Хейс Томас К., Хоровиц Пол. Искусство схемотехники. Теория и практика

Пер. с англ. — СПб.: БХВ-Петербург, 2022. — 1200 с.: ил. — (Электроника). — ISBN: 978-5-9775-6689-6.В этой уникальной книге по схемотехнике содержится не только теоретический материал, но и полноценный курс лабораторных работ.Подробно рассмотрено применение аналоговых устройств (пассивных элементов, транзисторов, операционных усилителей), цифровых устройств (логических элементов, триггеров, счетчиков, ПЛМ, памяти, АЦП, ЦАП, ФАПЧ) и микроконтроллеров. Каждое из 25 занятий содержит две части: теоретический конспект и лабораторную работу. Занятие начинается с рассмотрения той или иной схемы, после чего предлагается реализовать ее на практике и изучить работоспособность. Занятия включают примеры с решениями и дополнительными пояснениями. Рассматривается язык описания аппаратных средств Verilog.В приложениях представлена общая информация по осциллографам, линиям связи, цоколевке микросхем, программам и т.п., а также даны советы по выбору деталей и оборудования.В книге очень мало математики, основной упор делается на интуитивный подход и практические навыки.Для радиолюбителей, студентов и преподавателейИскусство схемотехники. Теория и практикаВведениеИ книга, и учебный курс
Что нового в данной книге?
Кому подойдет эта книга
Основа: книга «The Art of Electronics»
Аналоговая и цифровая части: варианты подхода к изучению
Люди, которые помогли в работе над этой книгой
Юридическое уведомлениеЗамечание относительно первых занятийАналоговая электроника: пассивные устройстваЦепи постоянного тока
Краткая сводка
Три основных закона электротехники
Первая практически важная схема: делитель напряжения
Нагрузка и «выходной импеданс»
Материал для чтения из АоЕЛабораторное занятие: цепи постоянного тока
Закон Ома
Делитель напряжения
Использование закона Ома для преобразования гальванометра в вольтметр и амперметр
Диод
Зависимость I от U для некоторых «черных ящиков»
Осциллограф и генератор сигналовДополнительный материал: резисторы, напряжение, ток
Расшифровка номиналов резисторов
Напряжение и токПримеры с решениями: цепи постоянного тока
Разработайте схему вольтметра и амперметра
Рассеивание мощности резисторами
Обходное решение проблемы неточности инструментов
Эквивалентные схемы Тевенина
«Смотрим сквозь» фрагмент схемы
Влияние нагрузкиRC-цепи
Конденсаторы
Анализ RС-цепей во временной области
Анализ RС-цепей в частотной области
Два простых, но важных варианта применения конденсатора: блокировка и развязка
Математический взгляд на RС-фильтры
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: конденсаторы
Анализ во временной области
Анализ в частотной областиДополнительный материал: RC-цепи
Определение номиналов конденсаторов
Заметки в помощь интуитивному пониманию поведения конденсаторов
Частотная разверткаПримеры с решениями: RС-цепи
RС-фильтры
Переходная характеристика RC-цепиСхемы с диодами
Сильно нагруженный фильтр: еще одна причина, по которой следует придерживаться правила 1:10
Щуп осциллографа
Индуктивности
Резонансный LC-контур
Схемы с диодами
Самое важное применение диода: выпрямление переменного тока
Самое важное применение диода: источник питания (нестабилизированный)
Радиоприемник
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие; схемы с диодами
Резонансный LC-контур
Однополупериодный выпрямитель
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Упражнение по разработке: АМ-радиоприемник
Сигнальные диодыДополнительный материал и глоссарий
Почему звон LC-контура затухает, несмотря на теорию Фурье
Глоссарий для пассивных устройствПримеры с решениями: схемы с диодами
Разработка источника питания
Входной импеданс ZвхАналоговые устройства: транзисторыТранзисторы I
Краткий обзор рассматриваемого материала
Предварительная информация
Простое представление без β
Введем коэффициент «бета»
Переключатель: транзисторная схема особого типа
Краткий обзор основных транзисторных схем для закрепления пройденного материала
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: транзисторы
Предварительное знакомство с транзисторами
Эмиттерный повторитель
Источник тока
Усилитель с общим эмиттером
Транзисторный переключатель
Проблема помех источников питанияПримеры с решениями: транзисторы I
Эмиттерный повторитель
Фазорасщепитель: входной и выходной импедансы транзисторной схемы
Транзисторный переключательТранзисторы II
Новое не отменяет старого
Вкратце снова о фазорасщепителе
Модель Эберса-Молла транзистора
Искажения в усилителе с высоким коэффициентом усиления
Искажения, вызываемые температурной неустойчивостью
Согласование модели Эберса-Молла с моделью Iк = β*Iб
Разностный или дифференциальный усилитель
Послесловие
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: транзисторы II
