Λογικές μάρκες. Μέρος 2 - Πύλες

Τα λογικά στοιχεία λειτουργούν ως ανεξάρτητα στοιχεία υπό μορφή μικροκυκλωμάτων μικρού βαθμού ολοκλήρωσης και συμπεριλαμβάνονται ως συστατικά σε μικροκυκλώματα υψηλότερου βαθμού ολοκλήρωσης. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να μετρηθούν περισσότερο από μια ντουζίνα.

Αλλά πρώτα, θα μιλήσουμε μόνο για τέσσερις από αυτούς - αυτά είναι τα στοιχεία AND, OR, NOT, AND-NOT. Τα κύρια στοιχεία είναι τα πρώτα τρία και το στοιχείο AND-NOT είναι ήδη ένας συνδυασμός των στοιχείων AND AND NOT. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να ονομαστούν "τούβλα" ψηφιακής τεχνολογίας. Πρώτα πρέπει να εξετάσετε ποια είναι η λογική της δράσης τους;

Ανακαλέστε το πρώτο μέρος του άρθρου σχετικά με τα ψηφιακά κυκλώματα. Λέγεται ότι η τάση στην είσοδο (έξοδο) του μικροκυκλώματος μέσα στο 0 ... 0.4 V είναι λογική μηδενική στάθμη ή χαμηλή τάση. Εάν η τάση είναι μέσα στο 2,4 ... 5,0 V, τότε αυτό είναι το επίπεδο μιας λογικής μονάδας ή μιας τάσης υψηλού επιπέδου.

Η κατάσταση λειτουργίας των μικροκυκλωμάτων σειράς K155 και άλλων μικροκυκλωμάτων με τάση τροφοδοσίας 5V χαρακτηρίζεται από ακριβώς αυτά τα επίπεδα. Εάν η τάση στην έξοδο του μικροκυκλώματος είναι στην περιοχή 0.4 ... 2.4V (για παράδειγμα, 1.5 ή 2.0V), τότε μπορείτε ήδη να σκεφτείτε την αντικατάσταση αυτού του μικροκυκλώματος.

Πρακτικές συμβουλές: για να βεβαιωθείτε ότι ο μικροκυκλώτης είναι ελαττωματικός στην έξοδο, αποσυνδέστε από αυτόν την είσοδο του μικροκυκλώματος που ακολουθεί (ή αρκετές εισόδους συνδεδεμένες στην έξοδο αυτού του μικροκυκλώματος). Αυτές οι εισόδους μπορούν απλά να "κάθονται" (υπερφόρτωση) του τσιπ εξόδου.

Γραφικές Συμβάσεις

Τα γραφικά σύμβολα είναι ένα ορθογώνιο που περιέχει γραμμές εισόδου και εξόδου. Οι γραμμές εισόδου των στοιχείων βρίσκονται στα αριστερά και οι γραμμές εξόδου στα δεξιά. Το ίδιο ισχύει για ολόκληρα φύλλα με κυκλώματα: στην αριστερή πλευρά, όλα τα σήματα εισάγονται, στα δεξιά είναι εξόδους. Είναι σαν μια γραμμή σε ένα βιβλίο - από αριστερά προς τα δεξιά, θα είναι ευκολότερο να θυμηθούμε. Μέσα στο ορθογώνιο είναι ένα σύμβολο υπό όρους το οποίο υποδηλώνει τη λειτουργία που εκτελείται από το στοιχείο.

Λογικό στοιχείο ΚΑΙ

Αρχίζουμε την εξέταση των λογικών στοιχείων με το στοιχείο Ι.

Σχήμα 1. Το λογικό στοιχείο ΚΑΙ

Η γραφική του ονομασία φαίνεται στο σχήμα 1α. Το σύμβολο της συνάρτησης And είναι το αγγλικό σύμβολο "&", το οποίο στα αγγλικά αντικαθιστά την ένωση "και", διότι τελικά όλη αυτή η "ψευδοεπιστήμη" εφευρέθηκε στην καταδικασμένη μπουρζουαζία.

