Логические схемы на микросхемах стандартной логики

Перейдем от рисования "черных ящиков" на бумаге к настоящим схемам.

Нам понадобится:

Если вы уверены, что знакомы с теорией, можете перейти сразу к примерам.

После чтения надо решить задачу.

Источник питания

Работа любой электронной схемы невозможна без электричества. Собственно вся работа - это передача электрических сигналов по проводам. У источника постоянного тока есть два контакта (выхода), "плюс" и "минус". Для наглядности можно представить себе эти контакты как, скажем, озеро и насос. Если их соединить проводником (обычным проводом), то насос начнет откачивать воду из озера и по проводнику потечет вода (электрический ток) - получится река. Русло реки можно разделять, ставить на пути различные шлюзы, преграды. Например, если поставить светодиод (соединить одну его ножку с "плюсом", а другую с "минусом", то ток потечет через него и он будет светиться.

Источником питания для нашей схемы может послужить обычный выход USB. Если отрезать конец провода, то мы увидим четыре провода, среди которых черный это "минус", а красный "плюс". Зачистив эти концы от изоляции и накрутив на обычные силовые кнопки мы получим клеммы, к которым и будем подсоединять электрическую схему.

Микросхемы

Микросхемы для нас это тоже "черные ящики", то есть для нас у них есть только выходы и входы.

Мы считаем, что "плюс" - это 1, а минус - 0.

Мы не будем разбираться как они работают внутри, но знаем, что, например, если соответствующий вход (ножку) микросхемы "НЕ" соединить с "минусом", то на другой соответствующей ножке - выходе будет "плюс". То есть, если подать на вход 1 получим на выходе 0 и наоборот.

Небольшая проблема состоит в том, что ножек у микросхемы значительно больше, чем мы рисовали в схемах на бумаге. Почему? Во-первых, чтобы микросхема работала, ее надо подсоединить и к "минусу" и "плюсу". Во-вторых, на одной микросхеме может быть реализовано несколько функций. Например, обычная микросхема "И" реализует четыре функции "И" и имеет 14 ножек. Две из них - это питание, и по три ножки на каждую из четырех "И".

"Верх" у микросхем обычно обозначен вырезом. Ножки на микросхемах обычно нумеруются так: левые сверху вниз, потом правые снизу вверх, то есть по кругу. Обычно, но не всегда, на 7-ю ножку подается "плюс", а на 14-ю - "минус" Чтобы не запутаться, нужно пользоваться справочниками. Например, в интернете можно искать информацию по фразе datasheet <маркировка микросхемы>, обычно это pdf c полной информацией по микросхеме.

Мы будем использовать микросхемы :

И
ИЛИ
НЕ
CD74ACT08E
CD4071BE
SN74HCT04N

И-НЕ
ИЛИ-НЕ
SN74HC00N
CD74ACT02E

Обычные обозначения: A и B - входы Y - выходы, VSS или GND - "минус", VDD или VCC - "плюс". Обратите внимание, входы и выходы на разных микросхемах расположены по-разному.

Плата и соединительные провода

Обычно производство любительских электронных схем не обходится без паяльника. Но мы будем использовать специальную контактную макетную плату, позволяющую соединять элементы без пайки.

В этих платах элементы и соединительные провода вставляются в отверсия. Для удобства отверстия (контакты) пронумерованы подобно ячейкам электронных таблиц.

Для соединения элементов можно использовать любые тонкие одножильные провода, но очень удобно использовать провода из специального комплекта для макетных плат.

Они имеют точную длину, поэтому соединения с их помощью выглядит аккуратно и искать ошибки намного проще.

Сами отверстия внутри платы соединены по дорожкам
(на рисунке дорожки показаны зелеными полосками).

То есть контакты с А3 по Е3 внутри (всегда) соединены, а, скажем, А3 и F3, B5 и B6 нет.
Но мы их можем соединить сами.

 

Например, микросхему можно разместить на плате только посередине вырезом в любую сторону.

Если разместить ее, скажем, правее (на рисунке - выше), то ножки 1 и 14, 2 и 13 и так далее окажутся соединенными и ничего хорошего не получится.

Устройства ввода и вывода

Для того, чтобы пользоваться электроникой нужны устройства ввода и устройства вывода. Для вывода информации из системного блока компьютера используется обычно монитор и принтер. Мы в нашем простейшем компьютере будем использовать светодиоды.

Обычный светодиод имеет две ножки.

Длинную - анод надо соединять с "плюсом", а короткую - катод с "минусом". Таким образом, если соединить одну ножку с выходом микросхемы, а вторую с "минусом", то если на выходе получается 1 - светодиод загорится. А, если на выходе 0 - гореть не будет (ситуация: два насоса с двух концов и нет воды)

А устройством ввода - будет кнопка переключатель. Она будет соединять соответствующие контакты с "минусом", когда не нажата и с "плюсом", когда нажата.

Технически на кнопке шесть ножек. Они соединены попарно. Если кнопка отжата соединяется соединяются какие-то пары. Если нажата - другие.

