Logikchips. Teil 2 - Tore

Logische Elemente arbeiten als unabhängige Elemente in Form von Mikroschaltungen mit geringem Integrationsgrad und sind in Form von Komponenten in Mikroschaltungen mit höherem Integrationsgrad enthalten. Solche Elemente können mehr als ein Dutzend gezählt werden.

Aber zuerst werden wir nur über vier davon sprechen - dies sind die Elemente UND, ODER, NICHT, UND-NICHT. Die Hauptelemente sind die ersten drei, und das AND-NOT-Element ist bereits eine Kombination der AND AND NOT-Elemente. Diese Elemente können als "Bausteine" der digitalen Technologie bezeichnet werden. Zuerst müssen Sie überlegen, was die Logik ihres Handelns ist.

Erinnern Sie sich an den ersten Teil des Artikels über digitale Schaltungen. Es wurde gesagt, dass die Spannung am Eingang (Ausgang) der Mikroschaltung innerhalb von 0 ... 0,4 V der Pegel der logischen Null oder der Niederspannung ist. Wenn die Spannung innerhalb von 2,4 ... 5,0 V liegt, ist dies der Pegel einer logischen Einheit oder eine Spannung mit hohem Pegel.

Der Betriebszustand von Mikroschaltungen der Serie K155 und anderen Mikroschaltungen mit einer Versorgungsspannung von 5 V ist durch genau solche Werte gekennzeichnet. Wenn die Spannung am Ausgang der Mikroschaltung im Bereich von 0,4 ... 2,4 V (z. B. 1,5 oder 2,0 V) liegt, können Sie bereits darüber nachdenken, diese Mikroschaltung auszutauschen.

Praktische Hinweise: Um sicherzustellen, dass der Ausgang dieses Mikroschaltkreises fehlerhaft ist, trennen Sie den Eingang des darauf folgenden Mikroschaltkreises (oder mehrere an den Ausgang dieses Mikroschaltkreises angeschlossene Eingänge) von diesem. Diese Eingänge können den Ausgangschip einfach „setzen“ (überlasten).

Grafikkonventionen

Grafiksymbole sind ein Rechteck mit Eingabe- und Ausgabezeilen. Die Eingabezeilen der Elemente befinden sich links und die Ausgabezeilen rechts. Gleiches gilt für ganze Blätter mit Schaltkreisen: Auf der linken Seite werden alle Signale eingegeben, auf der rechten Seite werden Ausgänge ausgegeben. Es ist wie eine Zeile in einem Buch - von links nach rechts fällt es leichter, sich daran zu erinnern. Innerhalb des Rechtecks ​​befindet sich ein bedingtes Symbol, das die vom Element ausgeführte Funktion kennzeichnet.

Logisches Element UND

Wir beginnen die Betrachtung logischer Elemente mit Element I.

Abbildung 1. Das logische Element AND

Die grafische Bezeichnung ist in Abbildung 1a dargestellt. Das Symbol der Und-Funktion ist das englische Symbol "&", das auf Englisch die Vereinigung ersetzt "und", denn schließlich wurde all diese "Pseudowissenschaft" in der verdammten Bourgeoisie erfunden.

Die Eingaben des Elements werden mit den Indizes 1 und 2 als X und die Ausgabe als Ausgabefunktion mit dem Buchstaben Y bezeichnet. Es ist einfach, wie in der Schulmathematik, beispielsweise Y = K * X oder im allgemeinen Fall Y = f (x). Ein Element kann mehr als zwei Eingänge haben, was nur durch die Komplexität des zu lösenden Problems begrenzt ist, aber es kann nur einen Ausgang geben.

Die Logik des Elements lautet wie folgt: Eine Spannung mit hohem Pegel am Ausgang Y liegt nur vor, wenn und am Eingang X1 und am Eingang X2 eine Spannung mit hohem Pegel anliegt. Wenn das Element 4 oder 8 Eingänge hat, muss die angegebene Bedingung (hoher Pegel) an allen Eingängen erfüllt sein: I-am Eingang 1, I-am Eingang 2, I-am Eingang 3 ... .. und-am Eingang N. Nur In diesem Fall ist der Ausgang ebenfalls hoch.

Um das Verständnis der Funktionslogik des And-Elements zu erleichtern, ist in Abbildung 1b dessen Analog in Form einer Kontaktschaltung dargestellt. Hier wird der Ausgang des Elements Y durch die Lampe HL1 dargestellt. Wenn die Lampe leuchtet, entspricht dies einem hohen Pegel am Ausgang von Element I. Oft werden solche Elemente als 2-I, 3-I, 4-I, 8-I bezeichnet. Die erste Ziffer gibt die Anzahl der Eingänge an.

