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数字电路及其应用复习资料

2005-06-10 00:00  电子报 【 】【我要纠错
    当今时代,数字电路已广泛地应用于各个领域。本报将在“电路与制作”栏里,刊登系列文章介绍数字电路的基本知识和应用实例。
  
  在介绍基本知识时,我们将以集成数字电路为主,该电路又分TTL和CMOS两种类型,这里又以CMOS集成数字电路为主,因它功耗低、工作电压范围宽、扇出能力强和售价低等,很适合电子爱好者选用。
  
  介绍应用时,以实用为主,特别介绍一些家电产品和娱乐产品中的数字电路。这样可使刚入门的电子爱好者尽快学会和使用数字电路。
  
  一、基本逻辑电路1.数字电路的特点在电子设备中,通常把电路分为模拟电路和数字电路两类,前者涉及模拟信号,即连续变化的物理量,例如在24小时内某室内温度的变化量;后者涉及数字信号,即断续变化的物理量,如图1所示。当把图1的开关K快速通、断时,在电阻R上就产生一连串的脉冲(电压),这就是数字信号。人们把用来传输、控制或变换数字信号的电子电路称为数字电路。
  
  数字电路工作时通常只有两种状态:高电位(又称高电平)或低电位(又称低电平)。通常把高电位用代码“1”表示,称为逻辑“1”;低电位用代码“0”表示,称为逻辑“0”(按正逻辑定义的)。注意:有关产品手册中常用“H”代表“1”、“L”代表“0”。实际的数字电路中,到底要求多高或多低的电位才能表示“1”或“0”,这要由具体的数字电路来定。例如一些TTL数字电路的输出电压等于或小于0.2V,均可认为是逻辑“0”,等于或者大于3V,均可认为是逻辑“1”(即电路技术指标)。CMOS数字电路的逻辑“0”或“1”的电位值是与工作电压有关的。
  
  讨论数字电路问题时,也常用代码“0”和“1”表示某些器件工作时的两种状态,例如开关断开代表“0”状态、接通代表“1”状态。
  
  2.三种基本逻辑电路数字电路中的基本电路是与门、或门和非门(反相器)。与门和或门电路的基本形式有两个或两个以上的输入端、一个输出端。因输入和输出可以各自为“0”或“1”状态,具有判定的功能,所以把它们称为基本逻辑电路。三种基本逻辑电路的符号(图形)和主要表达式如附表所示。该表对初学者可能难于理解,一旦了解之后就会觉得比通常的模拟电路还简单些。
  
  (1)与门电路。以下讨论的与门是2输入端的,它对多端输入的与门同样适用。2输入端与门的功能设计成这样:当输入端A、B同时都为逻辑“1”状态时,输出Z才是逻辑“1”状态。2输入端与门的这种逻辑关系可以用图2模式的电路描述。对图2,这里作如下规定:开关K1、K2断开时,代表输入A、B的“0”状态、接通时代表输入A、B的“1”状态;灯L灭代表输出的Z的“0”状态,灯L亮代表输出Z的“1”状态。之后将开关K1、K2“接通”和“断开”的各种组合状态,以及由此引起灯“亮”和“灭”的输出状态列成表格,该表格叫做真值表,,如附表中所示。从真值表中看出,要使灯L点亮,即输出Z必须是“1”状态,输入的A、B也必须是“1”状态。
  
  具有图2模式电路功能(指输入、输出关系)的电路称为2输入端与门,并用附表中的逻辑符号来代表。
  
  (2)或门和非门。或门的逻辑关系如下:各输入端只要有一个状态为“1”时,输出便是“1”。非门只有一个输入端和一个输出端,并且其输出状态总是和输入状态相反的,即求“反”。这里同样可以用图3和图4模式的电路分别描述或门和非门的功能,也可以作相应的真值表,绘出逻辑符号,如附表中所示。
  
  3.逻辑函数的表示方法在逻辑电路的设计时,常用四种方法表示逻辑电路的函数关系(指输入、输出关系),即逻辑图、真值表、函数表达式和卡诺图。附表中仅列出了三种表达式,实际应用中逻辑图和真值表是最常用的,应必须掌握的;函数表达式和卡诺图主要供设计人员按要求设计数字逻辑电路时使用。
  
  数字电路及其应用(二)
  
  1999年电子报第17期
  
  现在数字集成电路产品已完全取代了早期分立元件组成的数字电路。数字电路产品的种类愈来愈多,其分类方法也有多种。若按用途来分,可分成通用型的IC(中、小规模IC)产品,微处理(MPU)
  
  产品和面向特定用途的IC产品三大类。可编程逻辑器件是特定用途产品的一个重要分支。若按逻辑功能来分,可以分成组合逻辑电路,简称组合电路,如各种门电路,各种编译码器;时序逻辑电路,简称为时序电路,如各种触发器、各种计数器、各种寄存器等。若按电路结构来分,可分成TTL型和CMOS型两大类。
  
  常见的TTL54/74系列,有如下的共同的特性:电源电压为5.0V,逻辑“0”输出电压为≤0.2V,逻辑“1”输出电压为≥3.0V和抗扰度为1.0V. CMOS数字集成电路比TTL型占有更多的优点,前者的工作电源电压范围宽,静态功耗低、抗干扰能力强、输入阻抗高、成本低等。所以电子钟表、电子计算器等均用了该种电路。鉴于此,以后介绍数字集成电路时,主要以CMOS型为实例。
  
