.

Передача цифровых сигналов при наличии помех

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации электронных схем является борьба со сбоями из-за помех. Такие помехи могут возникать как непосредственно на печатных пла-тах, так и при передаче сигнала по кабелю. В тех случаях, когда цифровые сигналы должны передаваться по кабелю или между измерительными приборами, возникают специфические пробле-мы. Важную роль играет влияние емкостной нагрузки на высокочастотные сигналы, синфазные перекрестные помехи, а также на «эффекты длинной линии» (отражения от несогласованной нагрузки). Паразитные связи цифровых элементов по цепям питания на внутриплатных соединениях. Типовой проблемой появления помех на печатной плате является наличие токовых импульсов в цепях питания микросхем.

Дискретное управление нагрузкой от элементов ТТЛ и КМОП

С помощью логических элементов ТТЛ и КМОП достаточно просто управлять устройствами релейного типа, такими, как лампы или светодиоды, электромеханические реле, цифровые индикаторы, и даже коммутировать нагрузку в цепях переменного тока. Основная задача – согласовать токи и напряжения, необходимые для дискретных устройств, с выходными параметрами цифровых микросхем. Существует три подхода к решению таких задач. Первый – использование ИС, выходные каскады которых в состоянии выдавать необходимые сигналы, например, коммутировать высокий ток нагрузки или высокое напряжение. При небольших токах и напряжениях, например, для управления светодиодным индикатором (рис.19.8,а) или маломощным реле, нагрузка подключается непосредственно к активному выходу.

Управление входами ТТЛ и КМОП

Ввод сигнала от механических ключей. Если известны входные характеристики управляемой логической схемы, то довольно легко управлять цифровыми входами от переключателей, клавиатуры, компараторов и т. д. Проще всего здесь использовать резистор, подключенный к шине питания (рис. 19.6, а). При работе с элементами ТТЛ, принимая во внимание их входные характеристики, лучше, когда резистор коммутируется на землю. В этом случае ключ дает хороший отвод тока при низком уровне на входе, а резистор обеспечивает для высокого уровня напряжение +5 В, создавая высокую помехоустойчивость. Кроме того, удобно иметь цепь возврата на землю через ключ.

СОПРЯЖЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Электронные устройства, работающих как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами, имеют аналоговые  входные и выходные блоки (усилители, фильтры и т.д.), АЦП и ЦАП и цифровые блоки. Однако зачастую нет необходимости применять полный АЦП или ЦАП, достаточно связать дискретное устройство непосредственно с цифровой частью схемы. Такими дискретными устройствами могут быть  устройства цифрового ввода (переключатели, клавиатура, выходы компараторов и т. д.) и цифрового вывода (индикаторные лампы, реле). Рассмотрим вопросы схемотехнических особенностей различных типов микросхем, их сопряжения между собой и внешними устройствами. Актуальным являются также вопросы ввода и вывода цифровых сигналов на платы и во внешние приборы, а также способы их передачи по кабелю. 

Логические элементы

Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем. Серия микросхем – это совокупность микросхем, характеризуемых общими технологическими и схемотехническими решениями, а также уровнями электрических сигналов и напряжения питания.
Приведенная выше классификация охватывает не только собственно логические элементы, но и другие цифровые устройства, в том числе микропроцессорные. Однако здесь следует учитывать, что при производстве сложных цифровых устройств некоторые логики не использовались и не используются.
Приведем примеры серии микросхем:
  • ТТЛ – К155, КМ155, К133, КМ133;
  • ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, К1531, 533, К555, КМ555, 1533, КР1533;

Логика на основе комплементарных ключей на МОП-транзисторах (КМОП)

Появление и широкое использование полевых транзисторов с изолированным затвором положило начало ряду очень перспективных семейств логических элементов.

Транзисторно−транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки). Скорость переключения транзистора определяется в основном временем рассасывания накопленных зарядов. Для повышения максимальной частоты переключений необходимо предотвратить насыщение транзистора. Благодаря этому накопление заряда исключается.

Транзисторно−транзисторная логика (ТТЛ)

Характерной особенностью ТТЛ являются многоэмиттерные транзисторы. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзистор может моделироваться схемой на диодах (пунктир на рис. 18.8), в этом случае он работает как схема диодно-транзисторной логики И-НЕ.  

К достоинствам ТТЛ-логики можно отнести: высокое быстродействие (10 нс), надежность, радиационную стойкость.

Недостатками являются: наличие резисторов, большая площадь на кристалле, большая потребляемая мощность, наличие паразитных транзисторов.

Характеристики и параметры логических элементов

В настоящее время при разработке интегральных схем (ИС) наибольшее распространение получили следующие типы логических элементов:
– транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);
– транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);
– эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ);
– интегрально-инжекторная логика (И2Л);
– логика на комплементарных полевых транзисторах (КМОП).
Самыми распространёнными на сегодняшний день являются ИС, реализующие ТТЛ и её разновидности. Интегральные схемы данного типа обладают средним быстродействием и средней потребляемой мощностью.

Цифровые сигналы

До сих пор рассматривались главным образом схемы, входные и выходные напряжения которых могли изменяться в определенном диапазоне значений: RС-цепи, интеграторы, выпрямители, усилители и т. п. Это естественно, когда сигналы, с которыми приходится иметь дело, либо являются непрерывными по самой своей природе (например, звуковые), либо представляют собой непрерывно меняющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры или обнаружения светового излучения, биологических или химических зондов и т. п.).