Логические схемы: основа цифровой электроники
Логические схемы являются основой цифровой электроники и встречаются в большинстве электронных устройств, которые мы используем в повседневной жизни. Эти схемы позволяют обрабатывать информацию быстро и эффективно, что привело к революции в том, как мы взаимодействуем с технологиями. В этой статье мы рассмотрим основные концепции логических схем и то, как они используются в современной электронике.
- Каковы логические состояния цифровой электроники?
- Какие элементы лежат в основе цифровой электроники
- Что такое логическая схема в электронике
Каковы логические состояния цифровой электроники?
Логические схемы являются основой цифровой электроники, и их правильная работа основана на понимании логических состояний. Эти состояния представляют собой два возможных состояния, которые цифровой сигнал может иметь в цепи: высокий или низкий.
Высокое состояние обозначается цифрой 1 и относится к положительному электрическому сигналу или высокому напряжению, тогда как низкое состояние обозначается цифрой 0 и относится к отрицательному электрическому сигналу или низкому напряжению. Эти состояния имеют основополагающее значение для проектирования и программирования цифровых схем, поскольку они позволяют передавать и обрабатывать двоичную информацию.
Важно отметить, что эти логические состояния не эквивалентны напрямую электрическим значениям. Вместо этого для представления каждого логического состояния используются определенные уровни напряжения. Например, в схеме TTL (транзисторно-транзисторная логика) высокое состояние определяется как напряжение от 2,4 до 5 вольт, а низкое состояние определяется как напряжение от 0 до 0,8 вольт.
Логическое состояние цифрового сигнала можно изменить с помощью логических вентилей, которые представляют собой электронные устройства, выполняющие основные логические операции, такие как И, ИЛИ или НЕ. Эти операции позволяют комбинировать и модифицировать цифровые сигналы для получения более сложных результатов.
Таким образом, логические состояния цифровой электроники являются основой передачи и обработки двоичной информации. Его правильное понимание необходимо для проектирования и программирования цифровых схем, а также для использования логических элементов в основных логических операциях.
Какие элементы лежат в основе цифровой электроники
Цифровая электроника — это отрасль электроники, отвечающая за обработку цифровых сигналов для выполнения логических и математических операций. Эта технология основана на использовании логических схем, которые представляют собой электронные устройства, предназначенные для работы с двоичными сигналами (0 и 1) и способные выполнять простые операции, такие как И, ИЛИ и НЕ.
Логические схемы состоят из базовых элементов, таких как логические элементы, которые представляют собой электронные устройства, имеющие один или несколько входов и один выход и выполняющие логические операции над входными сигналами для генерации выходного сигнала.
Наиболее распространенными логическими элементами являются:
- И ворота: Этот вентиль генерирует выходной сигнал, равный 1, только если все входные сигналы равны 1.
- ИЛИ ворота: Этот вентиль генерирует выходной сигнал, равный 1, если хотя бы один из входных сигналов равен 1.
- НЕ ворота: Этот вентиль генерирует выходной сигнал, который является дополнением входного сигнала.
Вы заинтересованы в: Батарея CR2032: напряжение и основные характеристики, которые следует знать
Еще одним важным элементом цифровой электроники являются триггеры, представляющие собой последовательные схемы, способные хранить немного информации во внутреннем состоянии. Триггеры используются для создания более сложных схем, таких как счетчики, регистры и память.
Кроме того, в цифровой электронике также используются микроконтроллеры, которые представляют собой интегральные схемы, содержащие процессор, память и периферийные устройства ввода-вывода на одном кристалле. Микроконтроллеры используются в самых разных приложениях, таких как системы управления, автоматизация, робототехника и бытовая электроника.
Что такое логическая схема в электронике
логические схемы Они составляют основу цифровой электроники и используются в самых разных электронных устройствах: от компьютеров до телевизоров, мобильных телефонов и многих других электронных устройств, которые мы используем в повседневной жизни. Вообще говоря, логическая схема — это электронная схема, которая выполняет логические операции над цифровыми сигналами.
Логические схемы строятся с использованием логические ворота, которые представляют собой электронные устройства, выполняющие основные логические операции, такие как преобразование входного сигнала в выходной сигнал. Логические вентили можно комбинировать для формирования более сложных схем, выполняющих более сложные логические операции.
