На практических примерах рассказано о том, как проектировать, отлаживать и изготавливать электронные устройства в домашних условиях. От физических основ электроники, описания устройства и принципов работы различных радиоэлектронных компонентов, советов по оборудованию домашней лаборатории автор переходит к конкретным аналоговым и цифровым схемам, включая устройства на основе микроконтроллеров. Приведены элементарные сведения по метрологии и теоретическим основам электроники. Дано множество практических рекомендаций: от принципов правильной организации электропитания до разводки плат и приобретения компонентов применительно к российским условиям. В 7-м издании обновлены многие разделы, содержавшие устаревшие сведения, подробнее рассказано об источниках тока для осветительных приборов, измерениях электрических величин, генераторных схемах, импульсных источниках питания, добавлены новые примеры применения платформы Arduino, а также приведен пример усовершенствованного контроллера китайского производства для замены Arduino.
Для широкого круга любителей электроники
- Начала начал электроники
- Оборудуем домашнюю лабораторию
- Транзисторы, резисторы, конденсаторы, дисплеи
- Операционные усилители, импульсные источники питания
- Аналоговые и логические схемы, микроконтроллеры
- Arduino —электроника для домашнего мастера
- Импортозамещение по-китайски: улучшенный аналог Arduino
К читателю…………………………………………………………………………………………….. 13
Радиолюбительство — что это такое?…………………………………………………………………………………….. 15
Как пользоваться книгой?…………………………………………………………………………………………………………. 18
Как разрабатывать электронные схемы?………………………………………………………………………………… 19
Откуда взять информацию, как грамотно найти замену и где приобрести………………………….. 22
Часть I. Основы основ…………………………………………………………………. 25
Глава 1. Чем отличается ток от напряжения?…………………………………….. 27
Связь тока и напряжения…………………………………………………………………………………………………………… 28
Регулирование тока с помощью сопротивления…………………………………………………………………….. 31
Источники напряжения и тока………………………………………………………………………………………………….. 34
Глава 2. Джентльменский набор
Оборудуем домашнюю лабораторию……………………………………………………… 37
Мультиметр………………………………………………………………………………………………………………………………… 38
Источник питания………………………………………………………………………………………………………………………. 42
Осциллограф………………………………………………………………………………………………………………………………. 45
Глава 3. Хороший паяльник — половина успеха
Инструменты и технологические советы……………………………………………….. 51
Инструменты и материалы……………………………………………………………………………………………………….. 52
Паяльники…………………………………………………………………………………………………………………………… 55
Флюсы для пайки……………………………………………………………………………………………………………….. 57
Макетные платы………………………………………………………………………………………………………………………… 59
Печатные платы…………………………………………………………………………………………………………………………. 60
Монтаж……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 62
Немного о проводах………………………………………………………………………………………………………………….. 70
Корпуса………………………………………………………………………………………………………………………………………. 72
Новые подходы в любительском конструировании……………………………………………………………….. 75
Проектирование схем и разводка плат…………………………………………………………………………….. 75
Редактор sPlan для разработки схем……………………………………………………………………….. 76
Программа для раскладки плат Sprint-Layout……………………………………………………….. 79
Изготовление плат…………………………………………………………………………………………………….. 81
Пайка заказных плат на основе SMD-компонентов………………………………………………. 82
Глава 4. Тригонометрическая электроника
О частотах, периодах, мощности, переменных напряжениях и токах и немного о сигналах 85
Мощность…………………………………………………………………………………………………………………………………… 89
Что показывал вольтметр?………………………………………………………………………………………………………… 90
Сигналы………………………………………………………………………………………………………………………………………. 93
О переменном токе и электропитании……………………………………………………………………………………… 94
Децибелы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 95
Глава 5. Электроника без полупроводников
Резисторы, конденсаторы и схемы на их основе…………………………………….. 97
Резисторы……………………………………………………………………………………………………………………………………. 97
Переменные резисторы……………………………………………………………………………………………………. 103
Параллельное и последовательное соединение резисторов……………………………………….. 104
Конденсаторы………………………………………………………………………………………………………………………….. 106
