Podstawy techniki cyfrowej TTL
Układy cyfrowe serii TTL są bardzo przydatne do realizacji
wszelkiego typu prostych lub średnio-zaawansowanych funkcji
logicznych i sekwencyjnych.
W prosty, tani i niezawodny sposób można uzyskać np. uzależnienie
obrazu na semaforze świetlnym od drogi przebiegu i stanu nastepnego semafora,
albo do wyzwalania różnych urządzeń w nastepstwie czasowym.
Układy cyfrowe TTL przeznaczone są do rozróżniania dwustanowej logiki na wejściu:
- napięcie w granicach 0...0,4 V jest traktowane jako stan niski - 0;
- napięcie w granicach 2,4...5 V jest traktowane jako stan wysoki - 1.
Wyjście układu TTL może byc podłączone tylko do wejścia innego układu - wyjść nie można
zwierać ze sobą, bo mogą ulec uszkodzeniu gdy na jednym wyjściu jest 0 a na drugim 1,
a ponadto nie ma to logicznego sensu
(jak od każdej reguły, także od tej są wyjatki: można łączyć ze sobą wyjścia
specjalnych układów typu otwarty kolektor OC).
Do wyjścia układu TTL może być podłączonych maksymalnie 10 wejść innych układów
(za wyjątkiem specjalnych układów o dużej obciążalności).
Wewnętrzny schemat scalonej bramki NAND (realizujacej funkcję ~(A&B)) pokazano na poniższym rysunku:
W stanie wysokim przewodzi tranzystor podający napięcie zasilające
na wyjście, w stanie niskim - tranzystor zwierający wyjście do masy.
Wszystkie układy cyfrowe TTL muszą być zasilane napięciem stabilizowanym 5 V.
Uwaga - na schematach zasilania nie pokazuje się, aby nie zaciemniać schematu.
Zresztą często w jednym układzie scalonym istnieje kilka niezależnych podukładów,
np. cztery bramki lub dwa przerzutniki, zasilane wspólnym napięciem (na ogół
masa (GND) na nóżce 7, zasilanie (+5 V) na 14, ale są wyjątki - należy sprawdzić w katalogu).
Poniżej pokazano rozmieszczenie bramek typu NAND wewnątrz układu scalonego serii UCY7400 (patrząc od góry):
Schemat prostego zasilacza stabilizowanego, mogącego zasilać kilkanaście układów scalonych,
pokazano na poniższym rysunku:
Aby wymusić stan niski (0) na wejściu układu cyfrowego, należy to wejście
zewrzeć do masy (GND). Aby wymusić stan wysoki (1) wejście należy podłączyć
do zasilania (VCC) poprzez rezystor 1 k.
Nie podłączone (wiszące) wejście daje taki sam efekt jak stan wysoki,
ale należy unikać pozostawiania niepodłączonych wejść z uwagi na możliwość
zakłóceń.
Do realizacji funkcji logicznych używane są bramki (NAND, NOR, NOT, EX-OR itp),
natomiast do realizacji funkcji sekwencyjnych i pamiętających stosować można przerzutniki
(D, JK-MS, itp).
Bramki logiczne
Najczęściej stosowaną bramką serii jest bramka NAND (NOT-AND czyli zaprzeczenie koniunkcji).
Za jej pomocą można zrealizować inne funkcje logiczne.
Poniżej przedstawiono symbol bramki NAND (kółko oznacza negację), realizację funkcji alternatywy OR przy użyciu 3 bramek NAND, oraz
symbol bramki OR (cyfry oznaczają numerację końcówek układów serii 74xx):
A oto tabelki logiczne powyższych układów:
| NAND |
|
OR z NAND |
|
OR |
| We |
Wy |
We |
~We |
Wy |
We |
Wy |
| A | B | Y | A | B | ~A | ~B | Y | A | B | Y |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Jak widać, układ złożony z 3 bramek NAND realizuje tę samą funkcję logiczną,
co bramka OR. Jest to przykład na to, że z różnych bramek można zrealizować dowolną
funkcję logiczną.
Załóżmy, że sygnał zezwalający (S1) odpowiada sygnałowi 0 w logice TTL (dla bezpieczeństwa, ponieważ w przypadku
przerwania przewodu sygnał wysokiej impedancji może być traktowany jako sygnał 1, a więc należy go przyjąć jako S0).
W takim razie na poniższej głowicy stacyjnej:
_______C__
____/___B__
A \_D__
sygnał S1 na semaforze D może być prawdziwy (0) jeśli zwrotnice 1 i 2 są przełożone na prosto (0),
zwrotnica 3 na krzywo (1), semafory A, B, C zamknięte (1),
czyli D = ~(Z1 & Z2 & ~Z3 & A & B & C)
Układ TTL realizujący powyższą funkcję składa sie z 8mio-wejciowej bramki NAND,
z której wykorzystujemy 6 wejść:
z tym że wejcie trzecie jest zanegowane (~Z3) za pomocą inwentera (w układzie 7404 jest
6 takich bramek).
Oczywiście, jeśli mamy zbywającą dwuwejciową bramkę NAND, możemy zewrzeć jej
wejścia wymuszając jej działanie jako inwenter (negator). Ale jeśli takich
negatorów potrzeba więcej, lepiej jest zastosować dedykowany układ 7404.
