Простая электроника для начинающих. Цифровая электроника для начинающих
Основная деятельность напрямую не связана с электроникой. Она, как и программирование, всегда были лишь хобби. Семь лет назад я стал папой и вот пришло время научить сына, заодно попутно вспомнить всё, ну и научиться самому.
Вернусь к указанной выше статье. Кто нибудь посчитал количество употреблений слова «тупо»? Тупо берём, тупо вставляем, тупо находим скетч, тупо заливаем. И даже если работает, тупо не понимаем, что, зачем, почему. Я сторонник системного подхода. Но понимаю, что для поддержания интереса нужна и практика. И первое, чему мы научились с сыном, это паять. Нулевым были, наверное, бесконечные инструкции по технике безопасности. И всё же одного, пусть самого маленького, но ожога отскочившим при отпайке провода сын не избежал. Я его безумно люблю, он у меня один. Но считаю, что этот опыт был неизбежен и необходим. Ещё одной из тем нудных инструкций была бытовая электрическая сеть 220 вольт. Что ничего нельзя к ней подключать самому. Объяснения, что нужно долго учиться. Демонстрация фотографий поражения электрическим током, бесконечные истории «А вот, мальчик полез, и ток его убил. Он умер!!». Чувствую, что не прав. Многие скажут «Ты заложил в него комплекс, страх!». Но лучше я потом буду бороться с его фобией 220 вольт, чем он пострадает, самонадеянно решив, что всё сделал правильно, и полезет к розетке сейчас.
Теперь, садясь паять, он надевает одежду с длинным рукавом, всегда придерживает провода. Всегда внимателен к тому, где на столе паяльник, и в каком состоянии он находится. И не лезет к розетке. Вторым была суть электрической цепи. Что такое напряжение, ток, сопротивление. Очень помогли в этом статьи на Хабре. Аналогии с водой и трубами. Может великие гуру и считают их неточными, спорят. Но для ребёнка самое то. Есть батарейка - насос, есть провода - трубы. Есть устройства, использующие напор и объём протекающей воды - электричества. И есть элементы управления. Кнопки, выключатели, переключатели. На примере воды было объяснено, почему сгорел светодиод. Да его просто порвало диким напором. Конечно, были и вопросы. Если его порвало, почему электричество не вытекает? Помнишь, у нас в ванне порвало шланг душа? Пытливый детский ум. Который в итоге смог понять, что есть аналогии. Что вода аналогия, но не то же самое. После была практика. Бесконечные фонарики, маяки на башне из кубиков лего, с пультом управления, вынесенным на проводе. Ветвление цепей, главный выключатель, выключатели отдельных каналов. Суть сопротивлений. Сужение на трубе, форсунка, снижающая напор. Ещё позже были электромоторчики, редукторы. Первый станок из разобранного CD-Rom, рисующего шариковой ручкой всего лишь прямую линию. Но управляемого с выключателей и кнопок. Небольшое введение в механику. Для чего нужен редуктор, как он снижает обороты, но увеличивает силу.
И вот, встал выбор. Что дальше? Ардуино? При том, что он по русски то ещё толком читать не умеет. Путь «Тупо покупаем, тупо вставляем, тупо заливаем скачанную прошивку»? Я решил, а почему бы не быть переходной стадии? Да, микросхемы, но пока БЕЗ ардуино. Просто попробовать свои силы с элементарной логикой. А ещё изучить метод ЛУТ. На носу был день всех влюблённых. И родилось это:
Схема типовая, из мануала к таймеру NE555. Две микросхемы, собственно сам таймер и десятичный счётчик - дешифратор CD4017 (русский аналог К561ИЕ8).
Отличие только в том, что на выходы дешифратора подключены параллельно по два светодиода. Номиналы деталей: R1 от 10 до 47 кОм, VR1 (подстроечный) 47кОм, R2 56 Ом. С1 100мкФ 16В, С2 10мкФ 16В, 20 светодиодов.
Принцип работы: конденсатор С2, резистор R1 и подстроечный резистор VR1 образуют времязадающую цепочку для таймера NE555. Счётчик - дешифратор получает от таймера импульсы и выставляет «единичку» (напряжение питания) на своих выходах, к которым подключены светодиоды. В итоге получается последовательное включение светодиодов - бегущий огонёк. Резистор R2 ограничивает ток светодиодов на уровне 10 - 20 мА (миллиампер). Один на всех, так как в каждый момент времени активен только один выход дешифратора. Источник питания - батарея «Крона». Но схема будет работать как от порта USB, так и от бортовой сети мотоцикла или автомобиля. Надо лишь подобрать значение резистора R2. Обе микросхемы очень неприхотливы и спокойно работают в диапазоне напряжений питания от 5 до 16 вольт. При питании «кроной», номинале R1 10кОм, частота импульсов таймера около 5 герц, ток потребления всей схемы 22 мА.
Печатная плата выполнена в форме сердца из одностороннего фольгированного текстолита, лазерно - утюжным методом. На рисунке дорожек есть линия контура. После травления края грубо опиливаются полотном по металлу, после обрабатываются наждачной бумагой. На изготовление платы уходит 1 час.
