Chips de lógica. Parte 2 - Portões

Os elementos lógicos funcionam como elementos independentes na forma de microcircuitos com um pequeno grau de integração e são incluídos na forma de componentes em microcircuitos com um grau mais alto de integração. Tais elementos podem ser contados mais de uma dúzia.

Mas primeiro, falaremos apenas sobre quatro deles - esses são os elementos AND, OR, NOT, AND-NOT. Os principais elementos são os três primeiros, e o elemento AND-NOT já é uma combinação dos elementos AND AND NOT. Esses elementos podem ser chamados de "tijolos" da tecnologia digital. Primeiro você precisa considerar qual é a lógica de sua ação?

Lembre-se da primeira parte do artigo sobre circuitos digitais. Foi dito que a tensão na entrada (saída) do microcircuito dentro de 0 ... 0,4 V é o nível de zero lógico, ou baixa tensão. Se a tensão estiver dentro de 2,4 ... 5,0 V, esse é o nível de uma unidade lógica ou de uma tensão de alto nível.

O status operacional dos microcircuitos da série K155 e outros microcircuitos com tensão de alimentação de 5V é caracterizado precisamente por esses níveis. Se a tensão na saída do microcircuito estiver na faixa de 0,4 a 2,4V (por exemplo, 1,5 ou 2,0V), você já poderá pensar em substituir esse microcircuito.

Conselhos práticos: para garantir que este microcircuito esteja com defeito na saída, desconecte a entrada do microcircuito que o segue (ou várias entradas conectadas à saída deste microcircuito). Essas entradas podem simplesmente "acomodar" (sobrecarregar) o chip de saída.

Convenções Gráficas

Os símbolos gráficos são um retângulo que contém linhas de entrada e saída. As linhas de entrada dos elementos estão localizadas à esquerda e as linhas de saída à direita. O mesmo se aplica a folhas inteiras com circuitos: no lado esquerdo, todos os sinais são recebidos e, à direita, saídas. É como uma linha em um livro - da esquerda para a direita, será mais fácil lembrar. Dentro do retângulo há um símbolo condicional que denota a função desempenhada pelo elemento.

Elemento lógico AND

Começamos a consideração dos elementos lógicos com o elemento I.

Figura 1. O elemento lógico AND

Sua designação gráfica é mostrada na Figura 1a. O símbolo da função And é o símbolo inglês "&", que em inglês substitui a união "e", porque, afinal, toda essa "pseudociência" foi inventada na maldita burguesia.

As entradas do elemento são designadas como X com os índices 1 e 2 e a saída, como uma função de saída, pela letra Y. É simples, como na matemática da escola, por exemplo, Y = K * X ou, no caso geral, Y = f (x). Um elemento pode ter mais de duas entradas, o que é limitado apenas pela complexidade do problema que está sendo resolvido, mas pode haver apenas uma saída.

A lógica do elemento é a seguinte: uma tensão de alto nível na saída Y será apenas quando E na entrada X1 E na entrada X2 haverá uma tensão de alto nível. Se o elemento tiver 4 ou 8 entradas, a condição indicada (a presença de um nível alto) deve ser satisfeita em todas as entradas: I - na entrada 1, I - na entrada 2, I - na entrada 3 ... .. E na entrada N. Somente nesse caso, a saída também será de alto nível.

Para facilitar o entendimento da lógica da operação do elemento And, seu analógico na forma de um circuito de contato é apresentado na Figura 1b. Aqui, a saída do elemento Y é representada pela lâmpada HL1. Se a lâmpada estiver acesa, isso corresponde a um nível alto na saída do elemento I. Geralmente, esses elementos são chamados de 2-I, 3-I, 4-I, 8-I. O primeiro dígito indica o número de entradas.