  CMOS数字集成电路品种繁多,包括了各种门电路、编译码器、触发器、计数器和存贮器等上百种器件。
  
  二、CMOS集成电路的应用1.常用特性(1)工作电源电压。常用的CMOS集成电路工作电压范围为3~18V(也有7~15V的,如国产的C000系列),因此使用该种器件时,电源电压灵活方便,甚至未加稳压的电源也可使用。(2)供电引脚。CMOS集成电路外加供电时其引脚如图5所示。(3)输入阻抗高。CMOS电路的输入端均有保护二极管和串联电阻构成的保护电路,在正常工作范围内,保护二极管均处于反向偏置状态,直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流。通常情况下,等效输入电阻大于108Ω,因此驱动CMOS集成电路时,所消耗的驱动功率几乎可以不计。(4)输出电流。CMOS集成电路的输出电流(指内部各独立功能的输出端)一般是10mA,所以使用时应加推动级输出,但输出端若连接CMOS电路时(即扇出能力),因CMOS电路的输入阻抗高,对于低频工作时,一个输出端可以带动50个以上输入端,实际上几乎不需考虑扇出功能的限制。(5)抗干扰能力强。CMOS电路抗干扰能力是指电路在干扰噪声的作用下,能维持电路原来的逻辑状态并正确进行状态的转换。电路的抗干扰能力通常以噪声容限来表示,即直流电压噪声容限、交流(指脉冲)噪声容限和能量噪声(指输入端积累的噪声能量)三种。直流噪声容限可达电源电压的40%以上,所以使用的电源电压越高,抗干扰能力越强。这是工业中使用CMOS逻辑电路时,都采用较高的供电电压的原因。TTL相应的噪声容限只有0.8V(因TTL工作电压为5V)。(6)说明。目前市场上数字电路产品进口的较多,产品型号的前缀为公司代号,如MC、CD、μPD、HFE分别代表摩托罗拉半导体(MOTA)、美国无线电(RCA)、日本电气(NEC)、菲力蒲等公司。各产品的后缀相同的型号均可互换。
  
  为了引起初学者的兴趣,笔者以下介绍时,先从应用电路切入,同时介绍它们的使用方法,以便能快速掌握它们的应用。
  
  湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(三)
  
  1999年电子报第18期
  
  2.CMOS门电路的应用门电路是一种基本逻辑部件,用它们可以构成组合逻辑和时序逻辑电路。
  
  CMOS门电路产品种类很多,均可从相应的手册上查到,但归纳起来有八类:反相器、与非门、或非门、与门、或门、缓冲/电平变换器、组合逻辑和具有三态输出的逻辑门等。熟悉门电路的特性和应用,可为学习各种数字设备(包括PC机硬件)的工作原理打下良好的基础。
  
  (1)环形振荡器。CD4069是六反相器集成电路(IC),采用双列式塑封装(14引脚),如图6所示。该IC内含六个独立的反相器。每个反相器均可执行逻辑的反相操作。用它还可构成振荡器、脉冲整形和小信号的电压放大等。图7是用奇数级(3)的反相器串联,并首尾相接构成的环形振荡器电路,它的输出波形如图8所示。振荡器的工作是基于电平通过每个反相器时,需要一定的传输时间τ,即每个反相器均存在电平传输的延迟而形成的方波输出。例如,当图7电路加电时,其输出端设定为“0”电平(也可设定为“1”电平),按图的环形连接法,A点也为“0”电平。根据反相器求反逻辑,反相器Ⅰ的输出为“1”电平,从Ⅰ的输入到Ⅰ的输出电平的传输延时为τ。同理电平通过反相器Ⅱ和Ⅲ时,共需传输2τ的时间。“0”电平从A的输入到Ⅲ的输出端需传输3τ的时间。按反相器求反的功能,从Ⅰ的A点“0”电平经3τ后,Ⅲ的输出端从原来的“0”电平转为“1”电平。该“1”
  
  电平又到A点,再经3τ又到Ⅲ的输出端使输出又从“1”电平转到“0”电平。结果,在Ⅲ的输出端形成图8的方波。从方波的形成过程可知,该方波的周期T=6τ。
  
  由于τ的时间很短,所以方波的频率很高,只有用示波器才能把波形显示出来。由于该电路简单,所以工厂中批量用它时,常用图7的电路并配上示波器以检查CD4069产品的好坏,并从波形的周期上估算它们的传输特性。
  
  图9是图7方波发生器的改进电路,特点是输出的方波频率是可调的。图9电路中,增加了附加的RC电路,使电平从反相器Ⅱ的输入端到Ⅱ的输出端,因RC的充放电时间常数远大于反相器的传输时间,电平通过反相器Ⅱ时,延时大大增加,加之R是可调电阻,结果在Ⅲ的输出端形成的方波,其频率是可调的。输出的方波周期可根据公式T=2RC估算,按图的RC值,方波的频率下限约1Hz.图9的电路,因电路简单,一装即成,对频率稳定度要求不高的场合是很适用的。若再配上图10的LED驱动电路,并把R值取大些,可观察到LED的发光闪动。利用该组合电路,无需配接示波器,就可批量、快速检查CD4069产品的好坏。如果将驱动级管子BG换成9018,其集电极上插入电声器件(LED、R2去掉),调整R值,使组合电路工作在音频段,就可作讯响器。过去一些电码练习器就是用了这种电路作讯响器的。
  
  湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(四)
  
  1999年电子报第19期
  
  (2)与非和或非门的调制型振荡器。CD4011(MC14011B)和CD4001(MC14001B)分别是一种4-2输入端与非门和或非门IC,如图11和图12所示。它们都可以构成调制振荡器且电路形式完全相同,也极其简单,用途很广。
  
  把CD4011或CD4001的各输入端并联在一起就成了非门,再按图13外接RC元件就组成改进型的多谐振荡器。振荡器的周期T2.2RC,RS是稳频电阻,设计时取RSR,一般取RS>3R.当RS=10R时,其振荡器的频率稳定性为5%。
  
  利用与非门和或非门的一个输入端受控,就可组成脉冲键控多谐振荡器,如图14所示。根据门电路的逻辑关系,对图中的与非门,当控制端A点为高电平时,电路振荡,当A点为低电平时,电路停振。对或非门正好相反。
  
