Цифровая электроника для начинающих. 2-е изд.

Павел Кириченко

2-е издание

Санкт-Петербург
«БХВ-Петербург»

2022

УДК 621.3
ББК 32.85

К43

Кириченко П. Г.
К43 Цифровая электроника для начинающих. — 2-е изд., перераб. и доп. —

СПб.: БХВ-Петербург, 2022. — 224 с.: ил. — (Электроника)

ISBN 978-5-9775-6813-5

Основы цифровой электроники изложены доступным для начинающих спосо-
бом — путем создания на макетной плате простых устройств, которые сразу после
сборки начинают работать, не требуя пайки, наладки и программирования. Набор
необходимых деталей сведен к минимуму. Рассмотрены цифровые сигналы и дво-
ичная система счисления, простейшие схемы на МОП-транзисторах, устройства
цифровой логики на транзисторах и микросхемах, комбинационные и последова-
тельностные схемы, сдвиговые регистры и счетчики. Даны необходимые сведения
о работе микропроцессоров и микроконтроллеров. Во втором издании добавлена
глава про сопряжение аналоговых и цифровых устройств, описано подключение
аналоговых устройств к цифровым схемам, проектирование микропроцессоров
и систем на кристалле.

Электронный архив на сайте издательства содержит обучающие видеоролики
по теме книги.

Для интересующихся электроникой

УДК 621.3
ББК 32.85

Группа подготовки издания:

Руководитель проекта Евгений Рыбаков
Зав. редакцией Людмила Гауль
Редактор Григорий Добин
Компьютерная верстка Ольги Сергиенко
Дизайн серии Марины Дамбиевой
Оформление обложки Зои Канторович

"БХВ-Петербург", 191036, Санкт-Петербург, Гончарная ул., 20.

ISBN 978-5-9775-6813-5 © ООО "БХВ", 2022
© Оформление. ООО "БХВ-Петербург", 2022

Оглавление

Предисловие ..................................................................................................................... 7

Новое во втором издании................................................................................................................7
Как работать с этой книгой? ...........................................................................................................7
Что ждет читателя в книге: теория, практика, задачи и идеи
для самостоятельного творчества (из предисловия к первому изданию) ...................................8
Благодарности ................................................................................................................................10

Глава 1. Двоичная система и сигналы в цифровой электронике........................ 11

Числа, состоящие только из нулей и единиц...............................................................................11
Такие разные электрические сигналы..........................................................................................14
Как перевести электрические сигналы на язык цифр? ...............................................................17
Ответы на вопросы для самопроверки.........................................................................................19

Глава 2. Первые схемы на МОП-транзисторах ...................................................... 20

Что необходимо для сборки схем из этой книги?.......................................................................20
Простые, но важные электронные компоненты..........................................................................22

Резистор ..................................................................................................................................22
Диод и светодиод ...................................................................................................................25
Транзистор и диоды — немного теории......................................................................................27
Полупроводники ....................................................................................................................27
Транзисторы ...........................................................................................................................32
Как выбрать подходящие для экспериментов транзисторы?.....................................................36
Как собирать схемы на плате?......................................................................................................39
Первая практическая схема, которая помогает увидеть нули и единицы.................................40
Игра «Кто быстрее?» на двух транзисторах ................................................................................46
Ответы на вопросы для самопроверки.........................................................................................48
Ответы на задания по конструкциям для самостоятельной разработки ...................................48

Глава 3. Цифровая логика на транзисторах ............................................................ 49

Собираем элемент, который переворачивает сигналы наоборот ..............................................49
Основные логические схемы: И, ИЛИ и все-все-все ..................................................................53

Логическое И..........................................................................................................................53
Логическое ИЛИ ....................................................................................................................54
Вентиль ИЛИ-НЕ ...................................................................................................................55

4 Оглавление

Вентиль И-НЕ.........................................................................................................................56
Исключающее ИЛИ и Исключающее ИЛИ-НЕ ..................................................................56
Конструирование всех базовых логических элементов: от таблиц истинности
к схемам на транзисторах .............................................................................................................57
Практическая схема ИЛИ-НЕ на транзисторах...................................................................58
Алгоритм создания цифровых логических схем на транзисторах.....................................59
Практическая схема вентиля И-НЕ на транзисторах ..........................................................60
Практические схемы вентилей И и ИЛИ на транзисторах.................................................60
Практическая схема Исключающего ИЛИ на транзисторах..............................................61
Добавляем входы в логические схемы.................................................................................62
Создание логического вентиля по произвольной таблице истинности.............................63
Проектирование библиотеки вентилей ........................................................................................65
Ответы на вопросы для самопроверки.........................................................................................68
Ответы на задания по конструкциям для самостоятельной разработки ...................................69

Глава 4. Микросхемы цифровой логики .................................................................. 70

Общежитие для транзисторов: что важно знать о микросхемах цифровой логики.................70
Приступаем к опытам с микросхемами .......................................................................................73

Соединим вместе входы логических элементов .................................................................73
Добавим недостающие входы...............................................................................................74
Инвертируем входы ...............................................................................................................78
Что делать с ненужными входами и выходами? .................................................................79
Кодовый замок: от идеи до готовой конструкции ......................................................................79
Замысел...................................................................................................................................79
Приступаем к конструированию схемы...............................................................................81
Доработка схемы: экономим энергию .................................................................................82
Оборудуем замок сигнализацией..........................................................................................83
Игра «Угадай число» на базе схемы кодового замка..........................................................84
Разработчики, на старт!.................................................................................................................85
Ответы на вопросы для самопроверки.........................................................................................85
Ответы на задания по конструкциям для самостоятельной разработки ...................................86

Глава 5. Основные комбинационные схемы ........................................................... 88

Как процессор выполняет вычисления: конструируем сумматор .............................................88
Универсальный сумматор-вычитатель ................................................................................93
Умножители, делители и АЛУ..............................................................................................95

Тайны двоичных кодов: шифраторы и дешифраторы................................................................96
Схема шифратора для клавиатуры кодового замка ............................................................97
Схема дешифратора.............................................................................................................100

Учим цифровые схемы показывать десятичные числа ............................................................103
Дешифратор столбчатого индикатора ...............................................................................108

Мультиплексоры и демультиплексоры — регулировщики цифрового движения.................110
Практическая схема мультиплексора.................................................................................111
Демультиплексор .................................................................................................................113
Транзисторные мультиплексоры........................................................................................113

Мультиплексоры и таблица поиска............................................................................................116
Архитектура микросхемы ...........................................................................................................117
Ответы на вопросы для самопроверки.......................................................................................118

Оглавление 5

Глава 6. Последовательностные схемы .................................................................. 120

Два пишем, три в уме: как запомнить результат вычислений? ...............................................120
Практическая схема RS-триггера на вентилях И-НЕ........................................................124

Входить только по сигналу: как в триггерах разрешают и запрещают запись данных?...........126
Практическая схема тактируемого триггера .............................................................................127
Триггеры без запрещенных состояний ......................................................................................130
Приказано задержать! D-триггер................................................................................................133
Двухступенчатые триггеры: теория и практическая схема......................................................134
Т-триггер, или Как посчитать импульсы? .................................................................................138
Практическая схема D-триггера на транзисторах.....................................................................139
От одного триггера к целому регистру, и зачем процессору конвейер?.................................142
Модель регистровых передач .....................................................................................................144
Ответы на вопросы для самопроверки.......................................................................................146
Ответ на задание по конструкции для самостоятельной разработки ......................................147

Глава 7. Сдвиговые регистры и счетчики ............................................................. 148

Эстафета для триггеров: конструкция сдвигового регистра....................................................148
Забавный светильник «Бегущие огни».......................................................................................150
Считалочка для цифровых схем .................................................................................................155

Схема простейшего счетчика на T-триггерах ...................................................................155
Вычитающий счетчик..........................................................................................................157
Как научить двоичный счетчик десятичной системе?......................................................159
Две схемы электронного кубика для игр ...................................................................................161
Синхронные и асинхронные счетчики.......................................................................................166
Синтез цифровых схем................................................................................................................168
Ответы на вопросы для самопроверки.......................................................................................170
Ответ на задание по конструкции для самостоятельной разработки ......................................171

Глава 8. Макет оперативного запоминающего устройства................................ 172

Как устроена память цифрового мозга? ....................................................................................172
Собираем память на макетной плате .........................................................................................179
Маршрут проектирования микросхем: конечная станция! ......................................................183

Глава 9. От цифровых сигналов к аналоговым и обратно................................. 189

«Цифра» освоена, что дальше?...................................................................................................189
Работа со светом и температурой...............................................................................................189
От «цифры» к звуку .....................................................................................................................194
От звука к «цифре» ......................................................................................................................198
Управление двигателем...............................................................................................................205

Заключение................................................................................................................... 207

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................................................................... 209

Приложение 1. Список дополнительной литературы
для изучения электроники и двоичной логики..................................................... 211

Приложение 2. Цоколевки транзисторов и микросхем,
применяемых в схемах этой книги .......................................................................... 212

6 Оглавление

Приложение 3. Цветовая маркировка резисторов ............................................... 215
Приложение 4. Сводная таблица используемых компонентов.......................... 217
Приложение 5. Аналоги импортных микросхем серии CD4000BE ................... 219
Приложение 6. Описание электронного архива.................................................... 220
Предметный указатель .............................................................................................. 221

Предисловие

Новое во втором издании

Подготавливая это издание книги, автор решил придерживаться той же структуры
глав и их содержания, которые понравились многим читателям в первом. При этом
был серьезно расширен материал, объясняющий основы физики полупроводников
и принципы работы МОП-транзисторов на доступном ученику средней школы
уровне. Кроме того, пояснения по работе ряда схем по прошествии времени автор
счел недостаточно подробными и постарался изложить их максимально развернуто.
Добавилось и несколько новых устройств для сборки на макетной плате. Неболь-
шие изменения произошли также в перечне используемых компонентов.
Полностью новым является материал, посвященный процессу проектирования со-
временных цифровых микросхем. С привязкой к темам, только что пройденным
в очередной главе, рассказывается о том, как организована работа больших «взрос-
лых» коллективов, какие трудности их подстерегают, что необходимо знать и какой
объем творческих задач приходится решать, чтобы достичь нужного результата.
Эти рассказы позволяют читателю не только узнать что-то новое, но и сделать
перерыв в освоении непривычных тем.
При подготовке книги к печати были приложены все усилия, чтобы устранить до-
пущенные в первом издании неточности. Если внимательный читатель обнаружит
погрешности и в этом издании, то автор целиком берет на себя моральную ответст-
венность за их появление. Отзывы, вопросы, предложения и замечания по книге вы
можете направлять автору на электронную почту [email protected].

Как работать с этой книгой?

