Карманный справочник по электронике и электротехнике

1985 год

• Бытовая приемно-усилительная радиоаппаратура — Стационарные радиолы, тюнеры, магниторадиолы, стереокомплексы, электрофоны, усилители звуковой частоты — Справочник — Белов И.Ф.
• Мощные полупроводниковые приборы — Транзисторы — Бородин Б.А., Ломакин В.М., Мокряков В.В.
• Полупроводниковые приборы — Транзисторы — Справочник — Горюнов Н.Н.
• Справочник — Малогабаритные трансформаторы и дроссели — Сидоров И. Н.
• Справочник — Мощные полупроводниковые приборы — Диоды — Голомедов А.В.
• Справочник — Силовые полупроводниковые приборы — Чебовский О. Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П.
• Справочник по конструированию радиоэлектронной аппаратуры — Горобец А.И., Степаненко А.И., Коронкевич В.М.

Цифровая схема

Типичная цифровая схема состоит из входов, выходов и логических элементов, также называемых вентилями. Сигналы поступают на входы схемы, преобразуются по определенным правилам внутри вентилей (об этом чуть ниже) и подаются на выходы.

В комбинационных схемах состояние сигналов на выходе зависит только от состояния на входе. В последовательностных схемах выход зависит не только от входа, но еще и от внутреннего состояния схемы

В любом случае важно понимать, что сигналы на выходе зависят от входа, не наоборот

В этой статье мы будем рассматривать только комбинационные схемы. Они проще для понимания и наглядней. Кстати, в отечественной литературе нет устоявшегося перевода для последовательностных схем. Кто-то называет их последовательными, кто-то предпочитает кальку с английского языка и использует термин «секвенциальные схемы» (sequential). Разницы нет никакой, но все равно учти это, когда будешь читать дополнительные источники.

1987 год

• Бытовая аппаратура магнитной записи — Справочник — Шевченко В.И.
• Бытовая приемно-усилительная радиоаппаратура — Справочник — Алексеев Ю.П.
• Микропроцессоры — справочное пособие для разработчиков судовой РЭА — Гришин Г.Г., Мошков А.А., Ольшанский О.В., Овечкин Ю.А.
• Приемники оптического излучения — Справочник — Аксененко М.Д., Бараночников М.Л.
• Справочник — Знакосинтезирующие индикаторы — Вуколов Н.И., Михайлов А.Н.
• Справочник — Мощные полупроводниковые приборы — Тиристоры — Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М.
• Справочник — Полупроводниковые БИС запоминающих устройств — Гордонов А.Ю., Дьяков Ю.Н.
• Справочник — Популярные цифровые микросхемы — Шило В.Л.
• Справочник по микропроцессорным устройствам — Молчанов А. А., Корнейчук В.И., Тарасенко В.П., Россошинский Д.А.
• Справочник по схемотехнике для радиолюбителя — Боровский В. П., Костенко В. И., Михайленко В. М., Партала О. Н.
• Справочник по электротехническим материалам — Том 2 — Корицкий Ю.В., Пасынков В.В., Тареев Б.М.
• Справочник по электротехническим материалам, Том 2, Корицкий Ю.В., 1987
• Справочник регулировщика радиоэлектронной аппаратуры — Готра З.Ю., Матвиив В.И., Паскур П.П.

Базовые блоки

Все цифровые схемы сводятся к нескольким стандартным логическим элементам. Это примерно как кубики Lego в детском конструкторе. Их можно комбинировать, соединять друг с другом и получать новые схемы. Для каждого элемента я привел таблицу истинности — соответствие между входными и выходными сигналами.

Существуют еще диаграммы Венна, но, на мой взгляд, они совершенно лишние и только осложняют дело. Впрочем, если ты предпочитаешь графическое представление, то можешь ознакомиться и с ними.

NOT

Самый простой вентиль, представляет собой логическое отрицание и инвертирует сигнал на единственном входе. Так как у нас всего два возможных состояния, таблица истинности совсем крохотная. В С/C++ это оператор !, хотя там его действие распространяется на любые переменные с числовым значением, не только бинарные.

Обрати внимание, что на рисунке выше (и на всех последующих) приведены два символа для обозначения конкретного элемента на схемах. Слева — американский вариант (ANSI), справа — его европейский аналог (МЭК и ГОСТ)

Второй стандарт сейчас уже редко где применяется, и даже в русскоязычной литературе почти всегда используется графически более наглядный стандарт ANSI.

