Puces logiques. Partie 2 - Portes

Les éléments logiques fonctionnent comme des éléments indépendants sous la forme de microcircuits d'un faible degré d'intégration, et ils sont inclus sous forme de composants dans des microcircuits d'un degré d'intégration plus élevé. De tels éléments peuvent compter plus d'une douzaine.

Mais d'abord, nous ne parlerons que de quatre d'entre eux - ce sont les éléments ET, OU, NON, ET-NON. Les principaux éléments sont les trois premiers, et l'élément AND-NOT est déjà une combinaison des éléments AND AND NOT. Ces éléments peuvent être appelés «briques» de la technologie numérique. Vous devez d'abord considérer quelle est la logique de leur action?

Rappelons la première partie de l'article sur les circuits numériques. Il a été dit que la tension à l'entrée (sortie) du microcircuit à l'intérieur de 0 ... 0,4 V est le niveau de zéro logique, ou basse tension. Si la tension est comprise entre 2,4 et 5,0 V, il s'agit du niveau d'une unité logique ou d'une tension de niveau élevé.

L'état de fonctionnement des microcircuits de la série K155 et d'autres microcircuits avec une tension d'alimentation de 5 V se caractérise précisément par ces niveaux. Si la tension à la sortie du microcircuit est comprise entre 0,4 et 2,4 V (par exemple 1,5 ou 2,0 V), vous pouvez déjà penser à remplacer ce microcircuit.

Conseil pratique: pour vous assurer que ce microcircuit est défectueux en sortie, déconnectez-en l'entrée du microcircuit qui le suit (ou plusieurs entrées connectées à la sortie de ce microcircuit). Ces entrées peuvent simplement «asseoir» (surcharger) la puce de sortie.

Conventions graphiques

Les symboles graphiques sont un rectangle contenant des lignes d'entrée et de sortie. Les lignes d'entrée des éléments sont situées à gauche et les lignes de sortie à droite. La même chose s'applique aux feuilles entières avec des circuits: sur le côté gauche, tous les signaux sont entrés, sur la droite sont les sorties. C’est comme une ligne dans un livre - de gauche à droite, ce sera plus facile à retenir. À l'intérieur du rectangle se trouve un symbole conditionnel indiquant la fonction effectuée par l'élément.

Élément logique ET

Nous commençons l'examen des éléments logiques par l'élément I.

Figure 1. L'élément logique ET

Sa désignation graphique est illustrée à la figure 1a. Le symbole de la fonction Et est le symbole anglais "&", qui en anglais remplace l'union "et", car après tout, toute cette "pseudoscience" a été inventée dans la damnée bourgeoisie.

Les entrées de l'élément sont désignées par X avec les indices 1 et 2, et la sortie, comme fonction de sortie, par la lettre Y. C'est simple, comme en mathématiques scolaires, par exemple, Y = K * X ou, dans le cas général, Y = f (x). Un élément peut avoir plus de deux entrées, ce qui n'est limité que par la complexité du problème résolu, mais il ne peut y avoir qu'une seule sortie.

La logique de l'élément est la suivante: une tension de haut niveau à la sortie Y ne sera que lorsque Et à l'entrée X1 Et à l'entrée X2 il y aura une tension de haut niveau. Si l'élément a 4 ou 8 entrées, alors la condition indiquée (la présence d'un niveau haut) doit être satisfaite à toutes les entrées: I-à l'entrée 1, I-à l'entrée 2, I-à l'entrée 3 ... .. Et-à l'entrée N. uniquement dans ce cas, la sortie sera également d'un niveau élevé.

Afin de faciliter la compréhension de la logique de fonctionnement de l'élément And, son analogue sous la forme d'un circuit de contact est présenté sur la figure 1b. Ici, la sortie de l'élément Y est représentée par la lampe HL1. Si la lampe est allumée, cela correspond à un niveau élevé à la sortie de l'élément I. Souvent, ces éléments sont appelés 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Le premier chiffre indique le nombre d'entrées.

