Первые шаги в мире микроконтроллеров: основы цифровых схем

24 минуты назад Прокомментировать Просмотры: 0

Тем, кто планирует освоить электронику и встраиваемые системы, предстоит познакомиться с микроконтроллерами и микрокомпьютерами. Но прежде полезно разобраться в устройстве цифровых микросхем. Соберите несколько простых схем, чтобы на практике понять, как работает цифровая электроника.

Это первая статья серии для тех, кто прежде собирал только аналоговые устройства или вовсе не занимался электроникой, но хочет научиться проектировать и создавать современные встраиваемые системы.

Все схемы в статье построены на микросхемах серии 155. Существуют и более современные серии — например, 555, 531 и 1554, — но выбор пал на 155 благодаря её доступности. Такие микросхемы недороги, встречаются на маркетплейсах, радиорынках и в старой аппаратуре. Кроме того, у них есть зарубежные аналоги.

Для знакомства с логическими элементами, триггерами, счётчиками и регистрами возможностей серии 155 вполне достаточно.

Путь от радио к цифровой электронике

С детства я увлекался радиотехникой: собирал приёмники и передатчики, источники питания, звуковые генераторы и другие аналоговые устройства. Позже меня заинтересовала цифровая электроника. Начав с триггера на двух транзисторах, я собрал цифровые часы, частотомер и генератор полного видеосигнала для чёрно-белого телевизора, чтобы использовать его как алфавитно-цифровой терминал.

Примерно тогда же мы с братом разработали цифровую схему для подключения телефонной трубки к COM-интерфейсу компьютера (рис. 1).

**Рис. 1. Цифровой телефон с подключением к COM-интерфейсу компьютера**

Звуковые платы тогда ещё не были доступны, поэтому наше устройство включало ЦАП, АЦП, регистры и другие цифровые схемы. С их помощью компьютер мог воспроизводить звук через телефонную трубку. В серию устройство не пошло, зато проект стал хорошей практикой в освоении цифровой техники.

С появлением микропроцессоров КР580ВМ80А — отечественных аналогов Intel 8080 — я в рамках дипломной работы в МИФИ собрал двухмашинный комплекс из микрокомпьютера на базе Intel 8080 и мини-ЭВМ ЕС-1010. В состав комплекса входили синтезатор частот Ч6-31 (рис. 2), измеритель фазы и другое оборудование. С его помощью определялось распределение СВЧ-поля в резонаторе ускорителя заряженных частиц.

Компьютер Videoton R-10 на базе этого микропроцессора перемещал возмущающее тело вдоль резонатора, устанавливал нужную частоту и измерял фазовый сдвиг СВЧ-сигнала между входом и выходом резонатора. Полученные данные передавались в ЕС-1010 для расчётов и построения графиков распределения поля.

На сборку комплекса и разработку программного обеспечения ушёл как минимум год. Сегодня аналогичные устройства можно создать значительно проще, используя микроконтроллеры, микрокомпьютеры и разнообразные недорогие модули с маркетплейсов.

Инь и ян цифровой электроники

При проектировании и сборке электронных устройств вам неизбежно придётся работать с сигналами. В электронике сигналом называют физическую величину, например напряжение или ток, которая изменяется во времени и несёт информацию.

Так, микрофон преобразует колебания воздуха в меняющееся напряжение. Эта зависимость напряжения от времени и есть сигнал. Если усилить его и подать на динамик или наушники, сигнал снова превратится в звук.

В примере с микрофоном речь идёт об аналоговом сигнале: напряжение или ток плавно изменяются в определённых пределах.

Компьютеры же работают с цифровыми сигналами, которые обычно принимают два уровня — низкий и высокий. Их обозначают соответственно как 0 и 1. Эти значения можно назвать своеобразными инь и ян цифровых схем.

При создании модулей для робота или умного дома также понадобятся устройства, преобразующие аналоговые сигналы в цифровые и наоборот.

