Электроника для самых начинающих. "начальный курс электрика "
Нетривиально занятие, скажу я вам. :) Дабы облегчить усвоение материала я вводил ряд упрощений. Совершенно бредовых и антинаучных, но более менее наглядно показывающих суть процесса. Методика «канализационной электрики» успешно показала себя в полевых испытаниях, а посему будет использована и тут. Хочу лишь обратить внимание, что это всего лишь наглядное упрощение, справедливое для общего случая и конкретного момента, чтобы понять суть и к реальной физике процесса не имеющая практически никакого отношения. Зачем оно тогда? А чтобы проще запомнить, что к чему и не путать напряжение и ток и понимать как на все это влияет сопротивление, а то я от студентов такого наслушался…
Ток, напряжение, сопротивление.
Если сравнить электроцепь с канализацией, то источник питания это сливной бачок, текущая вода – ток, давление воды-напряжение, а несущееся по трубам говнище – полезная нагрузка. Чем выше сливной бачок, тем больше потенциальная энергия воды, находящейся в нем, и тем сильней будет напор-ток проходящий по трубам, а значит больше дерьма-нагрузки он сможет смыть.
Кроме текущего дерьма, потоку препятствует трение о стенки труб, образуя потери. Чем толще трубы тем меньше потери (гы гы гы теперь ты помнимаешь почему аудиофилы для своей мощной акустики берут провода потолще;)).
Итак, подведем итог. Электроцепь содержит источник, создающий между своими полюсами разность потенциалов – напряжение. Под действием этого напряжения ток устремляется через нагрузку туда, где потенциал ниже. Движению тока препятствует сопротивление, образуемое из полезной нагрузки и потерь. В результате напряжение-давление ослабевает тем сильней, чем больше сопротивление. Ну, а теперь, положим нашу канализацию в математическое русло.
Закон Ома
Для примера просчитаем простейшую цепь, состоящую из трех сопротивлений и одного источника. Схему я буду рисовать не так как принято в учебниках по ТОЭ, а ближе к реальной принципиальной схеме, где принимают точку нулевого потенциала – корпус, обычно равный минусу питания, а плюс считают точкой с потенциалом равным напряжению питания. Для начала считаем, что напряжение и сопротивления у нас известны, а значит нам нужно найти ток. Сложим все сопротивления (о правилах сложения сопротивлений читай на врезке), дабы получить общую нагрузку и поделим напряжение на получившийся результат – ток найден! А теперь посмотрим как распределяется напряжение на каждом из сопротивлений. Выворачиваем закон Ома наизнанку и начинаем вычислять. U=I*R поскольку ток в цепи един для всех последовательных сопротивлений, то он будет постоянен, а вот сопротивления разные. Итогом стало то, что Uисточника = U1 +U2 +U3 . Исходя из этого принципа можно, например, соединить последовательно 50 лампочек рассчитанных на 4.5 вольта и спокойно запитать от розетки в 220 вольт – ни одна лампочка не перегорит. А что будет если в эту связку, в серединку, всандалить одно здоровенное сопротивление, скажем на КилоОм, а два других взять поменьше – на один Ом? А из расчетов станет ясно, что почти все напряжение выпадет на этом большом сопротивлении.
Закон Кирхгоффа.
Согласно этому закону сумма токов вошедших и вышедших из узела равна нулю, причем токи втекающие в узел принято обозначать с плюсом, а вытекающие с минусом. По аналогии с нашей канализацией – вода из одной мощной трубы разбегается по кучи мелких. Данное правило позволяет вычислять примерный потребляемый ток, что иногда бывает просто необходимо при расчете принципиальных схем.
Мощность и потери
Мощность которая расходуется в цепи выражается как произведение напряжения на ток.
Р = U * I
Потому чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Т.к. резистор (или провода) не выполняет какой либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая него это потери в чистом виде. В данном случае мощность можно через закон ома выразить так:
P= R * I 2
Как видишь, увеличение сопротивления вызывает увеличение мощности расходующееся на потери, а если возрастает ток, то потери увеличиваются в квадратичной зависимости. В резисторе вся моща уходит в нагрев. По этой же причине, кстати, аккумуляторы нагреваются при работе – у них тоже есть внутреннее сопротивление, на котором и происходит рассеяние части энергии.