Параллельное и последовательное включение конденсаторов………………………………….. 116
Конденсаторы в цепи переменного тока……………………………………………………………………….. 116
Дифференцирующие и интегрирующие цепи………………………………………………………………………… 117
Индуктивности…………………………………………………………………………………………………………………………. 119
Глава 6. Изобретение, которое потрясло мир
Диоды, транзисторы и простейшие схемы на их основе……………………….. 123
Диоды……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 123
Транзисторы…………………………………………………………………………………………………………………………….. 125
Ключевой режим работы биполярного транзистора……………………………………………………. 128
Усилительный режим работы биполярного транзистора……………………………………………. 131
Включение транзистора с общим коллектором……………………………………………………………. 133
Стабильный усилительный каскад на транзисторе……………………………………………………… 134
Дифференциальный каскад…………………………………………………………………………………………….. 137
Полевые транзисторы……………………………………………………………………………………………………………… 138
Выбор транзисторов……………………………………………………………………………………………………………….. 144
Глава 7. Ошеломляющее разнообразие электронного мира
Реле, стабилитроны, светодиоды………………………………………………………….. 149
Электромагнитные реле………………………………………………………………………………………………………….. 149
Стабилитроны………………………………………………………………………………………………………………………….. 155
Оптоэлектроника и светодиоды……………………………………………………………………………………………… 158
Оптоэлектроника……………………………………………………………………………………………………………… 158
Светодиоды………………………………………………………………………………………………………………………. 160
Светодиодные индикаторы…………………………………………………………………………………………….. 163
ЖК-дисплеи……………………………………………………………………………………………………………………………… 165
Простейший уровнемер для водяных баков………………………………………………………………………….. 167
Часть II. Аналоговые схемы……………………………………………………. 171
Глава 8. Звуковой усилитель без микросхем
Классическая схема УМЗЧ…………………………………………………………………… 173
Схема базового УМЗЧ…………………………………………………………………………………………………………….. 174
Мощность усилителя……………………………………………………………………………………………………….. 177
Стабильность……………………………………………………………………………………………………………………. 178
О мощности выходных транзисторов…………………………………………………………………………….. 180
Проверка и отладка…………………………………………………………………………………………………………………. 180
Классы усилителей, или немного высшей математики………………………………………………………… 182
Действующее значение напряжения………………………………………………………………………………. 182
Классификация усилителей…………………………………………………………………………………………….. 182
О мощности и качестве звуковых усилителей………………………………………………………………………. 186
Глава 9. Правильное питание — залог здоровья
О питании электронных устройств………………………………………………………. 189
Электрохимические элементы………………………………………………………………………………………………… 189
Аккумуляторы………………………………………………………………………………………………………………….. 193
Вторичные линейные источники питания…………………………………………………………………………….. 197
Трансформаторы……………………………………………………………………………………………………………… 198
Расчет сетевого трансформатора…………………………………………………………………………………… 199
Простейший нестабилизированный однополярный источник питания……………………… 201
Стабилизаторы………………………………………………………………………………………………………………… 205
Интегральные стабилизаторы………………………………………………………………………………………… 207
Однополярный регулируемый источник питания…………………………………………………………. 210
Двухполярные источники питания………………………………………………………………………………………… 216
Простой трансформаторный…………………………………………………………………………………………… 216
Параллельный стабилизатор с искусственной средней точкой………………………………….. 217
Источники тока………………………………………………………………………………………………………………………… 218
Источники тока для питания светодиодов…………………………………………………………………….. 220
Источник тока на стабилизаторе LM317………………………………………………………………………. 221
Драйвер светодиодов на PT4115……………………………………………………………………………………. 223
Рассеивание тепла…………………………………………………………………………………………………………………… 224
Расчет радиатора через коэффициент теплоотдачи…………………………………………………….. 225
Расчет через значения термических сопротивлений…………………………………………………….. 227
Установка компонентов на радиаторы………………………………………………………………………….. 228
Принудительное охлаждение и элементы Пельтье………………………………………………………. 229
Импульсные источники питания…………………………………………………………………………………………….. 232
Как правильно питаться?………………………………………………………………………………………………………… 238
Глава 10. Тяжеловесы
Устройства для управления мощной нагрузкой……………………………………. 241