На рисунке красным обозначены перемычки, изготавливаемые из обрезаемых ножек светодиодов, впаянные со стороны деталей. Плата разведена в Word"е. Да, не дружу я пока ни с Eagle, ни с Proteus. Но так проще. Открываем, либо печатаем дома на глянцевую фотобумагу на лазерном принтере, либо в фотомастерской, копировальном центре или минитипографии. Я распечатал в ближайшем центре. Цена одного листа 30 рублей. Шесть копий рисунка платы на листе.
Кто не знаком с лазерно-утюжным методом: берём кусок фольгированного текстолита, зачищаем нулёвкой, обезжириваем ацетоном или спиртом. Прикладываем отпечаток дорожек тонером к фольге. Проглаживаем очень горячим утюгом минут пять, стараясь не сдвинуть отпечаток на фольге. Кладём получившийся бутерброд между двумя фанерками, и придавливаем (у меня 2 гантели по килограмму). Когда остынет кидаем в холодную воду. Через пол часа аккуратно скатываем размокшую бумагу. Весь тонер, рисунок, остаётся на фольге. Бумагу надо смыть тщательно, чтобы рисунок не белел при высыхании. Особенно центры отверстий. Так будет легче сверлить. Если есть мелкие недостатки (тонер не везде прилип) - подрисовываем лаком для ногтей. Потом кладём плату в раствор хлорного железа, покачиваем. В свежем растворе плата травится 10 - 12 минут. Для рук он безопасен. Но надо быть аккуратным. Пятна хлорного железа не отмываются с раковин из нержавеющей стали. Раствор можно использовать многократно. После травления промываем плату водой, можно с мылом. Смываем тонер ацетоном. Сверлим отверстия сверлом 1 мм. Они протравлены, кернить не надо, сверло не убегает. Лудим либо все дорожки целиком, либо только контактные площадки (на мой взгляд так красивее). Придаём плате нужную форму ножовочным полотном по металлу и наждачкой. Плата готова.
Подготавливаем детали. Ножки диодов и конденсаторов подрезаем, оставляя 2,5 - 3 мм. Ножки резисторов подгибаем, и также подрезаем. Из обрезков ножек светодиодов делаем перемычки. Ножки деталей должны торчать со стороны дорожек на 0,5 - 1 мм. Запаиваем, обращая внимание на полярность светодиодов (катодом на общий проводник по краю), электролитических конденсаторов и микросхем (плюсы конденсаторов и ключи микросхем помечены красными точками на рисунке дорожек). С пайкой справился мой сын.
Результат:
С корпусом мы не успели. Изготовили только подставку из оргстекла. На плате оставили выступ, на пластинке оргстекла высверлили паз. Заклеили на суперклей. Батарейку приклеили за платой на двухсторонний скотч.
Все детали можно приобрести в любом интернет-магазине. Мы покупали в магазинах города. Все детали, лист текстолита на 2 валентинки, хлорное железо, лак для ногтей нам обошлись в 500 рублей. Причём из них 300 - хлорное железо и текстолит. Светодиоды тоже дороговаты, 6 рублей штучка. На алиекспрессе продаются наборы. Чем больше штук, тем дешевле. Клемма для кроны 25 рублей. Микросхемы, резисторы и конденсаторы, стоят вообще копейки (рубли).
Проект можно модифицировать. Расположить по другому светодиоды, сильно увеличить время переключения, и поставить светодиоды, моргающие всеми цветами хаотично. Либо наоборот, уменьшить время. Получится эффект биения сердца, мерцающий красный контур. Можно сделать повторители поворотников для зеркал авто, мото, вело. Либо поставить под заднее стекло авто как дополнительный стоп-сигнал вместо китайской светодиодной линейки. Только подобрать номинал токоограничивающего резистора R2. Можно на выходы дешифратора повесить транзисторные ключи и хоть десятью новогодними гирляндами управлять.
Было изготовлено 2 готовых устройства, для мамы и двоюродной сестрёнки. И ещё две платы, которые остались лежать до лучших времён. Сын потерял к этому устройству интерес. Ему уже хочется больше. Он уже грезит 3D принтерами и фрезерами. Знает, что там шаговые моторы. Но следующее, чем мы занялись - это велокомпьютер. И он уже будет на ардуино нано. Но об этом уже в следующей статье.
Здравствуйте, мои дорогие друзья! В этом блоге я хочу рассказать всем начинающим радиолюбителям о том, с чего-же всё-таки начать этот нелёгкий путь. Сподвигнули меня написать эту статью люди, которые появляются на форумах и создают там темы с такими громкими названиями, как "помогите отличить на схеме резистор от конденсатора" и "Дайте какие-нибудь схемы, я ничё ни знаю". При том, что люди ничего при этом не знают и не хотят ни что-либо изучать, ни шевелить своим мозгом... Возможно, вам это статья может показаться нудной, но не переживайте - здесь вы почерпнёте много нового
1. Нужно определиться - зачем оно вам?
Этот пункт очень важен - а зачем оно вам? Зачем нужна вам радиотехника?