Como sinais de entrada X1 e X2, os botões comuns de "campainha" são usados ​​sem fixação. O estado aberto dos botões é de baixo nível e o estado fechado é naturalmente alto. Como fonte de energia, o diagrama mostra uma bateria galvânica. Enquanto os botões estão no estado aberto, a lâmpada, é claro, não brilha. A lâmpada acende apenas quando os dois botões são pressionados ao mesmo tempo, ou seja, I-SB1, I-SB2.Essa é a conexão lógica entre o sinal de entrada e saída do elemento I.

Uma representação visual da operação do elemento AND pode ser obtida observando o diagrama de tempo mostrado na Figura 1c. A princípio, um sinal de alto nível aparece na entrada X1, mas nada aconteceu na saída Y, ainda há um sinal de baixo nível. Na entrada X2, o sinal aparece com algum atraso em relação à primeira entrada e um sinal de nível alto aparece na saída Y.

Quando o sinal na entrada X1 é baixo, a saída também é ajustada para baixo. Ou, em outras palavras, um sinal de alto nível é mantido na saída enquanto houver sinais de alto nível nas duas entradas. O mesmo pode ser dito sobre os elementos de mais entradas múltiplas de I: se for 8-I, para obter um nível alto na saída, o nível alto deve ser mantido em todas as oito entradas de uma só vez.

Com mais frequência na literatura de referência, o estado da saída dos elementos lógicos, dependendo dos sinais de entrada, é dado na forma de tabelas verdadeiras. Para o elemento considerado 2-I, a tabela verdade é mostrada na Figura 1d.

A tabela é um pouco semelhante à tabela de multiplicação, apenas menor. Se você estudá-lo cuidadosamente, notará que um nível alto na saída ocorrerá somente quando uma tensão de alto nível ou, o que é a mesma coisa, uma unidade lógica estiver presente nas duas entradas. A propósito, a comparação da tabela verdade com a tabela de multiplicação está longe de ser acidental: todas as tabelas verdade eletrônicas sabem, como se costuma dizer, de cor.

Além disso, a função E pode ser descrita com álgebra da lógica ou álgebra booleana. Para um elemento de duas entradas, a fórmula terá a seguinte aparência: Y = X1 * X2 ou outra forma de escrita Y = X1 ^ X2.

Elemento lógico OU

A seguir, veremos o portão OR.

Figura 2. Porta lógica OU

Sua designação gráfica é semelhante ao elemento AND que acabamos de examinar, exceto que, em vez do símbolo & da função AND, o número 1 é inscrito dentro do retângulo, como mostra a Figura 2a. Nesse caso, denota a função OR. À esquerda estão as entradas X1 e X2, que, como no caso da função And, podem ser mais e, à direita, a saída, indicada pela letra Y.

Na forma de uma fórmula de álgebra booleana, a função OR é escrita como Y = X1 + X2.

De acordo com esta fórmula, Y será verdadeiro quando OR na entrada X1, OR na entrada X2, OU nas duas entradas, haverá imediatamente um nível alto.

O diagrama de contato mostrado na Figura 2b ajudará a entender o que foi dito: pressionar um dos botões (nível alto) ou os dois botões ao mesmo tempo fará com que a lâmpada acenda (nível alto). Nesse caso, os botões são os sinais de entrada X1 e X2 e a luz é o sinal de saída Y. Para facilitar a lembrança, as Figuras 2c e 2d mostram o diagrama de temporização e a tabela verdade, respectivamente: basta analisar a operação do circuito de contato mostrado com o diagrama e a tabela, como todas as perguntas desaparecerá.

Elemento lógico NÃO, inversor

Como disse um professor, em tecnologia digital não há nada mais complicado que um inversor. Talvez isso seja de fato.

Na álgebra da lógica, a operação NÃO é chamada de inversão, o que significa negação em inglês, ou seja, o nível do sinal na saída corresponde exatamente ao oposto do sinal de entrada, que se parece com Y = / X na forma de uma fórmula

(A barra antes de X denota a inversão real. Geralmente, um sublinhado é usado em vez de uma barra, embora essa notação seja bastante aceitável.).

