Схемы цифровых (логических) элементов.
Рассмотрим основные принципиальные схемы, реализующие все логические операции, их таблицы истинности и их графические обозначения.
С х е м а «НЕ». Логическая схема НЕ в интегральном исполнении на основе транзисторного усилителя показана на рисунке8.3
Наиболее часто встречаются следующие названия этой функции: логическое отрицание, инверсия, дополнение, NOT, НЕ.
Возможные виды алгебраической записи функции НЕ:
F = ù A; F = A¢ , F =`A.
На языке цифровой техники «НЕ» означает, что этот элемент является инвертором - электронным устройством, выходной сигнал которого противоположен входному.
Рисунок 8.2 - Логический элемент «НЕ»
При рассмотрении логического элемента «НЕ» на рисунке 8.2 в электрическую цепь включается реле. Пока кнопка SB1 разомкнута, обмотка реле обесточена, его контакты К1.1 остаются замкнутыми и следовательно лампа HL1 получает питание и светит. При нажатии на кнопку SВ1 контакты замыкаются, имитируя появление входного сигнала высокого уровня, в результате реле срабатывает, контакты его размыкаются, нить лампы гаснет, тем самым, имитируя появление на выходе сигнала низкого уровня.
Логический элемент НЕ (рис. 8.2) имеет один вход и один выход. Он представляет собой усилительный каскад на биполярном или полевом транзисторе, работающий в ключевом режиме. На рис. 8.3 показан элемент НЕ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с ОЭ. Элемент предназначен для работы с сигналами положительной полярности в положительной логике. Транзистор T закрыт отрицательным потенциалом на базе, подаваемым от источника ЕБ. При подаче на вход элемента сигнала низкого уровня Uвх = U0, соответствующего логическому «0», транзистор остается закрытым, коллекторный ток равен нулю, т. е. через резистор RK ток не проходит и на выходе напряжение Uвых = +EK, т. е. высокого уровня U1, соответствующего логической «1».
При высоком уровне напряжения на входе Uвх = U1 транзистор находится в режиме насыщения, появляется коллекторный ток и на резисторе RK создается падение напряжения, примерно равное EK, а на выходе напряжение примерно равно нулю (Uвых = U0), т. е. будет логический нуль. Итак, если х = 0, то y = 1, если x = 1, то y = 0, т. е. элемент является инвертором - выполняет операцию отрицания.
Следует отметить, что если элемент выполнен на кремниевом транзисторе n-р-n-структуры, источник смещения EБ можно не включать, так как и при положительных потенциалах на базе (до 0,6 В) транзистор практически закрыт.
|
ПРИМЕР. В качестве примера приведем схему контроля присутствия напряжения на электронном устройстве (ЭУ)) через предохранитель (Пр) (см.рис.8.4).
|
Как только предохранитель Пр прерывает свою цепь, транзистор Т1 закрывается и на ножке 2 появляется логическая «1» в качестве +12В, таким образом, замыкая электрическую цепь катушки ревуна и обеспечивая звуковую сигнализацию о потере питания на ЭУ.
С х е м а «ИЛИ». Логический элемент «ИЛИ» (табл. 8.1) может иметь два (и более) входа, один выход и работать как при потенциальных, так и при импульсных сигналах. Наиболее часто встречаются следующие названия функции «ИЛИ»: логическое сложение, дизъюнкция, OR, ИЛИ.
Алгебраическая запись функции «ИЛИ»:
F = A v B; F = A + B.
Аналогом его может служить схема из параллельно включенных реле. Пока кнопки SB1 и SB2 на рис.8.5 разомкнуты, лампа HL1 не светит, имитируя на выходе сигнала «0». При нажатии на кнопку SВ1 или SB2 нить лампы загорается, тем самым, имитируя появление на выходе сигнала «1»
Логический элемент «ИЛИ» преобразует два сигнала, поданных на вход, в один сигнал на выходе по следующему принципу: если на любой вход (или на два одновременно) логического элемента «ИЛИ» будет подана логическая единица, то на выходе элемента будет логическая единица; если на оба входа подан логический нуль, то на выходе элемента «ИЛИ» также будет нуль.
Рисунок 8.5. Логический элемент «ИЛИ».
