Схемотехника цифровых устройств. Теория и практика

 
 
 
 
 
 
 
 
В. А. Галочкин 
 
 
 
 
СХЕМОТЕХНИКА 
ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ 
 
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

 
 
УДК 621.385 
ББК 32.844.1 
 
Г16 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор А. И. Тяжев 
(Поволжский государственный университет 
телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара); 
кандидат технических наук, доцент С. В. Ситникова  
(Поволжский государственный университет 
телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Галочкин, В. А. 
Г16  
Схемотехника цифровых устройств. Теория и практика : учебник / 
В. А. Галочкин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 168 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-2031-0 
 
Рассматривается элементная база и схемотехника цифровых устройств: логические 
элементы, триггеры, счетчики, шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, устройства АЦП и ЦАП. Теоретические принципы схемотехнических решений, правила и закономерности функционирования устройств цифровой техники по каждой теме (теория) сопровождаются экспериментальной проверкой правил и особенностей их функционирования (практика). Проверка проводится как в ручном, так и в динамическом режимах. Приведены рекомендации по проведению экспериментов и оформлению их результатов.    
Для организации учебной или самостоятельной работы студентов дневной и заочной 
форм обучения, а также для инженерно-технических работников, изучающих электронику. 
 
УДК 621.385 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2031-0 
” Галочкин В. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 

 
 
 
 
 
 
«…В науке принято доказывать утверждаемое» 
Михаил Ломоносов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... 8
ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ  
«СХЕМОТЕХНИКА» ......................................................................................  8
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................... 12
ТЕМА 1: СОВРЕМЕННЫЕ БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  
ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ ................................................................................ 15
1.1. Краткие основные теоретические положения ....................................... 15
1.1.1. Логический элемент «И» ...................................................................... 15
1.1.2. Логический элемент «ИЛИ»................................................................. 18
1.1.3. Логический элемент «НЕ» (инвертор) ................................................ 20
1.1.4. Логическое двойное инвертирование 
.................................................. 21
1.1.5. Логические элементы «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ»,
«исключающее ИЛИ» ..................................................................................... 22
1.1.6. Логический элемент «И-НЕ» (инвертированное «И») 
....................... 22
1.1.7. Логический элемент «ИЛИ-НЕ» (отрицание «ИЛИ») ....................... 24
1.1.8. Логический элемент «исключающее ИЛИ» ....................................... 26
1.2. Экспериментальная проверка основных теоретических  
положений «Исследование схемотехники, принципов построения
и функционирования базовых логических элементов» ............................... 28
1.2.1. Исследование базового логического элемента «И» ........................... 29
1.2.2. Исследование базового логического элемента  
«НЕ» (инвертор) .............................................................................................. 30
1.2.3. Исследование базового логического элемента
«двойное инвертирование» ............................................................................ 31
1.2.4. Исследование базового логического элемента «И-НЕ» 
..................... 32
1.2.5. Исследование базового логического элемента «ИЛИ» 
...................... 33
1.2.6. Исследование базового логического элемента «ИЛИ-НЕ» ............... 34
1.2.7. Исследование базового логического
элемента «исключающее ИЛИ» 
..................................................................... 35
1.2.8. Исследование схем логических элементов
с помощью логического анализатора ............................................................ 36
1.3. Контрольные вопросы по теме «Базовые элементы  
цифровой техники» ......................................................................................... 39
ТЕМА 2: КОДЫ. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ КОДОВ. ШИФРАТОРЫ. 
МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ .................................................................................... 41
2.1. Краткие теоретические сведения ............................................................ 41
2.1.1. Двоично-десятичный код 8421 ............................................................ 41
2.1.2. Код с избытком 3 
................................................................................... 42
2.1.3. Код Грея ................................................................................................. 43
4 

