电子基础知识总结（四）

29、第二课基本的芯片和分立器件

         29.1    74 系列芯片

       74 系列的芯片的下载地址：

        http://www.dainau.com/TTLDATASHEET.htm

        http://www.100y.com.tw/asp/class36_40.htm

        http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/default.htm

        74 系列的芯片是古老的一族，大部分的芯片现在均已不用了，但是，实际上，在目前的系统中，还能看到一些芯片，有些芯片现在还在系统中使用，例如：

        1、7404–6个反相门

        下载地址：http://www.hqew.com/document/detail.asp?pdid=125533

        将输入的TTL逻辑反相，如：0->1，1->0

        2、7407–6个集电极开路门

        下载地址：http://www.hqew.com/document/detail.asp?pdid=125518

        由于集电极开路门可以外接高电压，可以最高到DC30V，电流最大到39mA，通常我用它驱动8字数码管和继电器等大电流的负载；开路门内部结构是达林顿管的，输出的逻辑是正的；与其类似的芯片是7406，只不过是反相开路门。

        3、74LS573与74LS373–8数据锁存器

        74LS373 下载地址：http://www.hqew.com/document/detail.asp?pdid=129171

        74LS573 下载地址：http://www.yddz.net/yddzsourse/pdf/74hc573.pdf

        引入几个概念：

        1. 真值表

        参见74LS373的PDF的第2页：

        Dn LE OE On

        H H L H

        L H L L

        X L L Qo

        X X H Z

        这个就是真值表，表示这个芯片在输入和其它的情况下的输出情况。每个芯片的数据手册（datasheet）中都有真值表。

        2. 高阻态

        就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁；高阻态的概念在RS232和RS422通讯中还可以用到。

        3. 数据锁存

        当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；这个概念在并行数据扩展中经常使用到。

        4. 数据缓冲

        加强驱动能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。

        OE：output_enable，输出使能；

        LE：latch_enable，数据锁存使能，latch是锁存的意思；

        Dn：第n路输入数据；

        On：第n路输出数据；

        再看这个真值表，意思如下：

        第四行：当OE＝1是，无论Dn、LE为何，输出端为高阻态；

        第三行：当OE＝0、LE＝0时，输出端保持不变；

        第二行第一行：当OE＝0、LE＝1时，输出端数据等于输入端数据；

        这时，你所需要输出的数据就锁存在On上了，输入的数据在变化也影响不到输出的数据了；实际上，单片机现在在忙着干别的事情，串行通信、扫描键盘……单片机的资源有限啊。

        在单片机按照RAM方式进行并行数据的扩展时，使用movx @dptr, A这条指令时，这些时序是由单片机来实现的。后面的表格中还有需要时间的参数，你不需要去管它，因为这些参数都是几十ns级别的，对于单片机在12M下的每个指令周期最小是1us的情况下，完全可以实现；如果是你自己来实现这个逻辑，类似的指令如下：

        mov P0,A ;将数据输出到并行数据端口

        clr LE

        setb LE

        clr LE ;上面三条指令完成LE的波形从0->1->0的变化

        74ls573 跟74LS373逻辑上完全一样，只不过是管脚定义不一样，数据输入和输出端各在一侧，PCB容易走线；所以大家都喜欢使用这个芯片。

       4、74LS244– 数据缓冲器

        下载地址：http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/74F244.pdf

        数据输出能力比较强，输出电流可以到40mA以上；4个缓冲器分成2组，具有高阻态控制端口

        5、74LS245– 总线缓冲器

        http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/74F245.pdf

        双向数据接口，通常在ISA板卡上可以看到；早期的51系统中，为了扩展RAM、eprom、A/D、D/A、I/O等经常可以看到这个片子；为了增强驱动能力，有时是为了隔离输入和输出，主要是布线方便，像74LS573一样，输入、输出在一侧，经常用到这个片子

        6、74LS138– 三－八译码器

        http://www.mcu51.com/download/digitpdf/74xx/74F138.pdf

        在早期的51系统的扩展中，作为地址选通的片子，可以经常看到。另外一个类似的芯片是74LS154，是4-16译码器，现在更是少见了。有兴趣的可以研究一下何立民的经典著作中的有关章节。知道有这么一个芯片就可以了。

