Элементы цифровых электронных цепей
В основе цифровой электроники лежит двоичная система счисления. Для записи чисел в двоичной системе нужны только две цифры - ноль (0) и единица (1). Двоичная система счисления используется в цифровых цепях благодаря тому, что двоичные цифры легко представить в виде двух напряжений - высокого и низкого. Данные в двоичной системе представляются двоичными цифрами, которые называются битами. Термин бит означает двоичная цифра (разряд) (binary digit).
Все цифровое оборудование, от простого до сложного, сконструировано с использованием небольшого количества основных схем. Эти схемы, называемые логическими элементами, выполняют некоторые логические функции с двоичными данными.
Существуют два основных типа логических схем: схемы принятия решений и память. Логические схемы принятия решений контролируют двоичные состояния входов и выдают выходной сигнал, основанный на состояниях входов и характеристиках логической схемы. Схемы памяти используются для хранения двоичных данных.
Логические элементы
Рассмотрим некоторые логические схемы.
Элемент И - это логическая схема, на выходе которой 1 появляется только тогда, когда на все его входы поступает сигнал 1. Если на какой-либо из входов поступает 0, на выходе появляется 0.
Рис. 12.46
На (рис. 12.46) показаны стандартные обозначения, используемые для элементов И. Элемент И, может иметь любое количество входов, большее одного. Показанные на рисунке обозначения представляют наиболее часто используемые элементы с двумя, тремя и четырьмя входами.
Состояние и логическую связь между входными и выходными сигналами элемента И отражает так называемая таблица истинности (табл. 12.2), которая показывает выходное состояние двухвходового элемента для любых возможных состояний входов: А и В - входы; Y - выход.
Таблица 12.2
A |
B |
Y |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
Элемент И выполняет операцию логического умножения. Логическое умножение известно как функция И.
Элемент ИЛИ - это логическая схема, на выходе которой появляется 1, если на любой из его входов подана 1. На его выходе появляется 0, если на все его входы поданы 0. Этот элемент, как и элемент И, может иметь два или более входов. На (рис. 12.47) показаны стандартные обозначения, используемые для элементов ИЛИ с двумя, тремя и четырьмя входами.
Рис.
12.47
Значения на выходе элемента ИЛИ с двумя входами приведены в таблице истинности (табл. 12.3): А и В - входы; Y - выход
Таблица 12.3
A |
B |
Y |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Элемент ИЛИ выполняет логическую операцию сложения.
Элемент НЕ выполняет функцию, которая называется инверсией, или дополнением, и обычно называется инвертором. Цель инвертора - сделать состояние выхода противоположным состоянию входа. В логических цепях возможны два состояния -1 и 0. Состояние 1 также называют высоким, чтобы указать, что напряжение в этом состоянии выше, чем в состоянии 0. Состояние 0 также называют низким, чтобы указать, что напряжение в этом состоянии ниже, чем в состоянии 1. Если на вход инвертора подано высокое состояние, или 1, то на выходе появится низкое состояние, или 0. Если же на вход инвертора подать низкое состояние, или 0, то на выходе появится высокое состояние, или 1.
Схематическое обозначение инвертора показано на (рис. 12.48).
Рис. 12.48
Работу инвертора отражает таблица истинности (табл. 12.4). Вход инвертора обозначен А, а выход А (читается «не А»), Черточка над буквой А показывает отрицание А. Поскольку инвертор имеет только один вход, то возможны только два состояния входа.
Таблица 12.4
A |
Y |
0 |
1 |
1 |
0 |
Элемент И-НЕ является комбинацией элементов И и НЕ. Элемент И-НЕ является наиболее широко используемой логической функцией. Это обусловлено тем, что эти элементы могут быть использованы для создания некоторых других логических элементов.
Схематическое обозначение элемента И-НЕ показано на (рис. 12.49). На рисунке также показана его эквивалентность последовательно включенным элементу И и инвертору. Кружочек на выходе обозначает инвертирование функции И.
Рис. 12.49
Ниже приведена таблица истинности для двухвходового элемента И-НЕ (табл. 12.5). Заметим, что выход элемента И-НЕ является отрицанием выхода элемента И. Подача 0 на любой вход дает на выходе 1.
Таблица 12.5
A |
B |
Y |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Элемент ИЛИ-НЕ является комбинацией элемента ИЛИ и инвертора. Подобно элементу И-НЕ, элемент ИЛИ-НЕ также может быть использован для создания других логических элементов.
Схематическое обозначение элемента ИЛИ-НЕ показано на (рис. 12.50). На рисунке также показана его эквивалентность последовательно включенным элементу ИЛИ и инвертору. Кружочек на выходе показывает инвертирование функции ИЛИ.
Рис. 12.50
Таблица 12.6
A |
B |
Y |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
Таблица (12.6) - таблица истинности для двухвходового элемента ИЛИ-НЕ. Заметим, что его выход является отрицанием выхода элемента ИЛИ. 1 на выходе появляется только тогда, когда на оба входа поданы 0. Если на любой из входов подана 1, то на выходе будет 0. Существуют элементы ИЛИ-НЕ с двумя, тремя, четырьмя и восемью входами.