Например, датчик температуры может выдавать аналоговый сигнал. Прежде чем микроконтроллер сможет его обработать, значение необходимо перевести в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Если по результатам обработки требуется установить регулятор температуры в определённое положение, цифровой сигнал микроконтроллера может потребоваться преобразовать в аналоговый для исполнительного механизма. Эту задачу решает цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

С помощью нулей и единиц можно представлять в цифровой форме самые разные значения, в том числе положительные и отрицательные числа.

Состояние сигнала в одном проводе можно описать одним битом информации. Восемь бит образуют байт (рис. 3).

Справа находится младший бит байта, слева — старший. В одном байте можно хранить целое число от 0 до 255 либо число со знаком от -128 до 127. Микросхемы памяти и другие устройства способны хранить тысячи, миллионы и даже миллиарды байт.

Цифровые схемы и компьютеры обрабатывают биты и байты, используя правила двоичной логики.

Существует также троичная логика, в которой применяются, например, значения -1, 0 и 1. Она используется в троичных компьютерах, но не в обычных компьютерах, с которыми вы, скорее всего, будете работать.

Собираем первое цифровое устройство

Чтобы познакомиться с цифровыми сигналами на практике, соберём из детского конструктора простую схему с лампочкой, выключателем и вольтметром (рис. 4).

**Рис. 4. Схема с лампочкой, выключателем и вольтметром**

Вольтметр измеряет напряжение на лампочке. Когда выключатель разомкнут, лампочка не светится, а напряжение равно нулю. Если замкнуть выключатель, она загорится и напряжение на ней составит примерно 3,8 В.

В этой схеме цифровым сигналом служит напряжение на лампочке: оно соответствует одному из двух значений — нулю или единице. Ноль означает отсутствие напряжения, единица — напряжение около 3,8 В.

В реальных устройствах цифровые сигналы обрабатывают логические микросхемы, микроконтроллеры и микрокомпьютеры. У разных серий микросхем и разных устройств уровни напряжения, соответствующие логическим нулю и единице, могут отличаться.

Первыми цифровыми микросхемами, с которыми мне довелось работать, были серии 155 и 133. Они относятся к транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ, TTL), построенной на биполярных транзисторах. Напряжение питания таких микросхем составляет 5 В. На входе логическому нулю соответствует напряжение ≤ 0,8 В, единице — ≥ 2,0 В. На выходе эти уровни составляют соответственно ≤ 0,4 В и ≥ 2,4 В. Сходные значения применяются в зарубежных сериях 74xx и 74LS.

Между уровнями нуля и единицы лежит неопределённая область, которой следует избегать. Если входное напряжение попадёт в неё, состояние логического элемента может соответствовать как нулю, так и единице.

Современные логические микросхемы и микроконтроллеры могут питаться от 3,3 В. Их входы не обязательно допускают прямое подключение к выходам ТТЛ-микросхем: совместимость уровней и допустимые напряжения нужно проверять по документации конкретного устройства.

Классические платы Arduino Uno и Arduino Nano питаются напряжением 5 В и совместимы с выходами ТТЛ-микросхем. Для входов ESP32, ESP8266, Raspberry Pi Pico, микрокомпьютеров Raspberry Pi и отечественного Repka Pi прямое подключение к выходам ТТЛ может быть недопустимо. В таких случаях применяют преобразователи уровней, например CD4050BCN.

В СССР выпускались микросхемы с обозначениями 155, К155, КР155 и КМ155. Они различались исполнением, допустимыми температурными диапазонами и назначением: одни предназначались для гражданской аппаратуры, другие — для специальной. Например, микросхемы КМ155 выпускались в металлокерамических корпусах, а другие варианты — в пластиковых. Для описанных экспериментов можно использовать перечисленные серии и их зарубежные аналоги.

Макетные платы для опытов

Изучать цифровые микросхемы и микроконтроллеры удобно на беспаечной макетной плате. На рис. 5 представлены одна большая плата на 830 отверстий и две небольшие на 400 отверстий каждая.

**Рис. 5. Макетные платы для сборки схем без пайки**

При необходимости несколько плат можно соединить с помощью фиксаторов на боковых и торцевых сторонах (рис. 6).