Als Eingangssignale X1 und X2 werden gewöhnliche "Klingeltasten" ohne Fixierung verwendet. Der offene Zustand der Tasten ist ein niedriger Pegelzustand, und der geschlossene Zustand ist natürlich hoch. Als Stromquelle zeigt das Diagramm eine galvanische Batterie. Während die Tasten geöffnet sind, leuchtet die Lampe natürlich nicht. Die Lampe schaltet sich nur ein, wenn beide Tasten gleichzeitig gedrückt werden, d. H. I-SB1, I-SB2.Dies ist die logische Verbindung zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal des Elements I.

Eine visuelle Darstellung der Funktionsweise des UND-Elements kann durch Betrachten des in 1c gezeigten Zeitdiagramms erhalten werden. Zuerst erscheint ein Signal mit hohem Pegel am Eingang X1, aber am Ausgang Y ist nichts passiert, es gibt immer noch ein Signal mit niedrigem Pegel. Am Eingang X2 erscheint das Signal mit einer gewissen Verzögerung relativ zum ersten Eingang, und am Ausgang Y erscheint ein Signal mit hohem Pegel.

Wenn das Signal am Eingang X1 niedrig ist, wird auch der Ausgang auf niedrig gesetzt. Oder anders ausgedrückt: Am Ausgang wird ein Signal mit hohem Pegel gehalten, solange an beiden Eingängen Signale mit hohem Pegel vorhanden sind. Das Gleiche gilt für die Elemente mit mehr Eingängen von I: Wenn es 8-I ist, muss der hohe Pegel an allen acht Eingängen gleichzeitig gehalten werden, um einen hohen Pegel am Ausgang zu erhalten.

Am häufigsten wird in der Referenzliteratur der Zustand der Ausgabe von Logikelementen in Abhängigkeit von den Eingangssignalen in Form von Wahrheitstabellen angegeben. Für das betrachtete Element 2-I ist die Wahrheitstabelle in 1d gezeigt.

Die Tabelle ist der Multiplikationstabelle etwas ähnlich, nur kleiner. Wenn Sie es sorgfältig studieren, werden Sie feststellen, dass ein hoher Pegel am Ausgang nur dann auftritt, wenn an beiden Eingängen eine hohe Spannung oder, was dasselbe ist, eine logische Einheit vorhanden ist. Übrigens ist der Vergleich der Wahrheitstabelle mit der Multiplikationstabelle alles andere als zufällig: Alle Wahrheitstabellen der Elektronik kennen, wie sie sagen, auswendig.

Auch die Funktion Und kann mit beschrieben werden Algebra der Logik oder Boolesche Algebra. Für ein Element mit zwei Eingaben sieht die Formel folgendermaßen aus: Y = X1 * X2 oder eine andere Schreibweise Y = X1 ^ X2.

Logisches Element ODER

Als nächstes schauen wir uns das ODER-Gatter an.

Abbildung 2. Logikgatter ODER

Die grafische Bezeichnung ähnelt dem gerade untersuchten AND-Element, außer dass anstelle des &-Symbols für die AND-Funktion die Nummer 1 in das Rechteck eingeschrieben ist, wie in Abbildung 2a dargestellt. In diesem Fall bezeichnet es die Funktion ODER. Links sind die Eingänge X1 und X2, die wie im Fall der Und-Funktion mehr sein können, und rechts der Ausgang, der durch den Buchstaben Y angezeigt wird.

In Form einer Booleschen Algebraformel wird die ODER-Funktion als Y = X1 + X2 geschrieben.

Nach dieser Formel ist Y wahr, wenn ODER am Eingang X1, ODER am Eingang X2, ODER an beiden Eingängen sofort ein hoher Pegel vorliegt.

Das in Abbildung 2b gezeigte Kontaktdiagramm hilft zu verstehen, was gerade gesagt wurde: Wenn Sie eine der Tasten (hohe Stufe) oder beide Tasten gleichzeitig drücken, leuchtet die Lampe (hohe Stufe). In diesem Fall sind die Tasten die Eingangssignale X1 und X2, und das Licht ist das Ausgangssignal Y. Um das Erinnern zu erleichtern, zeigen die Abbildungen 2c und 2d das Zeitdiagramm bzw. die Wahrheitstabelle: Es reicht aus, den Betrieb der gezeigten Kontaktschaltung mit dem Diagramm und der Tabelle als alle Fragen zu analysieren wird verschwinden.

Logikelement NICHT, Wechselrichter

Wie ein Lehrer sagte, gibt es in der digitalen Technologie nichts Komplizierteres als einen Wechselrichter. Vielleicht ist das tatsächlich so.

In der Algebra der Logik wird die Operation NICHT als Inversion bezeichnet, was auf Englisch Negation bedeutet, dh der Signalpegel am Ausgang entspricht genau dem Gegenteil des Eingangssignals, das wie Y = / X in Form einer Formel aussieht

(Der Schrägstrich vor X bezeichnet die tatsächliche Inversion. Normalerweise wird anstelle eines Schrägstrichs ein Unterstrich verwendet, obwohl eine solche Notation durchaus akzeptabel ist.)