Базовая схема регулирования напряжения на нагрузке………………………………………………………. 243
Мощность в нагрузке при тиристорном управлении……………………………………………………. 245
Ручной регулятор мощности…………………………………………………………………………………………………… 247
Базовая схема регулятора (диммера)…………………………………………………………………………….. 247
Регулятор переменного напряжения с двумя тиристорами………………………………………….. 252
Регулятор с симистором………………………………………………………………………………………………….. 253
Бесконтактный метод измерения переменного тока…………………………………………………………….. 254
Помехи………………………………………………………………………………………………………………………………………. 256
Глава 11. Слайсы, которые стали чипами
О микросхемах…………………………………………………………………………………….. 259
Некоторые типовые узлы микросхем и особенности их эксплуатации……………………………… 263
Звуковые усилители на микросхемах……………………………………………………………………………………. 269
Мощный УМЗЧ………………………………………………………………………………………………………………… 270
Микроусилитель мощности…………………………………………………………………………………………….. 273
Глава 12. Самые универсальные
Обратная связь и операционные усилители…………………………………………. 275
Опасные связи………………………………………………………………………………………………………………………….. 276
Основные свойства системы с отрицательной обратной связью………………………………… 280
Базовые схемы усилителей на ОУ………………………………………………………………………………………….. 282
Неидеальность ОУ, ее последствия и борьба с ними……………………………………………………. 284
Дифференциальные усилители……………………………………………………………………………………….. 286
Другие распространенные схемы на ОУ……………………………………………………………………….. 289
Применение интегратора для измерения малых импульсных токов…………………………… 291
Аналоговый генератор……………………………………………………………………………………………………………. 293
Релейное регулирование и термостаты…………………………………………………………………………………. 296
Термостат вообще……………………………………………………………………………………………………………. 297
Простой термостат для аквариума………………………………………………………………………………… 301
О гистерезисе……………………………………………………………………………………………………………………. 304
Автомат включения освещения………………………………………………………………………………………. 306
Терморегулятор «для дома для семьи»………………………………………………………………………….. 308
Глава 13. Как измерить температуру?
Об измерениях, погрешностях и обработке результатов……………………….. 313
Основы термометрии……………………………………………………………………………………………………………….. 314
Датчики…………………………………………………………………………………………………………………………….. 315
Термисторы……………………………………………………………………………………………………………… 316
Металлические датчики…………………………………………………………………………………………. 318
Полупроводниковые датчики………………………………………………………………………………… 318
Методы измерения сопротивления………………………………………………………………………………………… 319
Очень точный лабораторный измеритель температуры……………………………………………………… 321
О метрологии и ошибках аналоговых схем…………………………………………………………………………… 323
Точность и разрешающая способность…………………………………………………………………………. 325
Систематические ошибки………………………………………………………………………………………………… 326
Случайные ошибки измерения и их оценка…………………………………………………………………… 326
Регрессия и метод наименьших квадратов…………………………………………………………………….. 331
Разновидности погрешностей…………………………………………………………………………………………. 333
Часть III. Цифровой век………………………………………………………………. 335
Глава 14. На пороге цифрового века
Математическая логика и ее представление в технических устройствах 337
Основные операции алгебры Буля…………………………………………………………………………………………. 340
Булева алгебра на выключателях и реле………………………………………………………………………. 343
То же самое, но на транзисторах и диодах…………………………………………………………………… 346
О двоичной и других системах счисления…………………………………………………………………………….. 348
Позиционные и непозиционные системы счисления. Десятичная система………………… 348
Двоичная и шестнадцатеричная системы……………………………………………………………………… 351
Перевод из одной системы счисления в другую……………………………………………………………. 352
Байты………………………………………………………………………………………………………………………………… 354
Запись чисел в различных форматах…………………………………………………………………………….. 356
Немного двоичной арифметики……………………………………………………………………………………………… 358
Отрицательные двоичные числа…………………………………………………………………………………….. 358
Дробные числа…………………………………………………………………………………………………………………………. 361
Коды, шифры и дешифраторы………………………………………………………………………………………………… 362
Код Грея……………………………………………………………………………………………………………………………. 365
Глава 15. Математическая электроника, или Игра в квадратики
Устройство логических микросхем и двоичные операции……………………. 369
