С.А.БИРЮКОВ
ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

© Издательство «Радио и связь», 1984
ПРЕДИСЛОВИЕ
Широкое внедрение цифровой техники в радиолюбительское творче­ство связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, со­бранные на дискретных транзисторах и диодах, имеют значительные габариты и массу, ненадежно работают из-за большого количества элементов и особенно паяных соединений. Интегральные микросхемы, содержащие десятки, сотни, а иногда и тысячи активных элементов, позволили по-новому подойти к про­ектированию и изготовлению цифровых устройств. Надежность отдельной ин­тегральной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к на­дежности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчете на отдельный элемент резко уменьшается по мере повышения степени интегра­ции. В результате стало возможным собирать сложнейшие устройства, изго­товить которые без использования интегральных микросхем было бы совер­шенно невозможно.

В настоящее время в радиолюбительской литературе отсутствует систе­матическое изложение вопросов практического использования интегральных микросхем. В книгах теоретического характера вопросы проектирования циф­ровых устройств рассматриваются обычно без учета особенностей интеграль­ных микросхем различных серий, а описание правил использования конкретных интегральных микросхем разбросано по специальным изданиям, руководящим техническим материалам и стандартам, недоступным широкому кругу радио­любителей. Автором сделана попытка изложить принципы построения циф­ровых устройств на конкретных примерах с привлечением необходимых теоре­тических положений.

В своей основе книга содержит опыт автора по изучению и применению интегральных микросхем транзисторно-транзисторной логики (в основном се­рии К155), частично нашедший отражение в статьях, опубликованных в жур­нале «Радио» в 1977 — 1982 гг. В книге рассмотрены как общие вопросы при­менения комбинационных (элементы И — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, НЕ, ИЛИ — НЕ, И, ИЛИ, дешифраторы, мультиплексеры, сумматоры по модулю 2, полные сумма­торы) и последовательноетных структур (триггеры, счетчики, сдвигающие ре­гистры) интегральных микросхем серий К155, так и описания практи­ческих конструкций с их использованием. Описания различных цифровых уст­ройств достаточно детализированы, содержат объяснение принципа действия, временные диаграммы, указания по настройке, чертежи печатных плат.

Отзывы о книге направляйте по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиблиотека.

Автор
ЦИФРОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ

МИКРОСХЕМЫ СЕРИИ К155
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Отечественная промышленность выпускает обширную номенклатуру ин­тегральных микросхем (ИС). Широкое применение для построения устройств автоматики и вычислительной техники находят цифровые ИС серии К155, которые изготовляются по стандартной технологии биполярных ИС транзистор-но-транввстарной логики (ТТЛ). Номенклатура ИС серии КШ5 составляет око­ло 100 наименований.

Все ИС серии КД55 имеют напряжение питания 5 В±5%. Интегральные микросхемы выпускаются в пластмассовых корпусах трех типов, отличающихся количеством выводов (14, 16, 24) и размерами, и имеют диапазон рабочих температур от — 10 до +70° С. Часть микросхем выпускается также в керами­ческих корпусах и имеет обозначение К.М155. Температурный диапазон микро­схем в керамических корпусах — от — 45 до +85° С.

Интегральные микросхемы серии К155 имеют выходной уровень логиче­ского 0 не более 0,4 В (типовое значение 0,1 — 0,2 В), выходной.уровень логи­ческой 1 не менее 2,4 В (типовое значение 3,2 — 3,5 В), типовую нагрузочную способность — 10.

В табл. 1 приведены значения потребляемой мощности, предельной часто­ты тактовых импульсов, а также число выводов корпуса и разводка выводов питания рассматриваемых ниже микросхем.

При проектировании цифровых приборов следует иметь в виду, что факти­ческое быстродействие триггеров и счетчиков превышает указанное в табл. 1 в 1,5 — 2 раза, а потребляемая мощность в среднем в 1,5 — 2 раза меньше пре­дельной, указанной в таблице.