Так легко получить рабочее поле нужного размера. Лишние линейки шин питания, отмеченные красными и синими линиями, можно не устанавливать.

Как соединены контакты

На плате расположено множество контактных отверстий, объединённых в группы. Вставляя в них выводы микросхем и других компонентов, можно соединять детали напрямую, перемычками или проводами (рис. 7).

**Рис. 7. Макетные платы с установленными компонентами**

Обратите внимание на красные и синие линии вдоль краёв платы. Отверстия рядом с ними соединены между собой и образуют шины питания. Красную шину обычно используют для положительного напряжения, синюю — для общего провода, или земли.

На рис. 8 зелёными линиями я отметил группы контактов, соединённых по вертикали. Каждой линии соответствует группа отверстий слева от неё.

**Рис. 8. Контакты макетной платы, соединённые по вертикали**

Если вы сомневаетесь, какие контакты соединены на вашей плате, проверьте их мультиметром в режиме измерения сопротивления.

Подключаем питание

Далее мы будем работать с цифровыми микросхемами, рассчитанными на питание 5 В. Для макетных плат продаются удобные переходники, позволяющие подключать внешний сетевой блок питания или источник через USB.

На рис. 9 такой переходник установлен в правой части платы и подключён к сетевому блоку на 12 В.

**Рис. 9. Питание макетной платы от сетевого блока на 12 В**

На рис. 10 представлен удобный сетевой блок со встроенным аккумулятором и выбором выходного напряжения 5, 9 или 12 В. Для питания схем через переходник я установил 12 В.

**Рис. 10. Питание макетной платы от сетевого блока с аккумулятором**

Мне встречались в продаже переходники двух разновидностей (рис. 11).

**Рис. 11. Переходники для питания макетных плат**

Модель слева на рис. 11 оснащена разъёмом mini-USB и переключателями, с помощью которых на шины платы подаётся 3,3 или 5 В.

У модели справа установлен обычный USB-разъём и кнопочный выключатель. Напряжение на ней выбирается не переключателями, а перемычками.

На обоих переходниках предусмотрены контакты питания и земли для подключения коммутационных проводов.

Подключаем светодиод

Доработаем простейшее устройство из батарейки, выключателя и лампочки. Вместо детского конструктора возьмём макетную плату, лампочку заменим светодиодом, выключатель — кнопкой, а батарейку — блоком питания с переходником (рис. 12).

**Рис. 12. Подключение кнопки и светодиода**

Последовательно с кнопкой и светодиодом включён резистор на 240 Ом, ограничивающий ток.

Быстро подобрать сопротивление поможет онлайн-инструмент «Калькулятор резистора для светодиода». На той же странице описан порядок расчёта.

Для вычисления применяется следующая формула:

$R = \frac{V_{\text{пит}} - V_f}{I}$

В этой формуле:

V_пит — напряжение питания, В;
V_f — падение напряжения на светодиоде, В;
I — ток в цепи, А.

В наших схемах используется питание 5 или 3,3 В. Для обычных светодиодов ориентиром может служить ток до 20 мА, но допустимое значение следует уточнять по документации.

Падение напряжения зависит от типа светодиода и может составлять от 1,6 до 4,4 В. Для красного светодиода оно обычно находится в пределах 1,6–2,0 В, для зелёного — 2,2–3,5 В, для белого — 3,0–3,7 В. Таблица соответствующих значений приведена в упомянутой статье.

Подробнее о светодиодах можно прочитать в моей статье «Сияние светодиодов и лазеров».

При сборке обязательно учитывайте полярность светодиода (рис. 13).

Рис. 13. Устройство светодиода (источник) — **Рис. 13. Устройство светодиода (источник**)

После сборки и проверки включите питание. При нажатии кнопки светодиод должен загореться.

Добавляем инвертор 155ЛН1

Теперь рассмотрим обратную задачу: пусть нажатие кнопки не зажигает светодиод, а гасит его. Для этого воспользуемся простой логической микросхемой 155ЛН1, содержащей шесть инверторов (рис. 14). Её зарубежный аналог — SN7404.

