Самостоятельное изучение схемотехники. Основные понятия. Часть 1
Изучение цифровой схемотехники нужно начинать с теории автоматов. В этой статье можно найти некоторые элементарные вещи, которые помогут не потеряться в дальнейших статьях. Я постарался сделать статью легкочитабельной и уверен, что неподготовленный читатель сможет в ней легко разобраться.
Сигнал — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигнал, в отличие от сообщения, может генерироваться, но его приём не обязателен (сообщение должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением, а всего лишь сигналом).
В статье рассматривается цифровой дискретный сигнал. Это такой сигнал, который имеет несколько уровней. Очевидно, что двоичный сигнал имеет два уровня — и их принимают за 0 и 1. Когда высокий уровень обозначается единицей, а низкий нулем — такая логика называется позитивной, иначе негативной.
Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.
В природе дискретных сигналов не существует, по этому их заменяют аналоговыми. Аналоговый сигнал не может перейти из 0 в 1 мгновенно, по этому такой сигнал обладает фронтом и срезом.
Если рисовать упрощенно то это выглядит так: 
1 — низкий уровень сигнала, 2 — высокий уровень сигнала, 3 — нарастание сигнала (фронт), 4 — спад сигнала (срез)
Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции. Вот основные:
Отрицание — инвертирует сигнал.
На схемах обозначается так:
Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция)
Логическое И (логическое умножение, конъюнкция)
Последние два могут иметь отрицание на выходе (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Значения их логических функций инвертируются, а на схеме выход рисуется кружочком.
Сводная таблица логических функций двух аргументов выглядит так:
Работа с логическими функциями основывается на законах алгебры логики, основы которых изложены в прикрепленном файле. Так же там есть задания для самоконтроля и контрольные вопросы по теме.
Проектирование логических схем с помощью функций алгебры логики
Логической схемой называется совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы выполнялся заданный закон функционирования схемы, иначе говоря, — выполнялась заданная логическая функция.
По зависимости выходного сигнала от входного все электронные логические схемы можно условно разбить на:
Схемы первого рода, т.е. комбинационные схемы, выходной сигнал которых зависит только от состояния входных сигналов в каждый момент времени;
Схемы второго рода или накапливающие схемы (схемы последовательностные), содержащие накапливающие схемы (элементы с памятью), выходной сигнал которых зависит как от входных сигналов, так и от состояния схемы в предыдущие моменты времени.
По количеству входов и выходов схемы бывают: с одним входом и одним выходом, с несколькими входами и одним выходом, с одним входом и несколькими выходами, с несколькими входами и выходами.
По способу осуществления синхронизации схемы бывают с внешней синхронизацией (синхронные автоматы), с внутренней синхронизацией (асинхронные автоматы являются их частным случаем).
Практически любой компьютер состоит из комбинации схем первого и второго рода разной сложности. Таким образом, основой любого цифрового автомата, обрабатывающего цифровую информацию, являются электронные элементы двух типов: логические или комбинационные и запоминающие. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие служат для ее хранения. Как известно, логическая операция состоит в преобразовании по определенным правилам входной цифровой информации в выходную.
Можно считать, что элементарные логические функции являются логическими операторами упомянутых электронных элементов, т.е. схем. Каждая такая схема обозначается определенным графическим символом. (Они были представлены выше — Элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ)
В качестве примера ниже представлена схема электрическая функциональная логического преобразователя (комбинационного автомата), реализующего логическую функцию 
в элементном базисе из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
Для закрепления предлагаю, самостоятельно синтезировать логическую схему, реализующую следующие логические функции:
Сделать это можно к примеру в Electronic workbench.
Вот для примера первое выполненное задание:
Hint: Для того чтобы включить условные обозначения в соответствии с отечественными ГОСТ-ами в файл настроек EWB.INI нужно добавить строку DIN = ON
На этом первая часть статьи заканчивается. Надеюсь, что она была не слишком утомительной. Все вышеописанное необходимо для понимания принципов работы с сигналами в электрических схемах. В следующей статье будут рассмотрены способы минимизации логических функций, понятие абстрактного автомата и пример синтеза RS-триггера.