При разработке принципиальных схем различных устройств всегда возни­кает вопрос: что делать с неиспользуемыми входами интегральных микросхем. Для ИС ТТЛ, к которым относятся ИС серии К155, возможно несколько вари­антов. Во-первых, неиспользуемые входы микросхем можно никуда не подклю­чать [Для ИС некоторых серий (К533, К555, К530, К531 и др.) оставлять вхо­ды неподключенными не допускается.], т. е. подпаивать к контактной площадке минимальных размеров, к кото­рой (это важно) не подключены проводники. При таком варианте несколько уменьшается быстродействие микросхем. Во-вторых, возможно подключение не­используемых входов к используемым входам того же элемента, но это не­сколько увеличивает нагрузку (в основном емкостную) на микросхему — ис­точник сигнала, что также снижает быстродействие. Неиспользуемые входы J триггеров можно подключать к инверсным выходам тех же триггеров, а К — к прямым. Это очень удобно, так как указанные выводы триггеров обычно расположены рядом. Можно подключать неиспользуемые 1входы к выходу не­используемого элемента И — НЕ, входы которого при этом надо соединить с общим проводом. Наконец, можно объединять неиспользуемые входы ИС и подключать их к источнику питания +5 В через резистор 1 кОм (до 20 вхо­дов к одному резистору). Последние два способа не снижают быстродейст­вия ИС.

Таблица 1

Обозначение, ИС	Потребляемая мощность, мВт	Предельная частота, МГц	Число выводов корпуса	Выводы питания
				+ 5 В	Общ.
К155ТВ1	105	10	14	14	7
К155ТМ2	157,5	10	14	14	7
К155ТМ5	265	—	14	4	11
К155ТМ7	265	—	16	5	12
К155ИЕ1	150	10	14	14	7
К155ИЕ2	265	10	14	5	10
К155ИЕ4	255	10	14	5	10
К155ИЕ5	265	10	14	5	10
К155ИЕ6	510	15	16	16	8
К155ИЕ7	510	15	16	16	8
К155ИЕ8	600	15	16	16	8
К155ИР1	410	10	14	14	7
К155ИД1	132	—	16	5	12
К155ИДЗ	250	—	24	24	12
К155ИД4	210	—	16	16	8
К155КП1	360	—	24	24	12
К155КП2	315	—	16	16	8
К165КП5	230	—	14	14	7
К155КП7	260	—	16	16	8
К155ЛП5	262,5	—	14	14	7
К155ИП2	294	—	14	14	7
К155ИМ1	175		14	14	7
К155ИМ2	290		14	4	11
К155ИМЗ	640	—	16	5	12

Недопустимо подключать ко входу ИС проводник, который во время ра­боты может оказаться неподключенным к выходу источника сигнала, напри­мер, при управлении от кнопки или переключателя. Такие проводники обяза­тельно следует подключать к источнику +6 В через резистор 1 — .1(0 кОм.

На печатных платах с использованием ИС серии К155 необходима уста­новка блокировочных конденсаторов между цепью +5 В и общим проводом. Их количество определяется одним-двумя конденсаторами емкостью 0,033 — 0,047 мкФ на каждые десять микросхем. Конденсаторы следует располагать на плате по возможности равномерно. Их следует также установить рядом со все­ми ИС с мощным выходом (например, К155ЛА6) или с потребляемой мощно­стью более 0,5 Вт.

Цифровые ИС по своим функциям делятся на два широких класса — ком­бинационные и последовательностные. К первому классу относятся ИС, не име­ющие внутренней памяти, состояние выходов этих ИС однозначно определяет­ся уровнями входных сигналов в данный момент времени.

Ко второму классу относятся ИС, состояние выходов которых определяет­ся не только уровнями входных сигналов в данный момент времени, но и со­стоянием ИС в предыдущий момент из-за наличия внутренней памяти.

К комбинационным ИС серии К155 относятся простые логические элементы И — НЕ, И — ИЛИ — НЕ, НЕ, ИЛИ — НЕ, И, ИЛИ, имеющие в своем обозначе­нии буквы ЛА (К155ЛАЗ), ЛР (К155ЛР1), ЛН (К155ЛН1), ЛЕ (К155ЛЕ1), ЛИ (К155ЛИ1), ЛЛ (К155ЛЛ1), более сложные элементы — дешифраторы (К155ИД1, К155ИДЗ, КИ55ИД4), мультиплексеры (К155КП1, К155КП2, К155КП5, К.155КП7), сумматоры по модулю 2 (К155ЛП5, К155ИП2), полные сумматоры (КЛ55ИМ1, К155ИМ2, К155ИМЗ), а также некоторые другие.

К последовательностным ИС относятся триггеры (К155ТВ1, К155ТМ2, К155ТМ5, К155ТМ7), счетчики (К155ИЕ1 — К155ИЕ8), сдвигающие регистры (К155ИР1) и др.