  因此,若输入端A点加上控制脉冲,就组成了脉冲键控振荡器,输出端的波形如图15所示。这里在A点上的控制脉冲频率必须低于多谐振荡器的频率。
  
  如果将CD4011 4-2输入与非门,用其中的两个门组成低频多谐振荡器,另两个门组成38kHz高频振荡器,再将它们按键控方式连接就组成38kHz的调制振荡器,如图16所示。该振荡器中IC-1、IC-2组成低频振荡器,IC-3和IC-4组成38kHz的高频振荡器,输出端C点信号即为38kHz的调制波。该调制波电路再与图17的红外管发射电路组合就构成常用的单通道红外遥控器(发射)电路。若再配上红外接收解调器电路把低频脉冲解调出来,就可用作各种家电产品的遥控信号。
  
  湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(五)
  
  1999年电子报第20期
  
  三、组合电路和时序电路的应用以上介绍的各种门电路均可组成组合电路。组合电路的特点是电路的输出信号仅与该时刻的输入信号有关而与电路原来所处的状态无关,通常称他们为组合逻辑电路,简称组合电路。常见的组合电路有编码器、译码器、数字分配器和数字选择器等。时序电路是指电路的输出状态与电路输入信号时间顺序有关,所以称为时序电路,如各类数码寄存器、各种计数器和顺序脉冲发生器等。上述的两类电路均有相应的器件,用户只需学会他们的使用方法。
  
  鉴于这两类电路的器件品种繁多,涉及的专业术语一时难于理解,要想系统地介绍他们实为困难,所以笔者以应用实例出发介绍以上两类电路的特点和使用方法,初学者可以按照所介绍的内容再找有关书籍学习,即可深入学习数字电路了。
  
  1.BCD码和数码显示电路数码显示在电子领域中处处需要、且制作十分容易,一装即成。图18是数码显示电路的原理框图。初学者通过制作数码显示电路还可学到数字电路很多的基本知识。
  
  (1)编码器编码和译码是数字电路(包括工业控制、单片机和PC机)常用的一种手段。通过编译码器可以解决家电、工业和工程上的许多问题,也是初学者必须掌握的数字电路知识。
  
  所谓“编码”是指用若干数字或文字符号按照预先的约定(又称规定或定义)表示特定对象的过程。例如电信局给某用户编制了一个电话号码3245110,实际上就是把这个用户用代码3245110表示出来,这就是编码。
  
  日常生活中的一个数按一定的计数方式(制)写出来也叫编码,如写成十进制,就是按十进制编码;如果写成二进制,就是按二进制编码。一旦编码的规则定义后,由此派生的问题都应遵循编码的规定。例如十进制编码规定,十进制的一位数是按十个符号0、1、2……9来表示十种不同的代码,若超过9的数,则用多位数表示,且低位和高位关系是“逢十进一”。在二进制中,每个数位(即二进制的1位)只能取两种不同的数码即“0”和“1”,其特点是:“逢二进一”,即当本位是1,又要再加1时,本位便成0,同时向高位进1,例如1+1=10.为了熟悉二进制的表示和运算规则,我们用四位二进制数码来表示十进制的一位数,并列成表,如附表所示。
  
  该表也是一种编码方式,这种编码就称为BCD码。所谓BCD码就是用二进制的编码表示十进制数。将四位二进制码一直加1时,还有六种状态,但按BCD码的约定,其余六种状态(1010、1011、1100、1101、1110、1111)对BCD码都是非法的,即在BCD码中是不允许出现的。
  
  (2)位、字节这里顺便说说关于计算机技术中常见的专业用语:位、字节。计算机(包括单片机)中的“位”是指二进制数的位,常用bit表示,例如BCD码中的1001是4位。单片机中常处理8位二进制数,常把它定义成一个字节,常用Byte表示。单片机中的数据存储量,处理速度都是以字节为单位的。表示存储器容量的单位是kB,称为千字节(实际是1024个字节)。在计算技术中,为了说明计数方式是二进制数,常在二进制数后面加B,以与其它计数制区别,如BCD码中的1101B.湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(六)
  
  1999年电子报第21期
  
  (3)显示器件。显示器件是图18(上期连载图)框图电路的末级电路,是将输入数码还原成数字(这里是十进制)的。显示器件有多种类型,各有特点,应按使用的场所选购。液晶显示器亮度不高但耗电小;荧光数码管亮度一般,耗电亦小,但工作电压较高(阳极电压12V、20V两种);LED数码管亮度高,售价低但耗电较高(指笔段耗电约10mA)。这里主要介绍LED数码管显示器。
  
  市售的LED数码显示器其品种很多,以WD系列为例,其数显器的位数有一位、二位、三位和四位的;每位的外形尺寸和显示的颜色也有多种,如:红、绿、黄、橙等。这里以WD50系列为例说明其特点和用途。其外形尺寸如图19所示,主要参数如下:正向电压1.6V~2.2V;功耗≤400mW,工作电流≤10mA;发光强度IV由具体型号而定,如WD506C(橙色)的IV为4500μcd、WD508C(红色超高亮)IV为13000μcd(工作电流10mA的测试条件)。
  
  一位的LED数码显示器,其内部结构如图20所示,显示字时其笔段是些发光二极管,它们工作时可分共阳极(连接)如图20的(b)和共阴极(连接)如图20(a)两种。WD506A是共阳连接、WD506C是共阴极连接,其发光笔段引脚如图21所示。
  
  引脚按顶视图的1脚起,顺时针读数,其中5脚为小数点显示位DP,若不用可不连接。由于显示器的笔段数字是7段组成的(不计小数点),所以常称他们为LED 7段数码显示器。
  
  (4)BCD—锁存/7段译码/驱动器。数码显示器与配套的驱动器集成器件一起工作。这些驱动器常称BCD-7段译码器。不同的显示器配用相应的驱动器件,如CD4055专配液晶显示用的。CD4547是BCD-7段译码大电流驱动器,这些都属于BCD-7段译码器。图18中配LED的驱动器,是用CD4543集成器件,该器件是一种可驱动LED的,也可驱动LCD的7段译码器。用CD4543驱动LED时的配接电路如图22所示。图中R1~R7是LED的限流电阻。
  