После выхода первого издания автору стали поступать на него отзывы. И некото-
рые читатели сообщали, что из-за обилия новых сведений им было непросто. Воз-
никало ощущение обрушившейся на них лавины незнакомой информации. А это,
безусловно, затрудняет восприятие. Чтобы облегчить понимание, важно придержи-
ваться именно того порядка изучения, который предлагается: немного теории и по-
сле нее — контрольные вопросы или практика для закрепления пройденного. Не

8 Предисловие

нужно пытаться с наскока одолеть текст целой главы, а лишь потом приступать
к задачам и экспериментам — такой подход и создает ощущение лавины. А вот по-
стоянное чередование теории и практики позволяет переключать мозг между раз-
ными видами деятельности, не перегружая его монотонностью. Кроме того, изуче-
ние одной и той же схемы сначала на бумаге, а потом на макетной плате, позволяет
быстрее и глубже разобраться в ее работе, сопоставить только что прочитанное
с увиденным и за счет этого лучше запомнить новые сведения. Задания для само-
проверки помогут вам убедиться, что прочитанный материал усвоен верно и можно
спокойно двигаться дальше.

Также необходимо учитывать, что описание работы схем в этой книге ведется по-
следовательно, изложенное в очередных главах опирается на сведения из преды-
дущих. Подход «все равно, с какого места читать» здесь не сработает — он годится
для справочников или сборников схем. Это не значит, что книги, написанные в та-
ком стиле, чем-то плохи, просто они предназначены для иных целей. А здесь лучше
продвигаться шаг за шагом. Попробуйте следовать этим рекомендациям, и у вас все
получится.

Что ждет читателя в книге: теория, практика,
задачи и идеи для самостоятельного творчества
(из предисловия к первому изданию)

Современная жизнь немыслима без огромного количества электронных устройств,
окружающих нас. Кажется, не осталось ни одной области деятельности, ни одного
предмета, в которые бы не внедрили или не попытались внедрить какую-нибудь
электронику. Инженеры постоянно изобретают и разрабатывают новые устройства,
которые позволяют людям приобрести ранее недоступные возможности: от ночно-
го зрения до сверхбыстрых вычислений и сверхточных перемещений. Многие уже
в школьном возрасте не только пользуются электронными приборами, но и сами
пишут для них программы. Так, в наши дни большую популярность приобрели за-
нятия робототехникой. Доступность микроконтроллеров, а также разнообразных
датчиков и приводов к ним позволяет юным любителям электроники создавать са-
мые неожиданные и оригинальные конструкции роботов, которые удивляют взрос-
лое жюри конкурсов и олимпиад.

Но активно пользоваться чем-то не означает понимать, как оно устроено и работа-
ет. Для многих детей и взрослых микроконтроллер остается неким магическим
черным ящиком, на который они подают определенные воздействия, а внутри него
каким-то образом рождаются необходимые отклики в соответствии с программой,
записанной в его память. Многим хотелось бы пойти дальше в изучении техники и
понять, как же подаваемые данные обрабатываются внутри этой загадочной много-
ножки на плате в роботе, или в калькуляторе, или еще в чем-нибудь.

Существует большое количество книг, которые в доступной форме объясняют
принцип действия самых разных электронных схем. Но когда речь заходит об об-

Предисловие 9

работке цифровых данных, рассказ начинается сразу с базовых логических элемен-
тов — без объяснения, как же они устроены и функционируют. Такие объяснения,
видимо, считаются сложными и откладываются на потом, на период обучения
в высших учебных заведениях. Автор считает, что это не совсем верный подход. Для
создания целостной картины и глубокого понимания принципов работы цифровых
схем можно в доступной и детям, и взрослым форме рассказать все с самого нача-
ла, т. е. с главного элемента любой микросхемы — транзистора. И не только рас-
сказать, но и помочь самостоятельно собрать самые разные и интересные цифровые
схемы. Например, вы узнаете, как устроен электронный кодовый замок. Разбере-
тесь в схеме бегущих огней и переключателей елочных гирлянд. Сможете создать
цифровой «кубик» с индикатором на замену обычному для настольных игр. Эти и
многие другие устройства рассматриваются здесь от идеи до практической реали-
зации без единой строки программного кода, сложных вычислений и компьютерно-
го моделирования. При этом современные технологии позволяют обойтись и без
умения паять. Все предлагаемые в книге конструкции были в обязательном порядке
проверены на практике, и читатель может собрать их сам на своем столе, провести
с ними самые разнообразные эксперименты и увидеть, что при должном терпении и
внимательности никаких загадок и тайн в мире цифровой электроники для него не
останется.

Сразу надо сказать, что в этой книге не будет ни одной описывающей работу тран-
зистора сложной формулы на полстраницы. Во-первых, базовые принципы, изло-
женные в доступной и учащемуся старших классов форме, достаточны для разра-
ботки огромного количества разнообразных цифровых схем. Во-вторых, те уравне-
ния, за незнание которых профессор ставит студенту «неуд.» на экзамене, уже
давно не позволяют вычислять с необходимой точностью токи и напряжения во
время работы транзистора в микросхемах, изготовленных по современным техно-
логиям. В моделях нынешних полупроводниковых приборов учитывается не одна
сотня параметров. Поэтому все устройства — от небольших исследовательских до
дорогих коммерческих — сегодня немыслимо разработать без применения мощных
систем автоматизированного проектирования (САПР), которые способны рассчи-
тать сложнейшие уравнения для многих тысяч и даже миллионов транзисторов,
содержащихся в микросхемах. Конечно, формулы, которые изучают в университе-
тах, дают более глубокое понимание работы схем. И грамотный специалист хорошо
их знает. Но сложные уравнения не требуются для решения главной задачи этой
книги — обучения тому, как самостоятельно создавать свои первые цифровые уст-
ройства и иметь ясное представление об их работе. Тем не менее предполагается,
что читатель уже знаком с основными понятиями электротехники и ему не нужно
объяснять, что такое электрический ток, напряжение и сопротивление. И закон Ома
для него не загадка, так же как и последовательные и параллельные электрические
цепи. Больше для освоения теоретического материала этой книги ничего не потре-
буется.

Книга станет полезным подспорьем и руководителям робототехнических и инже-
нерных кружков, которые желают дать своим ученикам более обширные познания.
В начале каждой главы, содержащей практические примеры, приведен перечень

10 Предисловие

необходимых деталей для всех рассмотренных схем. Разнообразие используемых
компонентов сведено к минимуму. При этом они выбирались максимально доступ-
ными по цене самому широкому кругу читателей. В каком магазине или на интер-
нет-сайте их приобрести, каждый решит сам исходя из своих возможностей. Также
к каждой главе обязательно дается набор теоретических вопросов или практиче-
ских заданий для самопроверки с ответами. А в приложении 1 к книге приведен
список литературы для тех, кто желает еще глубже изучить и понять электронику.

Благодарности

Автор выражает благодарность своей семье: родителям, жене и сыновьям — тем,
кто всегда вдохновлял его на поиски нового, поддерживал во всех начинаниях и
верил в успех. Без их заботы и терпения ничего бы не получилось.

Педагоги и руководители детских летних образовательных лагерей (МКШ в Дубне
и GoTo Camp в Москве) дали автору возможность поделиться своими знаниями
с талантливыми подростками, с которыми было интересно проводить теоретиче-
ские и практические занятия. Нельзя не признать, что выступать перед такой ауди-
торией гораздо сложнее, чем на «взрослой» конференции. Это был бесценный
опыт, в результате которого и появилась идея написать книгу.

Безусловно, спасибо издателю, который поверил в автора и выпустил эту книгу
в свет.

И огромная благодарность всем читателям за то, что приобрели книгу в свою биб-
лиотеку или в подарок друзьям. Надеюсь, она вас не разочарует.

ГЛАВА 1

Двоичная система
и сигналы в цифровой электронике

Числа, состоящие только из нулей и единиц

Прежде чем приступить к изучению и конструированию цифровых схем, необхо-
димо познакомиться с двоичной системой счисления и соответствующими ей элек-
трическими сигналами. Потому что именно эта система используется во всех мас-
совых применениях цифровой электроники, которой посвящена книга. Даже тем
читателям, которые, как принято говорить, «в теме», рекомендуется прочесть эту
короткую главу — не исключено, что вы тоже узнаете что-то новое.
Как известно, в жизни мы используем позиционную десятичную систему счисле-
ния. Существуют десять цифр: от 0 до 9, которые пишутся в нужную позицию, что-
бы сформировать требуемое число. Это делается по следующим правилам:

цифра в самой правой позиции указывает количество единиц в числе, т. е.
умножается на 100 = 1;
цифра на второй позиции справа определяет количество десятков и умножается
на 101 = 10, на третьей — на 102 = 100 и т. д.;
затем результаты умножений в каждой позиции складываются вместе;
В соответствии с этими правилами, например, запись 984 означает 9 · 102 +
+ 8 · 101 + 4 · 100 = 900 + 80 + 4 = 984.
Это всем объясняли в школе на уроках математики, а если кто уже вдруг успел за-
быть, то наверняка вспомнил.
А на уроках информатики, вероятно, вам рассказывали, что в вычислительной тех-
нике десятичная система неудобна, зато применяется двоичная. В ней используют-
ся всего две цифры: 0 и 1. И они образуют числа по тому же принципу, что и в де-
сятичной системе, только вместо степени десяти для вычисления значения нужной
позиции используется степень двойки. Например, двоичная запись 101 означает
1 · 22 + 0 · 21 + 1 · 20 = 1 · 4 + 0 · 2 + 1 · 1 = 4 + 0 + 1 = 5. В табл. 1.1 показан процесс
перевода первых двенадцати десятичных чисел в двоичный код.
Общий принцип перевода из десятичной системы в двоичную таков: находим мак-
симально близкую к десятичному числу степень двойки, которая будет меньше ли-
бо равна исходному десятичному числу. И записываем единицу в соответствующий

12 Глава 1

Десятичное число Таблица 1.1. Преобразование десятичных чисел в двоичные
0
1 Пересчет в двоичный код Двоичное число
2 0
3 0 х 20 1
4 1 х 20
5 1 х 21 + 0 х 20 10
6 1 х 21 + 1 х 20 11
7 1 х 22 + 0 х 21 + 0 х 20 100
8 1 х 22 + 0 х 21 + 1 х 20 101
9 1 х 22 + 1 х 21 + 0 х 20 110
1 х 22 + 1 х 21 + 1 х 20 111
10 1 х 23 + 0 х 22 + 0 х 21 + 0 х 20 1000
11 1 х 23 + 0 х 22 + 0 х 21 + 1 х 20 1001
1 х 23 + 0 х 22 + 1 х 21 + 0 х 20 1010
1 х 23 + 0 х 22 + 1 х 21 + 1 х 20 1011

разряд двоичного числа. Затем повторяем эту операцию для разности исходного
числа и найденной степени двойки до тех пор, пока не дойдем до последнего раз-
ряда. Вот, скажем, число девять. Ближайшая степень двойки — это 8, два в кубе.
Значит, пишем в четвертую позицию единицу (помним, что первая позиция соот-
ветствует двойке в нулевой степени, а куб — третья степень, т. е. четвертая пози-
ция справа). Остаток — единица — не делится ни на два в квадрате, ни просто на
два, значит, пишем нули в третьей и второй позициях. А вот двойке в нулевой сте-
пени остаток как раз равен, поэтому в первой позиции в двоичной записи появляет-
ся единица. Так и выполняется перевод из одной системы в другую самым очевид-
ным, но не самым удобным способом. Перевод из двоичной системы в десятичную
проще: умножаем единицы в записи числа на соответствующие им степени двойки
и складываем все произведения. Программисты и разработчики цифровой электро-
ники наизусть назовут, даже если их ночью разбудить, первые степени двойки от
нулевой до десятой: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 — потому что эти числа
постоянно используются в работе. Полезно их выучить для быстрого пересчета из
двоичной системы в десятичную и обратно.

