Jetoane logice. Partea 2 - Porți

Elementele logice funcționează ca elemente independente sub formă de microcircuite cu un grad mic de integrare și sunt incluse ca componente în microcircuite cu un grad mai mare de integrare. Astfel de elemente pot fi numărate mai mult de o duzină.

În primul rând, vom vorbi doar despre patru - acestea sunt elementele ȘI, SAU, NU, ȘI-NU. Elementele principale sunt primele trei, iar elementul AND-NOT este deja o combinație a elementelor AND AND NOT. Aceste elemente pot fi numite „cărămizi” ale tehnologiei digitale. Mai întâi trebuie să luați în considerare care este logica acțiunii lor?

Amintiți-vă prima parte a articolului pe circuite digitale. S-a spus că tensiunea la intrare (ieșire) a microcircuitului în 0 ... 0,4 V este nivelul zero logic sau tensiunea joasă. Dacă tensiunea se află la 2,4 ... 5,0 V, atunci acesta este nivelul unei unități logice sau a unei tensiuni de nivel înalt.

Starea de funcționare a microcircuitelor din seria K155 și a altor microcircuite cu o tensiune de alimentare de 5V este caracterizată prin asemenea niveluri. Dacă tensiunea la ieșirea microcircuitului este în intervalul 0,4 ... 2,4 V (de exemplu, 1,5 sau 2,0 V), vă puteți gândi deja la înlocuirea acestui microcircuit.

Sfaturi practice: pentru a vă asigura că acest microcircuit este defect la ieșire, deconectați intrarea microcircuitului care îl urmează (sau mai multe intrări conectate la ieșirea acestui microcircuit) de la acesta. Aceste intrări pot pur și simplu „așeza” (supraîncărca) cipul de ieșire.

Convenții grafice

Simbolurile grafice sunt un dreptunghi care conține linii de intrare și ieșire. Liniile de intrare ale elementelor sunt amplasate în stânga, iar liniile de ieșire în dreapta. Același lucru este valabil și pentru foile întregi cu circuite: pe partea stângă, toate semnalele sunt introduse, în dreapta sunt ieșite. Este ca o linie dintr-o carte - de la stânga la dreapta, va fi mai ușor de reținut. În interiorul dreptunghiului este un simbol condiționat care indică funcția îndeplinită de element.

Elementul logic AND

Începem considerarea elementelor logice cu elementul I.

Figura 1. Elementul logic AND

Desemnarea sa grafică este prezentată în figura 1a. Simbolul funcției And este simbolul englezesc „&”, care în engleză înlocuiește unirea „și”, pentru că, până la urmă, toată această „pseudociență” a fost inventată în burghezia blestemată.

Intrările elementului sunt desemnate X cu indicii 1 și 2, iar ieșirea, ca funcție de ieșire, de litera Y. Este simplă, ca în matematica școlară, de exemplu, Y = K * X sau, în cazul general, Y = f (x). Un element poate avea mai mult de două intrări, care este limitat doar de complexitatea problemei rezolvate, dar poate exista o singură ieșire.

Logica elementului este următoarea: o tensiune de nivel ridicat la ieșire Y va fi numai atunci când Și la intrare X1 Și la intrare X2 va exista o tensiune de nivel înalt. Dacă elementul are 4 sau 8 intrări, atunci condiția indicată (nivel ridicat) trebuie să fie satisfăcută la toate intrările: I-la intrarea 1, I-la intrarea 2, I-la intrarea 3 ... .. Și-la intrarea N. Numai în acest caz, producția va fi de asemenea un nivel ridicat.

Pentru a înlesni mai ușor logica funcționării elementului And, analogul său sub forma unui circuit de contact este prezentat în figura 1b. Aici, ieșirea elementului Y este reprezentată de lampa HL1. Dacă lampa este aprinsă, atunci aceasta corespunde unui nivel ridicat la ieșirea elementului I. Adesea, astfel de elemente se numesc 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Prima cifră indică numărul de intrări.