En tant que signaux d'entrée X1 et X2, des boutons «cloche» ordinaires sont utilisés sans fixation. L'état ouvert des boutons est un état de bas niveau et l'état fermé est naturellement élevé. En tant que source d'alimentation, le diagramme montre une batterie galvanique. Alors que les boutons sont à l'état ouvert, la lampe, bien sûr, ne brille pas. La lampe ne s'allume que lorsque les deux boutons sont enfoncés simultanément, c'est-à-dire I-SB1, I-SB2.Telle est la connexion logique entre le signal d'entrée et de sortie de l'élément I.

Une représentation visuelle du fonctionnement de l'élément ET peut être obtenue en regardant le diagramme temporel montré sur la figure 1c. Au début, un signal de haut niveau apparaît à l'entrée X1, mais rien ne s'est produit à la sortie Y, il y a toujours un signal de bas niveau. À l'entrée X2, le signal apparaît avec un certain retard par rapport à la première entrée et un signal de haut niveau apparaît à la sortie Y.

Lorsque le signal à l'entrée X1 est faible, la sortie est également réglée sur faible. Ou, pour le dire autrement, un signal de haut niveau est maintenu à la sortie tant que des signaux de haut niveau sont présents aux deux entrées. La même chose peut être dite des éléments à entrées multiples de I: s'il s'agit de 8-I, alors pour obtenir un niveau élevé à la sortie, le niveau élevé doit être maintenu sur les huit entrées à la fois.

Le plus souvent dans la littérature de référence, l'état de la sortie des éléments logiques en fonction des signaux d'entrée est donné sous forme de tables de vérité. Pour l'élément considéré 2-I, la table de vérité est représentée sur la figure 1d.

La table est quelque peu similaire à la table de multiplication, mais plus petite. Si vous l'étudiez attentivement, vous remarquerez qu'un niveau élevé à la sortie ne se produira que lorsqu'une tension de niveau élevé ou, ce qui est la même chose, une unité logique est présente aux deux entrées. Soit dit en passant, la comparaison de la table de vérité avec la table de multiplication est loin d'être accidentelle: toutes les tables de vérité électroniques connaissent, comme on dit, par cœur.

De plus, la fonction Et peut être décrite avec algèbre de logique ou algèbre booléenne. Pour un élément à deux entrées, la formule ressemblera à ceci: Y = X1 * X2 ou une autre forme d'écriture Y = X1 ^ X2.

Élément logique OU

Ensuite, nous allons regarder la porte OU.

Figure 2. Porte logique OU

Sa désignation graphique est similaire à l'élément AND que nous venons d'examiner, sauf qu'au lieu du symbole & pour la fonction AND, le nombre 1 est inscrit à l'intérieur du rectangle, comme le montre la figure 2a. Dans ce cas, il désigne la fonction OU. A gauche se trouvent les entrées X1 et X2, qui, comme dans le cas de la fonction Et, peuvent être plus, et à droite la sortie, indiquée par la lettre Y.

Sous la forme d'une formule d'algèbre booléenne, la fonction OR s'écrit Y = X1 + X2.

Selon cette formule, Y sera vrai lorsque OU à l'entrée X1, OU à l'entrée X2, OU aux deux entrées, il y aura immédiatement un niveau élevé.

Le diagramme de contact illustré à la figure 2b aidera à comprendre ce qui vient d'être dit: en appuyant sur l'un des boutons (haut niveau) ou sur les deux boutons à la fois, la lampe brillera (haut niveau). Dans ce cas, les boutons sont les signaux d'entrée X1 et X2, et la lumière est le signal de sortie Y. Pour faciliter la mémorisation, les figures 2c et 2d montrent respectivement le chronogramme et la table de vérité: il suffit d'analyser le fonctionnement du circuit de contact représenté avec le schéma et la table, comme toutes les questions va disparaître.

Élément logique NON, onduleur

Comme l'a dit un enseignant, en technologie numérique, rien de plus compliqué qu'un onduleur. C'est peut-être en fait.

Dans l'algèbre de la logique, l'opération n'est PAS appelée inversion, ce qui signifie négation en anglais, c'est-à-dire que le niveau du signal à la sortie correspond exactement à l'opposé du signal d'entrée, qui ressemble à Y = / X sous la forme d'une formule

(La barre oblique avant X indique l'inversion réelle. Habituellement, un trait de soulignement est utilisé à la place d'une barre oblique, bien qu'une telle notation soit tout à fait acceptable.)