Радитехника - сложная штука, и если вы будете относиться к ней "халявно", то она может вам этой халявы не простить!
Не думайте, что я вас просто и необоснованно пугаю - поверьте, были очень несчастные случаи. Говорить о них я здесь не буду - захотите, посмотрите в Сети.
Поэтому, перво-наперво, вы должны запомнить: техника безопаснсти и аккуратность должны стоять у вас на первом месте!
2. Начальные понятия и знания о физике.
Для того, чтобы начать путь, необходимо обзавестись начальным багажом знаний, а именно - школьный экскурс об электронике в курсе физики. Из него вы должны подчерпнуть один главный закон, регулирующий процессы в электротехники, так сказать "всея электросети": Закон Ома - I=U/R. Это - основа основ!!! Зная его, вы начнёте понимать электронику! Вообще-то, кроме этого закона, вам от туда необходимо почерпнуть абсолютно всё, ведь физика - царица технических наук!
3. Теория.
Практика невозможна без теории!!! Взявшись паять без каких-либо знаний, вы обрекаете свой прибор на нерабочее состояние!
Я дам несколько книг, которые на мой взгляд прекрасно подходят для изучения радиотехники:
1. Борисов В.Г. Юный радиолюбитель
- скачать с Padabum
Эта книга - начало начал. Возможно, вам покажется эта книга старой, но не переживайте - в этой книге вам необходимо изучить всю теоретическую часть. Она там дана в интересной форме, поэтому скучать вам не прийдётся
2. Ревич Ю.В. - Занимательная электроника
- скачать с Яндекс.Диск
В этой книге изложен укороченный курс электроники - начиная от закона Ома и заканчивая микроконтроллерами. Очень интересная книга!!! Можно начать с неё.
Если вы хотите изучить электронику от начала и почти до конца, изучите великий классический труд - Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники
в трёх томах - скачать с Padabum 1 том , 2 том , 3 том .
Это - величайшее пособие по электронике!!!
Кроме этих книг вы можете найти огромное количество информации на нашем сайте в разделе .
4. Практика.
Как ни крути, но теория невозможна без практики. Разыскивайте схемы, изучайте их, и у вас всё получится!!!
Сайт "Радиосхемы", на котором вы сейчас находитесь, полон схем для повторения. А в разделе полно очень лёгких схем. Обязательно запаситесь терпением, не бросайте дело на полпути - и всё будет хорошо!
Напоследок хочу сказать одну очень важную вещь - соблюдайте технику безопасности!!!
С вами был Antracen
. Удачи!
Существует множество понятий, которые нельзя увидеть собственными глазами и потрогать руками. Наиболее ярким примером служит электротехника, состоящая из сложных схем и малопонятной терминологии. Поэтому очень многие просто отступают перед трудностями предстоящего изучения этой научно-технической дисциплины.
Получить знания в этой области помогут основы электротехники для начинающих, изложенные доступным языком. Подкрепленные историческими фактами и наглядными примерами, они становятся увлекательными и понятными даже для тех, кто впервые столкнулся с незнакомыми понятиями. Постепенно продвигаясь от простого к сложному, вполне возможно изучить представленные материалы и использовать их в практической деятельности.
Понятия и свойства электрического тока
Электрические законы и формулы требуются не только для проведения каких-либо расчетов. Они нужны и тем, кто на практике выполняет операции, связанные с электричеством. Зная основы электротехники можно логическим путем установить причину неисправности и очень быстро ее устранить.
Суть электрического тока заключается в движении заряженных частиц, переносящих электрический заряд от одной до другой точки. Однако при беспорядочном тепловом движении заряженных частиц, по примеру свободных электронов в металлах, переноса заряда не происходит. Перемещение электрического заряда через поперечное сечение проводника происходит лишь при условии участия ионов или электронов в упорядоченном движении.
Электрический ток всегда протекает в определенном направлении. О его наличии свидетельствуют специфические признаки:
- Нагревание проводника, по которому протекает ток.
- Изменение химического состава проводника под действием тока.
- Оказание силового воздействия на соседние токи, намагниченные тела и соседние токи.
Электрический ток может быть постоянным и переменным. В первом случае все его параметры остаются неизменными, а во втором - периодически происходит изменение полярности от положительной к отрицательной. В каждом полупериоде изменяется направление потока электронов. Скорость таких периодических изменений представляет собой частоту, измеряемую в герцах
Основные токовые величины
При возникновении в цепи электрического тока, происходит постоянный перенос заряда через поперечное сечение проводника. Величина заряда, перенесенная за определенную единицу времени, называется , измеряемой в амперах .
Для того чтобы создать и поддерживать движение заряженных частиц, необходимо воздействие силы, приложенной к ним в определенном направлении. В случае прекращения такого действия, прекращается и течение электрического тока. Такая сила получила название электрического поля, еще она известна как . Именно она вызывает разность потенциалов или напряжение на концах проводника и дает толчок движению заряженных частиц. Для измерения этой величины применяется специальная единица - вольт . Существует определенная зависимость между основными величинами, отраженная в законе Ома, который будет рассмотрен подробно.
