический элемент 2–3—3—2И—4ИЛИ — НЕ

SN74LS55 — логический элемент 4—4И—2ИЛИ — НЕ с расширением по ИЛИ

SN7460 — два 4-входовых логических расширителя по ИЛИ

SN7475 — четыре D-триггера (защелки данных)

SN7477 — четыре D-триггера

SN7480 — одноразрядный полный сумматор SN7482

SN7483 — двухразрядный полный сумматор

SN7486, SN74LS86 — четырехразрядный двоичный сумматор четыре двухвходовых логических элемента Исключающее ИЛИ

SN7490 — двоично-десятичный четырехразрядный счетчик

SN7491 — 8-разрядный сдвиговый регистр с последовательным входом и выходом

SN7492 — счетчик-делитель на 12

SN7493 — 4-разрядный двоичный счетчик

SN7495 — 4-разрядный сдвигающий регистр

SN7496 — 5-разрядный универсальный сдвигающий регистр

SN74107 — два JK-триггера со сбросом

SN74109 — два JK-триггера

SN74110 — JK-триггер со сбросом и предустановкой

$N74111 — два JK-триггера со сбросом и предустановкой

SN74LS112 — два JK-триггера со сбросом и предустановкой

SN74LS113 — два JK-триггера с предустановкой

SN74LS114 — два JK-триггера с предустановкой и общим сбросом

SN74121 — одновибратор с логическим элементом на выходе

SN74122 — одновибратор с повторным запуском

SN74123 — сдвоенный одновибратор с повторным запуском

SN74124 — сдвоенный генератор, управляемый напряжением

SN74125, SN74126 — четыре буферных усилителя с тремя состояниями

SN74128 — четыре логических элемента 2ИЛИ — НЕ (магистральный усилитель)

SN74132 — четыре триггера Шмитта с логикой 2И — НЕ на входе

SN74136 — четыре двухвходовых логических элемента Исключающее ИЛИ с открытым коллекторным выводом

SN74138 — двоичный дешифратор

SN74139 — два дешифратора-демультиплексора 2 на 4

SN74141 — высоковольтный (60 В) двоично-десятичный дешифратор управления газоразрядными индикаторами

SN74145 — двоично-десятичный дешифратор с выходным напряжением 15 В

SN74150 — селектор-мультиплексор на 16 каналов со стробированием

SN74151 — селектор-мультиплексор на 8 каналов со стробированием

SN74152 — селектор-мультиплексор на 8 каналов

SN74153 — сдвоенный цифровой селектор-мультиплексор 4—1

SN74155 — сдвоенный дешифратор-мультиплексор 2—4

SN74173 — 4-разрядный регистр с тремя состояниями на входе

SN74174 — шесть синхронных D-триггеров

SN74175 — четыре D-триггера

SN74176 — десятичный счетчик с предустановкой

SN74177 — двоичный счетчик с предустановкой

SN74178 — 4-разрядный сдвигающий регистр

SN74179 — 4-разрядный сдвигающий регистр

SN74180 — 8-разрядная схема контроля четности и нечетности

SN74184 — преобразователь двоично-десятичного кода в двоичный

SN74190 — синхронный реверсивный десятичный счетчик

SN74192 — двоично-десятичный реверсивный счетчик

SN74193 — 4-разрядный двоичный реверсивный счетчик

SN74194 — 4-разрядный универсальный регистр сдвига

SN74199 — 8-разрядный сдвигающий регистр

SN74240 — 8-канальный магистральный буферный усилитель с тремя: состояниями и инверсией

SN74241 — 8-канальный магистральный буферный усилитель с тремя состояниями без инверсии

SN74242 — 4-линейный передатчик

SN74243 — 4-линейный передатчик

SN74244 — 8-канальный однонаправленный шинный формирователь

SN74245 — 8-канальный двунаправленный шинный формирователь

SN74LS266 — четыре двухвходовых логических элемента Исключающее ИЛИ с открытым коллектором

SN74273 — 8-разрядный D-триггер со сбросом

SN74279 — четыре RS-григгера

SN74283 — 4-разрядный двоичный полный сумматор с ускоренным переносом

* * *

Примечания

1

На приведенных в книге принципиальных схемах сохранено оригинальное обозначение интегральных схем IC. — Прим. пер.

2

Таблица стандартных обозначений логических элементов, принятых в СССР, приведена в приложении. — Прим. пер.

Content

Тули Майк
«Справочное пособие по цифровой электронике»

Предисловие к русскому изданию

Предисловие

Глава 1 Введение в интегральные схемы

Глава 2 Основные логические элементы

Глава 3 Моностабильные и бистабильные схемы

Глава 4 Таймеры

Глава 5 Микропроцессоры

Глава 6 Полупроводниковая память

Глава 7 Микросхемы для ввода-вывода

Глава 8 Интерфейсы

Глава 9 Микропроцессорные шины

Приложения

1. Справочные данные по микросхемам

2. Самодельные приборы

2.1. Инструменты и приборы

2.2. Стабилизированный блок питания

2.3. Логический пробник

2.4. Логический пульсатор

2.5. Генератор импульсов

2.6. Тестер цифровых микросхем

2.7. Индикатор тока

2.8. Звуковой логический индикатор

2.9. Врезка для интерфейса RS-232C

2.10. Цифровой счетчик-частотомер

3. Осциллограф

4. Таблица обозначений основных логических элементов

5. Указатель зарубежных изделий электронной техники и их отечественных аналогов

6. Функциональное назначение зарубежных изделий электронной техники

Примечания