Вот для чего аудиофилы для своих сверхмощных звуковых систем берут толстенные медные провода с минимальным сопротивлением, чтобы снизить потери мощности, так как токи там бывают немалые.
Есть закон полного тока в цепи, правда на практике мне он никогда не пригождался, но знать его не помешает, поэтому утяни из сети какой либо учебник по ТОЭ (теоретические основы электротехники) лучше для средних учебных заведений, там все гораздо проще и понятней описано – без ухода в высшую математику.
Научиться можно только тому, что любишь.
Гёте И.
"Как самостоятельно изучить электронику с нуля?" — один из самых популярных вопросов на радиолюбительских форумах. При этом те ответы, которые я нашел, когда сам его задавал, мне мало помогли. Поэтому я решил дать свой.
Это эссе описывает общий подход к самообучению, а так как оно стало ежедневно получать множество просмотров, то я решил его развить и сделать небольшое руководство по самостоятельному изучению электроники и рассказать как это делаю я. Подписывайся на рассылку -- будет интересно!
Творчество и результат
Чтобы что-то изучить надо это полюбить, гореть интересом и регулярно упражняться. Кажется, я только что озвучил прописную истину... Тем не менее. Для того, чтобы с лёгкостью и удовольствием изучать электронику надо её любить и относится к ней с любопытством и восхищением. Сейчас уже для всех привычно иметь возможность отправить видеосообщение на другой конец земли и мгновенно получить ответ. А это одно из достижений электоники. 100 лет труда тысяч ученых и инженеров.
Как нас обычно учат
Классический подход, который проповедуется в школах и университетах всего мира можно назвать подходом снизу-вверх. Сначала тебе рассказывают что такое электрон, атом, заряд, ток, резистор, конденсатор, индуктивность, заставляют решить сотни задач на нахождение токов в резисторных цепях, потом ещё сложней и т.д. Такой подход схож с восхождением на гору. Но лезть в гору сложней, чем спускаться. И многие сдаются так и не добравшись до вершины. Это верно в любом деле.
А что если спускаться с горы? Главная идея в том, чтобы сначала получить результат, а затем разобрать детально почему работает именно так. Т.е. это классический подход детских радиокружков. Он даёт возможность получить ощущение победы и успеха, которые в свою очередь стимулируют желание изучать электронику дальше. Понимаешь, очень сомнительная польза в изучении одной теории. Надо обязательно практиковаться, так как не все из теории 100% ложится на практику.
Есть такая старая инженерная шутка гласит: "Раз ты хорош в математике, то тебе надо пойти в электронику". Типичная чушь. Электроника -- это творчество, новизна идей, практика. И не обязательно впадать в дебри теоритический расчетов, чтобы создавать электронные устройства. Ты вполне можешь освоить необходимые знания самостоятельно. А математику подтянешь в процессе творчества.
Главное -- это понять основной принцип, и только потом тонкости. Такой подход просто переворачивает мир самостоятельного изучения. Он не нов. Так рисуют художники: сначала набросок, затем детализация. Так проектируют различные большие системы и т.д. Такой подход похож на "метод тыка", но только если не искать ответа, а тупо повторять одно и тоже действие.
Понравилось устройство? Собирай, разбирайся почему оно сделано именно так и какие идеи заложены в его конструкцию: почему именно эти детали используются, почему именно так соединены, какие принципы используются? А можно ли что-нибудь улучшить или просто заменить какую-нибудь деталь?
Конструирование -- это творчество, но ему можно научиться. Для это надо только выполнять простые действия: читать, повторять чужие устройства, обдумывать результат, наслаждаться процессом, быть смелым и уверенным в себе.
