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Chip logici. Parte 2 - Porte
Gli elementi logici funzionano come elementi indipendenti sotto forma di microcircuiti con un piccolo grado di integrazione e sono inclusi sotto forma di componenti in microcircuiti con un grado di integrazione superiore. Tali elementi possono essere contati più di una dozzina.
Ma prima, ne parleremo solo in quattro: questi sono gli elementi AND, OR, NOT, AND-NOT. Gli elementi principali sono i primi tre e l'elemento AND-NOT è già una combinazione degli elementi AND AND NOT. Questi elementi possono essere chiamati "mattoni" della tecnologia digitale. Per prima cosa devi considerare qual è la logica della loro azione?
Richiama la prima parte dell'articolo sui circuiti digitali. È stato detto che la tensione all'ingresso (uscita) del microcircuito tra 0 ... 0,4 V è un livello logico zero o un livello di bassa tensione. Se la tensione è compresa tra 2,4 ... 5,0 V, questo è il livello di un'unità logica o una tensione di alto livello.
Lo stato operativo dei microcircuiti della serie K155 e di altri microcircuiti con tensione di alimentazione di 5 V è caratterizzato proprio da tali livelli. Se la tensione all'uscita del microcircuito è nell'intervallo 0,4 ... 2,4 V (ad esempio 1,5 o 2,0 V), allora puoi già pensare di sostituire questo microcircuito.
Consigli pratici: per assicurarsi che questo microcircuito sia difettoso in uscita, è necessario scollegare da esso l'ingresso del microcircuito che lo segue (o diversi ingressi collegati all'uscita di questo microcircuito). Questi ingressi possono semplicemente "alloggiare" (sovraccarico) il chip di uscita.
Convenzioni grafiche
I simboli grafici sono un rettangolo contenente linee di input e output. Le linee di input degli elementi si trovano a sinistra e le linee di output a destra. Lo stesso vale per i fogli interi con circuiti: sul lato sinistro, tutti i segnali vengono immessi, sulla destra vengono emessi. È come una linea in un libro: da sinistra a destra, sarà più facile da ricordare. All'interno del rettangolo è presente un simbolo condizionale che indica la funzione svolta dall'elemento.
Elemento logico AND
Iniziamo la considerazione degli elementi logici con l'elemento I.
Figura 1. L'elemento logico AND
La sua designazione grafica è mostrata nella Figura 1a. Il simbolo della funzione And è il simbolo inglese "&", che in inglese sostituisce l'unione "e", perché dopo tutto, questa "pseudoscienza" è stata inventata nella maledetta borghesia.
Gli input dell'elemento sono designati come X con gli indici 1 e 2 e l'output, come funzione di output, dalla lettera Y. È semplice, come nella matematica della scuola, ad esempio Y = K * X o, nel caso generale, Y = f (x). Un elemento può avere più di due input, il che è limitato solo dalla complessità del problema da risolvere, ma può esserci un solo output.
La logica dell'elemento è la seguente: una tensione di alto livello sull'uscita Y sarà solo quando E sull'ingresso X1 E sull'ingresso X2 ci sarà una tensione di alto livello. Se l'elemento ha 4 o 8 ingressi, la condizione indicata (livello alto) deve essere soddisfatta su tutti gli ingressi: I-sull'ingresso 1, I-sull'ingresso 2, I-sull'ingresso 3 ... .. E-sull'ingresso N. Solo in questo caso, anche l'output sarà di alto livello.
Per facilitare la comprensione della logica del funzionamento dell'elemento And, il suo analogo sotto forma di un circuito di contatto è presentato nella Figura 1b. Qui, l'uscita dell'elemento Y è rappresentata dalla lampada HL1. Se la lampada è accesa, ciò corrisponde a un livello elevato all'uscita dell'elemento I. Spesso tali elementi sono chiamati 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. La prima cifra indica il numero di ingressi.