Важнейшей характеристикой проводника, непосредственно связанной с электрическим током, является сопротивление , измеряемое в омах . Данная величина является своеобразным противодействием проводника течению в нем электрического тока. В результате воздействия сопротивления происходит нагрев проводника. С увеличением длины проводника и уменьшением его сечения, значение сопротивления увеличивается. Величина в 1 Ом возникает, когда разность потенциалов в проводнике составляет 1 В, а сила тока - 1 А.
Закон Ома
Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и . Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.
Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:
- Сила тока: I = U/R (ампер).
- Напряжение: U = I x R (вольт).
- Сопротивление: R = U/I (ом).
Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким - на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов - напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.
Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.
Энергия и мощность в электротехнике
В электротехнике существуют еще и такие понятия, как энергия и мощность , связанные с законом Ома. Сама энергия существует в механической, тепловой, ядерной и электрической форме. В соответствии с законом сохранения энергии, ее невозможно уничтожить или создать. Она может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Например, в аудиосистемах осуществляется преобразование электроэнергии в звук и теплоту.
Любые электрические приборы потребляют определенное количество энергии на протяжении установленного промежутка времени. Эта величина индивидуальна для каждого прибора и представляет собой мощность, то есть объем энергии, который может потребить тот или иной прибор. Этот параметр вычисляется по формуле P = I x U, единицей измерения служит . Он означает перемещение одним вольтом через сопротивление в один ом.
Таким образом, основы электротехники для начинающих помогут на первых порах разобраться с основными понятиями и терминами. После этого будет значительно легче использовать полученные знания на практике.
Электрика для чайников: основы электроники
Твоё путешествие в мир электроники мы начнем с погружения в цифровую электронику. Во-первых, потому что это верхушка пирамиды электронного мира, во-вторых, базовые понятия цифровой электроники просты и понятны.
Задумывался ли ты о том, какой феноменальный прорыв в науке и технике произошел благодаря электронике и цифровой электронике в частности? Если нет, тогда возьми свой смартфон и внимательно на него посмотри. Такая простая с виду конструкция -- результат огромной работы и феноменальных достижений современной электроники. Создание такой техники стало возможным благодаря простой идее о том, что любую информацию можно представить в виде чисел. Таким образом, независимо от того, с какой информацией работает устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Тебе наверняка знакомы римские и арабские цифры. В римской системе числа представляются в виде комбинации букв I, V, X, L, C, D, M, а в арабской с помощью комбинации символов 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Но существуют и другие формы представления числа. Одна из них -- это двоичная форма. Или, как её чаще называют, двоичная система счисления. В такой системе счисления любое число представляет собой последовательность только из "0" и "1".
| Арабские | Римские | Двоичные |
| 0 | - | 00 |
| 1 | I | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Математики c инженерами хорошо потрудились, и сегодня любая информация может быть представлена в виде комбинации нулей и единиц: сигнал с датчика движения, музыка, видео, фото, температура, и даже вот этот текст, который ты сейчас читаешь, на самом деле в недрах твоего устройства имеет вид последовательности из нулей и единиц.
Независимо от того, с какой информацией работает цифровое устройство, глубоко внутри оно занимается обработкой чисел.
Почему именно "0" и "1", а не "0", "1" и "2", к примеру? На самом деле были вполне успешные попытки создать цифровую технику, которая использует не двоичную, а троичную систему исчисления ("0", "1" и "2"), но двоичная все же победила.
Возможно, победа досталась ей, потому что СССР развалился, а может потому, что "0" и "1" легче представить в виде электрических сигналов. А значит, цифровые устройства на основе двоичной системы исчисления проще и дешевле производить. Подробнее о двоичных числах я расскажу позже.
Структура цифрового устройства
Почти в каждом цифровом устройстве встречаются типовые элементы, из комбинации которых оно состоит. Какие-то элементы совсем простые, какие-то более сложные, а какие-то совсем сложные. В любительской практике чаще всего встречаются: триггеры, таймеры, счетчики, регистры, микроконтроллеры, компараторы и др.
Давай выберем что-нибудь из этого списка и посмотрим, как оно устроено. Пусть это будет микроконтроллер (МК)! Ладно, признаюсь. Микроконтроллер я выбрал неспроста. Дело в том, что именно появление микропроцессоров произвело настоящую революцию в электронике и выдвинуло её развитие на новый уровень.
МК является наиболее многочисленным и популярным видом микропроцессоров в мире. Особенным его делает то, что микроконтроллер представляет собой микро-PC -- целый компьютер в одной микросхеме. Представь себе компьютер размером, например, с копейку. Вот это и есть МК.
Микроконтроллеры используются повсеместно: в современных телевизорах, холодильниках, планшетах, охранных системах. Везде, где требуется чем-то управлять, микроконтроллер может найти своё место. А всё благодаря тому, что, как и любой микропроцессор, МК можно программировать. В итоге один и тот же вид микросхем можно использовать в сотнях различных устройств.