AND

Сигнал на выходе этого вентиля равен логической единице только тогда, когда на всех входах присутствует высокий уровень. При этом количество входов может быть любым — таблица истинности изменится незначительно. Кроме того, ничто не мешает каскадировать такие элементы, подавая выход одного вентиля AND на вход другого.

Традиционно таблица рисуется именно таким образом: сперва все входы находятся в состоянии логического ноля, а затем последовательно инвертируется один из разрядов, начиная с младшего. Можно смотреть на это и с другой стороны — как будто все входы кодируют какое-то число (в двоичном представлении) и в каждой строке мы прибавляем к нему по единичке, проходя все возможные значения.

В С/С++ существует аж два аналога для этого вентиля: булево И (оператор &) и логическое И (оператор &&). Первый применяется для проверки флагов и других операций над отдельными битами числа, тогда как второй используется в логических выражениях.

OR

Здесь выход находится в состоянии логического ноля, только когда все входы равны нулю. Остальные комбинации приводят к высокому уровню на выходе.

Вместе AND и OR — это два основных строительных «кирпичика» цифровой логики. Сразу возникает вопрос, как их отличать друг от друга на схемах. Конечно, все решает практика, и со временем они запомнятся сами собой, но можно воспользоваться простым правилом: форма элемента со стороны входов соответствует первой букве в английском обозначении.

Так, округлость вентиля OR напоминает очертания буквы O, а прямая линия элемента AND явно позаимствована из буквы А. Звучит немного нелепо, но главное, что это работает.

Аналогично ситуации с AND для вентиля OR в языках программирования С/С++ используется булево ИЛИ (оператор |) и логическое ИЛИ (оператор ||).

XOR

Наконец, последний из базовых элементов в нашем списке — функция исключающего ИЛИ (XOR). На первый взгляд его таблица истинности выглядит странной, но легко запоминается — высокий уровень на выходе, только когда входы отличаются друг от друга. Однако не все так просто.

В общем случае (больше двух входов) этот вентиль реализует самую неочевидную функцию из числа рассмотренных: если на входах нет логических единиц или если их количество четное, то на выходе ноль, в любом другом случае — единица.

В C/C++ это оператор ^ и с ним связана забавная возможность обменять значения двух числовых переменных без участия временной переменной для промежуточного хранения (свойство самообратимости). И все в одной строчке:

1 2 3

int x, y; … x ^= y ^= x ^= y;

Но вернемся к нашим вентилям. Иногда в их список добавляют также сочетания с NOT: NOT + AND = NAND, NOT + OR = NOR и NOT + XOR = XNOR. При желании можешь вывести их таблицы истинности самостоятельно, это не составляет никакого труда.

Пример

Настало время применить полученные знания и собрать что-то практически полезное. Логические операции — это, конечно, прекрасно, но хотелось бы и работать с числами, хотя бы для разнообразия!

Представим, что наши требования к безопасности таковы, что мы не можем доверять даже процессорам крупных компаний. Мы опасаемся возможных закладок, на уровне компании — разработчика схемы или на уровне компании — производителя кристалла, каких-либо гипотетических уязвимостей, которые могут эксплуатировать недоброжелатели, — словом, мы опасаемся всего и сразу. Значит, нужно собрать все самостоятельно, не доверяя никому!

Начинать стоит именно с процессора, а если еще конкретнее, то с сумматора в АЛУ. Это ключевой блок всего компьютера. Как если бы мы захотели приехать в Москву и очутились бы сразу на Красной площади.

Полусумматор

Конкретизируем задачу — пусть нам надо сложить два восьмибитных положительных значения друг с другом. Если использовать алгоритм сложения столбиком, то это будет выглядеть примерно так.

Мы последовательно складываем цифры в каждом разряде, справа налево, и получаем результат для этого разряда. При этом мы распространяем дальше перенос, если у нас возникло переполнение. Таким образом, у нас в схеме должно быть два входа (A и B) и два выхода (S и C). Составим таблицу истинности для всех возможных комбинаций А и В.

Рассматривая по отдельности получившиеся колонки S и C, легко заметить, каким логическим элементам они соответствуют. Теперь можно представить схему полностью.