  数字电路及其应用(七)
  
  1999年电子报第22期
  
  (5)数码显示电路和学习数字集成电路的方法。以下继续介绍数码显示框图18的电路组成。
  
  在上期连载(六)的图22,已示出了数码显示电路中的BCD-7段译码/驱动器和数码管LED的一种配套电路。从图22看出,数码管LED驱动器的输入端是BCD码信号。该信号可用CD4518——二/十进制同步加计数器的输出供给,如图23(a)所示。图23(b)中还示出了已介绍过的CD4543集成电路。在这里首先对初学者谈谈使用数字集成电路的方法,它与使用分立元件电路完全不同,使用前者时,应把握以下几点。
  
  1)学会查阅数字电路产品手册。从手册产品性能介绍中,查出数字电路的引脚功能。一般引脚功能分两大类,其一是输入与输出功能;其二是控制功能(包括被控和对外控制)。例如图23的(a)
  
  CD4518,该IC是一种同步加计数器,在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器,其功能引脚分别为1~7和9~{15}.该计数器是单路系列脉冲输入(1脚或2脚;9脚或10脚),4路BCD码信号输出(3脚~6脚;{11}脚~{14}脚)。此外还必须掌握其控制功能,否则无法工作。手册中给有控制功能的真值(又称功能表),即集成块的使用条件,如表2所示。从表2看出,CD4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端应接高电平“1”,若用时钟下降沿触发,信号由EN端输入,此时CP端应接低电平“0”,不仅如此,清零(又称复位)端Cr也应保持低电平“0”,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态,若不满足则IC不工作。计数时,其电路的输入输出状态如表3所示。值得注意,因表3输出是二/十进制的BCD码,所以输入端的记数脉冲到第十个时,电路自动复位0000状态(参看连载五)。另外,该CD4518无进位功能的引脚,但从表3看出,电路在第十个脉冲作用下,会自动复位,同时,第6脚或第{14}脚将输出下降沿的脉冲,利用该脉冲和EN端功能,就可作为计数的电路进位脉冲和进位功能端供多位数显用。由此可见充分利用真值表的特性,才能使用好数字电路。
  
  读者可以按照上述方法查出BCD-7段译码/驱动器的CD4543输入、输出真值表,从表中学会电路的使用方法。由于篇幅有限,这里没有列出它的真值表。图24是LED数码显示框图18的部分电路图,图中引脚连接完全根据真值表的要求连接的。
  
  在图24电路的CD4518中,因设定CP端为时钟(计数)输入,所以EN端10脚接电源正端(高电平)
  
  ;清零端Cr{15}脚通过R1接地为零电平,电容C1是开机置Cr“1”电平清零用的。开机之后,C1不再起作用,由此可见,该IC的连接均符合表2的要求。只要从9脚输入计数脉冲,CD4518就输出BCD码。在CD4543中,LD(锁存控制)端1脚接电源正端(高电平),BI(消隐)端7脚、ph(L6CD用)6脚均接地电平,这些条件均符合CD4543真值表要求。
  
  由此可见,学习使用数字IC是以此真值表为依据的。
  
  湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(八)
  
  1999年电子报第23期
  
  (6)斯密特4-2输入与非门CD4093.斯密特与非门又称斯密特触发器。该器件既可以像普通“与非”门那样工作,也可以接成斯密特触发器来使用。在数码显示电路中将用它作脉冲整形电路。
  
  图25是CD4093(IC)的引脚图,从IC内部的逻辑符号和“与非”门的逻辑符号相比略有不同,增加了一个类似方框的图形,该图形正是代表斯密特触发器一个重要的滞后特性。当把CD4093两个输入端并接成非门时,它们的输入、输出特性如图26所示。其中图26的上部位置代表输入信号;图26的下部位置代表输出波形。从图中看出,当输入电压V1上升到VT+电平时,触发器翻转,输出负跳变;过了一段时间输入电压回降到VT+电平时,输出并不回到初始状态而需输入V1继续下降到VT-电平时,输出才翻转至高电平(正跳变),这种现象称它为滞后特性,VT+—VT-=△VT.△VT称为斯密特触发器的滞后电压。△VT与IC的电源电压有关,当电源电压提高时,△VT略有增加,一般△VT值在3V左右。因斯密特触发器具有电压的滞后特性,常用它对脉冲波形整形,使波形的上升沿或下降沿变得陡直;还可以用它作电压幅度鉴别。在数字电路中它也是很常用的器件。
  
  图27是一种用开关K产生单脉冲的原理图。当按下按键开关K时,我们虽然感觉不到开关触点的抖动,但是因实际存在抖动而使K的输出端产生多个脉冲,为了消除开关的抖动,使用了图28的消除开关抖动的电路。图中注明了电路的组成和各点的输出波形。电路中R1是上拉电阻。R2是C1的泄放电阻,R3、C1为常数,决定C点波形的前沿和后沿状态。R4、D1和R5是斯密特触发电路输入、输出必需的延迟反馈元件。该电路是一种消除开关抖动的单脉冲发生器典型电路。
  
  (7)CD4060时钟脉冲发生器。CD4060(IC)是一种带有振荡器的14级分频器电路。用作振荡器时需外接R、C元件或石英晶体和电容器。如图29所示。有关CD4060的详细资料,本报已介绍过多次,这里不再重复。
  
  湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(九)
  
  1999年电子报第24期
  
  (8)数码显示中的时钟信号。图30是数码显示的完整电路图。该电路是取自工程上一种多点检测控制箱的部分电路。由图可知,数码显示不仅可用在计数上,更多的还是其它用途。在图30中,IC1是数码显示用的时钟信号发生器,IC2是人工检测(数码显示)的单脉冲发生器电路,IC3是计数器,IC4是BCD-7段译码器和LED的驱动器。
  