Οι είσοδοι του στοιχείου χαρακτηρίζονται ως Χ με τους δείκτες 1 και 2 και η έξοδος, ως συνάρτηση εξόδου, με το γράμμα Υ. Είναι απλό, όπως για παράδειγμα στα μαθηματικά μαθημάτων, Y = K * X ή, γενικά, Y = f (x). Ένα στοιχείο μπορεί να έχει περισσότερες από δύο εισόδους, οι οποίες περιορίζονται μόνο από την πολυπλοκότητα του προβλήματος που επιλύεται, αλλά μπορεί να υπάρξει μόνο μία έξοδος.

Η λογική του στοιχείου είναι η εξής: μια τάση υψηλού επιπέδου στην έξοδο Υ θα είναι μόνο όταν Και στην είσοδο Χ1 Και στην είσοδο Χ2 θα υπάρχει μια τάση υψηλού επιπέδου. Εάν το στοιχείο έχει 4 ή 8 εισόδους, τότε πρέπει να πληρούνται όλες οι είσοδοι (υψηλή στάθμη): I-at είσοδος 1, I-at είσοδος 2, I-at είσοδος 3 ... .. Και-στην είσοδο Ν. στην περίπτωση αυτή, η παραγωγή θα είναι επίσης υψηλό.

Προκειμένου να διευκολυνθεί η κατανόηση της λογικής της λειτουργίας του στοιχείου And, το ανάλογο του με τη μορφή ενός κυκλώματος επαφής παρουσιάζεται στην Εικόνα 1 b. Εδώ, η έξοδος του στοιχείου Υ αντιπροσωπεύεται από τη λυχνία HL1. Αν η λυχνία ανάβει, τότε αυτό αντιστοιχεί σε υψηλό επίπεδο στην έξοδο του στοιχείου Ι. Συχνά τέτοια στοιχεία ονομάζονται 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Το πρώτο ψηφίο δηλώνει τον αριθμό των εισόδων.

Ως σήματα εισόδου X1 και X2, χρησιμοποιούνται απλά κουμπιά "κουδούνι" χωρίς στερέωση. Η ανοικτή κατάσταση των κουμπιών είναι κατάσταση χαμηλού επιπέδου και η κατάσταση κλειστή είναι φυσικά υψηλή. Ως πηγή ενέργειας, στο διάγραμμα εμφανίζεται μια γαλβανική μπαταρία. Ενώ τα κουμπιά βρίσκονται σε ανοικτή κατάσταση, η λάμπα, φυσικά, δεν λάμπει. Η λυχνία θα ανάψει μόνο όταν πατηθούν ταυτόχρονα και τα δύο κουμπιά, δηλ. Ι-δΒ1, Ι-δΒ2.Αυτή είναι η λογική σύνδεση μεταξύ του σήματος εισόδου και εξόδου του στοιχείου Ι.

Μια οπτική αναπαράσταση της λειτουργίας του στοιχείου AND μπορεί να ληφθεί εξετάζοντας το χρονικό διάγραμμα που φαίνεται στο σχήμα 1γ. Στην αρχή, ένα σήμα υψηλού επιπέδου εμφανίζεται στην είσοδο X1, αλλά δεν συνέβη τίποτα στην έξοδο Υ, εξακολουθεί να υπάρχει σήμα χαμηλού επιπέδου. Στην είσοδο X2, το σήμα εμφανίζεται με κάποια καθυστέρηση σε σχέση με την πρώτη είσοδο και ένα σήμα υψηλού επιπέδου εμφανίζεται στην έξοδο Υ.

Όταν το σήμα στην είσοδο X1 είναι χαμηλό, η έξοδος είναι επίσης χαμηλή. Ή, για να το θέσουμε με άλλο τρόπο, ένα σήμα υψηλού επιπέδου διατηρείται στην έξοδο εφόσον υπάρχουν σήματα υψηλού επιπέδου και στις δύο εισόδους. Το ίδιο μπορεί να λεχθεί και για τα περισσότερα στοιχεία πολλαπλών εισροών του Ι: αν είναι 8-I, τότε για να επιτευχθεί υψηλό επίπεδο στην έξοδο, πρέπει να διατηρηθεί το υψηλό επίπεδο και στις οκτώ εισόδους ταυτόχρονα.

Πιο συχνά στη βιβλιογραφία αναφοράς, η κατάσταση της εξόδου των λογικών στοιχείων ανάλογα με τα σήματα εισόδου δίνεται με τη μορφή πινάκων αλήθειας. Για το θεωρημένο στοιχείο 2-Ι, ο πίνακας αλήθειας φαίνεται στο σχήμα 1d.

Ο πίνακας είναι κάπως παρόμοιος με τον πίνακα πολλαπλασιασμού, ο οποίος είναι μικρότερος. Εάν το μελετήσετε προσεκτικά, θα παρατηρήσετε ότι ένα υψηλό επίπεδο στην έξοδο θα είναι μόνο όταν υπάρχει υψηλό επίπεδο τάσης ή, ποιο είναι το ίδιο πράγμα, μια λογική μονάδα και στις δύο εισόδους. Παρεμπιπτόντως, η σύγκριση του πίνακα αληθείας με τον πίνακα πολλαπλασιασμού απέχει πολύ από τυχαία: όλα τα ηλεκτρονικά τραπέζια της αλήθειας γνωρίζουν, όπως λένε, από την καρδιά.

Επίσης, η λειτουργία Και μπορεί να περιγραφεί με άλγεβρα της λογικής ή της άλγεβρας boolean. Για ένα στοιχείο δύο εισόδων, ο τύπος θα έχει την εξής μορφή: Y = X1 * X2 ή άλλη μορφή γραφής Y = X1 ^ X2.

Λογικό στοιχείο Ή

Στη συνέχεια θα δούμε την πύλη OR.

Εικόνα 2. Πύλη λογικής Ή

Ο γραφικός χαρακτήρας του είναι παρόμοιος με το στοιχείο AND που μόλις εξετάστηκε, εκτός από το ότι αντί του συμβόλου & για τη λειτουργία AND, ο αριθμός 1 είναι εγγεγραμμένος μέσα στο ορθογώνιο, όπως φαίνεται στο σχήμα 2α. Σε αυτή την περίπτωση, δηλώνει τη συνάρτηση OR. Αριστερά υπάρχουν οι είσοδοι X1 και X2, οι οποίες, όπως και στην περίπτωση της συνάρτησης And, μπορούν να είναι περισσότεροι και στα δεξιά η έξοδος, που υποδεικνύεται από το γράμμα Y.

Με τη μορφή ενός τύπου Boolean άλγεβρας, η συνάρτηση OR γράφεται ως Y = X1 + X2.

Σύμφωνα με αυτόν τον τύπο, το Υ θα είναι αληθές όταν OR στην είσοδο Χ1, Ή στην είσοδο Χ2, Ή και στις δύο εισόδους εκεί θα είναι αμέσως ένα υψηλό επίπεδο.

Το διάγραμμα επαφής που φαίνεται στο σχήμα 2b θα σας βοηθήσει να καταλάβετε τι έχει ειπωθεί: πατώντας ένα από τα κουμπιά (υψηλό επίπεδο) ή και τα δύο κουμπιά ταυτόχρονα θα προκαλέσει τη λάμψη (υψηλή στάθμη). Σε αυτή την περίπτωση, τα κουμπιά είναι τα σήματα εισόδου Χ1 και Χ2 και το φως είναι το σήμα εξόδου Υ. Για να είναι ευκολότερο να θυμηθούμε, τα Σχήματα 2c και 2d δείχνουν το διάγραμμα χρονισμού και τον πίνακα αλήθειας αντίστοιχα: αρκεί να αναλύσουμε τη λειτουργία του παρουσιαζόμενου κυκλώματος επαφής με το διάγραμμα και τον πίνακα, θα εξαφανιστούν.

Στοιχείο λογικής NOT, inverter

Όπως είπε ένας δάσκαλος, στην ψηφιακή τεχνολογία δεν υπάρχει τίποτα πιο περίπλοκο από ένα μετατροπέα. Ίσως είναι, πραγματικά.

Στην άλγεβρα της λογικής, η λειτουργία ΔΕΝ ονομάζεται αναστροφή, που σημαίνει άρνηση στα αγγλικά, δηλαδή, το επίπεδο σήματος στην έξοδο αντιστοιχεί ακριβώς στο αντίθετο προς το σήμα εισόδου, το οποίο μοιάζει με Υ = / Χ με τη μορφή ενός τύπου

(Η κάθετο πριν από το X υποδηλώνει την πραγματική αναστροφή. Συνήθως, η υπογράμμιση χρησιμοποιείται αντί της κάθετης, αν και αυτή η συμβολισμός είναι αρκετά αποδεκτή.).

Το γραφικό σύμβολο του στοιχείου ΔΕΝ είναι ένα τετράγωνο ή ορθογώνιο στο εσωτερικό του οποίου είναι γραμμένο ο αριθμός 1.

Εικόνα 3. Μετατροπέας

Σε αυτή την περίπτωση, σημαίνει ότι αυτό το στοιχείο είναι ένας μετατροπέας. Έχει μόνο μία είσοδο X και έξοδο Y. Η γραμμή εξόδου αρχίζει με ένα μικρό κύκλο, πράγμα που δείχνει ότι αυτό το στοιχείο είναι ένας μετατροπέας.

Όπως μόλις είπα, ένας μετατροπέας είναι το πιο πολύπλοκο ψηφιακό κύκλωμα.Και αυτό επιβεβαιώνεται από το σχέδιο επαφών του: αν πριν από αυτό μόνο τα κουμπιά ήταν αρκετά, τώρα ένα ρελέ έχει προστεθεί σε αυτά. Ενώ το κουμπί SB1 δεν είναι πατημένο (λογικό μηδέν στην είσοδο), το ρελέ K1 απενεργοποιείται και οι κανονικά κλειστές επαφές του ενεργοποιούν τη λάμπα HL1, η οποία αντιστοιχεί σε μια λογική μονάδα στην έξοδο.

Αν πατήσετε το κουμπί (εφαρμόστε μια λογική μονάδα στην είσοδο), το ρελέ θα ανάψει, οι επαφές K1.1 θα ανοίξουν, το φως θα σβήσει, πράγμα που αντιστοιχεί σε λογικό μηδέν στην έξοδο. Τα παραπάνω επιβεβαιώνονται από το διάγραμμα χρόνου στο Σχήμα 3c και από τον πίνακα αλήθειας στο Σχήμα 3d.

Λογικό στοιχείο ΚΑΙ ΟΧΙ

Η πύλη AND ΔΕΝ είναι ένας συνδυασμός της πύλης AND και της πύλης NOT.

Εικόνα 4. Το λογικό στοιχείο ΚΑΙ ΟΧΙ

Επομένως, το σύμβολο & (λογικό AND) υπάρχει στο γραφικό του σύμβολο και η γραμμή εξόδου ξεκινά με έναν κύκλο που υποδεικνύει την παρουσία ενός στοιχείου μετατροπέα.