5L.1. Разностный или дифференциальный усилительДополнительный материал и глоссарий: Транзисторы II
Два новых эффекта в поведении дифференциального усилителя
Токовые зеркала и эффект Эрли
Резюме по транзисторам
Важные схемы
Глоссарий по биполярным транзисторамПримеры с решениями: транзисторы II
Усилители с высоким коэффициентом усиления
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель в микросхеме операционного усилителя Аналоговые устройства. Операционные усилители и их применениеОперационные усилители I
Общие сведения об обратной связи
Сущность отрицательной обратной связи
Обратная связь в электронике
«Золотые правила» для работы с операционными усилителями
Применение операционного усилителя
Усилители двух типов
Инвертирующий усилитель
Когда применимы «золотые правила»?
Необычные элементы, которые можно поместить в цепь обратной связи
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: операционные усилители I
Предварительные сведения
Экспериментальная схема с операционным усилителем без обратной связи
Вводим обратную связь, получаем повторитель
Выходной импеданс
Инвертирующий усилитель
Суммирующий усилитель
Разработка фазовращателя с единичным усилением
Двухтактный буфер
Преобразователь «ток - напряжение»
Источник токаПримеры с решениями: операционные усилители I
Простой разностный усилитель на операционном усилителе
Более интересный разностный усилитель — микросхема INA149 с широким диапазоном входных напряжений синфазного сигнала
Необычная суммирующая схемаОперационные усилители II: отклонения от идеальности
Основные моменты ранее рассмотренного материала
Анализ некоторых схем
Неидеальность операционных усилителей
Еще несколько вариантов применения: интегратор, дифференциатор, выпрямитель, разностный усилитель, усилитель по переменному току
Дифференциатор
Разностный усилитель на операционном усилителе
Усилитель переменного тока: хороший способ минимизировать влияние погрешности по постоянному току операционного усилителя
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: операционные усилители II
Интегратор
Дифференциатор
Скорость нарастания выходного напряжения
Микрофонный усилитель переменного токаДополнительный материал: глоссарий по операционным усилителямПримеры с решениями: операционные усилители II
Задача
Решение
Милливольтметр на операционном усилителеОперационные усилители III: положительная обратная связь
Полезная положительная обратная связь
Компараторы
Релаксационный RC-генератор колебаний
Генератор синусоидальных колебаний на мосте Вина
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие. Операционные усилители III
Две схемы компаратора
Релаксационный RС-генератор колебаний на операционном усилителе
Самая простая схема RC-генератора колебаний на триггере Шмитта
Использование пилообразного сигнала для ШИМ-питания электродвигателя
Релаксационный RC-генератор колебаний на микросхеме 555
Генератор синусоидальных сигналов на мосте ВинаПримеры с решениями: операционные усилители III
Советы по разработке схем с триггером Шмитта
Задача проектирования схемы управления нагревателемОперационные усилители IV: паразитные колебания и активный фильтр
Введение
Активные фильтры
Общий взгляд на проблему паразитных колебаний
Паразитные колебания в схемах на операционных усилителях
Решения для стабилизации работы операционных усилителей
Общий критерий стабильности: петлевое усиление, когда фазовый сдвиг приближается к 180°
Паразитные автоколебания в схемах без операционного усилителя
Решения для проблемы паразитных автоколебаний
Подведение итогов по вопросу стабилизации схем
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: операционные усилители IV
Активный VCVS-фильтр
Эмиттерный повторитель на дискретных элементах
Нестабильность операционных усилителей: фазовый сдвиг может вызывать автоколебания в операционном усилителе
Операционный усилитель с буфером в петле обратной связиДополнительный материал: операционные усилители IV
Частотная коррекция операционных усилителей
Активные фильтры: как улучшить простой RC-фильтр
Диагностирование помех
Схема операционного усилителя LF411
Количественное описание обратной связиПримеры с решениями: операционные усилители IV
Польза, получаемая от усиления операционных усилителей
Вопросы стабильностиОперационные усилители IV: ПИД-регулятор для электродвигателя
Примеры реальных задач, требующих такого решения
ПИД-цепь управления электродвигателем
Проектирование контроллера (специализированного операционного усилителя)
Схема только для пропорциональной составляющей П: расчет усиления
Дифференциальная составляющая Д
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие. Операционные усилители V
Какая польза от ПИД-регулятора?