  CD4060(IC1)时钟信号发生器。数码显示用的时钟信号是由使用场合决定的,如工厂中产品自动计数是由光电传感器产生时钟信号,在这里是由脉冲发生器IC1产生的时钟信号。该发生器的脉冲周期T=2.2R2C1,设置为两秒钟,即LED计数显示每两秒钟变化读数一次。
  
  电路中,CD4093(IC2)和开关K3共同组成供自检用的单脉冲发生器。触动一次K3,IC2的1脚接地一次,便在R4端产生一个脉冲(负的),为了消除开关通断的抖动,再利用斯密特与非门IC2对1脚上的脉冲信号整形,然后由IC2的10脚输出整形后的单脉冲信号(具体工作原理见上期介绍)。将开关K2闭合,由人工不断触动K3,IC210脚输出的信号加到IC3的CP端9脚,结果LED就显示出K3的闭合次数(0~9),达到人工检测数显示电路是否正常工作的目的。若将IC1中的电阻R2用电位器(200kΩ)代换,即可调节LED的显示速度。图31是数码显示的面板图。其中K1、K2是互锁按键开关,K3是不带锁的按键开关。工作时,按下“循测”键则自动计数显示;检测时按下“人工”键,再触动K3,LED就随K3触动而显示。湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(十)
  
  1999年电子报第25期
  
  四、LED数码显示的应用已介绍过的数码显示电路只需配上相应的器件,就可组成多路监示的报警装置。图32是取自工程上一种10路报警系统的原理框图。其中的LED数码显示电路具有两种功能,1.发出BCD码,供多路报警循测开关的接通信号。设定每个开关接通两秒钟,然后断开,20秒钟一个接通循环。2.LED显示0~9个数,用来指示各路报警传感器的位号,以便发出报警声时,用户可从LED上看出报警点的位置。以下分别介绍各框图的组成。有关LED数码显示电路已作过详细介绍,这里不再复述。
  
  1.CD4067模拟开关。数字电路中模拟开关是很有用的器件,用它来切换数字信号的传输是十分方便的。模拟开关的等效电路如图33所示。该图中0~n是开关的位,A代表开关的公共端刀,它等效一个单刀多位开关。各开关的切换是由BCD码作指令,BCD码的每四位二进制码可对应一个开关的接通,其余开关都断开。各开关都可双向传输信号,即各开关允许从n线到1线的信号传送(输入/输出)或1线到n线的分离(输出/输入),以及允许信号的并/串转换。开关所需的BCD码由外部电路产生,并称BCD码为外部地址输入信号。
  
  图34是一种集成模拟开关器件CD4067的引脚图。CD4067是单16路(单刀16位)模拟开关,各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。其中脚10、{11}、{14}和{13}是地址码A、B、C、D的输入端;脚2~{11}和{16}~{23}是开关的输入/输出端(开关位);脚1是开关的输出/输入公共端(开关刀);脚{15}为控制端,低电平有效(选通),高电平禁止(开关开路)。CD4067的真值表如附表所示。4位二进制码A、B、C、D共有16种状态,所以可以控制16个开关的通断。从真值表上看出,CD4067的工作方式和图33介绍的完全相同,不过实际的IC多了一个控制端口{15}INH.这种模拟开关具有低的导通电阻和高的断开电阻,被传输的数字信号幅度为3V~15V. 2.多路报警传感器和讯响器这里各路设置的报警传感器依用户按要求设定,所以难以详细介绍,不过可以介绍其要求。不管设置何种传感器,如防盗的振动或断线传感器;防火的感烟传感器;家用或商用的燃气气敏传感器等,都要作数字化处理,即报警时,传感器的输出应输出高电平(≥12V),以保证传感器的报警信号可以远距离传送。如图35防盗的断线传感器,当A、B两点的布线一旦断开,A点就输出高电平(12V)的报警信号,再通过CD4067的输出到讯响器上。报警用的高响度讯响器,本报均有过介绍。
  
  本10路报警装置与CD4067有关的电路如图36所示。它可用于仓库、石油液化站,当然也可以用于多居室别墅的防盗系统,不同的场所使用不同种类的传感器。各传感器设在需要的地方,报警电路安装在一个箱内作为监测箱挂在室内(工程上称为中心控制室)。一旦出现报警声,从监测箱的LED显示中即可查到报警位置。值得注意,因CD4067的外部地址码是二/十进制的BCD码,所以控制的报警路数最多10路,余有6路空着不同。实际使用时,也可按需要设置报警路数,这种情况下,由LED数码显示电路产生的10路循测信号也无需更改,未用上的循测信号,作空位运行。
  
  湖北王绍华成都遥约
  
  数字电路及其应用(十二)
  
  1999年电子报第27期
  
  2.三态输出与非门和集成三态R-S锁存触发器。
  
  (1)三态输出与非门。又称三态门,它与一般的与非门不同,其输入、输出除了具有与非门的功能外,还可以出现第三种状态——高阻状态(或称禁止态)。三态门的逻辑符号如图41所示,当EN端接“0”(或“1”)电平时,三态门按照与非门逻辑工作;当EN端接“1”(或“0”)电平时,三态门截止,这时若从输出端看进去,它处于高阻状态,所以称EN端为控制端(又称使能端)。在计算机电路中,常把A、B端叫做数据输入端;还把EN端接“0”(或“1”)时叫三态门的工作状态——高阻状态。至于EN端该接“1”或“0”,才能使它成高阻状态?这由给定型号集成电路的真值表而定,读者无需硬记。
  
  在计算机(包括单片机)中,三态电路很有用处,用它可在一根导线上轮流(输入/输出)传送多个不同的数据信号或控制信号,如图42所示。通常把图中接受三个门的AB线叫做总线(又称母线)。
  
  若令EN1、EN2和EN3分时地接“0”(或“1”)电平时,则AB、CD、EF的三组数据就会轮流地按与非门关系送到总线AB上,达到用一根总线传输(输入/输出)三组信号目的。
  
