Logikchips. Del 2 - Gates

Logiska element fungerar som oberoende element i form av mikrokretsar med en liten grad av integration, och de ingår i form av komponenter i mikrokretsar med högre grad av integration. Sådana element kan räknas mer än ett dussin.

Men först kommer vi bara att prata om fyra av dem - det är elementen OCH, ELLER, INTE, OCH-INTE. Huvudelementen är de första tre, och AND-NOT-elementet är redan en kombination av AND AND NOT-elementen. Dessa element kan kallas "tegelstenar" av digital teknik. Först måste du överväga vad som är logiken i deras handling?

Kom ihåg den första delen av artikeln om digitala kretsar. Det sades att spänningen vid ingången (utgången) på mikrokretsen inom 0 ... 0,4 V är nivån för logisk noll eller låg spänning. Om spänningen ligger inom 2,4 ... 5,0 V, är detta nivån för en logisk enhet eller en högnivåspänning.

Driftsstatus för K155-mikrokretsar och andra mikrokretsar med 5V matningsspänning kännetecknas av exakt sådana nivåer. Om spänningen vid mikrokretsens utgång ligger i området 0,4 ... 2,4V (till exempel 1,5 eller 2,0 V), kan du redan tänka på att byta ut denna mikrokrets.

Praktiskt råd: för att se till att denna mikrokrets är felaktig i utgången, koppla bort ingången till mikrokretsen som följer den (eller flera ingångar anslutna till utgången från denna mikrokrets) från den. Dessa ingångar kan helt enkelt "sätta" (överbelasta) utgångschipet.

Grafiska konventioner

Grafiska symboler är en rektangel som innehåller in- och utgångslinjer. Inmatningslinjer för element finns på vänster och utgångslinjer till höger. Detsamma gäller hela ark med kretsar: på vänster sida matas alla signaler, till höger är utgångar. Det är som en rad i en bok - från vänster till höger blir det lättare att komma ihåg. Inne i rektangeln är en villkorlig symbol som anger funktionen som utförs av elementet.

Logiskt element OCH

Vi börjar behandlingen av logiska element med element I.

Figur 1. Det logiska elementet OCH

Dess grafiska beteckning visas i figur 1a. Symbolen för And-funktionen är den engelska symbolen "&", som på engelska ersätter unionen "och", för allt detta "pseudovetenskap" uppfanns i den fördömda borgarklassen.

Elementets ingångar betecknas som X med index 1 och 2, och utgången, som en utgångsfunktion, med bokstaven Y. Det är enkelt, som i skolmatematiken, till exempel Y = K * X eller, i allmänhet, Y = f (x). Ett element kan ha mer än två ingångar, vilket begränsas endast av komplexiteten i problemet som löses, men det kan bara finnas en utgång.

Elementets logik är som följer: en hög nivå spänning vid utgången Y kommer endast att vara när Och vid ingången X1 Och vid ingången X2 kommer det att finnas en hög nivå spänning. Om elementet har 4 eller 8 ingångar, måste det angivna villkoret (hög nivå) vara uppfyllda vid alla ingångar: I-vid ingång 1, I-vid ingång 2, I-vid ingång 3 ... .. Och-vid ingång N. Endast i detta fall kommer utgången också att vara en hög nivå.

För att göra det enklare att förstå logiken för funktionen av And-elementet presenteras dess analog i form av en kontaktkrets i figur Ib. Här representeras utgången från elementet Y av lampan HL1. Om lampan är tänd motsvarar detta en hög nivå vid utgången från element I. Ofta kallas sådana element 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. Den första siffran anger antalet ingångar.

Som insignaler X1 och X2 används vanliga "klockknappar" -knappar utan fixering. Knapparnas öppna tillstånd är en låg nivå och det stängda tillståndet är naturligt högt. Som kraftkälla visar diagrammet ett galvaniskt batteri. Medan knapparna är i öppet läge lyser naturligtvis inte lampan. Lampan tänds endast när båda knapparna trycks in samtidigt, d.v.s. I-SB1, I-SB2.Sådan är den logiska anslutningen mellan ingångs- och utsignalen från elementet I.

