Układy logiczne. Część 2 - Bramy

Elementy logiczne działają jako niezależne elementy w postaci mikroukładów o niewielkim stopniu integracji i są zawarte w postaci elementów w mikroukładach o wyższym stopniu integracji. Takie elementy można policzyć kilkanaście.

Ale najpierw porozmawiamy tylko o czterech z nich - są to elementy ORAZ, LUB, NIE, ORAZ NIE. Głównymi elementami są pierwsze trzy, a element AND-NOT jest już kombinacją elementów AND AND NOT. Elementy te można nazwać „cegłami” technologii cyfrowej. Najpierw musisz zastanowić się, jaka jest logika ich działania?

Przypomnij sobie pierwszą część artykułu na temat obwodów cyfrowych. Mówiono, że napięcie na wejściu (wyjściu) mikroukładu w zakresie 0 ... 0,4 V jest poziomem logicznego zera lub niskiego napięcia. Jeśli napięcie mieści się w zakresie 2,4 ... 5,0 V, oznacza to poziom jednostki logicznej lub napięcie wysokiego poziomu.

Stan pracy mikroukładów serii K155 i innych mikroukładów o napięciu zasilania 5 V charakteryzuje się właśnie takimi poziomami. Jeśli napięcie na wyjściu mikroukładu jest w zakresie 0,4 ... 2,4 V (na przykład 1,5 lub 2,0 V), możesz już pomyśleć o wymianie tego mikroukładu.

Praktyczna rada: aby upewnić się, że ten mikroukład ma wadliwy sygnał wyjściowy, odłącz od niego wejście mikroukładu (lub kilka wejść podłączonych do wyjścia tego mikroukładu). Wejścia te mogą po prostu „osadzić” (przeciążenie) układ wyjściowy.

Konwencje graficzne

Symbole graficzne to prostokąt zawierający linie wejściowe i wyjściowe. Linie wejściowe elementów znajdują się po lewej stronie, a linie wyjściowe po prawej stronie. To samo dotyczy całych arkuszy z obwodami: po lewej stronie wszystkie sygnały są wprowadzane, po prawej są wyjścia. To jest jak wiersz w książce - od lewej do prawej łatwiej będzie zapamiętać. Wewnątrz prostokąta znajduje się symbol warunkowy oznaczający funkcję pełnioną przez element.

Element logiczny AND

Rozpatrzenie elementów logicznych rozpoczynamy od elementu I.

Rysunek 1. Element logiczny AND

Jego oznaczenie graficzne pokazano na rysunku 1a. Symbolem funkcji And jest angielski symbol „&”, który w języku angielskim zastępuje unię „i”, ponieważ w końcu cała ta „pseudonauka” została wynaleziona w przeklętej burżuazji.

Dane wejściowe elementu są oznaczone jako X za pomocą wskaźników 1 i 2, a dane wyjściowe, jako funkcja wyjściowa, przez literę Y. Jest to proste, jak na przykład w matematyce szkolnej, na przykład Y = K * X lub, w ogólnym przypadku, Y = f (x). Element może mieć więcej niż dwa dane wejściowe, co jest ograniczone tylko złożonością rozwiązania problemu, ale może być tylko jeden wynik.

Logika tego elementu jest następująca: napięcie wysokiego poziomu na wyjściu Y będzie miało miejsce tylko wtedy, gdy na wejściu X1 i na wejściu X2 pojawi się napięcie wysokiego poziomu. Jeśli element ma 4 lub 8 wejść, wówczas wskazany warunek (wysoki poziom) musi być spełniony na wszystkich wejściach: I-na wejściu 1, I-na wejściu 2, I-na wejściu 3 ... .. i na wejściu N. Tylko w takim przypadku wyjście będzie również na wysokim poziomie.

Aby ułatwić zrozumienie logiki działania elementu And, jego analog w postaci obwodu stykowego przedstawiono na rysunku 1b. Tutaj moc wyjściowa elementu Y jest reprezentowana przez lampę HL1. Jeśli lampa jest zapalona, ​​odpowiada to wysokiemu poziomowi na wyjściu elementu I. Często takie elementy nazywane są 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Pierwsza cyfra wskazuje liczbę wejść.

