От логической схемы к макетной плате на микросхемах 74HC

8 мин чтения · Команда bitGateLab

Схема, которая работает на бумаге, может не заработать на макетной плате из-за мелочей, которых на схеме не видно: разорванная шина питания, перевёрнутая микросхема, «висящий» вход или светодиод без резистора. Здесь вы увидите, как макетная плата соединена внутри, как читать цоколёвку микросхемы 74HC в корпусе DIP с 14 выводами, как рассчитать резистор для светодиода и как последовательно вести отладку.

Как соединены контакты макетной платы

Под отверстиями находятся металлические полоски, которые соединяют отверстия группами. Типичное расположение таково:

Контактное поле: пронумерованные ряды (1, 2, 3…) и столбцы, обозначенные буквами (от a до j). В каждом ряду пять отверстий a, b, c, d, e соединены между собой, и пять отверстий f, g, h, i, j — тоже, но эти две группы друг с другом не связаны.
Центральная канавка: паз между столбцами e и f. Микросхемы в корпусе DIP устанавливают поверх неё, чтобы каждый вывод попал в отдельный ряд и рядом с ним осталось четыре свободных отверстия для проводов.
Шины питания: длинные линии по краям, помеченные знаками + и −. Они идут вдоль всей платы. На многих длинных макетных платах они разорваны посередине; если в нарисованной линии виден разрыв, соедините две половины проводом.

Простое правило: два контакта соединены, только если они находятся в одном ряду и по одну сторону от канавки либо на одной шине (и в одной её половине, если шина разорвана). Во всех остальных случаях нужен провод.

Цоколёвка микросхемы в корпусе DIP с 14 выводами

Посмотрите на микросхему сверху, расположив ключ (выемку или точку) вверху или слева. Вывод 1 находится рядом с ключом, а нумерация идёт против часовой стрелки: от 1 до 7 вниз по одной стороне и от 8 до 14 вверх по другой. Вывод 14 оказывается напротив вывода 1.

Микросхема 74HC00 (четыре элемента NAND с 2 входами), вид сверху. У каждого элемента n входы обозначены nA, nB, а выход — nY.

У большинства логических микросхем с 14 выводами питание подаётся на противоположные углы: вывод 14 = VCC и вывод 7 = GND. У микросхем с четырьмя элементами по 2 входа расположение выводов одинаковое:

Микросхема	Функция	Элемент 1	Элемент 2	Элемент 3	Элемент 4
74HC00	NAND	A=1, B=2, Y=3	A=4, B=5, Y=6	A=9, B=10, Y=8	A=12, B=13, Y=11
74HC08	AND
74HC32	OR
74HC86	XOR

Не забывайте об исключениях. У 74HC02 (четыре элемента NOR) выходы находятся на выводах 1, 4, 10 и 13, а у 74HC04 (шесть инверторов) пары вход/выход таковы: 1→2, 3→4, 5→6, 9→8, 11→10 и 13→12. Прежде чем монтировать любую микросхему, сверьте расположение её выводов с документацией (datasheet).

Токоограничивающие резисторы для светодиодов

Светодиод, подключённый прямо к выходу, потреблял бы весь ток, который способен отдать выход, а это повреждает светодиод или микросхему. Ток задаёт последовательно включённый резистор:

R = (V_вых − V_f) / I

где V_f — падение напряжения на светодиоде (около 2 V для обычных красных, жёлтых и зелёных; около 3 V для синих и белых). Выходы микросхем 74HC рассчитаны на то, чтобы отдавать примерно 4 mA, сохраняя допустимые логические уровни; если требовать больше, выходное напряжение отдаляется от VCC или от GND.

Пример: красный светодиод (V_f = 2 V) на выходе микросхемы 74HC с питанием 5 V при желаемом токе 4 mA.

R = (5 − 2) / 0.004 = 750 Ω.
Выбираем ближайший больший стандартный номинал — 820 Ω.
Реальный ток: I = 3 / 820 ≈ 3.7 mA — в пределах нормы, и этого достаточно, чтобы светодиод был хорошо виден.

При 330 Ω ток составил бы 3 / 330 ≈ 9.1 mA — более чем вдвое больше значения, при котором гарантируются допустимые уровни.

Для светодиода, который горит при логической 1: выход → резистор → анод (длинная ножка) → катод (короткая ножка, срез на корпусе) → GND.

Неподключённые входы

У КМОП-входа чрезвычайно высокое входное сопротивление. Если оставить его «висящим», он не читается ни как «0», ни как «1»: из-за помех или накопленных зарядов на нём устанавливается произвольное напряжение, он может застрять на полпути, а элемент при этом начнёт генерировать колебания или потреблять больший ток, чем обычно. Поэтому:

Для переключателя используйте резистор 10 kΩ к GND (pull-down, подтяжка вниз), а сам переключатель подключите к VCC, или же резистор к VCC (pull-up, подтяжка вверх), а переключатель — к GND. Без резистора разомкнутый переключатель оставляет вход «висящим».
У неиспользуемых элементов входы подключают к GND или к VCC; их выходы оставляют свободными и ни в коем случае не соединяют ни с GND, ни с VCC.