  (2)三态R-S锁存触发器CD4044将三态输出的与非门接成R-S触发器,就构成了具有三态的锁存触发器,如集成电路CD4044.CD4044是16引脚的IC,内含4个三态R-S触发器,其引脚功能如图43所示。图中的EN端是各R-S触发器共同的三态控制端(“0”电平禁止);S、R代表各自的R-S触发器的输入端,Q1~Q4代表各触发器的输出端,触发器的Q端均未引出。附表是CD4044的真值表。从表中看出它与上次连载中的R-S与非门触发器的真值表相比,除多了一个控制端EN外,均完全相同,只需把EN端接高电平,该IC就是含有四个R-S与非门触发器的集成电路。注意:用或非门也可以构成三态R-S锁存触发器,如集成电路CD4043.图44是用CD4044设计的报警器电路。AB线是用户设置的防盗线(用漆包线组成)。用该线把需防盗的区域围起来。图中绘出的R-S触发器是指CD4044内部电路的原理而非实际的完整电路。图中S1端通过电阻R2高电平(“1”),但由于AB线的短路使S1处于“0”电平,R1端通过电阻R1接“0”电平,EN端(三态)接高电平使CD4044按照R-S触发器的逻辑工作。电容器C是开机时,使R1端置“1”电平的,由CD4044的真值表可知,开机加电之后R-S触发器处于“1”态,Q1输出高电平,BG1管饱和导通,BG2管截止。一旦AB线被贼切断,S处于“1”
  
  电平,因R1处于“0”电平,结果R-S触发器置“0”态(参看真值表),BG1管截止,BG2导通,讯响器工作发出报警声。开关K是二次分布AB线的复位开关。由上述可见,分析电路时只需把握R-S触发器的特性和CD4044真值表,则图44的电路原理就一目了然。成都史为
  
  数字电路及其应用(十三)
  
  1999年电子报第28期
  
  3T型触发器和定时器电路。
  
  将R-S触发器的引出端作适当的连接,可以构成T型触发器,如图45所示。T型触发器属于双稳态电路,可作分频器。电路中的T点称触发端(又称时钟端)。当T型触发器的电源接通时,A、B端中哪个为高电平或低电平,是随机性的。一旦在触发端T输入脉冲信号时,该脉冲通过电容器C1、C2加到R、S端,由上期的与非门R-S触发器的真值表可以看出,当输入脉冲是高电平时,电路保持原状态;当输入脉冲由高电平下跳到低电平瞬间,电路被触发改变原来的状态,其输入、输出的波形如图46所示。由波形图看出,输出端与输入端的脉冲波是一种二分频作用。实用中的T型触发器电路有多种形式,如有的T型触发器带有清零端,但它们的基本功能是相同的。
  
  在数字集成电路中,T型触发器用途很广,已介绍过的IC CD4060和CD4518产品,其内部的计数单元就是由多个T型触发器构成的串行计数器。因T型触发器有分频作用,所以可用它制作定时器。
  
  图47是一种由CD4060、CD4518、CD4069和BG管等组成的定时器电路,其定时时间可调,最长定时可达10小时以上。电路中的各集成电路功能都已作过详细介绍,这里不作复述。定时器工作原理如下:电路通电(+12V),因电容器C3、C2不能瞬变,开机电源信号(高电平)对IC1、IC2清零,IC26脚输出低电平,经IC3反相成高电平,该高电平驱动继电器J工作,其触点J0闭合,提供定时开始信号。电源接通后IC14060开始振荡和内部分频(14级二分频),其振荡周期T=2.2(R2+R3)C1,振荡周期由R3可调。振荡的脉冲信号经内部分频后由3脚Q14端输出脉冲信号加到IC2CD4518(单端输入、BCD码输出)
  
  的2脚时钟端EN(负跳变触发),该时钟信号由内部再分频从IC2的6脚Q4端输出高电平信号,该高电平经IC3-1反相后,一路信号使BG截止,继电器停止工作,J0断开定时结束;另一路信号经IC3-2反相成高电平加到IC2的1脚使CD4518停止工作(保持原状)。要第二次定时,先按动同步开关K,使IC1、IC2复位,又可开始定时。图48是CD4518输出各点波形图。
  
  关于定时时间的设定,可调节R3.数字电路及其应用(十四)
  
  1999年电子报第29期
  
  4J-K型和D型触发器。J-K型和D型触发器,仍以R-S型触发器电路为主,再附加一些其它功能电路而构成,其具体电路也较复杂。不过,按照学习数字电路的方法,可不管它的内部结构,只注重其输入/输出关系。所以介绍J-K型和D型触发器时仍以它的真值表和用途为主。
  
  为了理解各种触发器的记忆功能,这里再介绍数据的锁存概念。已介绍过的组合逻辑电路,其特点是电路的输出信号仅仅与该时刻的输入信号有关,输入信号一旦撤除,输出信号也就消失。例如在十进制—二进制的编码电路中,当手动按下单脉冲的开关时,编码电路会产生对应的编码信号(可看成数据),一旦手离开开关时,输出端复原为原状态。若需要编码器的输出信号保留住(即存储),就需要再附加触发器电路,不仅如此,在计算机电路中,为了处理多个数据,均在给定的时间(即时钟信号)
  
  进行,这就要求各种触发器的输入端除了数据信号外,还有时钟输入信号(CP端)。时钟CP信号未到触发器的输入端时,输入端的控制信号(包括数据)均对触发器不起作用。J-K型触发器的逻辑符号和真值表见图49和附表,它有两个控制端J、K和一个时钟端CP.从附表中看出,J-K型触发器是在时钟脉冲的下降沿时,它才改变其输出状态(置“0”或置“1”态)。表中的Qn代表原状态,Qn代表与原状态相反的状态,Qn+1代表时钟CP到达后的新状态。图50是J-K型触发器输入端的时钟信号与输出信号二分频关系时的波形。
  