En visuell representation av funktionen hos AND-elementet kan erhållas genom att titta på tidsdiagrammet som visas i figur 1c. Först visas en signal på hög nivå vid ingången X1, men ingenting hände vid utgången Y, det finns fortfarande en lågnivåsignal. Vid ingång X2 visas signalen med viss fördröjning relativt den första ingången, och en högnivåsignal visas vid utgången Y.

När signalen vid ingången X1 är låg ställs även utgången in på låg. Eller, för att uttrycka det på ett annat sätt, hålls en högnivåsignal vid utgången så länge högnivåsignaler finns på båda ingångarna. Detsamma kan sägas om de fler multi-ingångselementen i I: om det är 8-I, måste den höga nivån hållas vid alla åtta ingångar på en gång för att få en hög nivå vid utgången.

Oftast i referenslitteraturen anges status för utsignalen från logiska element beroende på insignalerna i form av sanningstabeller. För det betraktade elementet 2-I visas sanningstabellen i figur 1d.

Tabellen är något liknande multiplikationstabellen, bara mindre. Om du studerar det noggrant kommer du att märka att en hög nivå vid utgången endast kommer att vara när en hög nivå spänning eller, vad är samma sak, en logisk enhet finns på båda ingångarna. Förresten, jämförelsen av sanningstabellen med multiplikationstabellen är långt ifrån oavsiktlig: alla sanningstabeller inom elektronik vet, som de säger, utanför.

Dessutom kan funktionen Och beskrivas med algebra av logik eller booleska algebra. För ett tvåinmatningselement kommer formeln att se ut så här: Y = X1 * X2 eller en annan form av att skriva Y = X1 ^ X2.

Logiskt element ELLER

Nästa kommer vi att titta på ELLER-grinden.

Bild 2. Logikport ELLER

Dess grafiska beteckning liknar AND-elementet som just undersöktes, förutom att istället för & symbolen för AND-funktionen är numret 1 inskrivet i rektangeln, som visas i figur 2a. I detta fall betecknar den funktionen ELLER. Till vänster är ingångarna X1 och X2, som, som för funktionen And, kan vara mer, och till höger utgången, indikerad med bokstaven Y.

I form av en boolesk algebraformel skrivs OR-funktionen som Y = X1 + X2.

Enligt denna formel kommer Y att vara sant när OR vid ingång X1, ELLER vid ingång X2, ELLER vid båda ingångarna omedelbart kommer att vara en hög nivå.

Kontaktdiagrammet som visas i figur 2b hjälper till att förstå vad som just har sagts: genom att trycka på någon av knapparna (hög nivå) eller båda knapparna på en gång får lampan att lysa (hög nivå). I det här fallet är knapparna insignalerna X1 och X2, och ljuset är utsignalen Y. För att göra det lättare att komma ihåg, visar figurerna 2c och 2d tidsdiagrammet respektive sanningstabellen: det räcker med att analysera funktionen för den visade kontaktkretsen med diagrammet och tabellen, som alla frågor kommer att försvinna.

Logiskt element INTE, inverterare

Som en lärare sa, inom digital teknik finns det inget mer komplicerat än en inverterare. Kanske är det faktiskt.

I logikens algebra kallas operationen INTE inversion, vilket betyder negation på engelska, det vill säga signalnivån vid utgången motsvarar exakt motsatsen till insignalen, som ser ut som Y = / X i form av en formel

(Strecket före X betecknar den faktiska inversionen. Vanligtvis används en understruk istället för en snedstreck, även om en sådan notation är ganska acceptabel.)

Elementets grafiska symbol är INTE en kvadrat eller rektangel inuti vilken numret 1 är inskrivet.