В наше время наибольшей популярностью пользуются, к примеру, микроконтроллеры AVR, PIC, ARM. Каждая из компаний, что выпускает перечисленные виды МК, производит десятки, если не сотни, разновидностей микроконтроллеров, предназначенных под все мыслимые и немыслимые задачи.
Как работает микроконтроллер
Несмотря на всю сложность конструкции настоящего микроконтроллера, рассказать, как он функционирует можно всего одним предложением: "В память микроконтроллера записывается текст программы, МК считывает команды из этой программы и выполняет их", -- вот и всё.
Конечно, МК не может выполнить какие угодно команды. У него есть базовый набор команд, которые он понимает и знает как выполнить. Комбинируя эти команды, можно получить практически любую программу, с помощью которой устройство будет делать именно то, что от него хотят.
В современном мире микропроцессор (МК тоже микропроцессор, но специализированный) может иметь либо очень много базовых команд, либо очень мало. Это такое условное разделение, для которого даже придумали два термина: CISC и RISC. CISC -- это много разных видов команд на все случаи жизни, RISC -- это только наиболее необходимые и часто использующиеся команды, т.е. сокращенный набор команд.
Большинство микроконтроллеров исповедуют RISC. Объясняется это тем, что при использовании сокращенного набора команд микроконтроллеры проще и дешевле для производства, их легче и быстрей осваивают разработчики аппаратуры. Между CISC и RISC много различий, но сейчас принципиально важно запомнить только то, что CISC -- много команд, RISC -- мало команд. Глубже с этими двумя идеями познакомимся как-нибудь в другой раз.
Что происходит, когда включается микроконтроллер?
Итак, давай представим идеальный мир, в котором у тебя есть МК и в его память уже записана программа. Или, как обычно говорят, МК "прошит" (при этом программу называют "прошивкой") и готов к бою.
Что произойдёт, когда ты подашь питание на свою схему с МК? Оказывается, ничего особенного. Там нет вообще никакой магии. Происходить будет следующее:
После подачи питания микроконтроллер пойдёт смотреть, что находится в памяти. При этом он "знает", куда следует смотреть, чтобы найти первую команду своей программы .
Местоположение начала программы устанавливается при производстве МК и никогдане меняется. МК считает первую команду, выполнит её, затем считает вторую команду, выполнит её, затем третью и так до последней. Когда же он считает последнюю команду, то всё начнётся сначала, так как МК выполняет программу по кругу, если ему не сказали остановится. Так вот он и работает.
Но это не мешает писать сложные программы, которые помогают управлять холодильниками, пылесосами, промышленными станками, аудиоплеерами и тысячами других устройств. Ты тоже можешь научиться создавать устройства с МК. Это потребует времени, желания и немножко денег. Но это такие мелочи, правда?
Как устроен типичный МК
Любая микропроцессорная система стоит на трёх китах:
- Процессор (АЛУ + устройство управления),
- Память (ROM, RAM, FLASH),
- Порты ввода-вывода .
Процессор с помощью портов ввода-вывода получает/отправляет данные в виде чисел, производит над ними различные арифметические операции и сохраняет их в память. Общение между процессором, портами и памятью осуществляет по проводам, которые называются шиной (шины делятся на несколько видов по назначению). Это общая идея работы МП-системы. Вот как на картинке ниже.
МК, как я уже писал, тоже микропроцессор. Просто специализированный. Физическая структура микросхем МК разных серий может существенно различаться, но идейно они будут похожи и будут иметь такие, например, блоки как: ПЗУ, ОЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода, таймеры, счетчики, регистры.
| ПЗУ | Постоянная память. Всё, что в неё записано, остаётся в ПЗУ и после того как устройство было отключено от питания. |
| ОЗУ | Временная память. ОЗУ -- это рабочая память МК. В неё помещаются все промежуточные результаты выполнения команд или данные от внешних устройств. |
| АЛУ | Математический мозг микроконтроллера. Именно он складывает, вычитает, умножает, а иногда и делит, сравнивает нолики и единички в процессе выполнения команд программы. Один из важнейших органов МК. |
| Порты I/O | Просто устройства для общения МК с внешним миром. Без них ни во внешюю память записать, ни данные от датчика или клавиатуры получить нельзя. |
| Таймеры | Готовил торт или курицу? Ставил таймер, чтобы он тебя оповестил, когда блюдо будет готово? Вот в МК таймер выполняет схожие функции: отсчитывает интервалы, выдаёт сигнал о срабатывании и т.д. |
| Счетчики | Пригождаются, когда требуется что-либо подсчитать. |
| Регистры | Самое непонятное слово для тех, кто хоть раз пытался освоить Асемблер самостоятельно. А между прочим они своего рода выполняют роль быстрой ОЗУ МК. Каждый регистр представляет собой своего рода ячейку памяти. И в каждом МК их всего несколько десятков. |
Современный масштаб развития цифровой электроники настолько огромен, что даже по каждому пункту из этой табилцы можно написать целую книгу, а то и не одну. Я же опишу базовые идеи, которые помогут дальше самостоятельно разобраться более подробно в каждом из устройств.
