Serwis Edukacyjny
w I-LO w Tarnowie
obrazek

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Wstecz       Dalej  

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek

©2020 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Bity w elektronice

Scalone układy cyfrowe

SPIS TREŚCI
Podrozdziały

Układy scalone

obrazek

W latach 60 ubiegłego wieku wynaleziono układy scalone (ang. integrated circuit). Są to małe elementy elektroniczne zawierające w swojej strukturze gotowe układy zbudowane z dziesiątek, setek, tysięcy lub więcej tranzystorów. Dzięki układom scalonym stała się możliwa budowa współczesnych komputerów. Nawet najprostszy komputer IBM składa się wewnętrznie z milionów tranzystorów. Bez układów scalonych budowa takiego komputera byłaby bardzo kosztowna i czasochłonna - na pewno nie byłoby nas stać na własny, domowy komputer osobisty.

Bramki cyfrowe są umieszczane w układach scalonych, które produkuje wiele różnych firm na całym świecie. Najpopularniejsze serie to obecnie TTL (bramki zbudowane z tzw. tranzystorów bipolarnych) oraz CMOS (bramki zbudowane z tranzystorów polowych).

Parametr TTL CMOS
Zasilanie 5V 3...15 V
Poziom 0 0,4...0,8 V 0 V
Poziom 1 2...5 V VDD
Czas propagacji 1,5...3 ns 30 ns
Obciążalność wyjść 10 duża

Układy TTL są zwykle 10 razy szybsze od układów CMOS (chociaż współczesne konstrukcje CMOS nie ustępują w szybkości układom TTL, a nawet je przewyższają). Za to układy CMOS mogą być zasilane napięciem o dużej rozpiętości oraz pobierają znikomą moc (szczególnie istotne dla urządzeń zasilanych bateryjnie).

Z zewnątrz układ scalony przypomina małą kostkę z wyprowadzonymi metalowymi końcówkami, do których doprowadzamy lub z których pobieramy sygnały elektryczne. Wewnątrz układu scalonego wyprowadzenia są połączone z małą płytką silikonową, na której w drodze skomplikowanych procesów utworzono strukturę elektroniczną złożoną z setek lub tysięcy tranzystorów i oporników.

obrazek

Nóżki układu scalonego są odpowiednio numerowane. Zwróć uwagę, iż na obudowie znajduje się małe wycięcie lub mała dziurka. Układ ustawiamy nóżkami w dół tak, aby wcięcie na obudowie znalazło się po stronie lewej. Wtedy numeracja nóżek rozpoczyna się od lewego dolnego rogu i biegnie wokół układu scalonego. Poniżej przedstawiamy widok z góry układu o 14 wyprowadzeniach.

obrazek

Gdy umiemy już odczytywać numery wyprowadzeń układów scalonych, możemy zdefiniować ich zawartość. Poniżej przedstawiamy definicje wyprowadzeń kilku układów cyfrowych zawierających podstawowe bramki logiczne. Są to układy TTL serii SN74xx oraz CMOS serii CD40xx. GND oznacza masę dla TTL (minus zasilania), VSS dla CMOS. VCC oznacza napięcie zasilające układ scalony TTL (+5V), VDD dla CMOS. Wiedza ta pozwala na samodzielne konstruowanie prostych urządzeń cyfrowych. Układy zestawiliśmy tak, aby w obu seriach otrzymać funkcjonalne odpowiedniki. Dlatego kolejność numeracji układów CMOS nie jest zachowana.

Układy TTL serii SN74xx Układy CMOS serii CD40xx
Brak odpowiednika TTL CD4000 - dwie 3-wejściowe bramki NOR i inwerter

obrazek

SN7400 - cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NAND

obrazek

CD4011 - cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NAND

obrazek

SN7402 - cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NOR

obrazek

CD4001 - cztery 2-wejściowe bramki uniwersalne NOR

obrazek

SN7404 - sześć inwerterów

obrazek

CD4009 - sześć inwerterów

obrazek

SN7407 - sześć wzmacniaczy buforowych

obrazek

CD4010 - sześć wzmacniaczy buforowych

obrazek

SN7408 - cztery 2-wejściowe bramki AND

obrazek

CD4081 - cztery 2-wejściowe bramki AND

obrazek

SN7410 - trzy 3-wejściowe bramki uniwersalne NAND

obrazek

CD4023 - trzy 3-wejściowe bramki uniwersalne NAND

obrazek

SN7411 - trzy 3-wejściowe bramki AND

obrazek

CD4073 - trzy 3-wejściowe bramki AND

obrazek

SN7420 - dwie 4-wejściowe bramki uniwersalne NAND

obrazek

CD4012 - dwie 4-wejściowe bramki uniwersalne NAND

obrazek

SN7437 - cztery 2-wejściowe bramki buforowe NAND

obrazek

Brak odpowiednika CMOS

 