Το ανάλογο επαφής του λογικού στοιχείου φαίνεται στο σχήμα 4b και, αν κοιτάξετε προσεκτικά, είναι πολύ παρόμοιο με το ανάλογο του μετατροπέα που φαίνεται στο σχήμα 3b: ο λαμπτήρας ενεργοποιείται επίσης μέσω των κανονικά κλειστών επαφών του ρελέ K1. Στην πραγματικότητα, αυτός είναι ο μετατροπέας. Ο ηλεκτρονόμος ελέγχεται από τα κουμπιά SB1 και SB2, τα οποία αντιστοιχούν στις εισόδους X1 και X2 της πύλης AND. Το διάγραμμα δείχνει ότι το ρελέ θα ενεργοποιηθεί μόνο όταν πατήσετε και τα δύο κουμπιά: στην περίπτωση αυτή, τα κουμπιά εκτελούν τη λειτουργία & (λογική AND). Σε αυτήν την περίπτωση, η λάμπα στην έξοδο σβήνει, πράγμα που αντιστοιχεί στην κατάσταση του λογικού μηδενός.

Εάν δεν πιέσετε και τα δύο κουμπιά ή τουλάχιστον ένα από αυτά, τότε το ρελέ απενεργοποιείται και το φως στην έξοδο του κυκλώματος είναι αναμμένο, πράγμα που αντιστοιχεί στο επίπεδο μιας λογικής μονάδας.

Από τα παραπάνω μπορούμε να συναγάγουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα:

Πρώτον, εάν τουλάχιστον μία είσοδος έχει λογικό μηδέν, τότε η έξοδος θα είναι μια λογική μονάδα. Η ίδια κατάσταση στην έξοδο θα είναι στην περίπτωση που υπάρχουν μηδενικά και στις δύο εισόδους ταυτόχρονα. Αυτή είναι μια πολύτιμη ιδιότητα των στοιχείων AND-NOT: αν συνδέσετε και τις δύο εισόδους, τότε το στοιχείο AND-NOT γίνεται μετατροπέας - απλά εκτελεί τη λειτουργία του NOT. Αυτή η ιδιότητα σάς επιτρέπει να μην τοποθετείτε ένα ειδικό τσιπ που να περιέχει έξι μετατροπείς ταυτόχρονα, όταν απαιτούνται μόνο ένα ή δύο.

Δεύτερον, το μηδέν στην έξοδο μπορεί να ληφθεί μόνο αν "συγκεντρωθεί" σε όλες τις εισόδους της ενότητας. Σε αυτή την περίπτωση, θα ήταν σκόπιμο να ονομάσουμε το θεωρούμενο λογικό στοιχείο 2I-NOT. Οι δύο λένε ότι αυτό το στοιχείο είναι δύο εισροών. Σε όλες σχεδόν τις σειρές μικροκυκλωμάτων, υπάρχουν επίσης στοιχεία 3, 4 και οκτώ εισόδων. Επιπλέον, κάθε ένας από αυτούς έχει μόνο μία διέξοδο. Ωστόσο, το στοιχείο 2I-NOT θεωρείται βασικό στοιχείο σε πολλές σειρές ψηφιακών μικροκυκλωμάτων.

Με διάφορες επιλογές για τη σύνδεση των εισόδων, μπορείτε να πάρετε μια άλλη υπέροχη ιδιοκτησία. Για παράδειγμα, συνδέοντας τις τρεις εισόδους του στοιχείου 8I-NOT οκτώ εισόδων, παίρνουμε το στοιχείο 6I-NOT. Και αν συνδέσετε όλες τις 8 εισόδους μαζί, θα έχετε μόνο ένα μετατροπέα, όπως αναφέρθηκε παραπάνω.

Αυτό ολοκληρώνει την εξοικείωση με τα λογικά στοιχεία. Στο επόμενο μέρος του άρθρου, θα εξετάσουμε τα απλούστερα πειράματα με μικροκυκλώματα, την εσωτερική δομή μικροκυκλωμάτων, απλές συσκευές, όπως γεννήτριες παλμών.

Μπόρις Αλαντίσκιν

Συνέχεια του άρθρου: Λογικές μάρκες. Μέρος 3