Главная > Электроника > Книги и видеокурсы > Введение в цифровую схемотехнику

ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ СХЕМОТЕХНИКУ

Новиков Ю.В.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

Глава 1. Философия цифровой электроники

Лекция 1. Базовые понятия цифровой электроники

1.1. Аналог или цифра?

1.2. Уровни представления цифровых устройств

1.3. Входы и выходы цифровых микросхем

Лекция 2. Микросхемы и их функционирование

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

Лекция 3. Простейшие логические элементы

2.1. Инверторы

2.2. Повторители и буферы

2.3. Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

Лекция 4. Более сложные логические элементы

2.4. Элементы Исключающее ИЛИ

2.5. Сложные логические элементы

2.6. Триггеры Шмитта

Глава 3. Применение комбинационных микросхем

Лекция 5. Комбинационные микросхемы. Часть 1.

3.1. Дешифраторы и шифраторы

3.2. Мультиплексоры

3.3. Компараторы кодов

Лекция 6. Комбинационные микросхемы. Часть 2.

3.4. Сумматоры

3.5. Преобразователи кодов

3.6. Одновибраторы и генераторы

Глава 4. Применение триггеров и регистров

Лекция 7. Триггеры

4.1. Триггеры

4.1.1. Принцип работы и разновидности триггеров

4.1.2. Основные схемы включения триггеров

Лекция 8. Регистры

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

Лекция 9. Асинхронные и синхронно-асинхронные счетчики

5.1. Асинхронные счетчики

5.2. Синхронные счетчики с асинхронным переносом

Лекция 10. Синхронные счетчики

5.3. Синхронные счетчики

Глава 6. Применение микросхем памяти

Лекция 11. Постоянная память

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

Лекция 12. Оперативная память

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

Лекция 13. Применение ЦАП и АЦП

7.1. Применение ЦАП

7.2. Применение АЦП

Глава 8. Примеры разработки цифровых устройств

Лекция 14. Разработка простых цифровых устройств

8.1. Разработка клавиатуры

8.2. Разработка вычислителя контрольной суммы

Лекция 15. Разработка сложных цифровых устройств

8.3. Разработка логического анализатора

8.4. Разработка генератора аналоговых сигналов

Приложение. Микросхемы, параметры, сигналы

Список литературы

Словарь терминов и сокращений

ПРЕДИСЛОВИЕ

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 аналоговым устройствам будет отведена вспомогательная роль: они будут применяться в основном для связи цифровых систем с аналоговыми датчиками и аналоговыми исполнительными элементами.

Для обслуживания цифровой техники, тем более, для ее ремонта и разработки, требуются специалисты, досконально знающие принципы работы цифровых устройств и систем, базовые элементы цифровой электроники, типовые схемы их включения, правила взаимодействия цифровых узлов, способы построения наиболее типичных цифровых устройств. При этом в процессе подготовки таких специалистов необходимо учитывать следующие специфические особенности.

Во-первых, цифровая техника не слишком сильно связана с аналоговой техникой и с физическими эффектами, используемыми в электронике. Отсюда следует, что специалист по цифровой схемотехнике совсем не обязательно должен быть классным специалистом по аналоговой технике и по физическим основам электроники. Строго говоря, такому специалисту не очень важно, на каких электронных компонентах и на каких физических принципах построена проектируемая система и ее элементы. Гораздо важнее логика ее работы и протоколы взаимодействия цифровых элементов, узлов и устройств, входящих в систему.

Во-вторых, стать настоящим специалистом по разработке цифровых устройств и систем невозможно без овладения азбукой цифровой электроники. То есть разработчик обязан понимать логику работы таких базовых компонентов цифровой схемотехники, как логические элементы, буферы, триггеры, регистры, дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, сумматоры, оперативная и постоянная память и т.д. Кроме того, он должен знать типовые схемы включения этих компонентов и правила их корректной работы. Даже если разрабатывается устройство на базе микросхем с программируемой логикой или на базе микроконтроллеров, такие знания совершенно необходимы.

Данная книга как раз посвящена самым основам цифровой схемотехники, ее азбуке, ее основным методам, подходам и приемам. Она, конечно, не претендует на то, чтобы охватить весь круг вопросов проектирования цифровых систем вплоть до интеллектуальных многокомпьютерных комплексов. Ее назначение — ввести в тему, разъяснить даже неподготовленному читателю, что, собственно, происходит в любом цифровом устройстве. В то же время она позволяет достаточно глубоко освоить методы проектирования сравнительно простых цифровых устройств. После изучения материала книги читатель сможет и уверенно разбираться в работе готовых цифровых приборов, и проектировать новые устройства, приборы, 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.

В качестве учебного базиса выбрана хорошо зарекомендовавшая себя и вполне функционально полная серия логических микросхем SN74 компании Texas Instruments (отечественные аналоги — серии К155, К555, КР531, КР1533, КР1531 и др.). Также описываются микросхемы памяти, ЦАП и АЦП других компаний.

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. В каждой главе приведены 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 даны примеры нескольких сравнительно сложных цифровых устройств с подробным описанием всех этапов проектирования и принципов работы и взаимодействия всех узлов и микросхем. Цель состоит 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, основных обозначений микросхем и сигналов, соответствия отечественных и зарубежных микросхем. В конце книги имеется подробный словарь терминов и сокращений цифровой схемотехники.

Прочитать полный текст книги (курса)