Ca semnale de intrare X1 și X2, butoanele obișnuite de „clopot” sunt utilizate fără fixare. Starea deschisă a butoanelor este o stare de nivel scăzută, iar starea închisă este în mod natural ridicată. Ca sursă de alimentare, diagrama prezintă o baterie galvanică. În timp ce butoanele sunt în stare deschisă, lampa, desigur, nu strălucește. Lampa se va aprinde doar atunci când ambele butoane sunt apăsate simultan, adică. I-SB1, I-SB2.Aceasta este conexiunea logică dintre semnalul de intrare și ieșire al elementului I.

O reprezentare vizuală a funcționării elementului AND poate fi obținută analizând diagrama de timp prezentată în figura 1c. La început, un semnal de nivel înalt apare la intrarea X1, dar la ieșirea Y nu s-a întâmplat nimic, există încă un semnal de nivel scăzut. La intrarea X2, semnalul apare cu o întârziere relativă la prima intrare, iar la ieșirea Y apare un semnal de nivel înalt.

Când semnalul de la intrarea X1 este scăzut, ieșirea este de asemenea setată la scăzut. Sau, cu alte cuvinte, la ieșire se ține un semnal de nivel înalt, atât timp cât sunt prezente semnale la nivel înalt la ambele intrări. Același lucru se poate spune despre elementele cu mai multe inputuri ale I: dacă este 8-I, atunci pentru a obține un nivel ridicat la ieșire, nivelul ridicat trebuie să fie menținut la toate cele opt intrări simultan.

Cel mai adesea în literatura de referință, starea de ieșire a elementelor logice în funcție de semnalele de intrare este dată sub formă de tabele de adevăr. Pentru elementul considerat 2-I, tabelul de adevăr este prezentat în figura 1d.

Tabelul este oarecum similar cu tabelul de înmulțire, doar mai mic. Dacă îl studiați cu atenție, veți observa că un nivel ridicat la ieșire va fi doar atunci când o tensiune de nivel înalt sau, ceea ce este același lucru, o unitate logică este prezentă la ambele intrări. Apropo, comparația tabelului adevărului cu tabelul de înmulțire este departe de a fi întâmplătoare: toate tabelele de adevăr electronice știu, așa cum se spune, de la inimă.

De asemenea, funcția Și poate fi descrisă cu algebră de logică sau algebră booleană. Pentru un element cu două intrări, formula va arăta astfel: Y = X1 * X2 sau o altă formă de scriere Y = X1 ^ X2.

Element logic OR

În continuare vom analiza poarta SAU.

Figura 2. Poarta logică OR

Desemnarea sa grafică este similară elementului AND tocmai examinat, cu excepția faptului că în loc de simbolul & pentru funcția AND, numărul 1 este înscris în interiorul dreptunghiului, așa cum se arată în figura 2a. În acest caz, indică funcția OR. În stânga sunt intrările X1 și X2, care, ca în cazul funcției And, pot fi mai multe, iar în dreapta ieșirea, indicată de litera Y.

Sub forma unei formule de algebră booleană, funcția OR este scrisă ca Y = X1 + X2.

Conform acestei formule, Y va fi adevărat atunci când OR la ​​intrarea X1, OR la ​​intrarea X2, OR la ​​ambele intrări va exista imediat un nivel ridicat.

Diagrama de contact prezentată în figura 2b vă va ajuta să înțelegeți ce s-a spus: apăsarea oricărui butoane (nivel înalt) sau ambele butoane simultan va face să lumineze lampa (nivel înalt). În acest caz, butoanele sunt semnalele de intrare X1 și X2, iar lumina este semnalul de ieșire Y. Pentru a fi mai ușor de reținut, Figurile 2c și 2d arată diagrama de sincronizare și respectiv tabelul de adevăr: este suficient să analizeze funcționarea circuitului de contact afișat cu diagrama și tabelul, ca toate întrebările va dispărea.

Elementul logic NU, invertor

După cum a spus un profesor, în tehnologia digitală nu există nimic mai complicat decât un invertor. Poate că acest lucru este de fapt.

În algebra logicii, operația NU se numește inversare, ceea ce înseamnă negație în engleză, adică nivelul semnalului la ieșire corespunde exact opusul semnalului de intrare, care arată ca Y = / X sub forma unei formule

(Slash-ul înainte de X denumește inversiunea reală. De obicei, sublinierea este folosită în loc de slash, deși această notare este destul de acceptabilă.)