ТТЛ……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 370
Основные характеристики КМОП………………………………………………………………………………………….. 372
Характеристики различных серий КМОП…………………………………………………………………….. 374
Двоичный сумматор на логических микросхемах……………………………………………………………….. 381
Обработка двоичных сигналов с помощью логических элементов……………………………………. 386
Мультиплексоры/демультиплексоры и ключи……………………………………………………………………… 389
Глава 16. Устройства на логических схемах
Мультивибраторы, формирователи, триггеры, счетчики………………………. 391
Генераторы………………………………………………………………………………………………………………………………. 391
Схемы на основе триггера Шмитта………………………………………………………………………………… 397
Кварцевые генераторы……………………………………………………………………………………………………. 399
Формирователи импульсов…………………………………………………………………………………………………….. 403
Одновибраторы……………………………………………………………………………………………………………………….. 405
Схема периодического включения питания………………………………………………………………….. 408
Одновибраторы и генераторы на микросхеме 555………………………………………………………………. 410
Триггеры, регистры и счетчики………………………………………………………………………………………………. 415
Самый простой триггер…………………………………………………………………………………………………… 415
D-триггеры………………………………………………………………………………………………………………………… 418
Регистры……………………………………………………………………………………………………………………………. 420
Счетчики…………………………………………………………………………………………………………………………… 421
Цифровой лабораторный генератор……………………………………………………………………………………… 427
Глава 17. Откуда берутся цифры
Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи……………………. 431
Принципы оцифровки сигналов……………………………………………………………………………………………… 433
ЦАП…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 436
АЦП…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 440
АЦП параллельного действия…………………………………………………………………………………………. 440
АЦП последовательного приближения………………………………………………………………………….. 441
Интегрирующие АЦП………………………………………………………………………………………………………. 442
Цифровой термометр без микроконтроллеров……………………………………………………………………… 451
АЦП 572ПВ2 и ПВ5………………………………………………………………………………………………………….. 452
Практическая схема термометра……………………………………………………………………………………. 456
Часть IV. Микроконтроллеры…………………………………………………… 463
Глава 18. Начала микроэлектроники
Микропроцессоры, память и микроконтроллеры…………………………………. 465
Как работает микропроцессор?……………………………………………………………………………………………… 468
Лечение амнезии………………………………………………………………………………………………………………………. 475
Изобретаем простейшую ROM……………………………………………………………………………………….. 476
Общее устройство памяти……………………………………………………………………………………………….. 477
RAM…………………………………………………………………………………………………………………………………… 479
EPROM, EEPROM и флеш-память…………………………………………………………………………………… 480
Микроконтроллеры Atmel AVR……………………………………………………………………………………………… 484
Почему AVR?……………………………………………………………………………………………………………………. 485
Структура МК AVR…………………………………………………………………………………………………………. 486
Последовательные порты……………………………………………………………………………………………….. 488
Глава 19. Основы Arduino
Контроллеры, среда и примеры программирования……………………………… 491
Что такое Arduino?…………………………………………………………………………………………………………………… 492
Основные платы Arduino…………………………………………………………………………………………………………. 494
Установка среды программирования Arduino………………………………………………………………………. 499
Настройки Arduino IDE……………………………………………………………………………………………………. 503
Программы для Arduino…………………………………………………………………………………………………………… 504
Примеры программирования………………………………………………………………………………………………….. 511
Обмен через последовательный порт…………………………………………………………………………….. 511
Термостат на Arduino………………………………………………………………………………………………………. 515
Правильное подключение кнопки…………………………………………………………………………………… 518
Правильная мигалка на Ardiuno……………………………………………………………………………………… 522
Глава 20. Компоненты для Arduino
Как на Arduino делать устройства лучше фирменных………………………….. 525
Техническое задание……………………………………………………………………………………………………………….. 526
О выборе компонентов…………………………………………………………………………………………………….. 527
Интерфейс TWI (I2C)………………………………………………………………………………………………………………… 528
Датчики метеорологических параметров……………………………………………………………………………… 530
Датчики температуры и влажности……………………………………………………………………………….. 531
Барометры………………………………………………………………………………………………………………………… 534
Другие метеорологические датчики………………………………………………………………………………. 535