Логические схемы подразделяются на две основные категории: комбинационные логические схемы и последовательные логические схемы. Комбинационные логические схемы выполняют логические операции над текущими входами, тогда как последовательные логические схемы используют текущие и предыдущие входы для выполнения логических операций.
Логические схемы необходимы в цифровой электронике, поскольку они позволяют обрабатывать данные и принимать решения на основе логики и алгоритмов. Кроме того, логические схемы очень полезны при автоматизации процессов, поскольку они могут выполнять повторяющиеся и точные операции на высоких скоростях.
Таким образом, логические схемы являются основой цифровой электроники, позволяя создавать электронные устройства, которые мы используем ежедневно, такие как компьютеры, смартфоны, планшеты и другие. Благодаря своей способности эффективно и точно обрабатывать и манипулировать информацией, логические схемы произвели революцию в мире технологий и продолжают оставаться увлекательной областью исследований и разработок для экспертов в области электроники. Если вы хотите узнать больше о логических схемах, не стесняйтесь исследовать эту интересную тему.
Урок 8.3 — Логические элементы
Все, абсолютно все электронные компоненты, обрабатывающие цифровые сигналы, состоят из небольшого набора одинаковых «кирпичиков». В микросхемах малой степени интеграции могут быть единицы и десятки таких элементов, а в современных процессорах их может быть очень и очень много. Они называются логические элементы. Логическим элементом называется электрическая схема, предназначенная для выполнения какой-либо логической операции с входными данными. Логический элемент — элемент, осуществляющий определенные логические зависимость между входными и выходными сигналами. Входные данные представляются здесь в виде напряжений различных уровней, и результат логической операции на выходе — также получается в виде напряжения определенного уровня. Логические элементы обычно используются для построения логических схем вычислительных машин, дискретных схем автоматического контроля и управления.
Тем не менее, принцип работы цифровой логики остается неизменным – на входе логического элемента (входов может быть несколько) должен быть цифровой сигнал (сигналы, если входов несколько), который однозначно определяет сигнал на выходе логического элемента.
Конечно, логические элементы строятся, в свою очередь, из уже рассмотренных в предыдущих уроках резисторов, транзисторов и других электронных компонентов, но с точки зрения разработки цифровых схем именно логический элемент является их «элементарной» частицей.
При анализе работы логических элементов используется так называемая булева алгебра . Начала этого раздела математики было изложено в работах Джорджа Буля – английского математика и логика 19-го века, одного из основателей математической логики. Основами булевой алгебры являются высказывания, логические операции, а также функции и законы. Для понимания принципов работы логических элементов нет необходимости изучать все тонкости булевой алгебры, мы освоим ее основы в процессе обучения с помощью таблиц истинности.
Еще несколько замечаний. Логические элементы (как, впрочем, и другие элементы электронных схем) принято обозначать так, чтобы входы были слева, а выходы справа. Число входов может быть, вообще говоря, любым, отличным от нуля. Реальные цифровые микросхемы могут иметь до 8 входов, но мы ограничимся двумя – этого достаточно для понимания. Условные обозначения соответствуют отечественному ГОСТу, в других стандартах они могут быть иными.
Какие же бывают логические элементы?
Логические элементы имеют один или несколько входов и один или два (обычно инверсных друг другу) выхода. Значения «нулей» и «единиц» выходных сигналов логических элементов определяются логической функцией, которую выполняет элемент, и значениями «нулей» и «единиц» входных сигналов, играющих роль независимых переменных. Существуют элементарные логические функции, из которых можно составить любую сложную логическую функцию.
Элемент «И» (AND), он же конъюнктор, выполняет операцию логического умножения:
Условное обозначение — Таблица истинности
Здесь изображен логический элемент «2И» (цифра перед буквой «И» означает число входов). Знак & (амперсант) в левом верхнем углу прямоугольника указывает, что это логический элемент «И». Первые две буквы обозначения DD1.2 указывают на то, что это цифровая микросхема (Digital), цифра слева от точки указывает номер микросхемы на принципиальной схеме, а цифра справа от точки – номер логического элемента в составе данной микросхемы. Одна микросхема может содержать несколько логических элементов.
Состояние входов в таблице обозначаются «0» и «1» («ложь» и «истина»). Из таблицы видно, что выход «Y» будет иметь состояние «1» только в том случае, когда на обоих входах «Х1» и «Х2» будут «1». Это легко запомнить: умножение на «0» всегда дает «0».
