Цифровая схемотехника

На пятый год учёбы в институте я понял, что мои знания по созданию интегральных микросхем ограничиваются каким-то странным куском, абсолютно не имеющем отношения к реальному миру. По идее, конечно, всё правильно, я должен быть инженером, представителем узкой прослойки между набором требований и конструкторами.

Всю мою учёбу в институте заказы были максимально кривые, а элементная база, которой должны пользоватся конструкторы, 20-30 лет давности, причём я ни разу не видел микросхем, из которых мы делали проекты вживую. Соответственно были сомнения, а работает ли это всё вообще или это какой-то хитрый развод. Кстати, стоит отдать должное одному преподавателю на четвёртом курсе, у которого мы даже написали прошивку для более-менее нового контроллера. В общем продолжаться так дальше не могло и я поехал в Чип-Дип и накупил микросхем, источник тока и макетную плату, чтобы не очень париться с пайкой первое время.

Мои покупки,

Источник тока

Макетная плата

Микросхемки

Микросхемки те самые, тридцатилетней давности. Выполняют простейшие функции, хранение одного бита, логические фукции И, ИЛИ, НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ, сложение чисел, коммутацию. Советские Российские аналоги всяких Philipsов и Motorol.

И коробка для хранения добра,

На всякий случай набрал резисторов разных сопротивлений

Ну и конденцаторов

Для начала предстояло проверить правда ли работают логические элементы, правда ли, что, если подать на входы элемента И высокие напряжения, то на выходе тоже будет высокое напряжение, а иначе низкое.

Некоторые умственные упражнения показали, что мерить напряжение на выходе каждого элемента вольтметром, чтобы посмотреть какое там значение неудобно, поэтому я понял, что нужны светодиоды, я думал, что мне понядобятся резисторы, чтобы их подключить, но оказалось, что для светодиодов подойдёт нагрузка на выходе микросхем. Резисторы не понадобилисть и для подключения микросхем. Так или иначе пришлось покупать светодиоды. Ещё нужно было всё как-то соединять, я думал о покупке провода, но потом подумал, что 50 метров витой пары, валяющиеся в коридоре, вполне подойдут. В итоге у меня были,

Диоды и провода

И я начал пробовать. Для начала выбрал элемент НЕ, как самый простой. Этот элемент имеет всего один вход и один выход. При создании между входом и дорожкой с нулевым потенциалом (землёй) низкого напряжения элемент должен создавать высокое напряжение между выходом и землёй, а при создании высокого напряжения — создавать низкое на выходе. Cоздание высокого напряжения на входе называется подачей на вход единицы, а низкого — подачей нуля. Получение высокого и низкого напряжения на выходе называется получением на выходе единицы или нуля, соответственно. Микросхема содержит сразу 6 элементов НЕ с одним входом и одним выходом и два контакта для подачи питания на все элементы НЕ сразу.

Вообще то я использовал документацию к микросхеме SN74ALS04BN, хотя сам использовал КР1533ЛН1, а, но это не важно, поскольку микросхемы, как уже было сказано — КР1533ЛН1 русский клон SN74ALS04BN. Вообще говоря, к каждой микросхеме есть отдельный PDF файл, в котором подробно расписано назначение контактов, напряжения, токи и всё остальное, что может понадобиться. Скачать описания можно на сайтах, типа http://www.datasheetcatalog.net, http://datasheets.ru, а также на сайтах фирм, производящих микросхемы, однако отдельные сайты удобны тем, что там есть описание микросхем разных фирм в одном месте. Итак, я подключил питание, как показано ниже.

Элемент НЕ с подключённым питанием:

Думаю надо вкратце рассказать о том, как соединены дырочки на макетной плате.

Далее надо запитать микросхему, по документации получается, что напряжение 5 вольт — самое оно.

Подаём напряжение на микросхему,

Вы погли заметить, что я кое где рассказываю в терминах потенциалов, а не напряжений или логических уровней. Мне самому такой подход позволяет понять суть происходящего лучше. Хотя на самом деле, конечно, всё равно как что называть.

Итак, уже сейчас на выходах микросхемы созданы потенциалы, соответствующие тому, как если бы на неподключённых входах были бы поданы единицы — это особенность технологии, по которой созданы именно эти микросхемы (см. ТТЛ). Создадим между входом одного из элементов и землёй на входе микросхемы нулевой потенциал (разницу напряжений), для этого соединим вход с землёй (обратите внимание, что синие проводки на самом деле соединены между собой). На другом элементе НЕ создадим разность потенциалов 5В. Присоединим светодиоды одной ножкой к выходам элементов НЕ, другой к земле. Светодиод загорается, когда разность потенциалов между его ножками около 5 вольт. На выходе элемента с нулевым потенциалом получим горящий светодиод, то есть существует разность потенциалов между выходом и землёй, а на выходе элемента, на который подали разность потенциалов (единицу) светодиод не горит (ноль на выходе).

Получается, что элементы НЕ работают как положено.

Возьмём элемент И-НЕ. Элемент И имеет два входа и один выход. Высокий потенциал появляется на выходе только тогда, когда на первом И на втором входах установлены высокие потенциалы. Суффикс НЕ говорит, что элемент работает наоборот, то есть высокое напряжение создаётся всегда кроме того, когда на входах единицы. Именно так и работает микросхема КР1533ЛА3.

Работа элементов И-НЕ:

Рассмотрим элемент ИЛИ-НЕ:

Работа элемента Исключающее ИЛИ,

С помощью простых логических элементов можно описать любую функцию с двумя значениями на выходе от любого числа переменных, принимающих два значения. В микросхеме КР1533ИП3 реализовано много разных функций от четырёх переменных, полезных и не очень (по крайней мере я не понял зачем они). Нужная функция выбирается подачей напряжения на специальные входы. Вот так я заставил эту микросхему складывать два двоичных числа.

Суммирование на КР1533ИП3,

Горящие светодиоды соответствуют нулям, не горящие — единицам. Светодиоды слева выдают дополнительную информацию, как перенос, чётность результата.

Подход с макетной платой по-немногу начинает напрягать. Для подключения этой, относительно простой микросхемы, потребовалось потратить достаточно времени:

Подключение микросхемы.

Понятно, что схема работает не просто так, и потребляет энергию. При напряжении 5.1 вольт, используется 0.07 ампер тока. Потребляемая мощность равно произведению этих чисел 5.1*0.07 = 0.357 Вт.

Нагрузка создаваемая схемой

Теоретически этого набора микросхем достаточно для задания любой двоичной функции. Для создания полноценного процессора логическим функциям недостаёт только элементов с памятью. Самая простая комбинация логической функции и памяти позволит создать так называемый счётчик. Про его создание я расскажу в следующий раз, если дойдут руки. И ноги :)