Работа логических элементов достаточно проста — для элементов И вы­ходной уровень логической 1 формируется при подаче на все входы элемента уровней логической 1, для элемента ИЛИ для формирования уров­ня логической 1 на выходе достаточно подачи хотя бы на один вход уровня логической 1. Элементы И — НЕ (основной элемент серии К155) и ИЛИ — НЕ дополнительно инвертируют выходной сигнал, элемент И — ИЛИ — НЕ состоит из нескольких элементов И, выходы которых подключены ко вхо­дам элемента ИЛИ — НЕ.

Изучение работы более сложных ИС серии К155 удобно начать с микро­схем последовательностного типа.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНОГО ТИПА
Основу последовательностных цифровых структур составляют тригге­ры различных типов, которые могут использоваться самостоятельно или в со­ставе счетчиков, регистров и т. д.

Триггеры ИС серии К155 различаются по своим возможностям. Так назы­ваемые JK-триггер К155ТВ1 и D-тригтер К155ТМ2 могут работать в счетном режиме, т. е. менять свое состояние на противоположное на каждый импульс, приходящий на счетный вход триггера. Триггеры микросхемы К155ТМ5 и К155ТМ7 могут работать только в режиме хранения информации, записывае­мой в них в момент подачи тактовых импульсов.

Рассмотрим более подробно работу триггеров. Триггер К155ТВ1 (рис. 1,а) имеет девять входов: вход R установки в 0, вход S установки в 1, вход С — тактовых импульсов, входы J я К — управляющие входы (по три входа, объ­единенных по схеме И), а также прямой и инверсный (обозначен кружком) выходы.

При подаче логического 0 на вход R триггер устанавливается в нулевое состояние, при котором на прямом выходе уровень логического 0, на инверс­ном — логической 1. При подаче логического 0 на вход S триггер устанавли­вается в единичное состояние.

Более сложно происходит работа триггера при подаче сигналов на входы С, J и К. Наиболее простой режим осуществляется при уровне логической 1 на входах J и K, в этом случае JK-тригтер работает как обычный триггер со счетным входом: по спаду каждого положительного импульса на тактовом

входе С состояние триггера меняется на противоположное. Если хотя бы на одном входе J и на одном входе К одновременно уровень логического 0, со­стояние триггера при подаче импульсов по тактовому входу С не меняется.

Если на всех входах J уровень логической .1, хотя бы на одном входе К — логический 0, по спаду положительного импульса на входе С триггер устанав­ливается в единичное состояние независимо от своего предыдущего. Если хотя бы на одном входе J логический 0, на всех входах К — 1, по спаду импульса на входе С триггер устанавливается в нулевое состояние.



Рис. 1. Цоколевка И С K1S5TB1 (а) и К155ТМ2 (б)

Рис. 2. Цоколевка ИС К155ТМ5 (а) и К155ТМ7 (б)
Изменение сигналов на J- и K-входах при уровне логического 0 на входе С не влияет на состояние JK-триггера. Если же на входе С уровень логичес­кой 1, спад импульса на одном или нескольких входах J при логической 1 на других входах J приводит к установке триггера в единичное состояние, спад на входе (входах) К — в нулевое.

Следует иметь в виду, что не все JK-триггеры ИС ТТЛ работают при уровне логической 1 на входе С так, как описано выше. Некоторые триггеры (К158ТВ1, К134ТВ1, К134ТВ14) не срабатывают непосредственно по спадам импульсов на входах J и К, но могут запоминать изменение информации на этих входах, имевшее место при уровне логической 1 на входе С. Кроме того, технические условия на большинство JK-триггеров не определяют их принци­пиальных схем и характера переключения при логической 1 на входе С. По­этому не рекомендуется использовать JK-триггеры в режиме, когда сигналы на входах J и К меняются при логической 1 на входе С при отсутствии уве­ренности в поведении триггеров в этом режиме.

Интегральная микросхема типа К155ТМ2 (рис. 1,6) содержит два D-трнг-гера. Триггер D-типа имеет вместо входов J и К один вход D. По входам R и S D-триггер работает так же, как и JK-триггер. Если на входе D уровень ло­гического 0, по фронту положительного импульса на входе С триггер устанав­ливается в нулевое состояние, при логической 1 на входе D по фронту на входе С триггер устанавливается в состояние 1.