Jako sygnały wejściowe X1 i X2 używane są zwykłe przyciski „dzwonkowe” bez ustalania. Stan otwarty przycisków jest stanem niskiego poziomu, a stan zamknięty jest naturalnie wysoki. Jako źródło zasilania schemat przedstawia baterię galwaniczną. Gdy przyciski są w stanie otwartym, lampa oczywiście nie świeci. Lampa włączy się tylko wtedy, gdy oba przyciski zostaną naciśnięte jednocześnie, tj. I-SB1, I-SB2.Takie jest logiczne połączenie między sygnałem wejściowym i wyjściowym elementu I.

Wizualną reprezentację działania elementu AND można uzyskać, patrząc na diagram czasowy pokazany na rysunku 1c. Początkowo na wejściu X1 pojawia się sygnał wysokiego poziomu, ale na wyjściu Y nic się nie wydarzyło, nadal jest sygnał niskiego poziomu. Na wejściu X2 sygnał pojawia się z pewnym opóźnieniem w stosunku do pierwszego wejścia, a sygnał wysokiego poziomu pojawia się na wyjściu Y.

Gdy sygnał na wejściu X1 jest niski, wyjście jest również ustawione na niski. Innymi słowy, sygnał wysokiego poziomu jest utrzymywany na wyjściu, dopóki sygnały wysokiego poziomu są obecne na obu wejściach. To samo można powiedzieć o większej liczbie elementów wejściowych I: jeśli jest to 8-I, to aby uzyskać wysoki poziom na wyjściu, wysoki poziom musi być utrzymany na wszystkich ośmiu wejściach jednocześnie.

Najczęściej w literaturze przedmiotu stan wyjścia elementów logicznych w zależności od sygnałów wejściowych podany jest w postaci tabel prawdy. Dla rozpatrywanego elementu 2-I tabelę prawdy pokazano na rycinie 1d.

Tabela jest nieco podobna do tabliczki mnożenia, tylko mniejsza. Jeśli przestudiujesz go uważnie, zauważysz, że wysoki poziom na wyjściu będzie tylko wtedy, gdy napięcie wysokiego poziomu lub, co dokładnie, jednostka logiczna będzie obecna na obu wejściach. Nawiasem mówiąc, porównanie tabeli prawdy z tablicą mnożenia jest dalekie od przypadku: wszystkie elektroniczne tablice prawdy znają, jak mówią, na pamięć.

Ponadto funkcję I można opisać za pomocą algebra logiki lub algebra boolowska. W przypadku elementu z dwoma wejściami formuła będzie wyglądać następująco: Y = X1 * X2 lub inna forma pisania Y = X1 ^ X2.

Element logiczny OR

Następnie spojrzymy na bramkę OR.

Rysunek 2. Bramka logiczna OR

Jego oznaczenie graficzne jest podobne do właśnie zbadanego elementu AND, tyle że zamiast symbolu & dla funkcji AND liczba 1 jest wpisana w prostokąt, jak pokazano na rysunku 2a. W tym przypadku oznacza funkcję OR. Po lewej są wejścia X1 i X2, które, podobnie jak w przypadku funkcji And, mogą być większe, a po prawej wyjście, oznaczone literą Y.

W postaci logicznej algebry funkcja OR jest zapisywana jako Y = X1 + X2.

Zgodnie z tym wzorem, Y będzie prawdziwe, gdy OR na wejściu X1, OR na wejściu X2, OR na obu wejściach natychmiast pojawi się wysoki poziom.

Schemat kontaktowy pokazany na rysunku 2b pomoże zrozumieć, co zostało powiedziane: naciśnięcie jednego z przycisków (wysoki poziom) lub obu przycisków jednocześnie spowoduje zaświecenie się lampy (wysoki poziom). W tym przypadku przyciski są sygnałami wejściowymi X1 i X2, a światło jest sygnałem wyjściowym Y. Aby ułatwić zapamiętanie, rysunki 2c i 2d przedstawiają odpowiednio wykres czasowy i tabelę prawdy: wystarczy przeanalizować działanie pokazanego obwodu stykowego ze schematem i tabelą, jak wszystkie pytania zniknie.

Element logiczny NIE, falownik

Jak powiedział jeden nauczyciel, w technologii cyfrowej nie ma nic bardziej skomplikowanego niż falownik. Być może tak jest.

W algebrze logiki operacja NIE jest nazywana inwersją, co oznacza w języku angielskim negację, to znaczy poziom sygnału na wyjściu odpowiada dokładnie przeciwnie do sygnału wejściowego, który wygląda jak Y = / X w postaci wzoru

(Ukośnik przed X oznacza faktyczną inwersję. Zwykle zamiast ukośnika stosuje się podkreślenie, chociaż taki zapis jest całkiem do przyjęcia.)

