Цифровые сигналы и ворота

Хотя двоичная система счисления представляет собой интересную математическую абстракцию, мы еще не видели ее практического применения в электронике. Эта глава посвящена именно этому:практическому применению концепции двоичных битов к схемам.

Что делает двоичное счисление таким важным для приложений цифровой электроники, так это легкость, с которой биты могут быть представлены в физических терминах. Поскольку двоичный бит может иметь только одно из двух разных значений, 0 или 1, для представления бита может использоваться любая физическая среда, способная переключаться между двумя состояниями насыщения.

Следовательно, любая физическая система, способная представлять двоичные биты, способна представлять числовые величины и потенциально имеет возможность манипулировать этими числами. Это основная концепция, лежащая в основе цифровых вычислений.

Двоичные и электронные схемы

Двоичный режим транзистора

Электронные схемы - это физические системы, которые хорошо подходят для представления двоичных чисел. Транзисторы, когда работают с предельными значениями смещения, могут находиться в одном из двух различных состояний:отключенном (отсутствие контролируемого тока) или насыщении (максимальный управляемый ток). Если схема транзистора предназначена для максимизации вероятности перехода в одно из этих состояний (и не работает в линейном или активном режиме), она может служить физическим представлением двоичного бита.

«Высокий» на входе транзистора

Сигнал напряжения, измеренный на выходе такой схемы, также может служить представлением одного бита, при этом низкое напряжение представляет двоичный «0», а (относительно) высокое напряжение представляет двоичную «1». Обратите внимание на следующую схему транзистора:

В этой схеме транзистор находится в состоянии насыщения благодаря приложенному входному напряжению (5 вольт) через двухпозиционный переключатель. Из-за своего насыщения на транзисторе падает очень небольшое напряжение между коллектором и эмиттером, что приводит к выходному напряжению (практически) 0 вольт.

Если бы мы использовали эту схему для представления двоичных битов, мы бы сказали, что входной сигнал - это двоичная «1», а выходной сигнал - двоичный «0». Любое напряжение, близкое к полному (измеренному относительно земли, конечно), считается «1», а отсутствие напряжения считается «0».

Альтернативные термины для этих уровней напряжения - высокие . (то же, что и двоичная «1») и low (то же, что и двоичный «0»). Общий термин для представления двоичного бита напряжением цепи - логика уровень.

«Низкий» на входе транзистора

Перемещая переключатель в другое положение, мы применяем двоичный «0» ко входу и получаем двоичную «1» на выходе:

Что такое логические ворота?

То, что мы создали здесь с одним транзистором, - это схема, известная как логический вентиль или просто вентиль . . Затвор - это особый тип схемы усилителя, предназначенный для приема и генерации сигналов напряжения, соответствующих двоичным единицам и нулям.

Таким образом, вентили не предназначены для использования для усиления аналоговых сигналов (сигналов напряжения между 0 и полным напряжением). При совместном использовании несколько вентилей могут применяться к задаче хранения двоичных чисел (схемы памяти) или манипулирования (вычислительные схемы), причем выход каждого логического элемента представляет один бит многобитового двоичного числа.

О том, как это делается, мы поговорим в следующей главе. Сейчас важно сосредоточиться на работе отдельных ворот.

Инвертор или НЕ затвор

Показанный здесь затвор с одиночным транзистором известен как инвертор . , или НЕ вентиль, потому что он выводит цифровой сигнал, прямо противоположный входному. Для удобства схемы затвора обычно представлены своими собственными символами, а не составляющими их транзисторами и резисторами. Ниже приводится символ инвертора:

Альтернативный символ инвертора показан здесь:

Не схематический символ ворот

Обратите внимание на треугольную форму символа затвора, очень похожую на форму операционного усилителя. Как было сказано ранее, схемы затвора на самом деле являются усилителями.