Математика в электронике
В радиолюбительском конструировании считать несобственные интегралы вряд ли придётся, но знание закона Ома, правил Кирхгофа, формул делителя тока/напряжения , владение комплексной арифметикой и тригонометрией может пригодиться. Это азы азов. Хочешь уметь больше - люби математику и физику. Это не только полезно, но и чрезвычайно занимательно. Конечно, это не обязательно. Можно делать достаточно крутые устройства вообще ничего этого не зная. Только это будут устройства, придуманные кем-то другим.
Когда я, после очень длительного перерыва, понял, что электроника снова меня зовёт и манит в ряды радиолюбителей, то сразу стало ясно, что мои знания давно уже улетучились, а доступность компонентов и технологий стала шире. Что я стал делать? Путь был только один — признать себя полным нолём и стартовать из ничего: знакомых опытных электронщиков нет, какой-либо программы самообучения тоже нет, форумы я отбросил потому, что они представляют собой свалку информации и отнимают много времени (какой-то вопрос можно там узнать вкратце, но получить цельные знания очень сложно — там все такие важные, что лопнуть можно!)
И тогда япошел самым старым и простым путём: через книги. В хороших книгах тематика обсуждается наиболее полно и нет пустой болтовни. Конечно, в книгах есть и ошибки, и косноязычие. Просто надо знать какие книги читать и в каком порядке. После прочтения хорошо написанных книг и результат будет отличным.
Мой совет прост, но полезен — читайте книги и журналы. Я, к примеру, хочу не только повторять чужие схемы, а уметь конструировать свои. Создавать -- это интересно и весело. Именно таким должно быть моё хобби: интересным и занимательным. Да и ваше тоже.
Какие книги помогут освить электронику
Много времени я провел выискивая подходящие книги. И понял, что надо сказать спасибо СССР. Такой массив полезных книг после него остался! СССР можно ругать, можно хвалить. Смотря за что. Так вот за книги и журналы для радиолюбителей и школьников надо благодарить. Тиражи бешеные, авторы отборные. До сих пор можно найти книги для новичков, которые дадут фору всем современным. Поэтому есть смысл пройтись по букинистам и поспрашивать (да и скачать все можно).
- Климчевский Ч. - Азбука радиолюбителя.
- Эймишен. Электроника? Нет ничего проще.
- Б.С.Иванов. Осциллограф - ваш помощник (как работать с осциллографом)
- Хабловски. И. Электроника в вопросах и ответах
- Никулин, Повный. Энциклопедия начинающего радиолюбителя
- Ревич. Занимательная электроника
- Шишков. Первые шаги в радиоэлектронике
- Колдунов. Радиолюбительская азбука
- Бессонов В.В. Электроника для начинающих и не только
- В. Новопольский - Работа с осциллографом
Это мой список книг для самых "маленьких". Обязательно следует пролистывать и журналы Радио с 70х по 90е гг. После этого можно уже читать:
- Гендин. Советы по конструированию
- Кауфман, Сидман. Практическое руководство по расчетам схем в электронике
- Волович Г. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств
- Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд.
- Шустов М. А. Практическая схемотехника.
- Гаврилов С.А.-Полупроводниковые схемы. Секреты разработчика
- Барнс. Эллектронное конструирование
- Миловзоров. Элементы информационных систем
- Ревич. Практическое программирвоание МК AVR
- Белов. Самоучитель по Микропроцессорной технике
- Суэмацу. Микрокомпьютерные системы управления. Первое знакомство
- Ю.Сато. Обработка сигналов
- Д.Харрис, С.Харрис. Цифровая схемотехника и архитектура компьютера
- Янсен. Курс цифровой электроники
Думаю, эти книги ответят на множество вопросов. Более специальные знания можно почерпнуть из более специальных книг: по аудиоусилителям, по микроконтроллерам и т.д.
И конечно же нужно практиковаться. Без паяльника вся теория в прорубь. Это как водить машину в голове.
Кстати, более подробные обзоры некоторых книг из списка выше можешь .
Что еще следует делать?