Сумматор

Предыдущий блок носил несколько обидное название «полусумматора». Почему только половинка — догадаться нетрудно, ведь здесь мы никак не учитываем выход с предыдущего разряда. Логично предположить, что, комбинируя два таких блока, мы можем составить схему полного сумматора. Это как с Землей — есть Северное и Южное полушария. Хотя стоп, есть же еще Западное и Восточное…

Вопрос, куда девали вторую Землю, остается открытым

Теперь, когда мы получили возможность полноценно складывать биты из одного разряда, мы можем последовательно вычислить полную сумму нашего числа, каким бы большим оно ни было. Да, вот так все просто!

Практическая электроника

Практическое изучение электроники с нуля начинается с понимания принципов работы электронных приборов и устройств, функционирование которых основано на взаимодействии электромагнитных полей и свободных электрических зарядов. Описание этих процессов можно найти во всех учебниках по радио,- и микроэлектронике. Особенно помогают в этом отношении видео уроки в интернете. Азы современной электроники в практической области постигаются приобретением знаний по следующим вопросам:

1. Построение цепей;
2. Полупроводники;
3. Сигналы и измерения;
4. Электропитание схем;
5. Цифровая электроника.

Построение цепей

Электротехника для начинающих

Основой создания различных электрических схем являются правила построения цепей. Те же принципы построения электрических связей распространяются и на структуру микросхем. Твёрдое знание самых важных законов Ома и Кирхгофа позволяют понять логику создания линий, связующих компоненты электронных схем.

Обратите внимание! Без изучения базовых законов физики и электротехники начать овладевать основами электроники с нуля невозможно. Именно эти знания открывают все секреты создания электронных схем

Можно часами простоять, наблюдая за работой тех или иных сложных устройств, но без знаний основ электроники понять механизмы их действия не получится.

Полупроводники

В мире микроэлектроники полупроводники занимают важное место. Для того чтобы понять принцип их действия, нужно знать их физические возможности

Полупроводники меняют своё сопротивление в зависимости от нагрева. С повышением температуры сопротивление падает, в условиях низких температур полупроводники приобретают свойства диэлектриков.

Полупроводники на плате

К полупроводникам относятся такие радиодетали, как:

• диоды;
• транзисторы;
• тиристоры.

Сигналы и измерения

Сигналы – это носители информации. Они передаются электронами электрической цепи. Величина заряженной частицы служит единицей измерения энергетического заряда. Измерения и исследования сигналов в электронике проводятся с помощью осциллографов. Цифровой прибор производит математическую обработку полученных результатов.

Цифровой осциллограф предназначен для профессиональных электронщиков и стоит довольно дорого. Для начинающих любителей подойдут недорогие модели отечественного производства – С1-73 и С1-101.

Электропитание схем

Энергообеспечение электронных схем осуществляется через специальные блоки питания. Сетевые импульсные блоки питания называют электронными трансформаторами. Это простые источники питания, работающие от сети 220 вольт. В сети интернет можно приобрести довольно дешёвые модели китайского производства.

Цифровая электроника

Основы цифровой электроники для начинающих базируются на понятии двоичной системы (ноль и единица) и алгебраической логике. В самоучителях и разных учебниках даются разъяснения, что такое базовые логические элементы электронных схем. К ним относятся триггеры, регистры, дешифраторы и микроконтроллеры.

Цифровая электроника

Цифровая технология передачи сигналов кодирует, а после доставки в нужное место дешифрует их. Этим добиваются чистоты информационных сигналов, защищённых от каких-либо помех. Примером этому служит цифровое телевидение.

Практика

До этого момента в статье была сплошь теория. Сейчас я предлагаю закрепить ее практической частью и собрать восьмибитный сумматор. Нам потребуется пара беспаечных макетных плат, несколько DIP-переключателей, светодиоды для индикации, токоограничивающие резисторы на 10 кОм и пара микросхем 74HC283.

Серия 74xx включает в себя микросхемы самого разного назначения. Это могут быть как сборки логических вентилей (например, 74HC04 — шесть инверторов в одном корпусе), так и полноценные АЛУ (74HC181). Помимо комбинационных схем, там есть и последовательностные: триггеры (74НС74), регистры (74НС373) и счетчики (74НС393).

Чтобы ориентироваться во всем этом номенклатурном разнообразии, я рекомендую не скачивать документацию на каждую микросхему в отдельности, а сразу найти целый справочник по всей серии. Например, есть справочник Texas Instruments в PDF.