ПИД-контроллер электродвигателя
Добавляем дифференциальную составляющую
Добавляем интегральную составляющую
ОсциллограммыСтабилизаторы напряжения
Эволюция стабилизированного источника питания
Более простые интегральные стабилизаторы
Проектирование с учетом тепловой защиты
Источники тока
Защита от перенапряжения посредством автоматического шунтирования на землю
Импульсные стабилизаторы напряжения
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: стабилизаторы напряжения
Линейные стабилизаторы напряжения
Импульсный стабилизатор напряженияПримеры с решениями: стабилизаторы напряжения
Выбор теплоотвода
Применение микросхемы-источника токаКлючи на полевых МОП-транзисторах
Почему мы отводим полевым транзисторам всего лишь одно занятие
Включение и выключение устройств большой мощности
Применение силового ключа: усилитель звуковой частоты
Логические вентили
Аналоговые коммутаторы
Применение аналоговых коммутаторов
Исследуем схему выборки и хранения
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: ключи на полевых МОП-транзисторах
Мощный полевой МОП-транзистор
Аналоговые коммутаторы
Импульсный усилитель звуковой частотыДополнительный материал: ключи на полевых МОП-транзисторах
Физическое представлениеСовместный аудио проект
День совместных усилий
Общая проблема обеспечения стабильности
Параметры светодиода и фототранзистораЛабораторное занятие: совместный аудиопроект
Типичные сигналы
Стратегии поиска и устранения причин неполадокЦифровые устройства: логические элементы, триггеры, счетчики, ПЛМ, памятьЛогические устройства
Аналоговые и цифровые системы
Двоичная система счисления
Комбинационная логика
Реализация цифровой логики с помощью программируемых матриц
Логические элементы типа ТТЛ и КМОП
Помехоустойчивость
Дополнительные сведения о типах логических вентилей
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: логические устройства
Предварительная информация
Входные и выходные характеристики микросхем ТТЛ и КМОП
Аномалии
Использование вентилей микросхем для создания определенных логических функций
Исследуем внутреннее устройство логических элементов КМОПДополнительный материал: глоссарий по цифровой электроникеПримеры с решениями: логические устройства
Общие сведения о мультиплексировании
Двоичная арифметикаТриггеры
Реализация комбинационной функции
Снова о сигналах с низким активным уровнем
Вентили как функции «Делай это/делай то»
Функция Исключающее-ИЛИ в качестве функции Инверсия/Пропуск*
Функция ИЛИ в качестве функции Установка/Пропуск*
Последовательные схемы в общем и триггеры в частности
Применение триггеров в схемах устранения дребезга контактов
Счетчики
Синхронные счетчики
Сдвиговый регистр на триггерах
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: триггеры
Самый простой триггер: RS-защелка
D-триггеры
Счетчики со сквозным переносом и синхронные счетчики
Дребезг контактов переключателей и три схемы устранения дребезга
Сдвиговый регистрДополнительный материал: триггеры
Программируемые логические устройства
Приемы работы с триггерамиСчетчики
Краткое повторение пройденного материала
Аномалии и опасности схем на триггерах
Более универсальный счетчик
Выводы относительно функций счетчиков
Счетчик-делитель на N из лабораторного занятия 16L
Счет как стратегия проектирования цифровых схемЛабораторное занятие: счетчики
Два пути к микроконтроллерам
Лабораторное занятие по счетчикам
16-разрядный счетчик
Создаем ужасную музыку
Применение счетчика: секундомерПримеры с решениями: применения счетчиков
Счетчики с необычными модулями
При измерении периода с помощью счетчика возможны различные входные величины
Измеритель скорости пулиПамять
Шины
Память
Конечный автомат: новое название старого устройстваЛабораторное занятие: память