Особенности калибровки цифровых датчиков……………………………………………………………… 537
Часы………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 538
Простейшие дисплеи……………………………………………………………………………………………………………….. 541
Подключение цифрового 4-разрядного дисплея к Arduino…………………………………………… 542
Часы на 4-разрядном дисплее…………………………………………………………………………………………. 543
Простой электронный термометр…………………………………………………………………………………… 546
Arduino и поразрядные матричные индикаторы…………………………………………………………………… 550
Схема подключения драйвера MAX6953 с I2C-интерфейсом……………………………………… 552
Программа………………………………………………………………………………………………………………………… 554
Работа с текстом на графическом дисплее MT-12864J………………………………………………………… 557
Подключение MT-12864J………………………………………………………………………………………………… 558
Русификация модуля MT-12864J……………………………………………………………………………………. 560
Строчные OLED-дисплеи………………………………………………………………………………………………………… 562
Контроллер WS0010 и библиотека LiquidCrystal…………………………………………………………. 563
Пишем по-русски……………………………………………………………………………………………………………… 565
Подключение строчных дисплеев Winstar…………………………………………………………………….. 566
Часы на основе OLED-дисплея……………………………………………………………………………………….. 568
Графические дисплеи Winstar…………………………………………………………………………………………………. 571
I2C-интерфейс для дисплеев Winstar………………………………………………………………………………………. 576
Передача данных по радиоканалу………………………………………………………………………………………… 579
Беспроводной UART: приемопередатчик HC-12………………………………………………………….. 579
Подключение передатчика и приемника RF link 433 MГц…………………………………………… 581
О режиме энергосбережения, Watchdog-таймере и питании метеостанции………………………. 587
Watchdog Timer………………………………………………………………………………………………………………… 588
О мерах по снижению энергопотребления…………………………………………………………………….. 592
Автономный датчик температуры/влажности……………………………………………………………………… 593
О конструктивном оформлении устройств на Arduino…………………………………………………………. 596
Глава 21. Применения Arduino
Избранные возможности платформы……………………………………………………. 599
Аналоговое управление внешними устройствами (ШИМ)………………………………………………….. 599
Принцип ШИМ-регулирования………………………………………………………………………………………. 600
ШИМ и Arduino………………………………………………………………………………………………………………… 601
Подбор MOSFET-ключей и драйверов для мощной нагрузки……………………………………… 604
Запись на SD-карту………………………………………………………………………………………………………………….. 607
Измерение частоты в Arduino…………………………………………………………………………………………………. 609
Метод первый — измерение частоты…………………………………………………………………………….. 610
Метод второй — измерение периода……………………………………………………………………………… 611
Ультразвуковой дальномер…………………………………………………………………………………………………….. 613
Пироэлектрический датчик…………………………………………………………………………………………………….. 615
Управляем с ИК-пульта от телевизора………………………………………………………………………………….. 618
Определение и применение кодов команд с ИК-пульта……………………………………………….. 618
Двухкнопочный плавный регулятор с запоминанием состояния……………………………………….. 621
Программа регулятора……………………………………………………………………………………………………. 623
О преимуществах и недостатках Arduino……………………………………………………………………………… 625
Глава 22. Персональный компьютер вместо паяльника
О программировании МК на ассемблере………………………………………………. 631
Некоторые дополнительные подробности архитектуры AVR……………………………………………. 632
Classic, Mega и Tiny………………………………………………………………………………………………………….. 632
Память программ…………………………………………………………………………………………………….. 633
Память данных (ОЗУ, SRAM)………………………………………………………………………………… 634
Энергонезависимая память данных (EEPROM)…………………………………………………… 635
Способы тактирования…………………………………………………………………………………………… 636
Параллельные порты ввода/вывода……………………………………………………………………… 638
Прерывания……………………………………………………………………………………………………………… 640
Таймеры-счетчики………………………………………………………………………………………………….. 642
Железо………………………………………………………………………………………………………………………………………. 644
Софт………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 646
О конфигурационных битах……………………………………………………………………………………………………. 649
Примеры программирования………………………………………………………………………………………………….. 652
Самая простая программа………………………………………………………………………………………………. 653
Таймер без прерываний…………………………………………………………………………………………………… 657
Применение прерываний…………………………………………………………………………………………………. 661
