Вопрос для самопроверки. 1. Охарактеризуйте технические задачи, возникающие при согласовании цифровых устройств с внешними устройствами

1. Охарактеризуйте технические задачи, возникающие при согласовании цифровых устройств с внешними устройствами.

2. Охарактеризуйте погрузочные характеристики исходных каскадов ТТЛ- и КМОП-логіки.

3. Приведите схему тиристорного управления исполнительным устройством (асинхронным двигателем).

4. Охарактеризуйте и приведите временные диаграммы, которые объясняют принцип фазового управления.

5. Приведите схему усиления мощности аналогового сигнала.

Литература для дополнительного обучения [2, с.3-5]; [3, с.4,5]; [4, с.3-5].

Лекция 14. Согласования разнородных систем логических элементов

Цель лекции: Выучить средства решения задач согласования разнородных систем логических элементов.

Вопросы, которые рассматриваются на лекции:

1. Принципиальные схемы входных и исходных каскадов логических элементов ТТЛ- и Кмоп-логіки.

2. Основные параметры входных и исходных сигналов ТТЛ- и Кмоп-логіки.

3. Основные технические средства решения задач согласования.

4. Переход от ТТЛ- к КМОП-логіки.

5. Переход от КМОП- к ТТл-логіки.

6. Согласования положительных и отрицательных логик.

Время от времени разработчику приходиться сталкиваться с необходимостью общего применения разных семейств логических микросхем. Соединения разных серий цифровых элементов в первую очередь связанный с необходимостью согласования уровней напряжения и тока. Кроме того, при объединении логических семейств надо знати схемотехнічні свойства входов и выходов. Это удобно продемонстрировать на примере ТТЛ и Кмоп-логік.

Если на вход элементов ТТЛ подается низкий (нулевой) уровень напруг, то из этого входа вытекает ток порядка 1 ма (для большинства серий ТТЛ) при входном напряжении не более 0,4 V. Недопонимания этого обстоятельства часто приводит к отказу в работе элементов, которые соединяются. Если на вход элементов ТТЛ подается высокий (единичный) уровень напряжения, входной ток, который удирает в вход этого элемента, имеет порядок единиц, а то и десятки микроампер. Заметим, что этот ток не что другое, как соответствующей действительности коллекторный ток «инверсного» (ли иначе «горизонтального») транзистора, а не ток источника, как часто думают.

Для отрицательных напруг, если они появляются на входе, вход ТТЛ действует как диод, включенный на землю, а для напруг свыше +5 V входа эквивалентный закрытому емітеру транзистора с небольшим напряжением пробоя (порядка +5,5 V). Типичное значение входного порога логического перехода, составляет у схем ТТЛ приблизительно 1,3 V, но может меняться от 0,8 до 2,0 V.

Если отдельные логические элементы ТТЛ остаются неиспользованными, то их входы обычно соединяют с общей «земляной» шиной, то есть подают логический «нуль». В этом случае мощность, которая рассеивается ними, минимальная, а выходы этих элементов можно использовать для создания логической «единицы» на входах других элементов. Другой способ создания уровня логической единицы на не используемых входах элементов ТТЛ складывается в подаче на них напряжения 2,4...3,6 V от отдельных источников питания. Можно также воспользоваться источником питания 5 V, подключив неиспользованные входы через ограничивающие резисторы опіром 1...2 kW. До одного резистора допускается присоединения до 20 входов микросхем ТТЛ серии К155 или К133.

Выход схем ТТЛ содержит NPN-транзистор, включенный на шину –U_п, тому елемент ТТЛ может отводить на шину –U_п (землю) значительный ток (порядка I _вих⁰ 16 mА) при небольшом спадании напряжения (порядка 0.1...…02V)... Высокий уровень исходного напряжения создается емітерним повторителем, подключенным к шине +U_п. с токообмежуючими резисторами в коллекторной и базовой цепи. В результате на выходе появляется «высокая» (единичная) напряжение (близко 3,5 V). Одновременно выход может служить источником тока порядка нескольких миллиампер.

У элементов КМОП-логіки входной ток практически отсутствующий при колебаниях входного напряжения от 0 до 15,0 V (ток истока при этом менее 10^-5 mА). Для сигналов, которые превышают диапазон напряжения питания, вход микросхемы представляет собой два диода, один из которых подключенное к положительному полюсу источника питания, а іншії – к отрицательного (рисунок 14.1). Ток через эти диоды даже кратковременно не должный превышать 10 ма. Диоды необходимые для защиты затворов КМОП-транзисторов от статического электричества. Напряжение порога срабатывания обычно составляет 0,5U_п. Исходная схема КМОП-элемента представляет собой пары транзисторов, из которых один открытый, а другой закрытый. При маленьких токах открытые транзисторы ведут себя как резисторы опіром в несколько сотен Ом, подключенные к шинам +U_п или –U_п. Однако исходный ток через этих транзисторов ограничивается на равные нескольких миллиампер.