Инверторы микросхемы 155ЛН1, выполняющие логическую операцию НЕ, представлены на рис. 15.

**Рис. 15. Распиновка микросхемы 155ЛН1**

Вывод 7 подключается к земле, а на вывод 14 подаётся питание +5 В.

Слева на рис. 15 приведены условные обозначения элементов на отечественных схемах: прямоугольники с одним входом и одним выходом. Небольшой кружок на выходе означает инверсию.

Если на вход подать логическую единицу, на выходе появится логический ноль, и наоборот. Это свойство позволяет управлять светодиодом так, чтобы при нажатой кнопке он гас, а при отпущенной — светился.

В центре рис. 15 показано обозначение логических элементов в виде треугольников, которое применяется на зарубежных схемах.

Справа приведена распиновка микросхемы с обозначением входов, выходов, земли и питания.

Соберём простую схему управления светодиодом (рис. 16).

**Рис. 16. Схема включения инвертора 155ЛН1**

Вход инвертора соединён с шиной +5 В через резистор R1 на 10 кОм и с землёй через кнопку (рис. 17).

**Рис. 17. Макет для тестирования инвертора 155ЛН1**

Такое подключение входа к источнику питания называют подтяжкой вверх, или pull-up. Резистор R1 здесь выполняет роль подтягивающего резистора.

Когда кнопка отпущена, вход подтянут к питанию и на нём присутствует единица, а на выходе — ноль. Светодиод при этом не горит. При нажатии кнопки на входе появляется ноль, на выходе — единица, и светодиод загорается.

Генератор импульсов на 155ЛН1

Из микросхемы 155ЛН1 можно собрать генератор прямоугольных импульсов, добавив всего один резистор и один конденсатор (рис. 18).

**Рис. 18. Схема генератора импульсов на 155ЛН1**

Резистор R1 на 300 Ом соединяет вход и выход инвертора D1.1. Напомню, что в одной микросхеме 155ЛН1 таких инверторов шесть. Благодаря отрицательной обратной связи элемент работает в линейной области, вблизи порога переключения, и выполняет функцию усилителя.

Выход D1.1 подключён ко входу D1.2, а выход получившегося двухкаскадного усилителя соединён с его входом через конденсатор C1. Возникает положительная обратная связь, и усилитель самовозбуждается.

Резистор R1 и конденсатор C1 образуют времязадающую цепь, определяющую частоту генерируемых импульсов:

Инвертор D1.3 отделяет генератор от нагрузки, чтобы её подключение не влияло на частоту. Кроме того, он улучшает фронты импульсов и нагрузочную способность схемы.

Формула выше даёт лишь приблизительное значение частоты. В этой работе приведены схемы подобных генераторов с кварцевыми резонаторами, которые обеспечивают более высокую точность.

Собранный макет генератора представлен на рис. 19.

**Рис. 19. Макет генератора импульсов на 155ЛН1**

Чтобы увидеть форму сигнала, я подключил осциллограф к выходу инвертора D1.3 (рис. 20).

**Рис. 20. Сигнал с генератора на экране осциллографа**

Амплитуда выходных импульсов составляет 2,4 В, а частота — 72,407 кГц (рис. 21).

**Рис. 21. Импульсы на выходе генератора**

Микросхема К155ЛА3

После знакомства с инвертором перейдём к одной из наиболее известных цифровых микросхем — К155ЛА3, реализующей функцию 2И-НЕ (рис. 22). Её зарубежный аналог — SN7400.

Четыре элемента 2И-НЕ в одном корпусе

К155ЛА3 включает четыре элемента с двумя входами и одним инверсным выходом каждый. На рис. 23 приведены их обозначения на отечественных и зарубежных схемах, а также распиновка микросхемы.

**Рис. 23. Распиновка микросхемы 155ЛА3**

На выходе элемента 2И-НЕ появляется ноль только тогда, когда на обоих входах установлена логическая единица. При любых других сочетаниях входных сигналов выход равен единице (рис. 24).