Расположение выводов у микросхемы 74HC283 можно найти на странице 176 справочника, принципиальную схему и таблицы истинности смотри на страницах 390–391. И хотя это сумматор всего лишь на четыре бита, тут есть функция ускоренного переноса, а сами микросхемы можно объединять, собирая сумматоры на 8, 16 или даже 32 бит.

Хорошо видно, что схема здесь несколько отличается от той, что мы вывели ранее. В этом нет ничего необычного, одну и ту же функцию можно реализовать несколькими способами, и в производстве зачастую используют тот, который дешевле (по элементам) и лучше подходит для техпроцесса.

При этом все равно осталось некоторое сходство — его можно заметить при внимательном изучении. Например, элементы XOR от полусумматоров располагаются непосредственно перед выходом для значений каждого из разрядов.

Кроме того, можно понять, что значение для переноса вычисляется параллельно со значениями разрядов — для этого в микросхеме и присутствуют «лишние» элементы. Пожалуй, это самая сложная часть в статье. Поэтому, если у тебя возникли трудности, попробуй рассмотреть схему ускоренного переноса отдельно — это ИС 74HC182 на с. 338 (вот она, польза от полноценного справочника).

Сложение

Теперь, когда принцип работы микросхемы и назначение каждого ее вывода для нас не составляет секрета, можно собирать рабочий сумматор на восемь бит на макетных платах. Потребуется целый ворох проводов и перемычек, чтобы соединить все компоненты, так что главное здесь — быть внимательным и не допускать ошибок.

Как правило, значения в АЛУ попадают из регистров — самого быстрого типа памяти в компьютере. Здесь же я для удобства использую пару DIP-переключателей (левый верхний угол), чтобы можно было легко задавать нужные значения. По сути, это регистры А и В нашего протокомпьютера.

К сожалению, производитель переключателей явно не рассчитывал на такое применение, поэтому нумерация битов в каждом регистре мало того что начинается с единицы, так еще и идет в «неправильном» порядке, слева направо! Учитывай это, когда будешь работать со схемой.

Пара 74НС283 располагается по центру на нижней макетке, а результат операции отображается на линии из светодиодов (правый верхний угол). В левом нижем углу роль источника питания выполняет преобразователь USB — UART (другого способа подать стабильные 5 В я в тот момент не нашел).

Если схема была собрана без ошибок, то, задавая двоичное представление чисел на переключателях, ты сможешь наблюдать значение суммы на светодиодах. Примерно как на картинке выше.

Вычитание

Удивительно, но такую схему без каких-либо изменений и доработок можно использовать и для вычитания. Да, раньше я не говорил об этом ни слова, но такое действительно возможно. Если использовать представление отрицательных чисел в дополнительном коде, нам никак не нужно переопределять операцию сложения — все будет работать на имеющемся железе.

Наверняка ты уже представляешь, как на уровне цифровой схемы из положительного числа можно сделать отрицательное (в дополнительном коде). Действительно, достаточно только к каждому биту применить операцию NOT, а затем подать на вход сумматора вместе с единицей. Как видишь, подобное представление неочевидно с точки зрения человека, но очень удобно для реализации из набора логических вентилей.

Микросхемотехника

Радиотехника для начинающих

Это часть микроэлектроники, которая занимается исследованиями и разработкой электрических структурных построений цепей в интегральных микросхемах. Они представляют собой микроэлектронные изделия, выполняющие функции преобразования, обработки сигналов и накопления информации.

Важно! Микросхемы имеют высокую плотность соединённых элементов на площади в несколько мм2. Их элементы не могут быть отделены от кристалла и подложки

Микросхемотехника

Проектированием и монтажом интегральных микросхем (ИМ) занимаются схемотехники. ИМ бывают нескольких видов:

• плёночные – все элементы и межэлементные компоненты выполнены в виде плёнок;
• гибридные – содержат кристаллы;
• аналоговые – предназначены для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции;
• цифровые – обработка сигналов по закону дискретной функции.

Форма сигнала

Схемотехнику принято делить на две большие области: цифровую и аналоговую, по типу сигнала. Аналоговая оперирует такими параметрами, как сила тока, напряжение (иногда оно бывает отрицательным) и сопротивление. В цифровой все проще — в схеме есть только высокий и низкий логические уровни, даже без конкретных значений.

