Бунт многоножек. Собираем устройство с интегральными микросхемами

В прош­лой статье мы собира­ли логичес­кие вен­тили на тран­зисто­рах. Чем слож­нее вен­тиль, тем боль­ше тран­зисто­ров нуж­но, а в сов­ремен­ных устрой­ствах таких вен­тилей может нас­читывать­ся огромное количес­тво. Ком­пак­тным такое устрой­ство не назовешь, и тут нам на помощь при­ходят мик­росхе­мы.

Анатомия многоножек

Внут­ри мик­росхе­мы, которую так­же иног­да называ­ют чипом, находит­ся элек­три­чес­кая цепь из очень малень­ких ком­понен­тов. Мик­росхе­мы быва­ют совер­шенно раз­ные, и их видов нас­читыва­ется великое мно­жес­тво, в плас­тиковом кор­пусе помеща­ются самые раз­ные логичес­кие эле­мен­ты. Каж­дый из чипов реша­ет свою задачу.

Мик­росхе­мы, которые мы будем исполь­зовать в этой статье, обла­чены в так называ­емый DIP-кор­пус (dual in-line package). Такие двух­рядные мик­росхе­мы лег­ко встав­ляют­ся в ячей­ки уже зна­комо­го нам из прош­лой статьи бред­борда. «Ноги», то бишь кон­такты мик­росхе­мы, час­то называ­ют пинами. Как ты пом­нишь из прош­лой статьи, циф­ровая логика работа­ет на осно­ве дво­ичной сис­темы счис­ления, опе­риру­ющей нулями и еди­ница­ми. У каж­дого пина есть свое наз­начение, и свою фун­кцию он выпол­няет при подаче на него нуж­ного сиг­нала, то есть логичес­кого нуля или еди­ницы.

На схе­мах каж­дая из ног мик­росхе­мы пос­ледова­тель­но нумеру­ется про­тив часовой стрел­ки. Пер­вая нога чипа обоз­нача­ется круг­лой засеч­кой на его кор­пусе. Нумера­ция выводов мик­росхе­мы в DIP-кор­пусе про­исхо­дит от этой ноги про­тив часовой стрел­ки. Обра­ти вни­мание, что одна и та же мик­росхе­ма может обоз­начать­ся на схе­мах по‑раз­ному, поэто­му для под­клю­чения надо смот­реть на номера пинов и их наз­вания.

На схе­ме ты всег­да встре­тишь пины VCC и GND, ведь каж­дой мик­росхе­ме для работы необ­ходимо питание. Преж­де чем под­клю­чать источник питания к этим пинам, пос­мотри в даташи­те (докумен­те с харак­терис­тиками), под­держи­вает ли дан­ный чип это нап­ряжение. Осталь­ные пины, как пра­вило, обоз­нача­ются аббре­виату­рой от их наз­начения (нап­ример, DS = Data Serial). Чер­та над ней озна­чает инверсию: пин будет акти­виро­ван, если подать на него логичес­кий ноль.

Некоторые виды микросхем

В элек­тро­нике раз­лича­ют десят­ки тысяч мик­росхем, и все они необ­ходимы для выпол­нения тех или иных задач. Мик­росхе­мы раз­рабаты­вают­ся сери­ями, которые обоз­нача­ют в пер­вую оче­редь тип логики. Так­же мик­росхе­мы одной серии схо­жи по харак­терис­тикам, нап­ример пот­ребля­емо­му нап­ряжению. Поэто­му чипы луч­ше вза­имо­дей­ству­ют с соб­рать­ями из одной серии. Рас­смот­рим под­робнее нес­коль­ко раз­новид­ностей мик­росхем.

Триггер Шмитта

Как ты пом­нишь из прош­лой статьи, раз­лича­ют циф­ровой и ана­лого­вый сиг­налы. Что­бы «округлить» нес­табиль­ный ана­лого­вый сиг­нал до ста­биль­ного циф­рового, исполь­зует­ся этот чип. В одной такой мик­росхе­ме неред­ко дела­ют сра­зу нес­коль­ко незави­симых триг­геров (схем с нес­коль­кими устой­чивыми сос­тояниями). Иног­да выходы триг­гера инверти­руют.

По­пуляр­ный чип с шестью инверти­рующи­ми триг­герами Шмит­та — 74HC14. У этой мик­росхе­мы так­же есть пин питания VCC и общей зем­ли GND. Еще есть два вида пинов xA и xY (на мес­тах x может быть любое чис­ло — номер пина). При этом xA обоз­нача­ет ана­лого­вый вход, а xY — циф­ровой выход. На кар­тинке ниже показа­на схе­ма это­го чипа и обоз­начение вен­тиля триг­гера — обыч­ного и инверти­рован­ного.

У этой мик­росхе­мы есть задан­ные вер­хний и ниж­ний пороги нап­ряжения. Пин xY перек­люча­ется (то есть изме­няет свой сиг­нал с нуля на еди­ницу и наобо­рот), ког­да зна­чение ана­лого­вого сиг­нала со вхо­да xA пересе­кает даль­ний порог от текуще­го сос­тояния выхода xY.

Триггер Шмитта — лекарство от дребезга

В элек­тро­нике сущес­тву­ет такое понятие, как дре­безг. Дре­без­жащие ком­понен­ты (кноп­ки, нап­ример) ран­домно меня­ют сиг­нал мно­жес­тво раз при перек­лючении сос­тояния, ведь кон­такты тех же кно­пок отнюдь не иде­аль­ны и при нажатии они еще нес­коль­ко раз соп­рикос­нутся и разом­кнут­ся, что при­ведет к неод­нократ­ному изме­нению сиг­нала.

Ис­поль­зуя резис­тор и кон­денса­тор, о которых мы погово­рим чуть поз­же, мож­но получить сгла­жен­ный ана­лого­вый сиг­нал.

Пос­ледний эле­мент в этой цепоч­ке — триг­гер Шмит­та. Он дела­ет из сгла­жен­ного ана­лого­вого сиг­нала циф­ровой.

Сдвиговый регистр

Этот чип необ­ходим для уве­личе­ния количес­тва циф­ровых пинов. Одна из самых популяр­ных мик­росхем дан­ного типа — 74HC595. Для управле­ния ей тре­бует­ся все­го три пина, а на выходе она дает целых восемь.