Менее очевидный, но более простой в применении вариант перевода из десятичной
системы в двоичную таков. Исходное десятичное число делим на 2. Какой полу-
чится остаток от деления — 0 или 1, — то число и записываем в первый (самый
правый) разряд двоичного числа. Затем частное снова делим на 2 и остаток записы-
ваем во второй разряд. И так продолжаем до тех пор, пока очередное частное не
станет равным 0. Для примера переведем десятичное число 10 в двоичное этим
способом:

10 : 2 = 5 с остатком 0, в нулевом разряде пишем 0;

5 : 2 = 2 с остатком 1, в первом разряде пишем 1;

Двоичная система и сигналы в цифровой электронике 13

2 : 2 = 1 с остатком 0, во втором разряде пишем 0;
1 : 2 = 0 с остатком 1, в третьем разряде пишем 1.
Результат преобразования в двоичной системе будет записан так: 1010.

Вопросы для самопроверки

1. Переведите десятичные числа 35, 13, 47, 127, 25, 211 в двоичные любым удоб-
ным вам способом без применения электронных вычислительных средств.

2. Переведите двоичные числа 1000101, 1110, 10110, 11100101, 10101, 101101 в де-
сятичные без применения электронных вычислительных средств.

3. Решите неравенства, в которых слева — двоичное число, а справа — десятич-
ное: 11101 ? 24, 1101 ? 14, 110110 ? 60, 10101 ? 18.

***

Поскольку самый правый разряд числа имеет самое маленькое значение по величи-
не, то его называют младшим значащим разрядом (сокращенно — МЗР). Еще про
него говорят, что он имеет наименьший вес в числе. А самый левый разряд «весит»
больше остальных, поэтому он именуется старшим значащим разрядом, или СЗР.
То есть в двоичном числе 1000 младший значащий разряд равен нулю, а старший
значащий разряд — единице. А в десятичном числе 357 МЗР равен 7, а СЗР — 3.

Каждый разряд двоичного числа называется битом. Число, содержащее в себе во-
семь битов, называется байтом. Легко сосчитать, что одним байтом можно закоди-
ровать числа от 0 до 255. Применяется и байтовая запись — в ней число 5 выглядит
как 00000101, а 15 представляется как 00001111, т. е. нули в старших неиспользуе-
мых разрядах не отбрасываются, чтобы все числа были одинаковой длины для
удобства восприятия. Если нужны еще большие значения, то используют несколько
байтов, зачастую отделяя их на письме друг от друга пробелами, чтобы не запу-
таться в длинном потоке нулей и единиц.

Столь длинная запись для человека зачастую неудобна, поэтому существуют такие
системы счисления как восьмеричная и шестнадцатеричная. Восьмеричная исполь-
зует только цифры от 0 до 7, и разряды чисел в ней являются степенями восьмерки.
А в шестнадцатеричной задействованы все цифры десятичной системы от 0 до 9,
и к ним еще добавляются буквенные обозначения следующих шести десятичных
чисел 10 = A, 11 = B, 12 = C, 13 = D, 14 = E, 15 = F. И получается, например, что
десятичное 31 соответствует двоичному 11111, восьмеричному 37 и шестнадцате-
ричному 1F. Восьмеричная и шестнадцатеричная системы являются компромисса-
ми между привычной нам компактной десятичной и применяемой в цифровой
электронике двоичной. Но физической реализации в устройствах они не имеют и
служат только для удобства разработчика аппаратуры или программ, поэтому здесь
нет смысла останавливаться на них подробнее.

Все программисты по своей работе хорошо знают двоичную систему. Зато мало кто
из программистов и даже не все инженеры-электронщики уверенно назовут больше
одной причины, почему такая громоздкая система была избрана для вычислитель-
ной техники. А она и правда совсем не компактная — достаточно взглянуть на таб-

14 Глава 1

лицу перевода первых двенадцати чисел. Пока в десятичной системе запись остает-
ся в пределах одного разряда для чисел от 0 до 9, в двоичной используются четыре
разряда — от 0000 до 1001. Это значит, что для обмена данными между устройст-
вами будет нужно передать либо четыре цифры поочередно по одному проводу,
либо по одной цифре одновременно по четырем проводам. А если нам нужно от-
править куда-то более многоразрядное число? Чтобы понять, чем же приглянулась
такая «длинномерная» система разработчикам цифровых схем, нужно разобраться,
как происходит обмен данными в различных ситуациях.

Такие разные электрические сигналы

Друг с другом мы обмениваемся информацией с помощью самых разных сигналов.
Например, издалека мы можем помахать товарищу рукой, послав ему тем самым
визуальное сообщение «Я здесь!» с помощью жеста. Подойдя поближе, мы пошлем
ему уже акустический сигнал: «Привет!» Затем весело ткнем его в бок или крепко
пожмем руку, снова передавая информацию о радости встречи жестами. Он же
примет наш первый сигнал с помощью глаз, потом к делу подключатся уши, а за-
тем и органы осязания. Вот так описание простых каждодневных действий показы-
вает, что даже для обмена информацией между людьми существуют разнообразные
типы сигналов и устройств для их приема и передачи.
Внутри электронной системы одно устройство может сообщать данные другому
при помощи электрических сигналов, т. е. изменяя токи и напряжения в различных
местах этой системы. Также электроника умеет преобразовывать эти токи и напря-
жения в привычные человеку свет, звук, движение или делать обратное преобразо-
вание. Например, акустические колонки издают всяческие звуки за счет сжатия или
разрежения воздуха с помощью подвижного элемента динамика — диффузора.
Электрический сигнал, подаваемый с усилителя на динамик и заставляющий его
диффузор вибрировать, непрерывно меняется, пока играет музыка. И если с по-
мощью специального прибора — осциллографа — вывести на экран форму этого
сигнала, чтобы посмотреть, как он меняется во времени, то можно будет увидеть
примерно такую картину, как на рис. 1.1. На нем по направлению горизонтальной
координатной оси отсчитывается время, а по вертикальной — напряжение на кон-
тактах динамика, изменяющееся в пределах от 0 до 5 вольт.

Рис. 1.1. Аналоговый сигнал

Двоичная система и сигналы в цифровой электронике 15

Этот сигнал представляет собой переменное по величине напряжение, подаваемое
с аудиовыхода воспроизводящего устройства на динамик. Оно может меняться
в пределах от минимального до максимального, задаваемого в устройстве источни-
ком питания и электрической схемой. Чем больше величина сигнала в тот или иной
момент времени, тем громче звук, а чем резче нарастает сигнал, тем выше тональ-
ность этого звука. Большинство динамиков — обратимые приборы. То есть если
в него что-нибудь весело прокричать, как в микрофон, то от акустических колеба-
ний, передаваемых по воздуху, начнет вибрировать диффузор и на контактах дина-
мика появится напряжение. Оно будет очень слабым, поэтому после микрофона
обязательно ставят электронный усилитель, который увеличивает размах электри-
ческих колебаний в десятки или сотни раз для того, чтобы с ними было легко и
удобно работать далее.

Непрерывно и гладко меняющиеся во времени сигналы, подобные рассмотренному,
в электронике называют аналоговыми. Название это показывает, что получаемые
электрические сигналы по своей форме «аналогичны», полностью подобны поро-
дившим их физическим процессам. Но с их помощью сложно придумать, как пере-
давать и обрабатывать числовые данные. Звук — пожалуйста, изменения темпера-
туры с термопары в виде напряжения на ее концах — запросто, уровень освещен-
ности как силу тока от фотодатчика, включающего уличные фонари, — легко. Но
изменения всех этих величин, даже очень сильные, не происходят мгновенно —
всегда есть хорошо различимое нарастание или спад на определенном отрезке вре-
мени. А одно число от другого при передаче между устройствами должно отли-
чаться самым решительным образом, иначе сложно сказать, что за цифру мы счи-
тали, например, из карты памяти — еще семерку или уже восьмерку.

АНАЛОГОВЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ

В те времена, когда цифровые схемы были еще очень медленными и прожорливыми,
разработчики электроники придумали и активно использовали аналоговые компьюте-
ры. Они предназначались для решения какой-то определенной задачи — например,
для управления зенитным огнем. В подобных случаях есть набор заранее известных
параметров: характеристики пусковой установки и ракеты, а также набор переменных
величин: скорость, направление движения и высота цели. То, что раньше наводчику
приходилось делать, используя таблицы стрельбы, собственный опыт и интуицию,
взял на себя аналоговый компьютер. Он получал введенные в него данные о цели,
и выдавал команды на приводы углов поворота и возвышения пусковой установки и
определял подходящий момент запуска ракеты. Это стало возможным благодаря тому,
что на базе аналоговых усилителей инженерами уже в те времена были придуманы
сумматоры, умножители, интеграторы, дифференциаторы и другие устройства, кото-
рые «на лету» выполняли различные математические операции над аналоговыми сиг-
налами. Они делали это примерно так же, как школьник решает задачи, используя
графики функций, но только в тысячи раз быстрее. Недостатком таких систем была
невозможность их перепрограммирования под что-нибудь другое — они были раз и
навсегда «заточены» для решения только однотипных задач. И с развитием быстро-
действующих универсальных цифровых систем аналоговые компьютеры уступили им
место.

Вот из-за необходимости четкого различения чисел в каждый момент времени для
передачи цифровых данных используют сигналы, меняющиеся скачком между за-
данными крайними значениями, — импульсные сигналы. Так, мы можем условить-

16 Глава 1

ся для двоичной системы считать самый низкий уровень напряжения из возмож-
ных — 0 вольт — двоичным нулем, а самый высокий, равный напряжению пита-
ния, например, +5 вольт, — единицей. Тогда передать число 5 можно так, как пока-
зано на рис. 1.2.