Come segnali di ingresso X1 e X2, i normali pulsanti "a campana" vengono utilizzati senza fissaggio. Lo stato aperto dei pulsanti è di livello basso e lo stato chiuso è naturalmente alto. Come fonte di alimentazione, il diagramma mostra una batteria galvanica. Mentre i pulsanti sono nello stato aperto, la lampada, ovviamente, non brilla. La lampada si accenderà solo quando entrambi i pulsanti vengono premuti contemporaneamente, ad es. I-SB1, I-SB2.Tale è la connessione logica tra il segnale di input e output dell'elemento I.
Una rappresentazione visiva del funzionamento dell'elemento AND può essere ottenuta osservando il diagramma temporale mostrato nella Figura 1c. Inizialmente, appare un segnale di alto livello sull'ingresso X1, ma non è successo nulla sull'uscita Y, c'è ancora un segnale di basso livello. All'ingresso X2, il segnale appare con un certo ritardo rispetto al primo ingresso e un segnale di alto livello appare sull'uscita Y.
Quando il segnale sull'ingresso X1 è basso, anche l'uscita è impostata su basso. Oppure, per dirla in altro modo, un segnale di alto livello viene mantenuto sull'uscita fintanto che sono presenti segnali di alto livello su entrambi gli ingressi. Lo stesso si può dire dei più elementi multi-input di I: se è 8-I, quindi per ottenere un livello alto in uscita, il livello alto deve essere mantenuto su tutti e otto gli ingressi contemporaneamente.
Molto spesso nella letteratura di riferimento, lo stato dell'output degli elementi logici in base ai segnali di input viene fornito sotto forma di tabelle di verità. Per l'elemento considerato 2-I, la tabella della verità è mostrata nella Figura 1d.
La tabella è in qualche modo simile alla tabella di moltiplicazione, solo più piccola. Se lo studi attentamente, noterai che un livello elevato all'uscita sarà solo quando è presente una tensione di livello elevato o, qual è la stessa cosa, un'unità logica su entrambi gli ingressi. A proposito, il confronto della tabella di verità con la tabella di moltiplicazione è tutt'altro che casuale: tutte le tabelle di verità dell'elettronica conoscono, come si dice, a memoria.
Inoltre, la funzione E può essere descritta con algebra della logica o algebra booleana. Per un elemento a due input, la formula sarà simile alla seguente: Y = X1 * X2 o un'altra forma di scrittura Y = X1 ^ X2.
Elemento logico OR
Successivamente vedremo il cancello OR.
Figura 2. Porta logica O
La sua designazione grafica è simile all'elemento AND appena esaminato, tranne per il fatto che al posto del simbolo & per la funzione AND, il numero 1 è inscritto all'interno del rettangolo, come mostrato nella Figura 2a. In questo caso, indica la funzione OR. A sinistra ci sono gli ingressi X1 e X2, che, come nel caso della funzione And, possono essere più, e a destra l'uscita, indicata dalla lettera Y.
Sotto forma di una formula di algebra booleana, la funzione OR è scritta come Y = X1 + X2.
Secondo questa formula, Y sarà vero quando OR all'ingresso X1, OR all'ingresso X2, OR ad entrambi gli ingressi ci sarà immediatamente un livello elevato.
Lo schema di contatto mostrato nella Figura 2b aiuterà a comprendere ciò che è stato appena detto: premendo uno dei pulsanti (livello alto) o entrambi i pulsanti contemporaneamente si farà illuminare la lampada (livello alto). In questo caso, i pulsanti sono i segnali di ingresso X1 e X2 e la luce è il segnale di uscita Y. Per rendere più facile ricordare, le figure 2c e 2d mostrano rispettivamente il diagramma di temporizzazione e la tabella di verità: è sufficiente analizzare il funzionamento del circuito di contatto mostrato con il diagramma e la tabella, come tutte le domande scomparirà.
Elemento logico NON, inverter
Come ha affermato un insegnante, nella tecnologia digitale non c'è niente di più complicato di un inverter. Forse questo è in effetti.
Nell'algebra della logica, l'operazione NON è chiamata inversione, il che significa negazione in inglese, ovvero il livello del segnale in uscita corrisponde esattamente al contrario del segnale in ingresso, che assomiglia a Y = / X sotto forma di formula
(La barra prima di X indica l'inversione effettiva. Di solito, al posto di una barra viene utilizzata una sottolineatura, sebbene tale notazione sia del tutto accettabile.)