Для получения режима счетного триггера вход D соединяют с инверсным выходом триггера, в этом случае триггер меняет свое состояние на противопо­ложное по фронтам входных импульсов.

Интегральные микросхемы К155ТМ5 и К155ТМ7 (рис. 2) содержат по четыре статических триггера, каждый из которых имеет информационный вход

D, тактовый С и прямой выход (а в ИС К.Ш5ТМ7 еще и инверсный выход). Триггер работает следующим образом. При уровне логического 0 на входе С изменение сигнала на входе D не влияет на состояние триггера, и он хранит записанную в нем ранее информацию. При подаче на вход С логической 1 триггер превращается в повторитель — сигнал на выходе соответствует сигна­лу на входе (а на инверсном выходе ИС КД55ТМ7 — инверсии сигнала на вхо­де D). При подаче на вход С логического 0 триггер переходит вновь в режим хранения, а его состояние определяется сигналом на входе D перед спадом импульса на входе С. Таким образом, основные свойства триггеров ИС К155ТМ5 и К155ТМ7 следующие:

1) при подаче на вход С логического 0 — хранение информации;

2) при подаче на вход С логической 1 — повторение входного сигнала;

3) запоминается информация, имеющаяся на входе D перед спадом на входе С;

4) изменение информации на выходе может происходить в течение всего положительного импульса на входе С, если при этом меняется информация на входе D.

Эту разновидность D-триггера лучше называть «D-триггером, тактируемым импульсом», «триггером-защелкой», чтобы отличать ее от описанных выше D-триггеров К165ТМ2, которые можно назвать «D-триггерами, тактируемыми фронтом» или «счетными D-триггерами».

Для того чтобы подчеркнуть различие между ними, приведем логику ра­боты «счетного D-триггера»:

1) хранение информации осуществляется при подаче на вход С как логи­ческого 0, так и логической 1;

2) прямого прохождения сигнала на выход со входа D нет;

3) запоминается информация, имеющаяся на входе D перед фронтом им­пульса на входе С;

4) изменение информации на выходе может происходить только во время фронта на входе С.

На основе JK-триггеров и счетных D-триггеров строятся счетчики и дели­тели частоты. D-триггеры, тактируемые импульсом, удобны для построения ре­гистров памяти.

Для построения двоичных счетчиков счетные входы JK-триггеров соединя­ют с прямыми выходами предыдущих триггеров, а D-триггеров — с инверсными (рис. 3). Отличие в подключении входов связано с тем, что D-триггер срабаты­вает по фронту, а JK-триггер — по спаду входных импульсов.



Рис. 3. Двоичные счетчики на JK-триггерах (а) и D-триггерах (б)
Состояние счетчика (количество поступивших на его вход импульсов пос­ле установки в 0) однозначно определяется состояниями его триггеров. В частности, для четырехразрядных счетчиков состояние q может быть определено по формуле . . .

q = p₁y₁ + p₂y₂ + p₃y₃ + P₄.

где y_i = 0 или l — состояние i-гo триггера (i=1-4, начиная со входа счетчи­ка); p_i = 2^n-1 — вес i-гo разряда счетчика. О таких счетчиках говорят, что они работают в весовом коде 1 — 2 — 4 — 8. Счетчик может быть построен так, что его весовой код отличается от рассмотренного. Так, для четырехразрядных счет­чиков получили распространение коды 1 — 2 — 4 — 6, il — 2 — 2 — 4 и др. Существуют такие структуры счетчиков, состояние которых не может быть выражено при­веденной выше формулой. О таких счетчиках говорят, что они работают в не-весовом коде. Их состояния определяют по временным диаграммам или табли­цам переходов. Сказанное о четырехразрядных счетчиках распространяется на счетчики любой разрядности.

Делители частоты (далее просто делители) отличаются от счетчиков тем, что в них используется только один выход — выход последнего триггера. Таким образом, n-разрядный двоичный счетчик всегда можно рассматривать как делитель на 2ⁿ.

Часто бывает необходимо осуществить деление частоты на некоторое це­лое число т, не являющееся степенью двойки, в таких случаях обычно ис­пользуют n-разрядный двоичный счетчик (2ⁿ>m), и вводом дополнительных логических связей обеспечивают пропуск 2^п — т состояний в процессе счета. Этого можно достигнуть, например, принудительной установкой счетчика в 0 при достижении состояния т или принудительной установкой счетчика в со­стояние 2^П — т при его переполнении.

следующая страница>