  注意:本连载(十二)的图42中的总线AB改为MN,以便与输入端的A、B相区别。
  
  成都史为
  
  数字电路及其应用(十五)
  
  1999年电子报第30期
  
  D型触发器的逻辑电路符号如图51所示。附表a是它的真值表。图52是D型触发器电路组成的原理图,根据图52,读者很容易由上期连载附表的真值表过渡到附表a.由附表a看出,D型触发器相似于晶体三极管的射极输出器电路,即在时钟CP信号上升沿指挥下,D型触发器就能把D端的数据传输到输出端。输入端无CP信号时,D端信号对触发器不起作用。图53是用D型触发器组成的二分频电路,图54是二分频电路的输入时钟与输出Q的波形图。注意:各触发器一旦做成产品IC时,其输入端还增加有置“0”端或置“1”端。
  
  图55是集成电路CD4013的引脚图,其内部有两个D触发器,附表b是它的真值表。图56是某职业学校采用CD4060和双D触发器CD4013制作的教学实验——交通红、绿灯管理器部分原理电路图。在这里CD4013用作分频器,并在它的输出端Q和Q端外接红、绿色发光二极管。图56的IC2各引脚的连接完全符合附表b的真值表要求。IC1是CD4060组成的振荡分频电路(已介绍过),调节R3使IC1的1脚输出脉冲周期为定值(如两分钟),再由IC2分频,结果红、绿发光管就按规定的时间各自循环点亮,达到实验目的。
  
  成都史为
  
  数字电路及其应用(十六)
  
  1999年电子报第31期
  
  六、计数器在数字电路中,计数器属于时序电路,它主要由具有记忆功能的触发器构成。计数器不仅仅用来记录脉冲的个数,还大量用作分频、程序控制及逻辑控制等,在计算机及各种数字仪表中,都得到了广泛的应用。在CMOS电路系列产品中,计数器是用量最大、品种很多的产品。
  
  1计数器IC的输出方式。计数器IC是一种单端输入、多端输出的记忆器件,它能记住有多少个时钟脉冲送到输入端、而在输出端又以不同的状态来表示,这就构成了不同的输出方式。这种不同的输出方式为用户提供了多种用途,给使用带来极大的方便。以下介绍计数器IC输出的几种常用方式。
  
  (1)单端输入十进制计数/7段译码输出。这种输出方式通常用于计数显示,它把输入脉冲数直接译成7段码供数码管显示0~9的数,如图57所示。图57中的IC是CD4033,从IC的时钟端CP1脚输入脉冲数,其输出端可直接带动LED数码管显示输入脉冲个数。该电路的显示也可用于荧光数码管,但应按荧光数码管的使用加接电源。
  
  (2)单端输入BCD码输出。图58是一种单端输入、BCD码输出的计数器电路。该电路可对外控制10路信号,具体用途请参看本连载(九)、(十)中的介绍。CD4518和CD4520是一对姊妹产品,CD4518是采用二/十进制的BCD,而CD4520则是二进制码,它们除了这点不同外,其余都完全相同。所以在图58中,若把CD4518换成CD4520时(管脚接法不变),则其输出为二进制码,共有16种状态,可对外控制16路信号。
  
  (3)单端输入/分配器输出。图59是IC CD4017的单端输入十进制计数、分配输出电路。计数状态由CD4017的十个译码输出端Y0~Y9显示。每个输出状态都与输入计数器的时钟脉冲的个数相对应。
  
  例如:若输入了6个脉冲,则输出端Y5应为高电平,其余输出端为低电平(条件:从零开始计数)。CD4017仍有两个时钟端CP和EN,若用时钟脉冲的上沿计数,则信号从CP端输入;若用下降沿计数,则信号从EN端输入。设置两个时钟端是为了级联方便。CD4017与CD4022是一对姊妹产品,主要区别是CD4022是八进制的,所以译码输出仅有Y0~Y7,每输入8个脉冲周期,就可得到一个进位输出,它们的管脚相同,不过CD4022的6、9脚是空脚。有关CD4017的应用,各电子报刊均有过介绍。
  
  (4)多位二进制输出串行计数器。常用的IC有CD4024、CD4040和CD4060,它们分别是7、12和14位的串行计数/分配器。它们都具有相同的电路结构和功能,都是由T型触发器组成的二进制计数器。不同的是它们的位数不同。多位二进制计数器主要用于分频和定时,使用极其简单和方便。
  
  图60是以CD4024为代表的7位二进制串行计数器/分配器电路图,其特点是IC内部有7个计数级,每个计数级均有输出端子,即Q1~Q7.CD4024计数工作时,Q1是CP脉冲的二分频;Q2又是Q1输出的二分频……,所以有频率fQ7= fcp.CD4024也可扩展更多的分频。CD4024的真值表如上表所示,由表可知,清零端Cr加“1”电平时,各输出端都清零;电路正常工作条件是Cr加零电平,当CP脉冲下降沿时,CD4024作增量计数。
  
  成都史为
  
  数字电路及其应用(十七)
  
  1999年电子报第32期
  
  2计数器分类和应用。计数器产品种类多,为了便于学习,可根据计数器的种类来学习它,但不必死记,重要的是掌握它的特点和各类计数器的用途。附表1是CMOS计数器产品的常见分类表。
  
  图61是一种儿童玩具旋光盒电路。该盒外形如图62所示。盒面安装有20只发光二极管LED,它依序沿周边等距离排列,使用9V叠层电池供电,盒底有一电源开关,开关接通后,旋光盒面的LED依序发光产生旋光感觉。
  