Bild 3. Inverterare

I detta fall betyder det att detta element är en växelriktare. Den har bara en ingång X och utgång Y. Utgångslinjen börjar med en liten cirkel, vilket faktiskt indikerar att detta element är en växelriktare.

Som just sagt, en inverter är den mest komplexa digitala kretsen.Och detta bekräftas av hans kontaktschema: om innan det bara var knapparna räckte, har nu ett relä lagts till dem. Medan SB1-knappen inte trycks in (logisk noll vid ingången), släcks reläet K1 och dess normalt stängda kontakter slår på HL1-lampan, vilket motsvarar en logisk enhet vid utgången.

Om du trycker på knappen (applicerar en logisk enhet på ingången) kommer reläet att slås på, K1.1-kontakterna kommer att öppnas, ljuset slocknar, vilket motsvarar en logisk noll vid utgången. Ovanstående bekräftas av tidsdiagrammet i figur 3c och sanningstabellen i figur 3d.

Logiskt element OCH INTE

AND-grinden är INTE en kombination av AND-grinden och INTE-grinden.

Bild 4. Det logiska elementet OCH INTE

Därför är symbolen & (logisk OCH) närvarande på sin grafiska symbol, och utgångslinjen börjar med en cirkel som indikerar närvaron av ett inverteringselement.

Kontaktanalogen för det logiska elementet visas i figur 4b, och om man tittar noga är den mycket lik den analoga omformaren som visas i figur 3b: glödlampan slås också på genom de normalt stängda kontakterna i relä K1. Egentligen är detta inverteraren. Reläet styrs av knapparna SB1 och SB2, som motsvarar ingångarna X1 och X2 i AND-grinden. Diagrammet visar att reläet kommer att slås på endast när man trycker på båda knapparna: i detta fall utför knapparna funktionen & (logisk OCH). I detta fall slocknar lampan vid utgången, vilket motsvarar tillståndet för logisk noll.

Om båda knapparna inte trycks in, eller åtminstone en av dem, är reläet inaktiverat och ljuset vid kretsens utgång är på, vilket motsvarar nivån på en logisk enhet.

Av ovanstående kan vi dra följande slutsatser:

Först, om åtminstone en ingång har en logisk noll, kommer utgången att vara en logisk enhet. Samma tillstånd vid utgången kommer att vara fallet när nollor är närvarande vid båda ingångarna på en gång. Detta är en mycket värdefull egenskap för AND-NOT-element: om du ansluter båda ingångarna blir AND-NOT-elementet en inverterare - det utför helt enkelt funktionen INTE. Den här egenskapen gör att du inte kan lägga till ett speciellt chip som innehåller sex växelriktare samtidigt, när bara en eller två krävs.

För det andra kan noll vid utgången erhållas endast om "samla" på alla enhetens ingångar. I det här fallet skulle det vara lämpligt att namnge det betraktade logiska elementet 2I-NOT. De två säger att detta element är tvåinmatat. I nästan alla serier av mikrokretsar finns det också 3, 4 och åtta ingångselement. Dessutom har var och en av dem bara en väg ut. Emellertid anses 2I-NOT-elementet vara ett grundelement i många serier av digitala mikrokretsar.

Med olika alternativ för att ansluta ingångarna kan du få en annan underbar egenskap. Om vi ​​till exempel ansluter de tre ingångarna till det åttaingångselementet 8I-NOT får vi elementet 6I-NOT. Och om du ansluter alla 8 ingångarna tillsammans får du bara en inverterare, som nämnts ovan.

Detta fullbordar bekanta med de logiska elementen. I nästa del av artikeln kommer vi att överväga de enklaste experimenten med mikrokretsar, den inre strukturen för mikrokretsar, enkla enheter, såsom pulsgeneratorer.

Boris Aladyshkin

Fortsättning av artikeln: Logikchips. Del 3