V
+5 В

101

0В t
Рис. 1.2. Цифровой сигнал в теории

Как просто оказывается передавать нужную последовательность цифр в двоичном
коде — нужно всего лишь задать правильную последовательность электрических
импульсов. И эту причину — простоту различения цифр 0 и 1 — обычно уверенно
называют в ответ на вопрос, почему же используется именно двоичная система. Но
упомянутый ранее недостаток — длина кода — делает выбор в пользу двоичных
чисел не столь очевидным. Вот вы будете питать рассматриваемые в следующих
главах схемы от батарейки «Крона», которая выдает напряжение 9 вольт между
плюсом и минусом. Почему бы не поделить этот диапазон не на две, а на 10 равных
частей по 0,9 вольт каждая и не передавать ступенчатый сигнал десятичного кода?
Создать такую схему возможно. Но так не делают.

СИСТЕМЫ НА ТРОИЧНОМ КОДЕ

Правда, известна попытка создания в нашей стране вычислительного комплекса «Се-
тунь», работающего в троичном коде, т. е. в коде, основанном на степенях тройки. Но
дальше небольшого количества образцов дело не пошло. Хотя в Интернете вы може-
те найти сайты, посвященные и этой машине, и преимуществам троичного кода перед
десятичным и двоичным, машины, работающие в этом коде, оказались хороши в тео-
рии, но не очень удачны на практике.

Почему же двоичный код в технике вытеснил остальные? Дело в том, что в реаль-
ной вычислительной системе цифровые сигналы не выглядят такими уж идеальны-
ми прямоугольными импульсами, как их обычно изображают в книгах. Вот вам для
примера приведенное на рис. 1.3 изображение двух цифровых сигналов, получен-
ное при моделировании реального устройства.

Форма их отличается от красивых прямоугольных нулей и единиц, показанных на
предыдущем рисунке, правда? В верхней серии импульсов хорошо видно, что пе-
реключение не происходит мгновенно, т. е. с идеально бесконечной скоростью.
Вполне себе конечная, пусть и быстрая, скорость переключения сигнала из одного
состояния в другое приводит к тому, что импульсы приобретают трапециевидную
форму. На нижнем графике сигнал явно подвергается воздействию какой-то поме-
хи, дважды искажающей его плоскую вершину и приводящей к внезапным перио-

Двоичная система и сигналы в цифровой электронике 17

дическим спадам уровня напряжения примерно на четверть от максимальной. Да
еще напряжение питания в современных микропроцессорах постоянно стремятся
снижать для экономии потребляемой электрической мощности, и в передовых раз-
работках оно уже давно меньше одного вольта. Если такой незначительный диапа-
зон мы начнем делить еще на много уровней для передачи всех возможных цифр,
то не сможем отличить пятерку от восьмерки — вся полезная информация потонет
в искажениях и помехах, подобных тем, что мы видим на рис 1.3. То есть на первый
план выходит такая характеристика, как помехоустойчивость. И тут двоичному
коду нет равных.

Рис. 1.3. Цифровые сигналы на практике

Как перевести электрические сигналы
на язык цифр?

В предыдущем разделе было предложено условиться, что логической единице со-
ответствует максимальное напряжение в цифровой системе, а логическому нулю —
минимальное, а между ними сигнал находится пренебрежимо малое время. Но, как
вы увидели по графикам реальных сигналов, пренебрегать промежуточными значе-
ниями можно не всегда. Как же быть в этом случае? Лучше договориться все на-
пряжения ниже половины напряжения питания считать нулем, а выше — единицей.
Тогда такой код будет труднее всего исказить. Чтобы не путать двоичные нули и
единицы с нулями и единицами вольт, используют названия «логический ноль»
и «логическая единица». Еще их называют «низкий уровень» и «высокий уро-
вень» — понятно почему. Строго говоря, вблизи середины полного диапазона на-
пряжений есть некоторая область неопределенности, возникающая из-за неидеаль-
ности реальных электронных устройств, из которых и состоит вычислительная сис-

18 Глава 1

тема. В этой области узел цифровой схемы находится во время процесса переклю-
чения из одного состояния в другое, когда нельзя сказать точно, произошел ли уже
переход из высокого уровня в низкий и наоборот, или еще нет. Так, на рис. 1.4 об-
ласти неопределенности, отмеченной серым цветом, соответствуют напряжения от
1,8 до 3 В, т. е. области логической единицы и логического нуля в этом примере
несколько несимметричны относительно половины напряжения питания. Такое
тоже бывает, симметрию никто гарантировать не может, да и не всегда стремятся
к ней.
Вот именно этот подход в конечном итоге и используют инженеры при проектиро-
вании цифровых схем: логическая единица определяется диапазоном напряжений
от верхней границы области неопределенности до напряжения питания, а логиче-
ский ноль — как диапазон от нуля до нижней границы области неопределенности.
И в документации на цифровые приборы производитель всегда указывает границы
этих диапазонов, т. к. для различных устройств они могут быть разными.

Рис. 1.4. Области нуля, единицы и неопределенности

Если совместить график на рис. 1.4 с предыдущими графиками реальных сигналов,
как показано на рис. 1.5, то можно увидеть, что при таком определении уровней
сигналов никакие помехи не искажают данные, которые мы передаем, даже не-
смотря на существование области неопределенности. Логические нули остаются
нулями, а единицы — единицами.

Рис. 1.5. Наложение областей нуля, единицы и неопределенности на реальный сигнал

Двоичная система и сигналы в цифровой электронике 19

Вопросы для самопроверки

4. Пусть напряжение питания равно 9 вольт. Область неопределенности находится
в интервале от 3,5 до 5,5 вольт. Какому цифровому сигналу соответствуют сле-
дующие напряжения: 0,1 вольта; 1,5 вольта; 7,8 вольта; 4,7 вольта; 5,6 вольта;
3,9 вольта?

5. Пусть напряжение питания равно 5 вольт. Область неопределенности располо-
жена симметрично относительно половины напряжения питания и занимает 40%
всего диапазона. Какие границы у области неопределенности?

6. Распределение областей логического нуля, логической единицы и области неоп-
ределенности такое, как на рис. 1.4. Сигнал логической единицы подвергся воз-
действию помехи и опустился вниз на 30% от напряжения 5 В. Произошло ли
искажение передаваемых цифровых сигналов?

***

Цифровые схемы в силу того, что в реальности всегда существует некоторый дис-
баланс характеристик элементов схемы и проводников, не могут сколь угодно дол-
го находиться в области неопределенности. Обязательно произойдет случайное
«сваливание» в ту или другую сторону, которое может вызвать волну переключе-
ний далее по цепочке элементов. Но грамотно спроектированная схема никогда не
окажется в неизвестном разработчику состоянии, нарушив тем самым работу всей
системы. Инженеры на этот случай предусматривают механизмы принудительного
выставления нужной точной информации в ключевых точках схемы при включении
питания и по сигналу сброса. Как это делается, будет описано в последующих гла-
вах.

Теперь становится понятным, почему, несмотря на громоздкость двоичной систе-
мы, она применяется уже не одно десятилетие. Когда в технике возникнут какие-то
принципиально новые способы передачи и хранения информации, то, возможно,
двоичной системе придется подвинуться, уступив место какой-нибудь другой. Но
пока что нет повода за нее волноваться, поэтому ее нужно хорошо изучить и при-
менять на практике.

Ответы на вопросы для самопроверки

1. 100011, 1101, 101111, 1111111, 11001, 11010011.
2. 69, 14, 22, 229, 21, 45.
3. 11101 > 24, 1101 < 14, 110110 < 60, 10101 > 18.
4. 0, 0, 1, не определено, 1, не определено.
5. 1,5 В и 3,5 В.
6. 30% от 5 В равно 1,5 В. Значит, уровень сигнала опустился от 5 до 3,5 В. Верх-

няя граница области неопределенности равна 3 В. Искажения данных не про-
изошло.

ГЛАВА 2

Первые схемы
на МОП-транзисторах

Вам потребуются:
2 транзистора типа n-МОП 2N7000TA;
1 транзистор типа p-МОП IRFU9024NPBF;
2 светодиода;
7 резисторов сопротивлением 470 Ом;
2 резистора сопротивлением 10 кОм;
две кнопки.

Что необходимо
для сборки схем из этой книги?

Для создания предложенных далее устройств необходимо использовать контакт-
ную макетную плату (их еще называют breadboard) и соединительные провода.
В таком случае можно обойтись совсем без пайки и получить возможность легко
изменять и настраивать любую схему. Плата должна иметь не менее 800 контакт-
ных отверстий, т. к. некоторые схемы будут большими. В последней главе рассмат-
ривается макет оперативного запоминающего устройства, для которого, если вы
решите его собрать тоже, потребуется еще более крупная плата — на полторы ты-
сячи контактов или две по 800 отверстий в каждой. Поэтому макетную плату реко-
мендуется сразу приобрести максимальную по размеру из доступных. Тем более
что на большой плате можно разместить сразу несколько небольших устройств и
исследовать их работу одновременно. На рис. Ц-2.11 приведен пример платы на
полторы тысячи отверстий, а на рис. Ц-2.2 — набор жестких перемычек, гибких
проводов с контактами-штырьками на обоих концах и контактная колодка для под-
соединения к плате батареи питания на 9 В типа «Крона».
Жесткие перемычки удобны тем, что не образуют над деталями петли подобно
лианам в джунглях тропических лесов, затрудняя обзор и анализ собранного уст-

1 Префиксом «Ц-» помечены иллюстрации, вынесенные на цветную вклейку.

Первые схемы на МОП-транзисторах 21

ройства. Но их неудобно прокладывать поверх деталей, что может усложнить со-
единения на плате. Гибкие провода могут подключаться произвольным образом, но
при их большом количестве собранную схему становится сложнее анализировать.
Поэтому, если средства позволяют, желательно приобрести оба типа соединителей.
Впрочем, для начала будет достаточно набора гибких проводов. Также вы можете,
затратив пару часов времени, сами создать жесткие перемычки из отрезков медного
одножильного провода, зачистив по пять миллиметров изоляции с каждого конца.
В некоторых интернет-источниках в качестве жестких перемычек предлагают при-
менять неизолированные проводники вплоть до разогнутых скрепок. Настоятельно
не рекомендуется так делать, потому что в этом случае непреднамеренно замкнуть
между собой два подобных соединителя и сжечь какую-нибудь маленькую, но
нужную деталь, — проще простого. Кроме платы и проводов непременно потребу-
ется батарея питания на 9 В типа «Крона».

Если на макетную плату посмотреть с обратной стороны, сняв ее заднюю панель,
то станет видно, что каждый вертикальный столбец из пяти контактных отверстий
содержит под собой металлическую полосу, соединяющую эти отверстия, как по-
казано на рис. 2.3. То есть выводы деталей, стоящих в таком вертикальном ряду,
всегда будут подключены друг к другу. Канавка между каждыми пятью горизон-
тальными рядами отверстий разрывает вертикальную связь. Так что отверстия
сверху от канавки электрически никак не связаны с отверстиями снизу от нее. Это
нужно для установки и удобного подключения микросхем и обязательно пригодит-
ся далее.