**Рис. 24. Таблица состояний элемента 2И-НЕ**

Иными словами, элемент выполняет операцию И, а затем инвертирует результат. Существуют и микросхемы с аналогичной логикой, но с большим числом входов:

К155ЛА1 — два элемента 4И-НЕ, аналог SN7420;
К155ЛА2 — один элемент 8И-НЕ, аналог SN7430;
К155ЛА4 — три элемента 3И-НЕ, аналог SN7410;
К155ЛА6 — два элемента 4И-НЕ с повышенной нагрузочной способностью, аналог SN7440;
К155ЛА7 — два элемента 4И-НЕ с открытым коллектором, аналог SN7422.

Проверочная схема

Для проверки элемента К155ЛА3 соберите схему, изображённую на рис. 25.

**Рис. 25. Схема для тестирования К155ЛА3**

Входы схемы подтянуты к питанию резисторами сопротивлением 1 кОм.

Каждый вход можно замкнуть на землю отдельной кнопкой. Пока кнопки отпущены, на входах поддерживается логическая единица. Нажимая их по отдельности или одновременно, можно устанавливать на соответствующих входах ноль.

К выходу через токоограничивающий резистор на 300 Ом подключён светодиод. Он загорается при появлении на выходе логической единицы.

Готовый макет показан на рис. 26.

**Рис. 26. Макет схемы на элементе 2И-НЕ**

Нажимая кнопки, проверьте, соответствует ли работа схемы приведённой выше таблице состояний.

Из элементов К155ЛА3 можно построить устройство, реализующее любую логическую функцию. Например, если объединить два входа элемента 2И-НЕ, получится инвертор НЕ.

Дополнительные сведения о К155ЛА3 приведены в статье «Логические микросхемы. Часть 3».

В материале «8-bit Computer Made Solely From NAND Gates» описан компьютер, построенный исключительно на микросхемах серии 7400. О похожем проекте можно прочитать в статье «Мой компьютер на логических микросхемах».

Другие логические функции

Подробно рассмотреть все логические функции в одной статье невозможно. Поэтому остановимся на И, исключающем ИЛИ и сумматоре, а также кратко поговорим об умножении и делении.

Функция 2И

Если за элементом 2И-НЕ установить ещё один элемент, работающий как инвертор, получится функция 2И (рис. 27).

Микросхема К155ЛИ1 включает четыре двухвходовых элемента И. Зарубежный аналог — SN7408.

В серии К155 есть и микросхемы с большим количеством входов на элемент:

К155ЛИ3 — три элемента 3И, аналог SN7411;
К155ЛИ4 — два элемента 4И, аналог SN7421;
К155ЛИ6 — два элемента 4И, аналог SN7421.

На выходе двухвходового элемента И единица появляется только тогда, когда единицы присутствуют на обоих входах.

Исключающее ИЛИ

В состав К155ЛП5 входят четыре элемента исключающего ИЛИ. Зарубежный аналог — SN7486. Распиновка совпадает с распиновкой рассмотренной ранее 155ЛА3.

На рис. 28 приведена схема для проверки К155ЛП5.

**Рис. 28. Схема для тестирования К155ЛП5**

Готовый макет представлен на рис. 29. В нём установлена микросхема КМ155ЛП5 в керамическом корпусе.

**Рис. 29. Макет для тестирования 155ЛП5**

На выходе исключающего ИЛИ появляется единица, когда состояния входов различаются, и ноль, когда они одинаковы (рис. 30).

Рис. 30. Таблица состояний Исключающее ИЛИ — **Рис. 30. Таблица состояний исключающего ИЛИ**

При нажатии любой одной кнопки светодиод на выходе элемента загорается. Если же нажать обе кнопки одновременно, он погаснет.

Сумматор

Микросхемы К155ИМ1, К155ИМ2 и К155ИМ3 позволяют аппаратно складывать числа. Например, К155ИМ3 — это четырёхразрядный двоичный сумматор с последовательным переносом (рис. 31).