Simbolul grafic al elementului NU este un pătrat sau un dreptunghi în interiorul căruia este înscris numărul 1.

Figura 3. Inverter

În acest caz, înseamnă că acest element este un invertor. Are o singură intrare X și ieșirea Y. Linia de ieșire începe cu un cerc mic, ceea ce indică de fapt că acest element este un invertor.

După cum s-a spus, un invertor este cel mai complex circuit digital.Și acest lucru este confirmat de schema lui de contact: dacă până atunci doar butoanele erau suficiente, acum le-a fost adăugat un releu. În timp ce butonul SB1 nu este apăsat (zero logic la intrare), releul K1 este dezactivat și contactele sale normal închise pornesc becul HL1, care corespunde unei unități logice la ieșire.

Dacă apăsați butonul (aplicați o unitate logică la intrare), releul se va porni, contactele K1.1 se vor deschide, lumina se va stinge, ceea ce corespunde unui zero logic la ieșire. Cele de mai sus sunt confirmate de diagrama de timp din figura 3c și de tabelul de adevăr din figura 3d.

Elementul logic ȘI NU

Poarta AND NU este o combinație între poarta AND și poarta NOT.

Figura 4. Elementul logic ȘI NU

Prin urmare, simbolul & (logic AND) este prezent pe simbolul său grafic, iar linia de ieșire începe cu un cerc care indică prezența unui element invertor.

Analogul de contact al elementului logic este prezentat în figura 4b și, dacă priviți cu atenție, este foarte similar cu analogul invertorului prezentat în figura 3b: becul este pornit și prin contactele normal închise ale releului K1. De fapt acesta este invertorul. Releul este controlat de butoanele SB1 și SB2, care corespund intrărilor X1 și X2 ale porții AND. Diagrama arată că releul va fi pornit numai la apăsarea ambelor butoane: în acest caz, butoanele îndeplinesc funcția & (logic AND). În acest caz, lampa la ieșire se stinge, ceea ce corespunde stării de zero logic.

Dacă ambele butoane nu sunt apăsate sau cel puțin unul dintre ele, atunci releul este dezactivat, iar lumina de la ieșirea circuitului este aprinsă, ceea ce corespunde nivelului unei unități logice.

Din cele de mai sus, putem trage următoarele concluzii:

În primul rând, dacă cel puțin o intrare are un zero logic, ieșirea va fi o unitate logică. Aceeași stare la ieșire va fi și în cazul în care sunt prezente zerouri la ambele intrări simultan. Aceasta este o proprietate foarte valoroasă de elemente AND-NOT: dacă conectați ambele intrări, atunci elementul AND-NOT devine un invertor - îndeplinește pur și simplu funcția NOT. Această proprietate vă permite să nu puneți un cip special care conține șase invertoare simultan, atunci când sunt necesare doar unul sau două.

În al doilea rând, zero la ieșire poate fi obținut numai dacă „colectați” pe toate intrările de unitate. În acest caz, ar fi oportun să se numească elementul logic considerat 2I-NU. Cei doi spun că acest element este cu două intrări. În aproape toate seriile de microcircuite, există, de asemenea, 3, 4 și opt elemente de intrare. Mai mult, fiecare dintre ele are o singură cale de ieșire. Cu toate acestea, elementul 2I-NOT este considerat un element de bază în multe serii de microcircuite digitale.

Cu diferite opțiuni pentru conectarea intrărilor, puteți obține o altă proprietate minunată. De exemplu, conectând cele trei intrări ale elementului cu opt intrări 8I-NOT împreună, obținem elementul 6I-NOT. Și dacă conectați toate cele 8 intrări împreună, obțineți doar un invertor, așa cum am menționat mai sus.

Aceasta completează cunoașterea elementelor logice. În următoarea parte a articolului, vom lua în considerare cele mai simple experimente cu microcircuite, structura internă a microcircuitelor, dispozitive simple, precum generatoarele de impulsuri.

Boris Aladyshkin

Continuarea articolului: Jetoane logice. Partea a 3-a