Рассмотрим элемент «ИЛИ», выполненный на диодах и предназначенный для работы от сигналов в виде напряжений (импульсов) положительной полярности в положительной логике (рис.8.6). Для того чтобы элемент реализовал операцию «ИЛИ», необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение «1» только тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал «1». При этом сигнал «1» на входе должен обеспечивать запирание всех диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал «0». Соотношение потенциалов источника сигналов низкого U0 и высокого U1 уровней и источника питания Е схемы такое же, как и в схеме элемента «И»: U0 < E < U1 (если U1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии RДоткр ≈ 0.
Рисунок 8.6 Электронная схема элемента «ИЛИ» на диодах.
Если на все входы подано низкое напряжение U0, все диоды закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов (φK = -E); следовательно, напряжение на выходе равно E < U1, т. е. на выходе сигнал соответствует логическому «0». При подаче хотя бы на один из входов, например Вх1, высокого напряжения U1 откроется диод D1, который подключен к этому входу, а так как сопротивление открытого диода равно нулю, то потенциал φK = +U1 и на выходе имеется сигнал U1 (логическая «1»). Если в это время на какие-то диоды со стороны входа будет подан низкий потенциал U0, они окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциал φK = +U1. Таким образом, на выходе сигнал будет соответствовать логической «1», если хотя бы на одном из входов (или первом, или втором, или третьем) сигнал соответствует логической «1».
Рассмотрим элемент «ИЛИ» на биполярных транзисторах n-p-n перехода положительной логики. При подаче на базу одного из транзисторов VT1 или VT2, или одновременно на обасигнала, соответствующего логической единице (см.рис.8.7), на выходе будет логическая единица.
ПРИМЕР. В качестве примера использования элемента «ИЛИ» приведем схему защиты дизеля по предельным параметрам (рис.8.8).
|
Рисунок 8.8. Защита дизеля по придельным параметрам.
С х е м а «И». Наиболее часто встречаются следующие названия этой функции: логическое умножение, конъюнкция, совпадение, АND, И.
Возможные виды алгебраической записи функции «И»:
F = A & B; F = A ^ B; F = A x B; F = A × B; F = AB.
Рисунок 8.9. Логический элемент «И».
Логический элемент «И» (табл. 8.1) может иметь два (или более) входа и один выход, и работать как при потенциальных, так и импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из последовательно включенных контактов (рис.8.9). Рассмотрим работу элемента «И», выполненного на диодах (рис.8.10).
Рисунок 8.10. Электронная схема «И» на диодах
Элемент, предназначенный для работы с сигналами в виде напряжений (или импульсов) положительной полярности в положительной логике, показан на рис. 8.10, а. Он имеет три входа и один выход. Элемент реализует операцию «И», если сигнал «1» появляется на выходе только тогда, когда одновременно на всех входах присутствует сигнал «1». При этом, если хотя бы на одном входе присутствует сигнал, соответствующий логическому нулю, он должен передаваться через открытый диод на выход и обеспечивать запирание тех диодов, на которые со стороны входа воздействуют сигналы, соответствующие логической «1». Будем считать, что сопротивление открытого диода Rд откр << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U0 < Е < U1.
Если на одном из входов цепи, например Bх1 действует сигнал U0, то диод D1 будет открыт и ток пройдет по цепи +E, резистор R, диод D1, источник U0. Все напряжение источника Е приложится к резистору R и на выходе напряжение окажется равным U0, т. е. сигнал на выходе - логический нуль. На остальных входах действует высокий потенциал U1, поэтому диоды закрыты, так как их анод подсоединен к зажиму на выходе с низким потенциалом U0, а катоды - к высокому положительному потенциалу U1.
Если на всех входах действует напряжение U1, то все диоды будут закрыты, ток в цепи +EK, R, закрытый диод, источник U1 не проходит и падение напряжения на резисторе R равно нулю. На выходе напряжение E > U1, что соответствует логической «1». Таким образом, если хотя бы на один из входов воздействует сигнал, соответствующий логическому нулю, сигнал на выходе также соответствует логическому нулю. Сигнал на выходе соответствует логической «1" только если сигналы на всех входах соответствуют логической единице.
