Электроника. Цифровые элементы и узлы электронной аппаратуры

 
 
 
 
ǧ. Ǩ. ǩȒȇȘȕȉ 
 
 
 
 
 
 
ȄDzǬDZǹǷǵǴǯDZǧ 
ǽǯǻǷǵǩȂǬ ȄDzǬdzǬǴǹȂ ǯ ǺǮDzȂ  
ȄDzǬDZǹǷǵǴǴǵǰ ǧǶǶǧǷǧǹǺǷȂ 
 
ǺȞȌȈȔȕȌ ȖȕȘȕȈȏȌ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dzȕȘȑȉȇ    ǩȕȒȕȊȋȇ 
«ǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ» 
2024 

УДК 621.382 
ББК 32.85 
В58 
 
 
Рецензенты: 
директор ООО «Севремавтоматика» Масюк Сергей Григорьевич; 
д. т. н., доцент, замдиректора АНОДО «Учебный центр охраны труда» 
Подобед Виталий Александрович 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Власов, А. Б. 
В58  
Электроника. Цифровые элементы и узлы электронной аппаратуры : 
учебное пособие / А. Б. Власов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 216 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1598-9 
 
Представлены материалы, связанные с проблемами строения, принципами работы цифровых элементов и узлов разнообразной электронной аппаратуры. Включены сведения о работе различных микросхем, которые используются в цифровой и 
аналоговой технике.  
Для учащихся технических специальностей вузов, колледжей, в учебных планах которых предусмотрено изучение разделов аналоговой и цифровой электроники, 
преобразовательной техники, основ схемотехники. Может быть полезно для школьников старших классов при проведении профориентационных занятий в центрах технического творчества типа «Кванториумов», «Сириуса» при подготовке к научнотехническим конференциям. 
 
УДК 621.382 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1598-9 
” Власов А. Б., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
.......................................................................................................... 6 
ГЛАВА 1. Логические элементы и функции 
............................................................ 8 
Введение ....................................................................................................................... 8 
1.1. Логические элементы и операции .................................................................... 10 
1.1.1. Базовые лигические операции и логические элементы .............................. 11 
1.1.2. Универсальные логические операции и функции ....................................... 13 
1.1.3. Производные логические функции ............................................................... 14 
1.1.4. Понятие о логическом базисе ........................................................................ 16 
1.1.5. Общие сведения о теоремах и законах алгебры логики 
.............................. 17 
1.1.6. Моделирование работы логических элементов в программах ЭВМ 
......... 20 
1.1.7. Понятие о синтезе и анализе логических схем ............................................ 22 
1.1.8. Классификация, элементы и узлы логических устройств 
........................... 26 
ГЛАВА 2. Цифровые интегральные микросхемы ................................................. 30 
Введение ..................................................................................................................... 30 
2.1. Основные параметры ИМС ............................................................................... 30 
2.2. Реализация логических элементов на ИМС .................................................... 33 
2.2.1. Диодные логические элементы 
...................................................................... 33 
2.2.2. Транзисторная логика с непосредственными связями (НСТЛ) ................. 35 
2.2.3. Транзисторная логика с резисторной связью (РТЛ)  
................................... 36 
2.2.4. Транзисторная логика с резистивно-емкостной связью (РЕТЛ)  ............... 36 
2.2.5. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ)  
........................................................... 37 
2.2.6. Логический элемент «ИЛИ-НЕ»  
................................................................... 41 
2.2.7. Высокопороговая логика (ВПДТЛ)  
.............................................................. 41 
2.2.8. Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)  ................................................ 42 
2.2.8.1. Принцип построения ТТЛ ........................................................................... 42 
2.2.8.2. Характеристики базового элемента ТТЛ ................................................... 46 
2.2.8.3 Логика с диодами Шоттки (ТТЛШ)  ........................................................... 50 
2.2.8.4. Особенности схем ТТЛ 
................................................................................ 51 
2.2.9. Интегральная инжекционная логика (И2Л) ................................................. 52 
2.2.10. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)  
........................................................... 54 
2.2.11. N-канальная МОП логика (n-МДПЛ)  
......................................................... 56 
2.2.12. Комплементарная МОП-логика (КМОП, КМДПЛ)  ................................. 58 
2.2.13. Специальные логические элементы ............................................................ 60 
2.2.14. Параметры и обозначения логических ИМС ............................................. 62 
2.2.15. Сравнительная характеристика различных типов логик .......................... 65 
2.3. Обшие свдения о микросхемах постоянных запоминающих  
устройства .................................................................................................................. 67 
2.3.1. Однократно программируемые ПЗУ 
............................................................. 67 
2.3.2. Перепрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) ............................................................ 72 
ГЛАВА 3. Триггеры  ................................................................................................. 76 
Введение ..................................................................................................................... 76 
3.1. Типы, строение и функции триггеров .............................................................. 77 
3 