Le symbole graphique de l'élément n'est PAS un carré ou un rectangle à l'intérieur duquel le chiffre 1 est inscrit.

Figure 3. Onduleur

Dans ce cas, cela signifie que cet élément est un onduleur. Il n'a qu'une entrée X et une sortie Y. La ligne de sortie commence par un petit cercle, ce qui indique en fait que cet élément est un inverseur.

Comme je viens de le dire, un onduleur est le circuit numérique le plus complexe.Et cela est confirmé par son schéma de contacts: si avant cela, seuls les boutons suffisaient, maintenant un relais leur a été ajouté. Tant que le bouton SB1 n'est pas enfoncé (zéro logique en entrée), le relais K1 est hors tension et ses contacts normalement fermés allument l'ampoule HL1, ce qui correspond à une unité logique en sortie.

Si vous appuyez sur le bouton (appliquez une unité logique à l'entrée), le relais s'allumera, les contacts K1.1 s'ouvriront, le voyant s'éteindra, ce qui correspond à un zéro logique à la sortie. Ce qui précède est confirmé par le diagramme temporel de la figure 3c et la table de vérité de la figure 3d.

Élément logique ET NON

La porte ET n'est PAS une combinaison de la porte ET et de la porte NON.

Figure 4. L'élément logique ET NON

Par conséquent, le symbole & (ET logique) est présent sur son symbole graphique, et la ligne de sortie commence par un cercle indiquant la présence d'un élément inverseur.

L'analogue de contact de l'élément logique est illustré à la figure 4b, et, si vous regardez attentivement, il est très similaire à l'analogue de l'onduleur illustré à la figure 3b: l'ampoule est également allumée via des contacts normalement fermés du relais K1. En fait, c'est l'onduleur. Le relais est commandé par les boutons SB1 et SB2, qui correspondent aux entrées X1 et X2 de la porte ET. Le diagramme montre que le relais ne sera activé que lorsque les deux boutons sont enfoncés: dans ce cas, les boutons exécutent la fonction & (ET logique). Dans ce cas, la lampe à la sortie s'éteint, ce qui correspond à l'état du zéro logique.

Si les deux boutons ne sont pas enfoncés, ou au moins l'un d'entre eux, alors le relais est désactivé, et le voyant à la sortie du circuit est allumé, ce qui correspond au niveau d'une unité logique.

De ce qui précède, nous pouvons tirer les conclusions suivantes:

Premièrement, si au moins une entrée a un zéro logique, alors la sortie sera une unité logique. Le même état à la sortie sera dans le cas où des zéros sont présents aux deux entrées à la fois. C'est une propriété très précieuse des éléments AND-NOT: si vous connectez les deux entrées, alors l'élément AND-NOT devient un onduleur - il remplit simplement la fonction de NOT. Cette propriété vous permet de ne pas mettre une puce spéciale contenant six onduleurs à la fois, alors qu'un seul ou deux sont nécessaires.

Deuxièmement, zéro à la sortie ne peut être obtenu que si "collecter" sur toutes les entrées de l'unité. Dans ce cas, il conviendrait de nommer l'élément logique considéré 2I-NOT. Les deux disent que cet élément est à deux entrées. Dans presque toutes les séries de microcircuits, il existe également des éléments à 3, 4 et huit entrées. De plus, chacun d'eux n'a qu'une seule issue. Cependant, l'élément 2I-NOT est considéré comme un élément de base dans de nombreuses séries de microcircuits numériques.

Avec diverses options pour connecter les entrées, vous pouvez obtenir une autre merveilleuse propriété. Par exemple, en connectant les trois entrées de l'élément à huit entrées 8I-NOT, nous obtenons l'élément 6I-NOT. Et si vous connectez les 8 entrées ensemble, vous obtenez juste un onduleur, comme mentionné ci-dessus.

Ceci termine la connaissance des éléments logiques. Dans la prochaine partie de l'article, nous considérerons les expériences les plus simples avec des microcircuits, la structure interne des microcircuits, des dispositifs simples, tels que des générateurs d'impulsions.

Boris Aladyshkin

Suite de l'article: Puces logiques. 3e partie