На рис. 8.10,б, г, д показаны элементы, предназначенные соответственно для работы с сигналами отрицательной полярности в положительной логике, (рис. 8.10, г) и отрицательной (рис. 8.10, д) полярности в отрицательной логике. Отметим, что один и тот же элемент может работать как от положительных, так и от отрицательных сигналов, но полярность включения источника питания для положительных сигналов должна быть положительной (+E), для отрицательных сигналов - отрицательной (-E). Работают элементы так же, как и элемент на рис. 8.10,а. Наиболее распространены элементы, показанные на рис. 8.10, а, д.
Элемент «И» может работать и без источника питания. В этом случае возможны только два варианта включения диода, причем элемент на рис. 8.10,в реализует операцию «И» только от сигналов отрицательной полярности в положительной логике, а элемент на рис. 8.10,е - только от сигналов положительной полярности в отрицательной логике. Элементы без источника питания менее предпочтительны, чем с источником питания.
Сравним рис. 8.10,а, на котором показан элемент «ИЛИ», предназначенный для работы от сигналов положительной полярности в отрицательной логике, с рис. 8.10, г. Они одинаковы. Таким образом, можно отметить, что элемент «ИЛИ» в положительной логике может выполнить операцию «И» в отрицательной логике, и наоборот. Все элементы «И» на рис. 8.10,в другой логике, чем для элемента «И», реализуют операцию «ИЛИ».
Элемент «ИЛИ», как и элемент «И», может не содержать источника питания. Элемент на рис. 8.10,б предназначен для работы от сигналов положительной полярности в положительной логике, а на рис. 8.10, в - от сигналов отрицательной полярности в отрицательной логике.
Логическая схема «И» («2И» на два входа) в электронном исполнении приведена на рис.8.11.
Элемент «И» представляет собой диодный ключ с двумя входами. При нулевом значении напряжения, хотя бы на одном из входов (логический 0), диод VD1 или VD2 будет открыт, а транзистор VT закрыт. Значит, напряжение на выходе также будет равно нулю. При одновременной подаче логических единиц на оба входа диоды закрываются, а транзистор VT открывается. На эмиттере появляется положительный потенциал (логическая единица).
|
ПРИМЕР. В качестве примера использования элемента «И» приведем упрощенную схему подго-товки главного двигателя к пуску и работе (рис.8.12).
При отсутствии логических «1» на всех входах происходит падение напряжения на всех параллельных ветвях по цепи: -12В – R7 – R8 – D1 – R1 - +12B; -12B – R7 – R8 – D2 – R2 - +12B и т.д.При запуске масляного насоса логическая «1» подходит к диоду D1, но пройти через него не может, тем самым, запирая его.
При наличии логических «1» на всех входах диоды D1- D6 заперты и потенциал -12В (логическая «1») устремляется на базу транзистора VТ и открывает его. Лампа ЛЗ загорается, получая питание через эмиттерно – коллекторный переход транзистора ,тем самым, сигнализируя о готовности ГД к пуску и работе.
Рисунок 8.12. Подготовка ГД к пуску и работе.
Операции «ИЛИ – НЕ» и «И – НЕ» образуются путем инверсии результатов, получаемых при выполнении операции «ИЛИ» и «И» соответственно:
Логические элементы в интегральном исполнении предназначают для работы с сигналами в потенциальной форме. Они могут выполняться по логике разных типов. Тип логики влияет на характеристики элемента. В интегральных микросхемах чаще используют кремниевые транзисторы n-p-n-типа (см. замечание к элементу НЕ). В режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором таких транзисторов сравнительно велико (0,4 В и выше).
С х е м а «И-НЕ»
Элемент «И – НЕ» называют также: штрих Шеффера (Sheffer stroke), NAND (сокращенное от NOT AND).
Алгебраическая запись функции И – НЕ:
Входные сигналы подаются на элемент «И», выходной сигнал снимается с элемента «НЕ». Таким образом, на выходе элемента «И – НЕ» сигналом будет логическая «1», если на входе элемента «НЕ» присутствует сигнал, соответствующий логическому «0».
Принцип действия такого логического элемента можно рассмотреть на следующей электрической эквивалентной схеме (.рис.8.13).
При включении обоих выключателей SB1 и SB2 (см.рис.8.13) получает питание катушка реле К, контакт данного реле К1.1. размыкается и лампа HL гаснет. При включении одного из выключателей катушка реле К не получает питание, потому что выключатели соединены последовательно, контакт К1.1. остается замкнутым и лампа продолжает получать питание.
