Главная > Электроника > Книги и видеокурсы > Основы цифровой схемотехники

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

базовые элементы и схемы, методы проектирования

Новиков Ю.В.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Философия цифровой электроники

1.1. Аналог или цифра?

1.2. Уровни представления цифровых устройств

1.3. Входы и выходы цифровых микросхем

1.4. Основные обозначения на схемах

1.5. Серии цифровых микросхем

1.6. Корпуса цифровых микросхем

1.7. Двоичное кодирование

1.8. Функции цифровых устройств

Глава 2. Применение логических элементов

2.1. Инверторы

2.2. Повторители и буферы

2.3. Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

2.4. Элементы Исключающее ИЛИ

2.5. Сложные логические элементы

2.6. Триггеры Шмитта

Глава 3. Применение комбинационных микросхем

3.1. Дешифраторы и шифраторы

3.2. Мультиплексоры

3.3. Компараторы кодов

3.4. Сумматоры

3.5. Преобразователи кодов

3.6. Одновибраторы и генераторы

Глава 4. Применение триггеров и регистров

4.1. Триггеры

4.1.1. Принцип работы и разновидности триггеров

4.1.2. Основные схемы включения триггеров

4.2. Регистры

4.2.1. Регистры, срабатывающие по фронту

4.2.2. Регистры, срабатывающие по уровню

4.2.3. Сдвиговые регистры

Глава 5. Применение счетчиков

5.1. Асинхронные счетчики

5.2. Синхронные счетчики с асинхронным переносом

5.3. Синхронные счетчики

Глава 6. Применение микросхем памяти

6.1. Постоянная память

6.1.1. ПЗУ как универсальная комбинационная микросхема

6.1.2. ПЗУ в генераторах импульсных последовательностей

6.1.3. Микропрограммные автоматы на ПЗУ

6.2. Оперативная память

6.2.1. ОЗУ для временного хранения информации

6.2.2. ОЗУ как информационный буфер

6.2.3. Улучшение параметров ОЗУ

Глава 7. Применение микросхем ЦАП и АЦП

7.1. Применение ЦАП

7.2. Применение АЦП

Глава 8. Примеры разработки цифровых устройств

8.1. Разработка клавиатуры

8.2. Разработка вычислителя контрольной суммы

8.3. Разработка логического анализатора

8.4. Разработка генератора аналоговых сигналов

Приложение. Микросхемы, параметры, сигналы

Список литературы

Словарь терминов и сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, производящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем это относится как к бытовой технике (аудио-, видеоаппаратура, средства связи), так и к профессиональной технике (измерительная, управляющая аппаратура). Ставшие уже привычными персональные компьютеры также полностью реализованы на цифровой электронике. Видимо, в ближайшем будущем полностью аналоговые устройства будут применяться только в тех случаях, когда требуются уникальные, рекордные характеристики.

Между тем, литературы, позволяющей самостоятельно изучить основы и главные методы цифровой схемотехники, освоить основные практические приемы проектирования цифровых устройств, явно недостаточно. Книги, которые претендуют на освещение основ цифровой схемотехники, можно разделить на три большие группы.

К первой группе относятся книги, которые стремятся охватить всю электронику в целом (как цифровую, так и аналоговую). Такой глобальный подход неизбежно приводит к тому, что цифровая схемотехника рассматривается чересчур кратко, поверхностно. Даже самые лучшие из книг этой группы уделяют цифровой электронике не более четверти своего объема. Между тем цифровая электроника существенно отличается от аналоговой не только видом используемых сигналов, но, что самое главное, приемами проектирования, требуемым стилем мышления разработчика, принципами построения сложных систем. Данные книги хороши в основном для повышения общего уровня образования читателя, для создания общего базиса, на котором только и может вырасти настоящий специалист, разработчик электронной аппаратуры.

Ко второй группе относятся книги, посвященные цифровым микросхемам и их применению. Эти книги стремятся описать как можно более подробно все имеющиеся микросхемы, поэтому обязательно содержат большой справочный материал. Однако в любом случае приводимые в них справочные данные далеко не полны и к тому же неизбежно содержат большое количество ошибок. Справочников по микросхемам должно быть как можно меньше, и они должны быть очень подробными, иначе они просто не имеют смысла. В идеале справочники должны выпускаться только фирмами-изготовителями микросхем. А попытка ввести в книгу даже краткие справочные данные по всем существующим микросхемам не оставляет достаточно места для описания самого главного — разнообразных применений этих микросхем, методам проектирования цифровых узлов и устройств на их основе. Поэтому книги этой группы годятся обычно только для первичного знакомства с темой.

Наконец, третья группа книг описывает готовые цифровые устройства различного назначения. В основном такие книги рассчитаны на «радиолюбителей», хотя, что подразумевается под этим понятием, обычно не совсем понятно. Среди тех, кто называют себя радиолюбителями, немало прекрасных разработчиков, а среди дипломированных профессионалов встречаются те, кто не может разработать даже простейшей схемы. Книги этой третьей группы, как правило, не говорят о том, как устройства разрабатывались, какие приемы проектирования применялись и почему. То есть они обычно подразумевают бездумное повторение готовых решений, использование шаблонов. Настоящую пользу данные книги могут принести только тому, у кого уже есть хороший базовый запас знаний и умений по проектированию цифровых устройств. Впрочем, для таких людей чужие схемы не слишком интересны, они могут проектировать свои.

