Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Podczas poprzedniej części tego cyklu omówiliśmy matematyczny opis algebry Boole'a. Następnie w praktyce sprawdziliśmy jak działają podstawowe funktory logiczne. Oczywiście do tej pory było to uproszczone - korzystaliśmy tylko z rezystorów, diod i przycisków. Wewnątrz układów CMOS funktory takie realizowane są inaczej.
Wszystkie funkcje logiczne realizowane są przy pomocy tranzystorów. Na szczęście nie musimy się tym martwić. Odpowiednim połączeniem niezbędnych elementów wewnątrz układów cyfrowych zajął się producent. Dzięki temu mamy do dyspozycji gotowe funktory logiczne, zwane bramkami.
Dwa różne podejścia do realizacji funkcji logicznej AND widoczne są na poniższych zdjęciach. Uproszczone (z poprzedniego artykułu) oraz na prawdziwej bramce AND. W tym artykule omówimy dokładnie właśnie to drugie podejście - z użyciem niezwykle popularnych układów CMOS.
- AND – forma uproszczona.
- AND – z użyciem CMOS.
CMOS (ang. Complementary Metal-Oxide Semiconductor),
to nazwa technologii, w której wykonywane są omawiane układy.
Zagrożenia dla układów scalonych
Tranzystory unipolarne, z których składają się układy scalone z rodziny CMOS, są wrażliwe na ładunki elektrostatyczne. Układy scalone posiadają odpowiednie zabezpieczenia na wejściach, lecz mogą one okazać się niewystarczające. Dlatego warto przestrzegać reguł zmniejszających szansę ich uszkodzenia.
Bezpieczne przechowywania układów:
- specjalne woreczki antystatyczne,
- gąbka przewodząca, w którą wbijamy wszystkie nóżki układu,
- zwarcie wszystkich wyprowadzeń np. przez srebrną folię przewodzącą.
Właśnie ze względu na możliwość uszkodzenia układu przed ładunek elektrostatyczny osoby, które zajmują się elektroniką zawodowo często mają na nadgarstku opaskę uziemiającą. Na początku eksperymentów z układami cyfrowymi nie trzeba jednak od razu wyposażać się w takie akcesoria.
Bezpieczne korzystanie z układów:
- upewniamy się, że nie jesteśmy naelektryzowani (najlepiej rozładować zgromadzony ładunek dotykając czegoś uziemionego - w domowych warunkach może to być odsłonięty kawałek rury od kaloryfera lub kranu),
- bez potrzeby nie dotykamy delikatnych nóżek układu,
- przestrzegamy zaleceń producenta, co do poziomów napięć,
- żadne z wejść nie może pozostać niepodłączone (wyjaśnienie poniżej).
Wejścia układów cyfrowych muszą być spolaryzowane odpowiednimi napięciami, w przeciwnym razie mogą zostać uszkodzone. Podkreślam: wszystkie wejścia.
Jeżeli nie spełni się tego warunku, układ może zostać zniszczony przez przegrzanie. Stanie się tak, jeżeli napięcie na danym wejściu ustali się pomiędzy obszarami interpretowanymi jako 0 i 1. Układ może wtedy zacząć pobierać duży prąd, co doprowadzi do jego przegrzania/spalenia.
Wyjścia, jeżeli są nieużywane, można pozostawić niepodłączone.
Zasilanie układów z rodziny CMOS
Omawiane układy cyfrowe charakteryzują się dużą tolerancją na wartość napięcia, którym będą zasilane. Oczywiście warto zawsze sprawdzić informacje na ten temat w nocie katalogowej danego układu, jednak w większości przypadków rekomendowany zakres będzie wynosił ~3-18V.
Zrzut z przykładowej noty katalogowej jednego z używanych w kursie układów:
Należy również zwracać uwagę na podłączenie zasilania do odpowiednich nóżek. Poza tym, że źle zasilany układ oczywiście nie będzie działał, to również może bezpowrotnie ulec uszkodzeniu.
Masę doprowadza się do pinu oznaczonego jako VSS, VEE lub GND.
Natomiast dodatnią szynę zasilania do VDD, VCC lub +V.
W naszym przypadku wszystkie układy będziemy zasilać z 4 baterii AA, co daje nam około 6V. Nie ma więc żadnych wątpliwości, że napięcie takie jest bezpieczne dla tych układów. Nie ma potrzeby stosowania żadnego stabilizatora napięcia. Pora przejść do praktyki!
