Базовая функция затвора

Детали и материалы

• Квадратный шлюз NAND 4011 (каталог Radio Shack № 276-2411)
• Восьмипозиционный DIP-переключатель (каталог Radio Shack № 275-1301)
• Светодиодный индикатор десятисегментной гистограммы (каталог Radio Shack № 276-081).
• Одна батарея на 6 В
• Два резистора 10 кОм.
• Три резистора 470 Ом.

Осторожно! Микросхема 4011 является КМОП-схемой и поэтому чувствительна к статическому электричеству!

Дополнительная информация

Уроки электрических цепей , Том 4, глава 3:«Логические ворота»

Цели обучения

• Назначение «понижающего» резистора.
• Как экспериментально определить таблицу истинности ворот
• Как соединить логические вентили вместе
• Как создавать различные логические функции с помощью вентилей NAND

Принципиальная схема базовой функции шлюза

Иллюстрация базовой функции ворот

Инструкции по эксперименту

Для начала подключите один логический элемент NAND к двум входным переключателям и одному светодиоду, как показано. Поначалу использование 8-позиционного переключателя и 10-сегментной светодиодной гистограммы может показаться чрезмерным, поскольку для отображения работы одного логического элемента NAND необходимы только два переключателя и один светодиод. Однако наличие этих дополнительных переключателей и светодиодов делает очень удобным расширение схемы и помогает сделать схему чистой и компактной.

Настоятельно рекомендуется иметь техническое описание для 4011 чип, доступный при построении вашей схемы. Не просто следуйте приведенной выше иллюстрации! Важно, чтобы вы развили навык чтения таблиц данных, особенно схем «распиновки» при подключении клемм IC к другим элементам схемы. Схема соединений, содержащаяся в таблице данных, является важной информацией, которую необходимо иметь. Здесь показано мое собственное представление о том, что такое 4011 таблица показывает:

На иллюстрации макета я показал схему, построенную с использованием логического элемента И-НЕ в нижнем левом углу:контакты 1 и 2 являются входами, а контакты 3 - выходами. Выводы № 14 и 7 пропускают постоянный ток ко всем четырем схемам затвора внутри микросхемы IC, «V _DD », Представляющий положительную сторону источника питания (+ V), и« Gnd », представляющий отрицательную сторону источника питания (-V), или землю. Иногда отрицательная клемма источника питания обозначается «V _SS ». »Вместо« Gnd »в таблице, но это означает то же самое.

В цифровых логических схемах не используются раздельные источники питания, как в операционных усилителях. Однако, как и в схемах операционного усилителя, заземление по-прежнему является неявной точкой отсчета для всех измерений напряжения. Если бы я говорил о наличии «высокого» сигнала на определенном выводе микросхемы, я бы имел в виду, что между этим выводом и отрицательной стороной источника питания (землей) было полное напряжение.

Обратите внимание, как все входы неиспользуемых ворот внутри 4011 микросхемы подключаются либо к V _DD или земля. Это не ошибка, а преднамеренный акт. Поскольку 4011 представляет собой интегральную схему CMOS, а входы схемы CMOS оставлены неподключенными ( плавающими ) может принимать любой уровень напряжения просто из-за перехвата статического электрического заряда от соседнего объекта, оставление входов плавающими означает, что эти неиспользуемые ворота могут получать любые случайные комбинации «высокого» и «низкого» сигналов.

Почему это нежелательно, если мы не используем эти ворота? Какая разница, какие сигналы они получают, если мы ничего не делаем с их выходами? Проблема в том, что если на входах затвора появляются сигналы статического напряжения, которые не являются полностью «высокими» или полностью «низкими», внутренние транзисторы затвора могут начать включаться таким образом, чтобы потреблять чрезмерный ток. В худшем случае это могло привести к повреждению микросхемы.

В лучшем случае это означает чрезмерное энергопотребление. Не имеет большого значения, если мы решим подключить эти неиспользуемые входы затвора к «высокому уровню» (V _DD ) или «низкий» (земля), пока мы подключаем их к одному из этих двух мест. На иллюстрации макета я показываю все верхние входы, подключенные к V _DD , и все нижние входы (неиспользуемых вентилей) подключены к земле. Это было сделано просто потому, что эти отверстия для шин питания были ближе и не требовали длинных перемычек!

Обратите внимание, что ни один из неиспользуемых выходов ворот выходов были подключены к V _DD или земля, и не зря! Если бы я сделал это, я мог бы заставить вентиль принять противоположное выходное состояние, которого он пытается достичь, что является сложным способом сказать, что я бы создал короткое замыкание. Представьте вентиль, который должен выдавать «высокий» логический уровень (для логического элемента И-НЕ это было бы верно, если бы любой из его входов был «низким»).

Если бы такой вентиль имел выходную клемму, напрямую подключенную к земле, он никогда не смог бы достичь «высокого» состояния (будучи электрически соединенным с землей через соединение перемычки). Вместо этого его верхний (P-канальный) выходной транзистор будет включен напрасно, обеспечивая максимальный ток несуществующей нагрузкой. Это, скорее всего, повредит ворота! Выходные клеммы затвора по самой своей природе генерируют собственные логические уровни и никогда не «плавают» так же, как входы затвора КМОП.

Два резистора 10 кОм помещены в схему, чтобы избежать плавающих условий на входе используемого затвора. При замкнутом переключателе соответствующий вход будет напрямую подключен к V _DD и, следовательно, быть «кайфом». При разомкнутом переключателе 10 кОм « понижение »Резистор обеспечивает резистивное соединение с землей, обеспечивая безопасное« низкое »состояние на входной клемме затвора. Таким образом, вход не будет подвержен паразитным статическим напряжениям.

Подключив вентиль NAND к двум переключателям и одному светодиоду, как показано, вы готовы разработать «таблицу истинности» для логического элемента NAND. Даже если вы уже знаете, как выглядит таблица истинности логического элемента NAND, это хорошее экспериментальное упражнение:обнаружение поведенческих принципов схемы с помощью индукции. Нарисуйте таблицу истинности на листе бумаги следующим образом:

«А» и «Б» столбцы представляют два входных переключателя соответственно. Когда переключатель включен, его состояние - «высокий» или 1. Когда переключатель выключен, его состояние «низкое» или 0, что обеспечивается его понижающим резистором. Выход ворот, конечно же, представлен светодиодом:горит ли он (1) или не горит (0). После установки переключателей во все возможные комбинации состояний и записи состояния светодиода сравните полученную таблицу истинности с тем, какой должна быть таблица истинности логического элемента И-НЕ.

Как вы понимаете, эта макетная схема не ограничивается тестированием вентилей NAND. Любой тип затвора может быть протестирован с помощью двух переключателей, двух понижающих резисторов и светодиода для индикации состояния выхода. Просто не забудьте еще раз проверить распиновку чипа, прежде чем заменять его вывод на вывод вместо 4011 . . Не все микросхемы с четырьмя затворами имеют одинаковое назначение выводов!

Дополнительное улучшение

Усовершенствование, которое вы, возможно, захотите внести в эту схему, - это назначить пару светодиодов для индикации состояния входа в дополнение к одному светодиоду, назначенному для индикации выхода. Это делает работу немного более интересной для наблюдения и дает дополнительное преимущество, показывая, что переключатель не закрывается (или открывается), показывая true входной сигнал на ворота, вместо того, чтобы заставлять вас делать вывод о состоянии входа из положения переключателя:

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист базовой логики