  IC1是由CD4060构成的脉冲发生器,它产生可调的时钟信号供IC2 CD4017工作。CD4017是单端输入CP信号,十进制计数/分配输出,即IC1的振荡输出脉冲加在IC2的CP端{14}脚,使IC2输出端Y0~Y9的10个端子依次出现高电平,三极管BG1~BG10依次导通,发光管LED1~LED20也依次发亮。电路中的LED1、LED2直到LED19、LED20都是依次两两并联的,形成盒面的两路移动光点,产生旋转的光环感。IC2 CD4017的各引脚连接符合附表2的真值表。按附表2要求,当用时钟信号端CP输入时,则时钟端EN{13}脚和清零端Cr{15}脚均应接零电位,这时CD4017就能从CP输入信号,使Y0~Y9依次高电平输出。
  
  电路中可调电阻R3是调节发光管LED的旋光速度的。
  
  成都史为
  
  数字电路及其应用(十八)
  
  1999年电子报第33期
  
  3四位二进制同步加计数器CD4520.CD4520是一种二进制同步加计数器。在CD4520的一个封装中有两组二进制计数器,其引脚功能如图63所示,真值表如附表1所示。
  
  学习数字电路重在引脚功能的用法,这里以图64的定时器电路说明CD4520的特点和用法。图64的电路是一种通过K1~K8的通断,实现编程定时。定时时间可从1分~255分钟。若改变振荡频率,另外级联CD4520,可使定时的最大值达几天或月以上。图中的IC1(CD4001)是一种键控的振荡器(见本连载之四的介绍——编者注),调节R2,可使振荡周期为1分钟(T=2.2R C1),要提高定时精度,IC1的振荡电路还可用CD4060带晶振的振荡器。IC3是一种八输入端的与非门/与门电路,这里的与非关系是指从IC3的{13}脚输出;与门关系是指从IC3的1脚输出,如图65所示。
  
  这里把IC2 CD4520内部的两组二进制计数器级联,即1Q4的输出作EN2的时钟脉冲(IC2的5、10脚相连),使IC2构成一种八位二进制计数器,可完成八级二分频的功能,如图64中IC2的2~5和{11}~{14}引脚的八个输出端。八个输出端的脉冲周期分别为2N(分),N代表1~8的变化,即周期分别为2、4、8……256(分)。定时编程时,把IC3的八输入端与IC2的八个输出端用小钮子开关K1~K8组合相连,只要接通某些开关,即可实现可变定时,例如设定时间为18分钟,则18=16+2,将开关K2和K5接通,其余开关断开,就实现了定时目的。
  
  电路通电时,电源对IC2清零,IC3的{13}脚输出高电平,作为定时开始信号(后续执行电路从略),其1脚输出低电平,产生键控信号使IC1振荡,只要预先编程的定时值到达时,IC3的{13}脚输出低电平送出定时结束信号,1脚输出高电平IC1停振。若要改变定时,只需关断电源再编程,再将电路通电,二次定时又开始。读者可以检查CD4520的其它功能脚的连接是完全符合附表2的真值表。
  
  成都史为
  
  数字电路及其应用(二十)
  
  1999年电子报第35期
  
  2存储器的种类从附表1看出存储器的种类较多,依不同的类型可用在不同的方面。(1)
  
  在单片机中常见有ROM和RAM、E2PROM或Flash E2PROM.因受芯片结构的限制,一般的存储容量都不大。
  
  (2)供专用的MCU和CPU芯片配套使用,作片外存储器,这类存储器容量可大、可小,在一定的范围内任意选择。(3)给存储器配上编程器(可自制、编程电路简单易作,下期详细介绍),可独立开发成电子小产品。由此可见存储器是数字电路中的重要器件。在单片机芯片内,常见的顺序存取存储器SRAM未列入表1中。附表2是常用部分存储器产品型号表,供读者参阅。成都史为
  
  数字电路及其应用(二十二)
  
  1999年电子报第39期
  
  九、手动RAM(6116)编程器实验电路目前可编程的只读存储器(EPROM、E2PROM、标准闪速卡PCMCIA)其最大的优点是可根据需要随时编制固定程序(包括数据、表格),并可在必要时擦除另编。
  
  现今存储器容量已可达1M×8、1M×16(并行位)的闪速电可擦存储器是10年前未料到的。这些大容量(有的称为海量)存储器均可选配相应的编程器,可见存储器产品的应用已十分广泛。
  
  这里介绍的随机读写存储器RAM6116(2k字节)的编程器,虽然与以上提到的海量存储器无法相比,但其基本功能和运作方式却大同小异,不过后者的编程是在PC机(均带软硬件)上进行的。
  
  电子爱好者通过学习手动RAM的编程方法,不仅可以进一步理解存储器的特性和工作原理,也为今后使用海量存储器的编程器产品打好基础。
  
  1电路工作原理如图69所示,其框图原理见图68(本连载二十一中)。该图中的IC1、IC2和IC3共同组成RAM6116的地址发生器,其中IC2CD4520对RAM6116地址作增量计数;IC3是单脉冲发生器,它与IC2配合工作产生RAM6116单步执行写入数据的地址;IC1是脉冲发生器,它与IC2配合产生RAM6116可变速度的读数据地址(电路原理可见本连载十八、十一、九),IC4是RAM6116,它的地址端A0~A7与IC2的输出端相连,组成8位的256个可选地址;RAM6116地址A8~A10接地,对手动编程实验,为了简化编程电路,256个地址已足够使用了。K3~K10与其相关的元器件组成RAM6116写入电路的D0~D7数据发生器,各开关接通产生“1”信号;开关断开产生“0”信号。K11~K13、K2和K1是手动编程的控制开关。
  
  编程器电路的电源共两组,一组是+12V供IC1~IC3的工作电源;另一组经7805输出+5V供IC4的工作电源。IC2输出的地址信号均经电阻分压成5V(如R1、R9;R8、R16的分压器)的电平后注入到RAM6116的地址端。电路中的所有发光管LED均是用作对RAM6116编程时或读信号时的指示信号。
  
  LED亮代表指示的位信号为“1”信号(高电平);LED灭为“0”信号,以保证检测实验的各个步骤是否合乎要求。为了使编程实验直观、成功,所以编程之前应把要求的数据列成表格以便写入数据到RAM6116中去。
  

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