К недостаткам многих существующих книг можно отнести также чрезмерное увлечение описание тонкостей физических процессов, лежащих в основе цифровой электроники, и подробное рассмотрение особенностей технологии микросхем. Конечно, все это тоже нужно, полезно, интересно, но с самой схемотехникой связано не жестко, не прямо и не слишком сильно. Разработчик цифровой аппаратуры в подавляющем большинстве случаев работает с микросхемами как с «черным ящиком», ему не слишком важно, что происходит внутри, как реализуется та или иная функция микросхемы. Видимо, целесообразно физику полупроводников и технологию изучать отдельно от схемотехники, параллельно с ней, до нее или после нее, чтобы не смешивать две различные области знаний.

Наконец, еще одним недостатком книг о цифровой схемотехнике можно назвать стремление охватить в одной книге все области цифровой электроники: от логических элементов до компьютеров и других сложных электронных систем. В результате все вопросы рассматриваются недостаточно глубоко, и до практики разработки дело не доходит. К тому же проектирование интеллектуальных устройств довольно сильно отличается от проектирования устройств на жесткой логике, они порой требуют применения совершенно разных подходов. Поэтому их целесообразно рассматривать в различных книгах.

Данная книга посвящена самым основам цифровой схемотехники, ее азбуке, ее основным методам, подходам и приемам. Отличие ее состоит в том, что она может дать представление о цифровой схемотехнике даже тем читателям, которые имеют слабое представление об электронике вообще. Впрочем, это вовсе не означает, что книга посвящена только самым общим, неконкретным, отвлеченным вопросам. Наоборот, она призвана сформировать действительно хорошего проектировщика, способного строить высокоэффективные цифровые системы самой различной сложности и четко представляющего себе взаимосвязь всех процессов в этих системах сверху донизу. Конечно, чтобы стать таким классным специалистом, нужны определенные способности, даже талант, но строить простейшие цифровые устройства, пусть и не оптимальные, не уникальные, но полезные и вполне работоспособные, способен практически каждый человек. Хотелось бы надеяться, что данная книга окажет в этом деле действенную помощь.

Книга ни в коем случае не претендует на то, чтобы заменить собой справочники по микросхемам, хотя в ней и разъясняются функции многих микросхем. Главное, чему уделено внимание — это применение микросхем для различных задач (причем как стандартное применение, так и не стандартное), а также приемы объединения, комбинирования микросхем, позволяющие создавать разнообразные узлы, устройства и системы.

Материал данной книги представляет собой тот необходимый минимум знаний который должен иметь и которым должен свободно и активно пользоваться каждый профессиональный разработчик цифровой аппаратуры. Любые другие, дополнительные знания, конечно же, не повредят, но заменить собой то, что изложено здесь, они не смогут.

Возможно, подход, предлагаемый в данной книге, несколько отличается от общепринятого. Возможно также, что используемый набор терминов не полностью совпадает со стандартным (отечественные стандарты слишком часто меняются). Но главное — это научить проектировать цифровые устройства и системы, а какие для этого используются подходы и термины, наверное, не слишком принципиально.

Книга написана на основе многолетнего личного опыта автора по разработке цифровых устройств, а также на базе материала учебных курсов, читаемых автором, доцентом кафедры электроники Московского инженерно-физического института (МИФИ).

Несколько слов о структуре книги.

Первая глава рассматривает основополагающие принципы цифровой электроники, знакомит с терминологией и основными правилами оформления схем.

Главы со второй по шестую посвящены основным базовым элементам цифровых устройств, типовым и нестандартным схемам их включения. Практически все приведенные схемы проверялись автором на практике. Микросхемы описаны начиная с самых простейших логических элементов в порядке усложнения через комбинационные микросхемы, триггеры, регистры, счетчики до микросхем памяти. Каждая глава включает в себя множество примеров включений микросхем, как рассматриваемых в данной главе, так и рассмотренных в предыдущих главах.

Седьмая глава содержит краткие сведения о цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях и основных методах их включения в аналого-цифровых устройствах. Без этих сведений книга была бы неполна.

В восьмой главе приводятся примеры нескольких сравнительно сложных цифровых устройств с подробным описанием всех этапов проектирования и принципов работы и взаимодействия всех узлов и микросхем. Цель этого не в том, чтобы читатель повторил данные устройства, а в том, чтобы на практике показать приемы проектирования, которые затем позволят строить любые другие цифровые устройства.

В приложении приведены таблицы параметров микросхем, таблицы основных обозначений микросхем и сигналов, таблицы соответствия отечественных и зарубежных микросхем. В конце книги имеется подробный словарь терминов и сокращений цифровой схемотехники.

В книгу не вошли материалы по основам микропроцессорной техники, по принципам устройства и применения микроконтроллеров и персональных компьютеров, по основам работы с программируемыми микросхемами (ПЛИС), по методам контроля и отладки цифровых устройств, а также по программным средствам, предназначенным для проектирования цифровых устройств и систем. Все эти вопросы планируется рассмотреть в других книгах данной серии.