3.1.1. Общие сведения о типах триггеров 
............................................................... 77 
3.1.2. Статический асинхронный RS-триггер 
......................................................... 82 
3.1.3. Синхронный (тактируемый) RS-триггер ...................................................... 85 
3.1.4. Триггеры S-, R-, E-типа .................................................................................. 87 
3.1.5. D-триггер 
.......................................................................................................... 89 
3.1.6. Т-триггер .......................................................................................................... 92 
3.1.7. JK-триггеры 
...................................................................................................... 94 
3.1.8. Свойства микросхемы К155ТЛ1 
.................................................................... 97 
3.1.9. Свойства микросхемы К155ТВ1 
.................................................................... 98 
3.2. Триггеры на дискретных элементах и ИМС 
.................................................. 100 
3.2.1. Триггер Шмитта на транзисторах 
................................................................ 100 
3.2.2. Триггер на управляемых тиристорах .......................................................... 103 
ГЛАВА 4. Типовые узлы цифровых устройств  .................................................. 106 
4.1. Операционные элементы цифровых устройств ............................................ 106 
4.1.1. Регистры ......................................................................................................... 106 
4.1.2. Параллельный регистр (регистр памяти)  
................................................... 107 
4.1.3. Последовательный (сдвигающий) регистр памяти 
.................................... 109 
4.1.4. Параллельно-последовательные и реверсивные регистры ....................... 113 
4.1.5. Свойства микросхемы К155ИР15 
................................................................ 115 
4.1.6. Свойства микросхемы К531ИР12 
................................................................ 117 
4.2. Счетчики импульсов ........................................................................................ 119 
4.2.1. Общие сведения о счетчиках ....................................................................... 119 
4.2.2. Двоичные счетчики ....................................................................................... 120 
4.2.2.1. Суммирующий счетчик с последовательным переносом ...................... 121 
4.2.2.2. Вычитающий счетчик с последовательным переносом 
......................... 122 
4.2.2.3. Двоично-кодированные счетчики 
............................................................. 123 
4.2.2.4. Кольцевые счетчики 
................................................................................... 127 
4.3. Свойства микросхемы К155ИЕ2 
..................................................................... 129 
4.4. Общие сведения о преобразователях кодов .................................................. 131 
4.5. Преобразователи кодов – шифраторы 
............................................................ 134 
4.5.1. Общие сведения о шифраторах ................................................................... 134 
4.5.2. Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного  
индикатора ............................................................................................................... 136 
4.5.3. Свойства микросхемы КМ555ИВ1 
.............................................................. 138 
4.6. Преобразователи кодов – дешифраторы 
........................................................ 140 
4.6.1. Общие сведения о дешифраторах 
................................................................ 140 
4.6.2. Микросхемы дешифраторов ........................................................................ 142 
4.6.2.1. Свойства микросхемы К155ИД1 .............................................................. 142 
4.6.2.2. Свойства микросхемы К155ИД7 .............................................................. 144 
4.6.2.3. Свойства микросхемы К155ИД3 .............................................................. 145 
4.7. Мультиплексоры .............................................................................................. 148 
4.7.1. Общие сведения о мультиплексорах 
........................................................... 148 
4.7.2. Описание ИМС мультиплексоров  .............................................................. 149 
4.7.2.1. Свойства микросхемы К155КП7  ............................................................. 149 
4 