Элемент «ИЛИ» (OR), он же дизъюнктор, выполняет операцию логического сложения:
Условное обозначение — Таблица истинности
Состояние «1» на выходе будет всегда, пока есть хотя бы одна «1» на входах.
Элемент «НЕ» (NOT), он же инвертор, выполняет операцию логического отрицания:
Условное обозначение — Таблица истинности
Состояние на входе обратно состоянию на входе.
Вот из этих трех элементов строятся все цифровые устройства!
Рассмотрим еще три логических элемента, которые можно получить, комбинируя уже рассмотренные. В силу исторически сложившихся схемотехнических решений эти скомбинированные схемы тоже считаются логическими элементами.
Элемент «И-НЕ» (NAND), конъюнктор с отрицанием:
Условное обозначение — Таблица истинности
Элемент И-НЕ работает точно так же как «И», только выходной сигнал противоположен. Там где у элемента «И» на выходе должен быть «0», у элемента «И-НЕ» будет единица. И наоборот.
Элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR), дизъюнктор с отрицанием:
Условное обозначение — Таблица истинности
Элемент работает так же как и «ИЛИ», но с инверсией выхода.
Элемент «Исключающее ИЛИ» (XOR), сумматор по модулю 2:
Условное обозначение — Таблица истинности
В этом элемента «1» на выходе будет только тогда, когда на входах разные состояния.
На таких элементах строят сумматоры двоичных многоразрядных чисел. Для этого используется еще один дополнительный выход, на котором при появлении на входах двух «1» появляется сигнал переноса разряда.
Мы рассмотрели логические элементы, которые применяются в цифровой технике для построения логических схем любого уровня сложности, но рассмотренные нами элементы не могут делать одну крайне важную работу – они не умеют хранить информацию. Для хранения используется более сложный класс устройств, называемый элементами с памятью или конечными автоматами. В этот класс входят триггеры, регистры, счетчики, шифраторы (дешифраторы), мультиплексоры (демультиплексоры) и сумматоры. Некоторый из этих устройств мы рассмотрим в следующем уроке.
Самостоятельное изучение схемотехники. Основные понятия. Часть 1
Изучение цифровой схемотехники нужно начинать с теории автоматов. В этой статье можно найти некоторые элементарные вещи, которые помогут не потеряться в дальнейших статьях. Я постарался сделать статью легкочитабельной и уверен, что неподготовленный читатель сможет в ней легко разобраться.
Сигнал — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигнал, в отличие от сообщения, может генерироваться, но его приём не обязателен (сообщение должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением, а всего лишь сигналом).
В статье рассматривается цифровой дискретный сигнал. Это такой сигнал, который имеет несколько уровней. Очевидно, что двоичный сигнал имеет два уровня — и их принимают за 0 и 1. Когда высокий уровень обозначается единицей, а низкий нулем — такая логика называется позитивной, иначе негативной.
Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.
В природе дискретных сигналов не существует, по этому их заменяют аналоговыми. Аналоговый сигнал не может перейти из 0 в 1 мгновенно, по этому такой сигнал обладает фронтом и срезом.
Если рисовать упрощенно то это выглядит так:1 — низкий уровень сигнала, 2 — высокий уровень сигнала, 3 — нарастание сигнала (фронт), 4 — спад сигнала (срез)
Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции. Вот основные:
Отрицание — инвертирует сигнал.
На схемах обозначается так:Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция)
Логическое И (логическое умножение, конъюнкция)
Последние два могут иметь отрицание на выходе (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Значения их логических функций инвертируются, а на схеме выход рисуется кружочком.
Сводная таблица логических функций двух аргументов выглядит так:
Работа с логическими функциями основывается на законах алгебры логики, основы которых изложены в прикрепленном файле. Так же там есть задания для самоконтроля и контрольные вопросы по теме.
Проектирование логических схем с помощью функций алгебры логики
Логической схемой называется совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы выполнялся заданный закон функционирования схемы, иначе говоря, — выполнялась заданная логическая функция.