Рис. 2.3. Макетная плата: вид снизу

22 Глава 2

На большой макетной плате также проложены длинные горизонтальные проводни-
ки для «плюса» и «минуса» питания. Их называют шинами питания, и на плате они
размечены красной и синей линиями и соответствующими символами (см. рис. Ц-2.1).

ШИНА
Название «шина» происходит от немецкого слова Schiene — рельс. В промышленной
электрике, работающей с огромными токами, проводники питания могут быть, дейст-
вительно, такой же толщины, как и рельсы. Со временем слово это постепенно пере-
кочевало и в микроэлектронику, где шины даже в микроскоп непросто различить.

В том месте, где цветная линия на лицевой стороне платы прерывается, разрывает-
ся и шина питания. То есть отдельные сегменты шин никак не связаны между со-
бой, и если необходимо сделать их в разных частях платы едиными, нужно приме-
нять перемычки.

Можно пользоваться и макетными платами без шин питания, но в этом случае под-
ключение большого числа компонентов к «плюсу» и «минусу» батареи станет не-
удобным.

КОМПОНЕНТЫ
Компонентами инженеры и конструкторы называют все детали, установленные на
плате, кроме проводов.

Простые,
но важные электронные компоненты

Резистор

Самой простой и самой массово применяемой деталью электронных устройств яв-
ляется, без сомнения, постоянный резистор. Как уже упоминалось в предисловии,
книга рассчитана на тех, кто изучал в школе закон Ома для участка цепи, который
выражается простой формулой:

I = U / R.

А звучит этот закон так:

величина тока, протекающего по участку цепи, прямо пропорциональна величине на-
пряжения на концах этого участка и обратно пропорциональна величине сопротивле-
ния участка.

Вот, например, когда нам требуется при заданном напряжении обеспечить строго
определенную величину тока, то мы в соответствии с законом Ома вычисляем не-
обходимое сопротивление участка цепи и устанавливаем на пути тока постоянный
резистор, который обладает нужным нам сопротивлением, задаваемым раз и навсе-
гда при его производстве. Можно решить с его помощью и обратную задачу: при
заданной в схеме величине тока на его выводах получают необходимое напряже-
ние. Внешний вид и условное графическое обозначение постоянного резистора на
схемах показано на рис. 2.4.

Первые схемы на МОП-транзисторах 23

Рис. 2.4. Постоянный резистор и его условное графическое обозначение

У резистора (для простоты далее слово «постоянный» будет опускаться) оба выво-
да абсолютно равнозначны. Полоски на его корпусе кодируют величину сопротив-
ления, еще называемую номиналом. В приложении 3 приведена таблица, позво-
ляющая определить сопротивление по цветовому коду этих полосок. Если номинал
резистора находится в диапазоне до 1 кОм (читается «один килоом» или одна тыся-
ча Ом), то резистор на схемах или в документации подписывается цифрами без
единиц измерений, от 1 до 999 кОм — рядом с цифрами пишется буква k, а для
мегаомных значений (т. е. от одного миллиона Ом) используется буква М. В начале
каждой главы даны номиналы и количество резисторов, необходимых для сборки
приведенных в ней схем. А в приложении 4 приведена сводная таблица
вообще всех используемых в схемах книги компонентов для удобства их приобре-
тения.

Важным параметром резистора помимо сопротивления является мощность тока,
на которую он рассчитан. Как известно из школьной физики, электрическая мощ-
ность, рассеиваемая на участке цепи, равна произведению величины тока на этом
участке на величину напряжения на его концах:

P = I · U.

Пользуясь законом Ома, вы легко можете рассчитать мощность через ток и сопро-
тивление или через напряжение и сопротивление — в зависимости от того, какие
параметры цепи вам известны в каждом конкретном случае:

P = I2 ⋅R = U2 .
R

Рассеивание мощности в резисторе — это его нагрев. Если превысить допустимое
значение мощности, то деталь просто перегреется и сгорит. Чтобы этого не про-
изошло, необходимо приобрести такие резисторы, которые рассчитаны на необхо-
димую мощность. Как правило, она выбирается из следующего ряда значений:
0,125 Вт, 0,25 Вт, 0,5 Вт, 1 Вт и 2 Вт. Для схем этой книги наиболее подходящее
значение — 0,25 Вт. Резисторы, рассчитанные на меньшую мощность, в некоторых
случаях будут перегреваться, поэтому их лучше не приобретать, а на большую —
будут избыточны как по цене, так и по размерам, но при отсутствии нужных по-
дойдут без проблем.

Полезно вспомнить то, как применяется закон Ома в последовательно и параллель-
но соединенных электрических цепях из резисторов. Первый случай показан на
рис. 2.5, а, а второй — на рис. 2.5, б.

Первые схемы на МОП-транзисторах 25

Если I поделить на U, то получится физическая величина 1 , обратная сопротивле-
R

нию всей цепи. Ее называют проводимостью:

1= 1 + 1.
R R1 R2

Обобщив это выражение на произвольное количество резисторов, можно сказать,
что в параллельной цепи общая проводимость равна сумме проводимостей всех ее
ветвей. Для случая параллельной цепи, состоящей из двух резисторов, мы можем
легко получить удобную формулу для расчета эквивалентного сопротивления:

R = R1⋅ R2 .
R1 + R2

Для большего количества параллельно включенных резисторов формула общего
эквивалентного сопротивления будет выглядеть сложнее, поэтому в этих случаях
проще работать с проводимостями, а не сопротивлениями. Можно отметить важное
следствие из полученных выражений:

В последовательной цепи эквивалентное сопротивление будет всегда больше самого
большего сопротивления, входящего в ее состав. А в параллельной — меньше самого
меньшего.

Диод и светодиод

Следующий часто применяемый в схемах компонент называется светодиодом. Это
диод, способный светиться при прямом включении. Диод — полупроводниковый
прибор, который проводит ток только в одном направлении. Если тот его вывод,
который называется анодом и обозначается на схемах треугольником, будет на-
правлен в сторону «плюса» питания, а второй, который называется катодом и обо-
значается чертой, — в сторону «минуса», то через диод будет течь ток. Такое под-
ключение называется прямым. Если же включить диод в обратном направлении,
ток через него течь не будет. Если вы вдруг захотите провести эксперимент с пря-
мым включением первого попавшегося диода, не надо присоединять его анод и ка-
тод напрямую к «плюсу» и «минусу» батарейки без включенного последовательно
с ним ограничивающего резистора — через диод может потечь слишком большой
ток, на который он не рассчитан. Возникнет короткое замыкание, и батарея разря-
дится, а полупроводниковый прибор может и сгореть. У светодиода выводы разной
длины: анод — длинный, а катод — короткий. Если полярность подключения не
соблюдать, то он не будет загораться. Внешний вид и условное графическое обо-
значение светодиода на схемах показано на рис. 2.6. У простого диода на условном
обозначении нет стрелок, обозначающих излучение света прибором, и если он
вдруг начнет светиться, значит, экспериментатор сильно переборщил с величиной
тока.

В наших устройствах питание будет осуществляться от батареи типа «Крона», но-
минальное напряжение на контактах которой равно 9 В. Как правило, предельно

26 Глава 2

Рис. 2.6. Светодиод и его условное графическое обозначение

допустимый ток для светодиода составляет 30 миллиампер, а минимальный, при
котором начинается свечение, — порядка единиц миллиампер. Величина «милли-
ампер» обозначается мА и равна одной тысячной доле ампера — единицы измере-
ния силы тока. Один ампер — весьма большая величина, и в наших схемах мы все
время будем иметь дело с десятками и сотнями миллиампер.
Справочные данные от производителей обычно сообщают, что на самом диоде при
его работе падает напряжение в интервале от 2 до 3 В. А правильную величину то-
ка вы должны задать сами. Решается эта задача так: на включенном последователь-
но с диодом ограничительном резисторе из 9 В, получаемых от батареи питания,
останется соответственно напряжение 6…7 В. В этих условиях через сопротивле-
ние величиной 470 Ом потечет ток величиной около 12…15 мА (совсем точные
расчеты в случае со светодиодами не важны, достаточно до второй значащей циф-
ры). И ровно этим же значением будет ограничен ток в диоде, что достаточно для
его яркого свечения и не вызовет перегорания. Также допустимо и применение ре-
зистора сопротивлением до 1 кОм включительно, если вдруг свободных резисторов
470 Ом под рукой нет. В этом случае диод будет светиться чуть тусклее, что не-
принципиально.

Вопросы для самопроверки
1. Вычислите эквивалентное сопротивление последовательного включения трех

резисторов сопротивлением 270 Ом каждый; трех резисторов с сопротивления-
ми: 200 Ом, 400 Ом и 400 Ом.
2. Вычислите эквивалентное сопротивление параллельного включения трех рези-
сторов сопротивлением 270 Ом каждый; трех резисторов с сопротивлениями:
200 Ом, 400 Ом и 400 Ом.
3. Напряжение питания цепи равно 5 В. Рассчитайте величину сопротивления
резистора, ограничивающего ток величиной 20 мА, для включенного последова-
тельно с этим резистором светодиода, на котором падает напряжение 2,5 В.

Цифровая логика на транзисторах 69

Ответы на задания по конструкциям
для самостоятельной разработки

+9 B

T1 T2
A Y

T3

B T4
0B

Рис. 3.29. Ответ на задание 1

Рис. 3.30. Ответ на задание 2

ГЛАВА 4

Микросхемы цифровой логики

Вам потребуются:
один транзистор типа n-МОП и 2 транзистора типа p-МОП;
2 светодиода;
2 резистора сопротивлением 470 Ом;
5 резисторов сопротивлением 10 кОм;
одна кнопка;
один счетверенный DIP-переключатель;
по одной микросхеме: CD4001BE, CD4011BE, CD4012BE, CD4069UBE, CD4072BE,
CD4077BE, CD4081BE;
соленоид TAU-0520 (не обязательно).

Общежитие для транзисторов: что важно знать
о микросхемах цифровой логики

Построение вентилей на макетной плате в предыдущей главе завершилось создани-
ем Исключающего ИЛИ. 12 транзисторов вместе с многочисленными проводами
заняли очень много места. Разумеется, на дискретных приборах даже на большой
макетной плате никакое устройство, содержащее более двух-трех вентилей, собрать
нельзя. Чтобы двигаться дальше в практическом изучении цифровой электроники,
необходимо воспользоваться возможностями, которые предоставляют интеграль-
ные микросхемы. У них внутри одного корпуса со сравнительно небольшим коли-
чеством выводов содержится много транзисторов, формирующих сразу несколько
логических вентилей. Поскольку вы уже разобрались с тем, как они функциониру-
ют на транзисторном уровне и даже научились сами их конструировать, можете
быть уверены, что переход на следующий уровень проектирования не вызовет у вас
затруднений.
Микросхемы цифровой логики изготавливаются в виде серий, имеющих свое обо-
значение. Что подразумевается в микроэлектронике под словом «серия»? Во-

Микросхемы цифровой логики 71

первых, тип логики. В этой книге рассматриваются только КМОП-устройства. По-
этому все другие микросхемы (ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, И2Л и пр.) и соответствующие
им серии остаются за бортом. Во-вторых, даже внутри одного типа бывают под-
группы интегральных микросхем, различающиеся по самым разным параметрам,
среди которых минимальное время переключения, допустимое напряжение пита-
ния, максимальная емкость нагрузки и др. Поэтому между собой микросхемы из
разных серий могут взаимодействовать не очень хорошо. А вот внутри одной серии
они адаптированы к работе друг с другом идеально. То есть можно быть уверен-
ным, что если схема работает не так, как ожидается, то причина кроется исключи-
тельно в ошибке разработчика, а не в проблемах сопряжения разнородных микро-
схем.