Первое слагаемое подаётся на входы A1, A2, A3 и A4, второе — на B1, B2, B3 и B4. Результат появляется на выходах S1, S2, S3 и S4.

Для сложения многоразрядных чисел микросхемы К155ИМ3 можно соединить каскадом. На вход P0 подаётся бит переноса от предыдущего каскада, а с выхода P4 снимается перенос для следующего.

Примеры типовых схем включения, в том числе каскадного, приведены в этом даташите.

Умножение и деление

Аппаратное умножение целых чисел реализуют, например, микросхемы К555ИП8, 74284 и 74285. Они применяются для умножения двух четырёхбитных чисел с получением восьмибитного произведения.

Деление можно реализовать с помощью таблиц в ПЗУ, последовательных схем вычитания и сдвига, а также программируемых вентильных матриц — ППВМ, или FPGA.

Если задача не предъявляет специальных требований, эти и другие операции над двоичными числами сегодня часто удобнее выполнять на микроконтроллерах.

Триггеры

До сих пор речь шла о логических схемах, но компьютерам необходимы и устройства памяти. Простейшую такую схему — триггер — можно собрать, например, на двух элементах 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3 (рис. 32).

Готовый макет показан на рис. 33.

**Рис. 33. Макет для изучения RS-триггера на базе К155ЛА3**

Один вход каждого элемента D1.1 и D1.2 соединён с выходом другого, образуя перекрёстную обратную связь. Оставшимися входами управляют кнопки SW1 и SW2; к питанию они подтянуты резисторами на 10 кОм.

Кнопки переключают триггер между двумя состояниями. Для их индикации к выходам D1.1 и D1.2 через токоограничивающие резисторы на 240 Ом подключены светодиоды.

В результате получилось запоминающее устройство, способное хранить один разряд, то есть один бит информации.

Когда обе кнопки отпущены, триггер сохраняет последнее записанное значение. Однако сразу после включения питания его состояние не определено: он может установиться в любое из двух положений в зависимости от того, какой элемент первым повлияет на другой.

При нажатии SW2 на выходе D1.1, то есть на выводе 3, устанавливается единица и светодиод VD1 загорается. На выводах 4 и 5 элемента D1.2 также будут единицы, поэтому на его выходе, выводе 6, появится ноль и VD2 погаснет.

Ноль с вывода 6 поступает на вход 2 элемента D1.1 и удерживает единицу на его выходе. После отпускания SW2 состояние не меняется: на выводе 2 по-прежнему остаётся ноль, а триггер сохраняет записанное значение.

Кнопка SW1 действует аналогичным образом, но переключает схему в противоположное состояние.

Счетверённый триггер К155ТМ7

Микросхема К155ТМ7 содержит четыре D-триггера, объединённых в две пары (рис. 34).

На рис. 35 приведено условное обозначение микросхемы на принципиальных схемах.

**Рис. 35. Обозначение микросхемы К155ТМ7**

Информационные входы первой пары обозначены D1 и D2, второй — D3 и D4.

Каждый триггер имеет прямой и инверсный выходы.

Входы разрешения записи C1 и C2 объединены для первой пары триггеров; аналогично объединены C3 и C4 для второй пары.

Пока на входе разрешения C присутствует логическая единица, триггер «прозрачен»: состояние прямого выхода Q повторяет сигнал на входе D.

При переходе входа C в состояние логического нуля текущее значение запоминается и сохраняется независимо от последующих изменений на D.

В этом типе триггеров записью управляет уровень сигнала. Такие устройства называют защёлками. Существуют и триггеры, реагирующие на фронт сигнала, например К155ТМ2.

Две счетверённые микросхемы способны хранить восемь бит, или один байт данных. Есть и отдельные микросхемы для хранения байта, например К589ИР12, К555ИР22 и другие.

Счётчик импульсов на КМ155ИЕ5

С помощью микросхемы КМ155ИЕ5 (рис. 36) можно собрать четырёхразрядный двоичный счётчик импульсов.

**Рис. 36. Обозначение КМ155ИЕ5 на схемах**

Микросхема содержит четыре триггера. Первый, с выходом Q1, работает отдельно; три остальных соединены последовательно и образуют счётчик-делитель на восемь (рис. 37).

