Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

В первой части, где рассматриваются базовые принципы электроники и построение «обычных» схем на дискретных компонентах и микросхемах, сохранены все важнейшие начальные сведения, касающиеся физических основ электроники и призванные ввести читателя в курс дела. Новый раздел задумывался для того, чтобы на популярном уровне как можно полнее раскрыть для читателя мир микроконтроллеров. Изучив эти материалы, внимательный читатель сможет проектировать достаточно функциональные устройства для многих областей применения. И эти знания могут стать хорошей основой для дальнейшего обучения с целью профессионального овладения предметом.

А теперь дам совет, который может показаться несколько неожиданным. Сначала попробуйте мысленно ответить на один вопрос, и пусть он не покажется вам идиотским: «Какова величина тока в комнатной розетке?». То, что этот вопрос отнюдь не такой дурацкий, как кажется, доказывают результаты ответов на него, полученные после опроса группы студентов одного технического вуза (по специальности, не связанной напрямую с электротехникой или электроникой): из нескольких десятков опрошенных только двое смогли дать вразумительный ответ. Итак, если вы, читатель, замялись с ответом или просто не уверены в его правильности, то вот обещанный совет, причем адресованный любому, независимо от возраста: прежде чем продолжать читать дальше, возьмите учебники физики за седьмой и восьмой классы и перечитайте главы, посвященные электричеству. Можете также захватить главу, посвященную строению атома. Еще лучше обратиться не к школьным учебникам, а изучить соответствующие главы из книги Ландсберга [17], где все то же самое изложено куда более увлекательно и подробно. Тогда вам будет намного легче читать эту книгу дальше.

Заметки на полях

Попутно бросим камень в огород Минобразования: по глубокому убеждению автора, полезной информации в указанных учебниках более чем достаточно, а 10-й и 11-й классы — совершенно пустое времяпрепровождение для того, кто не собирается становиться специалистом-физиком. Автор не компетентен говорить то же самое о других предметах, но есть основания полагать, что и там положение ничуть не лучше. Зажмурившись, проследим за полетом этого «камня» и с сожалением отметим, что школьников по-прежнему пичкают массой совершенно излишних сведений, и приступим наконец к делу.

Для лучшего понимания всех заумных материй, излагаемых в этой книге, читателю с самого начала следует хорошо осознать важное правило, которое заключается в эквивалентности программ и «железа»: любую программу можно реализовать аппаратными средствами, любые (цифровые) аппаратные средства можно заменить исполняющейся программой. Существует формальное доказательство этого утверждения, и оно (утверждение) часто используется на практике, например, во многих микропроцессорах различные процедуры выполняются за счет «зашитых» в них программ. Именно этот принцип привел к тому, что микроконтроллеры стали универсальными электронными приборами, способными заменить почти любую электронную схему, реализованную «по старинке».

Несколько слов о том, как пользоваться книгой. Она рассчитана на тех, кто делает все своими руками и занимается конструированием дома (поэтому, например, я не рекомендую компоненты для поверхностного монтажа, т. к. платы под них своими руками изготовить достаточно сложно, и еще труднее их отлаживать). Книга отличается от большинства имеющихся руководств тем, что почти все описанные здесь схемы подробно до мелочей разобраны шаг за шагом, так, чтобы при повторении конструкции у вас не возникало вопросов, зачем нужен тот или иной резистор и почему его сопротивление именно такое.

Но эта книга не самодостаточна. Хотя некоторые технические характеристики популярных компонентов (в основном отечественных) приведены в Приложении 3, но это капля в море. Вам как минимум понадобятся различные справочники — по транзисторам, микросхемам, и особенно по микроконтроллерам. К счастью, сейчас не требуется всю эту литературу иметь под рукой, поскольку многое доступно через Интернет. По западным компонентам в Интернете можно найти абсолютно все самые подробные описания и рекомендации по использованию (т. н. Data Sheets и Application Notes), которые в «бумажном» варианте все равно не существуют. Однако они, естественно, на английском, что осложняет задачу новичка. И хотя некоторые технические описания переведены на русский и такие переводы тоже можно разыскать (например, на сайтах gaw.ru, telesys.ru находится крупнейший русскоязычный форум по электронике, где можно обменяться различными сведениями и получить квалифицированный совет), все же следует, по возможности, обзавестись русскоязычными «бумажными» справочниками и пособиями, например [1–3, 5–7, 9].

В отличие от большинства других радиолюбительских изданий, описания конструкций в книге не приводятся. Во-первых, повторить устройство в точности с теми компонентами, которые приведены в описании, как правило, не получается, да это совершенно и не требуется, так что в большинстве случаев плату придется все равно перерабатывать. Во-вторых, лично я никогда не повторял опубликованных конструкций в точности, стараясь улучшить или упростить схему, и в этой книге вы почти всегда найдете рекомендации по улучшению характеристик или расширению функциональности описанного прибора.

Наконец, есть и еще один момент, скорее методического порядка — разрабатывая печатную плату и конструкцию устройства самостоятельно, вы намного лучше вникаете в работу схемы, после чего отладка и регулировка ее значительно упрощаются. Мое глубокое убеждение состоит в том, что плату нужно делать самостоятельно, под выбранный корпус, а не подгонять его габариты под имеющуюся плату, в результате чего самодеятельные изделия иногда бывают весьма уродливыми.

И, наконец, рискуя утомить читателя, все же скажу несколько слов о том, как вообще следует разрабатывать и отлаживать схемы. Самый эффективный метод — «сборка» нужной схемы из готовых и заранее отлаженных фрагментов. Эта операция совершенно аналогична тому, как программисты «собирают» программы из готовых и заранее отлаженных процедур (вот он, принцип эквивалентности программ и «железа» в действии!). Каждая такая процедура представляет собой «черный ящик», у которого есть входы и выходы для обмена с другими частями программы, причем в общем случае вы даже не знаете, как она устроена внутри — точно так же, как вы не знаете, что именно размещается внутри микросхемы.

Вы берете микросхему, подсоединяете к ней внешние элементы в соответствии с рекомендациями производителя, и получаете готовый узел, который соединяете с другими подобными узлами. Точно так же следует поступать в случае, если узел представляет собой уже не отдельную микросхему, а законченный фрагмент устройства. Наращивая иерархию отлаженных заранее узлов, вы сэкономите гораздо больше времени, чем при сборке схемы целиком и дальнейшем выяснении, куда что припаяно. Кроме всего прочего, при таком образе действий, когда схема разбивается на отдельные узлы-кирпичики, ее гораздо легче «удержать» в голове и мысленно анализировать ее работу.