В качестве объекта для экспериментов была выбрана недорогая КМОП-серия
CD4000BE (ее отечественный аналог — КР1561). Нули после четверки в зарубеж-
ном наименовании каждой микросхемы заменяются цифровым кодом, указываю-
щим на ее функциональное назначение. В отечественной серии функциональное
назначение и подтип микросхемы кодируются двумя буквами и одной или двумя
цифрами, которые пишутся после «КР1561». В приложении 5 приведена таблица
соответствия обозначений разных видов микросхем, применяемых в этой книге,
в российском и зарубежном стандартах. Сразу нужно отметить, что выходной ток
у некоторых микросхем этой серии может оказаться слишком слабым, чтобы за-
жечь светодиод от выхода вентиля, как это делалось в предыдущей главе. Поэтому
для индикации состояния узлов схем нужно использовать те самые пробники, ко-
торые были сконструированы в самом начале (см. главы 2 и 3), подключаясь гиб-
ким проводом к интересующей точке. При соединении микросхем друг к другом
выходного тока одной из них достаточно, чтобы переключать транзисторы сразу
в нескольких подобных, если потребуется. А вот для управления чем-то более мощ-
ным требуется использовать усилитель сигнала — например, на МОП-транзисторе,
как в пробнике. В этом случае можно управлять даже небольшим электродвигате-
лем для моделей, чем мы не раз воспользуемся дальше. Лишь бы максимально до-
пустимый ток стока усилительного транзистора был больше тока нагрузки. Напря-
жение питания КМОП-логики этой серии может меняться в широком диапазоне —
как правило, от 5 до 15 вольт. Поэтому все устройства в этой и последующих гла-
вах по-прежнему будут получать питание от батарейки «Крона».

Микросхемы серии CD4000BE, которые используются в примерах этой книги,
имеют пластиковые корпуса типа DIP (dual in-line package) — двухрядные. Это
прямоугольные коробочки с выводами, расположенными вдоль их длинных сторон.
Возле одной из коротких сторон сделана полукруглая выемка — ключ, обозначаю-
щий первый вывод. Если расположить микросхему ключом вверх, то нумерация
выводов будет начинаться слева от ключа и продолжаться против часовой стрелки,
как показано на рис. 4.1. Такой корпус позволяет как установить эту микросхему
в макетную плату, так и припаивать выводы микросхемы к контактным площадкам
печатной платы, вставив их в просверленные для этого в ней отверстия. Существу-
ют корпуса и для поверхностного монтажа микросхем с помощью пайки (тип SO
и др.). Их невозможно установить в макетную плату, поэтому при покупке надо

72 Глава 4

обязательно обращать внимание на тип корпуса, обозначаемый буквами BE в конце
названия микросхем импортной серии или КР в начале названия отечественной.

Так же как и в случае с транзисторами, в документации на микросхему необходимо
найти ее цоколевку. Для простых логических элементов цоколевку иногда изобра-
жают в виде корпуса, внутри которого находятся условные обозначения вентилей,
а их входы и выходы маркированы числами в соответствии с нумерацией выводов.
При этом, если не указано иное, все вентили в микросхеме одинаковы. Для примера
на рис. 4.2 показана цоколевка микросхемы CD4011BE. Обозначение VSS соответ-
ствует «минусу» питания, а VDD — «плюсу». Эти обозначения, применяемые
в зарубежной литературе, запомнить просто. Буква V означает напряжение (voltage),
удвоенная S — направление истока (source) n-канального транзистора, а удвоен-
ная D — направление его стока (drain). Как вы помните, исток такого типа прибо-
ров «смотрит» на «минус» питания, а сток — на «плюс». Точно так же расположе-
ны входы и выходы для микросхем других двухвходовых вентилей: CD4001BE,
CD4072BE, CD4081BE, CD4070BE, CD4077BE.

1 VDD 14

2 13

1 14 3 12
2 13 4 11
3 12 5 10
4 11 9
5 10 6
69 7 VSS 8
78

Рис. 4.1. Нумерация выводов DIP-микросхемы Рис. 4.2. Цоколевка микросхемы CD4011BE

На макетной плате DIP-микросхема располагается над канавкой вдоль, чтобы два
ряда выводов оказались по разные стороны от нее. Кстати, сразу следует отметить
два момента, связанные с установкой этих компонентов на плату и их демонтажем.
Прежде всего, выводы новой микросхемы необходимо слегка подогнуть, т. к. они
отходят от корпуса вниз под непрямым углом и изначально не совпадают с нужны-
ми отверстиями. Для этого можно взять ее за короткие стороны, положить длинной
стороной на стол и с легким нажимом вниз довернуть корпус до прямого угла с по-
верхностью стола. Потом повторить эту же процедуру для выводов с другой сторо-
ны. Во-вторых, при извлечении микросхемы из зажимов контактных отверстий ее
обязательно нужно тянуть или поддевать за обе короткие стороны одновременно —

Микросхемы цифровой логики 73

иначе крайние выводы могут погнуться. Конечно, их можно потом выпрямить пин-
цетом. Но после нескольких подобных процедур они просто-напросто отломятся.
А поддевание сразу за оба края направляет общее усилие вертикально вверх и не
приводит к деформации выводов.

В литературе также упоминается, что КМОП-компоненты могут быть необратимо
повреждены разрядом статического электричества, который происходит при каса-
нии вывода микросхемы пальцем наэлектризованного человека. Проскочившая ис-
кра может создать разность потенциалов в пару киловольт, что приведет к пробою
затворного диэлектрика и выходу МОП-транзистора из строя. Поэтому выводов
микросхемы пальцами лучше лишний раз не касаться. Впрочем, на практике в бы-
товых условиях с такими повреждениями встречаться доводится нечасто, учитывая
тот факт, что входы современных микросхем снабжаются схемами защиты от ста-
тического электричества. Так, автору этой книги за все время подготовки обоих ее
изданий ни разу не удалось повредить прикосновениями к выводам ни одну микро-
схему — в отличие от дискретных транзисторов! Но зачем проверять качество и
наличие защиты? — разумная осторожность никогда не повредит. А возникшие
сомнения в работоспособности того или иного вентиля легко разрешить с помощью
полученных ранее знаний о его таблице истинности, цоколевки и пробника. Но
прежде чем сделать вывод о неработоспособности микросхемы, желательно убе-
диться, что питание к ней подключено, — это самая частая причина проблем, когда
что-то с собранным устройством идет не так.

Приступаем к опытам с микросхемами

Соединим вместе входы логических элементов

В качестве первого эксперимента над микросхемами можно посмотреть, что про-
изойдет с вентилями И-НЕ и ИЛИ-НЕ, если их входы накоротко замкнуть между
собой. В таблице истинности такой схемы исчезнут все строки, в которых входные
сигналы разные. И останутся только две: «все нули» и «все единицы». Понятно, что
при этом оба типа вентилей независимо от количества входов превратятся в обыч-
ные инверторы.

На рис. Ц-4.3 приведена монтажная схема такого варианта на базе микросхемы
2И-НЕ CD4011BE, о чем говорит номер на ее корпусе (здесь и далее на всех мон-
тажных схемах микросхемы установлены над канавкой ключом влево, т. е. номер
микросхемы виден на иллюстрациях рядом с ключом). Шины питания над микро-
схемой и под ней объединяются при помощи двух вертикальных перемычек, что
позволяет удобно подавать «плюс» и «минус» питания на любые точки схемы.
Проводник от объединенных входов вентиля подведен к «минусу» питания, чтобы
на выходе была логическая единица. Тогда пробник, сконструированный, как мож-
но увидеть на схеме, на базе n-канального транзистора, включит светодиод. Заме-
нив на плате микросхему CD4011BE на CD4001BE и оставив остальную часть без
изменений, можно получить точно такой же вентиль.

74 Глава 4

Знание того, что инвертор можно получить объединением входов И-НЕ или ИЛИ-НЕ,
позволяет гибко использовать имеющуюся элементную базу. И если на плате нахо-
дится одна из таких микросхем, а в ней есть свободный вентиль, то можно не при-
менять логический элемент НЕ из шести, входящих в состав CD4069UBE, а задей-
ствовать уже установленные компоненты. И вот еще что: хотя каждая из приме-
ненных микросхем (CD4011BE и CD4001BE) содержит по четыре вентиля своего
типа, в нашем эксперименте было задействовано по одному из них, а остальные не
потребовались. Выводы, соответствующие полностью неиспользованным логиче-
ским элементам, можно оставлять не подключенными ни к чему.

Добавим недостающие входы

В предыдущей главе рассматривались принципы построения многовходовых вен-
тилей на транзисторах. Существуют и логические микросхемы с элементами,
имеющими от двух до четырех входов. Но что делать, если требуется, например,
микросхема 3И, а в наличии есть только 2И? Внутрь, чтобы добавить транзисторы,
не проникнуть... Как же быть? Для увеличения числа входов можно соединять эле-
менты в каскады вентилей, следующих друг за другом. В таких случаях говорят,
что применяется каскадирование. Так, если с помощью операции И объединить
сначала два входа, а потом к этому объединению добавить с помощью логического
И третий, то это будет то же самое, что применить операцию И ко всем трем вхо-
дам одновременно, — на рис. 4.4 показано, как из двух вентилей 2И можно полу-
чить 3И.

Рис. 4.4. Вентиль 3И на базе 2И Рис. 4.5. Вентиль 4И на базе 2И

Промежуточный сигнал, обозначенный F, будет равен единице только в том случае,
если единицы поданы на входы A и B. В свою очередь, выходной сигнал Y будет
единицей, только если и F = 1, и C = 1. Поэтому такая схема по выполняемой функ-
ции: Y = F · C = A · B · C — соответствует вентилю 3И. При этом, как легко можно
убедиться, в каком именно порядке подключать сигналы к такой схеме, с точки
зрения логики ее работы значения не имеет. Точно так же из трех вентилей 2И
микросхемы CD4081BE нетрудно получить 4И, как показано на рис. 4.5. На мон-
тажной схеме (рис. Ц-4.6) входы A, B, C и D подключены к «плюсу» питания, что
обеспечивает единственную комбинацию сигналов, создающую логическую еди-
ницу на выходе.