4.7.2.2. Свойства микросхемы К155КП1 .............................................................. 151 
4.8. Демультиплексоры ........................................................................................... 153 
4.9. Арифметическо-логические узлы 
................................................................... 154 
4.9.1. Сумматоры ..................................................................................................... 154 
4.9.2. Цифровые схемы сравнения 
......................................................................... 159 
4.9.3. Выполнение операций арифметического умножения 
............................... 161 
4.9.4. Понятие об арифметическо-логическом узле ............................................ 162 
ГЛАВА 5. Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые устройства 
.................... 164 
5.1. Цифро-аналоговые преобразователи 
.............................................................. 164 
5.2. Аналого-цифровые преобразователи ............................................................. 174 
5.2.1. Методы создания АЦП без использования ЦАП 
....................................... 175 
5.2.1.1. АЦП параллельного действия 
................................................................... 175 
5.2.1.2. АЦП последовательного счета 
.................................................................. 179 
5.2.1.3. АЦП с двукратным интегрированием 
...................................................... 181 
5.3. Методы создания АЦП с использованием ЦАП 
........................................... 184 
5.3.1. АЦП последовательного счета  
.................................................................... 184 
5.3.2. АЦП следящего типа 
..................................................................................... 185 
5.3.3. АЦП поразрядного кодирования  ................................................................ 186 
ГЛАВА 6. Формирователи импульсных сигналов и генераторы  
на логических элементах ........................................................................................ 192 
Введение ................................................................................................................... 192 
6.1. Формирователь прямоугольных импульсов на логических элементах  
..... 192 
6.2. Формирователь коротких импульсов  
............................................................ 193 
6.3. Формирователь длинных импульсов 
.............................................................. 194 
6.4. Формирователь импульсов на одновибраторе .............................................. 196 
6.5. Дребезг контактов и формирователи импульсов 
с запуском от механических переключателей 
...................................................... 198 
6.6. Логические состязания и «иголки»  ............................................................... 201 
6.7. Генераторы импульсов на логических элементах ........................................ 202 
6.7.1. Мультивибратор на параллельно соединенных ЛЭ  
.................................. 202 
6.7.2. Ждущий мультивибратор (одновибратор) на параллельно  
соединенных ЛЭ ...................................................................................................... 204 
6.7.3. Мультивибратор на последовательно соединенных элементах 
............... 205 
6.8. Таймеры и схемы с одним устойчивым состоянием .................................... 207 
6.8.1. Общие сведения о таймерах 
......................................................................... 207 
6.8.2. Одновибратор на таймере К1006ВИ1 ......................................................... 209 
6.8.3. Мультивибратор на таймере К1006ВИ1 ..................................................... 210 
Литература ............................................................................................................... 212 
 
 
 
 
 
 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Учебное пособие создано на основе разделов курсов лекций «Судовая 
электроника и силовая преобразовательная техника» для курсантов специальности 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» и студентов технических направлений по курсам «Физические основы 
электроники», «Электротехника и электроника» Мурманского Арктического 
университета.  
Данное учебное пособие является логическим завершением методических 
материалов автора [3, 4], представленных ранее по разделам: 
– «Электроника. Элементы электронных схем»; 
– «Электроника. Основные аналоговые элементы и узлы электронной аппаратуры». 
Предназначено для использования при самостоятельной подготовке курсантами и студентами, в том числе, при дистанционном обучении, получающих 
начальные сведения о приборах, устройствах, схемах цифровой электроники, 
применяемых на морских судах, инфраструктуры флота, объектах береговой 
энергетики. 
Содержание материала в учебном пособии связано с программами ФГОС 
вузов многих технических специальностей и направлений, которые характеризуются профессиональными компетенциями:  
– осуществлять безопасное техническое использование, техническое обслуживание электрооборудования и средств автоматики в соответствии с требованиями нормативно–технических документов; 
– выполнять диагностирование, техническое обслуживание и ремонт электроэнергетического электрооборудования и средств автоматики; 
– осуществлять выбор электрооборудования и элементов систем автоматики для замены в процессе эксплуатации устройств и приборов; 
– устанавливать причины отказов электрооборудования и средств автоматики, определять и осуществлять мероприятия по их предотвращению. 
По тематике вопросов, включенных в настоящее пособие, в предыдущие 
годы написано множество хороших учебников и пособий, тем не менее, многие 
материалы остаются недостаточно раскрытыми для понимания студентов, в 
особенности, с учетом сокращения контактных часов, выделяемых в рамках современных ФГОС и учебных планов, разрабатываемых вузами.  
Проблема преподавания и изменения содержания пособий становится еще 
более актуальной, в связи с намеченным переходом от бакалавриата к отечественному специалитету, для которого характерна «старая» школа преподавания 
технических дисциплин с углубленным изучением и пояснением процессов, 
приборов, принципами их действия. 
В материалы пособия включены основные элементы, которые используются узлы цифровой электроники. Особое внимание уделено анализу схем, которые используются для создания микросхем логических элементов.  
6 