схемотехника
СХЕМОТЕХНИКА — научно техническое направление, охватывающее проблемы анализа и синтеза электронных устройств радиотехники, связи, автоматики, вычислительной техники и др. в целях обеспечения оптимального выполнения ими заданных функций и расчета параметров… … Большой Энциклопедический словарь
схемотехника — сущ., кол во синонимов: 2 • микросхемотехника (1) • схемота (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
СХЕМОТЕХНИКА — принципы и методы синтеза и реализации схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники, обеспечивающие их оптимальные характеристики на основе использования физ. свойств и технических… … Большая политехническая энциклопедия
схемотехника — grandinių projektavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. circuit design; circuit engineering; circuit technique vok. Schaltungsentwurf, m; Schaltungstechnik, f rus. проектирование схем, n; схемотехника, f pranc. circuiterie, f;… … Automatikos terminų žodynas
схемотехника — grandinių technika statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. circuit engineering; circuit technique; circuitry vok. Schaltungstechnik, f rus. схемотехника, f pranc. circuiterie, f; technique des circuits, f … Radioelektronikos terminų žodynas
Схемотехника — научно техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем (См. Схема) электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Основная задача С. синтез… … Большая советская энциклопедия
СХЕМОТЕХНИКА — научно технич. направление, охватывающее проблемы анализа и синтеза электронных устройств радиотехники, связи, автоматики, вычислит. техники с целью обеспечения оптим. выполнения ими заданных функций. С. предусматривает разработку структуры… … Большой энциклопедический политехнический словарь
схемотехника — схемот ехника, и … Русский орфографический словарь
схемотехника — (1 ж) … Орфографический словарь русского языка
Введение в схемотехнику/Что такое схемотехника
В этом разделе разберем более подробно смысл термина схемотехника, а так же выделим отличия этой дисциплины от других, связанных с электрическими явлениями.
Содержание
Понимание термина «схемотехника» [ править ]
Снова рассмотрим определение термина схемотехника из Большой советской энциклопедии:
Схемотехника, научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники.
Если оставить только ключевые слова из определения, то
схемотехника — это наука о проектировании и исследовании схем электронных устройств.
Слова проектирование и исследование достаточно понятны, они говорят нам о том, что в схемотехнике, как и во многих других научно-технических дисциплинах, большинство задач можно разделить на два класса:
- задачи синтеза («объединения ранее разрозненных вещей») — создание схемы некоего устройства из отдельных деталей или блоков.
- задачи анализа («расчленения целого на составные части») — исследование поведения и свойств большой системы на основании информации о свойствах её составляющих.
Слово схема нуждается в отдельном пояснении. Предмет изучения схемотехники — это схемы, и этот термин имеет два значения:
- Во-первых, электрическая схема — это условное графическое представление некоторой электрической цепи. В зависимости от назначения используются различные виды схем (принципиальная схема, эквивалентная схема и другие).
- Во-вторых, схема — это сама электрическая цепь (например, интегральная схема).
Можно сказать, что задача схемотехники — это анализ и проектирование реальных электронных устройств, но при этом схемотехника оперирует «схемой» — абстрактным представлением устройства в виде совокупности условных обозначений.
Смежные дисциплины [ править ]
Электроника [ править ]
В рамках электроники [2] изучаются физические основы функционирования электронных устройств. Рассматривается достаточно «низкий» физический уровень, то есть взаимодействие электронов с электромагнитными полями.
Схемотехника находится на более высоком уровне абстракции, чем электроника: в рамках электроники разрабатываются отдельные «детали» (транзисторы, диоды, электронные лампы и т.д.), а в рамках схемотехники эти детали используются. При этом для схемотехники совершенно не важно, как устроены электронные компоненты и какие физические принципы положены в основу их работы. Схемотехника обычно рассматривает все электронные компоненты как черные ящики (подобно тому, как мы успешно пользуемся мобильными телефонами, не задумываясь об их внутреннем устройстве). По этой причине для изучения схемотехники не требуются глубокие познания в общей физике: для начала достаточно школьного курса.
Теория электрических цепей [ править ]
Изучение свойств отдельных электронных компонентов (например, транзистора) является задачей электроники. Но если соединить несколько компонентов проводниками, то возникает совершенно новая сущность — электрическая цепь; в ней отдельные компоненты взаимодействуют и, благодаря этому, возникают новые эффекты и процессы, которые в отдельных компонентах наблюдать нельзя. Изучением процессов в электрических цепях занимается отдельная дисциплина — теория электрических цепей.
Теория электрических цепей [3] — раздел теоретической электротехники, в котором рассматриваются математические методы вычисления электрических величин в электрических цепях.
Теория цепей оперирует не реальными электронными компонентами (они слишком сложны для точного математического описания), а их простыми идеализированными моделями. Можно даже считать, что теория цепей вообще не интересуется реальными компонентами (транзисторами, диодами и т.д.), а ограничивается изучением только идеализированных моделей. Чтобы применить методы теории цепей к реальным устройствам, их необходимо представить в виде эквивалентных схем, содержащих только идеализированные модели.
Теория цепей дает для схемотехники методы для изучения процессов в электрических цепях. В некотором смысле задачи этих двух дисциплин перекрываются (обе имеют дело с процессами в электрических цепях). Отличие заключается в том, что теория цепей дает методы работы с абстрактными идеализированными моделями, а схемотехника применяет эти методы для построения реальных устройств.
В рамках данного курса будут рассмотрены основы теории цепей, необходимые для перехода к схемотехнике.