По зависимости выходного сигнала от входного все электронные логические схемы можно условно разбить на:Схемы первого рода, т.е. комбинационные схемы, выходной сигнал которых зависит только от состояния входных сигналов в каждый момент времени;
Схемы второго рода или накапливающие схемы (схемы последовательностные), содержащие накапливающие схемы (элементы с памятью), выходной сигнал которых зависит как от входных сигналов, так и от состояния схемы в предыдущие моменты времени.
По количеству входов и выходов схемы бывают: с одним входом и одним выходом, с несколькими входами и одним выходом, с одним входом и несколькими выходами, с несколькими входами и выходами.
По способу осуществления синхронизации схемы бывают с внешней синхронизацией (синхронные автоматы), с внутренней синхронизацией (асинхронные автоматы являются их частным случаем).
Практически любой компьютер состоит из комбинации схем первого и второго рода разной сложности. Таким образом, основой любого цифрового автомата, обрабатывающего цифровую информацию, являются электронные элементы двух типов: логические или комбинационные и запоминающие. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие служат для ее хранения. Как известно, логическая операция состоит в преобразовании по определенным правилам входной цифровой информации в выходную.
Можно считать, что элементарные логические функции являются логическими операторами упомянутых электронных элементов, т.е. схем. Каждая такая схема обозначается определенным графическим символом. (Они были представлены выше — Элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ)
В качестве примера ниже представлена схема электрическая функциональная логического преобразователя (комбинационного автомата), реализующего логическую функцию в элементном базисе из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
Для закрепления предлагаю, самостоятельно синтезировать логическую схему, реализующую следующие логические функции:
Сделать это можно к примеру в Electronic workbench.
Вот для примера первое выполненное задание:
Hint: Для того чтобы включить условные обозначения в соответствии с отечественными ГОСТ-ами в файл настроек EWB.INI нужно добавить строку DIN = ON
На этом первая часть статьи заканчивается. Надеюсь, что она была не слишком утомительной. Все вышеописанное необходимо для понимания принципов работы с сигналами в электрических схемах. В следующей статье будут рассмотрены способы минимизации логических функций, понятие абстрактного автомата и пример синтеза RS-триггера.
- Схемотехника
- теория автоматов
- сигнал
- временные диаграмы
Логические элементы в электронике
Каждое электронное устройство за счет передачи электрического импульса выполняет определенные операции. Операции осуществляются с помощью логических элементов, которых может быть множество в сложных вычислительных схемах. Назначение и область применения логических элементов очень широки за счет их многофункциональности.
Что представляют собой логические элементы в электронике
Логические элементы — это чипы, используемые в микросхемах, которые считывают цифровые сигналы на входе, обрабатывают и выдают в виде определенного сигнала на выходе. Устанавливают логические связи между входящими и исходящими сигналами на основании значений напряжения. Анализ основан на булевой алгебре — теории математика Джорджа Буля об элементарных логических функциях, базирующихся на значениях 0 и 1 (ложных и истинных значений соответственно) цифровых сигналов.
Логические элементы реализуют функции в соответствии с количеством входов для вариативности обработки импульсов — «и», «или», «не», «и-не», «или-не», «исключение или». Эти функции обозначаются на схеме.
Элементы логических систем в электронике бывают разных видов:
- потенциальные — считывают ложные и истинные значения по уровню напряжения;
- импульсные — нуль и единица определяются тем, отсутствует или присутствует импульс;
- импульсно-потенциальные анализируют 0 как отсутствие плюсового импульса, 1 — его наличие.
Также различают разные типы логических элементов по их исполнению:
- диодно-резисторные имеют в конструкции полупроводниковые триоды;
- диодно-транзисторные — увеличение и инверсия импульсов для выдачи результата диодной цепью осуществляется с помощью транзистора;
- резисторно-транзисторные — созданы на базе резисторов и транзисторов;
- транзисторно-транзисторные — включают триод для выполнения операций и инвертор на выходе для более точного результата обработки.
Как выбрать логический элемент
Логические элементы используются в цифровой технике в качестве элемента микросхемы, позволяющего оборудованию функционировать. При выборе логических элементов для электронных устройств важны следующие параметры:
- напряжение питания;
- показатели напряжения для значений 0 и 1;
- количество входов и выходов;
- мощность и скорость работы;
- размеры.
В каталоге микросхем можно выбрать элементы стандартной логики с различными техническими характеристиками. При покупке воспользуйтесь консультацией специалистов. Связаться можно по телефонам или через форму обратного звонка.