SN7440 - dwie 4-wejściowe bramki buforowe NAND

obrazek

Brak odpowiednika CMOS
SN7421 - dwie 4-wejściowe bramki AND

obrazek

CD4082 - dwie 4-wejściowe bramki AND

obrazek

Brak odpowiednika TTL CD4002 - dwie 4-wejściowe  bramki uniwersalne NOR

obrazek

Brak odpowiednika TTL CD4072 - dwie 4-wejściowe bramki OR

obrazek

SN7427 - trzy 3-wejściowe bramki uniwersalne NOR

obrazek

CD4025 - trzy 3-wejściowe bramki uniwersalne NOR

obrazek

Brak odpowiednika TTL CD4075 - trzy 3-wejściowe bramki OR

obrazek

SN7430 - jedna 8-wejściowa bramka uniwersalna NAND

obrazek

CD4068 - jedna 8-wejściowa bramka uniwersalna NAND

obrazek

Brak odpowiednika TTL CD4078 - jedna 8-wejściowa bramka uniwersalna NOR

obrazek

SN7432 - cztery 2-wejściowe bramki OR

obrazek

CD4071 - cztery 2-wejściowe bramki OR

obrazek

SN7486 - cztery 2-wejściowe bramki EX-OR

obrazek

CD4070 - cztery 2-wejściowe bramki EX-OR

obrazek

Brak odpowiednika TTL CD4077 - cztery 2-wejściowe bramki EX-NOR

obrazek

 Więcej na ten temat znajdziesz w osobnym artykule "Układy cyfrowe".

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zasady łączenia wejść i wyjść

Do jednego wyjścia bramki można podłączyć kilka wejść innych bramek. Musimy tylko pamiętać, aby nie przekroczyć obciążalności wyjścia bramki. Typowe wyjście bramki TTL może wysterować około 10 wejść innych bramek. Do bramek CMOS reguła ta się nie odnosi, ponieważ pobierają one bardzo mały prąd wejściowy - mówimy, iż posiadają dużą oporność wejściową.

Nieużywane wejścia bramek należy podłączyć poprzez opornik 1 kΩ (jeśli możemy zagwarantować, iż napięcie VCC nie przekroczy 5,5 V, to wejście można połączyć bezpośrednio) do zasilania +5 V (bramki AND i NAND) lub bezpośrednio do masy (bramki OR i NOR). Nie wolno pozostawiać wejścia "wiszącego", ponieważ powoduje to pogorszenie warunków pracy bramki (zwiększa się czas propagacji oraz zmniejsza się odporność na zakłócenia) i w konsekwencji może powodować błędy w działaniu urządzenia cyfrowego.

obrazek

Nie wolno łączyć ze sobą wyjść bramek (za wyjątkiem specjalnych bramek z wyjściami typu otwarty kolektor lub otwarty dren, które są specjalnie zaprojektowane do takiej właśnie pracy), gdyż prowadzi to do zwarcia i w konsekwencji może uszkodzić układ cyfrowy.

Na początek:  podrozdziału   strony 

Podłączanie diod LED

Dioda LED (ang. Light Emitting Diode) jest elementem elektronicznym, który przewodzi prąd tylko w jednym kierunku. Gdy prąd płynie przez diodę LED, emituje ona światło. Kolor świecenia zależy od materiału użytego do konstrukcji diody.

Diody LED bardzo często wykorzystywane są w technice cyfrowej jako różnego rodzaju wskaźniki i oświetlenie - np. zegary wyświetlają przy ich pomocy cyfry czasu i daty, telefony komórkowe używają ich do podświetlania swoich ekranów i klawiatur.

Co powinniśmy wiedzieć o diodzie LED?

obrazek

  1. Gdy dioda przewodzi prąd utrzymuje się na niej względnie stałe napięcie UF. Jeśli napięcie zasilające jest niższe od UF, dioda świecić nie będzie. Napięcie to jest różne dla różnych diod - należy zawsze sprawdzać w katalogach producentów.
  2. W trakcie świecenia dioda pobiera pewien prąd IF. Nie wolno przekraczać wartości maksymalnej tego prądu, inaczej dioda ulegnie spaleniu.
  3. Światło powstaje w diodzie LED na zasadzie generacji fotonów w strukturze półprzewodnika przy przepływie prądu i nie jest spowodowane efektem cieplnym, jak w żarówce. Prawidłowo wysterowana dioda LED jest zimna i może świecić dziesiątki lat.
  4. Dioda posiada dwa wyprowadzenia: anodę (+A) i katodę (-K). Dioda przewodzi prąd, jeśli do anody zostanie przyłożony plus napięcia zasilania, a do katody minus (zgodnie z rysunkiem powyżej). Przy odwrotnej polaryzacji dioda LED nie przewodzi prądu.