O símbolo gráfico do elemento NÃO é um quadrado ou retângulo dentro do qual o número 1 está inscrito.

Figura 3. Inversor

Nesse caso, significa que esse elemento é um inversor. Ele possui apenas uma entrada X e saída Y. A linha de saída começa com um pequeno círculo, o que realmente indica que esse elemento é um inversor.

Como dito anteriormente, um inversor é o circuito digital mais complexo.E isso é confirmado por seu esquema de contato: se antes apenas os botões eram suficientes, agora um relé era adicionado a eles. Enquanto o botão SB1 não é pressionado (zero lógico na entrada), o relé K1 é desenergizado e seus contatos normalmente fechados acendem a lâmpada HL1, que corresponde a uma unidade lógica na saída.

Se você pressionar o botão (aplicar uma unidade lógica à entrada), o relé será ligado, os contatos K1.1 abrirão, a luz se apagará, o que corresponde a um zero lógico na saída. O exposto acima é confirmado pelo diagrama de tempo na Figura 3c e pela tabela verdade na Figura 3d.

Elemento lógico E NÃO

O portão AND NÃO é uma combinação do portão AND e do portão NOT.

Figura 4. O elemento lógico AND NOT

Portanto, o símbolo & (AND lógico) está presente em seu símbolo gráfico, e a linha de saída começa com um círculo indicando a presença de um elemento inversor.

O analógico de contato do elemento lógico é mostrado na Figura 4b e, se você observar de perto, é muito semelhante ao analógico do inversor mostrado na Figura 3b: a lâmpada também é ligada através dos contatos normalmente fechados do relé K1. Na verdade, este é o inversor. O relé é controlado pelos botões SB1 e SB2, que correspondem às entradas X1 e X2 da porta AND. O diagrama mostra que o relé será ativado somente quando os dois botões forem pressionados: nesse caso, os botões executam a função & (AND lógico). Nesse caso, a lâmpada na saída apaga, o que corresponde ao estado de zero lógico.

Se os dois botões não forem pressionados, ou pelo menos um deles, o relé será desativado e a luz na saída do circuito estará acesa, o que corresponde ao nível de uma unidade lógica.

Do exposto, podemos tirar as seguintes conclusões:

Primeiramente, se pelo menos uma entrada tiver um zero lógico, a saída será uma unidade lógica. O mesmo estado na saída ocorrerá quando zeros estiverem presentes nas duas entradas ao mesmo tempo. Esta é uma propriedade muito valiosa dos elementos AND-NOT: se você conectar as duas entradas, o elemento AND-NOT se tornará um inversor - ele simplesmente executa a função NOT. Esta propriedade permite que você não coloque um chip especial contendo seis inversores ao mesmo tempo, quando apenas um ou dois são necessários.

Em segundo lugar, o zero na saída pode ser obtido apenas se "coletar" em todas as entradas da unidade. Nesse caso, seria apropriado nomear o elemento lógico considerado 2I-NOT. Os dois dizem que esse elemento é de duas entradas. Em quase todas as séries de microcircuitos, também existem 3, 4 e oito elementos de entrada. Além disso, cada um deles tem apenas uma saída. No entanto, o elemento 2I-NOT é considerado um elemento básico em muitas séries de microcircuitos digitais.

Com várias opções para conectar as entradas, você pode obter outra propriedade maravilhosa. Por exemplo, conectando as três entradas do elemento de oito entradas 8I-NOT, obtemos o elemento 6I-NOT. E se você conectar todas as 8 entradas, terá apenas um inversor, como mencionado acima.

Isso completa o conhecimento dos elementos lógicos. Na próxima parte do artigo, consideraremos os experimentos mais simples com microcircuitos, a estrutura interna dos microcircuitos, dispositivos simples, como geradores de pulsos.

Boris Aladyshkin

Continuação do artigo: Chips de lógica. Parte 3