Gotowe zestawy do kursów Forbota
Komplet elementów Gwarancja pomocy Wysyłka w 24h
Części pozwalające wykonać ćwiczenia z kursu techniki cyfrowej dostępne są w formie gotowych zestawów! W komplecie m.in. niezbędne układy scalone CMOS, przewody połączeniowe, diody, buzzer, kontaktron, wyświetlacz 7-segmentowy oraz znacznie więcej!
Zamów w Botland.com.pl »Bramka NOT - CD4069
Symbol bramki logicznej realizującej funkcję NOT wygląda następująco:
Tak naprawdę symbol bramki logicznej pozbawiony jest dopisków A oraz y, które oznaczają tutaj wejście oraz wyjście. W związku z tym, że dla wielu osób jest to pierwsze spotkanie z bramkami logicznymi postanowiliśmy na grafikach dodać takie informacje, aby nikt nie miał wątpliwości.
Zwróć uwagę na małe kółko - oznacza ono, że wyjście jest zanegowane. Takie same kółeczko pojawi się później również przy bramkach NAND i NOR.
W poprzedniej części kursu szczególną uwagę zwracaliśmy na tabelki, w których zapisywane były informacje na temat stanów wyjść w zależności od sygnałów podawanych na wejście. Zapis taki nazywany jest tabelą prawdy. Za jego pomocą możemy bardzo łatwo opisać działanie bramek, a nawet całych urządzeń! Dla przypomnienia tabela prawdy dla bramki NOT wyglądała następująco:
Tabela prawdy składa się tylko z dwóch wierszy, ponieważ bramka NOT posiada jedno wejście. Można na nim ustawić jeden z dwóch stanów, więc całkowita liczba kombinacji wynosi 2. Oznacza to, że bramka może przyjąć dwa stany zależne od wejścia:
Oczywiście informacje te pojawiły się już w poprzednim artykule, tutaj zostały połączone w całość z symbolami bramek, aby w przyszłości (w razie kłopotów) łatwiej było rozwiać wszelkie wątpliwości.
Bramki NOT, których będziemy używać, znajdują się w układzie scalonym o symbolu CD4069. W jego strukturze znajduje się 6 identycznych bramek, które zajmują 12 wyprowadzeń. Pozostałe dwa wyprowadzenia służą do podłączenia zasilania.
Pora, aby odtworzyć przykład z poprzedniego artykułu. Z tą różnicą, że teraz wykorzystamy prawdziwą bramkę logiczną. Potrzebne będą następujące elementy:
- płytka stykowa,
- przewody połączeniowe,
- koszyk baterii 4xAA z bateriami,
- przycisk,
- dioda świecąca (LED),
- rezystor 10kΩ,
- rezystor 3,3kΩ,
- kondensator 100nF,
- układ CD4069.
Tym razem schemat pozornie wygląda trudniej. Nie warto jednak się go bać. Wewnątrz CD4069, który wykorzystamy w tym ćwiczeniu znajduje się 6 bramek NOT - my użyjemy tylko jedną.
W przypadku bramek logicznych, na schemacie elektronicznym
rysujemy wszystkie bramki osobno - mimo, że znajdują się w jednym układzie.
Większość miejsca powyższego schematu zajmuje podłączenie wejść nieużywanych bramek do masy (cała prawa strona). Zostały one tutaj narysowane, aby o nich nie zapomnieć podczas tego pierwszego eksperymentu z układami cyfrowymi.
W późniejszej praktyce nieużywane bramki
będą często pomijane na schematach, aby nie zaciemniać rysunków.
Warto również zwrócić uwagę na sposób, w jaki zaznaczono zasilanie całego układu. Nie zostało one podłączone do żadnej bramki. Odpowiednie wyprowadzenia narysowano osobno. W przypadku wątpliwości najłatwiej "odszyfrować", co dzieje się z zasilaniem sprawdzając numery pinów.
Czasami na schematach może zdarzyć się, że informacja na temat zasilania zostanie całkowicie pominięta. Nie zwalnia nas to jednak z doprowadzenia odpowiednich sygnałów - inaczej układ nie zadziała.
W praktyce, po złożeniu układu zgodnie ze schematem całość może wyglądać następująco:
- Bramka NOT w praktyce – dioda świeci.
- Bramka NOT w praktyce – dioda wyłączona.
Na początku może wyglądać to strasznie, dlatego pierwszy układ omówiony zostanie dokładniej. Najpierw wkładamy w płytkę stykową głównego bohatera, czyli nasz układ scalony. Następnie:
Krok 1: Podłączamy przycisk. Ma on łączyć wejście bramki NOT z zasilaniem (dodatnia szyna)...