В С/С++ подобное отношение моделирует тип bool и два его состояния — true и false. Я и дальше буду использовать аналогии из языков программирования, где это уместно. Надеюсь, это поможет тебе лучше понять происходящее. Кроме того, это ярко показывает, насколько тесно все связано в цифровом мире.

Аналоговая схемотехника капризна и непредсказуема — на параметры сигнала могут влиять не только хорошо известные факторы вроде температуры и внешних наводок, но и даже такие неочевидные вещи, как вовремя не отмытый с платы флюс или окислившиеся контакты (без шуток). Цифровая схемотехника, напротив, слабо зависит от окружающих условий и вообще устойчива к шумам.

Так что нет ничего удивительного в том, что сегодня большая часть информации существует именно в цифровом виде, а компьютеры оперируют исключительно числами (если точнее, то их двоичным представлением). Для базового понимания цифровой схемотехники не требуется особых знаний — достаточно только уметь переводить числа из десятичной формы в двоичную и обратно.

Основные разделы и направления

Самоделки своими руками: электрика DIY

Сюда относятся:

• исследования протекания процессов в вакууме и твёрдой массе;
• изучение квантовой электроники;
• путь от прототипа к готовому устройству.

Вакуумные среды и твёрдые тела

Сфера вакуумной электроники занимается следующим:

• проектирование и производство электронных ламп;
• изготовление сверхчастотных магнетронов, клистронов и аналогичных приборов;
• производство фотоэлементов, индикаторов и различных фотоэлектронных устройств.

Электроника в твёрдых телах занимается изучением и совершенствованием полупроводников, а также изготовлением на их основе радиоэлектронных компонентов

Вместе с этим этот раздел уделяет внимание следующим вопросам:

• проектирование и создание электронных сфер, связанных с выращиванием кристаллов;
• нанесение диэлектрических и металлизированных плёнок на поверхности полупроводников;
• создание теоретической базы, подкреплённой практикой, по производству технологии выращивания плёнок заданной формы и с соответствующими техническими характеристиками;
• поиск новых решений по управлению процессами, происходящими на поверхности полупроводников;
• совершенствование и разработка новых технологий по получению наночастиц.

Квантовая электроника

Квантовая электроника изучает и создаёт приборы и устройства, занимающиеся обработкой информационных сигналов на основе движения элементарных частиц. Квантовая теория о свойствах электронов и других атомных элементов стала базой освоения технологий, создающих мощные лазеры. На основе последних разработок квантовой электроники появилась перспектива построения квантового компьютера.

От прототипа к готовому продукту

В связи с совершенствованием электронных схем в геометрической прогрессии путь от прототипа нового электронного устройства до массового производства готового продукта может занимать от 2,3-х до нескольких месяцев. Это заметно по постоянному обновлению ассортимента на рынке электронной аппаратуры.

Полученные знания основ электроники помогут новичку в этой области устранить мелкие поломки, выявить и заменить повреждённые компоненты электронных схем. Это позволит не выглядеть «чайником» в глазах электротехников, выполняющих ремонтные работы бытовых электронных приборов, что иногда приносит существенный экономический эффект.

Пути совершенствования (микроминиатюризация)

С момента появления твердотельной электроники она начала развиваться темпами математической прогрессии. Активные радиоэлементы, по сравнению со старыми прототипами, уменьшились по размеру в тысячи раз. Некоторые детали стали измеряться в нанометрах. Большие электрические схемы стали помещаться в одном чипе (микросхеме).

Внедрение новых технологий открыло путь резкому развитию микроэлектроники. Это видно по совершенствованию приборов сотовой связи. За относительно короткий срок простой сотовый телефон превратился в смартфон с огромными возможностями. Громоздкие по габаритам маломощные компьютеры были заменены на ноутбуки. Появилось много различных миниатюрных электронных гаджетов. Прогресс в совершенствовании продуктов электронной промышленности с каждым днём только набирает обороты.

Познавательная электроника для начинающих должна начинаться с усвоения учебников, видео программ по основам цифровой электроники. Нужно понимать, что такое микросхематика, практическая электроника, как составляются цепи в электронных схемах. Самоучители пошагово дадут возможность ученику познать основы электроники.

Плата электронной схемы