Маленький кружок или «пузырек», показанный на входной или выходной клемме, является стандартным для представления функции инверсии. Как вы могли догадаться, если бы мы удалили пузырек из символа ворот, оставив только треугольник, получившийся символ больше не означал бы инверсию, а просто прямое усиление.

Такой символ и такой вентиль действительно существуют, и они называются буфером . , тема следующего раздела.

Как и символ операционного усилителя, входные и выходные соединения показаны как одиночные провода, подразумеваемая контрольная точка для каждого сигнала напряжения является «землей». В схемах цифровых затворов заземление почти всегда представляет собой отрицательное соединение одного источника напряжения (источника питания).

Двойные или «разделенные» источники питания редко используются в схемах затвора. Поскольку схемы затвора являются усилителями, для работы им требуется источник питания. Как и в случае с операционными усилителями, разъемы питания для цифровых ворот часто для простоты опускаются на символе.

НЕ Ворота в схемах

Если бы мы показали все необходимые соединения, необходимые для работы этих ворот, схема будет выглядеть примерно так:

Проводники источника питания редко показаны на схемах цепи затвора, даже если есть соединения источника питания на каждом затворе. Свернув линии в нашей схеме, мы получим следующее:

«Vcc» означает постоянное напряжение, подаваемое на коллектор схемы биполярного переходного транзистора по отношению к земле. Все точки в цепи затвора, отмеченные меткой «Vcc», подключены к одной и той же точке, и эта точка является положительной клеммой источника постоянного напряжения, обычно 5 вольт.

Как мы увидим в других разделах этой главы, существует довольно много различных типов логических вентилей, большинство из которых имеют несколько входных клемм для приема более одного сигнала. Выход любого гейта зависит от состояния его входа (ов) и его логической функции.

Выражение функций схемы затвора с помощью таблиц истинности

Один из распространенных способов выразить конкретную функцию схемы ворот называется таблицей истинности. Таблицы истинности показывают все комбинации входных условий в терминах состояний логического уровня («высокий» или «низкий», «1» или «0» для каждой входной клеммы логического элемента) вместе с соответствующим выходным логическим уровнем, либо «Высокий» или «низкий». Для только что проиллюстрированной схемы инвертора, или НЕ, таблица истинности действительно очень проста:

Таблицы истинности для более сложных ворот, конечно, больше, чем таблица, показанная для ворот НЕ. Таблица истинности гейта должна иметь столько строк, сколько есть возможностей для уникальных входных комбинаций.

Для элемента с одним входом, такого как элемент НЕ, есть только две возможности, 0 и 1. Для элемента с двумя входами есть четыре возможности (00, 01, 10 и 11), и, следовательно, четыре строки для соответствующей истины. стол.

Для вентиля с тремя входами существует восемь возможностей (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111), и, следовательно, необходима таблица истинности с восемью строками. Те, кто склонен к математике, поймут, что количество строк таблицы истинности, необходимых для логического элемента, равно 2, возведенному в степень числа входных терминалов.

ОБЗОР:

• В цифровых схемах двоичные битовые значения 0 и 1 представлены сигналами напряжения, измеренными относительно общей точки схемы, называемой землей. Отсутствие напряжения обозначает двоичный «0», а наличие полного напряжения питания постоянного тока обозначает двоичную «1».
• Логический вентиль или просто вентиль - это особая форма схемы усилителя, предназначенная для ввода и вывода напряжений логического уровня (напряжения, предназначенные для представления двоичных битов). Схемы затвора чаще всего представлены на схемах их собственными уникальными символами, а не составляющими их транзисторами и резисторами.
• Так же, как и в случае с операционными усилителями, подключения источников питания к воротам для простоты часто опускаются на схематических диаграммах.
• Таблица истинности - это стандартный способ представления отношений ввода / вывода схемы затвора, в котором перечислены все возможные комбинации входных логических уровней с соответствующими выходными логическими уровнями.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист цифровых логических сигналов

• Рабочий лист базовой логики

• Рабочий лист булевой алгебры