Рисунок 8.13 - Логический элемент «И-НЕ»
Логический элемент «И – НЕ» для сигналов положительной полярности показан на рис. 8.14. Он представляет собой соединение через диоды VDс двух элементов: диодного элемента «И» и транзисторного элемента «НЕ» (см. соответственно рис. 8.10, а и рис. 8.3). При этом элемент «НЕ» не имеет источника смещения EБ, исходя из сделанного ранее замечания о работе кремниевых транзисторов. Кроме того, значения напряжений, соответствующих логическим «0» и «1», необходимо выбрать должным образом, так как при напряжении на базе, несколько меньшем 0,6В, транзистор будет закрыт, а в режиме насыщения напряжение между эмиттером и коллектором равно 0,4 В (и выше).
|
Простейший элемент «И – НЕ» на транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). показан на рис. 8.15,а. Он состоит из двух частей: элемента «И» на многоэмиттерном транзисторе Т1 и элемента «НЕ» на транзисторе Т2. Связь непосредственная: коллектор Т1 соединен с базой транзистора Т2. Смещение в цепи базы транзистора Т2 выполняет коллекторный переход Т1. Три эмиттерных перехода Т1 подключенных к входу элемента (рис. 8.15,а,) выполняют функции входных диодов в схеме «И» на диодах. По сравнению с ДТЛ – элементами элементы ТТЛ обладают более высоким быстродействием. Элемент выполнен по технологии интегральных микросхем, поэтому он не содержит реактивных элементов. Он работает от сигналов в виде напряжений положительной полярности.
Рисунок 8.15. Логический элемент «И-НЕ» на ТТЛ.
Рассмотрим принцип работы подобных элементов. Если на все входы подать напряжение U1, то все эмиттерные переходы сместятся в обратном направлении. Потенциал коллектора транзистора Т2 окажется близким нулю, переход база - коллектор смещен в прямом направлении за счет источника +EK. Транзистор T1 будет в инверсном режиме, транзистор Т2 - в режиме насыщения. Коллекторный ток транзистора T1 втекает в базу транзистора Т2, оставляя последний в режиме насыщения. Таким образом, на выходе будет напряжение низкого уровня U0, т. е. логический «0».
Если на один из входов подано напряжение U0, то потенциал базы транзистора T1 станет выше потенциалов эмиттера и коллектора, поэтому T1 окажется в режиме насыщения и ток базы замкнется через эмиттерные переходы T1 и не поступит в его коллектор, а следовательно, и в базу T2. Поэтому транзистор T2 будет закрыт, а на его выходе - напряжение высокого уровня (логическая «1»). Таким образом, элемент выполняет операцию «И – НЕ», так как сигнал логического нуля на выходе может быть только тогда, когда на все входы будет подан сигнал логической единицы.
В промышленности для повышения нагрузочной способности логических элементов ДТЛ и ТТЛ используют схемы со сложным инвертором. Рассмотрим работу универсального логического элемента «И – НЕ» со сложным инвертором на выходе в интегральном исполнении (рис.8.16). Операция «И» выполняется входным многоэмиттерным транзистором T1. Инвертирование фазы сигнала осуществляется сложным инвертором на транзисторах Т2, Т3, Т4, питание элемента - источником постоянного напряжения ЕK = 5В. Элемент работает от входных импульсов напряжения прямоугольной формы с уровнями: U1 = 3,3В (логическая «1»), U0 = 0,1В (логический «0»).
|
ПРИМЕР. В качестве примера использования элемента «И - НЕ» приведем упрощенную схему контроля синхронизации генераторов (рис. 8.17).
Рисунок 8.17 - Контроль синхронизации генераторов.
При отсутствии совпадения параметров синхронизации транзисторы VT1-VT3 закрыты и горит красная лампа ЛК. При совпадении напряжений открывается транзистор VT1 и логическая «1» подходит к коллектору транзистора VT2. При совпадении частот открывается транзистор VT2 и логическая «1» подходит к коллектору транзистора VT3. При совпадении сдвига фаз открывается транзистор VT3, гаснет лампа ЛК, срабатывает реле включения автомата (РВА) генератора и загорается лампа ЛЗ.
Дата добавления: 2020-10-14; просмотров: 275;