2.1.4. Преобразователи кодов 
......................................................................... 43
2.1.5. Шифраторы. Дешифраторы.
Мультиплексоры. Демультиплексоры .......................................................... 45
2.1.5.1. Шифраторы и дешифраторы ............................................................. 46
2.1.5.2. Мультиплексоры и демультиплексоры ............................................ 49
2.2. Экспериментальная проверка основных теоретических  
положений «Исследование схемотехники, принципов построения
и функционирования преобразователей кодов» 
.......................................... 53
2.2.1. Исследования принципов построения
и функционирования шифраторов 
................................................................. 54
2.2.2. Исследования принципов построения
и функционирования дешифраторов 
............................................................. 56
2.2.3. Исследование принципов построения и функционирования
шифратора на основе микросхемы 74148 ..................................................... 58
2.2.4. Исследование принципов построения и функционирования
дешифратора на основе микросхемы 74138 ................................................. 60
2.2.5. Исследование принципов построения и функционирования
мультиплексора на основе микросхемы 74151 
............................................. 62
2.2.6. Исследование принципов построения и функционирования
демультиплексоров на основе микросхемы 74138 
....................................... 65
2.2.7. Исследование принципов построения и совместного 
функционирования мультиплексора и демультиплексора .......................... 69
2.3. Контрольные вопросы по теме «Коды. Преобразователи кодов. 
Шифраторы. Мультиплексоры» .................................................................... 74
ТЕМА 3: ТРИГГЕРЫ ...................................................................................... 75
3.1. Краткие теоретические сведения ............................................................ 75
3.1.1. RS-триггер (асинхронный) ................................................................... 76
3.1.2. Синхронный (тактируемый) RS-триггер 
............................................. 79
3.1.3. D-триггер (триггер с задержкой) ......................................................... 81
3.1.4. D-триггеры с дополнительными входами 
........................................... 82
3.1.5. JK-триггеры. Схемы фиксаторов.  Запуск триггеров.  
JK-триггер (ждущий мультивибратор) 
.......................................................... 83
3.1.6. JK-триггер с дополнительными входами ............................................ 84
3.2. Экспериментальная проверка основных теоретических  
положений. «Исследование схемотехники, принципов построения
и функционирования триггеров» ................................................................... 86
3.2.1. Исследование принципов построения и работы
асинхронного RS-триггера (фиксатора) ........................................................ 86 
3.2.2. Исследование схемы асинхронного
RS-триггера с помощью логического анализатора ...................................... 88 
 
 
5 

3.2.3. Исследование принципов построения и функционирования
синхронного (тактируемого) RS-триггера .................................................... 91
3.2.4. Исследование схемы синхронного RS-триггера
с помощью логического анализатора ............................................................ 93
3.2.5. Исследование принципов построения и функционирования
D-триггера (триггера с задержкой) 
................................................................ 96
3.2.6. Исследование схемы асинхронного
D-триггера с помощью логического анализатора ........................................ 97
3.2.7. Исследование принципов построения  и функционирования  
D-триггера с дополнительными входами 
...................................................... 99
3.2.8. Исследование схемы D-триггера с дополнительными входами  
в синхронном и асинхронном режимах с помощью логического 
анализатора .................................................................................................... 102
3.2.9. Исследование принципов построения и функционирования
JK-триггера с дополнительными входами .................................................. 105
3.2.10. Исследование схемы JK-триггера с дополнительными  
входами с помощью логического анализатора 
........................................... 108
3.3. Контрольные вопросы по теме «Триггеры» ........................................ 112
ТЕМА 4: СЧЕТЧИКИ ................................................................................... 114
4.1. Краткие теоретические сведения .......................................................... 114
4.1.1. Счетчики со сквозным переносом ..................................................... 114
4.1.2. Асинхронный счетчик по модулю 10 ................................................ 117
4.1.3. Синхронные счетчики 
......................................................................... 117
4.1.4. Вычитающие счетчики ....................................................................... 119
4.1.5. Асинхронный трехразрядный счетчик по модулю 8 ....................... 119
4.1.6. Самоостанавливающиеся счетчики ................................................... 120
4.2. Экспериментальная проверка основных теоретических  
положений «Исследование схемотехники, принципов построения
и функционирования цифровых счетчиков» .............................................. 121
4.2.1. Исследование принципов построения и функционирования
самоостанавливающегося суммирующего двоичного счетчика 
............... 121
4.2.2. Исследование принципов построения и функционирования
вычитающего двоичного счетчика .............................................................. 126
4.3. Контрольные вопросы по теме «Счетчики» ........................................ 131
ТЕМА 5: СОПРЯЖЕНИЕ ЦИФРОВЫХ
И АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ 
................................................................ 132
5.1. Краткие теоретические сведения .......................................................... 132
5.1.1. Цифроаналоговые преобразователи .................................................. 133
5.1.2. Общая структурная схема ЦАП 
......................................................... 134
5.1.3. Основная схема простого ЦАП 
.......................................................... 135
5.1.4. Цифроаналоговый преобразователь лестничного типа ................... 136
6 