Symbol graficzny elementu NIE jest kwadratem ani prostokątem, wewnątrz którego jest wpisana liczba 1.

Rysunek 3. Falownik

W tym przypadku oznacza to, że ten element jest falownikiem. Ma tylko jedno wejście X i wyjście Y. Linia wyjściowa zaczyna się małym kółkiem, co faktycznie oznacza, że ​​ten element jest falownikiem.

Jak już powiedziano, falownik jest najbardziej złożonym obwodem cyfrowym.Potwierdza to jego schemat kontaktów: jeśli wcześniej wystarczyły tylko przyciski, teraz dodano do nich przekaźnik. Gdy przycisk SB1 nie jest wciśnięty (logiczne zero na wejściu), przekaźnik K1 jest odłączony od zasilania, a jego normalnie zamknięte styki włączają lampkę HL1, co odpowiada jednostce logicznej na wyjściu.

Jeśli naciśniesz przycisk (zastosujesz jednostkę logiczną na wejściu), przekaźnik włączy się, styki K1.1 otworzą się, światło zgaśnie, co odpowiada logicznemu zero na wyjściu. Powyższe potwierdza diagram czasowy na ryc. 3c i tabela prawdy na ryc. 3d.

Element logiczny ORAZ NIE

Bramka AND NIE jest kombinacją bramki AND i bramki NOT.

Rysunek 4. Element logiczny ORAZ NIE

Dlatego symbol & (logiczne AND) jest obecny na jego symbolu graficznym, a linia wyjściowa zaczyna się od koła wskazującego obecność falownika w kompozycji.

Analog styku elementu logicznego pokazano na rysunku 4b, a jeśli przyjrzysz się uważnie, jest on bardzo podobny do analogu falownika pokazanego na rysunku 3b: żarówka jest również włączana poprzez normalnie zamknięte styki przekaźnika K1. W rzeczywistości jest to falownik. Przekaźnik jest kontrolowany za pomocą przycisków SB1 i SB2, które odpowiadają wejściom X1 i X2 bramki AND. Schemat pokazuje, że przekaźnik zostanie włączony tylko po naciśnięciu obu przycisków: w tym przypadku przyciski wykonują funkcję & (logiczne AND). W takim przypadku lampka na wyjściu gaśnie, co odpowiada stanowi logicznego zera.

Jeśli oba przyciski nie zostaną naciśnięte lub przynajmniej jeden z nich, przekaźnik zostanie wyłączony, a lampka na wyjściu obwodu zaświeci się, co odpowiada poziomowi jednostki logicznej.

Z powyższego możemy wyciągnąć następujące wnioski:

Po pierwsze, jeśli co najmniej jedno wejście ma logiczne zero, wówczas wyjście będzie jednostką logiczną. Ten sam stan na wyjściu będzie w przypadku, gdy zero będzie obecne na obu wejściach jednocześnie. Jest to bardzo cenna właściwość elementów AND-NOT: jeśli podłączysz oba wejścia, wówczas element AND-NOT stanie się falownikiem - po prostu pełni on funkcję NOT. Ta właściwość pozwala nie umieszczać specjalnego układu zawierającego sześć falowników jednocześnie, gdy wymagany jest tylko jeden lub dwa.

Po drugie, zero na wyjściu można uzyskać tylko wtedy, gdy „zbieraj” na wszystkich wejściach jedności. W takim przypadku należałoby nazwać rozważany element logiczny 2I-NOT. Obaj mówią, że ten element jest dwuwejściowy. W prawie wszystkich seriach mikroukładów znajdują się również 3, 4 i 8 elementów wejściowych. Co więcej, każdy z nich ma tylko jedno wyjście. Jednak element 2I-NOT jest uważany za element podstawowy w wielu seriach cyfrowych mikroukładów.

Dzięki różnym opcjom podłączenia wejść możesz uzyskać kolejną cudowną właściwość. Na przykład łącząc ze sobą trzy wejścia 8-elementowego elementu 8I-NOT, otrzymujemy element 6I-NOT. A jeśli połączysz wszystkie 8 wejść razem, otrzymasz tylko falownik, jak wspomniano powyżej.

To kończy znajomość elementów logicznych. W następnej części artykułu rozważymy najprostsze eksperymenty z mikroukładami, wewnętrzną strukturę mikroukładów, proste urządzenia, takie jak generatory impulsów.

Boris Aladyshkin

Kontynuacja artykułu: Układy logiczne. Część 3