Цифрова логіка, елементи, її представляють, працюють з так званими цифровими сигналами. На відміну від аналогових, цифрові сигнали приймають два можливих значення: логічна одиниця і логічний нуль. Логічна одиниця позначається для стислості «1» або, в деяких випадках, «високим» рівнем («В»). Логічний нуль, відповідно, позначається «О» або «низьким» рівнем («Н»), Логічні елементи, або елементи цифрової логіки, побудовані на біполярних і польових транзисторах, що працюють в режимах насичення і відсічення.

Найбільшого поширення набули перевірені часом цифрові логічні елементи на основі біполярних транзисторів – ТТЛ-елементи (транзисторно-транзисторна логіка) і на основі польових транзисторів – КМОП-егементи (комплементарні, на основі переходів метал-окисел-напівпровідник).

Логічні елементи ТТЛ, асортимент яких налічує до 200 найменувань різного ступеня інтеграції і функціонального призначення, працюють при напрузі живлення 5 В. Ці мікросхеми здатні працювати до частот 20 … 100 МГц і споживають від джерела живлення значний струм.

/ ШО / ~ 7-елементи працюють в широкому діапазоні напруг живлення 5 … 15 В, іноді від 3 В. Це виключно економічні елементи, які можна використовувати спільно з ТТЛ логікою. Помітний і малоустранімий недолік більшості цих елементів – відносно низькі робочі частоти, що не перевищують 1 … 5 МГц.

Нижче будуть розглянуті основні логічні елементи цифрової логіки.

Оскільки історія цифрових логічних елементів налічує не настільки вже багато років, умовні знаки, які використовуються для позначення логічних елементів в різних країнах світу, помітно відрізняються. Тому, в порядку порівняння, і для того, щоб можна було впевнено розбиратися в схемах, опублікованих у вітчизняних та зарубіжних джерелах інформації,

наведені умовні позначення, прийняті у нас і в ряді англомовних країн (Великобританія, США).

Повторювач (Repeater) – логічний елемент, що виконує функцію повторювача. Елемент може бути реалізований на основі емітерного (рис. 3.2, 3.5) або истокового (рис. 3.8) повторювачів. Перехідні конденсатори (рис. 3.2, 3.5) слід виключити зі схеми. Вхідний сигнал подається на базу транзистора (рис. 3.2, 3.5) через резистор R1 (10 кОм). Номінал резистора R2 – 1 кОм. При подачі на вхід такого елемента керуючого сигналу А, на виході елемента формується сигнал Y, повністю ідентичний вхідному.

НЕ (NOT) – логічний елемент, званий також інвертором, може бути виготовлений на основі схем, показаних на рис. 3.1, 3.4, 3.7. Вихідний сигнал Y є «дзеркальною» або «перевернутої» копією вхідного: коли на вході елемента логічна одиниця, на виході – логічний нуль, і навпаки.

АБО (OR) – в цьому елементі вихідний сигнал Y приймає значення логічної одиниці за наявності на хоча б одному з його декількох входах сигналу логічної одиниці. Якщо на цих входах логічний нуль, на виході елемента також логічний нуль.

АБО-НЕ (OR-NOT) – являє собою послідовне включення елементів АБО (OR) і НЕ (NOT). Вихідний сигнал Y схеми АБО-НЕ при наявності на його входах логічного нуля приймає значення логічної одиниці. Варто хоча б одному з вхідних сигналів прийняти значення логічної одиниці, вихідний сигнал Y переключиться на логічний нуль.

І (AND) – цей елемент виконує функцію схеми збігу. Його еквівалентну схему можна представити у вигляді двох або декількох (по числу входів) послідовно включених електричних ключів (вимикачів): вихідний сигнал буде мати значення логічної одиниці тільки в тому випадку, якщо на всі входи цього логічного елемента буде поданий рівень логічної одиниці.

І-НЕ (AND-NOT) – як випливає з назви елемента, цей пристрій є послідовно включені елементи І (AND) та НЕ (NOT). При одночасній подачі на входи цього елемента рівнів логічної одиниці на виході Y елемента буде рівень логічного нуля. Якщо хоча б на одному з входів елемента сигнал прийме рівень логічної одиниці, сигнал на виході пристрою негайно переключиться з «нуля» на «одиницю».

   

Еквівалентність (Equivalence) – являє собою більш складний за структурою логічний елемент. Це логічний пристрій має на виході логічну одиницю тільки в тому випадку, коли всі без винятку сигнали на його входах будуть мати один і той же (тобто однаковий, еквівалентний) логічний рівень, причому не має значення, «нуль» це чи «одиниця».

Виключає АБО (Excluding OR) – вихідний сигнал Y цього логічного елемента приймає значення логічної одиниці тільки в тому випадку, коли на одному з його входів присутній логічна одиниця, а на всіх інших – логічний нуль. Варто порушити цю умову, сигнал на виході елемента прийме значення логічного нуля.

На основі найпростіших елементів цифрової логіки можуть бути синтезовані практично будь і як завгодно більш складні пристрої цифрової логіки – тригери, лічильники, шифратори, дешифратори та інші. У той же час з більш складних елементів можуть бути отримані більш прості. У цьому можна легко переконатися умоглядно, аналізуючи інформацію, наведену на рис. 26.1, або експериментально. Так, наприклад, поєднавши разом входи А і В елементів АБО-НЕ або И-НЕ, можна отримати елемент НЕ.

Відзначимо попутно, що найчастіше «зайві» невживані входи логічних елементів об’єднують з іншими висновками, або з’єднують із загальною «земляний» шиною або шиною харчування (для 7777-мікросхем з’єднання незадейство-ванного входу з шиною живлення краще виконувати через резистор опором 1 … 2 кОм).

Для наочного уявлення співвідношення рівнів сигналів на входах і виходах логічних елементів наведені відповідні графіки (рис. 26.1).

Для імітації, моделювання і вивчення показані найпростіші схемні еквіваленти логічних елементів, виконані на звичайних перемикачах. Подача сигналу логічної одиниці відповідає замикання відповідного ключа (або переключення здвоєного ключа для схем, що імітують функцію елементів Еквівалентність і Виключає АБО). У порядку

вивчення логічних елементів рекомендується самостійно зібрати і досліджувати роботу схемних еквівалентів, використавши в якості індикатора логічного рівня авометр.

Таблиця істинності на додаток до графіків сигналів і схемним еквівалентам дає уявлення про взаємозв’язок процесів на входах і виходах логічних елементів. В інших літературних джерелах «1» може мати позначення «Н» – «High», а «О» – позначення «L» – «Low».

Приклади існуючих зарубіжних логічних елементів серії ТТЛ (TTL) і КМОП (CMOS) і їх вітчизняних аналогів також маються на рис. 26.1.

Цифрові мікросхеми можуть бути використані в якості аналогових. Приклади нетрадиційного використання цифрових мікросхем в аналоговій техніці наведені в главі 29.

У той же час існують мікросхеми, здатні працювати як з аналоговими, так і з цифровими сигналами. До таких мікросхем можна віднести комутатори аналогових і цифрових сигналів, виконані на КТЮТ-елементах (мікросхеми К176КТ1, К561КТЗ, К564КТЗ – чотирьохканальні комутатори) і селектори-мультиплексори (багатоканальні багатопозиційні перемикачі, наприклад, К561КП1, К561КП2).

Для переходу від цифрових сигналів до аналогових і назад використовують аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП).

   

Література: Шустов М.А. Практична схемотехніка (Книга 1), 2003 рік