Il simbolo grafico dell'elemento NON è un quadrato o un rettangolo all'interno del quale è scritto il numero 1.
Figura 3. Inverter
In questo caso, significa che questo elemento è un inverter. Ha solo un ingresso X e un'uscita Y. La linea di uscita inizia con un piccolo cerchio, che indica in realtà che questo elemento è un inverter.
Come appena detto, un inverter è il circuito digitale più complesso.E questo è confermato dal suo schema di contatto: se prima erano sufficienti solo i pulsanti, ora è stato aggiunto un relè. Mentre il pulsante SB1 non viene premuto (zero logico all'ingresso), il relè K1 viene diseccitato e i suoi contatti normalmente chiusi accendono la lampadina HL1, che corrisponde a un'unità logica in uscita.
Se si preme il pulsante (si applica un'unità logica all'ingresso), il relè si accenderà, i contatti K1.1 si apriranno, la luce si spegnerà, che corrisponde a uno zero logico in uscita. Quanto sopra è confermato dal diagramma temporale nella Figura 3c e dalla tabella di verità nella Figura 3d.
Elemento logico E NON
La porta AND NON è una combinazione della porta AND e della porta NOT.
Figura 4. L'elemento logico AND NOT
Pertanto, il simbolo & (AND logico) è presente sul suo simbolo grafico e la linea di uscita inizia con un cerchio che indica la presenza di un inverter nella composizione.
L'analogo del contatto dell'elemento logico è mostrato nella Figura 4b e, se si guarda da vicino, è molto simile all'analogo dell'inverter mostrato nella Figura 3b: la lampadina viene anche accesa attraverso i contatti normalmente chiusi del relè K1. In realtà questo è l'inverter. Il relè è controllato dai pulsanti SB1 e SB2, che corrispondono agli ingressi X1 e X2 della porta AND. Il diagramma mostra che il relè verrà attivato solo quando vengono premuti entrambi i pulsanti: in questo caso, i pulsanti eseguono la funzione & (AND logico). In questo caso, la lampada all'uscita si spegne, che corrisponde allo stato di zero logico.
Se non vengono premuti entrambi i pulsanti, o almeno uno di essi, il relè viene disabilitato e la luce all'uscita del circuito è accesa, che corrisponde al livello di un'unità logica.
Da quanto precede, possiamo trarre le seguenti conclusioni:
Innanzitutto, se almeno un ingresso ha uno zero logico, allora l'uscita sarà un'unità logica. Lo stesso stato all'uscita sarà nel caso in cui gli zeri sono presenti su entrambi gli ingressi contemporaneamente. Questa è una proprietà molto preziosa degli elementi AND-NOT: se si collegano entrambi gli ingressi, l'elemento AND-NOT diventa un inverter - svolge semplicemente la funzione di NOT. Questa proprietà consente di non inserire un chip speciale contenente sei inverter contemporaneamente, quando sono necessari solo uno o due.
In secondo luogo, lo zero sull'uscita può essere ottenuto solo se "raccoglie" su tutti gli ingressi dell'unità. In questo caso, sarebbe opportuno nominare l'elemento logico considerato 2I-NOT. I due dicono che questo elemento è a due input. In quasi tutte le serie di microcircuiti, ci sono anche 3, 4 e otto elementi di input. Inoltre, ognuno di essi ha una sola via d'uscita. Tuttavia, l'elemento 2I-NOT è considerato un elemento base in molte serie di microcircuiti digitali.
Con varie opzioni per il collegamento degli ingressi, puoi ottenere un'altra meravigliosa proprietà. Ad esempio, collegando insieme i tre ingressi dell'elemento a 8 ingressi 8I-NOT, otteniamo l'elemento 6I-NOT. E se colleghi tutti e 8 gli ingressi insieme, otterrai solo un inverter, come menzionato sopra.
Questo completa la conoscenza degli elementi logici. Nella prossima parte dell'articolo, considereremo gli esperimenti più semplici con i microcircuiti, la struttura interna dei microcircuiti, i dispositivi semplici, come i generatori di impulsi.
Boris Aladyshkin
Continuazione dell'articolo: Chip logici. Parte 3
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