Krok 2: ...nie zapominamy w tym miejscu o rezystorze R1, który podciąga wejście do masy.
Rezystor 10kΩ ustawia na wejściu stan logicznego 0 (gdy przycisk jest puszczony).
Wciśnięcie przycisku sprawia, że na wejście podana zostanie logiczna 1.
Krok 3: Do wyjścia bramki (pin 2) podłączamy rezystor R2, przez który popłynie prąd do diody.
- Krok 1.
- Krok 2.
- Krok 3.
Krok 4: Podłączamy masę do pinu nr 7 (zasilanie układu) oraz wszystkich nieużywanych wejść.
Dodatkowo po prawej stronie za pomocą 3 przewodów przeniesiono masę z dolnej szyny zasilania na górną. Był to zabieg czysto estetyczny - równie dobrze można zrobić to jednym, dłuższym przewodem.
Krok 5: Do pinu nr 14 doprowadzamy dodatnią szynę zasilania (plus z koszyka baterii). Dodatkowo między zasilanie, a masę wpinamy kondensator 100 nF, który filtruje zasilanie. W tym przykładzie skorzystaliśmy z tego, że wyprowadzenie nr 13 było połączone wcześniej z masą.
- Krok 4.
- Krok 5.
Po podłączeniu układu można włączyć zasilanie i sprawdzić, czy układ zachowuje się dokładnie tak samo, jak uproszczona negacja, którą budowaliśmy w poprzednim artykule.
Pamiętaj o tym, że wszystkie bramki w układzie scalonym mają te same parametry. To oznacza, że możesz użyć innej bramki NOT z układu CD4069. Warto wykonać takie ćwiczenie. Spróbuj uruchomić układ korzystając z bramki na 3 i 4 wyprowadzeniu układu.
Pamiętaj o podłączeniu nieużywanych wejść bramek do masy!
Bramka OR - CD4071
Symbol bramki logicznej realizującej funkcję logiczną OR wygląda następująco:
Tutaj tabela prawdy posiada już cztery wiersze, z racji posiadania przez bramkę dwóch wejść. Na każdym z nich może wystąpić jeden z dwóch stanów, zatem 22 = 2 * 2 = 4.
Oznacza to, że bramka może znaleźć się w czterech różnych stanach:
Będziemy wykorzystywać bramki OR, które są do dyspozycji w układzie scalonym o symbolu CD4071. Zauważ, że każda z nich zajmuje trzy wyprowadzenia układu.
Do przetestowania działania tej bramki potrzebne będą dodatkowo (oprócz poprzednio użytych):
- przycisk,
- rezystor 10kΩ,
- układ CD4071.
Schemat ideowy, tym razem nie powinien wyglądać już strasznie:
Przykładowy sposób montażu elementów na płytce stykowej:
- Oba przyciski puszczone – dioda wyłączona.
- Pierwszy przycisk wciśnięty – dioda świeci.
- Drugi przycisk wciśnięty – dioda świeci.
- Oba przyciski wciśnięte – dioda świeci.
Czasami przydają się np. bramki OR o większej ilości wejść. Wtedy warto sięgnąć po odpowiednie, gotowe układy. Na przykład wewnątrz CD4075 znajdziemy bramki OR z trzema wejściami.
Bramka AND - CD4081
Symbol bramki logicznej realizującej funkcję AND wygląda następująco:
Oczywiście tutaj tabela prawdy zawiera również 4 wiersze:
Oznacza to, że bramka może znaleźć się w czterech różnych stanach:
W układzie scalonym CD4081 znajdują się cztery bramki AND. Są one rozmieszczone tak samo, jak bramki OR w CD4071 (tzn. identyczne są miejsca wejść i wyjść).
Przeróbka na płytce stykowej nie będzie trudna, wystarczy CD4071 wymienić na CD4081.
Pamiętaj o wyłączeniu zasilania podczas
wyjmowania i wkładania układów scalonych!
Dla formalności nie może oczywiście zabraknąć schematu:
Zmontowany układ prezentował się następująco:
- Oba przyciski puszczone – dioda wyłączona.
- Oba przyciski wciśnięte – dioda świeci.
- Pierwszy przycisk wciśnięty – dioda wyłączona.
- Drugi przycisk wciśnięty – dioda wyłączona.
Bramki NOR i NAND
Prefiks N oznacza negację wyjścia i jest zaznaczone małym kółkiem przy pierwotnym symbolu bramki. To oznacza, że stan logiczny wyjścia jest przeciwny w stosunku do tego, jaki wynika z działania bramek OR i AND.