Первый триггер со входом C1 можно применять как делитель на два, а три остальных — как делитель на восемь, подавая сигнал на C2.

Если соединить выход Q1 со входом C2 и подавать импульсы на C1, получится делитель на 16.

Счёт выполняется по спаду входных импульсов. При подаче единицы одновременно на входы R0(1) и R0(2) происходит сброс: счёт останавливается, а выходы Q1–Q4 переходят в ноль. Для работы счётчика хотя бы на одном из входов сброса должен быть низкий уровень.

Зарубежный аналог микросхемы — SN7493.

На рис. 38 приведена схема, демонстрирующая работу КМ155ИЕ5 в режиме делителя на 16.

Импульсы поступают от кнопки SW1 на вход C1, подтянутый к питанию резистором на 10 кОм. Параллельно кнопке подключён конденсатор ёмкостью 10 мкФ для подавления дребезга контактов.

Вход C2 соединён с выходом Q1, благодаря чему все четыре триггера работают как единый счётчик.

К выходам через токоограничивающие резисторы на 240 Ом подключены четыре светодиода.

Нажимайте кнопку и наблюдайте смену состояний счётчика от 0000 до 1111 (рис. 39).

Рис. 39. Счётчик на микросхеме KM155ИЕ5 — **Рис. 39. Счётчик на микросхеме КМ155ИЕ5**

Ниже перечислены все состояния счётчика и соответствующие значения в десятичной, шестнадцатеричной и двоичной системах:

DEC (HEX) : BIN 0 (0x00): 0000 1 (0x01): 0001 2 (0x02): 0010 3 (0x03): 0011 4 (0x04): 0100 5 (0x05): 0101 6 (0x06): 0110 7 (0x07): 0111 8 (0x08): 1000 9 (0x09): 1001 10 (0x0A): 1010 11 (0x0B): 1011 12 (0x0C): 1100 13 (0x0D): 1101 14 (0x0E): 1110 15 (0x0F): 1111

Подробнее о счётчиках можно узнать из статей «2.8. Счетчики» и «1.3.2 Счетчики».

Дешифраторы

В опыте со счётчиком КМ155ИЕ5 его состояние отображалось четырьмя светодиодами. Однако человеку удобнее читать готовые цифры на индикаторе. Раньше для этого широко применялись газоразрядные индикаторы, а сегодня чаще используются светодиодные.

Чтобы зажечь цифру на газоразрядном индикаторе, на соответствующий электрод подают достаточно высокое напряжение. В светодиодных индикаторах цифры, десятичная точка и другие символы формируются отдельными сегментами. Для отображения нужного символа соответствующие сегменты подключают к питанию через токоограничивающие резисторы.

Для газоразрядных индикаторов предназначен дешифратор К155ИД1, а для семисегментных светодиодных подойдёт К514ИД1. Существуют и другие микросхемы для подобных задач.

У К155ИД1 и К514ИД1 четыре входа, на которые подаётся число в двоичном или двоично-десятичном коде. В зависимости от кода дешифратор управляет одним выходом для газоразрядного индикатора либо несколькими выходами для светодиодного семисегментного индикатора.

Пример управления газоразрядными индикаторами через К155ИД1 приведён в статье «Универсальный Nixie-модуль на ИН-12». О применении К514ИД1 и аналогичных микросхем рассказывается в материале «Схемы управления цифровыми полупроводниковыми индикаторами в статическом режиме».

Счётчик с семисегментным индикатором

Для практической проверки дешифратора я собрал схему на двоично-десятичном счётчике CD4026BE со встроенным дешифратором и семисегментном светодиодном индикаторе SC56-11EWA (рис. 40).

Вход CLK здесь подтянут к земле, а не к питанию: для этого используется резистор R1 на 10 кОм. Конденсатор C1 на 1 мкФ подавляет дребезг контактов кнопки SW1. Счёт ведётся по нарастающему фронту.