Zwykle diody o średnicy 5 mm (najbardziej popularne cenowo) pobierają prąd IF = 20 mA. Jeśli chcemy uzyskać niezawodność świecenia, to obniżamy ten prąd do 15 mA (tyle może na wyjściu dostarczyć standardowa bramka TTL). Napięcie UF określamy z poniższej tabelki:

Rodzaj diody LED Napięcie UF Prąd IF
zwykłe, czerwone 1,7 V 15 mA
jasne, czerwone
wysokowydajne, czerwone
niskoprądowe, czerwone
1,9 V 15 mA
pomarańczowe i żółte 2,0 V 15 mA
zielone 2,1 V 15 mA
jasne, białe
jasne, zielone bez żółtozielonego
niebieskie zwykłe
3,4 V 12 mA
jasne, niebieskie 4,6 V 10 mA

Do naszych celów najlepsze będą diody o UF = 1,7 V ... 2,1 V. Diody o wyższym napięciu wymagają tranzystora sterującego, który zapewni im odpowiednie warunki zasilania. Diodę LED można podłączyć do wyjścia bramki TTL na dwa sposoby. W obu przypadkach należy odpowiednio dobrać opór ograniczający napięcie i prąd diody LED. Poniżej przedstawiamy odpowiednie wzory obliczeniowe:

Dioda świeci przy stanie wysokim

obrazek

Dioda świeci przy stanie niskim

obrazek

Dla diody czerwonej o UF = 1,7 V i IF = 0,015 A otrzymamy:

Dla wersji pierwszej napięcie 3,5 V jest napięciem wyjściowym bramki TTL w stanie wysokim. Napięcie to rozkłada się na opornik R oraz diodę LED. Gdy odejmiemy od niego napięcie UF diody LED, to pozostanie napięcie na oporniku R. Dzieląc to napięcie przez pożądany prąd IF otrzymujemy wartość opornika R, którą należy w tym układzie zastosować.

Dla wersji drugiej jest podobnie. Napięcie 4,6 V jest napięciem zasilania pomniejszonym o napięcie 0,4 V, które pojawia się na wyjściu bramki w stanie niskim.

Powyższe dwa układy można połączyć w jeden - dioda LED1 będzie świeciła w stanie niskim, a dioda LED2 będzie świeciła w stanie wysokim.

obrazek

Dobierając oporniki pamiętaj, iż w sprzedaży są wartości tworzące następujące szeregi:

E3 50% 10, 22, 47
E6 20% 10, 15, 22, 33, 47, 68
E12 10% 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82
E24 5% 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91

Wartości w szeregach mogą być mnożone przez potęgi liczby 10. W ten sposób otrzymujemy np. 33 × 1000 = 33 kΩ. To dlatego w drugim przykładzie zaokrągliłem wynik 193,333... do najbliższej, dostępnej wartości 200 Ω (szereg E24, wartość 20 × 10). To małe oszustwo nie wpłynie w sposób istotny na działanie opisywanego układu.

Więcej na ten temat znajdziesz w osobnym artykule "Technika cyfrowa".

Na początek:  podrozdziału   strony 

Symulacja układów elektronicznych

Jeśli zainteresował cię temat konstruowania układów cyfrowych, to wiele pieniędzy zaoszczędzisz zaopatrzywszy się w odpowiedni program symulacyjny. Godnym polecenia jest Electronic Workbench. Jest to wszechstronny symulator obwodów elektronicznych, w tym również cyfrowych. Zanim zbudujemy dany układ, możemy go przetestować na symulatorze, wyłapując różne błędy. Dzięki Electronic Workbench możesz posiadać swoje własne laboratorium elektroniczne.

Istnieją również różne symulatory obwodów elektronicznych dostępne poprzez przeglądarkę internetową:

W dalszej części artykułu przedstawimy również symulację sieci logicznych w języku C++.

Na początek:  podrozdziału   strony 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2020 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl

Serwis wykorzystuje pliki cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać, zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe.