Logische chips. Deel 2 - Poorten

Logische elementen werken als onafhankelijke elementen in de vorm van microcircuits met een kleine mate van integratie, en ze zijn opgenomen in de vorm van componenten in microcircuits met een hogere mate van integratie. Dergelijke elementen kunnen meer dan een dozijn worden geteld.

Maar eerst zullen we het slechts over vier hebben - dit zijn de elementen EN, OF, NIET, EN-NIET. De belangrijkste elementen zijn de eerste drie, en het AND-NOT-element is al een combinatie van de AND AND NOT-elementen. Deze elementen kunnen "bakstenen" van digitale technologie worden genoemd. Eerst moet je overwegen wat de logica is van hun actie?

Denk aan het eerste deel van het artikel over digitale schakelingen. Er werd gezegd dat de spanning aan de ingang (uitgang) van de microschakeling binnen 0 ... 0,4 V het niveau van logische nul of lage spanning is. Als de spanning binnen 2,4 ... 5,0 V ligt, is dit het niveau van een logische eenheid of een hoog niveau spanning.

De bedrijfstoestand van K155-serie microschakelingen en andere microschakelingen met 5V-voedingsspanning wordt gekenmerkt door precies dergelijke niveaus. Als de spanning aan de uitgang van de microschakeling zich in het bereik van 0,4 ... 2,4 V bevindt (bijvoorbeeld 1,5 of 2,0 V), kunt u al overwegen om deze microschakeling te vervangen.

Praktisch advies: om er zeker van te zijn dat deze microschakeling een slechte uitgang heeft, ontkoppelt u de ingang van de microschakeling die erop volgt (of meerdere ingangen die zijn aangesloten op de uitgang van deze microschakeling). Deze ingangen kunnen eenvoudigweg de uitgangschip “plaatsen” (overbelasten).

Grafische conventies

Grafische symbolen zijn een rechthoek met invoer- en uitvoerlijnen. Invoerlijnen van elementen bevinden zich aan de linkerkant en uitvoerlijnen aan de rechterkant. Hetzelfde geldt voor hele platen met circuits: aan de linkerkant zijn alle signalen input, aan de rechterkant zijn output. Het is als een regel in een boek - van links naar rechts is het gemakkelijker te onthouden. Binnen de rechthoek bevindt zich een voorwaardelijk symbool dat de functie aangeeft die door het element wordt uitgevoerd.

Logisch element EN

We beginnen met het overwegen van logische elementen met element I.

Figuur 1. Het logische element EN

De grafische aanduiding is weergegeven in figuur 1a. Het symbool van de And-functie is het Engelse symbool "&", dat in het Engels de unie vervangt "en", want al deze "pseudowetenschap" is immers uitgevonden in de verdomde bourgeoisie.

De ingangen van het element worden aangeduid als X met indices 1 en 2, en de uitvoer, als een uitvoerfunctie, met de letter Y. Het is eenvoudig, zoals in schoolwiskunde, bijvoorbeeld Y = K * X of, in het algemeen, Y = f (x). Een element kan meer dan twee ingangen hebben, wat alleen wordt beperkt door de complexiteit van het probleem dat wordt opgelost, maar er kan maar één uitgang zijn.

De logica van het element is als volgt: een hoog niveau spanning op de uitgang Y zal alleen zijn wanneer en op de ingang X1 en op de ingang X2 zal er een hoog niveau spanning zijn. Als het element 4 of 8 ingangen heeft, moet aan alle aangegeven ingangen (hoog niveau) worden voldaan bij alle ingangen: I-op ingang 1, I-op ingang 2, I-op ingang 3 ... .. En-op ingang N. Alleen in dit geval zal de output ook een hoog niveau zijn.

Om het eenvoudiger te maken de logica van de werking van het And-element te begrijpen, wordt het analoog in de vorm van een contactcircuit weergegeven in figuur 1b. Hier wordt de uitgang van het element Y weergegeven door de lamp HL1. Als de lamp brandt, komt dit overeen met een hoog niveau aan de uitgang van element I. Vaak worden dergelijke elementen 2-I, 3-I, 4-I, 8-I genoemd. Het eerste cijfer geeft het aantal ingangen aan.