Рисунок 14.1

Микросхемы, которые належат к разным сериям ТТЛ, непосредственно согласятся между собою по электрическим уровням, которые в них одинаковые, однако и тут следует учитывать особенности каждой серии.

Во-первых, допустимое число входов микросхем ТТЛ разных серий, которое можно подключать к выходу каждой из этих серий, составляют:

Навантажуємі серіі	Количество входов, навантажуємих микросхем серий
133, К155	130, К131	134, КР134	530, К531	533, К555
Универсальные (133, К155)
Быстродействующие (130, К131)
Микромощные (134, КР134)
Шоткі (530, К531)
Маломощные Шоткі (533, К555)

Превышения указанных значений не рекомендуется, так как напряжение на выходе схемы, которая нагружается, в состоянии U_вих⁰ может оказаться выше максимально допустимого.

Во-вторых, у быстродействующих схем на транзисторах Шотки (серии 530, К531) крутизна фронтов импульсов очень большая. Через это следует считаться с возможностью высокочастотных наведений по сигнальным цепям, в особенности при открытых входах, которые действуют подобно антеннам. При соединении таких логик с другими семействами, в особенности с микромогущественными, следует применять раздельное питание и заземления, разнесения входных и исходных сигнальных цепей.

Переход от микросхем ТТЛ к КМОП при одинаковом напряжении питания, равному 5 V, осуществляется непосредственным подключением выхода ТТЛ к входу КМОП. Важно только, чтобы к выходу ТТЛ не были подключенные входы других элементов ТТЛ, так как снижения исходного напряжения через их входные тока ниже уровня 3,5 V есть предельным для Кмоп-логики. Однако при 3,5 V на выходе ТТЛ запас помехоустойчивости становится маленький. Повысить его можно, уключивши между выходом и шиной питания резистор 2...5 k(в зависимости от серии ТТЛ.

При переходе от КМОП к ТТЛ исходный ток порядка десятков микроампер, который отвечает высокому уровню на входе ТТЛ, легко обеспечить. Однако для большинства приборов КМОП-структури при исходном напряжении низкого уровня ток нагрузки не должное превышать 0,5...1 ма, что приемлемо только для входов маломощных серий ТТЛ (I _вх⁰ 0,2 ма).

В общем случае напряжение питания, логические уровни, тока входов и выходов могут не совпадать, и согласования разных микросхем представляет самостоятельную задачу. Для этой цели используются как специальные микросхемы, так и ключевые схемы на дискретных элементах, то есть транзисторах и резисторах. Одна из таких возможных схем приведенная на рисунке 14.2.

Рисунок 14.2

Схема универсальная. За счет каблука параметров ее элементов может быть применена в разных ситуациях, в том числе при согласовании КМОП ТТЛ и ТТЛ КМОП. Соответственно значения параметров ее элементов приведенные для первого случая без дужек, а для второго – в дужках. Указанные величины резисторов рассчитанные на основании очевидных соотношений так, чтобы не были превышенные предельные значения токов и напруг ІС.

Иногда приходится применять схемы для согласования положительной и отрицательной логик. Пример такой схемы приведенный на рисунке 14.3. Она превратит положительный уровень напряжения +U₁, что отвечает коду «1» в одной системе элементов, в отрицательный уровень напряжения –U₂, что также изображает код «1», но в другой системе элементов. Коду «0» в обеих системах отвечает нулевое напряжение. Когда на вход схемы представленное нулевое напряжение, транзистор VT открытый и на выходе напряжение равняется нулю. Положительное напряжение на входе закрывает транзистор VT, формируя на выходе отрицательное напряжение, которое отвечает коду «1», уровень которого определяется напряжением U₂.

Рисунок 14.3

Если, наоборот, есть необходимость превратить отрицательный уровень –U₁ в положительный +U₂, то можно использовать эту же схему, заменив у нее транзистор pnp на npn, источник питания –U_п. на +U_п и +U_см на –U_см.

Для согласования разных семейств цифровых элементов между собою выпускаются интегральные микросхемы преобразователей уровней (ПР). В отличие от логических элементов, в преобразователях уровней входные и исходные равные всегда различаются между собою – это характерно для ПР. Очевидно, чтобы вход ПР можно было соединить с выходом логического элемента (ЛЕ1), входной каскад ПР должный быть выполнен по принципу построения ЛЕ1. Аналогично, по принципу ЛЕ2, должный быть построенный исходный каскад ПР. Одновременно, как правило, применяются и разнотипные источники питания, характерные для обеих систем элементов.