Для детализации работы основных узлов цифровой электроники проведен 
анализ промышленных интегральных микросхем: счетчиков импульсов, регистров, преобразователей кодов, мультиплексоров и демультиплексоров, таймеров и других. 
Дополнительно представлены различные схемные решения формирователей импульсных сигналов и генераторов на логических элементах: мультивибраторы, одновибраторы, проведен анализ дребезга контактов и формирователей 
импульсов с запуском от механических переключателей. 
Приводится расширенный список литературы, с помощью которой учащиеся технических специальностей могут самостоятельно освоить специализированные вопросы, которые выходят за рамки данного материала или детализировать их. 
Пособие может быть полезно учащимся старших классов школ, колледжей 
при изучении электроники и работе над выбором научной тематики для внешкольного обучения в молодежных научно-технических центрах типа «Кванториумов», «Сириуса» и других. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

ГЛАВА 1. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ФУНКЦИИ 
 
Введение 
 
Устройства электронной информационно-измерительной аппаратуры решают главную задачу – выделение и обработку информации, переносимую сигналами. 
В аналоговой аппаратуре непрерывный входной сигнал (напряжение, ток) 
усиливается, преобразуется, фильтруется, и после соответствующей обработки 
из него выделяется информация, измеряемая соответствующими устройствами. 
Результат измерений отображается электронно-лучевой трубкой, стрелочными 
измерительными приборами и т. п. Выходными устройствами аналоговой аппаратуры могут быть силовые узлы, механизмы, в том числе электродвигатели, 
элементы защиты оборудования и другие. 
В цифровой аппаратуре большая часть операций по выделению и измерению информации, переносимой сигналами, производится в цифровой форме и 
отображается цифровыми индикаторами. 
Особенностью цифровых информационно-измерительных устройств, в отличие от аналоговых, является то, что цифровой сигнал представляется в двоичном коде, который реализуется двумя дискретными значениями: логическим 
нулем «лог. 0» и логической единицей «лог. 1».   
Логические единицы «1» и логические нули «0», из которых составляется 
двоичное число, называются битами; восемь бит образуют байт. Например, десятичное число 510 в двоичном восьмиразрядном коде (1 байт) имеет запись 
000001012. 
Два элемента булевой алгебры (булевы переменные) называются ее константами Х = 0 и Х = 1. Эти элементы называют лог. 0 или лог. 1, для того,  
чтобы отличить их от двоичных цифр. 
Для обработки и преобразования информации применяют цифровые методы, базирующиеся на представлении сигнала в цифровой форме. Цифровая 
форма представления сигнала упрощает анализ импульсных систем и позволяет 
использовать при их разработке математический аппарат, называемый «алгебра 
логики» или, другими словами, двузначная булева алгебра. 
Преобразования двоичных сигналов выполняются в соответствии с логическими действиями булевой алгебры, краткое изложение которой представлено ниже. 
Блоки логики являются одной из важных частей современных систем автоматического управления [6, 7, 11, 12, 17, 21, 23, 25, 28, 29, 30, 32], поскольку в 
них осуществляется выбор последовательности действий, анализируются сигналы, полученные от датчиков, выбираются и передаются на исполнительные 
органы управляющие сигналы. Блоки логики состоят из логических элементов 
(ЛЭ) технических устройств, осуществляющих простейшие операции с двоичными сигналами. Основные логические элементы и их обозначения представлены в таблице 1.1. 
8 

