Для радиолюбителей, сталкивающихся со схемами цифровой техники некоторую сложность могут представлять даже простейшие цифровые устройства — логические элементы. Они работают по определённому принципу установки приоритета состояния напряжения на выходе при логичемком соединении нескольких входов, согласно таблице истинности. Об этом, также про обозначение их на схеме, в том числе и по американскому стандарту, рассказывается в этой статье.
Логические состояния 0 и 1
Для нашего обычного понимания цифры имеют градацию из 10 значений, потому что в привычной нам арифметике используется десятичная система счисления. В электронике же, базовыми логическими элементами используется приоритетно двоичная цифровая система, хотя применяется и троичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатиричная и др. Если в одной линии цифровое значение представлено наличием (начиная с определённого значения) или отсутствием напряжения (до определённого значения), то такой интерфейс является последовательным двоичного кода.
Входным каскадом логического элемента признаётся состояние логического 0 или 1 в зависимости от потенциала, напряжения питания интегрального компонента и типа логики. Например, для ТТЛ (TTL, LVTTL) (транзисторно-транзисторной логики) со стандартом питания в диапазоне 2,7В – 3,6В (номинальное 3,3В) также при 4,5 – 5,5В (номинальное 5,0В) — логическая 1 будет сохраняться, если напряжение на входе не уменьшится ниже 2,0В, а логический 0, если не увеличится более 0,8В. Интервал от 0,8В (для некоторых типов микросхем от 0,4В или 0,5В) до 2,0В (2,4В или 2,7В) считается неопределённым положением и не производит смены логического состояния.
Для микросхем, построенных на полевых транзисторах со структурой КМОП (CMOS), комплиментарный металл-оксид-полупроводник, значения напряжений перехода с одного состояния во второе может быть различным. Оно указывается в характеристиках для каждой серии микросхем, некоторые из них могут иметь совместимость с ТТЛ по входам и (или) выходам.
Высокую совместимость логических состояний, разных по напряжению питания микросхем, представляет выход с открытым коллектором ОК или открытым стоком ОС. Это тип выходного ключа, который производит коммутацию только с минусовой шиной питания в состоянии логического 0. Соединения с плюсом в режиме логической 1 отсутствует, при необходимости его реализовывают дополнительным резистором.
Виды базовых логических элементов
Самым простым логическим элементом является инвертор, ещё его называют «НЕ». Он имеет один вход и один выход, на котором формируется состояние, всегда противоположное входному. Например, если на входе 0, то на выходе 1 и наоборот. Некоторые выходы базовых логических элементов оснащены таким инвертором, в обозначениях на схеме такой выход изображен пустотелым кружочком.
Базовые логические элементы:
- И;
- ИЛИ;
- Исключающее ИЛИ.
На рисунке изображены отечественные обозначения и их иностранные (американские) аналоги.
Все эти логические элементы имеют один выход (прямой либо инверсный), также могут иметь количество входов:
- 2;
- 3;
- 4;
- 8.
Таблица истинности для каждого типа изображена на рисунке.
К сведению: таблица истинности — это таблица в которой указаны состояния выходов микросхем при определенных состояниях входов. Например, в таблице выше показано в каких случаях на выходе элемента будут нули, а в каких единицы, при разных комбинациях сигналов на входах. Для примера выбраны микросхемы с четырьмя входами.
Предлагается, для простого запоминания, использовать такие словоформы.
Если представить букву «И» – единичкой, то в логическом И – она одна, а в ИЛИ – их много. (смотрите таблицу истинности).
Для элемента «Исключающее ИЛИ» можно запомнить: «Одноименные заряды отталкиваются – образуют 0, а разноименные притягиваются, создавая единичку».