Вентиль 4И также легко конструируется из одного 2И и одного 3И двумя спосо-
бами, показанными на рис. 4.7.

Микросхемы цифровой логики 75

Рис. 4.7. Способы получения вентиля 4И из вентилей 2И и 3И

Пользуясь подобными правилами каскадирования, можно создавать вентили с лю-
бым количеством входов — например, объединяющий один байт данных вен-
тиль 8И, древовидная схема которого показана на рис. 4.8.

A

B

С

D
Y

E

F

G

H

Рис. 4.8. Вентиль 8И

Вопросы для самопроверки
1. Составьте схему получения 4ИЛИ из нескольких вентилей 2ИЛИ.
2. Составьте схему получения 3ИЛИ из нескольких вентилей 2ИЛИ.

***
А вот добавить входы в элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ с помощью одноименных вен-
тилей будет несколько сложнее. Например, как сконструировать 4И-НЕ из 2И-НЕ?
Трех вентилей 2И-НЕ для этого недостаточно. Если поставить их по такой же кас-
кадной схеме, как это делалось для 4И, то на входы второго каскада сигналы при-
дут инвертированными и таблица истинности такой схемы будет соответствовать
элементу, попарно объединяющему входы по И, а потом результаты для каждой
пары по ИЛИ. Проверьте это, составив таблицу истинности и перебрав все возмож-
ные 16 состояний схемы, приведенной на рис. 4.9.
Знание булевой алгебры и формул преобразования двоичных выражений позволяет
обойтись без построения больших таблиц и перебора значений. Но метод с табли-
цами, как наиболее наглядный, используется в технике наравне с формулами,
и в дальнейшем к нему не раз придется обращаться. Когда создается какая-то

ГЛАВА 5

Основные комбинационные схемы

Вам потребуются:
7 транзисторов типа n-МОП;
7 светодиодов;
7 резисторов сопротивлением 470 Ом;
4 резистора сопротивлением 10 кОм;
одна кнопка;
один счетверенный DIP-переключатель;
2 сдвоенных DIP-переключателя;
по одной микросхеме: CD4069UBE, CD4071BE, CD4072BE, CD4081BE,
CD4511BE;
по две микросхемы: CD4011BE, CD4070BE
1 семисегментный индикатор SC56-11.

Как процессор выполняет вычисления:
конструируем сумматор

Если ненадолго задуматься над предназначением микропроцессора, то станет ясно,
что его основное дело — быстро обрабатывать числа. Все остальное подчинено
наиболее эффективному выполнению этой задачи. Поэтому полезно разобраться,
как с помощью логических вентилей выполняются арифметические операции.
В целом двоичные числа складываются так же, как и десятичные, только процессор
не бормочет себе под нос: «пять пишем — три в уме». Во-первых, ему нечем бор-
мотать, а во-вторых, в двоичной системе можно писать только ноль или единицу, а
в уме нужно держать только единицу. При сложении двух таких чисел в каждом
разряде возможны всего четыре комбинации: 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1, 1 + 0 = 1 и 1 + 1 = 10.
Поскольку в последнем случае единица перешла в соседний разряд, то результат
описывают так: «1 + 1 = 0 с переносом 1». То самое: «ноль пишем, один в уме».
Перенесенная единица, так же как и в случае с десятичными числами, складывается

Основные комбинационные схемы 89

со знаками в следующем разряде. Если повнимательнее приглядеться ко всем че-
тырем комбинациям, то можно увидеть, что бит суммы однобитных чисел форми-
руется не чем иным, как элементом Исключающее ИЛИ. А бит переноса вычисля-
ется логической функцией И. Таким образом, появляется схема (рис. 5.1) и таблица
истинности (табл. 5.1) для устройства, складывающего два однобитных числа. Это
устройство называется полусумматором. Выход вентиля Исключающее ИЛИ здесь
обозначается греческой заглавной буквой Σ (читается «сигма»), которая в матема-
тике служит для обозначения суммы. А бит переноса — CO (это обозначение про-
исходит от английского carry output, что переводится как «выход переноса»).

Рис. 5.1. Схема сложения двух однобитных чисел

Таблица 5.1. Сложение однобитных чисел

A B Σ CO
0000
0110
1010
1101

Почему же приведенная схема — лишь полусумматор, а не целый? Дело в том, что
у него нет входа для бита переноса из предыдущих разрядов. То есть он может ис-
пользоваться лишь тогда, когда требуется сложить однобитные числа, а такое уст-
ройство мало для чего годится, — разве что для сложения МЗР многобитных сла-
гаемых.
Полный сумматор должен иметь вход переноса из предыдущих разрядов — CI (от
англ. carry input). Это тот самый вход, который берет число, хранящееся «в уме»,
и прибавляет его к нужному разряду. Рассмотрим примеры сложения четырехбит-
ных двоичных чисел по всем правилам математики:

В первом случае две единицы в младшем значащем разряде дают нулевой бит
в сумму и единицу в перенос в следующий разряд. Как вы помните, разряды в числах

ГЛАВА 6

Последовательностные схемы

Вам потребуются:
7 транзисторов типа n-МОП;
6 транзисторов типа p-МОП;
2 светодиода;
2 резистора сопротивлением 470 Ом;
один резистор сопротивлением 1 кОм;
один электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ;
две микросхемы CD4011BE и по одной CD4001BE и CD4012BE.

Два пишем, три в уме:
как запомнить результат вычислений?

В предыдущих главах вы познакомились с наиболее часто применяемыми комби-
национными устройствами, предназначенными для преобразования и обработки
данных. При этом неоднократно упоминалось о существовании неких схем, кото-
рые в состоянии запоминать полученную информацию. Настало время разобраться
в их работе детально. Эта тема часто вызывает сложности у начинающих, поэтому
к ней тоже были подготовлены вспомогательные видеоролики на том же YouTube-
канале, который можно найти, выполнив в строке запроса главной страницы
YouTube (www.youtube.com) поиск по ключевым словам: Цифро МОП.

ЭЛЕКТРОННЫЙ АРХИВ
Напомним, что электронный архив с файлами созданных автором книги обучающих
видеороликов также можно загрузить с FTP-сервера издательства «БХВ» по ссылке:
ftp://ftp.bhv.ru/9785977568135.zip или со страницы книги на сайте https://bhv.ru/
(см. приложение 6).

Самый простой запоминающий элемент можно собрать из двух инверторов, соеди-
ненных в кольцо (рис. 6.1). Действительно, если в одном узле такой схемы при
включении окажется логический ноль, то в другом будет логическая единица, ко-

Последовательностные схемы 121

торая через инвертор поддержит логический ноль в первом узле. Разумеется, при
включении питания напряжение в обоих узлах может оказаться не разным, а оди-
наковым, и что тогда? Из-за неидеальности окружающего нас мира какой-то один
инвертор в паре всегда будет чуть-чуть мощнее другого — на какие-то доли про-
цента. Но этого окажется достаточно, чтобы он потихоньку пересилил второго и
заставил его переключиться в состояние, противоположное изначальному. Это «по-
тихоньку», происходящее в скоростном мире КМОП-инверторов, для нас выпол-
нится в считанные доли секунды — моргнуть не успеем. Поэтому, с нашей точки
зрения, в узлах такого кольца после включения не появится напряжение, соответст-
вующее области неопределенности: в одном окажется строго высокий уровень, а в
другом — строго низкий. И самопроизвольных переключений случайно устано-
вившейся комбинации значений не будет.

Изменять состояние узлов можно извне, подключая проводом любой один из них
к тому выводу батареи, напряжение на котором противоположно напряжению на
узле в текущий момент. Батарейка обязательно пересилит выход инвертора, управ-
ляющего состоянием подключенного к ней узла, заставив переключиться второй,
ну а он, в свою очередь, переключит своего брата-близнеца, завершив процесс из-
менения состояния всего кольца. То есть получается, что в такой схеме имеются
два входа и совпадающие с ними два выхода, логические уровни на которых всегда
противоположны. Храниться установившиеся значения будут столько времени,
сколько подается питание. Можно удалить провода, идущие наружу из этой схе-
мы, — ее состояние от этого никак не изменится, в отличие от комбинационных
схем, в которых оборванный вход будет работать как антенна, постоянно улавливая
из окружающих ее электромагнитных сигналов всякую ерунду, тем самым приводя
к непредсказуемым результатам. А у такого кольца вход одного инвертора всегда
имеет определенное значение, заданное выходом другого. И помехам его не сбить.
Динамику бега нулей и единиц в таком кольце наглядно демонстрирует мой
YouTube-ролик «Простейший триггер».

Рис. 6.1. Триггер из двух инверторов

Рассмотренное простейшее, как амеба, запоминающее устройство называется триг-
гером. Но все разработчики электроники предпочитают для изменения состояния
схем не переключателем щелкать или провода переставлять, а управлять ими при
помощи электрических сигналов. Кроме того, не всегда удобно, когда выходы схе-
мы одновременно являются и ее входами. Поэтому инженерами был изобретен
триггер на двух вентилях 2И-НЕ, соединенных перекрестно (рис. 6.2, а). У него то-
же два входа, обозначенные буквами R и S, и два выхода: Q и Qn, принимающие
противоположные значения. Два сигнала, которые всегда имеют противоположные

122 Глава 6

логические уровни, называют парафазными. Так что выходы Q и Qn — парафаз-
ные. То же самое было и в схеме, показанной на рис. 6.1. Но теперь входы и выхо-
ды — совершенно отдельные узлы. Такая схема — по обозначениям ее входов —
называется RS-триггером. Чуть позже станет понятным, почему были выбраны
именно эти обозначения. У входов активные уровни — низкие, поэтому на услов-
ном обозначении они отмечены кружками. Обязательно нужно обращать внимание
на обозначения выводов внутри прямоугольника триггера — в разных их видах они
могут быть различными. Иногда производитель чипа или разработчик схемы рису-
ет только черту над названием входа, иногда — только кружок инверсии. В этой же
книге для наглядности используются обязательно оба обозначения низкого актив-
ного уровня сигналов одновременно. Рассмотрим подробно таблицу истинности
триггера (табл. 6.1), поскольку она явно выглядит не так, как для комбинационных
схем.

S
Q
T
RQ

S Qn

Qn
R

аб

Рис. 6.2. а — схема RS-триггера (слева) и условное графическое обозначение (справа);
б — RS-триггер в режиме установки

Таблица 6.1. Таблица истинности RS-триггера на вентилях И-НЕ

SR Q(t) Qn(t) Режим работы

01 1 0 Установка Q = 1
10 0 1 Сброс Q = 0

00 1 1 Запрещенное состояние, не используется

1 1 Q(t–1) Qn(t–1) Хранение

При низком логическом уровне на входе S и высоком на входе R выход Q принима-
ет значение единицы, как показано на рис. 6.2, б. Вспомните схему вентиля И-НЕ
на транзисторном уровне, которую мы рассматривали в главе 3. При подаче на лю-
бой вход этого вентиля логического нуля он сразу переключается в логическую

единицу. При этом в такой ситуации совершенно не важно, что подается на второй
вход вентиля с выхода Qn. Поэтому вход S так и обозначен (от англ. set — установ-
ка). Речь идет об установке Q в логическую единицу. Переключившись в высокий

уровень, сигнал Q попадает на вход нижнего по схеме вентиля и вместе с R = 1
устанавливает Qn = 0. Этот сигнал на входе верхнего вентиля лишь подтверждает
то, что уже сделал сигнал S = 0.