Развязывающие конденсаторы

При переключении элемент потребляет короткий импульс тока, который из-за индуктивности проводов не успевает вовремя прийти от источника питания, и напряжение на микросхеме на мгновение проседает. Средство от этого — керамический конденсатор ёмкостью 100 nF между VCC и GND, как можно ближе к выводам 14 и 7 каждой микросхемы: он отдаёт этот ток на месте. Кроме того, полезно поставить электролитический конденсатор от 10 до 100 µF там, где питание подводится к макетной плате, соблюдая его полярность.

От схемы к монтажу

Пример: F = A·B + C на микросхемах 74HC08 и 74HC32.

Установите 74HC08 над канавкой ключом в сторону рядов с меньшими номерами. Если вывод 1 попал в ряд 10, то вывод 7 окажется в ряду 16, а вывод 14 — в ряду 10 по другую сторону канавки.
Соедините вывод 14 с шиной +, а вывод 7 — с шиной −. Повторите то же для 74HC32. Рядом с каждой микросхемой поставьте конденсатор 100 nF.
A — на вывод 1, B — на вывод 2 микросхемы 74HC08. Её вывод 3 (A·B) идёт на вывод 1 микросхемы 74HC32.
C — на вывод 2 микросхемы 74HC32. Вывод 3 микросхемы 74HC32 — это F: подключите его к резистору 820 Ω и светодиоду, соединённому с GND.
В обеих микросхемах подключите к GND входы лишних элементов: выводы 4, 5, 9, 10, 12 и 13.

Отладка шаг за шагом

Питание: измерьте мультиметром напряжение прямо между выводами 14 и 7 каждой микросхемы, а не на шинах. Так вы обнаружите разорванную шину или плохо вставленную микросхему.
Ориентация: проверьте ключ каждой микросхемы. Перевёрнутая микросхема получает питание не на те выводы и нагревается; если заметили, что микросхема горячая, немедленно отключите питание.
Входы: убедитесь, что на каждом входе именно тот уровень, который вы ожидаете, включая входы неиспользуемых элементов.
Элемент за элементом: начните со входов и двигайтесь к выходу, сравнивая каждый узел с таблицей истинности. Первый узел, который не совпадает, подскажет, где проблема.
Механика: поищите ножки, подогнувшиеся под микросхему, провода, попавшие в соседний ряд, и неплотно сидящие перемычки.

Типичные ошибки

Полагать, что шины питания идут вдоль всей макетной платы, когда они разорваны посередине.
Установить микросхему не поперёк центральной канавки, из-за чего противоположные выводы оказываются соединёнными в одном ряду.
Оставить «висящими» входы от разомкнутого переключателя или неиспользуемых элементов.

Попробуйте в симуляторе

Виртуальная макетная плата позволяет потренироваться в размещении деталей и монтаже, прежде чем браться за настоящие компоненты.

Соберите F = A·B + C в редакторе схем и проверьте её таблицу истинности.
Перейдите к виртуальной макетной плате и установите 74HC08 и 74HC32 над центральной канавкой.
Соедините VCC с выводом 14, а GND — с выводом 7 каждой микросхемы.
Смонтируйте входы, соединение между микросхемами и выход на светодиод по списку из примера.
Меняйте A, B и C и убедитесь, что светодиод ведёт себя в соответствии с таблицей истинности.

Упражнения

Какие выводы микросхемы 74HC86 вы использовали бы для элемента 3 и какую функцию он выполняет?
Ответ
Входы — на выводах 9 и 10, выход — на выводе 8. Это XOR.
Рассчитайте резистор для зелёного светодиода (V_f = 2.1 V) при 5 V и токе 3 mA и выберите стандартный номинал.
Ответ
R = (5 − 2.1) / 0.003 ≈ 967 Ω. Берём 1 kΩ, тогда I = 2.9 / 1000 = 2.9 mA.
Схема из трёх микросхем 74HC работает через раз и сбоит, когда одновременно переключается несколько элементов. Что вы проверили бы в первую очередь?
Ответ
Развязывающие конденсаторы: конденсатор 100 nF между выводами 14 и 7 каждой микросхемы, рядом с ней. А также напряжение питания, измеренное на выводах каждой микросхемы.
Микросхема установлена так, что вывод 1 находится в ряду 20, сторона e. В каком ряду и на какой стороне окажется вывод 8?
Ответ
Вывод 7 окажется в ряду 26 на стороне e, а вывод 8 — напротив него: ряд 26, сторона f.