Прерывание таймера по переполнению………………………………………………………………………… 664
Прерывание таймера по сравнению………………………………………………………………………………. 667
Арифметика многоразрядных чисел на ассемблере…………………………………………………………….. 669
Операции с числами в формате BCD……………………………………………………………………………… 673
Мощный инвертор на микроконтроллере……………………………………………………………………………… 676
Программная реализация ШИМ…………………………………………………………………………………….. 678
О схемотехнике инвертора……………………………………………………………………………………………… 683
Экономичный автономный датчик температуры…………………………………………………………………. 686
Глава 23. LGT8F328P, или импортозамещение по-китайски
Усовершенствованный аналог AVR и примеры его применения………….. 689
Общие особенности LGT8F328P на практике……………………………………………………………………….. 689
Документация…………………………………………………………………………………………………………………… 690
Что требуется для начала работы?………………………………………………………………………………… 690
Применение LGT8F328P для замены Arduino……………………………………………………………………….. 693
Стандартная мигалка и мигалка по кнопке…………………………………………………………………… 694
Правильная мигалка на LGT8F328P……………………………………………………………………… 695
Программный UART………………………………………………………………………………………………………… 696
Примеры использования расширенных функций LGT8F328P…………………………………………….. 698
Timer3………………………………………………………………………………………………………………………………… 698
Цифроаналоговый преобразователь……………………………………………………………………………… 699
Генератор «пилы»…………………………………………………………………………………………………… 700
Генератор синуса……………………………………………………………………………………………………. 702
Получение уникального идентификатора……………………………………………………………………… 703
Программирование LGT8F328P на ассемблере……………………………………………………………………. 704
Установка источника тактирования………………………………………………………………………………. 707
Мигалка с помощью Timer3……………………………………………………………………………………………. 709
Watchdog, энергосбережение и UART……………………………………………………………………………. 711
Приложения…………………………………………………………………………………… 713
Приложение 1. Резисторы и конденсаторы…………………………………………… 715
Международная цветная маркировка резисторов (с допуском 5 и 10%)…………………………… 715
Таблицы номиналов резисторов и конденсаторов……………………………………………………………….. 716
Приложение 2. Стандартные обозначения, размеры и характеристики некоторых гальванических элементов……………………………………………………………………………………………… 717
Приложение 3. Соответствие наименований и функциональности некоторых зарубежных и отечественных цифровых микросхем…………………………………………………… 719
Приложение 4. Словарь часто встречающихся аббревиатур и терминов. 722
Приложение 5. Единицы измерения и обозначения……………………………… 728
Физические величины и их единицы измерения по умолчанию………………………………………….. 728
Приставки и множители для образования десятичных кратных и дольных единиц…………. 729
Некоторые буквенные обозначения в электрических схемах……………………………………………… 729
Некоторые символические обозначения в электрических схемах……………………………………… 730
Символические обозначения мощности резисторов на схемах………………………………………….. 732
Приложение 6. Запись загрузчика и программирование Arduino Mini….. 734
Запись загрузчика (bootloader)……………………………………………………………………………………………….. 734
Arduino в роли ISP……………………………………………………………………………………………………………. 734
Запись загрузчика через любой ISP-программатор……………………………………………………… 737
Программирование Arduino Mini и Pro Mini………………………………………………………………………….. 738
Программирование Mini c помощью платы Arduino Uno…………………………………………….. 738
Программирование Mini через адаптер USB-UART……………………………………………………… 739
Программирование Arduino Mini через адаптер USB-UART
с автоматическим сбросом……………………………………………………………………………………………… 740
Литература и источники………………………………………………………………………. 743
Предметный указатель…………………………………………………………………………. 745
Ревич Юрий Всеволодович – инженер-электронщик, журналист и писатель с многолетним стажем. Основной круг интересов – проектирование микроэлектронных устройств от принципиальной схемы до пользовательского интерфейса, информационные технологии, их влияние на современное общество, технологические инновации, история компьютеров. Автор 16 книг, в том числе «Занимательной электроники», выдержавшей 5 изданий в течение 15 лет, а также нескольких сотен публикаций в журналах, газетах и сетевых изданиях, в том числе ряда статей на портале Habr.ru.
-
Занимательная электроника. 7-е издание
1188 ₽
927 ₽