5.1.5. Сопряжение цифровых и аналоговых устройств.
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) .............................................. 138
5.1.6. Базовая структурная схема
аналого-цифрового преобразователя (АЦП) .............................................. 139
5.1.7. Структурная схема АЦП с динамической компенсацией................ 141
5.1.8. Интегрирующий АЦП 
......................................................................... 142
5.1.9. АЦП последовательного приближения 
............................................. 143
5.1.10. Характеристики АЦП и ЦАП 
........................................................... 145
5.2. Экспериментальная проверка основных теоретических  
положений. «Исследование схемотехники, принципов построения
и функционирования устройств сопряжения» ........................................... 148
5.2.1. Исследование цифро-аналогового преобразователя
с взвешивающей резистивной матрицей 
..................................................... 148
5.2.2. Исследование цифро-аналогового преобразователя
с резистивной матрицей R-2R 
...................................................................... 151
5.2.3. Исследование аналого-цифрового преобразователя ........................ 152
5.2.4. Исследование двойного преобразования АЦП-ЦАП 
....................... 153
5.3. Контрольные вопросы по теме
«Сопряжение цифровых и аналоговых устройств» ................................... 157
ПРИЛОЖЕНИЯ 
............................................................................................. 158
Приложение 1
Пояснения к работе схемы АЦП 
.................................................................. 158
Приложение 2
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ.
ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ РАБОТ 
............. 159
П.2.1. Подготовка оборудования к выполнению лабораторных работ .... 159
П.2.2. Требования к содержанию и оформлению
отчета по лабораторным работам ................................................................ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
............................................................................. 164
 
7 

ПРЕДИСЛОВИЕ. 
 ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ 
«СХЕМОТЕХНИКА»  
 
Схемотехника, как неотъемлемая, функциональная часть электроники, 
лежит в основе радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, 
телевидения, мультимедийных и связных систем, систем радиоуправления, 
систем радиоэлектронной борьбы и т. д.  
Схемотехника является базой электронного приборостроения, производства источников электропитания, техники высокочастотных измерений 
и др. Схемотехнические решения используются в различных системах дистанционного управления и контроля, для наблюдения за процессами, протекающими в условиях, недоступных для человека. Особыми разделами 
применения схемотехники являются приборы и устройства, необходимые 
для генерации СВЧ-колебаний.  
Можно сказать, что схемотехника «окружает» нас практически во всех 
сферах науки, техники, а также при использовании электроники в быту. 
Роль схемотехники в настоящее время существенно возрастает в связи с 
применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования 
электрической энергии.  
Несколько замечаний об особенностях изучения дисциплины «Схемотехника» [1]. 
1. Учитывая сложность дисциплины «Схемотехника», с учетом тридцатилетнего опыта работ в научно-исследовательском институте по разработке и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры, двадцатилетнего 
опыта преподавания этой дисциплины, автор считает, что до изучения дисциплины «Схемотехника» (любых направлении подготовки) студенты 
должны иметь представление об общем современном развитии, о прорывных, перспективных направлениях науки и техники. Это обусловлено тем, 
что схемотехника лежит в основе практически всех этих направлений. По 
данной, специальной дисциплине должны быть уже освоены минимально 
необходимые (основные) знания по элементной базе электроники, основы 
усиления сигналов, виды модуляции и др. Освоено умение использования 
прикладных программ.  
И главное – специфика схемотехники – студенты должны уметь «думать», уметь анализировать, сопоставлять, уметь делать выводы при изучении схемотехнических решений. Это основополагающие требования. 
И здесь возникает одна из главных проблем изучения дисциплины  
в ВУЗе – определение планируемых пропорций между объемами (часами) 
по изучению соответствующих теоретических знаний и часами, 
8 