Память RAM
Конечные автоматы
Создание конечного автомата с помощью программирования микросхемы ПМЛ логическим компилятором VerilogДополнительный материал: диагностика цифровых схем и декодирование адресов
Советы по диагностированию цифровых схем
Декодирование адресовПримеры с решениями: память
Цифровая последовательностная схема управления замком
РешенияЦифровые устройства: АЦП, ЦАП, ФАПЧАналоговые и цифровые преобразования; ФАПЧ
Сопряжение устройств разных логических семейств
Общие сведения о цифроаналоговых и обратных преобразованиях
Методы цифро-аналоговых преобразований
Аналого-цифровое преобразование
Ложные сигналы в процессе выборки
Добавление случайного шума
Система фазовой автоподстройки частоты
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: аналоговые и цифровые преобразования; ФАПЧ
Аналого-цифровой преобразователь
Система фазовой автоподстройки частоты: умножитель частотыДополнительный материал: правила осуществления выборки; ложные сигналы при выборке
Содержимое этой главы
Дискретизация создает предсказуемые ложные сигналы
Примеры побочных сигналов во временной и частотной областях
Объяснение ложных сигналов на интуитивном уровнеПримеры с решениями: аналоговые и цифровые преобразования
Аналого-цифровые преобразования
Преобразователь логических уровнейЛабораторное занятие по цифровым схемам
Цифровой проект МикроконтроллерыМикропроцессоры IОсновные сведения о микрокомпьютерах
Минимальные необходимые компоненты компьютера
Выбор микроконтроллера
Возможные основания для выбора более трудного пути сборки компьютера из дискретных компонентов
Сигналы управления микроконтроллера
Некоторые подробности о компьютере, собираемом из дискретных компонентов
Первое занятие с компьютером на одной микросхеме
Материал для чтения из АоЕЛабораторное занятие: микропроцессоры I
Микрокомпьютер из дискретных компонентов
Устанавливаем GLUEPAL и выполняем частичный монтаж
Начальный этап пути SiLabsДополнительный материал: микропроцессоры I
Устройство ПМЛ для микрокомпьютеров
Примечания о среде разработки Silicon Labs IDEПримеры с решениями: «Инсектарий»
Баг № 1. Микроконтроллер отказывается выполнять команды
Баг № 2. У нас разногласия с микроконтроллером относительно содержимого RAM
Баг № 3. При попытке использовать кнопку Ready происходит фатальный сбой компьютера
Баг № 4. При попытке АЦП выложить данные на шину данных возникает конфликт
Баг № 5.АЦП работает при пошаговом исполнении программы, но не при непрерывномМикропроцессоры II. Ввод-вывод и первая программа на ассемблере
Язык ассемблера и причины для его использования
Снова о декодировании
Код ввода-вывода для дискретного компьютера
Сравнение версий на ассемблере и на языке C программы вывода на дисплей значений, вводимых с цифровой клавиатуры
Вызов подпрограмм
Расширение операций до 16 разрядов
Материал для чтения из АоЕЛабораторное занятие: микропроцессоры II
Ввод-вывод на большом компьютере
Байтовые операции ввода в малом компьютереДополнительный материал: режимы адресации микроконтроллера 8051
Знакомство с режимами адресации микроконтроллера 8051
Некоторые режимы адресации с иллюстрациейМикропроцессоры III: операции с битами
Операции с битами
Условные переходыЛабораторное занятие: микроконтроллеры III. Операции с битами; таймеры
Компьютер из дискретных компонентов. Операции с битами; прерывание
Ветвь малого компьютера: таймеры, ШИМ, компараторПримеры с решениями. Битовые операции: раздолье ошибок
Задача
Множество плохих и одно хорошее решение
Другой способ реализации функции кнопки ReadyМикропроцессоры IV: прерывания; АЦП и ЦАП
Основные моменты ранее рассмотренного материала
Прерывания
Обработка прерываний в языке C