Als ingangssignalen X1 en X2 worden gewone "belknoppen" gebruikt zonder te bevestigen. De open status van de knoppen is van een laag niveau en de gesloten status is van nature hoog. Als stroombron toont het diagram een ​​galvanische batterij. Terwijl de knoppen open staan, schijnt de lamp natuurlijk niet. De lamp gaat alleen aan wanneer beide knoppen tegelijkertijd worden ingedrukt, d.w.z. I-SB1, I-SB2.Dat is de logische verbinding tussen het ingangs- en uitgangssignaal van het element I.

Een visuele weergave van de werking van het EN-element kan worden verkregen door te kijken naar het tijddiagram dat wordt getoond in figuur 1c. Eerst verschijnt een signaal van hoog niveau bij ingang X1, maar er gebeurde niets bij uitgang Y, er is nog steeds een signaal van laag niveau. Op ingang X2 verschijnt het signaal met enige vertraging ten opzichte van de eerste ingang en een uitgangssignaal op hoog niveau verschijnt op uitgang Y.

Wanneer het signaal op ingang X1 laag is, wordt de uitgang ook op laag ingesteld. Of, om het anders te zeggen, een signaal van hoog niveau wordt aan de uitgang vastgehouden zolang er signalen van hoog niveau aanwezig zijn op beide ingangen. Hetzelfde kan gezegd worden van de meer multi-invoerelementen van I: als het 8-I is, moet het hoge niveau op alle acht ingangen tegelijkertijd worden gehouden om een ​​hoog niveau bij de uitgang te krijgen.

Meestal wordt in de referentieliteratuur de status van de uitvoer van logische elementen afhankelijk van de ingangssignalen gegeven in de vorm van waarheidstabellen. Voor het beschouwde element 2-I wordt de waarheidstabel weergegeven in figuur 1d.

De tabel lijkt enigszins op de vermenigvuldigingstabel, alleen kleiner. Als je het zorgvuldig bestudeert, zul je merken dat een hoog niveau aan de uitgang alleen zal zijn wanneer een hoge niveauspanning of, wat hetzelfde is, een logische eenheid aanwezig is aan beide ingangen. De vergelijking van de waarheidstabel met de vermenigvuldigingstabel is trouwens niet toevallig: alle waarheidstabellen voor elektronica kennen, zoals ze zeggen, uit het hoofd.

Ook kan de functie And worden beschreven met algebra van logica of booleaanse algebra. Voor een element met twee ingangen ziet de formule er als volgt uit: Y = X1 * X2 of een andere vorm van schrijven Y = X1 ^ X2.

Logisch element OF

Vervolgens zullen we kijken naar de OF-poort.

Figuur 2. Logische poort OF

De grafische aanduiding is vergelijkbaar met het EN-element dat zojuist is onderzocht, behalve dat in plaats van het & -symbool voor de EN-functie, het nummer 1 is ingeschreven in de rechthoek, zoals weergegeven in figuur 2a. In dit geval geeft het de functie OF aan. Aan de linkerkant zijn de ingangen X1 en X2, die, zoals in het geval van de And-functie, meer kan zijn, en aan de rechterkant de uitgang, aangegeven door de letter Y.

In de vorm van een Booleaanse algebraformule wordt de OF-functie geschreven als Y = X1 + X2.

Volgens deze formule zal Y waar zijn wanneer OF op ingang X1, OF op ingang X2, OF op beide ingangen onmiddellijk een hoog niveau zal zijn.

Het contactdiagram in afbeelding 2b helpt u te begrijpen wat er zojuist is gezegd: als u op een van de knoppen (hoog niveau) of beide knoppen tegelijk drukt, gaat de lamp branden (hoog niveau). In dit geval zijn de knoppen de ingangssignalen X1 en X2, en het licht is het uitgangssignaal Y. Om het gemakkelijker te onthouden, tonen figuren 2c en 2d respectievelijk het timingdiagram en de waarheidstabel: het is voldoende om de werking van het getoonde contactcircuit met het diagram en de tabel te analyseren, zoals alle vragen zal verdwijnen.

Logisch element NIET, omvormer

Zoals een docent zei, in digitale technologie is er niets ingewikkelder dan een omvormer. Misschien is dit wel zo.

In de algebra van de logica wordt de bewerking NIET inversie genoemd, wat negatie in het Engels betekent, dat wil zeggen dat het signaalniveau aan de uitgang precies het tegenovergestelde is van het ingangssignaal, dat eruitziet als Y = / X in de vorm van een formule

(De schuine streep voor X geeft de werkelijke inversie aan. Gewoonlijk wordt het onderstrepingsteken gebruikt in plaats van de schuine streep, hoewel deze notatie vrij acceptabel is.).