выделяемыми на практические работы (компетенции), задаваемых федеральными образовательными стандартами высшего образования (ФГОС 
ВО). Уточним, что в указанных материалах речь идет, как правило, о компетенциях, а не о компетентности. 
Фундаментальные знания, теоретические знания по профессиональным дисциплинам формируют компетентность специалиста. Эти знания 
позволят ему проявить себя в любой жизненной ситуации. Знания позволят 
специалисту быть «генератором» новых идей, создателем новых знаний, 
соответственно, новых технологий и новой техники.  
Знания являются основой компетенций, которые в дальнейшем могут 
быть реализованы на конкретном производстве, при решении конкретных 
задач. 
Однако, в связи со стремительным развитием техники и технологий к 
моменту окончания ВУЗа приобретенные компетенции, как правило, устаревают и обесцениваются. 
К сожалению, в реальности требования ФГОС-ов приводят к тому, что 
при планировании объемов подготовки акценты смещены в пользу компетенций, а не в пользу теоретических знаний. Но уменьшение теоретической 
подготовки, естественно, «бумерангом» приводит к ухудшению уровня 
подготовки по освоению компетенций!  
 Уменьшение числа часов теоретической подготовки связано еще и с 
тем, что в учебных планах почти 50 процентов (!) учебного времени выделяется на самостоятельную подготовку (ФГОС!). В результате такого планирования студенты практически плохо знают и теорию, и имеют слабые 
компетенции по изучаемой дисциплине. Профессиональная подготовка, конечно же, становится практически нереализуемой. 
2. Одна из сторон специфики схемотехники заключается в том, что при 
обсуждении современных схемотехнических процессов, необходимы знания из физики, химии, биологии, нанотехнологий и др. 
Однако, к сожалению, студенты практически этих знаний не имеют 
(как базовых, фундаментальных, так и о современных достижениях), что 
негативно сказывается на освоении дисциплины «Схемотехника». 
Выше отмечалось, что изучение схемотехники связано с освоением 
прикладных программ, с освоением методов компьютерного моделирования. 
При моделировании электронные схемы представляются математической моделью, под которой понимается система уравнений, описывающая 
процессы в схеме. Однако использование компьютеров при моделировании 
не освобождает студентов от анализа полученных материалов. Этот анализ, 
может быть, успешными только в том случае, если студент хорошо понимает физическую сущность процессов, происходящих в разрабатываемой 
9 

схеме, и осознает технические ограничения ее реализации [10]. Однако, вопросы осмысленного освоения и использования прикладных программ являются очень большой проблемой в настоящее время.  
К сожалению, большинство студентов «не приучены думать». Для решения возникшей проблемы при анализе работы схемы – максимум, на что 
студенты способны – обращаются к «Гуглу». А там ответа нет! Нужно 
включать «мыслительный аппарат». Но он не работает! Это не вина студентов. Это их беда, рожденная существующим школьным образованием. Бывшие школьники не приучены усваивать предыдущий материал, являющимся базой последующего. Не приучены искать пути решения проблемы, 
строить логические построения и сопоставления, необходимые при анализе 
работы электронных схем, отсутствует самостоятельность суждений. Безусловно, среди студентов есть отличники. Они активно участвуют в решении возникающих задач, проявляют находчивость. Но это, как правило, исключение. 
В молодежной среде (и не только) сложилось убеждение, что смартфон, 
интернет даст ответ на любой вопрос. Зачем напрягаться, заучивать таблицу 
умножения, размышлять?  
Конечно, прогресс не становить, гаджеты нужны, они удобны. Но вот 
«оборотная сторона» гаджетов: результаты последнего исследования в рамках Международной программы оценки образовательных достижений учащихся (PISA), проведенного в 2018 г. в 79 странах, показали, что четверть 
учащихся в возрасте 15 лет не в состоянии понять и проанализировать даже 
простейшие тексты. 
Следует отметить, что зависимость от гаджетов, интернета не так уж 
безобидна. Понятие «цифровое слабоумие» было введено по результатам 
обследования молодых людей Южной Кореи, которое проводится, начиная 
с 2007. Оказывается, что цифровая зависимость, цифровая аутизация – это 
болезнь, медицинские симптомы которой полностью совпадают с наркотической зависимостью, ранней стадией деменции. Отмечено снижение интеллектуальных способностей и других личностных характеристик. 
Это характеристика сегодняшнего школьного образования, которая 
полностью «перетекает» в проблему преподавания в ВУЗе. Было бы неправильно списывать эту проблему на технический прогресс. Решение вопроса 
умеренного дозирования использования гаджетов.  вероятно, должно быть 
комплексным – семья, школа, социальное окружение (не сети!) и т. д. 
При преподавании дисциплины «Схемотехника» решать эти проблемы 
приходится в текущем режиме, отвлекая студентов от гаджетов, ссылаясь 
на фундаментальные физические законы, объясняя студентам методы, 
принципы соответствующих решений схемотехнических задач, объясняя 
трактовку результатов моделирования, приглашая их к размышлениям. 
10