Мозг микроконтроллера
Микропроцессор/микроконтроллер всегда работает по заложенной в него программе. Программа состоит из последовательности операций, которые МК умеет выполнять. Операции выполняются в ЦПУ -- это мозг микроконтроллера. Именно этот орган умеет производить арифметические и логические операции с числами. Но есть ещё четыре важных операции, которые он умеет делать:
- чтение из ячейки памяти
- запись в ячейку памяти
- чтение из порта В/В
- запись в порт В/В
Эти операции отвечают за чтение/запись информации в память и во внешние устройства через порты ввода/вывода. И без них любой процессор проверащается в бесполезный хлам.
Технически процессор состоит из АЛУ (калькулятор процессора) и управляющего устройства, которое дерижирует взаимодействием между портами ввода-вывода, памятью и арифметико-логическим устройством (АЛУ).
Память микроконтроллера
Ранее в таблице с типичными устройствами, входящими в МК, я указал два вида памяти: ПЗУ и ОЗУ. Различие между ними заключается в том, что в ПЗУ данные сохраняются между включениями устройства. Но при этом ПЗУ (ROM) довольно медленная память. Поэтому и существует ОЗУ (RAM), которая довольно быстра, но умеет хранить данные только тогда, когда на устройство подано питание. Стоит выключить устройство и все данные оттуда...пшик и нету.
Если у тебя есть ноутбук или персональный компьютер, то тебе знакома например такая ситуация: писал гору текста, забыл сохранить его на жесткий диск, внезапно пропало электричество. Включаешь компьютер, а текста нет. Всё верно. Пока ты его писал, он хранился в ОЗУ. Поэтому текст и пропал с выключением компьютера.
В зарубежном мире ОЗУ и ПЗУ называют RAM и ROM:
- RAM (Random Access Memory) -- память со случайны доступом
- ROM (Read Only Memory) -- память только для чтения
У нас же их еще называют энергозависимой и энергонезависимой памятью. Что на мой взгляд более точно отражает природу каждого вида памяти.
ПЗУ
Сейчас всё больше получила распространение ПЗУ память типа FLASH (или, по-нашему, ЭСПЗУ). Она позволяет сохранять данные даже тогда, когда устройство выключено. Поэтому в современных МК, например в МК AVR в качестве ПЗУ используются именно FLASH-память.
Раньше микросхемы ПЗУ-памяти были однократно-программируемыми. Поэтому если были записаны программа или данные с ошибками, то такую микросхемы просто выкидывали. Чуть позже появились ПЗУ, которые можно было перезаписывать многократно. Это были чипы с ультрафиолетовым стиранием. Они довольно долго прожили и даже сейчас встречаются в некоторых устройствах из 1990-х...2000-х годов. Например, вот такая ПЗУ родом из СССР.
У них был один существенный минус -- при случайно засветке кристалла (тот, что виден в окошечке) программа могла быть повреждена. А также ПЗУ до сих пор работает медленней, чем ОЗУ.
ОЗУ
Оперативная память в отличие от ПЗУ, ППЗУ и ЭСПЗУ является энергозависимой и при выключении питания устройства все данные в ОЗУ пропадают. Но без неё не обходится ни одно микропроцессорное устройство. Так как в процессе работы требуется где-то хранить результаты вычислений и данные, с которыми работает процессор. ПЗУ для этих целей не подходит из-за своей медлительности.
ПАМЯТЬ ПРОГРАММ И ПАМЯТЬ ДАННЫХ
Помимо разделения на энергозависимую (ОЗУ) и энергонезависимую память в микроконтроллерах есть разделение на память данных и память программ. Это значит, что в МК есть специальная память, которая предназначена только для хранения программы МК. В нынешние времена обычно это FLASH ПЗУ. Именно из этой памяти микроконтроллер считывает команды, которые выполняет.
Отдельно от памяти программ существует память данных, в которую помещаются промежуточные результаты работы и любые другие данные, требующиеся программе. Память программ -- это обычное ОЗУ.
Такое разделение хорошо тем, что никакая ошибка в программе не сможет повредить саму программу. К примеру, когда по ошибке МК попытается записать на место какой-нибудь команды в программе случайное число. Получается что программа надёжно защищена от повреждения. Кстати, у такого разделения есть своё особо название -- "гарвардская архитектура".
В 1930-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру ЭВМ для военно-морской артиллерии. В конце 1930-х годов в Гарвардском университете Говардом Эйкеном была разработана архитектура компьютера Марк I, в дальнейшем называемая по имени этого университета.
Ниже я схематично изобразил гарвардскую архитектуру:
Таким образом программа и данные, с которыми она работает, физически храняться в разных местах. Что касается больших процессорных систем подобных персональному компьютеру, то в них данные и программа во время работы программы хранятся в одном и том же месте.
ИЕРАРХИЯ ПАМЯТИ
КАК УСТРОЕН МОЗГ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА
Ты уже значешь, что мозгом МК является ЦПУ -- центральный процессор, который состоит из АЛУ (арифметико-логическое устройство) и устройства управления (УУ). УУ дерижирует всем оркестром из памяти, внешних устройств и АЛУ. Благодаря ему МК может выполнять команды в том порядке в каком мы этого хотим.