Het grafische symbool van het element is GEEN vierkant of rechthoek waarbinnen het nummer 1 is ingeschreven.

Figuur 3. Omvormer

In dit geval betekent dit dat dit element een omvormer is. Het heeft slechts één ingang X en uitgang Y. De uitgangslijn begint met een kleine cirkel, die feitelijk aangeeft dat dit element een omvormer is.

Zoals gezegd is een omvormer het meest complexe digitale circuit.En dit wordt bevestigd door zijn contactschema: als daarvoor alleen knoppen genoeg waren, is er nu een relais aan toegevoegd. Terwijl de SB1-knop niet wordt ingedrukt (logische nul aan de ingang), wordt relais K1 spanningsloos en schakelen de normaal gesloten contacten de HL1-lamp in, wat overeenkomt met een logische eenheid aan de uitgang.

Als u op de knop drukt (een logische eenheid op de ingang toepassen), wordt het relais ingeschakeld, worden de K1.1-contacten geopend, gaat het lampje uit, wat overeenkomt met een logische nul aan de uitgang. Het bovenstaande wordt bevestigd door het tijddiagram in figuur 3c en de waarheidstabel in figuur 3d.

Logisch element EN NIET

De EN-poort is GEEN combinatie van de EN-poort en de NIET-poort.

Figuur 4. Het logische element EN NIET

Daarom is het symbool & (logische EN) aanwezig op het grafische symbool en begint de uitgangslijn met een cirkel die de aanwezigheid van een inverter-element aangeeft.

Het contactanalogon van het logische element wordt weergegeven in figuur 4b en, als u goed kijkt, lijkt het sterk op het analoog van de in figuur 3b getoonde omvormer: de lamp wordt ook ingeschakeld via normaal gesloten contacten van relais K1. Eigenlijk is dit de omvormer. Het relais wordt bestuurd door de knoppen SB1 en SB2, die overeenkomen met de ingangen X1 en X2 van de EN-poort. Het diagram laat zien dat het relais alleen wordt ingeschakeld wanneer beide knoppen worden ingedrukt: in dit geval voeren de knoppen de functie & uit (logische EN). In dit geval gaat de lamp aan de uitgang uit, wat overeenkomt met de status van logische nul.

Als beide knoppen niet worden ingedrukt, of ten minste één ervan, is het relais uitgeschakeld en brandt het lampje aan de uitgang van het circuit, wat overeenkomt met het niveau van een logische eenheid.

Uit het voorgaande kunnen we de volgende conclusies trekken:

Ten eerste, als ten minste één ingang een logische nul heeft, is de uitgang een logische eenheid. Dezelfde status aan de uitgang is in het geval wanneer op beide ingangen tegelijkertijd nullen aanwezig zijn. Dit is een zeer waardevolle eigenschap van AND-NOT-elementen: als u beide ingangen verbindt, wordt het AND-NOT-element een omvormer - het voert eenvoudig de NOT-functie uit. Met deze eigenschap kunt u geen speciale chip met zes omvormers tegelijk plaatsen, wanneer er slechts één of twee nodig zijn.

Ten tweede kan nul aan de uitgang alleen worden verkregen als deze wordt "verzameld" op alle ingangen van eenheid. In dit geval zou het gepast zijn om het beschouwde logische element 2I-NOT te noemen. De twee zeggen dat dit element twee-invoer is. In bijna alle series microschakelingen zijn er ook elementen met 3, 4 en acht ingangen. Bovendien heeft elk van hen maar één uitweg. Het 2I-NOT-element wordt echter beschouwd als een basiselement in veel series digitale microschakelingen.

Met verschillende opties voor het aansluiten van de ingangen, kunt u een andere prachtige eigenschap krijgen. Als we bijvoorbeeld de drie ingangen van het achtingangselement 8I-NOT met elkaar verbinden, krijgen we het element 6I-NOT. En als u alle 8 ingangen met elkaar verbindt, krijgt u alleen een omvormer, zoals hierboven vermeld.

Hiermee is de kennismaking met de logische elementen voltooid. In het volgende deel van het artikel zullen we de eenvoudigste experimenten met microschakelingen, de interne structuur van microschakelingen, eenvoudige apparaten, zoals pulsgeneratoren, bekijken.

Boris Aladyshkin

Vervolg van het artikel: Logische chips. Deel 3