Высокий уровень на входе CI останавливает счёт. В этой схеме вход соединён с землёй, поэтому счётчик может работать.

CD4026BE выполнена по технологии CMOS. В данной схеме высокий уровень можно задать прямым подключением к питанию +5 В.

Вход RES служит для сброса счётчика в ноль при подаче высокого уровня.

Чтобы разрешить отображение цифр, на вход DEI необходимо подать высокий уровень.

Выводы 10, 12, 13, 9, 11, 6 и 7 подключаются к сегментам индикатора a, b, c, d, e, f и g соответственно через резисторы на 300 Ом.

Питание CD4026BE подаётся на вывод 16, а вывод 8 подключается к земле.

Распиновка индикатора SC56-11EWA приведена на рис. 41.

**Рис. 41. Распиновка индикатора SC56-11EWA**

Если расположить индикатор десятичной точкой справа внизу, вывод 1 окажется слева. Остальные выводы нумеруются против часовой стрелки.

Готовый макет счётчика представлен на рис. 42.

**Рис. 42. Макет счётчика с семисегментным индикатором**

В макет можно добавить отдельную кнопку сброса. Подключите её по аналогии с SW1 к входу RES счётчика — выводу 15.

На похожих компонентах построены часы, описанные в статьях «Breadboard Integrated Circuit Digital Clock» и «Digital Clock».

Сдвиговый регистр 155ИР1

На триггерах можно построить сдвиговый регистр. Соберём схему для изучения четырёхразрядного универсального регистра К155ИР1 (рис. 43). Его зарубежный аналог — SN7495.

**Рис. 43. Схема для тестирования регистра сдвига 155ИР1**

Импульсы от кнопки SW1 подаются на тактовый вход C1, подтянутый к питанию резистором R1 на 10 кОм. Вход C2 в этом опыте не используется и соединён с землёй.

На входе V1 будем устанавливать ноль или единицу с помощью кнопки SW2. Неиспользуемый вход V2 также подключён к земле.

Входы D1–D4 предназначены для параллельной загрузки данных. Если подать на V2 единицу, данные с D1–D4 запишутся в регистр по спаду тактового импульса на C2. В нашей схеме этот режим не применяется, поэтому соответствующие входы заземлены.

К выходам Q1–Q4 через токоограничивающие резисторы на 300 Ом подключены светодиоды VD1–VD4.

Собранный макет показан на рис. 44. Счётчик КМ155ИЕ5 остался на плате, но не подключён.

**Рис. 44. Макет для тестирования сдвигового регистра на 155ИР1**

После включения питания светодиоды могут оказаться включёнными. Подавая на V1 ноль и формируя тактовые импульсы, можно наблюдать, как записанное значение последовательно перемещается по разрядам регистра.

С помощью SW2 выбирайте записываемое значение — 0 или 1, а кнопкой SW1 подавайте импульсы для его записи и сдвига.

Сдвиговые регистры используются для преобразования последовательного кода в параллельный и обратно, в буферных регистрах, линиях задержки, кольцевых счётчиках и устройствах управления индикацией.

В статье «Бегущие огни» описано, как с помощью 155ИР1 и тиристоров создать эффект последовательного переключения ламп, например в ёлочной гирлянде.

Подробнее о 155ИР1 читайте в материале «Регистр К155ИР1». Также может пригодиться описание микросхемы.

Итоги

Надеюсь, статья помогла вам сделать первые шаги в цифровой электронике. Мы познакомились с простыми микросхемами, логическими функциями, триггерами, счётчиками и регистрами. Конечно, охватить всё в одном материале невозможно, но полученная основа пригодится при создании устройств на микроконтроллерах и микрокомпьютерах.

В следующей статье я планирую рассказать о первых шагах в проектировании и сборке макетов встраиваемых устройств для умного дома, контроля и автоматизации различных процессов.

Оставайтесь на связи!

Автор @AlexandreFrolov

НЛО прилетело и оставило промокод для читателей нашего блога:
Скидка 15% на заказ нового VDS — HABRFIRSTVDS.

Положение об акции

Источник