АЛУ -- это калькулятор, а УУ говорит АЛУ что, с чем, когда и в какой последовательности вычислять или сравнивать. АЛУ умеет складывать, вычитать, иногда делить и умножать, выпонять логические операции: И, ИЛИ, НЕ (о них будет чуть позже)
Любой компьютер, МК в том числе, умеет сегодня работать только с двоичными числами, составленными из "0" и "1". Именно эта простая идея привела к революции в области электроники и взрывному развитию цифровой техники.
Предположим, что АЛУ надо сложить два числа: 2 и 5. В упрощенном виде это будет выглядеть так:
При этом УУ знает в каком месте памяти взять число "2", в каком число "5" и в какое место памяти поместить результат. УУ знает обо всём этом потому, что оно прочитало об этом в команде из программы, которую в данный момент прочитало в программе. Более подробно про арефмитические операции с двоичными числами и как устроен сумматор АЛУ изнутри я расскажу чуть позже.
Хорошо, скажешь ты, а что если нужно получить эти числа не из программы, а из вне, например, с датчика? Как быть? Вот тут в игру и вступают порты ввода-вывода, с помощью которых МК может принимать и передавать данных на внешние устройства: дисплеи, датчики, моторы, задвижки, принтеры и т.д.
ЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ
Тебе наверняка хорошо знакомо шуточное высказывание про "женскую логику"? Но речь пойдет не о ней, а логике в принципе. Логика оперирует причинно-следственными связями: если солнце взошло, то стало светло. Причина "солнце взошло" вызвала следствие "стало светло". При этом про каждое утверждение мы можем сказать "ИСТИНА" или "ЛОЖЬ".
Например:
- "Птицы плавают под водой" -- это ложь
- "Вода мокрая" -- при комнатной температуре это утверждение истинно
Как ты заметил, второе утверждение при определённых условиях может быть как истинным, так и ложным. В нашем компьютере есть только числа и инженеры с математичками придумали обозначать истину "1", а ложь "0". Это дало возможность записывать истинность утверждения в виде двоичных чисел:
- "Птицы плавают под водой" = 0
- "Вода мокрая" = 1
А ещё такая запись позволила математикам выполнять с этими утверждениями целые операции -- логические операции. Первым до этого додумался Джордж Буль. По имени которого и названа такая алгебра: "булева алгебра", которая оказалась очень удобной для цифровых машин.
Вторая половина АЛУ -- это логические операции. Они позволяют "сравнивать" утверждения. Базовых логических операций всего несколько штук: И, ИЛИ, НЕ, -- но этого достаточно, так как более сложные могут комбинироваться из этих трёх.
Логическая операция И обозначает одновременность утверждений, т.е. что оба утверждения истинны одновременно. Например утверждение будет истинно только тогда, когда оба более простых утверждения будут истинны. Во всех остальных случаях результат операции логического И будет ложным
Логическая операция ИЛИ будет истинно, если хотя бы одно из участвующих в операции утверждений будет истинно. "Птицы плавают под водой" И "Вода мокрая" истинно, так как истинно утверждение "вода мокрая"
Логическое операция НЕ меняет истинность утверждения на противоположное значение. Это логическое отрицание. Например:
Солнце всходит каждый день = ИСТИНА
НЕ (Солнце всходит каждый день) = НЕ ИСТИНА = ЛОЖЬ
Благодаря логическим операция мы можем сравнивать двоичные числа, а так как наши двоичные числа всегда что-то обозначают, например, какой-нибудь сигнал. То получается, что благодаря булевой алгебре мы можем сравнивать настоящие сигналы. Этим логическая часть АЛУ и занимается.
УСТРОЙСТВО ВВОДА-ВЫВОДА
Наш МК должен общаться с внешним миром. Только тогда он будет представлять из себя полезное устройство. Для этого у МК есть особые устройства, которые называются устройствами ввода-вывода.
Благодаря этим устройствам мы можем посылать в микроконтроллер сигналы от датчиков, клавиатуры и других внешних приборов. А МК после обработки таких сигналов отправит через устройства вывода ответ, с помощью которого можно будет регулировать скорость вращения двигателя или яркость свечения лампы.
Подведу итоги:
- Цифровая электроника -- верхушка айсберга электроники
- Цифровое устройство знает и понимает только числа
- Любая информация: сообщение, текст, видео, звук, -- могут быть закодированы с помощью двоичных чисел
- Микроконтроллер -- это микрокомпьютер на одной микросхеме
- Любая микропроцессорная система состоит из трёх частей: процессор, память, устройства ввода-вывода
- Процессорс состоит из АЛУ и управляющего устройства
- АЛУ умеет выполнять арифметические и логические операции с двоичными числами
Оставайся с нами. В следующих статьях я расскажу более подробно как устроена память МК, порты ввода-вывода и АЛУ. А после этого мы пойдём ещё дальше и в итоге дойдём до аналоговой электроники.
p.s.
Нашёл ошибку? Сообщи мне!
Большой радиолюбитель и конструктор программ
С
чего начать
изучение радиоэлектроники? Как собрать свою первую электронную схему? Можно ли быстро научиться паять? Именно для тех, кто задаётся такими вопросами и создан раздел "Старт
"
.