Примером ПР может быть микросхема 564ЛН2 или 564ПУ4, предназначенные для согласования исходных уровней Кмоп-структур с входами серий ТТЛ. В корпусе каждой такой микросхемы находятся по шести одинаковых одновходных элементов, которые владеют повышенной погрузочной способностью по току. Входная защитная цепочка разрешает при питании этой микросхемы 5 V подавать на ее входы повышенное напряжение вплоть до 15 V.

Погрузочная способность элементов обеих микросхем одинаковая и относительно разных серий ТТЛ составляет: ТТЛ – универсальная 2; ТТЛ – маломощная 9; ТТЛ – микромогущественная 16 (при Uж = 5 V 5% и U_вих⁰ 0,5 V).

Для согласования выхода ТТЛ с входом КМОП при питании последних повышенным напряжением (U_п 10 V) применяют микросхемы 564ПУ7 и 564ПУ8, что содержат каждая по шести преобразователей уровня. Их электрические параметры при U_п = 12 V такие: , , , . Различаются они тем, что 564ПУ8 выполняет эту операцию без инверсии, а 564ПУ7 – с инверсией.

Преобразователь уровней от КМОП к ТТЛ К76ПУ1 содержит пять инверторов. Для него нужно два источника питания 5 V и 9 V. Шесть преобразователей логических уровней от КМОП к ТТЛ содержит микросхема К176ПУ2. Эти инверторы можно использовать также в тех устройствах логики КМОП, где требуются большие исходные тока I_вих¹ и I_вих⁰ (например, при перезарядке погрузочной емкости).

Шесть преобразователей без инверсии расположенные в корпусе К176ПУЗ. Как замену К176ПУ2 можно применить К561ЛН2, а вместо ПУЗ – преобразователь К561ПУ4 во всех схемах. Погрузочная способность схем ПУ2 и ПУ3 – для входа ТТЛ (I_вих⁰ = 3,2 ма). Микросхемам К176ПУ1...К176ПУЗ требуются два напряжения питания 5 V для ТТЛ и 9 V для Кмоп-транзисторів. Время переходного процесса преобразователей уровней от высокого к низкого не превышает 16...40...40 ns.

Микросхема К176ПУ5 содержит четыре преобразователя уровней КМОП – ТТЛ и отличается комлементарними выходами. Для нее также требуются два источника питания.

Микросхема К176ПУ5 содержит шестерых преобразователей – буферных усилителей. По параметрам и применимости она подобная с К561ЛН2, что содержит шестерых инверторов и работает так же, как и ЛН2, от двух источников питания. Микросхема К564ПУ6 содержит четыре канала преобразования логических уровней от низкого напряжения к высокого. Соответственно на микросхему подают два напряжения питания 5 и 15 V. Кроме того, каждый канал имеет входы разрешения. Преобразования ТТЛ – КМОП (без инверсии данных) разрешается при высоких уровнях на этих кодах. При низкому равные на входе, который разрешает, соответствующий выход переходит в разомкнутое состояние. Микросхему можно использовать как преобразователь от высокого уровня к низкого, если заменить точки подключения напруг питания.

Для преобразования уровней ТТЛ в равные ЕСЛ служит микросхема К500ПУ124, что содержит чотирьохканальний преобразователь ТТЛ – КМОП. На эту схему надо подавать два живящие напряжения +5 и 15 V. Отметим, что в схеме имеется вход, который разрешает, на который надо подавать напряжение высокого уровня U_вх¹ для ТТЛ. При U_вх⁰ на выходе всех преобразователей устанавливается напряжение низкого уровня для ЕСЛ. На соответствующих инверсных выходах устанавливается высокий уровень для ЕСЛ. Время задержки переключения составляет менее 5 ns, что разрешает принимать сигналы от микросхем ТТЛШ.

Микросхема K500ПУ125 – чотирьохканальний преобразователь, предназначенный для обратного преобразования сигналов ЕСЛ в сигналы ТТЛ. Конечный усилитель каждого канала этой схемы имеет обычный двухтактный выход элементов ТТЛ с транзисторами Шоткі.

Микросхема К500ПУ125 разрешает построить на ее базе триггер Шмітта. Ее можно применить также, как приемник сигналов из линии. Если входы ПУ125 оставлены свободными, не присоединенными, на выходе ТТЛ появятся напряжения низкого уровня. Типичное время задержки распространения для ПУ125 5 ns.