        29.2 CD4000 系列

        CD4000 系列的芯片，除了跟74系列的电气特性有所区别外，例如：

        1) 电压范围宽，应该可以工作在3V～15V，输入阻抗高，驱动能力差外，跟74系列的功能基本没有区别；

        2) 输入时，1/2工作电压以下为0，1/2工作电压以上为1；

        3) 输出时，1=工作电压；0=0V

        4) 驱动能力奇差，在设计时最多只能带1个TTL负载；

        5) 如果加上拉电阻的话，至少要100K电阻；

        6) 唯一现在使用的可能就是计数器，CD4060的计数器可以到14级二进制串行计数/分频器，这个74系列的做不到这么高；下载地址：

        http://www.100y.com.tw/asp/class36_40.htm

        http://www.100y.com.tw/pdf_file/CD4060.PDF

        2.3 ULN2003/ULN2008

        它的内部结构也是达林顿的，专门用来驱动继电器的芯片，甚至在芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC电流200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。

        经常在工控的板卡中见到这个芯片。有个完全一样的型号：MC1413，不过现在好像不怎么见到这个型号了，但是管脚与2003完全兼容。

        ULN2003 可以驱动7个继电器；ULN2008驱动8个继电器。

        ULN2003 下载地址：http://www.hqew.com/document/detail.asp?pdid=148212

        29.4 光耦

        光耦是做什么用的？光耦是用来隔离输入输出的，主要是隔离输入的信号。在各种应用中，往往有一些远距离的开关量信号需要传送到控制器，如果直接将这些信号接到单片机的I/O上，有以下的问题：

        1) 信号不匹配，输入的信号可能是交流信号、*信号、按键等干接点信号；

        2) 比较长的连接线路容易引进干扰、雷击、感应电等，不经过隔离不可靠，所以，需要光耦进行隔离，接入单片机系统。

        常见的光耦有：

        1) TLP521-1/ TLP521-2/ TLP521-4，分别是1个光耦、2个光耦和4个光耦，HP公司和日本的东芝公司生产。

        下载地址：http://www.100y.com.tw/pdf_file/TLP521-1-2,4.PDF

        发光管的工作电流要在10mA时，具有较高的转换速率；在5V工作时，上拉电阻不小于5K，一般是10K；太小容易损坏光耦；

        2) 4N25/4N35，motorola公司生产

        下载地址：http://www.100y.com.tw/pdf_file/4N25-8,35-7,H11A1-5.PDF

        隔离电压高达5000V；

        3) 6N136，HP公司生产

        下载地址：http://www.100y.com.tw/pdf_file/6N135-6.PDF

        要想打开6N136，需要比较大的电流，大概在15~20mA左右，才能发挥高速传输数据的作用。如果对速率要求不高，其实TLP521－1也可以用，实际传输速率可以到19200波特率。选择光耦看使用场合，tlp521-1 是最常用的，也便宜，大概0.7~1元；要求隔离电压高的，选用4N25/4N35，大概在3元左右；要求在通讯中高速传输数据的，选用6N136，大概在4元左右。

        光耦应用的原理框图如下所示：

        1. 输入干接点隔离

        2. 输入TTL电平隔离

        3. 输入交流信号隔离

        4. 输出RS232信号隔离

        5. 输出RS422信号隔离

        光耦除了隔离数字量外，还可以用来隔离模拟量。将在今后的章节中描述。

        29.6 三极管

        29.6.1三极管的4种工作状态

        1) 饱和导通状态

        饱和导通=0

        2) 截止状态

        饱和导通=1

        3) 线性放大状态

        作为低频放大器时使用，具体的可参见有关电子线路的书

        4) 非线性工作状态

        在无线电通信系统中，作为混频器等使用。具体的可参见有关电子线路的书籍

        当单片机的口线输出电平为1时，三极管的be结导通，ce结导通，输出的电压值为0V；

        当单片机的口线输出电平为0时，三极管的be结不导通，ce结截止，输出的电压值为5V；

        在这种数字电路的应用中，相当于三极管是一个反相开路门。计算是否导通，公式如下：

        I＝B（放大倍数，希腊字母的贝塔）×Ibe

        当Ice

        相差越大，饱和程度越深，Vce越小，三极管的输出内阻越小；这个概念要用到光电管中。

        设计使用时大概算算，心里有个数；在电路板上试试，行的通，那就是它了。可以测量Vce值，至少要小于0.1V就可以了。

        常用的PNP三极管是2N5551，驱动40mA的LED（电压在24V）、蜂鸣器等均没有问题。

        29.6.2三极管的具体应用

        实际上，已经有像7407、ULN2003可以取代三极管在数字电路中的作用；但是，有时是受到PCB面积的制约，有时是为了降低成本，有时是因为布局方便，在1~2个输出点时，还是可以使用三极管来做驱动的。

        例如：驱动一个蜂鸣器；往往系统中的蜂鸣器跟其它驱动设备，继电器等，距离较远；这时，没有必要使用一片7407，或者ULN2003来驱动，就用三极管来驱动。