ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ (занятие №12).

На всех прошлых занятиях по цифровым микросхемам мы изучали микросхемы серий К561 и К176, выполняющие различные цифровые функции. Во всех расчетах учитыва­лись только две крайности — логический нуль и логическая единица. Но в серии К176 и К561 имеются микросхемы, сочетающие в себе аналоговые и цифровые функции — аналого- цифровые мультиплексоры. Или, попросту аналоговые ключи, которые управляются логическими уровнями. Такие микросхемы содержат своеобразные полупроводниковые выключатели и переключатели, "виртуальные контакты" которых замыкаются и размыкаются при изменении логического уровня на управляющем входе (если вход одноразрядный), или под соответственно цифровому коду (если мультиплексор имеет многоразрядный вход управления). Практически, при подаче управляющего уровня, разрешающего "замыкание", между двумя (или несколькими) выводами таких микросхем возникает электрическая связь, можно сказать электрический контакт, а при поступлении на управляющий вход уровня "размыкающего", электрическая связь прекращается, и эти выводы ведут себя так, как будто они вообще никуда не подключены.

На этом занятии рассмотрим одноразрядный мультилексор, микросхему К561КТЗ (или её аналог К176КТ1) — рисунок 1. 

Микросхема имеет 14-ти выводный корпус (как, например, у К561ЛЕ5), и содержит четыре электронных ключа, "контакты" которых замыкаются при подаче логической единицы на управляющий вывод, и "размыкаются" при подаче на него нуля.

В сущности, действие такого мультиплексора очень похоже на работу простого электро­магнитного реле (рисунок 2).

 При подаче на его катушку Р определенного напряжения, превышающего порог срабатывания реле (по аналогии с цифровыми микросхемами это напряжение — логическая единица) контакты реле замыкаются, а при уменьшении этого напряжения ниже порога удержания (логический нуль) контакты реле размыкаются.

   Точно так же работает и простой одноразряд­ный мультиплексор, только потребляет ток в сотни раз меньше чем обмотка реле (рисунок 3). При Uy, поданном на управляющий вход, превышающем порог логической единицы ключ "замыкается", а при понижении этого напряжения ниже порога логического нуля он "размыкается". Разница, по сравнению с реле, пожалуй, в токе потребления и в том, что "замкнутые контакты" имеют сопротивление около 100 Ом (у реле менее 1 Ом).

Для практического изучения работы такого мультиплексора соберем схему, показанную на рисунке 4.

 Кнопкой S1 будем менять логический уровень на управляющем входе ключа (мультиплексора). При замкнутых контактах S1 на него (вывод 5) поступает единица и ключ "замыкается", сопротивление между выводами 4 и 3 уменьшается до сотни Ом, а при разомкнутых контактах S1 сопротивление между этими выводами будет настолько велико, что его можно сравнить с сопротивлением воздуха. Таким образом, на выводе 5 единица — ток между выводами 4 и 3 протекает, на выводе 5 нуль — ток между выводами 4 и 3 не протекает.

Чтобы убедиться в том, что ключ работает как обычный выключатель при помощи переменного резистора R1 изменяйте напряжение на выводе 4, и при помощи вольтметра Р1 сравнивайте его с напряжением на выводе 3. При единице на выводе 5 напряжения на выводах 3 и 4 будут равными. Затем, можно поменять подключение резистора R1 и напряжение подать на вывод 3. И при этом, при единице на выводе 5, напряжения на выводах 3 и 4 будут равными. Практически, нет никакой разницы между входом и выходом ключа, так же как между выходом и входом обычного тумблера.

   Можно пойти дальше, и переключив измерительный прибор Р1 в режим измерения сопротивления (предполагается, что Р1 это АВО- метр, тестер, или мультиметр) измерить, с его помощью, сопротивление между выводами 3 и 4. При единице на выводе 5 D1 прибор покажет 80-160 Ом для К561КТЗ или 100-300 Ом для микросхемы К176КТ1. А при нуле на выводе 5 сопротивление будет бесконечно высоким.

Микросхема К561КТЗ (К176КТ1) содержит четыре одинаковых ключа (мультиплексора), и на её основе можно строить самые разнообразные переключатели аналоговых и цифровых сигналов. 

На рисунке 5 показано как можно сделать переключатель на два положения. Обратите внимание : управляющий уровень от кнопки S1 на управляющий вход верхнего (по схеме) ключа (вывод 5 D2) поступает непосредственно, а на управляющий вход нижнего (вывод 6 D2) через инвертор D1. Таким образом, когда на вывод 5 D2 поступает единица, на вывод 6 D2 будет поступать ноль, и наоборот. Таким образом, при единице на входах D1 (S1 замкнута) напряжение от переменного резистора R1 поступит на вывод 3 D2, а на вывод 9 D2 не поступит. А если на входы D1 подать нуль (S1 разомкнута), то напряжение от R1 переключится на вывод 9 D2, и на вывод 3 D2 поступать не будет. Получается, что меняя логический уровень мы переключаем переключатель на D2, если "Г он в верхнем (по схеме) положении, а если "0" — в нижнем.

Нужно помнить, что микросхемы К561КТЗ и К176КТ1 могут коммутировать любые аналоговые и цифровые сигналы, важно только, что их напряжение не превышало напряжение питания микросхемы, и не было отрицательным.

   Для опытов можно использовать микросхемы К561КТЗ, К176КТ1 или их зарубежный аналоги CD4066 и CD4016. Микросхему K561ЛE5 можно заменить на К176ЛЕ5, К561ЛА7, К176ЛА7 или на зарубежные аналоги CD4001 (К561ЛЕ5) и CD4011 (К561ЛА7). Переменный резистор R1 на любое сопротивление в пределах 10-100 кОм, резистор- R1 типа МЛТ, на любое сопротивление в пределах 10-100 кОм. Кнопка S1, любая малогабаритная, например типа МК или тумблер. Батарея питания составлена из двух "плоских батареек" на 4,5 В каждая (общее напряжение получается 9В).

На следующем занятии рассмотрим мульти­плексоры, которые переключаются соответственно двоичному коду на их управляющих входах.