Цифровые сигналы и ворота
Глава 3 - Логические ворота
Хотя двоичная система нумерации является интересной математической абстракцией, мы еще не видели ее практического применения в электронике. Эта глава посвящена только тому, что: практическое применение концепции двоичных бит к схемам. То, что делает двоичную нумерацию столь важной для применения цифровой электроники, - 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, любой физический носитель, способный переключаться между двумя насыщенными состояниями, может использоваться для представления бит. Следовательно, любая физическая система, способная представлять двоичные биты, может представлять числовые величины и потенциально может манипулировать этими числами. Это базовая концепция, лежащая в основе цифровых вычислений.
Электронные схемы - это физические системы, которые хорошо подходят для представления двоичных чисел. Транзисторы, работающие в пределах их смещения, могут находиться в одном из двух разных состояний: либо отключены (без контролируемого тока), либо насыщенности (максимальный управляемый ток). Если транзисторная схема спроектирована так, чтобы максимизировать вероятность попадания в одно из этих состояний (и не работать в линейном или активном режиме), она может служить физическим представлением двоичного разряда. Сигнал напряжения, измеренный на выходе такой схемы, может также служить в качестве представления одного бита, низкое напряжение, представляющее двоичное «0» и (относительно) высокое напряжение, представляющее двоичный «1.». Обратите внимание на следующую транзисторную схему:
В этой схеме транзистор находится в состоянии насыщения благодаря приложенному входному напряжению (5 вольт) через двухпозиционный переключатель. Поскольку его насыщенный, транзистор падает очень мало напряжения 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 является двоичным «1» и что выходной сигнал является двоичным «0.» Любое напряжение, близкое к полному напряжению питания (измеренное относительно земли, конечно) считается «1», а отсутствие напряжения считается «0.». Альтернативные термины для этих уровней напряжения высокие (такие же, как двоичный «1») и низкий (такой же, как двоичный «0»). Общий термин для представления бинарного бита напряжением цепи является логическим уровнем.
Перемещая переключатель в другое положение, мы применяем двоичный «0» к входу и получаем двоичный «1» на выходе:
То, что мы создали здесь с одним транзистором, представляет собой схему, обычно известную как логические ворота или просто ворота. Затвор представляет собой специальный тип усилительной схемы, предназначенный для приема и генерации сигналов напряжения, соответствующих двоичным 1 и 0. Таким образом, ворота не предназначены для использования для усиления аналоговых сигналов (сигналы напряжения от 0 до полного напряжения). При совместном использовании множество задач могут быть применены к задаче хранения двоичных номеров (схемы памяти) или манипуляции (вычислительные схемы), причем каждый выход затвора представляет один бит многоразрядного двоичного числа. Как это делается, это тема для более поздней главы. Сейчас важно сосредоточиться на работе отдельных ворот.
Затвор, показанный здесь с помощью одного транзистора, известен как инвертор, или затвор НЕ, потому что он выводит прямо противоположный цифровой сигнал в качестве входного сигнала. Для удобства схемы затворов обычно представлены их собственными символами, а не их составными транзисторами и резисторами. Ниже приведен символ инвертора:
Здесь показан альтернативный символ для инвертора:
Обратите внимание на треугольную форму символа ворот, как и у рабочего усилителя. Как было сказано ранее, схемы затворов фактически являются усилителями. Маленький круг или «пузырь», показанный на входном или выходном терминале, является стандартным для представления функции инверсии. Как вы могли бы подозревать, если бы мы удалили пузырь из символа ворот, оставив только треугольник, получившийся символ больше не указывал бы инверсию, а просто прямое усиление. Такой символ и такие ворота фактически существуют, и он называется буфером, предметом следующего раздела.
Как символ рабочего усилителя, входные и выходные соединения показаны как одиночные провода, подразумеваемая опорная точка для каждого сигнала напряжения «заземлена». В схемах цифровых затворов земля почти всегда является отрицательным соединением одного источника напряжения (источник питания), Двойные или «расщепленные» источники питания редко используются в схеме затвора. Поскольку схемы затворов являются усилителями, они требуют источника питания для работы. Как и операционные усилители, соединения питания для цифровых ворот часто пропущены из символа для простоты. Если бы нам нужно было показать все необходимые соединения, необходимые для работы этих ворот, схема выглядела бы примерно так:
Проводники питания редко отображаются в схемах схем затвора, даже если соединения питания на каждом затворе. Минимизируя линии в нашей схеме, мы получаем следующее:
«V cc » означает постоянное напряжение, подаваемое в коллектор схемы транзистора биполярного перехода, относительно земли. Эти точки в схеме затвора, обозначенные меткой «V cc », все 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 разных типов логических вентилей, большинство из которых имеют несколько входных терминалов для приема более одного сигнала. Выход любых ворот зависит от состояния его входов (ов) и его логической функции.
Выражение функций цепей ворот с таблицами истинности
Один общий способ выразить конкретную функцию схемы затвора называется таблицей истинности. Таблицы истинности показывают все комбинации условий ввода в терминах состояний логического уровня («высокий» или «низкий», «1» или «0» для каждого входного терминала затвора), а также соответствующий выходной логический уровень «Высокий» или «низкий». Для инвертора или NOT, только что проиллюстрированная схема, таблица истинности очень проста:
Таблицы истинности для более сложных ворот, конечно, больше, чем таблицы, показанные для ворот НЕ. Таблица истинности ворот должна иметь столько строк, сколько возможностей для уникальных комбинаций ввода. Для ворот с одним входом, таких как ворота NOT, есть только две возможности: 0 и 1. Для двух входных ворот есть четыре возможности (00, 01, 10 и 11), и, следовательно, четыре строки соответствуют соответствующей истине Таблица. Для трех входных ворот есть восемь возможностей (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111), и, следовательно, необходима таблица истинности с восемью строками. Математически наклонный будет понимать, что количество строк таблицы истинности, необходимых для затвора, равно 2, увеличенному до мощности количества входных терминалов.
- ОБЗОР:
- В цифровых схемах бинарные битовые значения 0 и 1 представлены сигналами напряжения, измеренными относительно общей точки цепи, называемой землей. Отсутствие напряжения представляет собой двоичный «0», а наличие полного напряжения питания постоянного тока представляет собой двоичный «1».
- Логический вентиль или просто вентиль представляет собой специальную форму схемы усилителя, предназначенную для ввода и вывода логических уровней напряжения (напряжения, предназначенные для представления двоичных битов). Схемы затворов чаще всего представлены в схеме своими собственными уникальными символами, а не их составными транзисторами и резисторами.
- Как и в случае с операционными усилителями, для простоты соединения на входе в ворота часто отсутствуют на схематических схемах.
- Таблица истинности представляет собой стандартный способ представления отношений ввода / вывода схемы затвора, перечисляя все возможные комбинации логического уровня входа с их соответствующими уровнями логики вывода.