Давайте попробуем построить генератор. Электрическая схема цепи, которую мы соберем, показана на рис. 8.20. Вот список необходимых элементов:
• макетная плата;
• интегральная схема 74НС04 по КМОП-технологии, содержащая 6 вентилей НЕ;
• красный светодиод;
• резистор на 220 Ом;
• резистор на 100 кОм;
• резистор на 1 МОм;
• конденсатор на 10 мкФ;
• конденсатор на 0,1 мкФ;
• источник питания на 5 В;
• перемычки или соединительные провода.
В схеме мы разделили чип и, вместо того, чтобы обозначать его простым прямоугольником, мы обозначили отдельные вентили НЕ. Для упрощения сборки в электрических схемах на логических вентилях мы также обозначили номера выводов.
Когда чип содержит большое число логических вентилей, каждый элемент получает имя, например U1a, Ulb, U1с и Uld и так далее. Только на одном из вентилей обозначаются соединения на землю и к источнику питания.
Перейдем к сборке.
1. Объединим шины электропитания по обоим краям макетной платы, чтобы иметь электропитание с обеих сторон.
2. Вставляем микросхему в центр макетной платы.
3. Подключаем вывод 14 от 74НС04 к красной шине источника питания на 5 В.
4. Вывод 7 от 74НС04 соединяется с синей шиной электропитания на 0 В.
5. Добавляем сопротивление на 1 МОм и на 100 кОм. Резисторы должны иметь общий вывод. Проконтролируем, что вывод резистора на 1 МОм соединен с выводом 1 микросхемы, а вывод резистора на 100 кОм – с выводом 4 микросхемы.
6. С помощью перемычки объединяем выводы 2 и 3 микросхемы.
7. Конденсатор на 10 мкФ должен быть соединен между выводом 3 и столбцом, на котором объединяются два резистора.
8. Добавляем резистор на 220 Ом и светодиод. Резистор подключен к выводу 4 микросхемы.
9. Добавляем конденсатор мостиком между двумя линиями питания. 10. Подаем на цепь питание 5В, и светодиод будет мигать!
Чтобы построить генератор с высокими и стабильными частотами, используется похожий вариант схемы, которая вместо резисторов и конденсаторов использует кристалл кварца.
Кристалл кварца колеблется очень точно, при этом частота колебаний не существенно зависит от температуры. Частота колебаний цепи зависит только от частоты кварца. С кварцем на 16 МГц схема будет колебаться точно на частоте 16 МГц. Кварц должен сопровождаться двумя небольшими керамическими конденсаторами со значениями в несколько десятков пикофарад (обычно 20 или 18 пФ). Значение этих конденсаторов зависит от используемого кварца и может быть рассчитано на основе паспортных данных.
Рис. 8.21. Генератор с вентилями НЕ, собранный на макетной плате
Рис. 8.22. Генератор прямоугольного сигнала с кристаллом кварца
Триггер
Соединив два логических вентиля И-НЕ или ИЛИ-НЕ, так что выходы подключены к входам, можно сохранить один бит. Таким образом, мы создали простую ячейку памяти, которая называется флип-флоп, или триггер. Триггер является самым простым примером схемы последовательного действия, даже если в этой «базовой» конфигурации не предусмотрено использование тактового сигнала. Входы триггера помечены буквами R (RESET) и S (SET) и имеют выход Q. Триггер также может быть представлен в виде простого прямоугольника, на котором указаны входы S и R и выход Q. Такой триггер также называется RS-триггером. Память в наших компьютерах построена не на триггерах, но с использованием технологий, позволяющих хранить огромное количество битов в маленьком пространстве.
Рис. 8.23. Триггер с двумя вентилями ИЛИ-НЕ (74НС02) и его символ
Проанализируем работу нашей маленькой ячейки памяти.
• Подадим ноль на оба входа S и R.
• Мы не знаем, каково состояние выхода Q, поэтому предположим, что он находится в высоком уровне.
• Выход Q соединен с входом нижнего вентиля, который будет иметь входы в высоком и низком уровне.
• На выходе нижнего вентиля находится высокий уровень, который будет распространяться до одного из двух входов верхнего вентиля
• На верхнем вентиле мы будем иметь оба входа в низком уровне, поэтому его выход будет в высоком уровне (и это подтверждает нашу первоначальную гипотезу).
Теперь предположим, что S и R находятся в низком уровне, а на выходе Q мы имеем 0.
• Подадим 0 к обоим входам S и R.
• Мы не знаем, каково состояние выхода Q, поэтому предположим, что он находится в низком уровне.
• Распространяем выходной сигнал Q к нижнему вентилю, оба входа которого в состоянии 0, а его выход, соответственно, будет в высоком уровне.
• Подаем сигнал 1 с выхода нижнего вентиля на вход верхнего вентиля.
• Входы верхнего вентиля имеют значения 0 и 1, поэтому выход Q будет равен 0 (и это подтверждает нашу гипотезу).
Установив R и S на ноль, триггер сохраняет значение, которое было установлено. Такое состояние называется режимом удерживания, или HOLD. Чтобы установить выход Q в высокий уровень, выход SET устанавливается в 1. Для сброса выхода надо подать 1 на RESET. Следует избегать ситуации, когда оба SET и RESET находятся в высоком уровне, потому что при этом выход продолжает изменяться и не имеет стабильного значения.
Таблица 8.9. Принцип работы триггера
Триггеры последовательного действия должны также получать тактовые сигналы. Мы можем изменить схему на рис. 8.23, добавив два других вентиля И, управляемые тактовым сигналом. Таким образом, команды SET и RESET смогут достигнуть триггера только тогда, когда тактовый сигнал будет в высоком уровне.
Существуют другие типа триггеров, такие как D-триггер, Т-триггер и JK-триггер. Триггер может быть использован для поддержания или запоминания состояния входа или выхода.
Рис. 8.24. RS-триггер с тактовым сигналом
