Логически чипове. Част 2 - Порти

Логическите елементи действат като независими елементи под формата на микросхеми с малка степен на интеграция и те се включват като компоненти в микросхемите с по-висока степен на интеграция. Такива елементи могат да бъдат преброени повече от дузина.

Но първо, ще говорим само за четири от тях - това са елементите И, ИЛИ, НЕ, И НЕ. Основните елементи са първите три, а елементът AND-NOT вече е комбинация от елементи AND AND NOT. Тези елементи могат да бъдат наречени "тухли" на цифровата технология. Първо трябва да помислите каква е логиката на тяхното действие?

Спомнете си първата част на статията за цифровите схеми. Беше казано, че напрежението на входа (изхода) на микросхемата в рамките на 0 ... 0,4 V е логическо нулево ниво или ниско ниво на напрежение. Ако напрежението е в рамките на 2,4 ... 5,0 V, тогава това е нивото на логическа единица или напрежение от високо ниво.

Работното състояние на микросхемите от серия K155 и други микросхеми с 5V захранващо напрежение се характеризира именно с такива нива. Ако напрежението на изхода на микросхемата е в диапазона 0,4 ... 2,4 V (например 1,5 или 2,0 V), тогава вече можете да мислите за подмяната на тази микросхема.

Практически съвети: за да сте сигурни, че тази микросхема е с неизправност в изхода, изключете входа на микросхемата след нея (или няколко входа, свързани към изхода на тази микросхема) от нея. Тези входове могат просто да „седнат“ (претоварят) изходния чип.

Графични конвенции

Графичните символи са правоъгълник, съдържащ входни и изходни линии. Входните линии на елементите са разположени вляво, а изходните линии вдясно. Същото се отнася за цели листове с вериги: от лявата страна всички сигнали се въвеждат, отдясно са изходи. Това е като ред в книга - отляво надясно, ще бъде по-лесно да се запомни. Вътре в правоъгълника е условен символ, обозначаващ функцията, изпълнявана от елемента.

Логически елемент И

Започваме разглеждането на логическите елементи с елемент I.

Фигура 1. Логичният елемент И

Графичното му обозначение е показано на фигура 1а. Символът на функцията And е английският символ "&", който на английски замества обединението "и", защото в края на краищата цялата тази "псевдонаука" е измислена в прокълнатата буржоазия.

Входовете на елемента са обозначени като X с индекси 1 и 2, а изходът като функция на изхода с буквата Y. Това е просто, както в училищната математика, например, Y = K * X или, в общия случай, Y = f (x). Елементът може да има повече от два входа, което е ограничено само от сложността на проблема, който се решава, но може да има само един изход.

Логиката на елемента е следната: напрежение на високо ниво на изхода Y ще бъде само когато А на входа X1 И на входа X2 ще има напрежение на високо ниво. Ако елементът има 4 или 8 входа, тогава посоченото състояние (високо ниво) трябва да бъде изпълнено на всички входове: I-на вход 1, I-на вход 2, I-на вход 3 ... .. И-на вход N. Само в този случай изходът също ще бъде високо ниво.

За да се улесни разбирането на логиката на работа на елемента And, неговият аналог под формата на контактна схема е представен на фигура 1б. Тук изходът на елемента Y е представен от лампата HL1. Ако лампата свети, това съответства на високо ниво на изхода на елемент I. Често такива елементи се наричат ​​2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Първата цифра показва броя на входовете.

Като входни сигнали X1 и X2 се използват обикновени бутони „звънец“ без фиксиране. Отвореното състояние на бутоните е състояние на ниско ниво, а затвореното е естествено високо. Като източник на енергия, схемата показва галванична батерия. Докато бутоните са в отворено състояние, лампата, разбира се, не свети. Лампата ще се включи само когато и двата бутона се натиснат наведнъж, т.е. I-SB1, I-SB2.Такава е логическата връзка между входния и изходния сигнал на елемента I.

Визуално представяне на работата на елемента AND може да бъде получено, като разгледате диаграмата на времето, показана на фигура 1в. Отначало на вход X1 се появява сигнал от високо ниво, но нищо не се е случило на изход Y, все още има сигнал от ниско ниво. При вход X2 сигналът се появява с известно закъснение спрямо първия вход и на изход Y се появява сигнал от високо ниво.

Когато сигналът на вход X1 е нисък, изходът също се задава на нисък. Или казано по друг начин, сигнал на високо ниво се задържа на изхода, стига сигналите от високо ниво да присъстват и на двата входа. Същото може да се каже и за по-входните елементи на I: ако е 8-I, тогава, за да се получи високо ниво на изхода, високото ниво трябва да се поддържа на всички осем входа наведнъж.

Най-често в справочната литература състоянието на изхода на логическите елементи в зависимост от входните сигнали е дадено под формата на таблици за истинност. За разглеждания елемент 2-I таблицата за истинност е показана на фигура 1г.

Таблицата е донякъде подобна на таблицата за умножение, само по-малка. Ако го изучите внимателно, ще забележите, че високо ниво на изхода ще бъде само когато напрежение на високо ниво или, което е едно и също нещо, логическа единица присъства и на двата входа. Между другото, сравнението на таблицата за истинност с таблицата за умножение далеч не е случайно: всички таблици за истинност на електрониката знаят, както се казва, наизуст.

Също така, функцията И може да бъде описана с алгебра на логиката или булева алгебра, За елемент с два входа формулата ще изглежда така: Y = X1 * X2 или друга форма на писане Y = X1 ^ X2.