Учиться читать схемы устройств! Учиться анализировать схему и стараться понять как работает устройство. Этот навык приходит только с тренировкой. Начинать надо с самых простых схем, постепенно наращивая сложность. Благодаря этому ты не только изучишь обозначения радиоэлементов на схемах, но и научишься их анализировать, а также запомнишь ходовые приемы и решения.
Дорого ли заниматься электроникой
К сожалению, деньги потребуются! Радиолюбительство не самое дешевое хобби и потребуется некоторый минимум фин. вложений. Но начать можно практически без вложений: книги можно доставать буккросингах или брать в библиотеках, читать в электронном виде, приборы можно купить для начала самые простые, а более продвинутые купить тогда, когда будет не хватать возможностей простых приборов.
Сейчас купить можно всё: осциллограф, генератор, источник питания и другие измерительные приборы для домашней лаборатории — всё это следует со временем приобрести (или сделать самому то, что в домашних условиях сделать можно)
Но когда ты маленький и начинающий можно обойтись пальником и деталями из сломанный техники, которую кто-нибудь выкидывает или просто валялась дома давно без дела. Главное иметь желание! А остальное приложится.
Что делать, если не получается?
Продолжать! Редко что-то получается хорошо с первого раза. А бывает так, что результатов нет и нет -- будто упёрся в невидимый барьер. Кто-то этот барьер преодолевает за полгода-год, а другие только через несколько лет.
Если сталкиваешься со сложностями, то не надо рвать волосы и думать о себе, что ты самый тупой на свете, так как Вася понимает, что такое обратный ток коллектора, а вот ты все никак не можешь понять почему он играет роль. Может быть Вася просто надувает щёки, а сам ни бум-бум =)
Качествои и скорость самообучения зависят не только от личных способностей, но и от окружения. Вот тут надо радоваться существованию форумов. На них все таки встречаются (и часто) вежливые профессионалы, готовые с радостью учить новичков. (Есть еще всякие грымзы, но считаю таких людей потерянной веткой эволюции. Мне их жаль. загибать пальцы — это понты самого низкого уровня. Лучше просто молчать)
Полезные программы
Обязательно следует ознакомиться с САПРами: рисовалками принципиальных схем и печатных плат, симуляторами, — полезные и удобные программы (Eagele, SprintLayout и т.д.). Я выделил на сайте целый раздел под них. Время от времени там будут появляться материалы по работе с программами, которые использую сам.
И самое главное — испытывайте радость творчества от радиолюбительства! На мой взгляд к любому делу следует относится как к игре. Тогда оно будет и занимательным и познавательным.
О практике
Обычно каждый радиолюбитель всегда знает какое устройство хочет сделать. Но если ты еще не определился, то я посоветую собрать источник питания, разобраться для чего нужна и как работает каждая его часть. Затем можно обратить внимание на усилители. И собрать, например, аудиоусилитель.
Можно поэксперементировать с самыми простыми электрическими цепями: делителем напряжения, диодным выпрямителем, фильтрами ВЧ/СЧ/НЧ, транзистором и однотранзисторными каскадами, простейшими цифровыми схемами, конденсаторами, индуктивностями. Всё это пригодится в дальнейшем, а знание таких основных цепей и компонентов придаст уверенность в своих силах.
Когда шаг за шагом идешь от простейшего к более сложному, тогда знания порционно накладываются друг на друга и легче освоить более сложные темы. Но иногда не ясно из каких кирпичиков и как следует сложить здание. Поэтому иногда следует действовать наоборот: поставить цель собрать какое-нибудь устройство и освоить множество вопросов при его сборке.
Да прибует с тобой Ом, Ампер и Вольт:
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
Электроника, как хобби. Кризис жанра?
Многие из тех, кто превратил электронику в занимательное времяпрепровождение, часто задают себе вопрос: «Зачем я этим занимаюсь?». Читаю журналы и книги из раздела «Электроника это просто» и прочую литературу из серии «Для чайников». На более сложные и умные книги просто не хватает терпения.