ГЛАВА 7

Сдвиговые регистры и счетчики

Вам потребуются:
7 транзисторов типа n-МОП;
8 светодиодов;
8 резисторов сопротивлением 470 Ом;
2 резистора сопротивлением 1 кОм;
1 резистор сопротивлением 10 кОм;
2 переменных резистора сопротивлением 10 кОм;
одна кнопка;
2 электролитических конденсатора емкостью 220 мкФ и по одному — 1000 мкФ
и 10 мкф;
2 микросхемы CD4013BE;
по одной микросхеме: CD4001BE, CD4011BE, CD4081BE и CD4511BE;
семисегментный индикатор CS56-11.

Эстафета для триггеров:
конструкция сдвигового регистра

Помимо уже изученных нами регистров с параллельной загрузкой данных, т. е. одно-
временной во все триггеры регистра, существуют и сдвиговые, с последовательной
загрузкой. Вы сталкивались с их работой, например, при наборе числа на калькуля-
торе. При нажатии первой цифры она отображается на дисплее справа. Когда вы
вводите вторую цифру, то первая сдвигается влево, а на ее месте появляется вторая.
Это продолжается до тех пор, пока все число не появится на экране. Именно так
работает сдвиговый регистр — данные приходят в него с одной стороны и с каж-
дым тактом синхросигнала смещаются дальше. Его схема весьма проста и состоит
из цепочки D-триггеров, в которой выход предыдущего триггера подключается ко
входу данных следующего. Как вы помните, D-триггер задерживает поступивший

Сдвиговые регистры и счетчики 149

на него бит до очередного тактового импульса. За счет этого и происходит после-
довательное продвижение информации по всей цепочке. Если триггеры имеют
асинхронные входы сброса и установки, то через них в сдвиговый регистр можно
загружать данные и параллельно, т. е. во все биты сразу.

Четырехразрядный сдвиговый регистр, схема которого приведена на рис. 7.1, скон-
струирован на базе двух микросхем CD4013BE, каждая из которых содержит по два
D-триггера с асинхронными входами сброса и установки (для удобства сборки
здесь показана нумерация выводов). На макетной плате (рис. Ц-7.2) эти две микро-
схемы находятся рядом друг с другом справа.

Рис. 7.1. Сдвиговый регистр

В микросхеме CD4013BE, как и в логических элементах, «плюс» питания подается
на четырнадцатый вывод, а «минус» — на седьмой. Входы сброса и установки
имеют активный высокий уровень, и так как они не используются в этом простей-
шем примере, то на макетной плате подключены к «минусу» питания. В результате
при включении схемы выходы триггеров оказываются в случайном состоянии, но
для иллюстрации работы сдвигового регистра это непринципиально. Каждый вы-
ход Q снабжен светодиодной индикацией. На вход синхронизации C сигнал посту-
пает с уже известной вам из предыдущей главы схемы генератора импульсов на
базе двух вентилей 2И-НЕ из состава микросхемы CD4011BE, установленной на
плате слева. Нажатием и отпусканием кнопки, расположенной на плате возле седь-
мого выхода этой микросхемы, вы можете передавать на вход данных сдвигового
регистра (вывод 5 DD1.1) ноль или единицу и затем наблюдать, как заданный бит
проходит по цепочке светодиодов с каждым тактовым импульсом. Размещение
кнопки у седьмого вывода микросхемы не имеет принципиального значения, про-
сто раз уж тут и так есть перемычка на «минус» питания и свободный контакт
к ней, то почему бы и не воспользоваться этим.

В рассматриваемой схеме все сигналы установки объединены в одну шину, и то же
самое сделано с сигналами сброса. То есть в этом случае можно в произвольный
момент времени или обнулить все биты регистра, или записать в каждый из них
единицу. Но при необходимости можно комбинировать асинхронные входы самым
произвольным образом, загружая в триггеры любое наперед выбранное значение
битов в качестве исходных.

Заключение

На этом заканчивается изложение основ цифровой электроники. Вы узнали, из чего
состоят микросхемы, как они работают, можно ли одни вентили заменять другими,
как двигаться от идеи к ее практическому воплощению. Освоено много, но далеко
не все. КМОП-схемы, рассмотренные в книге, относятся к классу, который называ-
ется статической логикой. Кроме нее существуют еще и динамическая, и диффе-
ренциальная логика, и вентили на проходных транзисторах и двунаправленных
ключах —– все это и многое другое тоже применяют весьма широко в цифровых
устройствах и интегральных микросхемах.

Можно двигаться в сторону изучения процесса проектирования и изготовления
микросхем, и тогда в будущем вы можете стать разработчиками новых процессоров
и целых систем на кристалле. А можно вместо погружения в микромир осваивать
конструирование крупных систем робототехники и сверхпроизводительных вычис-
лительных устройств. Обладая хорошим пониманием основ, вы будете лучше и бы-
стрее проектировать сложные схемы. Если после экспериментов с «цифрой» вы
решите заняться и аналоговой схемотехникой, то можете быть уверены — у вас
получится. Не бойтесь экспериментировать, а некоторые отличные книги, нужные
для изучения этого огромного массива знаний, вы найдете в списке литературы,
приведенном в приложении 1.

Электроника не только современная и динамично развивающаяся область техники,
но еще обширная и разнообразная. В ней любому найдется занятие по душе. Желаю
успехов!

Отзывы, вопросы, предложения и замечания по книге вы можете направлять автору
на электронную почту [email protected].

208 Глава 8

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Описание электронного архива

Электронный архив с файлами созданных автором книги обучающих видеороликов
можно загрузить с FTP-сервера издательства «БХВ» по ссылке: ftp://ftp.bhv.ru/
9785977568135.zip или со страницы книги на сайте https://bhv.ru/.

Список видеороликов, включенных в архив, приведен в табл. П6.1.

Таблица П6.1. Список видеороликов, включенных в архив

Название видеоролика Глава, темы которой
видеоролик поясняет
1. Кремний — от атомов к кристаллам
2. Зачем нужны примеси в кремнии 2
3. Что такое p-n-переход и зачем он нужен 2
4. Изготовление МОП-транзистора 2
5. Принцип работы МОП-транзистора 2
6. Простейший триггер 2
7. RS-триггер 6
8. JK-триггер. Ошибочные и рабочие схемы 6
9. D-триггер на транзисторном уровне 6
6

Предметный указатель

P Диод 25
Дополнительный код 93
pn-переход 30 Дырочная проводимость 30
***
З
А
Задержка распространения 77
Амплитуда 196 Заказное проектирование 187
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) Закон Ома для участка цепи 22
Защелкивание данных 107
96
К
Б
Каскадирование 74
Батарея питания 20, 21 КМОП 51
Бит четности 77 Комбинационные устройства 84
Битовая шина 173 Конвейер микропроцессорный 144
Булева алгебра 52 Конденсатор 128
Контрольный разряд 77
В Коэффициент усиления 202

Вентиль 50 Л
Временная диаграмма 124
Вычисления с плавающей точкой 96 Логическая единица 17
Логический ноль 17
Г Логический элемент
◊ алгоритм разработки 59
Генератор синхроимпульсов 127 ◊ И 53
Гонка сигналов 132 ◊ ИЛИ 54
◊ ИЛИ-НЕ 55
Д ◊ инвертор 50
◊ И-НЕ 56
Датчики 190 ◊ исключающее ИЛИ 56
Двоичный вычитатель 93 ◊ исключающее ИЛИ-НЕ 57
Двунаправленный ключ 113
Демультиплексор 110, 113
Дешифратор 96, 100

222 Предметный указатель

М Сигнал
◊ аналоговый 15
Макетная плата 20 ◊ цифровой 15
Матрица памяти 172 ◊ электрический 14
Микросхема интегральная 70 Сигнал разрешения 82
◊ DIP-корпус 71 Синхронизация 126
◊ серия CD4000BE 71 Система счисления
Младший значащий разряд (МЗР) 13 ◊ двоичная 11
Монтажная электрическая схема 41 ◊ десятичная 11
Мощность тока 23 ◊ перевод из двоичной в десятичную 12
Мультиплексор 110 ◊ перевод из десятичной в двоичную 11
Словарная шина 173
Н Соленоид 80
Срез сигнала 135
Номинал резистора 23 Старший значащий разряд (СЗР) 13
Статическое электричество 43
О Схема
◊ контроля четности 77
Область неопределенности 18 ◊ с общим анодом 107
Обратная связь 123 ◊ с общим катодом 107
Ограничивающий резистор 25 ◊ электрическая
Операнд 96
Оперативное запоминающее устройство монтажная 42
принципиальная 40
(ОЗУ) 172 функциональная 174
Счетчик 155
П ◊ асинхронный 166
◊ вычитающий 157
Паразитный диод 38 ◊ по модулю 10 159
Параллельный сумматор 91 ◊ по модулю 16 157
Период 128 ◊ реверсивный 158
Подстроечные резисторы 194 ◊ синхронный 166
Полный сумматор 89, 91
Полусумматор 89 Т
Помехоустойчивость 17
Пороговое напряжение 34 Таблица истинности 51
Последовательностные устройства 123 Тактовый сигнал 126
Пробник логических уровней 42 Терморезисторы 194
Проводимость цепи 25 Транзистор 27
◊ биполярный 36
Р ◊ МОП (МДП) 32
◊ полевой с pn-переходом 36
Регистр Третье состояние 115
◊ параллельный 143 Триггер 121
◊ сдвиговый 148 ◊ D-типа 133
Регистровый файл 174 ◊ JK-типа 130
◊ RS-типа 122
С ◊ T-типа 138
◊ асинхронный 126
Светодиод 25 ◊ ведущий-ведомый 135
Семисегментный индикатор 103 ◊ запрещенное состояние 123

Предметный указатель 223

◊ переключательный режим 130 Ч
◊ синхронный 126
Частота 138
У
Ш
Умножитель 95
Унитарный код 97 Шина
◊ данных 91
Ф ◊ питания 22
Шифратор 96
Фоторезистор 190 Шифраторы с приоритетом 100
Фронт сигнала 135
Э
Ц
Эквивалентное сопротивление 24
Цифровой мультиметр 190 Электретный микрофон 198
Цоколевка микросхемы 72 Электролитические конденсаторы 128
Электронная проводимость 30