Н а страницах данного раздела публикуются статьи о том, что в первую очередь должен знать любой новичок в радиоэлектронике. Для многих радиолюбителей, электроника, когда-то бывшая просто увлечением, со временем переросла в профессиональную среду деятельности, помогло в поиске работы, в выборе профессии. Делая первые шаги в изучении радиоэлементов, схем, кажется, что всё это кошмарно сложно. Но постепенно, по мере накопления знаний загадочный мир электроники становиться более понятен.
Е сли Вас всегда интересовало, что же скрывается под крышкой электронного прибора, то Вы зашли по адресу. Возможно, долгий и увлекательный путь в мире радиоэлектроники для Вас начнётся именно с этого сайта!
Для перехода на интересующую статью кликните ссылку или миниатюрную картинку, размещённую рядом с кратким описанием материала.
Измерения и измерительная аппаратура
Любому радиолюбителю требуется прибор, которым можно проверить радиодетали. В большинстве случаев любители электроники используют для этих целей цифровой мультиметр. Но им можно проверить далеко не все элементы, например, MOSFET-транзисторы. Вашему вниманию предлагается обзор универсального ESR L/C/R тестера, которым также можно проверить большинство полупроводниковых радиоэлементов.
Амперметр – один из самых важных приборов в лаборатории начинающего радиолюбителя. С помощью его можно замерить потребляемый схемой ток, настроить режим работы конкретного узла в электронном приборе и многое другое. В статье показано, как на практике можно использовать амперметр, который в обязательном порядке присутствует в любом современном мультиметре.
Вольтметр – прибор для измерения напряжения. Как пользоваться этим прибором? Как он обозначается на схеме? Подробнее об этом вы узнаете из этой статьи.
Из этой статьи вы узнаете, как определить основные характеристики стрелочного вольтметра по обозначениям на его шкале. Научитесь считывать показания со шкалы стрелочного вольтметра. Вас ждёт практический пример, а также вы узнаете об интересной особенности стрелочного вольтметра, которую можно использовать в своих самоделках.
Как проверить транзистор? Этим вопросом задаются все начинающие радиолюбители. Здесь вы узнаете, как проверить биполярный транзистор цифровым мультиметром. Методика проверки транзистора показана на конкретных примерах с большим количеством фотографий и пояснений.
Как проверить диод мультиметром? Здесь подробно рассказано о том, как можно определить исправность диода цифровым мультиметром. Подробное описание методики проверки и некоторые «хитрости» использования функции тестирования диодов цифрового мультиметра.
Время от времени мне задают вопрос: «Как проверить диодный мост?». И, вроде бы, о методике проверки всевозможных диодов я уже рассказывал достаточно подробно, но вот способ проверки диодного моста именно в монолитной сборке не рассматривал. Заполним этот пробел.
Если Вы ещё не знаете, что такое децибел, то рекомендуем неспеша, внимательно прочитать статью про эту занимательную единицу измерения уровней. Ведь если Вы занимаетесь радиоэлектроникой, то жизнь рано или поздно заставит Вас понять, что такое децибел.
Часто на практике требуется перевод микрофарад в пикофарады, миллигенри в микрогенри, миллиампер в амперы и т.п. Как не запутаться при пересчёте значений электрических величин? В этом поможет таблица множителей и приставок для образования десятичных кратных и дольных единиц.
В процессе ремонта и при конструировании электронных устройств возникает необходимость в проверке конденсаторов. Зачастую с виду исправные конденсаторы имеют такие дефекты, как электрический пробой, обрыв или потерю ёмкости. Провести проверку конденсаторов можно с помощью широко распространённых мультиметров.
Эквивалентное последовательное сопротивление (или ЭПС) - это весьма важный параметр конденсатора. Особенно это касается электролитических конденсаторов, работающих в высокочастотных импульсных схемах. Чем же опасно ЭПС и почему необходимо учитывать его величину при ремонте и сборке электронной аппаратуры? Ответы на эти вопросы вы найдёте в данной статье.
Мощность рассеивания резистора является важным параметром резистора напрямую влияющего на надёжность работы этого элемента в электронной схеме. В статье рассказывается о том, как оценить и рассчитать мощность резистора для применения в электронной схеме.
Мастерская начинающего радиолюбителя
Как читать принципиальные схемы? С этим вопросом сталкиваются все начинающие любители электроники. Здесь вы узнаете о том, как научиться различать обозначения радиодеталей на принципиальных схемах и сделаете первый шаг в понимании устройства электронных схем.
Блок питания своими руками. Блок питания – это непременный атрибут в мастерской радиолюбителя. Здесь вы узнаете, как самостоятельно собрать регулируемый блок питания с импульсным стабилизатором.
Самый востребованный прибор в лаборатории начинающего радиолюбителя - это регулируемый блок питания. Здесь вы узнаете, как с минимумом усилий и временных затрат собрать регулируемый блок питания 1,2...32V на базе готового модуля DC-DC преобразователя.
Загрузка...