А далее рассуждения идут примерно по такому руслу: вот, мол, сделал простенький усилитель, собрал несколько мигалок (световых эффектов), . А оказывается, все это можно купить, если не новое, то во всяком случае б/у, и окажется все лучшего качества, в фирменных корпусах, даже в рабочем состоянии. Спрашивается, где же выгода, экономический эффект от подобных занятий?
Но, пожалуй, не стоит забивать голову такими мыслями. Ведь можно привести немало примеров, которые не приносят никакой выгоды. Такие занятия называются хобби, т.е. увлечение, в котором вряд ли следует искать смысл. Это как любовь, ведь мало кто может ответить, в чем ее смысл. Или рыбалка, - проще пойти в магазин и купить рыбы, чем стоять с удочкой возле реки и кормить «злющих комаров». Так таких рыбаков просто не счесть. То же самое можно сказать и об охотниках: добытая утка по размерам невелика - куда меньше покупной.
Так и электроника, увлечение которой в молодом возрасте приходит просто из любопытства: а как это устроено, и почему оно работает так, а не иначе? К тому же наука это непростая, требует приложить немало усилий на изучение теории, создание первых работающих устройств, а впоследствии, при появлении опыта, разработка собственных схем и ремонт аппаратуры промышленного изготовления.
Серьезные игрушки
Одним из «непонятных» направлений в любительской электронике можно считать роботостроение. Конструкции подобных «роботов» чаще всего представляют собой небольшую тележку, которая может объезжать препятствия, двигаться по заданному маршруту и управляться от пульта управления. Правда такое творчество наиболее характерно для западных радиолюбителей, в странах СНГ этим занимаются не столь охотно.
Казалось бы, что тут такого? Непосвященный, увидев конечный результат, просто скажет: «Ну и что?». А тем, кто занимается этим на полном серьезе, тема эта настолько близка, важна и понятна, что по этому направлению в Интернете можно найти не один и не два форума, и даже скачать книги, чаще на английском языке, на эту тему.
И в самом деле, если разобраться, то устройство «роботов» заслуживает внимания. Ведь схемы управления чаще всего строятся на микроконтроллерах, пусть даже самых простых, но начинать и следует с простого. Сначала «изобретатель» практикуется в написании простых и коротких программ (без программы не будет работать ни один контроллер), а после переходит к сложным и большим. Ведь изучить программирование можно только начав писать собственные программы. хорошо, если в этот момент рядом окажется человек, который может объяснить с чего начинать, зачем все это программирование нужно.
Любительская электроника - это один из способов поработать головой и руками. Ведь придется научиться не только хорошо паять, часто приходится делать и слесарные операции, чтобы все получилось на высшем уровне. Решить проблемы, которые другие люди решают простым походом в магазин, а вот я сделал сам. Это еще один повод, чтобы получить удовольствие от электроники, как от хобби.
Достаточно часто случается, что именно это хобби плавно переходит в любимую профессию. И, видимо, прав был древнекитайский мыслитель Конфуций, который сказал примерно следующее: «Если выбранная работа будет вам по душе, то ни одного дня в своей жизни вам не придется работать». Наверно, в этом изречении подразумевалось, что слово работа однокоренное со словом раб.
Итак, человек после основательных раздумий, может даже под влиянием своих хороших друзей, принял решение в свободное время заняться электроникой, превратить ее в свое хобби: заразительными бывают примеры не только плохие, но и хорошие. Это решение сразу вызывает появление целого ряда проблем, казалось бы неразрешимых. Вот только некоторые из них.
Как организовать рабочее место
Такая проблема достаточно просто решается в современных частных домах, где небольшой уголок, чтобы поставить стол, можно найти где угодно: в гараже, в подвале, в кладовке, в комнате и может даже на чердаке. Несколько сложнее дело обстоит в многоквартирном доме, но если близкие смогут понять, насколько серьезно и полезно это увлечение, то свободный уголок в одной из трех и даже двух комнат всегда найдется.