Условные обозначения 
Название ЛЭ 
Россия 
Разные 
Группа 
ЛЭ 
Релейная 
схема 
Обозначение 
ИМС 
ЛН 
«Отрицание», 
«Инверсия», 
«НЕ», «NOT» 
 
 
 
 
ЛЛ 
«Дизъюнкция» 
«ИЛИ» 
«OR» 
 
 
 
 
Базовые 
ЛЭ 
ЛИ 
«Конъюнкция» 
«И» 
«AND» 
 
 
 
 
ЛА 
«Штрих Шеффера» 
«И-НЕ» 
«NAND» 
 
 
 
 
ЛЕ 
Универсальные ЛЭ 
«Стрелка Пирса» 
«ИЛИ-НЕ» 
«NOR» 
 
 
 
ЛП 
«Равнозначность» 
«Исключающее ИЛИНЕ» 
«XNOR» 
 
 
 
 
ЛП 
«Неравнозначность» 
«Исключающее ИЛИ» 
«XOR» 
 
 
 
 
«Запрет» 
ЛП 
 
 
 
 
Производные 
ЛЭ 
«Импликация» 
ЛП 
 
 
 
 
«Повторение» 
ЛП 
 
 
 
 
Т а б л и ц а  1.1 
Основные логические элементы, их обозначения и релейное представление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 

В устройствах логики (блоки обработки, приема передачи и хранения информации и другие) используются элементы, входные и выходные информационные сигналы которых могут принимать только два значения, характеризуемые 
двумя фиксированными уровнями напряжения1 (высокий  сигнал, низкий  нет 
сигнала). Уровню высокого напряжения придается значение логической единицы, а низкому  значение логического нуля. Элементы (узлы) цифровых 
устройств образованы из логических элементов комбинационной и последовательностной логики. 
Если логическая схема состоит из логических элементов, и в них нет обратных связей, то подобную схему называют комбинационной. Значения переменных на выходах комбинационной логический схемы полностью (однозначно) определяются входными переменными в данный момент времени. 
Раздел алгебры логики, описывающий работу цифровых устройств, обладающих «памятью», называется последовательностной логикой. В подобных 
устройствах значения переменных на выходах схемы определяются не только 
значениями переменных на ее входах в данный момент времени, но и зависит 
от состояния, в котором находится данная схема. 
 
1.1. Логические элементы и операции 
 
Обработка цифровой информации происходит в виде последовательного 
выполнения отдельных элементарных операций. Эти операции выполняются 
операционными элементами.  
К логическим сообщениям относятся информационные сообщения, истинность или ложность которых может быть оценена однозначно: например: «Генератор включен», «Ключ выключен». Логическое сообщение может быть заменено математическим эквивалентом – логической функцией F, которая принимает значение F = 1, если логическое сообщение истинно, и F = 0, если логическое сообщение ложно. 
Обычно значениям лог. 0 и лог. 1 соответствуют двоичные цифры 0 и 1.  
В других случаях лог. 1 соответствует выполнение некоторого (однозначного) 
условия, а лог. 0  не выполнение этого условия, так что «1» соответствует 
TRUE, а «0» – FALSE. 
Для математического описания связей между логическими сообщениями и 
функциями вводят логические операции, которые выполняются логическими 
элементами. Другими словами, логический элемент выполняет логическую 
операцию над логическими переменными, а совокупность ЛЭ реализует выполнение сложной логической функции F, которая может зависеть от нескольких 
переменных Х1, Х2, …, Хn.  
Рассмотрим основные комбинационные ЛЭ, выполняющие десять логических операций (преобразований).  
 
1 В терминах положительной логики значению лог. 1 соответствует высокий уровень напряжения; 
при отрицательной логике значению лог. 1 – низкий уровень напряжения. Положительная логика 
наиболее распространена в современной цифровой электронике. 
10