Das grafische Symbol des Elements ist KEIN Quadrat oder Rechteck, in das die Nummer 1 eingeschrieben ist.

Abbildung 3. Wechselrichter

In diesem Fall bedeutet dies, dass dieses Element ein Wechselrichter ist. Es hat nur einen Eingang X und einen Ausgang Y. Die Ausgangsleitung beginnt mit einem kleinen Kreis, der tatsächlich anzeigt, dass dieses Element ein Wechselrichter ist.

Wie bereits erwähnt, ist ein Wechselrichter die komplexeste digitale Schaltung.Und dies wird durch sein Kontaktschema bestätigt: Wenn vorher nur Tasten ausreichten, wurde ihnen jetzt ein Relais hinzugefügt. Während die Taste SB1 nicht gedrückt wird (logische Null am Eingang), wird das Relais K1 abgeschaltet und seine normalerweise geschlossenen Kontakte schalten die HL1-Lampe ein, die einer logischen Einheit am Ausgang entspricht.

Wenn Sie die Taste drücken (eine logische Einheit an den Eingang anlegen), schaltet sich das Relais ein, die K1.1-Kontakte öffnen sich und das Licht erlischt, was einer logischen Null am Ausgang entspricht. Das Obige wird durch das Zeitdiagramm in 3c und die Wahrheitstabelle in 3d bestätigt.

Logisches Element UND NICHT

Das UND-Gatter ist KEINE Kombination aus dem UND-Gatter und dem NICHT-Gatter.

Abbildung 4. Das logische Element UND NICHT

Daher ist das Symbol & (logisches UND) auf seinem Grafiksymbol vorhanden, und die Ausgangslinie beginnt mit einem Kreis, der das Vorhandensein eines Wechselrichterelements anzeigt.

Das Kontaktanalog des Logikelements ist in Abbildung 4b dargestellt. Wenn Sie genau hinschauen, ist es dem Analog des Wechselrichters in Abbildung 3b sehr ähnlich: Die Glühlampe wird auch über normalerweise geschlossene Kontakte des Relais K1 eingeschaltet. Eigentlich ist das der Wechselrichter. Das Relais wird über die Tasten SB1 und SB2 gesteuert, die den Eingängen X1 und X2 des UND-Gatters entsprechen. Das Diagramm zeigt, dass das Relais nur eingeschaltet wird, wenn beide Tasten gedrückt werden. In diesem Fall führen die Tasten die & -Funktion aus (logisches UND). In diesem Fall geht die Lampe am Ausgang aus, was dem Zustand der logischen Null entspricht.

Wenn nicht beide Tasten oder mindestens eine davon gedrückt werden, ist das Relais deaktiviert und das Licht am Ausgang der Schaltung leuchtet, was dem Pegel einer logischen Einheit entspricht.

Aus dem Vorstehenden können wir die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:

Erstens, wenn mindestens ein Eingang eine logische Null hat, ist der Ausgang eine logische Einheit. Der gleiche Zustand am Ausgang ist der Fall, wenn an beiden Eingängen gleichzeitig Nullen vorhanden sind. Dies ist eine sehr wertvolle Eigenschaft von AND-NOT-Elementen: Wenn Sie beide Eingänge verbinden, wird das AND-NOT-Element zu einem Inverter - es führt einfach die NOT-Funktion aus. Mit dieser Eigenschaft können Sie keinen speziellen Chip mit sechs Wechselrichtern gleichzeitig einsetzen, wenn nur ein oder zwei erforderlich sind.

Zweitens kann Null am Ausgang nur erhalten werden, wenn an allen Eingängen der Einheit "gesammelt" wird. In diesem Fall wäre es angebracht, das betrachtete logische Element 2I-NOT zu benennen. Die beiden sagen, dass dieses Element zwei Eingaben hat. In fast allen Serien von Mikroschaltungen gibt es auch Elemente mit 3, 4 und 8 Eingängen. Darüber hinaus hat jeder von ihnen nur einen Ausweg. Das 2I-NOT-Element wird jedoch in vielen Serien digitaler Mikroschaltungen als Grundelement angesehen.

Mit verschiedenen Optionen zum Anschließen der Eingänge erhalten Sie eine weitere wunderbare Eigenschaft. Wenn wir beispielsweise die drei Eingänge des Elements 8I-NOT mit acht Eingängen miteinander verbinden, erhalten wir das Element 6I-NOT. Und wenn Sie alle 8 Eingänge miteinander verbinden, erhalten Sie, wie oben erwähnt, nur einen Wechselrichter.

Dies vervollständigt die Bekanntschaft mit den logischen Elementen. Im nächsten Teil des Artikels werden wir die einfachsten Experimente mit Mikroschaltungen, die interne Struktur von Mikroschaltungen, einfache Geräte wie Impulsgeneratoren betrachten.

Boris Aladyshkin

Fortsetzung des Artikels: Logikchips. Teil 3