Если увлечение электроникой не прекратится и не зачахнет в самом начале, а пойдет успешно, то со временем любитель - электронщик для занятий любимым делом может арендовать помещение, открыть свою ремонтную мастерскую, превратить хобби в любимую профессию. Таких специалистов в настоящее время великое множество.
Чаще всего электроникой начинают заниматься примерно так: берется готовая схема, приобретаются детали, инструменты, и вперед. Берется в руки паяльник, собирается самая первая схема, включается, ура, заработало!
Первый успех заставляет перейти к повторению других готовых схем. Но иногда бывает и по другому: собранная схема не заработала, попытки «оживить» ее результатов не принесли, и паяльники, детали забрасываются в дальний угол, иногда навсегда. Поэтому, первые схемы должны быть простыми, которые начинают работать сразу. В этом плане можно рекомендовать классические схемы электроники. Прежде всего это генераторы, на основе которых можно собрать «пищалки и мигалки».
Первая заработавшая схема просто окрыляет. Но, чтобы увлечение электроникой не превратилось в мучение, следует заняться изучением теории, хотя бы самых азов.
Где взять теоретические познания
Если человек в средней школе учился достаточно хорошо, то закон Ома и еще несколько основных законов физики запомнил. Совсем неплохо, если и математика была любимым предметом. А если удалось освоить еще и английский язык, то совсем прекрасно: большая часть современной технической документации как раз на английском. Именно эти учебные дисциплины и заставляют задаться вопросом, как вся эта электроника устроена, а со временем превратить ее в свое хобби.
И не надо думать, что без специального высшего образования совсем ничего не получится. В свое время журнал «Радио» многих своих авторов и читателей называл «инженерами без диплома», настолько хорошо они разбирались в схемотехнике различных устройств и собирали неплохие конструкции. Вообще журналов до сих пор выпускается множество, например украинский «Радиоаматор», белорусский «Радиомир», российские «Схемотехника» и «Ремонт электронной» техники.
В журнале «Радиоконструктор 03 - 2011» есть целая статья об использовании радиодеталей б/у, что очень кстати для начинающих радиолюбителей. Там же даются рекомендации по проверке деталей и предупреждение о том, что попытка «собрать» транзистор из двух диодов, что иногда пытаются сделать начинающие, к положительному результату не приведет, хотя при проверке транзистор похож именно на два диода. Ну, почти, как у классиков: «Моторчик был очень похож на настоящий, но не работал».
Электронные журналы
В качества примера можно привести электронный журнал «Радиолоцман». Именно последние три слова достаточно набрать в поисковой строке, например, «Яндекса», чтобы познакомиться с его содержимым, и даже скачать отдельные номера или даже подшивку за целый год. Содержимое журнала достаточно многообразно и интересно.
Журналы, это, конечно, хорошо, но не следует забывать и о книгах. В сети Интернет сейчас можно найти практически любую литературу, в том числе и техническую. Многие из этих книг стали уже музейными экспонатами, например, справочники радиолюбителя, начиная со второй половины прошлого века. В них можно не только проследить историю развития радиолюбительства, но и найти множество полезных сведений, которые до сих пор не утратили своей актуальности.
Одной из лучших книг по радиоэлектронике следует, пожалуй, считать «Искусство схемотехники» авторы П. Хоровиц и У. Хилл. Последнее издание этого занимательного трехтомника вышло в 1993 году.
В книге рассказывается практически обо всем, что использовалось в то время продолжает использоваться до сих пор. При этом авторы, даже самые сложные схемы объясняют просто, что называется «на пальцах», используя минимальное количество формул. Книга содержит множество практических схем с примерами их расчетов. Текст книги, рассчитанной на массового читателя, достаточно прост и дружелюбен, содержит некоторое количество юмора. Поэтому не надо бояться прочтения этого трехтомника.
С таким же названием есть несколько книг и других, более современных авторов, которые также можно скачать в Интернете, либо купить бумажный вариант в интернет магазине. В этих книгах можно найти сведения по современной элементной базе, ведь электроника развивается быстрее всех остальных областей науки и техники.
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.