На рисунке представлены типы кнопок, которые будем использовать мы, и цветами помечены пары, которые соединяются.

Обратие внимние: все кнопки расположены вырезом в нижней части корпуса налево.

Зеленым показаны пары, которые соединены в ненажатом состоянии, синим - в нажатом.

Кнопки располагаются на плате так, чтобы контакты занимали три последовательные дорожки. При этом на каждой дорожке будет располагаться по две ножки (на рисунке верхняя и нижняя) .

Для использования кнопки с голубым колпачком следует содинить "плюс" со средними ножками, а левые соединить с "минусом". "Выходом" будет служить правые ножки). Так как средние ножки расположены на одной дорожке, то одну из них (только одну!) надо отломать или отогнуть. Иначе в нажатом состоянии все три дорожки окажутся соединены - "плюс" соединится с "минусом" напрямую, возникнет "короткое замыкание".

Таким образом, мы сможем подавать 0 (кнопка отжата) или 1 (кнопка нажата) в схему.

Пример

В качестве иллюстрации соберем схему, которая имеет два входа и один выход. На выходе схемы должна появляться единица только в том случае, если на оба входа подается ноль.

Логическая формула, соответствующая схеме:

Принципиальная схема выглядит так:

Для реальной схемы нам понадобится источник питания, две кнопки (два входа), две микросхемы (ИЛИ и НЕ) и один светодиод.

План действий

  1. Кнопки присоединить к "плюсу" и к "минусу" (к дорожкам первой линии)



    Таким образом с "плюсом" будут соединены дорожки FJ1, FJ6, FJ10, AE6, AE10, а с "минусом" AE4 и AE8

  2. Микросхемы нужно подсоединить к "плюсу" и к "минусу"



    Теперь "плюс" будет также на дорожках FJ12, FJ20, а минус на AE18 и AE25

  3. Выходы кнопок присоединить к входам микросхемы ИЛИ, а выход с ИЛИ соединить со входом НЕ



    Желтый и сиреневый провод соединяет кнопки с ИЛИ , синий передает результат ИЛИ на вход НЕ (дорожка AE20)

  4. Выход с НЕ присоединить к аноду светодиода, а катод соединить с минусом и подать на схему "плюс" и "минус" с источника питания на первую линию




    Дорожка AE30 соединяется белым проводом с выходом НЕ, а AE28 коричнеым проводом с "минусом"

Схема готова. Если ни одна из кнопок не нажата, светодиод горит. При нажатии на хотя бы одну из кнопок светодиод гаснет.

Когда схема сложная и элементов много, необходимо перед сборкой продумать расположение элементов, соединительных проводов. Удобно это делать при помощи электронных таблиц.

Пример планирования разводки платы при помощи электронных таблиц

Соберем в качестве примера одноразрядный компаратор. У него два входа. Когда сигналы по обоим входам совпадают, на выходе появляется единица, если нет - ноль.

Для наглядности сделаем у схемы не один, а два выхода. На первом будет гореть зеленый светодиод, если компаратор выдает единицу, а на втором будет гореть красный, если компаратор выдает ноль. Сделать это очень просто - выход компаратора подать на вход микросхемы НЕ, а выход НЕ соединить с красным светодиодом. Таким образом красный будет гореть только тогда, когда не горит зеленый и наоборот.

Каждый контакт на схеме - ячейка электронной таблицы.

Клеммы питания - кружочки красного ("плюс") и черного ("минус") цветов.

Микросхемы - прямоугольник из объединенных ячеек размером 3 (две плюс одна промежуточная) на 7 ячеек.

Кнопки - квадраты 3x3 ячейки с малиновым квадратом внутри. Следует учитывать, что две кнопки не умещаются рядом - нужно оставлять дорожку между ними.

Провода - стрелки. Конечно, провод соединяет контакты без направления, но чтобы не запутаться в порядке соедиения, лучше рисовать именно стрелки.

Светодиоды изобразим тоже стрелками другого цвета и типа. Конец со стрелкой - катод.

В левом и правом столбце от платы можно писать комментарии - какой именно сигнал образуется на этой дорожке.

Сильно облегчает понимание раскраска дорожек. Будем, например, раскрашивать красным дорожки, соединенные с "плюсом", черным - с "минусом", синим - выходы микросхем. Еще стоит добавить раскраску для входных сигналов. У нас это будет бледно-зеленый и бедно-голубой.

Схема становится намного нагляднее.

По нарисованной схеме настоящая собирается очень быстро.

Нарисованная схема также позволяет легко отлаживать настоящую.

 

Можно скачать схему компаратора в виде таблицы Excel.


Теперь задача

Cпроектировать при помощи электронных таблиц и построить схему полусумматора.
Напомним, что это схема с двумя входами и двумя выходами, которая работает по таблице:

A B P R
0 0 0 0
0 1 0 1
1 0 0 1
1 1 1 0

Входы A и B следует подсоединять к кнопкам,а выходы R и P следует подсоединять к светодиодам.

Можно взять за основу макета шаблон в виде таблицы Excel.