Сопряжение АЦП и ЦАП с микроконтроллером
Некоторые подробности о лабораторных занятиях по АЦП/ЦАП
Предлагаемые лабораторные задания при экспериментах с АЦП и ЦАПЛабораторное занятие: микроконтроллеры 4. Прерывания; АЦП и ЦАП
ЦАП и АЦП
Лабораторное занятие SiLabs 4. Прерывания, АЦП и ЦАПДополнительный материал: микроконтроллеры 4
Использование ассемблера/компилятора и симулятора RIDE
Отладка
Изменение формы сигналаМикроконтроллеры V. Перемещение указателей, последовательные шины
Перемещение указателей
Регистр DPTR также может быть полезным и для микроконтроллера С8051F410
Определение достижения конца таблицы
Последовательные шины
Материал для чтения в АоЕЛабораторное занятие: микроконтроллеры V. Перемещение указателей, последовательные шиныТаблица данных, шина SPI, таймеры
Последовательные шины микроконтроллера C8051F410
Общие сведения о последовательных шинах
Двунаправленный последовательный интерфейсДополнительный материал. Загрузчик программ для микроконтроллеров компании Dallas Semiconductor
Загрузчик программ
Оборудование
Два способа использования загрузчика
Диагностика проблемы с записью во флеш-память программой Loader420
Диагностирование проблем присвоения порта СОМПример с решениями. Четыре способа копирования таблицы
Несколько способов скопировать таблицуМикроконтроллеры VI. Таблицы данных
Устройства ввода и вывода для микроконтроллера
Задача для пользователей компьютера из дискретных компонентов: работа с автономным микроконтроллером
Задача для пользователей компьютера на основе автономного микроконтроллера: использование внешней памяти RAMЛабораторное занятие: микроконтроллеры VI. Автономный микроконтроллер
Два способа записи во флеш-память
Лабораторное занятие SiLabs6: память RAM с интерфейсом SPI
Ссылки на листинги программПотенциальные проекты. Игрушки на любой вкус
Еще один микроконтроллер, который может быть вам интересен
Проекты: приглашение и предостережение
Несколько примеров впечатляющих проектов
Несколько других выдающихся проектов
Игры
Датчики, приводы, другие приспособления
Драйвер шагового двигателя
Идеи для проектов
Две потенциально полезные программы: драйвер ЖКД и сканер цифровой клавиатуры
Множество других примеров в книге АоЕ
А теперь вперед, к новым приключениямПриложенияЯзык HDL Verilog
Проектный файл Verilog
Созданная Verilog схема может пригодиться при отладке
Эмуляционный файл Verilog testbench
Проверочный файл эмуляции
Триггеры в Verilog
Поведенческое и структурное описание схемы
Verrlog позволяет иерархические проекты
Счетчик ДДК
Два альтернативных способа создания экземпляра субмодуля
Конечные автоматы
Устройство, более подходящее для реализации в виде конечного автомата: арбитр шины
Среда ISE Xilinx предлагает помощь в разработке
Блокирующие и неблокирующие присваиванияРабота с логическим компилятором Xilinx
Краткий обзор Xilinx, Verilog и ABELЛинии передачи
Тема, от которой мы до сих пор уклонялись
Линия передачи
Отражения
Почему мы беспокоимся об отражениях?
Влияние линии передачи для синусоидальных сигналовСоветы по работе с осциллографом
Что не следует делать
Что нужно знать в первую очередьПеречень и описание необходимых компонентов

Перечень и описание необходимых компонентов

Где приобретать электронные компоненты?
По почте и через Интернет
Каталоги и поисковые системы
Местные источники
ПрочееПрограммы, доступные на веб-сайте книгиОборудование
Для кого будет полезна эта информация
Осциллограф
Генератор сигналов
Макетная плата со встроенным источником питания
Авометр и цифровой мультиметр
Источник питания
Логический пробник
Магазин сопротивлений
Модуль программирования ПЛУ и FPGA
Ручные инструменты
ПроводаЦоколевка компонентов
Аналоговые компоненты
Цифровые компонентыПредметный указатель