- Symbol bramki AND.
- Symbol bramki NAND.
Możliwe stany bramki NAND:
Symbol bramki NOR (w porównaniu do OR):
- Symbol bramki OR.
- Symbol bramki NOR.
Możliwe stany bramki NOR:
Nie będziemy korzystali z gotowych bramek NAND oraz NOR. Gdy zajdzie potrzeba, można użyć dodatkowo bramki NOT i w ten sposób zanegować wyjście zwykłej bramki.
Łączenie bramek logicznych
Pojedyncze bramki są w stanie wykonywać bardzo proste operacje logiczne. Lecz rzeczywistość wymaga często układu, który potrafi znacznie więcej. Wtedy konieczne jest łączenie bramek. Łączyć można jedno wyjście z jednym (lub wieloma) wejściami.
Połączenie dwóch wyjść (lub więcej) jest nieprawidłowe
i może spowodować uszkodzenie bramek.
Łączenie wyjść kilku bramek jest możliwe, jeśli wykorzysta się
układy z wyjściami typu otwarty kolektor (open collector).
Więcej informacji dla zainteresowanych np. na Wikipedii.
Łączenie bramek w praktyce
Wyobraź sobie automatycznie otwierane drzwi. Aby je otworzyć, należy stanąć na platformie przed nimi i wcisnąć przycisk po lewej lub po prawej stronie. Taki sposób otwierania powstał po to, aby przypadkowo przechodzący przed nimi ludzie (czyli stąpający po platformie) nie otwierali ich. Jednocześnie nie może ich samowolnie otworzyć małe dziecko, ponieważ jest zbyt lekkie, aby wcisnąć platformę.
Przyjmijmy następujące oznaczenia:
- S1 - przycisk pod platformą,
- S2 - przycisk, po lewej stronie drzwi,
- S3 - przycisk, po prawej stronie drzwi.
- LED1 - symulacja otwieranych drzwi.
W takim razie, powyższe zadanie można zapisać w formie równania boolowskiego:
LED1 = S1 AND (S2 OR S3)
Drzwi otworzą się (LED1 - świeci) tylko, gdy wciśnięto S2 lub S3 oraz jednocześnie wciśnięto S1. Czyli opis ten idealnie zgadza się z treścią zadania. Jak widać potrzebne będą nam dwie połączone bramki: AND oraz OR. Powstały układ cyfrowy będzie miał trzy wejścia (w postaci przycisków) oraz jedno wyjście, w formie diody LED. W związku z tym możliwe są 23 = 2*2*2 = 8 stany układu.
Możemy stworzyć więc tabelę prawdy dla całego urządzenia. Dowiemy się z niej dla jakich stanów wejść spodziewamy się ustawienia 1 na wyjściu (włączenia diody):
Pora na realizację tego zadania, tym razem potrzebne będą:
- płytka stykowa,
- przewody połączeniowe,
- koszyk baterii 4xAA z bateriami,
- 3 przyciski,
- dioda świecąca (LED),
- 3 rezystory 10kΩ,
- rezystor 3,3kΩ,
- 2 kondensatory 100nF,
- układ CD4071,
- układ CD4081.
Przykładowa realizacja układu na płytce stykowej:
Sprawdźmy teraz jego działanie:
- Tylko lewy przycisk – dioda wyłączona.
- Tylko prawy przycisk – dioda wyłączona.
- Oba przyciski – dioda wyłączona.
- Tylko przycisk pod platformą – dioda wyłączona.
- Przycisk lewy oraz ten pod platformą – dioda świeci.
- Przycisk prawy oraz ten pod platformą – dioda świeci.
Jak widać wszystko działa zgodnie z naszym planem!
Podsumowanie
W tym artykule zajęliśmy się nareszcie prawdziwymi układami cyfrowymi. Dzięki czemu możliwe było przetestowanie prawdziwych bramek logicznych w praktyce. Kluczową umiejętnością po tym odcinku kursu techniki cyfrowej jest zapamiętanie symboli bramek logicznych. W następnej części zajmiemy się innym zastosowaniem bramek logicznych - tym razem w roli generatorów.
Nawigacja kursu
Autorzy: Michał Kurzela, Damian Szymański
Ilustracje: Piotr Adamczyk
To nie koniec, sprawdź również
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
and, CD4069, CD4071, CD4075, CD4081, CMOS, cyfrowa, kurs, kursTechnikaCyfrowa, not, or, technika
Trwa ładowanie komentarzy...