A co w przypadku bardziej skomplikowanej stacji, gdy potrzebujemy
więcej wejść, ażeby wyeliminować przebiegi sprzeczne (pojedyńcza bramka ma max 8 wej.)?
Należy stosować układy kaskadowe, korzystając z kursu logiki
(np. negacja (~) koniunkcji (&) jest alternatywą (+) negacji). Istnieją też specjalizowane układy
rozszerzające ilość wejść, tzw. ekspandery.
Innym rozwiązaniem, w przypadku dużych stacji,
jest zastosowanie programowalnej logiki (układy mikroprocesorowe i komputerowe).
W każdym razie, stosując układy cyfrowe, stajemy przed pewnym problemem -
jak je podłączyć do urządzeń wejściowych (np. czujniki, przełączniki) i wyjściowych
(elektromagnesy, silniki, żarówki itp).
Zajmijmy się najpierw urządzeniami wyjściowymi.
Na wyjściu bramki w stanie wysokim panuje napięcie około +5V,
ale nie może być ono uzywane do zasilania urządzeń zewnętrznych,
a jedynie do sterowania wejść innych bramek (max 10), ze względu
na małą wydajność prądową (0,25mA). Popatrzmy jeszcze raz na schemat
wewnętrzny bramki NAND.
Wynika z niego, że możemy podpiąć wyjście do obciążenia podłączonego
do zasilania +5V. W takiej sytuacji prąd przez to obciążenie będzie płynął
gdy na wyjściu będzie stan niski (bo tranzystor wyjściowy będzie zwierał
obciążenie wiszące na +5V do masy zasilania).
W standardowych bramkach TTL maksymalny dopuszczalny prąd wyjściowy
w stanie niskim to 16mA. Jest to wystarczające, aby wysterować
diodę LED (poprzez rezystor zabezpieczający) lub uzwojenie przekaźnika kontraktonowego.
Jeśli potrzebujemy więcej prądu, musimy zastosować wzmacniacz
na tranzystorze lub scalony inwenter buforujący (np. 7406 zawiera
6 takich układów Open Collector).
Ogólna zasada powinna być jednak taka, żeby izolować galwanicznie
obwody cyfrowe od obwodów mocy (kontaktrony dobrze się do tego nadają).
Teraz trochę praktyki:
Załóżmy, że mamy 3-stanowy semafor wjazdowy A, i chcemy uzależnić
obraz na świetlnej tarczy ostrzegawczej ToA od wskazań tego semafora.
Sygnały cyfrowe są tylko 2-stanowe, dlatego potrzebujemy dwóch sygnałow
od tego semafora: A1 oznaczający położenie górnego ramienia,
oraz A2 oznaczający położenie dolnego ramienia.
(i tak potrzebujemy 2 niezależnych napędów elektromagnetycznych
dla tego semafora, więc wszystko się zgadza).
Semafor może mieć więc następujące stany:
- A1=0 & A2=0 - jazda z Vmax
- A1=0 & A2=1 - jazda z V=40
- A1=1 - stój
Tarcza ostrzegawcza ma dwie komory: zieloną ToAZ i pomarańczową ToAP.
Sygnał ToAZ=0 oznacza, że dioda LED świeci się (patrz nieco wyżej).
Obrazom na semaforze odpowiadają więc następujące sygnały na tarczy ToA:
- ToAZ=0 & ToAP=1
- ToAZ=1 & ToAP=przerywany
- ToAZ=1 & ToAP=0
Układ realizujący powyższe funkcje może wyglądać np. tak:
Ponieważ bramki realizujące funkcję OR są trudno dostępne, dlatego
została użyta zanegowana NOR 7402 (równie dobrze można było użyc
NAND z zanegowanymi wejściami).
Potrzebny jest jeszcze generator fali prostokątnej o częstotliwości około 1Hz.
Generator również można stworzyć z bramek cyfrowych, ponieważ taka bramka
jest w rzeczywistości wzmacniaczem, tyle że pracującym w reżimie nieliniowym.
Wystarczy więc zrobić pętlę sprzężenia zwrotnego za pomocą dwójnika RC, np. tak jak poniżej:
Aby uzyskać częstotliwość rzędu 1Hz, należy stosować duże kondensatory, około 1000 mikroF.
Oczywiście muszą to być kondensatory elektrolityczne, dlatego uwaga - kondensator
musi być odpowiednio spolaryzowany, zgodnie z oznaczeniami na obudowie (+ do wyjścia układu TTL).
W powyższym ukłądzie generatora wykorzystano dwie bramki negujące, trzecia bramka ma za zadanie odseparować generator
od zewnętrznego obciążenia. W ukłądzie 7404 jest w sumie 6 takich bramek, więc
można zbudować drugi taki sam ale niezależny generator - jeśli przewidujemy
że dwa źródła migającego światła będą widoczne z jednego miejsca (chodzi o to
żeby nie migały w zgodnej fazie bo to nienaturalnie wygląda).
Jeśli sygnał na wyjściu z generatora jeszcze raz zanegujemy,
to otrzymamy taki sam sygnał prostokątny, ale w przeciwfazie.
Jest to bardzo przydatne jeśli np. chcemy uzyskać efekt sygnalizacji przejazdowej.
cdn.
Do głównej strony JTZ/obwody/elektronika
Do głównej strony JTZ/obwody