Логически елемент ИЛИ

След това ще разгледаме портата ИЛИ.

Фигура 2. Логически порта ИЛИ

Графичното му обозначение е подобно на току що разгледания елемент AND, с изключение на това, че вместо символа & за функцията AND, числото 1 е вписано във вътрешността на правоъгълника, както е показано на фигура 2а. В този случай той обозначава функцията ИЛИ. Вляво са входовете X1 и X2, които, както в случая с функцията And, могат да бъдат повече, а вдясно изходът, обозначен с буквата Y.

Под формата на булева алгебра формула, функцията OR се записва като Y = X1 + X2.

Съгласно тази формула, Y ще е вярно, когато ИЛИ на вход X1, ИЛИ на вход X2, ИЛИ и на двата входа веднага ще има високо ниво.

Контактната схема, показана на фигура 2б, ще ви помогне да разберете казаното току-що: натискането на някой от бутоните (високо ниво) или и двата бутона едновременно ще доведе до светене на лампата (високо ниво). В този случай бутоните са входните сигнали X1 и X2, а светлината е изходният сигнал Y. За по-лесно запомняне, фигури 2в и 2d показват диаграмата на времето и съответно таблицата за истинност: достатъчно е да се анализира работата на показаната контактна схема с диаграмата и таблицата, както всички въпроси ще изчезне.

Логически елемент НЕ, инвертор

Както каза един учител, в цифровите технологии няма нищо по-сложно от инвертор. Може би това е всъщност.

В алгебрата на логиката операцията НЕ се нарича инверсия, което означава отрицание на английски, тоест нивото на сигнала на изхода съответства точно обратното на входния сигнал, който изглежда като Y = / X под формата на формула

(Косото наклонение преди X обозначава действителната инверсия. Обикновено вместо наклонена черта се подчертава подчертаването, въпреки че такова обозначение е напълно приемливо.)

Графичният символ на елемента НЕ е квадрат или правоъгълник, вътре в който е вписано числото 1.

Фигура 3. Инвертор

В този случай това означава, че този елемент е инвертор. Той има само един вход X и изход Y. Линията на изхода започва с малък кръг, което всъщност показва, че този елемент е инвертор.

Както просто казахме, инвертор е най-сложната цифрова схема.И това се потвърждава от схемата му за контакт: ако преди това са били достатъчни само бутони, сега към тях е добавено реле. Докато бутонът SB1 не е натиснат (логическа нула на входа), релето К1 се дезактивира и нормално затворените му контакти светват HL1 светлината, което съответства на логическа единица на изхода.

Ако натиснете бутона (приложете логическа единица към входа), релето ще се включи, контактите K1.1 ще се отворят, светлината ще изгасне, което съответства на логическа нула на изхода. Горното се потвърждава от времевата диаграма на фигура 3в и таблицата за истинност на фигура 3d.

Логически елемент И НЕ

Вратата НЕ е комбинация от портата И и портата НЕ.

Фигура 4. Логичният елемент И НЕ

Следователно символът & (логически И) присъства на своя графичен символ, а изходната линия започва с кръг, показващ наличието на инвертор в композицията.

Контактният аналог на логическия елемент е показан на фигура 4b, и ако погледнете отблизо, той е много подобен на аналога на инвертора, показан на фигура 3б: крушката също се включва чрез нормално затворени контакти на реле K1. Всъщност това е инверторът. Релето се управлява от бутони SB1 и SB2, които съответстват на входовете X1 и X2 на портата AND. Диаграмата показва, че релето ще бъде включено само при натискане на двата бутона: в този случай бутоните изпълняват функцията & (логично И). В този случай лампата на изхода изгасва, което съответства на състоянието на логическа нула.

Ако двата бутона не са натиснати или поне един от тях, релето е деактивирано и светлината на изхода на веригата е включена, което съответства на нивото на логическа единица.

От гореизложеното можем да направим следните изводи:

Първо, ако поне един вход има логическа нула, тогава изходът ще бъде логическа единица. Същото състояние на изхода ще бъде в случаите, когато нули присъстват и на двата входа едновременно. Това е много ценно свойство на елементи AND-NOT: ако свържете и двата входа, елементът AND-NOT се превръща в инвертор - той просто изпълнява функцията на NOT. Това свойство ви позволява да не поставяте специален чип, съдържащ шест инвертора наведнъж, когато са необходими само един или два.

Второ, нула на изхода може да се получи само ако се „събира“ на всички входове на единство. В този случай би било подходящо да се назове разглеждания логически елемент 2I-NOT. Двамата казват, че този елемент е с два входа. В почти всички серии микросхеми също има 3, 4 и осем входни елемента. Освен това всеки от тях има само един изход. Въпреки това, елементът 2I-NOT се счита за основен елемент в много серии цифрови микросхеми.

С различни опции за свързване на входовете можете да получите още едно прекрасно свойство. Например, свързвайки трите входа на осем входния елемент 8I-NOT заедно, получаваме елемента 6I-NOT. И ако свържете всички 8 входа заедно, получавате само инвертор, както беше споменато по-горе.

Това завършва запознаването с логическите елементи. В следващата част на статията ще разгледаме най-простите експерименти с микросхеми, вътрешната структура на микросхемите, прости устройства, като генератори на импулси.

Борис Аладишкин

Продължение на статията: Логически чипове. Част 3